DE102010062555B4 - Micromechanical membrane device and corresponding manufacturing method and membrane assembly - Google Patents

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Abstract

Mikromechanische Membranvorrichtung mit:einem Substrat (1);einer über dem Substrat (1) gebildeten ersten Elektrode (E1; E1');einer über der ersten Elektrode (E1; E1') gebildeten Membran (M), welche aus SiC gebildet ist;einer über der Membran (M) gebildeten zweiten Elektrode (E2; E2');wobei die Membran (M) gegenüber der ersten und zweiten Elektrode (E1, E2; E1', E2') elektrisch isoliert ist und in einem auslenkbaren Membranbereich (MA) durch einen ersten und zweiten Luftspalt (S1; S2) von der ersten und zweiten Elektrode (E1, E2; E1', E2') beabstandet gebildet ist.A micromechanical membrane device comprising: a substrate (1); a first electrode (E1; E1 ') formed over the substrate (1); a membrane (M) formed over the first electrode (E1; E1') formed of SiC; a second electrode (E2; E2 ') formed over the membrane (M), the membrane (M) being electrically insulated from the first and second electrodes (E1, E2; E1', E2 ') and being located in a deflectable membrane region (MA ) is formed spaced apart from the first and second electrodes (E1, E2, E1 ', E2') by first and second air gaps (S1, S2).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikromechanische Membranvorrichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren sowie eine Membrananordnung.The present invention relates to a micromechanical membrane device and a corresponding manufacturing method and a membrane assembly.

Obwohl auf beliebige mikromechanische Bauelemente anwendbar, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Hintergrund im Hinblick auf mikromechanische Bauelemente in Siliziumtechnologie erläutert.Although applicable to any micromechanical devices, the present invention and its underlying background with respect to micromechanical devices in silicon technology will be explained.

Aus der WO 2009/066290 A2 ist eine Lautsprechervorrichtung bekannt, welche eine erste leitfähige Schicht zum Bilden einer ersten Elektrode, eine darüberliegende erste Isolationsschicht, eine leitfähige Membranschicht, eine darüberliegende zweite Isolationsschicht und eine darüberliegende zweite leitfähige Schicht zum Bilden einer zweiten Elektrode aufweist. Eine derartige Lautsprechervorrichtung lässt sich elektrostatisch betreiben und kann prinzipiell auch umgekehrt als Mikrophonvorrichtung verwendet werden.From the WO 2009/066290 A2 For example, a speaker device is known which comprises a first conductive layer for forming a first electrode, an overlying first insulation layer, a conductive membrane layer, an overlying second insulation layer and an overlying second conductive layer for forming a second electrode. Such a speaker device can be operated electrostatically and, in principle, can also be used conversely as a microphone device.

Die WO 2007/135 680 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Druckwellenerzeugung mittels eines Arrays aus sich bewegenden Teilen, ein jedes darauf beschränkt sich entlang einer jeweiligen Achse vor und zurück zu bewegen, und zwar ansprechend auf eine alternierende elektromagnetische Kraft, welche an das Array angelegt wird.The WO 2007/135 680 A1 discloses an apparatus for generating pressure wave by means of an array of moving parts, each constrained to move back and forth along a respective axis in response to an alternating electromagnetic force applied to the array.

Derartige Lautsprechervorrichtungen mit Elementarrays lassen sich prinzipiell beispielsweise mit Silizium als Membran- und Elektrodenmaterial realisieren. Die Membranen der einzelnen Elemente werden im Betrieb durch hohe Spannungen an die zugehörigen Elektroden gepresst.Such speaker devices with element arrays can in principle be realized, for example, with silicon as the membrane and electrode material. The membranes of the individual elements are pressed during operation by high voltages to the associated electrodes.

Aus der US 2010/0301967 A1 ist ein mikroelektromechanisches System bekannt, dass einen MEMS-Resonator bildet. Hierzu ist eine planare bewegliche Elektrode in einem Abstand parallel zu zwei weiteren Elektroden zur Ansteuerung angeordnet.From the US 2010/0301967 A1 For example, a microelectromechanical system is known that forms a MEMS resonator. For this purpose, a planar movable electrode is arranged at a distance parallel to two further electrodes for driving.

Aus der US 2002/0067663 A1 ist ein miniaturisierter akustischer Breitband-Transducer bekannt. Hierbei wird vorgeschlagen, ein Diagphragma und Abdeckmaterialien aus einem Halbleitermaterial oder aus einem Metall, einem Edelmetall oder Legierungen hiervon zu verwenden.From the US 2002/0067663 A1 For example, a miniaturized broadband acoustic transducer is known. Here, it is proposed to use a diagnostic material and covering materials made of a semiconductor material or of a metal, a noble metal or alloys thereof.

Aus der DE 10 2006 004 287 A1 ist ein mikromechanisches Bauelement bekannt, das ein Substrat und eine auf oder in dem Substrat angeordnete erste starre Elektrodenanordnung, eine zweite am Substrat aufgehängte zweite Elektrodenanordnung und eine zwischen der ersten und der zweiten Elektrodenanordnung vorgesehenen Zwischenraum aufweist, wobei die zweite Elektrodenanordnung elastisch gegenüber der ersten Elektrodenanordnung am Aufhängepfosten derart auslenkbar angebracht ist, dass die Kapazität eines durch die erste Elektrodenanrodnung, die zweite Elektrodenanordnung und den Zwischenraum gebildeten Kondensators veränderbar ist.From the DE 10 2006 004 287 A1 a micromechanical device is known which comprises a substrate and a first rigid electrode arrangement arranged on or in the substrate, a second second electrode arrangement suspended on the substrate and a gap provided between the first and the second electrode arrangement, the second electrode arrangement being elastic with respect to the first electrode arrangement mounted on the suspension post deflectable such that the capacitance of a capacitor formed by the first Elektrodenanrodnung, the second electrode assembly and the gap is variable.

