DE102006022379A1

DE102006022379A1 - Micromechanical pressure transducer for capacitive microelectromechanical system microphone, has substrate-sided cavity forming back volume for movable membrane, and resting at application-specific integrated circuit chip

Info

Publication number: DE102006022379A1
Application number: DE200610022379
Authority: DE
Inventors: Jochen Zoellin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-05-12
Filing date: 2006-05-12
Publication date: 2007-11-22

Abstract

The pressure transducer has a microphone chip (1) with an electrically conductive movable diaphragm (6), and an application-specific integrated circuit (ASIC) chip (2). The ASIC chip processes information by movement of the diaphragm. One of the two chips has a substrate-side opened cavity (17), and both chips are electrically and mechanically connected with one another. The cavity forms a back volume for the movable diaphragm, and rests at the ASIC chip. An independent claim is also included for a method for manufacturing a micromechanical pressure transducer.

Description

Stand der TechnikState of technology

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.The The invention relates to a micromechanical pressure transducer, the pressure changes converts into an evaluable electrical signal in its environment, and a method for its production. Preferably, such Pressure transducers in miniaturized MEMS capacitive microphones (Micro Electro Mechanical Systems).

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.MEMS microphones contain an oscillatory Membrane as a deflectable electrode and a perforated counter electrode. The deflection of the membrane is due to the difference in pressures and determined behind the membrane. Pressure changes, for example by Sound waves cause a change the distance between the membrane and the counter electrode, thereby the capacity of the capacitor formed by both changes what metrologically detected can be. in principle can also non-capacitive measuring methods, so for example piezoelectric or piezoresistive methods, are used.

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.On one side of the membrane, a so-called back volume is provided which prevents fast changes the ambient pressure both sides of the membrane act on what Lead to loss of sensitivity would. The size of the back volume also determines significantly the sensitivity of the arrangement, since a compression caused by the membrane deflection in the back volume, especially if the return volumes are too small, dampening acts.

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.It is known to form the back volume in miniaturized microphone assemblies housed in chip packages through the chip package itself ( DE 103 03 263 A1 , WO 02/45463 A2). For this purpose, the arrangement of membrane and counter electrode on one side by a hermetically connected to a carrier housing part is surrounded at a sufficient distance to define a sufficiently large back volume, in which, if necessary, still parts of the transmitter can be accommodated. However, such solutions are relatively large and complicated by their many parts in the production.

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.It is also known, a microphone chip and an evaluation chip (ASIC) by a flip-chip method on a common, also microsystem technology prepared carrier apply without a separate housing is required (WO 01/19134 A2). The disadvantage of this method is also the high cost and associated costs for the production of three individual chips and their connection.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Technische AufgabeTechnical task

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.The The object of the invention is a further over the prior art improved pressure transducers, especially for capacitive MEMS microphones, to create, characterized by a small design and high flexibility with reduced manufacturing costs and to specify a method of production.

Technische LösungTechnical solution

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.Is solved This object is achieved by a pressure transducer according to claim 1 and to its production suitable method according to claim 13. The requirements 2 to 12 designate advantageous embodiments of a pressure transducer according to the invention.

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.The Invention is based on that for a working one Pressure transducer, in particular a MEMS microphone, required function modules to design that extra Carrier chip, casing and the like become superfluous. there the fact is exploited that the used for the chip production Substrates often Have volume fractions that no longer function in the finished chip to have. In these unused volume fractions according to the invention is a geometric Modification of for the pressure transducers required functional assemblies to a required back volume to realize without using further volume-forming modules to have to. The invention consists in a micromechanical pressure transducer comprising a chip with a deflectable membrane and a chip with a Evaluation circuit, the information about the deflection of the membrane can process, wherein at least one of the two chips on the substrate side has open cavern and both chips electrically and mechanically so interconnected that the cavern for the deflectable Membrane a back volume forms. Only the arrangement of the other chip closes the cavern and allows the formation of a compressible, preferably completely decompressed rear volume or a return volume, which only over at least one small pressure equalization hole in the substrate or membrane connected to the microphone environment, which is for a pressure equalization quasi-static pressure changes (ie an adaptation to the mean ambient pressure) ensures.

