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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Mikrophon und ein Verfahren
zur Herstellung eines Mikrophons, und insbesondere auf Halbleiter-Kondensatormikrophone.
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Immer
häufiger
werden in technischen Geräten
Mikrophone, die die Umsetzung eines akustischen Signals in ein elektrisches
Signal durchführen, eingesetzt.
Die zunehmende Verbesserung der Verarbeitung der Sprachsignale in
den Mikrophonen nachgelagerten Einrichtungen, wie z. B. digitale
Signalprozessoren, erfordert, daß auch die Eigenschaften der
Mikrophone verbessert werden, da die Qualität der Sprachübertragung
immer weiter zunimmt. Außerdem
stellt die fortschreitende Miniaturisierung der Geräte, wie
z. B. Mobiltelefone, auch die Anforderung, daß die Komponenten, wie z. B.
die Mikrophone, die dort eingesetzt werden, ebenfalls in ihren Abmessungen
reduziert werden. Daneben erfordert der zunehmende Kostendruck auf
diese Geräte,
wie z. B. Mobiltelefone oder Geräte
mit Spracherkennungssystemen, Herstellungsverfahren für Mikrophone weiter
zu vereinfachen. Entscheidender Vorteil von Si-Mikrophonen ist deren
Temperaturstabilität.
Sie können
daher mit automatischen Bestückungsautomaten
aufgebaut werden und bei Temperaturen von 260°C reflow gelötet werden.
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In
ihrer Veröffentlichung „Capacitive
Microphone with low-stress
polysilicon membrane and high-stress polysilicon backplate" aus Sensors aund Actuators
(2000) beschreiben Altti Torkkeli et alteri ein Mikrophon gemäß dem Stand
der Technik. Das Mikrophon besteht aus einer Niedrigstress-Polysilizium-Membran,
die bereits bei einem geringen Schalldruck ausgelenkt wird, und
einer perforierten Hochstress-Membran,
die erst bei einem hohen Schalldruck ausgelenkt wird. Beide Membrane
sind durch einen Luftspalt voneinander getrennt. Die Niedrigstress-Membran
verändert
ihre Form bei einem zu messenden Schalldruck, während die Form der perforierten
Hochstress-Membran sich nicht ändert.
Hierdurch ändert
sich die Kapazität
zwischen den beiden Membranen. Die elektrische Isolation der beiden
Membrane voneinander wird durch eine Siliziumdioxid- oder eine Siliziumnitridschicht
erreicht.
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Die
Firma Sisonic bietet auf Ihrer Webseite www.knowlesacoustic.com/html/sil
mic.html Mikrophone an, die unter Einsatz von Polysilizium-Schichten
gefertigt werden, und die in standarisierten Fertigungsverfahren
mit Pick-and-Place
Maschinen auf Platinen montiert werden können.
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Auch
das Unternehmen Sonion bietet auf seiner Webseite www.sonion.com
miniaturisierte Mikrophone an, deren Breite, Länge und Höhe jeweils geringer als 5mm
sind.
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Nachteilig
an den bekannten Mikrophonen ist die vergleichsweise hohe statische
Kapazität
zwischen Membran- und Gegenstruktur. Die Membranstruktur wird durch
Schalldruckschwankungen ausgelenkt, während die Gegenstruktur in
ihrer Position verharrt und keine Auslenkung erfährt. Hierdurch ändert sich
die Kapazität
zwischen den Elektroden. Gleichzeitig bleibt aber der Kapazitätsanteil,
der aus den fest eingespannten Bereichen der Membranstruktur und
der Gegenstruktur herrührt,
konstant. Die Kapazität
des Mikrophons kann also durch eine Parallelschaltung zweier Kondensatoren
symbolisiert werden, von denen ein erster Kondensator, der durch eine
Elektrodenfläche
zwischen den Randbereichsgrenzen gebildet wird, seine Kapazität in Abhängigkeit
von dem Schalldruck ändert.
Ein zweiter Kondensator in dieser Parallelschaltung, der durch die
Elektrodenfläche
links der Randbereichsgrenze und rechts der Randbereichsgrenze gebildet
wird, ist von einer Intensität
eines einfallenden Schalls unabhängig.
Die Gesamtkapazität
der Parallelschaltung variiert nur mit der Änderung der Kapazität des ersten Kondensators.