Aus der US 5 146 435 A ist ein akustischer Tranducer bekannt, der eine perforierte Kondensatorplatte und eine bewegliche Kondensatorplatte aufweist, die von der perforierten Kondensatorplatte beabstandet angeordnet ist.From the US 5 146 435 A For example, an acoustic tranducer is known which has a perforated capacitor plate and a movable capacitor plate spaced from the perforated capacitor plate.

Aus der WO 2009/111874 A1 ist ein mikroelektromechanisches System bekannt, dass elektrische und mechanische Komponenten verbindet, wobei ein Herstellverfahren für ein solches System vorgeschlagen wird.From the WO 2009/111874 A1 For example, a microelectromechanical system is known that connects electrical and mechanical components, proposing a method of manufacturing such a system.

Aus der US 2006/0230835 A1 ist ein mikromechanischer akustischer Tranducer bekannt, der perforierte Bauteile aufweist, die Kondensatorzellen bilden, die ein elektrisches Signal in ein akustisches Signal oder umgekehrt wandeln.From the US 2006/0230835 A1 For example, a micromechanical acoustic transducer is known that has perforated components that form capacitor cells that convert an electrical signal into an acoustic signal or vice versa.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die in Anspruch 1 definierte mikromechanische Membranvorrichtung und das entsprechende Herstellungsverfahren nach Anspruch 11 sowie die Membrananordnung nach Anspruch 15 weisen den Vorteil auf, dass ein Festkleben (Sticking) bei einer MEMS-Membranvorrichtung durch den Einsatz von SiC als Material für die Membran vermieden werden kann.The micro-mechanical membrane device defined in claim 1 and the corresponding manufacturing method according to claim 11 and the membrane arrangement according to claim 15 have the advantage that sticking in a MEMS membrane device can be avoided by the use of SiC as material for the membrane.

SiC weist eine im Vergleich zu Silizium drastisch reduzierte Sticking-Neigung auf. Zudem besitzt SiC eine große mechanische Härte, wodurch sehr robuste Elemente umsetzbar sind. Robustheit ist aufgrund der hohen Belastungsanforderungen (> 1010 Zyklen) von größter Wichtigkeit. Der Herstellungsprozess kann zudem durch die Verwendung von SiC weiter vereinfacht und vergünstigt werden.SiC has a drastically reduced sticking tendency compared to silicon. In addition, SiC has a high mechanical hardness, whereby very robust elements can be implemented. Robustness is of the utmost importance due to the high load requirements (> 10 10 cycles). The manufacturing process can be further simplified and reduced by the use of SiC.

Eine zuverlässige und leistungsfähige Antihaftschicht in Form von SiC führt zudem zur Vermeidung von sogenannten Spätloslassem. Hierunter sind Membranen zu verstehen, welche sich bei Umpolung der Spannung nicht sofort von der aktuellen Kontaktelektrode lösen. Hierdurch ergibt sich eine bessere Homogenität im Ansprechverhalten der einzelnen Pixel im Array, was deutlich zur Verbesserung der Audioqualität beiträgt.A reliable and powerful anti-adhesive layer in the form of SiC also leads to the avoidance of so-called late loss. These are to be understood as membranes which do not immediately detach from the current contact electrode when the voltage is reversed. This results in a better homogeneity in the response of the individual pixels in the array, which significantly contributes to the improvement of the audio quality.

Prinzipiell ist die Erfindung sowohl auf Membrananordnungen in Form von MEMS-Lautsprechervorrichtungen als auch in Form von MEMS-Mikrophonvorrichtungen anwendbar. Die MEMS-Mikrophonvorrichtungen werden allerdings üblicherweise so betrieben, dass die Membran nicht an die Gegenelektrode anschlägt. Sticking ist daher bei Mikrophonvorrichtungen von geringerer Bedeutung als bei MEMS-Lautsprechervorrichtungen, allerdings für bestimmte Anwendungen im Hochdruckschallbereich ebenfalls vorteilhaft.In principle, the invention is based both on membrane arrangements in the form of MEMS Speaker devices as well as in the form of MEMS microphone devices applicable. However, the MEMS microphone devices are usually operated so that the membrane does not abut against the counter electrode. Sticking is therefore of lesser importance in microphone devices than in MEMS loudspeaker devices, but also for certain applications in the high-pressure sound field also advantageous.

Die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des betreffenden Gegenstandes der Erfindung.The features listed in the dependent claims relate to advantageous developments and improvements of the subject matter of the invention.

Figurenlistelist of figures

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikromechanischen Membranvorrichtung in Form einer Lautsprechervorrichtung;
  • 2 eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikromechanischen Membranvorrichtung in Form einer Lautsprechervorrichtung;
  • 3 eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikromechanischen Membranvorrichtung in Form einer Lautsprechervorrichtung;
  • 4a-d schematischen Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für eine mikromechanische Membranvorrichtung gemäß 1.; und
  • 5 eine Membrananordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Show it:
  • 1 a schematic cross-sectional view for explaining a first embodiment of the micromechanical membrane device according to the invention in the form of a speaker device;
  • 2 a schematic cross-sectional view for explaining a second embodiment of the micromechanical membrane device according to the invention in the form of a speaker device;
  • 3 a schematic cross-sectional view for explaining a third embodiment of the micromechanical membrane device according to the invention in the form of a speaker device;
  • 4a-d schematic cross-sectional views for explaining an embodiment of the manufacturing method according to the invention for a micromechanical membrane device according to 1 . and
  • 5 a membrane assembly according to another embodiment of the present invention.