Vorteilhafte Wirkungenadvantageous effects

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.In this way can be compared to conventional arrangements save housing and support components. Both chip components are in direct contact with each other, which allows the realization of short electrical connections and be especially for capacitive MEMS microphones advantage. Accordingly, it is advantageous if the chip with the deflectable membrane is a microphone chip with an electrically conductive membrane and a perforated counter electrode, and the chip with the evaluation circuit, which can process information about the deflection of the membrane, contains a circuit in which an evaluation the capacity of the capacitor formed by the deflectable membrane and the perforated counter electrode can be made. Advantageously, a circuit for noise suppression and / or frequency filtering and / or provision of a digital data output is additionally included.

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.advantageously, contains the chip with the evaluation circuit a cavern, which is for the deflectable Membrane a back volume forms. That can be For example, realize when the chip with the evaluation circuit an ASIC chip is metallic on its integration side contact surfaces having an SMT compatible use of the pressure transducer allow. The backside the ASIC chip is in this case the chip with the deflectable membrane facing and on the back of the chip provided with a cavity according to the invention.

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.advantageously, The chip with the deflectable membrane also has a cavern on that for the deflectable membrane has a back volume forms. Both caverns can thus a common back volume form, which can be built microphones with a relatively large back volume, which increases sensitivity, especially if the two chips are mechanically interconnected so that the cavern for the deflectable membrane forms an airtight rear volume.

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.Around a damage To avoid the deflectable membrane, it is advantageous if a mechanical stop for the deflectable membrane is present. An advantageous protective effect for the deflectable Membrane leaves also be achieved by being on the side of the pressure to be measured surrounded by a raised protective structure and / or behind a protective film is arranged.

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.The provides direct connection of the two functional chip components the technological advantage that the connection at wafer level (flip method at the wafer level) before the chips are singulated. The thus formed wafer stack becomes after the connection in one step sporadically. Thus omitted a part of the sawing costs as well as a large part the effort for a single chip handling.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description the drawings

An Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:At embodiments the invention will be closer explained. Show it:

1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes MEMS-Mikrofon; 1 a cross section through a MEMS microphone according to the invention;

2 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes MEMS-Mikrofon mit erhabener Schutzstruktur für die Membran; 2 a cross section through an inventive MEMS microphone with raised protective structure for the membrane;

3 eine gegenüber 1 in Bezug auf die Orientierung der beiden Chipkomponenten abgewandelte Mikrofonanordnung; 3 one opposite 1 modified microphone arrangement with respect to the orientation of the two chip components;

4 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes MEMS-Mikrofon mit mechanischem Anschlag für die Membran; 4 a cross section through an inventive MEMS microphone with mechanical stop for the membrane;

5 einen ASIC-Chip für ein erfindungsgemäßes MEMS-Mikrofon ohne TWVs. 5 an ASIC chip for a MEMS microphone according to the invention without TWVs.

Funktionsgleiche Merkmale werden durchgängig mit gleichen Bezugszeichen versehen.functionally identical Features become consistent provided with the same reference numerals.

Ausführungsformen der Erfindungembodiments the invention

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. 1 shows a cross section through an inventive MEMS microphone. This includes two interconnected components, a microphone chip 1 and an ASIC chip 2 , Both components have vias in the form of so-called "through-wafer vias" (TWVs) 3 which pass through the substrate in its full strength. The TWVs 3 are arranged so that when joining the two chips 1 . 2 exactly superimposed and get into electrical contact with each other. As a result, printed conductors in the sense of plated-through holes through the entire arrangement, consisting of microphone chip 1 and ASIC chip 2 , feasible. The TWVs are with tracks 4 . 4 ' or more vias 5 connected, which pass only through individual chip levels.

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.The microphone chip 1 essentially comprises as core elements an electrically conductive deflectable membrane 6 as an electrode and a perforated counter electrode 7 , which together form a capacitor structure. A trace 4 connects the membrane 6 with a TWV 3 , A via 5 leads through the top chip level, stands with the counter electrode 7 in electrical contact and connects them via another track 4 ' with another TWV 3 ' , The perforated counter electrode 7 is opposite the membrane 6 and opposite to the substrate 8th electrically isolated. In the present embodiment, this isolation is through silicon oxide layers 9 realized. The substrate 8th of the microphone chip 1 has a cavern on its back 17 on, extending in depth to the perforated counterelectode 7 extends and the perforated part of the counter electrode 7 completely free.

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.The ASIC chip 2 is aligned so that the electronically unstructured substrate side to the microphone chip 1 has. TWVs 3 . 3 ' are each through a metal bump / metal pad combination 10 electrically connected to each other. The substrates of both chips 1 . 2 are by a circumferential solder ring 11 mechanically interconnected. The connection by lotring 11 is designed so that the solder ring 11 in addition to the mechanical connection of the two chips at the same time fulfills a sealing function against fluid media, but primarily with respect to air. The use of a solder ring allows a low-stress assembly of the arrangement, since the connection can be made by the thermal softening of the solder using very low forces.