Die prozentuale Empfindlichkeit, also die Kapazitätsänderung
bezogen auf die Gesamtkapazität
geteilt durch eine Schalldruckänderung,
ist daher aufgrund der hohen statischen Kapazität begrenzt. Ein kleines Verhältnis der
Kapazitätsänderung
zur Gesamtkapazität
führt dazu,
daß ein
hoher Aufwand zur Signalverarbeitung betrieben werden muß. Dies
bedeutet wiederum, daß dem
eigentlichem Silizium-Mikrophon nachgelagerte Signalverarbeitungsstufen
aufgrund des kleinen Verhältnisses aufwendig
und damit teuer und chipflächenintensiv sind,
was wiederum die Preisreduktion bei der Massenherstellung des Mikrophonsystems
aus Silizium-Mikrophon mit integrierter Auswerteschaltung einschränkt. Insbesondere
sinkt das Signal zu Rauschverhältnis
mit abnehmender aktiver Kapazität.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mikrophon
zu schaffen, das preisgünstig
integrierbar ist, und ein Verfahren zum Herstellen des Mikrophons.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Mikrophon gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren
gemäß Anspruch 16
gelöst.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein Mikrophon mit folgenden Merkmalen:
einer
Membranstruktur, die durch einen Druck auslenkbar ist;
einer
Gegenstruktur;
wobei die Gegenstruktur und die Membranstruktur beabstandet
angeordnet sind, und wobei eine elektrische Kapazität zwischen
der Membranstruktur und der Gegenstruktur von einem Druck abhängt;
wobei
die Membranstruktur einen Randbereich hat, in dem sie an einem Membranträger angebracht
ist und aufgrund des Drucks nicht auslenkbar ist; und
wobei
der Randbereich der Membranstruktur oder die Gegenstruktur eine
Ausnehmung hat, so daß eine Flächenüberlappung
zwischen der Membranstruktur und der Gegenstruktur im Randbereich
reduziert ist.
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Der
Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, in einem Randbereich
der Membranstruktur, in dem die Membran an einem Membranträger angebracht
ist und aufgrund des vorzugsweise dynamischen Drucks nicht auslenkbar
ist, so in der Membranstruktur oder der Gegenstruktur Ausnehmungen
einzubringen, so daß die
Flächenüberlappung
zwischen der Membranstruktur und der Gegenstruktur in dem Randbereich
reduziert ist. Der Vorteil der Erfindung besteht in der besseren
Empfindlichkeit des Mikrophons, die sich durch die dadurch erzielte
Reduzierung der statischen Kapazität ergibt. Diese verbesserte
Empfindlichkeit führt
zu einer Aufwandsreduzierung in den dem Mikrophon nachfolgenden
Signalverarbeitungseinheiten. Die Vorteile dieser Aufwandsreduzierung
liegen in einer geringen Chipfläche
des gesamten Mikrophonsystems, des Systems aus dem eigentlichen
Mikrophon und der Schaltung zur Auswertung eines Mikrophonsignals,
einer höheren
Fertigungsausbeute und der damit verbundenen Kostenreduktionen für die Herstellung
des Mikrophonsystems. Diese Vorteile überwiegen die mechanischen
Nachteile eines geringeren Umfangs der Membran- ung Gegenstruktureinspannung,
also der Anteile einer Randbereichslinie, in denen die Membran und
die Gegenstruktur keine Ausnehmungen haben und in den Membranträger eingespannt
sind. Die Ausnehmungen in der Membran- und der Gegenstruktur bilden
Stege zwischen diesen Ausnehmungen. Die Aufhängung der Membran an Stegen
ist vorteilhaft zur Erhöhung
der mechanischen Empfindlichkeit. Um die aufgrund der Stegaufhängung erhöhte Empfindlichkeit
der Gegenelektrode zu reduzieren kann diese mit einer höheren Schichtspannung
und/oder größerer Dicke
ausgeführt
sein.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat
die Membran Durchlässe,
so daß sie
nur auf einen dynamischen Druck nicht aber auf einen statischen
Druck anspricht.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schemtische Schnittdarstellung des Mikrophons gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung;
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2a eine
Membranstruktur eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung;
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2b eine
Gegenstruktur eines Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung;
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2c eine
Draufsicht auf ein Mikrophon mit dargestellten Überlappungen;
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3a eine
vergrößerte Darstellung
der Membranstruktur des Ausführungsbeispiels
unter 2a–c;
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3b eine
vergrößerte Darstellung
der Gegenstruktur des Ausführungsbeispiels
unter 2a–c;
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3c eine
vergrößerte Darstellung
der Membranstruktur und der Gegenstruktur des Mikrophons des Ausführungsbeispiels
unter 2a–c;
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4 eine
Darstellung des gesamten Mikrophonkörpers des Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung; und
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5a–h ein Verfahren
zur Herstellung eines Ausführungsbeispieles
eines Mikrophons gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Man erkennt einen Membranträger 6,
eine Membranstruktur 11, einen Luftpalt 15 zwischen
der Membranstruktur 11 und einer Gegenstruktur 15,
eine linke Randbereichsgrenze 21 und eine rechte Randbereichsgrenze 26.