Beschreibung von AusführungsbeispielenDescription of exemplary embodiments

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen dieselben bzw. funktionsgleiche Elemente.In the figures, like reference numerals designate the same or functionally identical elements.

1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikromechanischen Membranvorrichtung in Form einer Lautsprechervorrichtung. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining a first embodiment of the micromechanical membrane device according to the invention in the form of a speaker device.

In 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Siliziumsubstrat, welches eine Vorderseite V und eine Rückseite R aufweist. Auf der Vorderseite V des Siliziumsubstrats 1 befindet sich eine erste Isolationsschicht O1, auf der eine strukturierte erste leitfähige Schicht F1 aus Polysilizium aufgebracht ist. Insbesondere umfasst die erste leitfähige Schicht F1 eine erste Elektrode E1, welche durch Trenngräben T von weiteren Bereichen der ersten leitfähigen Schicht F1 getrennt ist.In 1 denotes reference numeral 1 a silicon substrate having a front side V and a back R having. On the front side V of the silicon substrate 1 there is a first insulation layer O1 on which a structured first conductive layer F1 made of polysilicon is applied. In particular, the first conductive layer comprises F1 a first electrode E1 which through separation trenches T from further areas of the first conductive layer F1 is disconnected.

Die erste Elektrode E1 weist im Bereich einer im Siliziumsubstrat vorgesehenen Kaverne K Löcher L auf, welche einerseits beim später zu beschreibenden Herstellungsverfahren als Ätzlöcher dienen und welche andererseits im Betrieb als Schalldurchtrittslöcher dienen. Die Strukturierung durch die Kaverne von der Rückseite R her ermöglicht eine Verbesserung der Membranbeweglichkeit, ist aber nicht zwingend erforderlich.The first electrode E1 points in the region of a cavity provided in the silicon substrate K Holes L, which serve as etch holes in the manufacturing method to be described later and which on the other hand serve as sound passage holes in operation. The structuring through the cavern from the back R her allows an improvement in the membrane mobility, but is not mandatory.

Oberhalb der ersten leitfähigen Schicht F1 vorgesehen ist eine zweite Isolationsschicht O2. Auf der zweiten Isolationsschicht O2 vorgesehen ist eine strukturierte leitfähige Membranschicht FM, welche eine Membran M umfasst, die durch Trenngräben T von übrigen Bereichen der leitfähigen Membranschicht FM ist.Above the first conductive layer F1 a second insulation layer is provided O2 , On the second insulation layer O2 a structured conductive membrane layer is provided FM which is a membrane M includes, through dividing trenches T of remaining areas of the conductive membrane layer FM is.

Die Membran M weist einen elastisch auslenkbaren Membranbereich MA und einen eingespannten Membranrandbereich MR auf. Die Einspannung des Membranrandbereichs MR erfolgt durch die zweite Isolationsschicht O2 und eine oberhalb der leitfähigen Membranschicht FM vorgesehene dritte Isolationsschicht O3. Oberhalb der dritten Isolationsschicht O3 vorgesehen ist eine zweite leitfähige Schicht F2, welche in eine zweite Elektrode E2 strukturiert ist, die ebenfalls durch Trenngräben T von den übrigen Bereichen der zweiten leitfähigen Schicht getrennt ist.The membrane M has an elastically deflectable membrane area MA and a clamped membrane rim area MR on. The clamping of the membrane edge area MR takes place through the second insulation layer O2 and one above the conductive membrane layer FM provided third insulation layer O3 , Above the third insulation layer O3 a second conductive layer is provided F2 which is in a second electrode E2 is structured, which also by separating trenches T is separated from the remaining regions of the second conductive layer.

Die erste, zweite und dritte Isolationsschicht O1, O2 und O3, welche beim später zu beschreibenden Herstellungsverfahren als Opferschichten dienen, sind vorzugsweise aus Siliziumoxid realisiert. Die leitfähige Membranschicht FM besteht im vorliegenden Beispiel aus SiC (Siliziumkarbid), wohingegen die zweite leitfähige Schicht F2 und damit die Elektrode E2 ebenso wie die zweite leitfähige Schicht F1 und damit die Elektrode E1 aus Polysilizium bestehen.The first, second and third insulation layers O1 . O2 and O3 which serve as sacrificial layers in the manufacturing method to be described later, are preferably made of silicon oxide. The conductive membrane layer FM consists of SiC (silicon carbide) in the present example, whereas the second conductive layer F2 and with it the electrode E2 as well as the second conductive layer F1 and with it the electrode E1 consist of polysilicon.

Ätzlöcher bzw. Schalldurchtrittslöcher L sind ebenfalls in dem auslenkbaren Membranbereich MA und in der zweiten Elektrode E2 oberhalb des auslenkbaren Membranbereichs MA gebildet. Der auslenkbare Membranbereich MA der Membran M ist durch einen ersten Luftspalt S1 von der ersten Elektrode E1 und durch einen zweiten Luftspalt S2 von der zweiten Elektrode E2 entsprechend der Dicke der Schichten O2 bzw. O3 beabstandet, wodurch ein entsprechender Bewegungsbereich der Membran M definiert ist.Etching holes or sound passage holes L are also in the deflectable membrane area MA and in the second electrode E2 above the deflectable membrane area MA educated. The deflectable membrane area MA the membrane M is through a first air gap S1 from the first electrode E1 and through a second air gap S2 from the second electrode E2 according to the thickness of the layers O2 or. O3 spaced, whereby a corresponding range of movement of the membrane M is defined.