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.TWVs 3 . 3 ' lead to the front of the ASIC chip 2 , where in a structured area 12 the realized on the chip circuits are, which among other things, the evaluation circuit, which can process information about the deflection of the membrane included. With the aid of the evaluation circuit, for example, the capacitance change of the capacitor structure is converted into a voltage signal. conductor tracks 13 connect individual circuit areas to be contacted on the ASIC chip with the TWVs 3 . 3 ' , in turn, the contacting of the deflectable membrane 6 and the perforated counter electrode 7 serve. In this way, the connection of the capacitor structure to be evaluated to the evaluation circuit takes place quasi on the shortest path, which is possible with given substrate thicknesses.

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.To protect the ASIC circuit, it is covered with a protective layer 14 overdrawn. metal bumps 15 that about vias 16 passing through the protective layer 14 lead, with the ASIC circuit or with these contacting traces 13 In connection, form the connection points of the overall arrangement to which, for example, the tracks of a circuit board can be brought. With regard to the stress due to thermal stress after a PCB assembly, it is advantageous to the protective layer 14 , which also serves the passivation, thick enough to accommodate voltages and keep away from the sensitive chip structure. At the same time, the vias 16 be made flexible, which is achieved by using conductive pastes and / or very thin vias.

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.On the microphone chip 1 facing the back of the ASIC chip 2 there is also a cavern 17 ' , which was formed by a corresponding material weakening in the electronically unstructured substrate region. Cavern 17 in the substrate 8th of the microphone chip 1 and the cavern 17 ' in the substrate 8th' of the ASIC chip together form a back volume behind the deflectable membrane 6 , by a corresponding airtight design of the solder ring 11 ensures complete media technology separation of the membrane back from the environment of the microphone assembly. Alternatively, the complete media technology separation of the membrane back from the environment of the microphone assembly using at least a small pressure equalization port can be converted into a substantial decoupling of the membrane rear side of the environment of the microphone assembly.

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. 2 shows a cross section through a MEMS microphone according to the invention, in which the deflectable membrane 6 on the side of the pressure to be measured from a raised protective structure 20 is surrounded. Such a protective structure 20 serves primarily to protect the membrane 6 against the influence of mechanical influences, for example due to macroscopic particles in the installation space of the microphone or due to impacts during a later installation. The protective structure 20 may for example consist of a polymer which is applied in each case to the membrane plane and modified for solidification, without the deflectable regions of the membrane 6 cover or restrict their mobility. For this purpose, photoresists have proved successful, for example the thick paint SU-8, with which very high structures with almost vertical walls can be formed.

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.As an alternative to membrane-modified polymers, prefabricated arrangements can be used which are connected to a wafer containing the prepared microphone chips. For this purpose, especially plastic nets, in particular produced by injection molding plastic nets have proven that are mounted on the wafer surface and whose mesh size corresponds to the regular arrangement of the later to be separated microphone chips. After separation, one mesh per chip remains as a protective structure 20 on every chip, without the deflectable areas of the membrane 6 cover or restrict their mobility.

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.As an additional protection of the sensitive membrane surface, preferably in front of microparticles and moisture, is the opening of the protective structure 20 spaced from the membrane 6 through a protective film 21 locked. The protective film is designed so that a distortion of incident sound waves is largely excluded. The protective film is when using a plastic network to form the protective structure 20 with the Plastic network connected before it is connected to the wafer with the prepared microphone chips. The connection between plastic net and protective film 21 For example, by lamination or spraying.

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.On the protective film 21 is temporarily a sawing foil 22 , This is required for sawing the wafer during singulation of the microphone chips or chip stacks. Because of the sawing foil 22 on the protective film 21 Applied, the area can be directly in front of the membrane 6 and safely protect the entire microsystem during the isolation of impairments or impurities. The application of the sawing foil 22 on the protective film 21 Simultaneously facilitates the later removal of the sawing foil 22 , Especially if it is a UV or thermal film.

