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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft einen mikromechanischen Druckwandler, der Druckänderungen
in seiner Umgebung in ein auswertbares elektrisches Signal umsetzt,
und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Bevorzugt können derartige
Druckwandler in miniaturisierten kapazitiven MEMS-Mikrofonen (Micro
Electro Mechanical Systems) eingesetzt werden.
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MEMS-Mikrofone
enthalten eine schwingungsfähige
Membran als auslenkbare Elektrode und eine perforierte Gegenelektrode.
Die Auslenkung der Membran wird durch die Differenz der Drücke vor
und hinter der Membran bestimmt. Druckänderungen, beispielsweise durch
Schallwellen, bewirken eine Änderung
des Abstandes zwischen der Membran und der Gegenelektrode, wodurch
sich die Kapazität
des durch beide gebildeten Kondensators ändert, was messtechnisch erfasst
werden kann. Grundsätzlich
können
auch nichtkapazitive Messverfahren, also beispielsweise piezoelektrische
oder piezoresistive Verfahren, zur Anwendung kommen.
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Auf
einer Seite der Membran wird ein sogenanntes Rückvolumen vorgesehen, welches
verhindert, dass schnelle Änderungen
des Umgebungsdruckes beide Seiten der Membran beaufschlagen, was zu
Empfindlichkeitsverlusten führen
würde.
Die Größe des Rückvolumens
bestimmt ebenfalls wesentlich die Empfindlichkeit der Anordnung,
da eine durch die Membranauslenkung bewirkte Kompression im Rückvolumen,
insbesondere bei zu kleinen Rückvolumina,
dämpfend
wirkt.
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Es
ist bekannt, das Rückvolumen
in miniaturisierten Mikrofon-Anordnungen,
die in Chip-Gehäusen
untergebracht sind, durch das Chip-Gehäuse selbst auszubilden (
DE 103 03 263 A1 ,
WO 02/45463 A2). Zu diesem Zweck wird die Anordnung aus Membran
und Gegenelektrode auf einer Seite durch ein luftdicht mit einem
Träger
verbundenes Gehäuseteil in
ausreichendem Abstand umfangen, um ein ausreichend großes Rückvolumen,
in dem gegebenenfalls noch Teile der Auswerteelektronik untergebracht werden
können,
zu definieren. Derartige Lösungen sind
jedoch relativ groß und
durch ihre Vielteiligkeit aufwändig
in der Herstellung.
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Es
ist weiterhin bekannt, einen Mikrofonchip und einen Auswertechip
(ASIC) durch ein Flipchip-Verfahren auf einen gemeinsamen, ebenfalls mikrosystemtechnisch
hergestellten Träger
aufzubringen, ohne dass ein separates Gehäuse erforderlich wird (WO 01/19134
A2). Der Nachteil dieses Verfahrens besteht ebenfalls im hohen Aufwand
und damit verbundenen Kosten für
die Herstellung von drei einzelnen Chips und deren Verbindung.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen gegenüber dem Stand der Technik weiter
verbesserten Druckwandler, insbesondere für kapazitive MEMS-Mikrofone,
zu schaffen, der sich durch eine kleine Bauform und hohe Flexibilität bei reduzierten Herstellungskosten
auszeichnet, und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben.
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Technische
Lösung
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch einen Druckwandler gemäß Anspruch 1 und ein zu seiner Herstellung
geeignetes Verfahren gemäß Anspruch 13.
Die Ansprüche
2 bis 12 bezeichnen vorteilhafte Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Druckwandlers.
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Die
Erfindung beruht darauf, die für
einen funktionsfähigen
Druckwandler, insbesondere ein MEMS-Mikrofon, erforderlichen Funktionsbaugruppen
so auszugestalten, dass zusätzliche
Trägerchips,
Gehäuse
und ähnliches überflüssig werden. Dabei
wird der Umstand ausgenutzt, dass die für die Chipherstellung genutzten
Substrate häufig
Volumenanteile aufweisen, die im fertigen Chip keine Funktion mehr
haben. In diesen ungenutzten Volumenanteilen erfolgt erfindungsgemäß eine geometrische
Abwandlung der für
den Druckwandler erforderlichen Funktionsbaugruppen, um ein erforderliches Rückvolumen
zu realisieren, ohne weitere volumenbildende Baugruppen einsetzen
zu müssen.