Seitlich versetzt zur Membran M und zur zweiten Elektrode E2 gebildet ist ein Kontaktstöpsel KS1 aus Polysilizium, welcher von einer Oberseite O der zweiten leitfähigen Schicht F2 bis zur ersten Elektrode E1 reicht. Seitlich versetzt zur zweiten Elektrode E2 und zum ersten Kontaktstöpsel KS1 ist ein zweiter Kontaktstöpsel KS2 gebildet, welcher von der Oberseite O der zweiten leitfähigen Schicht F2 bis zur Membran M reicht.Laterally offset to the membrane M and to the second electrode E2 formed is a contact plug KS1 polysilicon, which from a top O the second conductive layer F2 to the first electrode E1 enough. Laterally offset to the second electrode E2 and to the first contact plug KS1 is a second contact plug KS2 formed, which from the top O the second conductive layer F2 to the membrane M enough.

Auf gleicher Höhe an der Oberseite der zweiten leitfähigen Schicht F2 gebildet sind Anschlusspads P1, P2, P3 zum elektrischen Kontaktieren der ersten Elektrode E1 über den Kontaktstöpsel KS1 der Membran M über den Kontaktstöpsel KS2 bzw. der zweiten Elektrode 2. Diese Anschlusspads P1, P2, P3 sind aus einer Aluminium-Metallisierung durch einen bekannten Ätzprozess strukturiert.At the same height at the top of the second conductive layer F2 formed are connection pads P1 . P2 . P3 for electrically contacting the first electrode E1 over the contact plug KS1 the membrane M over the contact plug KS2 or the second electrode 2 , These connection pads P1 . P2 . P3 are structured from an aluminum metallization by a known etching process.

Durch die Ausgestaltung der ersten und zweiten Elektrode E1, E2 aus Polysilizium und der Membran aus SiC lässt sich ein Sticking der Membran M an der ersten und zweiten Elektrode E1, E2 verhindern, sowie die Schlagfestigkeit der Membran M erhöhen.Due to the configuration of the first and second electrodes E1 . E2 made of polysilicon and the membrane of SiC can be a sticking of the membrane M at the first and second electrodes E1 . E2 prevent, as well as the impact resistance of the membrane M increase.

2 ist eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikromechanischen Membranvorrichtung in Form einer Lautsprechervorrichtung. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining a second embodiment of the micromechanical membrane device according to the invention in the form of a speaker device.

Bei der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform ist die erste leitfähige Schicht F1' nicht aus Polysilizium, sondern wie die leitfähige Membranschicht FM ebenfalls aus SiC hergestellt. Die darunterliegende erste Isolationsschicht O1' ist bei diesem Beispiel nicht aus Oxid, sondern aus undotiertem SiOC hergestellt, wohingegen das darüberliegende SiC dotiert ist, um es für die leitfähige Membranschicht FM hochleitfähig zu machen. Ein derartiger Schichtstapel lässt sich durch ein vereinfachtes Abscheidungsverfahren als Dünnschicht auf dem Siliziumsubstrat 1 realisieren, wodurch die Prozesskosten weiter reduziert werden können, da eine erste Polysilizium-Epitaxieschicht zur Bildung der ersten leitfähigen Schicht vermieden werden kann. Ein weiterer Vorteil der ersten Isolationsschicht O1' aus SiOC besteht darin, dass diese beim später zu beschreibenden Herstellungsprozess im Schritt des HF-Gasphasenätzens der zweiten und dritten Isolationsschicht O2, O3 nicht angegriffen wird, was eine Unterätzung der ersten Elektrode E1', welche bei der Ausführungsform gemäß 1 auftritt, verhindert.At the in 2 The second embodiment shown is the first conductive layer F1 ' not made of polysilicon, but like the conductive membrane layer FM also made of SiC. The underlying first insulation layer O1 ' In this example, it is not made of oxide, but of undoped SiOC, whereas the overlying SiC is doped to the conductive membrane layer FM to render highly conductive. Such a layer stack can be produced as a thin layer on the silicon substrate by a simplified deposition method 1 realize, whereby the process costs can be further reduced, since a first polysilicon Epitaxieschicht to form the first conductive layer can be avoided. Another advantage of the first insulation layer O1 ' SiOC is that in the manufacturing process to be described later in the step of RF gas phase etching of the second and third insulation layers O2 . O3 not attacked, causing an undercut of the first electrode E1 ' , which in the embodiment according to 1 occurs, prevents.

Bei der zweiten Ausführungsform sind zudem im Unterschied zur oben beschriebenen ersten Ausführungsform drei Kavernen K1, K2, K3 gebildet, welche im Herstellungsverfahren als Ätzkanäle dienen. Die Kavernen reichen von der Rückseite R des Siliziumsubstrats 1 bis zur ersten leitfähigen Schicht F1'.In addition, in the second embodiment, unlike the first embodiment described above, there are three caverns K1 . K2 . K3 formed, which serve as Ätzkanäle in the manufacturing process. The caverns extend from the back R of the silicon substrate 1 to the first conductive layer F1 ' ,

3 ist eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikromechanischen Membranvorrichtung in Form einer Lautsprechervorrichtung. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining a third embodiment of the micromechanical membrane device according to the invention in the form of a speaker device.