Die Membranstruktur 11 ist rechts von der Randbereichsgrenze 26 fest
in den Membranträger 6 eingespannt
und weist an der linken Randbereichsgrenze 21 eine Ausnehmung
auf. Die Gegenstruktur 16 ist links von der Randbereichsgrenze 21 fest
in den Membranträger 6 eingespannt
und weist an der rechten Randbereichsgrenze 26 eine Ausnehmung
auf. Zu erkennen ist anhand dieses Ausführungsbeispiels das Grundprinzip der
vorliegenden Erfindung. Der Mikrophonkörper gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung weist Ausnehmungen in der Membranstruktur 11 und
der Gegenstruktur 16 in dem Randbereich der Membranstruktur,
also links von der Randbereichsgrenze 21 und rechts von
der Randbereichsgrenze 26, auf. Somit überlappen sich die Membranstruktur 11 und
die Gegenstruktur 16 in dem Randbereich nicht. Hierdurch
wird in der Parallelschaltung der Kapazität des Sensors und der parasitären Kapazität, die bereits
in dem Ausführungsbeispiel
in 1c erläutert wurde, die parasitäre Kapazität, die durch
die Überlappung
der Membranstruktur 11 und der Gegenstruktur 16 in
dem Randbereich entsteht, eliminiert. Die Empfindlichkeit des Mikrophonkörpers 1,
also die prozentuale Kapazitätsänderung
der kapazitiven Anordnung bei einem auf der Membranstruktur auftreffenden
Schall steigt dadurch.
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2a zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, indem es die Struktur einer Membran
in Frontalsicht darstellt. Man erkennt die Membranstruktur 11,
eine Randbereichsgrenze 56, Ausnehmungen 61 in
der Membranstruktur 11, eine Widerstandsschicht 66 und
einen Anschluß der
Memb ranstruktur 67. Wie in den folgenden 2b und 2c erläutert wird,
sind die Ausnehmungen 61 so angeordnet, daß die Überlappungen
zwischen der Membranstruktur 11 und der Gegenstruktur 16 von
dem Ausführungsbeispiel
dieses Mikrophons außerhalb
der kreisförmigen
Randbereichsgrenze 56 reduziert sind.
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2b erläutert die
Anordnung der Gegenstruktur 16. Man erkennt die Gegenstruktur 16,
die Randbereichsgrenze 56, Ausnehmungen 76 der
Gegenstruktur 16, einen Anschluss 91 für die Gegenstruktur 16,
einen Guardring 96, einen Anschluss 101 für den Guardring 96 und
einen Kontakt 108 für
die Membranstruktur 11 über
den Vorladewiderstand 66. Die Ausnehmungen in der Gegenstruktur 16 sind
so angeordnet, daß die
Flächenüberlappung
mit der Membranstruktur 11 reduziert ist, was die parasitären Kapazitäten verringert.
Der Guardring 96, der in der Gegenstrukturschicht angeordnet
ist, liegt auf einem von der Gegenstruktur 16 abweichenden
Potential, und schirmt damit zusätzlich
die in dem Randbereich, also außerhalb
des Kreises 56, entstehende parasitäre Kapazität zwischen der Membranstruktur 11 und der
Gegenstruktur 16 ab. Da der Guardring 96 in der selben
Schicht liegt wie die Gegenstruktur 16, und diese möglichst
gut abschirmen soll, weist der Guardring 96 unterschiedliche
Breiten auf, eine geringe Breite in Bereichen, in denen er einem
Steg der Gegenstruktur gegenüberliegt
und eine große
Breite in Bereichen, in denen er einer Ausnehmung 76 der
Gegenstruktur 16 gegenüberliegt.
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2c zeigt
eine Draufsicht auf die Membran, wobei jetzt ein schematischer Aufbau
des Mikrophons gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung dargestellt wird, da jetzt sowohl die Membranstruktur 11 als
auch die Überlappungen
mit Ausnehmungen 76 der Gegenstruktur 16 dargestellt werden.
Diese Überlappungen
wären zum
Teil normalerweise nicht sichtbar, sollen aber zum besseren Verständnis dargestellt
werden. Man erkennt die Membranstruktur 11, die Randbereichsgrenze 56,
die Ausnehmungen in der Membranstruktur 61, die Widerstandsschicht 66,
Bereiche 77 der Membranstruk tur 11, die den Ausnehmungen 76 der
Gegenstruktur 16 gegenüber
liegen, den Gegenstrukturanschluß 91, den Guardring 96,
den Guardringanschluß 101, einen
Kontakt 108 an der Widerstandsschicht 66 und einen
Membrankontakt 110. Die Ausnehmungen in der Membranstruktur 61 und
die Bereiche 77 der Membranstruktur 11, die den
Ausnehmungen 56 in der Gegenstruktur 16 gegenüber liegen,
sind so angeordnet, daß die
Flächenüberlappungen
zwischen der Membranstruktur 11 und der Gegenstruktur 16 im Vergleich
zur Anordnung ohne Ausnehmungen reduziert sind. Der Guardring 96 liegt
wiederum auf einem von der Gegenstruktur 16 abweichenden
Potential und trägt
somit noch zusätzlich
zur Abschirmung der parasitären
Kapazitäten
der Gegenstruktur 16 bei. Insbesondere ist das Potential,
auf das der Guardring 96 gebracht wird zwischen dem Potential
der Membranstruktur 11 und der Gegenstruktur 16 und
vorzugsweise auf dem Membran-Potential.