Die Erfindung besteht in einem mikromechanischen Druckwandler, umfassend
einen Chip mit einer auslenkbaren Membran und einen Chip mit einer
Auswerteschaltung, die Informationen über die Auslenkung der Membran
verarbeiten kann, wobei mindestens einer der beiden Chips eine substratseitig
offene Kaverne aufweist und beide Chips elektrisch und mechanisch
so miteinander verbunden sind, dass die Kaverne für die auslenkbare
Membran ein Rückvolumen
bildet. Erst die Anordnung des jeweils anderen Chips verschließt die Kaverne
und ermöglicht
die Ausbildung eines komprimierbaren, vorzugsweise vollständig druckentkoppelten
Rückvolumens
oder eines Rückvolumens,
welches lediglich über
mindestens ein kleines Druckausgleichsloch in Substrat oder Membran
mit der Mikrofonumgebung verbunden ist, das für einen Druckausgleich bei
quasi statischen Druckänderungen
(also eine Anpassung an den mittleren Umgebungsdruck) sorgt.
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Vorteilhafte
Wirkungen
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Auf
diese Weise lassen sich gegenüber
herkömmlichen
Anordnungen Gehäuse-
und Trägerbauteile
einsparen. Beide Chipkomponenten stehen in direktem Kontakt zueinander,
was die Realisierung kurzer elektrischer Verbindungen ermöglicht und
be sonders für
kapazitive MEMS-Mikrofone von Vorteil ist. Demzufolge ist es vorteilhaft,
wenn der Chip mit der auslenkbaren Membran ein Mikrofonchip mit
einer elektrisch leitfähigen
Membran und einer perforierten Gegenelektrode ist, und der Chip
mit der Auswerteschaltung, die Informationen über die Auslenkung der Membran
verarbeiten kann, eine Schaltung enthält, in der eine Auswertung
der Kapazität
des durch die auslenkbare Membran und die perforierte Gegenelektrode
gebildeten Kondensators erfolgen kann. Vorteilhafterweise ist zusätzlich eine
Schaltung zur Rauschunterdrückung
und/oder Frequenzfilterung und/oder Bereitstellung eines digitalen
Datenausgangs enthalten.
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Vorteilhafterweise
enthält
der Chip mit der Auswerteschaltung eine Kaverne, die für die auslenkbare
Membran ein Rückvolumen
bildet. Das lässt sich
beispielsweise realisieren, wenn der Chip mit der Auswerteschaltung
ein ASIC-Chip ist, der auf seiner Integrationsseite metallische
Kontaktflächen
aufweist, die eine SMT-kompatible Verwendung des Druckwandlers ermöglichen.
Die Rückseite
des ASIC-Chip ist in diesem Fall dem Chip mit der auslenkbaren Membran
zugewandt und auf der Rückseite
des Chips mit einer erfindungsgemäßen Kaverne versehen.
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Vorteilhafterweise
weist der Chip mit der auslenkbaren Membran ebenfalls eine Kaverne
auf, die für
die auslenkbare Membran ein Rückvolumen
bildet. Beide Kaverneen können
somit ein gemeinsames Rückvolumen
bilden, wodurch sich Mikrofone mit relativ großem Rückvolumen aufbauen lassen, was
sich empfindlichkeitssteigernd auswirkt, insbesondere dann, wenn
die beiden Chips mechanisch so miteinander verbunden sind, dass
die Kaverne für
die auslenkbare Membran ein luftdichtes Rückvolumen bildet.