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. 3 shows one opposite 1 in terms of the orientation of the two chip components 1 and 2 modified microphone arrangement. Both the Asic chip 2 as well as the microphone chip 1 point with their integration areas down in the direction of the later mounting plane, here seen through the metal bumps 15 of the ASIC chip. In this way, a displacement of the membrane occurs 6 and the counter electrode 7 inside the arrangement. The substrates 8th . 8th' each have a cavern 17 . 17 ' on, with only the cavern 17 ' in the substrate 8th' of the ASIC chip 2 as back volume for the membrane 6 serves. The remaining wall areas of the substrate 8th of the microphone chip 1 take over the function of a raised protective structure in this embodiment, whereby the application of such a protective structure, as described in the previous example, can be omitted with sufficient substrate thickness. In this way results in a montable in a few steps overall structure of a capacitive MEMS microphone with a high level of security against membrane damage due to mechanical disturbances. The contacting of the deflectable membrane 6 and the perforated counter electrode 7 again by corresponding vias 5 and tracks 4 . 4 ' , wherein by the reverse arrangement (flip-chip) of the microphone chip 1 on the substrate 8th' of the ASIC chip 2 TWVs 3 . 3 ' only through the substrate 8th' of the ASIC chip 2 round lead. The contacts to the ASIC circuit and the mechanical and electrical connection of the two chips 1 . 2 together takes place in accordance with the preceding embodiments. The cavern 17 in substrate 8th of the microphone chip 1 serves as a mechanical buffer space and is in special cases with a protective film 21 locked. It is noteworthy in this arrangement that the sonication of the deflectable membrane 6 through the perforated counter electrode 7 through. An exchange of positions of deflectable membrane 6 and perforated counter electrode 7 is however easily possible. The protective film can consist of conductive material or have a conductive coating and thus serve in addition to the mechanical protection of the electromagnetic shielding and avoiding interference signals. Due to the design-related distance between membrane 6 and counter electrode 7 egg nerseits and the protective film 21 On the other hand, it is easily possible, the protective film 21 To laminate without affecting the capacitive arrangement directly to the lower wafer level.

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. 4 shows a cross section through an inventive MEMS microphone with mechanical stop 18 for the membrane 6 , This mechanical stop 18 forms a raised area within the cavern 17 ' in the substrate 8th' of the ASIC chip 2 , It prevents excessive deflection of the membrane 6 and associated damage risks. Otherwise, the embodiment is similar to the in 3 , The mechanical stop 18 can be independent of the production of the cavern 17 ' For example, by trenches as a column or, as shown, by wet-chemical anisotropic etching as a truncated pyramid 19 getting produced.

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. 5 shows an ASIC chip for a MEMS microphone according to the invention, which is intended for contacting without TWVs. In the substrate 8th' is again a cavern according to the invention 17 ' educated. From the location of the electrical connection to the (not shown) microphone chip, for example by means of a metal bump / metal pad combination 10 , lead tracks 23 on the flanks of the cavern 17 ' along to the area of the largest material weakening. The printed conductors run on a passivation layer 24 necessary for the required isolation from the substrate 8th' provides. Such a structure can be very easily, for example by deposition of a passivation layer 24 , Deposition of an electrically conductive layer and subsequent structuring to form the desired interconnects 23 , produce. As vias are only very short vias 25 (a few microns) required, which also by a corresponding passivation layer 26 from the substrate 8th' are separated. As an alternative to the illustrated variant, the structured region formed within a doping trough can be used 12 For example, in the chip center have recesses through which corresponding vias can be performed on the front of the chip. conductor tracks 27 connect individual circuit areas to be contacted on the ASIC chip with the vias 25 , The contacting with external circuit components, for example on a printed circuit board, takes place in the manner already described.

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.The embodiments consistently refer to an SMT compatible capacitive MEMS microphone, without limiting the invention to this application. In principle, the invention can be used wherever a pressure transducer with a deflectable membrane, which must be arranged in front of a pressure-decoupled rear volume, is to be used or miniaturized.

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.

In addition to the required installation space, the invention reduces the number of steps required for mounting and thus the production outlay. The method according to the invention comprises at least the following steps:

Manufacture of a chip with a deflectable membrane,
Production of a chip with an evaluation circuit which can process information about the deflection of the membrane, wherein at least one of the chips has a cavern,
- Electrical and mechanical connection of both chips, so that the cavity for the deflectable membrane forms a back volume.

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.He follows the mechanical connection through a solder ring, so can Apply this in a process step with metal bumps, which the serve electrical connection of the two chips.

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.necessary Through-vias (TWVs) can can be made by the channel walls electrically after Trenchen the required channels be passivated before a leitfähi ges material, for example by sputtering or vaporization of a metal. On the passivation of the canal walls can be omitted if instead of the metal polysilicon with one opposite the Substrate reverse doping is used because the depletion zone, which arises in the region of the thus formed pn junction, as an insulating layer enough.