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3a zeigt
eine vergrößerte Darstellung der
Membranstruktur 11 des Mikrophons 1, das auf dem
in 2a–c
erläuterten
Ausführungsbeipiel
gemäß den Erkenntnissen
der vorliegenden Erfindung entworfen wurde. Es zeigt die Membranstruktur 11, eine
Steglänge 47 der
Membranstruktur 11, die Randbereichsgrenze 56,
die Ausnehmungen 61 in der Membranstruktur 11 und
Korrugationsrillen 106. In diesem Ausführungsbeispiel sind 6 Korrugationsrillen
in der Membranstruktur 11 eingebracht, jedoch könnte jede
beliebige andere Anzahl an Korrugationsrillen vorzugsweise zwischen
3 und 20 in der Membranstruktur 11 vorhanden sein. Die
Aufgabe der Korrugationsrillen ist es u. a., ein Auslenkverhalten
eines aktiven Bereichs der Membranstruktur 11 zu unterstützen. In
typischen Ausführungsbeispielen von
Mikrophonen ist die Auslenkung einer Membranstruktur 11 innerhalb
von den Korrugationsrillen 106, also auf der dem Membranträger 6 abgewandten
Seite, größer als
außerhalb
der Korrugationsrillen 106. Die Ausnehmungen in der Membranstruktur 61 außerhalb
der durch die Korrugationsrillen umschlossenen Fläche haben
wiederum die Funktion, die Überlappung
der Membranstruktur 11 mit der Gegenstruktur 16 in
dem Randbereich der Membranstruktur 11 zu reduzieren.
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In 3b ist
eine vergrößerte Darstellung der
Anordnung der Gegenstruktur 16 aufgeführt. Man erkennt in der Darstellung
eine Steglänge 48 der
Gegenstruktur 16, die Randbereichsgrenze 56, die
Ausnehmungen 76 in der Gegenstruktur 16, den Anschluß für die Gegenstruktur 91,
den Guardring 96, einen Gegenstrukturbereich 107,
der einer Ausnehmung 61 in der Membranstruktur 11 gegenüberliegt, und
einen Gegenstrukturbereich 111, der einem Bereich der Membranstruktur 11 gegenüber liegt,
in dem diese keine Ausnehmungen hat. Die Steglänge 48 der Gegenstruktur 16 erstreckt
sich von der Randbereichsgrenze bis zu einem äußeren Ende des Stegs der Gegenstruktur 16.
Der Guardring 96 liegt dabei auf einem von der Gegenstruktur 16 abweichenden
Potential, was dazu führt,
daß das
daraus resultierende elektrische Feld zur Abschirmung der parasitären Kapazitäten in dem
Randbereich beiträgt.
Auch die Ausnehmung 76 in der Gegenstruktur 16,
die dem Bereich in der Membranstruktur 11 gegenüber liegen,
in denen diese keine Ausnehmungen hat, tragen zur Reduzierung der
parasitären
Kapazitäten
bei. Daneben zeigt diese Figur auch, daß in der Membranstruktur 11 in
dem Randbereich eine Ausnehmung ist, die einem Bereich der Gegenstruktur 16 gegenüber liegt,
in dem diese keine Ausnehmung hat, da die Gegenstruktur 11 in
diesem Bereich zur mechanischen Stabilisierung an dem Membranträger 6 eingespannt
ist.
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3c zeigt
eine vergrößerte Gesamtansicht
frontal auf die Membranstruktur 11 und damit einen vergrößerten Ausschnitt
aus einem Ausführungsbeispiel
gemäß der vorliegenden
Erfindung und erläutert
wiederum die Überlappungen
zwischen Membran 11 und Gegenstruktur 16. Diese Überlappungen
sind wiederum analog zu der Ansicht von 2c zum
Teil eigentlich nicht sichtbar, jedoch aus Erläuterungszwecken dargestellt.
Zu erkennen ist eine Überlappung 51 der
Membranstruktur 11 mit der Gegenstruktur 16, die
Ausnehmungen 61 in der Membran struktur 11, ein
Membranbereich 77, der Ausnehmungen 76 in der
Gegenstruktur 16 gegenüberliegt,
der Gegenstrukturanschluß 91,
der Guardring 96 und die Korrugationsrillen 106.
Der Membranbereich 77, der Ausnehmungen 76 in
der Gegenstruktur 16 gegenüberliegt, setzt sich aus zwei
Bereichen zusammen, aus Bereichen 82, die dem Guardring 96 gegenüberliegen,
und aus Bereichen 52, die dem Guardring 96 nicht
gegenüberliegen.