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Um
eine Schädigung
der auslenkbaren Membran zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn
ein mechanischer Anschlag für
die auslenkbare Membran vorhanden ist. Eine vorteilhafte Schutzwirkung für die auslenkbare
Membran lässt
sich auch dadurch erzielen, dass sie auf der Seite des zu messenden Druckes
von einer erhabenen Schutzstruktur umgeben wird und/oder hinter
einer Schutzfolie angeordnet ist.
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Die
direkte Verbindung der beiden funktionalen Chipkomponenten bietet
den technologischen Vorteil, dass die Verbindung auf Waver-Ebene (Flip-Verfahren
auf Waver-Ebene) erfolgen kann, bevor die Chips vereinzelt werden.
Der so gebildete Wafer-Stapel wird nach der Verbindung in einem Schritt
vereinzelt. Somit entfällt
ein Teil der Sägekosten
sowie ein Großteil
des Aufwandes für
ein Einzelchip-Handling.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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An
Ausführungsbeispielen
wird die Erfindung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes MEMS-Mikrofon;
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2 einen
Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes MEMS-Mikrofon mit erhabener Schutzstruktur
für die
Membran;
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3 eine
gegenüber 1 in
Bezug auf die Orientierung der beiden Chipkomponenten abgewandelte
Mikrofonanordnung;
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4 einen
Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes MEMS-Mikrofon mit mechanischem Anschlag für die Membran;
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5 einen
ASIC-Chip für
ein erfindungsgemäßes MEMS-Mikrofon ohne TWVs.
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Funktionsgleiche
Merkmale werden durchgängig
mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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1 zeigt
einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes MEMS-Mikrofon. Dieses umfasst zwei
miteinander verbundene Komponenten, einen Mikrofonchip 1 und
einen ASIC-Chip 2. Beide Komponenten weisen Durchkontaktierungen
in Form sogenannter „Through-Wafer-Vias" (TWVs) 3 auf,
die durch das Substrat in seiner vollen Stärke hindurchführen. Die
TWVs 3 sind so angeordnet, dass sie beim Zusammenfügen der
beiden Chips 1, 2 genau übereinanderliegen und miteinander
in elektrischen Kontakt gelangen. Dadurch sind Leiterbahnen im Sinne
von Durchkontaktierungen durch die Gesamtanordnung, bestehend aus
Mikrofonchip 1 und ASIC-Chip 2, realisierbar.
Die TWVs sind mit Leiterbahnen 4, 4' oder weiteren Vias 5 verbunden,
die nur durch einzelne Chipebenen hindurchführen.
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Der
Mikrofonchip 1 umfasst als Kernelemente im Wesentlichen
eine elektrisch leitfähige
auslenkbare Membran 6 als Elektrode und eine perforierte Gegenelektrode 7,
die gemeinsam eine Kondensatorstruktur bilden. Eine Leiterbahn 4 verbindet
die Membran 6 mit einem TWV 3. Ein Via 5 führt durch die
oberste Chipebene, steht mit der Gegenelektrode 7 in elektrischem
Kontakt und verbindet diese über eine
weitere Leiterbahn 4' mit
einem weiteren TWV 3'.
Die perforierte Gegenelektrode 7 ist gegenüber der
Membran 6 und gegenüber
dem Substrat 8 elektrisch isoliert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird
diese Isolierung durch Siliziumoxidschichten 9 realisiert.
Das Substrat 8 des Mikrofonchips 1 weist auf seiner
Rückseite
eine Kaverne 17 auf, die sich in der Tiefe bis zur perforierten
Gegenelektode 7 erstreckt und den perforierten Teil der
Gegenelektrode 7 vollständig
frei lässt.
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Der
ASIC-Chip 2 ist so ausgerichtet, dass die elektronisch
unstrukturierte Substratseite zum Mikrofonchip 1 weist.