Bei der dritten Ausführungsform gemäß 3 ist die zweite leitfähige Schicht F2' aus SiC gebildet, wobei die dritte Isolationsschicht O3 aus Oxid gebildet ist.In the third embodiment according to 3 is the second conductive layer F2 ' formed of SiC, wherein the third insulating layer O3 is formed of oxide.

Prinzipiell wäre es ebenfalls möglich, die dritte Isolationsschicht O3 aus SiOC analog zur oben beschriebenen zweiten Ausführungsform zu bilden und die beiden Schichten im Dünnschichtverfahren herzustellen.In principle, it would also be possible to use the third insulation layer O3 to form SiOC analogous to the second embodiment described above and to produce the two layers in the thin-film process.

Als eine weitere Modifikation wäre vorstellbar, nur den unteren Teil der oberen Elektrode E2' durch eine dünne SiC-Schicht zu bilden und den oberen Teil aus SiOC, um dadurch gleichzeitig eine Isolation für eine spätere Leiterbahnherstellung zu schaffen.As a further modification, it would be conceivable only the lower part of the upper electrode E2 ' through a thin SiC layer and the upper part of SiOC to thereby simultaneously provide insulation for later wiring production.

4a-d sind schematischen Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für eine mikromechanische Membranvorrichtung gemäß 1. 4a-d are schematic cross-sectional views for explaining an embodiment of the manufacturing method according to the invention for a micromechanical membrane device according to 1 ,

Bei der beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird gemäß 4 a zunächst das bereitgestellte Siliziumsubstrat 1 an seiner Vorderseite V mit der ersten Isolationsschicht O1 versehen. Dies kann beispielsweise durch einen geeigneten Abscheidungsprozess oder eine thermische Oxidation erfolgen. In einem daran anschließenden ersten Epitaxieschritt wird die erste leitfähige Schicht F1 aus Polysilizium abgeschieden. Anschließend erfolgt eine Strukturierung der ersten leitfähigen Schicht F1 durch ein übliches lithographisches Verfahren mit einem entsprechenden Trenchätzschritt, wobei einerseits Ätzlöcher L und andererseits Trenngräben T gebildet werden, wobei letztere die laterale Ausdehnung der ersten Elektrode E1 definieren und eine Abgrenzung zum übrigen Bereich der ersten leitfähigen Schicht F1 schaffen. In einem anschließenden Prozessschritt wird die zweite Isolationsschicht O2 oberhalb der strukturierten ersten leitfähigen Schicht F1 abgeschieden. Anschließend daran erfolgt ein zweiter Schritt, z.B. CVD zum Abscheiden der leitfähigen Membranschicht FM aus dotiertem SiC.In the described embodiment of the manufacturing method according to the invention is according to 4 a First, the provided silicon substrate 1 at its front V with the first insulation layer O1 Provided. This can be done for example by a suitable deposition process or thermal oxidation. In a subsequent first epitaxial step, the first conductive layer F1 deposited from polysilicon. Subsequently, a structuring of the first conductive layer takes place F1 by a conventional lithographic process with a corresponding trench etching step, on the one hand etch holes L and on the other hand, separation trenches T the latter being the lateral extent of the first electrode E1 define and a demarcation to the remaining area of the first conductive layer F1 create. In a subsequent process step, the second insulation layer O2 above the structured first conductive layer F1 deposited. Subsequently, there is a second step, eg CVD for depositing the conductive membrane layer FM from doped SiC.

In einem anschließenden Strukturierungsschritt wird ein linker Trenngraben T in der leitfähigen Membranschicht FM gebildet, welcher die linksseitige Erstreckung der späteren Membran M definiert. Ebenfalls gebildet werden Ätzlöcher L in der leitfähigen Membranschicht FM, welche seitlich versetzt zu den Ätzlöchem L der ersten leitfähigen Schicht F1 sind. Auch diese Strukturierung erfolgt in einem konventionellen Photolithographieschritt verbunden mit einem Trenchätzschritt. Um zum in 4a gezeigten Prozesszustand zu gelangen, wird anschließend die dritte Isolationsschicht O3 aus Oxid über der strukturierten leitfähigen Membranschicht FM abgeschieden.In a subsequent structuring step, a left dividing trench is created T in the conductive membrane layer FM formed, which is the left-hand extension of the later membrane M Are defined. Also formed are etching holes L in the conductive membrane layer FM , which laterally offset to the Ätzlöchem L the first conductive layer F1 are. This structuring also takes place in a conventional photolithography step associated with a trench etching step. To go to 4a Subsequently, the third insulation layer is reached O3 oxide over the patterned conductive membrane layer FM deposited.

Weiter mit Bezug auf 4b wird oberhalb der dritten Isolationsschicht O3 in einem weiteren Epitaxieschritt oder CVD-Schritt die zweite leitfähige Schicht F2 aus Polysilizium gebildet. Auch in dieser zweiten leitfähigen Schicht F2 werden Ätzlöcher L gebildet.Continue with reference to 4b is above the third insulation layer O3 in a further Epitaxieschritt or CVD step, the second conductive layer F2 formed of polysilicon. Also in this second conductive layer F2 become etching holes L educated.