Die überlappenden
Flächen
zwischen der Membranstruktur 11 und der Gegenstruktur 16 sind
in den Randbereichen reduziert und die parasitären Kapazitäten, die ja vornehmlich in
dem Randbereich auftreten, werden zusätzlich über den vorzugsweise vorgesehenen
Guardring 96 abgeschirmt. Die statische Kapazität bildet sich
somit nur zwischen den versetzt zueinander angeordneten Stegen der
Membran- 11 und der Gegenstruktur 16 aus. Somit
wird durch diese schräge
Anordnung der Kondensatorplatten die feste Kapazität auf 5
% des ursprünglichen
Werts einer Anordnung ohne Ausnehmung abgesenkt. Auch wird die mechanische
Stabilität
der Anordnung mit Ausnehmungen in der Membran 11 und der
Gegenstruktur 16 gegenüber
einer Anordnug ohne Ausnehmungen reduziert. Die Reduktion der Stabilität kann durch
einen höhere Gegenstrukturschichtdicke
kompensiert werden.
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Die
Membranstruktur 11 wird dabei über den gesamten Bereich ausgelenkt,
auch über
die Korrugationsrillen hinaus an den Stegen. Die genaue Biegelinie
weicht etwas von derjenigen einer Kreismembran ab. Die wesentliche
Rolle der Korrugatiosrillen 106 liegt darin den vorhandenen
Schicht-Zugstress in der Membranstruktur 11 zumindest teilweise
zu relaxieren, wobei aber ein typisches Membranverhalten der Membranstruktur 11 weiterhin
vorhanden ist.
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4 zeigt
eine Gesamtansicht der in 2c gezeigten
Anordnung, wobei jetzt in dieser Gesamtanordnung auch die Korrugationsrillen 106 dargestellt
sind, eine Widerstandskontaktierung 108, eine Guardringkontaktierung 109,
eine Membrankontaktierung 110 und eine Substratkontaktierung 112. Die Gesamtanordnung
aus 2c mit den Kontaktierungen 108, 109, 110, 112 befindet
sich in einem Mikrophonkörperrahmen 116.
Die Substratkontaktierung 112 ist mit dem Anschluß 91 für die Gegenstruktur 16 leitend
verbunden. Die Gegenstruktur 16 liegt damit auf dem selben
Potential wie ein Substrat des Mikrophons. Die Widerstandskontaktierung 108 ist über die
Widerstandsschicht 66 mit der Membranstruktur 11 leitend
verbunden. Die Guardringkontaktierung 109 ist mit dem Guardring 96 leitend
verbunden, während
die Membrankontaktierung 110 an die Membranstruktur 11 angeschlossen
ist.
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5a–h zeigen
ein Herstellungsverfahren für
ein Mikrophon nach einem Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden
Erfindung. 5a zeigt ein Substrat 146,
auf dem eine Ätzstoppschicht 151 aufgebracht
wird, auf der wiederum die Gegenstrukturschicht 16 aufgebracht
wird. In der Gegenstrukturschicht 16 werden Löcher 156 freigeätzt. Anschließend wird,
wie in 5b gezeigt, auf einem in 5a gezeigten
Mehrschichtenaufbau eine Opferschicht 161 aufgebracht,
wobei die Opferschicht auch eine Oberfläche des Mehrschichtenaufbaus
bedeckt, auf der bereits die Gegenstruktur aufgebracht wurde. In
einem weiteren Verfahrensschritt werden Ausnehmungen 166 für die Korrugationsrillen 106 freigeätzt. Während einem
folgenden Phototechnikschritt werden Ausnehmungen 171 für Anti-Sticking-Bumps 172 in
der Opferschicht 161 freigeätzt, wobei (hier nicht gezeigt)
diese Ausnehmungen 171 für Anti-Sticking-Bumps 172 auch
in den Ausnehmungen 166 für die Korrugationsrillen 106 geätzt werden
können.
Anschließend
wird, wie in 5c gezeigt, eine Membranstrukturschicht 11 auf
der Opferoxidschicht 161 aufgebracht, so daß die Membranstruktur 11 auch
die Ausnehmungen 171 für
die Anti-Sticking-Bumps 172 und
die Ausnehmungen 166 für
Korrugationsrillen 106 füllt, so die daß die Anti-Sticking-Bumps 172 und
die Korrugationsrillen 106 Teil der Membranstrukturschicht 11 sind.
Danach wird die Membranstruktur 11 noch in einer geeigneten
Weise strukturiert, damit ihre Abmessungen die weiteren Fertigungsschritte
ermöglichen.
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Die
Anti-Sticking-Bumps 172 sind insbesondere spitze vorzugsweise
pyramiden- oder nadelförmige
Erhöhungen
in der Membranstruktur 11. Bei einer zu starken Auslenkung
der Membranstruktur 11 in Richtung der Gegenstruktur 16 berühren zuerst
die Anti-Sticking-Bumps 172 die Gegenstruktur 16.
Sie dienen dazu, die Oberfläche,
mit der sich die Membran- 11 und die Gegenstruktur 16 berühren gering
zu halten, und damit ein Festhaften der Membranstruktur 11 an
der Gegenstruktur 16 zu erschweren. Dies verringert die
Wahrscheinlichkeit einer Zerstörung des
Mikrophons aufgrund von elektrischer Überspannung oder kondensierter
Feuchte im Luftspalt, deren Verdampfen aufgrund der Oberflächenspannung
zu einem Ankleben einer glatten Membran führen würde.