TWVs 3, 3' sind
jeweils durch eine Metall-Bump/Metall-Pad Kombination 10 elektrisch miteinander
verbunden. Die Substrate beider Chips 1, 2 sind
durch einen umlaufenden Lotring 11 mechanisch miteinander
verbunden. Die Verbindung per Lotring 11 ist so ausgeführt, dass
der Lotring 11 neben der mechanischen Verbindung der beiden
Chips gleichzeitig eine gegenüber
fluiden Medien, vorrangig jedoch gegenüber Luft, abdichtende Funktion
erfüllt.
Die Verwendung eines Lotringes ermöglicht ein belastungsarmes
Zusammensetzen der Anordnung, da die Verbindung durch das thermische
Erweichen des Lotes unter Anwendung sehr geringer Kräfte erfolgen
kann.
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TWVs 3, 3' führen zur
Vorderseite des ASIC-Chips 2, wo sich in einem strukturierten
Bereich 12 die auf dem Chip realisierten Schaltungen befinden,
welche unter anderem die Auswerteschaltung, die Informationen über die
Auslenkung der Membran verarbeiten kann, enthalten. Mit Hilfe der Auswerteschaltung
wird beispielsweise die Kapazitätsänderung
der Kondensatorsstruktur in ein Spannungssignal gewandelt. Leiterbahnen 13 verbinden einzelne
zu kontaktierende Schaltungsbereiche auf dem ASIC-Chip mit den TWVs 3, 3', die wiederum der
Kontaktierung der auslenkbaren Membran 6 und der perforierten
Gegenelektrode 7 dienen. Auf diese Weise erfolgt der Anschluss
der auszuwertenden Kondensatorstruktur an die Auswerteschaltung
quasi auf dem kürzesten
Weg, der bei vorgegebenen Substratdicken möglich ist.
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Um
die ASIC-Schaltung zu schützen,
ist sie mit einer Schutzschicht 14 überzogen. Metallbumps 15,
die über
Vias 16, die durch die Schutzschicht 14 hindurchführen, mit
der ASIC-Schaltung
bzw. mit diese kontaktierenden Leiterbahnen 13 in Verbindung stehen,
bilden die Anschlusspunkte der Gesamtanordnung, an die beispielsweise
die Leiterbahnen einer Leiterplatte herangeführt werden können. Im
Hinblick auf die Belastung durch thermischen Stress nach einer Leiterplattenmontage
ist es vorteilhaft, die Schutzschicht 14, die gleichzeitig
der Passivierung dient, ausreichend dick auszulegen, um Span nungen aufzunehmen
und von der empfindlichen Chipstruktur fernzuhalten. Gleichzeitig
können
die Vias 16 flexibel gestaltet werden, was durch Verwendung
leitfähiger
Pasten und/oder sehr dünner
Vias erreicht wird.
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Auf
der dem Mikrofonchip 1 zugewandten Rückseite des ASIC-Chips 2 befindet
sich ebenfalls eine Kaverne 17', die durch eine entsprechende
Materialschwächung
im elektronisch unstrukturierten Substratbereich ausgebildet wurde.
Die Kaverne 17 im Substrat 8 des Mikrofonchips 1 und
die Kaverne 17' im
Substrat 8' des
ASIC-Chips bilden gemeinsam ein Rückvolumen hinter der auslenkbaren
Membran 6, das durch eine entsprechend luftdichte Auslegung des
Lotringes 11 für
eine vollständige
medientechnische Abtrennung der Membranrückseite von der Umgebung der
Mikrofonanordnung sorgt. Alternativ kann die vollständige medientechnische
Abtrennung der Membranrückseite
von der Umgebung der Mikrofonanordnung mit Hilfe mindestens einer
kleinen Druckausgleichsöffnung
in eine weitgehende Druckentkopplung der Membranrückseite
von der Umgebung der Mikrofonanordnung umgewandelt werden.