Anschließend erfolgt eine Strukturierung von der Rückseite R des Siliziumsubstrats 1 her, um die Kaverne K zu bilden, welche im vorliegenden Fall im Wesentlichen die laterale Erstreckung des späteren auslenkbaren Membranbereichs MA definiert. In diesem Bereich bzw. oberhalb dieses Bereiches bzw. unterhalb dieses Bereichs liegen auch sämtliche Ätzlöcher L.This is followed by a structuring of the back R of the silicon substrate 1 come to the cavern K in the present case, essentially the lateral extension of the later deflectable membrane region MA Are defined. In this area or above this area or below this area are also all etch holes L.

Weiter mit Bezug auf 4c erfolgt dann ein HF-Gasphasenätzschritt, um die erste, zweite und dritte Isolationsschicht O1, O2, O3 in Opferschichttechnik teilweise zu entfernen, sodass der auslenkbare Membranbereich MA gebildet wird.Continue with reference to 4c Then, an HF gas phase etching step is performed around the first, second and third insulation layers O1 . O2 . O3 in sacrificial layer technique to partially remove, so that the deflectable membrane area MA is formed.

Nach Erreichen des Prozesszustandes gemäß 4c wird gemäß 4d der Kontaktstöpsel KS1 zum Kontaktieren der ersten Elektrode gebildet. Ebenso wird in diesem Prozessschritt die rechtsseitige Erstreckung der Membran M durch einen weiteren Trenngraben T, der mit Oxid verfüllt wird, definiert. Weiterhin erfolgt die Bildung des zweiten Kontaktstöpsels KS2, welcher die Membran M im Membranrandbereich MR kontaktiert. Schließlich erfolgt ein Bilden der Kontaktpads P1, P2, P3 zum Kontaktieren der ersten Elektrode E1, der Membran M und der zweiten Elektrode E2.After reaching the process state according to 4c is according to 4d the contact plug KS1 formed for contacting the first electrode. Likewise, in this process step, the right-hand extension of the membrane M through another dividing trench T which is filled with oxide defined. Furthermore, the formation of the second contact plug takes place KS2 which is the membrane M in the membrane edge area MR contacted. Finally, forming the contact pads P1 . P2 . P3 for contacting the first electrode E1 , the membrane M and the second electrode E2 ,

5 zeigt eine Membrananordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 5 shows a membrane assembly according to another embodiment of the present invention.

Die Membrananordnung 100 weist eine Vielzahl von Membranvorrichtungen 111 gemäß 1, 2 oder 3 auf, welche auf einem gemeinsamen Substrat 1 integriert sind. Im vorliegenden Fall ist eine quadratische Anordnung von 12 x 12 Membranvorrichtungen 111 dargestellt, jedoch kann eine derartige Anordnung je nach Anwendungsfall wesentlich mehr Membranvorrichtungen 111 aufweisen. Auch ist die Erfindung nicht auf die gezeigte quadratische Anordnung beschränkt, sondern für Anordnungen beliebiger Geometrie anwendbar.The membrane arrangement 100 has a variety of membrane devices 111 according to 1 . 2 or 3 on which on a common substrate 1 are integrated. In the present case, a square array of 12 x 12 membrane devices 111 illustrated, however, such an arrangement, depending on the application significantly more membrane devices 111 respectively. Also, the invention is not limited to the square arrangement shown, but applicable to arrangements of any geometry.

Bei Verwendung einer derartigen Membrananordnung 100 als Lautsprechervorrichtung steuert ein Controller CT über eine Vielzahl (nicht gezeigter) Signalleitungen die Elektroden E1, E2 der jeweiligen Membranvorrichtung 111 einzeln oder in Gruppen an, um durch eine inverse Digitalisierung ein Analogsignal zu bilden. Dabei lässt sich pro Membranvorrichtung 111 jeweils entweder ein positives oder negatives Drucksignal erzeugen, wobei durch die Überlagerung sämtlicher Drucksignale das Analogsignal entsteht.When using such a membrane arrangement 100 as a speaker device controls a controller CT the electrodes via a multiplicity of signal lines (not shown) E1 . E2 the respective membrane device 111 individually or in groups to form an analog signal by inverse digitizing. This can be per membrane device 111 each generate either a positive or negative pressure signal, wherein the analog signal is produced by the superposition of all pressure signals.

Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, it is not limited thereto, but modifiable in many ways.

Es ist beispielsweise ebenfalls möglich, die Kontaktstöpsel bereits im Zustand von 4a anzulegen und im Zustand von 4b fertig zu stellen.It is also possible, for example, the contact plugs already in the state of 4a to create and in the state of 4b to finish.

Obwohl die vorliegende Erfindung in Bezug auf eine Lautsprechervorrichtung erläutert wurde, ist sie nicht auf die Lautsprechervorrichtung beschränkt, sondern für beliebige mikromechanische Membrananordnungen anwendbar, beispielsweise mikromechanische Mikrophonvorrichtungen.Although the present invention has been described with respect to a speaker device, it is not limited to the speaker device, but is applicable to any micromechanical membrane assemblies, such as micromechanical microphone devices.

Die Erfindung ist ebenfalls nicht auf die genannten Materialien für Substrat, Elektroden und Isolationsschichten beschränkt, sondern auch für andere mikromechanisch verarbeitbare Materialien ausführbar.The invention is also not limited to the materials mentioned for substrate, electrodes and insulating layers, but also for other micromechanically processable materials executable.

Selbstverständlich ist die Erfindung sowohl für einzelne MEMS-Membranvorrichtungen als auch für großflächige Arrays von MEMS-Membranvorrichtungen anwendbar. Ebenfalls integrierbar in das Herstellungsverfahren sind Prozessschritte für Ansteuereinrichtungen bzw. Auswerteeinrichtungen bzw. Packagingschritte.Of course, the invention is applicable to both single MEMS membrane devices and large area arrays of MEMS membrane devices. Process steps for control devices or evaluation devices or packaging steps can also be integrated into the production process.