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In
einem nachfolgenden Herstellungsschritt wird die Opferschicht 161 strukturiert,
so daß sie,
wie in diesem Ausführungsbeispiel
dargestellt, zum Teil bis an die Kante der Gegenstruktur 16 reicht,
aber auch die Gegenstruktur 16 teilweise freigelegt wird. Diese
Freilegung der Gegenstrukturschicht 16 ermöglicht eine
Kontaktierung von dieser mittels eines Kontaktlochs, das in den
weiteren Schritten erzeugt wird.
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Danach
wird auf den Mehrschichtenaufbau aus 5d eine
Zwischenoxidschicht 176 aufgebracht. In der Zwischenoxidschicht 176 werden Durchkontaktierungen
eingebracht, eine für
ein Membrankontaktloch 181, eine für ein Gegenstrukturkontaktloch 186 und
jeweils eine für
den Substratanschluß und
den Guardringanschluß,
wobei die Durchkontaktierungen für
den Substratanschluß und den
Guardringanschluß hier
nicht gezeigt sind. Auf dem Zwischenoxid 176 werden elektrische
Kontakte z. B. aus metallischen Materialien aufgebracht, so daß die Membrankontaktierung 110 entsteht,
die mit dem Membrankontaktloch 181 leitend verbunden ist, und
eine Gegenstrukturkontaktierung 112 entsteht, die mit dem
Gegenstrukturkontaktloch 186 leitend verbunden ist.
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In
einem weiteren Verfahrensschritt wird das Zwischenoxid 176 von
einem Teil der Membranstruktur 11 wieder entfernt um den
in 5e dargestellten Mehrschichtenaufbau zu erhalten.
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Der
Mehrschichtenaufbau aus 5e wird
in dem nächsten
Fertigungsschritt mit einer Schutzpassivierungsschicht 211 auf
der dem Substrat abgewandten Oberfläche überzogen. Danach wird die Schutzpassivierungsschicht 211 von
der Membranstruktur 11, in dem Bereich außerhalb
des Randbereichs und einem Teil des Randbereichs, von einem Teil
der Membrankontaktierung 110 und von einem Teil der Gegenstrukturkontaktierung 112 entfernt. Dieses
Entfernen der Schutzpassivierungsschicht 211 kann beispielweise
in einem maskierten Ätzprozeß erfolgen.
Der so gewonnene Mehrschichtenaufbau ist in 5f gezeigt.
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Danach
werden Wafer, die die Chips umfassen, die den dargelegten Mehrschichtenaufbau
aufweisen, gedünnt.
Selbstverständlich
können
auch einzelne Chips gedünnt
werden, jedoch ist aus Kostengründen
das Dünnen
von Wafern häufig
vorteilhaft. Dies führt
zu einer Reduzierung der Dicke des Substrats 146. Danach
wird eine Maskierungsschicht 221 auf der der Membranstruktur 11 abgewandten Oberfläche des
Substrats 146 aufgebracht. In einem weiteren Phototechnikschnitt
wird die Maskierungsschicht 221, in den Bereichen, in denen
das Substrat 146 freigeätzt
werden soll, entfernt. Dieses Entfernen der Hartmaskenschicht 221 wird
häufig
ebenfalls durch einen maskierten Ätzprozeß durchgeführt. Anschließend wird
das Substrat 146 von der Oberfläche aus, die zumindest teilweise
mit der Hartmaske 221 bedeckt ist, in einem anisotropen
Trockenätzungsverfahren
freigeätzt,
wobei dieser Freiätzungsprozeß auf der Ätzstoppschicht 151 angehalten
wird. Das Substrat 146 weist damit in einem nicht von der
Hartmaske 221 bedeckten Bereich eine Ausnehmung 226 auf,
deren Tiefe bis zur Ätzstoppschicht 151 reicht.
Der daraus resultierende Aufbau ist in 5g dargestellt.
In der Regel reicht für die
Ausnehmung des Substrats 226 eine Fotolackmaske. Der Ätzprozeß ist ein
anisotroper Trockenätzprozeß bzw. DRIE – deep reactive
ion etch – oder
auch der sogenannte Bosch-Prozeß.
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In
einem nächsten
Fertigungsschritt wird die Ätzstoppschicht 151 innerhalb
Randbereichsgrenzen 241 entfernt und anschließend auch
die Opferschicht 161 innerhalb der Randbereichsgrenzen 241 durch Löcher 231 in
der Gegenstruktur 16 hindurch freigeätzt. Hierdurch entstehen Perforierungen 231 in
der Gegenstruktur 16 und ein Luftspalt 236 zwischen
der Membranstruktur 11 und der Gegenstruktur 16.