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2 zeigt
einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes MEMS-Mikrofon, bei dem
die auslenkbare Membran 6 auf der Seite des zu messenden Druckes
von einer erhabenen Schutzstruktur 20 umgeben wird. Eine
derartige Schutzstruktur 20 dient in erster Linie dem Schutz
der Membran 6 vor dem Einfluss mechanischer Einwirkungen,
beispielsweise durch makroskopische Partikel im Einbauraum des Mikrofons
oder durch Stöße während einer
späteren Installation.
Die Schutzstruktur 20 kann beispielsweise aus einem Polymer
bestehen, das jeweils auf die Membranebene aufgebracht und zur Verfestigung modifiziert
wird, ohne die auslenkbaren Bereiche der Membran 6 abzudecken
oder in ihrer Beweglichkeit einzuschränken. Bewährt haben sich hierfür Photoresiste,
beispielsweise der Dicklack SU-8, mit dem sich sehr hohe Strukturen
mit nahezu senkrechten Wänden
ausbilden lassen.
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Alternativ
zu auf der Membranebene modifizierten Polymeren können vorgefertigte
Anordnungen verwendet werden, die mit einem Wafer, der die vorbereiteten
Mikrofonchips enthält,
verbunden werden. Hierfür
haben sich besonders Kunststoffnetze, insbesondere durch Spritzguss
hergestellte Kunststoffnetze bewährt,
die auf der Waferoberfläche
befestigt werden und deren Maschenweite mit der regelmäßigen Anordnung
der später
zu vereinzelnden Mikrofonchips korrespondiert. Nach dem Vereinzeln verbleibt
eine Masche pro Chip als Schutzstruktur 20 auf jedem Chip,
ohne die auslenkbaren Bereiche der Membran 6 abzudecken
oder in ihrer Beweglichkeit einzuschränken.
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Als
zusätzlicher
Schutz der empfindlichen Membranoberfläche, vorzugsweise vor Mikropartikeln
und Feuchtigkeit, ist die Öffnung
der Schutzstruktur 20 beabstandet zur Membran 6 durch
eine Schutzfolie 21 verschlossen. Die Schutzfolie ist so ausgelegt,
dass eine Verfälschung
auftreffender Schallwellen weitgehend ausgeschlossen wird. Die Schutzfolie
wird bei Verwendung eines Kunststoffnetzes zur Ausbildung der Schutzstruktur 20 mit
dem Kunststoffnetz verbunden, bevor dieses mit dem Wafer mit den
vorbereiteten Mikrofonchips verbunden wird. Die Verbindung zwischen
Kunststoffnetz und Schutzfolie 21 erfolgt beispielsweise
durch Laminieren oder Aufspritzen.
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Auf
der Schutzfolie 21 befindet sich temporär eine Sägefolie 22. Diese
ist zum Sägen
des Wafers während
der Vereinzelung der Mikrofonchips bzw. der Chipstapel erforderlich.
Dadurch, dass die Sägefolie 22 auf
der Schutzfolie 21 aufgebracht ist, lässt sich der Bereich unmittelbar
vor der Membran 6 und das gesamte Mikrosystem während der
Vereinzelung sicher vor Beeinträchtigungen
bzw. Verunreinigungen schützen.
Das Aufbringen der Sägefolie 22 auf der
Schutzfolie 21 erleichtert gleichzeitig das spätere Entfernen
der Sägefolie 22,
insbesondere, wenn es sich um eine UV- oder Thermofolie handelt.