Claims (16)

Mikromechanische Membranvorrichtung mit: einem Substrat (1); einer über dem Substrat (1) gebildeten ersten Elektrode (E1; E1'); einer über der ersten Elektrode (E1; E1') gebildeten Membran (M), welche aus SiC gebildet ist; einer über der Membran (M) gebildeten zweiten Elektrode (E2; E2'); wobei die Membran (M) gegenüber der ersten und zweiten Elektrode (E1, E2; E1', E2') elektrisch isoliert ist und in einem auslenkbaren Membranbereich (MA) durch einen ersten und zweiten Luftspalt (S1; S2) von der ersten und zweiten Elektrode (E1, E2; E1', E2') beabstandet gebildet ist.A micromechanical membrane device comprising: a substrate (1); a first electrode (E1, E1 ') formed over the substrate (1); a membrane (M) formed over the first electrode (E1; E1 ') formed of SiC; a second electrode (E2, E2 ') formed over the membrane (M); the membrane (M) being electrically insulated from the first and second electrodes (E1, E2, E1 ', E2') and is formed in a deflectable diaphragm region (MA) by first and second air gaps (S1; S2) spaced apart from the first and second electrodes (E1, E2; E1 ', E2'). Mikromechanische Membranvorrichtung nach Anspruch 1, wobei zwischen dem Substrat (1) und der ersten Elektrode (E1; E1') eine erste Isolationsschicht (O1; O1') vorgesehen ist.Micro-mechanical membrane device according to Claim 1 , wherein between the substrate (1) and the first electrode (E1; E1 '), a first insulating layer (O1; O1') is provided. Mikromechanische Membranvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwischen der Membran (M) und der ersten Elektrode (E1; E1') eine zweite Isolationsschicht (O2) und zwischen der Membran (M) und der zweiten Elektrode (E2; E2') eine dritte Isolationsschicht (O3) vorgesehen ist und wobei die Dicke der zweiten Isolationsschicht (O2) der Dicke des ersten Luftspalts (S1) und die Dicke der dritten Isolationsschicht (O3) der Dicke des zweiten Luftspalts (S2) entspricht.Micro-mechanical membrane device according to Claim 1 or 2 wherein a second insulation layer (O2) is provided between the membrane (M) and the first electrode (E1; E1 '), and a third insulation layer (O3) is provided between the membrane (M) and the second electrode (E2; E2') and wherein the thickness of the second insulating layer (O2) corresponds to the thickness of the first air gap (S1) and the thickness of the third insulating layer (O3) corresponds to the thickness of the second air gap (S2). Mikromechanische Membranvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und zweite Elektrode (E1, E2; E1', E2') aus Polysilizium gebildet sind.A micromechanical membrane device according to any one of the preceding claims, wherein the first and second electrodes (E1, E2; E1 ', E2') are formed of polysilicon. Mikromechanische Membranvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (E1; E1') über einen seitlich zur Membran (M) versetzt gebildeten ersten Kontaktstöpsel (KS1) von einer Oberseite (O) der Membranvorrichtung elektrisch kontaktierbar ist.Micromechanical membrane device according to one of the preceding claims, wherein the first electrode (E1; E1 ') is electrically contactable from an upper side (O) of the membrane device via a first contact plug (KS1) offset laterally relative to the membrane (M). Mikromechanische Membranvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membran (M) über einen seitlich zur zweiten Elektrode (E2; E2') versetzt gebildeten zweiten Kontaktstöpsel (KS2) von einer Oberseite (O) der Membranvorrichtung elektrisch kontaktierbar ist.Micromechanical membrane device according to one of the preceding claims, wherein the membrane (M) via a laterally to the second electrode (E2; E2 ') offset second contact plug (KS2) from an upper side (O) of the membrane device is electrically contacted. Mikromechanische Membranvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (E1; E1') zumindest teilweise aus SiC gebildet ist.Micromechanical membrane device according to one of the preceding claims, wherein the first electrode (E1; E1 ') is formed at least partially from SiC. Mikromechanische Membranvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Elektrode (E2; E2') zumindest teilweise aus SiC gebildet ist.Micromechanical membrane device according to one of the preceding claims, wherein the second electrode (E2; E2 ') is formed at least partially from SiC. Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Membranvorrichtung mit den Schritten: Bereitstellen eines Substrates (1); Bilden einer ersten Elektrode (E1; E1') über dem Substrat (1); Bilden einer Membran (M) über der ersten Elektrode (E1; E1') aus SiC; Bilden einer zweiten Elektrode (E2; E2') über der Membran (M); wobei die Membran (M) gegenüber der ersten und zweiten Elektrode (E1, E2; E1', E2') elektrisch isoliert ist und in einem auslenkbaren Membranbereich (MA) durch einen ersten und zweiten Luftspalt (S1; S2) von der ersten und zweiten Elektrode (E1, E2; E1', E2') beabstandet gebildet wird.Method for producing a micromechanical membrane device with the steps: Providing a substrate (1); Forming a first electrode (E1, E1 ') over the substrate (1); Forming a membrane (M) over the first electrode (E1; E1 ') of SiC; Forming a second electrode (E2; E2 ') over the membrane (M); wherein the membrane (M) is electrically isolated from the first and second electrodes (E1, E2, E1 ', E2') and in a deflectable