Idealerweise sind die Ätzstoppschicht 151 und
die Opferschicht 161 in demselben Material ausgeführt, so
daß der
Vorgang des Freiätzens
der Ätzstoppschicht 151 und
der Opferschicht 161 innerhalb der Randbereichsgrenzen 241 zu
einem einzigen Fertigungsschritt zusammengefaßt werden können. Anschließend wird
der dargestellte Mehrschichtenaufbau noch einem Trocknungsverfahren
unterzogen, bevor die einzelnen Chips, die die Mikrophonvorrichtung tragen,
aus dem Wafer herausgesägt
werden. Dieser Verfahrensschritt wird auch als Vereinzelung bezeichnet.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß die in 5a–h durchgeführten Fertigungsschritte
auch an einzelnen Chips durchgeführt
werden können,
wodurch der Schritt der Vereinzelung vor dem Freiätzen ausgeführt würde. Die
resultierende Vorrichtung ist in 5h dargestellt.
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In
obigen Ausführungsbeispielen
kann das Substrat 146 beispielsweise als Halbleitermaterial, wie
z. B. Silizium ausgeführt
sein. Die Ätzstoppschicht 151 kann
beispielsweise als Oxidschicht vorliegen. Die Gegenstruktur und
Membranstruktur können
vorzugsweise in demselben Material, aber auch in unterschiedlichen
Materialien ausgeführt
sein, wobei die eingesetzten Materialien vorteilhafterweise gut
leitend sind, wie z. B. metallische Schichten oder hochdotierte
Halbleiterschichten wie beispielsweise Poly-Silizium. Die Opferschicht 161 kann
in einem beliebigen isolierenden Material ausgeführt sein, wie vorteilhafterweise
häufig
bei Halbleitersubstraten einem Oxid, wie z. B. Siliziumdioxid. Auch
die Zwischenoxidschicht 176 und die Passivierungsschicht 211 können in
beliebigen isolierenden Materialien ausgeführt sein wie vorteilhafterweise
bei Halbleitersubstraten aus Oxiden oder Nitriden, wie z. B. bei
Silizium Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid. Auch kann der in 4 dargestellte
Aufbau eines Mikrophons gemäß der vorliegenden
Erfindung eine beliebige Form aufweisen, und die Zahl der Ausnehmungen beliebig
hoch sein. Sie liegt aber vorzugsweise unter Berücksichtigung der momentan eingesetzten
Strukturbreiten in der Halbleitertechnologie und der daraus resultierenden
Abschätzungen
für Abmessungen
des Mikrophons zwischen 3 und 20. Auch können die Ausnehmungen in beliebiger
Form ausgeführt
sein, vorteilhaft ist jedoch diese in bogenförmiger oder winkliger Form
einzubringen. Eine in obigen Ausführungsbeispielen als Guardring
implementierte Guardstruktur, die zur Abschirmung der Gegenstruktur 16 dient,
ist ringförmig
und in sich geschlossen, jedoch könnte jede beliebige andere
geometrische Form gewählt
werden, die in sich auch nicht geschlossen sein kann, um die Gegenstruktur
abzuschirmen.
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Obige
Ausführungsbeispiele
zeigen, daß ein Mikrophon
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung die trockene Rückseitenätzung, wie die DRIE-Ätzung, nutzt,
um minimale Chipflächen
zu gewährleisten.
Im Gegensatz zu einem elektrochemischen Ätzstoppverfahren, das in handelsüblichen
Chips des Unternehemens Infineon eingesetzt wird, stoppt die DRIE-Ätzung beispielsweise auf
einer Oxidschicht 151 und vereinfacht damit die Technologie
enorm. Zu diesem Zweck wird eine Poly-Si-Membran 11 sowie
eine perforierte Poly-Si-Gegenelektrode 16 z.
B. eingesetzt. Damit die parasitären
Kapazitäten
minimal werden, kann auch die Gegenstruktur 16 beispielsweise
als netzförmige
Membran bzw. Elektrode ausgeformt werden. Hierbei können dann
auch gleichzeitig durch eine geschickte Anordnung die Fußpunktkapazitäten beschränkt bzw. getrapped
werden. Die Anzahl der Phototechniken verrin gert sich durch diese
Vorgehensweise gegenüber
einem Ausführungsbeispiel
eines Mikrophons des Stands der Technik von 16 auf 10 Ebenen.
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Auch
können
z. B. eine netzförmige
Poly-Si-Membran und eine netzförmige
Poly-Si-Gegenelektrode verdreht zueinander angeordnet werden, so
daß die Überlappung
der Membranstruktur 11 und der Gegenstruktur 16 reduziert
wird. Dies erlaubt z. B. bei einem Doppel-Poly-Membransystem eine gleichzeitige
Schirmung parasitärer
Kapazitäten
der Membranelektrode 11.
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Obige
Ausführungsbeispiele
haben gezeigt, daß die
Membran über
eine beliebige Anzahl wie z. B. 15 Stege an der Opferschicht 161,
die auf dem Substrat 146 aufgebracht ist, aufgehängt ist,
vorzugsweise liegt die Anzahl der Stege zwischen 3 und 20. In den
obigen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung hat die Gegenstruktur eine der Membran ähnliche
Form und ist in dem Randbereich, in dem die Ausnehmungen auftreten,
mit Löchern perforiert.