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3 zeigt
eine gegenüber 1 in
Bezug auf die Orientierung der beiden Chipkomponenten 1 und 2 abgewandelte
Mikro fonanordnung. Sowohl der Asic-Chip 2 als auch der
Mikrofonchip 1 weisen mit ihren Integrationsbereichen nach
unten in Richtung der späteren
Montageebene, hier ersichtlich durch die Metallbumps 15 des
ASIC-Chips. Auf diese Weise erfolgt eine Verlagerung der Membran 6 und
der Gegenelektrode 7 ins Innere der Anordnung. Die Substrate 8, 8' weisen jeweils
eine Kaverne 17, 17' auf,
wobei nur die Kaverne 17' im
Substrat 8' des ASIC-Chips 2 als
Rückvolumen
für die
Membran 6 dient. Die verbleibenden Wandbereiche des Substrates 8 des
Mikrofonchips 1 übernehmen
in diesem Ausführungsbeispiel
die Funktion einer erhabenen Schutzstruktur, wodurch bei ausreichender
Substratdicke das Aufbringen einer derartigen Schutzstruktur, wie
im vorangegangenen Beispiel beschrieben, entfallen kann. Auf diese
Weise ergibt sich ein in wenigen Schritten montierbarer Gesamtaufbau
eines kapazitiven MEMS-Mikrofons mit einer hohen Sicherheit vor
Membranbeeinträchtigungen
durch mechanische Störungen.
Die Kontaktierung der auslenkbaren Membran 6 und der perforierten
Gegenelektrode 7 erfolgt wiederum durch entsprechende Vias 5 und Leiterbahnen 4, 4', wobei durch
die umgekehrte Anordnung (Flip-Chip) des Mikrofonchips 1 auf
dem Substrat 8' des
ASIC-Chips 2 TWVs 3, 3' nur durch das Substrat 8' des ASIC-Chips 2 hindurchführen. Die
Kontaktierungen zur ASIC-Schaltung und die mechanische und elektrische
Verbindung der beiden Chips 1, 2 miteinander erfolgt
entsprechend der vorangegangenen Ausführungsbeispiele. Die Kaverne 17 in
Substrat 8 des Mikrofon-Chips 1 dient als mechanischer
Pufferraum und ist in Fällen
besonderer Beanspruchung mit einer Schutzfolie 21 verschlossen.
Bemerkenswert ist in dieser Anordnung, dass die Beschallung der
auslenkbaren Membran 6 durch die perforierte Gegenelektrode 7 hindurch
erfolgt. Eine Vertauschung der Positionen von auslenkbarer Membran 6 und
perforierter Gegenelektrode 7 ist jedoch problemlos möglich. Die
Schutzfolie kann aus leitfähigem
Material bestehen oder eine leitfähige Beschichtung aufweisen
und so neben dem mechanischen Schutz der elektromagnetischen Abschirmung und
Vermeidung von Störsignalen
dienen. Durch den konstruktiv bedingten Abstand zwischen Membran 6 und
Gegenelektrode 7 ei nerseits und der Schutzfolie 21 andererseits
ist es problemlos möglich,
die Schutzfolie 21 ohne Beeinträchtigung der kapazitiven Anordnung
direkt auf die untere Waferebene zu laminieren.
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4 zeigt
einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes MEMS-Mikrofon mit mechanischem Anschlag 18 für die Membran 6.
Dieser mechanische Anschlag 18 bildet einen erhabenen Bereich
innerhalb der Kaverne 17' im
Substrat 8' des
ASIC-Chips 2. Er verhindert eine zu starke Auslenkung der
Membran 6 und damit verbundene Beschädigungsrisiken. Ansonsten gleicht
das Ausführungsbeispiel
dem in 3. Der mechanische Anschlag 18 kann unabhängig von
der Herstellung der Kaverne 17', beispielsweise durch Trenchen
als Säule
oder, wie dargestellt, durch nasschemisches anisotropes Ätzen als
Pyramidenstumpf 19 hergestellt werden.
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5 zeigt
einen ASIC-Chip für
ein erfindungsgemäßes MEMS-Mikrofon, der für eine Kontaktierung
ohne TWVs vorgesehen ist. Im Substrat 8' ist wiederum eine erfindungsgemäße Kaverne 17' ausgebildet.