membrane region (MA) by first and second air gaps (S1, S2) of the first and second electrodes Electrode (E1, E2, E1 ', E2') is formed spaced. Verfahren nach Anspruch 9, umfassend die Schritte: Bilden einer ersten Isolationsschicht (O1; O1') auf einer Vorderseite (V) des Substrats (1); Bilden einer ersten leitfähigen Schicht (F1; F1') auf der ersten Isolationsschicht (O1; O1'); Strukturieren der ersten leitfähigen Schicht (F1; F1') zum Bilden der ersten Elektrode (E1; E1') und zum Bilden von Ätzlöchern (L) in der ersten Elektrode (E1; E1'); Bilden einer zweiten Isolationsschicht (O2) auf der strukturierten ersten leitfähigen Schicht (F1; F1'); Bilden einer leitfähigen Membranschicht (FM) auf der zweiten Isolationsschicht (O2); Strukturieren der leitfähigen Membranschicht (FM) zum Bilden von Ätzlöchern (L) im später auslenkbaren Membranbereich (MA); Bilden einer dritten Isolationsschicht (O3) auf der strukturierten Membranschicht (FM); Bilden einer zweiten leitfähigen Schicht (F1; F1') auf der dritten Isolationsschicht (O3); Strukturieren der zweiten leitfähigen Schicht (F2; F2') zum Bilden von Ätzlöchem (L); Bilden mindestens einer Kaverne (K; K1, K2, K3) auf einer Rückseite (R) des Substrats (1) im Bereich der Ätzlöcher (L), welche sich bis zur ersten Isolationsschicht (O1; O1') erstreckt; teilweises Entfernen der ersten, zweiten und dritten Isolationsschicht (O1, O2, O3) in einem Ätzschritt zum Bilden des auslenkbaren Membranbereichs (MA), wobei sich ein verwendetes Ätzmedium durch die Ätzlöcher (L) ausbreitet; Strukturieren der leitfähigen Membranschicht (FM) zum Bilden der Membran (M); Strukturieren der zweiten leitfähigen Schicht (F2; F2') zum Bilden der zweiten Elektrode (E2; E2').Method according to Claim 9 comprising the steps of: forming a first insulating layer (O1; O1 ') on a front side (V) of the substrate (1); Forming a first conductive layer (F1; F1 ') on the first insulating layer (O1; O1'); Patterning the first conductive layer (F1; F1 ') to form the first electrode (E1; E1') and to form etch holes (L) in the first electrode (E1; E1 '); Forming a second isolation layer (O2) on the patterned first conductive layer (F1; F1 '); Forming a conductive membrane layer (FM) on the second insulating layer (O2); Patterning the conductive membrane layer (FM) to form etch holes (L) in the later deflectable membrane region (MA); Forming a third insulating layer (O3) on the patterned membrane layer (FM); Forming a second conductive layer (F1; F1 ') on the third insulating layer (O3); Patterning the second conductive layer (F2; F2 ') to form etching holes (L); Forming at least one cavern (K; K1, K2, K3) on a back side (R) of the substrate (1) in the region of the etching holes (L) extending to the first insulation layer (O1; O1 '); partially removing the first, second and third insulating layers (O1, O2, O3) in an etching step for forming the deflectable membrane region (MA), wherein a used etching medium propagates through the etching holes (L); Patterning the conductive membrane layer (FM) to form the membrane (M); Patterning the second conductive layer (F2; F2 ') to form the second electrode (E2; E2'). Verfahren nach Anspruch 10, umfassend den Schritt: Bilden eines seitlich zur Membran (M) versetzten ersten Kontaktstöpsels (KS1) von der Oberseite (O) der zweiten leitfähigen Schicht (F2; F2') zur ersten Elektrode (E1; E1').Method according to Claim 10 comprising the step of: forming a first contact plug (KS1) offset laterally of the membrane (M) from the upper side (O) of the second conductive layer (F2; F2 ') to the first electrode (E1; E1'). Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, umfassend den Schritt: Bilden eines seitlich zur zweiten Elektrode (E2; E2') versetzten zweiten Kontaktstöpsels (KS2) von der Oberseite (O) der zweiten leitfähigen Schicht (F2; F2') zur Membran (M).Method according to Claim 10 or 11 comprising the step of: forming a second contact plug (KS2) offset laterally of the second electrode (E2; E2 ') from the upper side (O) of the second conductive layer (F2; F2') to the diaphragm (M). Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die erste Elektrode (E1; E1') und/oder die zweite Elektrode (E2; E2') zumindest teilweise aus SiC gebildet wird.Method according to one of Claims 9 to 12 , wherein the first electrode (E1; E1 ') and / or the second electrode (E2; E2 ') is at least partially formed from SiC. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die erste Elektrode (E1; E1') oder die zweite Elektrode (E2; E2') oder die Membran (M) jeweils von einer SIOC oder undotierten SIC-Schicht umgeben wird.Method according to one of Claims 11 to 13 in which the first electrode (E1; E1 ') or the second electrode (E2; E2') or the membrane (M) is in each case surrounded by a SIOC or undoped SIC layer. Membrananordnung mit einer Vielzahl von Membranvorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, welche auf einem gemeinsamen Substrat (1) vorgesehen sind.Membrane arrangement with a plurality of membrane devices according to one of Claims 1 to 8th which are provided on a common substrate (1). Verwendung einer Membrananordnung nach Anspruch 15 als Lautsprechereinrichtung oder Mikrophoneinrichtung.Use of a membrane arrangement according to Claim 15 as a speaker device or microphone device.
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