Vorteilhafterweise wird in derselben Schicht der Gegenstruktur 16 auch
die Guardstruktur festgelegt. Die Guardstruktur ist dabei häufig, besonders
bei kreisförmigen
Membran- 11 und/oder Gegenstrukturen 16, als Guardring 96 ausgeführt. Idealerweise überlappen
dann Membranstruktur 11 und Gegenstruktur 16 nur
im aktiven Bereich, der innerhalb der Randbereichsgrenzen 21, 26, 56 liegt.
Vorteilhafterweise setzen die Enden der Membranstege, also die Bereiche
der Membranstruktur 11, die zwischen den Ausnehmungen in
der Membranstruktur 11 liegen, in dem Bereich der Guardstruktur 96 auf, wobei
zwischen der Guardstruktur 96 und der Membranstruktur 11 die
Opferschicht 161 liegt. Hierdurch werden die parasitären Kapazitäten in diesem
Aufbau deutlich reduziert.
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Obige
Ausführungsbeispiele
gemäß der vorliegenden
Erfindung können
in quadratischen Chips implementiert werden, die beispielsweise
eine Länge und
eine Breite von 1,4 mm haben und eine Dicke von 0,4 mm. Der freie
Membrandurchmesser könnte in
dieser Anordnung ca. 1 mm betragen. Dabei kann eine 250 nm dicke
Polysiliziummembran mit Anti-Sticking-Bumps 172 und sechs
Korrugationsrillen 106 implementiert werden. Die Korrugationsrillen
unterstützen
wiederum das Auslenkverhalten des Mikrophons und erhöhen damit
die Empfindlichkeit. Die Membranstruktur 11 läßt sich
in dieser Anordnung beispielsweise an 15 Stegen aufhängen, die
mechanisch 15 Federn entsprechen. Der Membranstruktur 11 kann
eine Gegenstruktur 16 aus 400 nm dickem Polysilizium gegenüberliegen,
das vorteilhafterweise auch über
15 Stege aufgehängt
sein kann, was einem mechanischen Verhalten von 15 Federn entspricht.
Die Durchmesser der Perforationslöcher 231 können beispielsweise
bei 2 μm
liegen und die Gegenstruktur 16 kann einen Perforationsgrad
von ca. 30 % aufweisen, um eine vorteilhafte Durchführung des
Fertigungsverfahrens zu ermöglichen.
Ein typischer Wert für
den Abstand zwischen der Membranstruktur 11 und der Gegenstruktur 16 ist
in dieser Anordnung ca. 2 μm,
was zugleich der Dicke der Opferschicht 151 entspricht.
-
- 1
- Mikrofon
- 6
- Membranträger
- 11
- Membranstruktur
- 15
- Luftspalt
- 16
- Gegenstruktur
- 21
- linke
Randbereichsgrenze
- 26
- rechte
Randbereichsgrenze
- 47
- Steglänge der
Membranstruktur
- 48
- Steglänge der
Gegenstruktur
- 51
- Überlappung
Membranstruktur mit Gegenstruktur
- 52
- Gegenstrukturausnehmung
nicht gegenüber Guardring
- 56
- Randbereichsgrenze
- 61
- Ausnehmungen
in der Membranstruktur
- 66
- Widerstandsschicht
- 67
- Anschluß der Membranstruktur
- 76
- Ausnehmungen
in der Gegenstruktur
- 77
- Membranstrukturbereich
gegenüber
-
- Gegenstrukturausnehmung
- 81
- Anschluß für Membranstruktur
- 82
- Gegenstrukturausnehmung
gegenüber
Guardring
- 91
- Gegenstrukturanschluß
- 96
- Guardring
- 101
- Guardringanschluß
- 106
- Korrugationsrille
- 107
- Gegenstrukturbereich
gegenüber
Membranausnehmung
- 108
- Widerstandskontaktierung
- 109
- Guardringkontaktierung
- 110
- direkte
Membrankontaktierung
- 111
- Gegenstrukturbereich
nicht gegenüber
-
- Membranausnehmung
- 112
- Substratkontaktierung
- 146
- Substrat
- 151
- Ätzstoppschicht
- 156
- Löcher in
der Gegenstruktur
- 161
- Opferschicht
- 166
- Ausnehmung
für Korrugationsrille
- 171
- Ausnehmung
für Anti-Sticking-Bump
- 172
- Anti-Sticking-Bump
- 176
- Zwischenoxid
- 181
- Membrankontaktloch
- 186
- Gegenstrukturkontaktloch
- 211
- Schutzpassivierung
- 221
- Maskierungsschicht
- 226
- Substratausnehmung
- 231
- Gegenstrukturperforierung
- 236
- Luftspalt
zwischen Membranstruktur und Gegenstruktur
- 241
- Randbereichsgrenze