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.membrane and counterelectrode can without impairment the function are interchanged. process engineering is it cheap that perforated counter electrode as possible late, at least after possibly required tempering steps for stress reduction within the deflectable membrane, form or deposit, as possible to obtain high tensile stress and rigidity of the counterelectrode, which has been shown to increase sensitivity.

Claims

Micromechanical pressure transducer comprising a chip ( 1 ) with a deflectable membrane ( 6 ) and a chip ( 2 ) with an evaluation circuit, the information on the deflection of the membrane ( 6 ), characterized in that at least one of the two chips ( 1 . 2 ) a cavern open on the substrate side ( 17 . 17 ' ) and both chips ( 1 . 2 ) are electrically and mechanically interconnected so that the at least one cavern ( 17 . 17 ' ) for the deflectable membrane ( 6 ) forms a back volume and at the evaluation circuit information about the deflection of the membrane ( 6 ) issue.

Micromechanical pressure transducer according to claim 1, characterized in that the chip ( 1 ) with the deflectable membrane ( 6 ) a microphone chip with an electrically conductive membrane ( 6 ) and a perforated counter electrode ( 7 ).

Micromechanical pressure transducer according to claim 2, characterized in that the chip ( 2 ) with the evaluation circuit, the information about the deflection of the membrane ( 6 ), contains a circuit in which an evaluation of the capacity of the deflectable membrane ( 6 ) and the perforated counter electrode ( 7 ) Condenser can be made.

Micromechanical pressure transducer according to one of claims 1 to 3, characterized in that the chip ( 2 ) with the evaluation circuit, the information about the deflection of the membrane ( 6 ), a cavern ( 17 ' ) which is responsible for the deflectable membrane ( 6 ) forms a back volume.

Micromechanical pressure transducer according to one of claims 1 to 4, characterized in that the chip ( 1 ) with the deflectable membrane ( 6 ) a cavern ( 17 ), which for the deflectable membrane ( 6 ) forms a back volume.

Micromechanical pressure transducer according to one of claims 1 to 5, characterized in that the two chips ( 1 . 2 ) are mechanically interconnected such that at least one cavern ( 17 . 17 ' ) for the deflectable membrane ( 6 ) forms an airtight back volume or the back volume communicates with the environment only via at least one small pressure equalization opening.

Micromechanical pressure transducer according to one of claims 1 to 6, characterized in that the chip ( 2 ) is an ASIC chip with the evaluation circuit, which on its integration side has metallic contact surfaces (metal bumps) ( 15 ), which allow SMT-compatible use of the pressure transducer.

Micromechanical pressure transducer according to one of claims 1 to 7, characterized in that the electrical connection between the evaluation circuit and areas to be contacted on the chip ( 1 ) with the deflectable membrane ( 6 ) at least partially via vias (TWVs) ( 3 . 3 ' ) he follows.

Micromechanical pressure transducer according to one of claims 1 to 8, characterized in that the electrical connection between the evaluation circuit and kontaktie-generating areas on the chip ( 1 ) with the deflectable membrane ( 6 ) at least partially via printed conductors ( 23 ) on the flanks of a cavern ( 17 ' ) he follows.

Micromechanical pressure transducer according to one of claims 1 to 9, characterized in that a mechanical stop ( 18 ) for the deflectable membrane ( 6 ) is available.

Micromechanical pressure transducer according to one of claims 1 to 10, characterized in that the deflectable membrane ( 6 ) on the side of the pressure to be measured from a raised protective structure ( 20 ) is surrounded.

Micromechanical pressure transducer according to one of claims 1 to 11, characterized in that the deflectable membrane ( 21 ) lies behind a protective film.

Process for the preparation of a micromechanical Pressure transducer according to claim 1, comprising at least the following steps: manufacturing a chip with a deflectable membrane; Production of a chip with an evaluation circuit, the information about the deflection of the membrane can process, wherein at least one of the chips on the substrate side having open cavern; and electrical and mechanical connection both chips, leaving the cavern for the deflectable membrane back volume forms.

Method according to claim 13, characterized in that that the mechanical connection is made by a Lotring, the is applied in a process step with Metallbumps, the electrical Serve connection of the two chips.

Method according to claim 13 or 14, characterized that the connection of the two chips takes place at wafer level before The wafer stack thus formed in particular by a sawing process to be singulated in chip stacks.