Vom Ort der elektrischen Verbindung zum (nicht dargestellten) Mikrofonchip,
beispielsweise mit Hilfe einer Metall-Bump/Metall-Pad Kombination 10,
führen
Leiterbahnen 23 an den Flanken der Kaverne 17' entlang bis
in den Bereich der größten Materialschwächung. Die
Leiterbahnen verlaufen auf einer Passivierungsschicht 24,
die für
die erforderliche Isolierung gegenüber dem Substrat 8' sorgt. Eine derartige
Struktur lässt
sich sehr einfach, beispielsweise durch Abscheidung einer Passivierungsschicht 24,
Abscheidung einer elektrisch leitfähigen Schicht und anschließender Strukturierung
zur Ausbildung der gewünschten
Leiterbahnen 23, herstellen. Als Durchkontaktierungen sind
nur sehr kurze Vias 25 (wenige um) erforderlich, die ebenfalls
durch eine entsprechende Passivierungsschicht 26 vom Substrat 8' getrennt sind.
Alternativ zur dargestellten Variante kann der innerhalb einer Dotierungswanne
ausgebildete strukturierte Bereich 12 beispielsweise im Chip-Zentrum
Aussparungen auf weisen, durch welche entsprechende Vias auf die
Vorderseite des Chips geführt
werden können.
Leiterbahnen 27 verbinden einzelne zu kontaktierende Schaltungsbereiche
auf dem ASIC-Chip
mit den Vias 25. Die Kontaktierung zu externen Schaltungskomponenten,
beispielsweise auf einer Leiterplatte, erfolgt in der bereits beschriebenen
Weise.
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Die
Ausführungsbeispiele
beziehen sich durchweg auf ein SMTkompatibles kapazitives MEMS-Mikrofon,
ohne die Erfindung auf diese Anwendung zu beschränken. Grundsätzlich lässt sich die
Erfindung überall
dort einsetzen, wo ein Druckwandler mit einer auslenkbaren Membran,
die vor einem druckentkoppeltem Rückvolumen angeordnet werden
muss, eingesetzt bzw. miniaturisiert werden soll.
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Die
Erfindung reduziert neben dem erforderlichen Bauraum die Zahl der
zur Montage erforderlichen Schritte und damit den Herstellungsaufwand. Das
erfindungsgemäße Verfahren
umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- – Herstellung
eines Chips mit einer auslenkbaren Membran,
- – Herstellung
eines Chips mit einer Auswerteschaltung, die Informationen über die
Auslenkung der Membran verarbeiten kann, wobei zumindest einer der
Chips eine Kaverne aufweist,
- – elektrische
und mechanische Verbindung beider Chips, so dass die Kaverne für die auslenkbare Membran
ein Rückvolumen
bildet.
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Erfolgt
die mechanische Verbindung durch einen Lotring, so lässt sich
dieser in einem Prozessschritt mit Metallbumps aufbringen, die der
elektrischen Verbindung der beiden Chips dienen.
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Erforderliche
Durchkontaktierungen (TWVs) können
hergestellt werden, indem nach dem Trenchen der erforderlichen Kanäle die Kanalwände elektrisch
passiviert werden, bevor ein leitfähi ges Material, beispielsweise
durch Sputtern oder Verdampfen eines Metalls, abgeschieden wird.
Auf die Passivierung der Kanalwände
kann verzichtet werden, wenn statt des Metalls Polysilizium mit
einer gegenüber dem
Substrat umgekehrten Dotierung verwendet wird, da die Verarmungszone,
die im Bereich des dadurch ausgebildeten p/n-Überganges entsteht, als Isolationsschicht
genügt.
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Membran
und Gegenelektrode können
ohne Beeinträchtigung
der Funktion miteinander vertauscht werden. Verfahrenstechnisch
ist es günstig, die
perforierte Gegenelektrode möglichst
spät, zumindest
nach evtl. erforderlichen Temperschritten zum Spannungsabbau innerhalb
der auslenkbaren Membran, auszubilden bzw. abzuscheiden, um eine möglichst
hohe Zugspannung und Steifigkeit der Gegenelektrode zu erhalten,
was sich als die Empfindlichkeit steigernd erwiesen hat.