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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein MEMS-Bauelement, mindestens umfassend eine druckempfindliche Membran mit mindestens einer auslenkbaren Membranelektrode einer Kondensatoranordnung zur Signalerfassung und ein feststehendes druckunempfindliches Gegenelement mit mindestens einer Gegenelektrode dieser Kondensatoranordnung, wobei zumindest eine Elektrode der Kondensatoranordnung mit einem elektrisch aufgeladenen Elektret versehen ist, so dass zwischen den beiden Elektroden der Kondensatoranordnung eine Potentialdifferenz besteht.
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Kapazitive MEMS-Bauelemente der hier in Rede stehenden Art werden in der Praxis beispielsweise zur Druckerfassung eingesetzt. Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet stellen Mikrofonanwendungen dar. Die Membran der Bauelementstruktur wird hier durch den Schalldruck ausgelenkt, was zu einer Veränderung der Kapazität zwischen der Membranelektrode und der Gegenelektrode auf dem feststehenden Gegenelement der Bauelementstruktur führt. Die durch die Schalleinwirkung hervorgerufene Kapazitätsänderung kann als Spannungsänderung erfasst werden, wenn eine Vorspannung an der Kondensatoranordnung anliegt. Diese Art der Signalerfassung ist äußerst sensitiv, rauscharm und temperaturstabil.
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In der
US 8 073 166 B2 wird wird ein MEMS-Mikrofonbauelement beschrieben, bei dem die zur Signalerfassung erforderliche Potentialdifferenz zwischen den Elektroden des Mikrofonkondensators nicht durch Anlegen einer Spannung, also mit Hilfe einer Ladungspumpe, erzeugt wird, sondern mit Hilfe einer Elektretschicht auf der Membranelektrode. Die Potentialdifferenz zwischen den Kondensatorelektroden wird hier durch elektrische Ladungsträger aufrechterhalten, die dauerhaft in der Elektretschicht gespeichert bzw. eingelagert sind. Dadurch kann auf eine Ladungspumpe verzichtet und damit die Leistungsaufnahme des Mikrofonbauelements deutlich verringert werden. Außerdem wird die für eine Ladungspumpe erforderliche Chipfläche eingespart. In der
US 8 073 166 B2 wird wird vorgeschlagen, die Elektretschicht in Form einer dielektrischen Schicht, beispielsweise aus organischem Fluorethylenpropylen (FEP), zu realisieren, in die Ionen injiziert werden. Dazu wird über der dielektrischen Schicht eine Draht- oder Nadelelektrode als Ionenquelle positioniert. Durch Anlegen einer Spannung zwischen dieser Draht- oder Nadelelektrode und einer Elektrode unterhalb der dielektrischen Schicht tritt an der Elektrodenspitze eine Koronaentladung auf. Dabei treten Ionen aus der Elektrodenspitze aus, die durch das anliegende elektrische Feld so in Richtung der dielektrischen Schicht beschleunigt werden, dass sie in die dielektrische Schicht eindringen und dort eingelagert werden.
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Diese Realisierungsform einer Elektretschicht erweist sich in mehrerlei Hinsicht als problematisch. Zum einen ist das bekannte Herstellungsverfahren, insbesondere das Erzeugen und Einbringen der Ionen in die dielektrische Schicht, relativ aufwendig und lässt sich nicht ohne weiteres in den Fertigungsprozess von MEMS-Halbleiterbauelementen integrieren. Zum anderen führt dieses Herstellungsverfahren in der Praxis häufig zu einer ungleichmäßigen Ladungsverteilung in der Elektretschicht, da sich die Ladungsträger in der dielektrischen Schicht nicht frei bewegen können. Dies wirkt sich nachteilig auf die Bauelementperformance aus.
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Die Schrift
JP 2004-166 262 A offenbart offenbart ein kapazitives MEMS-Mikrofonbauelement, dessen feststehende Elektrode mit einem Elektret versehen ist. Der Schichtaufbau des feststehenden Gegenelements umfasst hierbei eine Metallelektrode, eine erste als Elektretschicht dienende dielektrische Schicht und eine zweite dielektrische Schicht, die einen Ladungsverlust der Elektretschicht verhindern soll.
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Die Schrift Lin et al., „Two-cavity MEMS variable capacitor for power harvesting”, Journal of Micromechanics and Microengineering 22 (2012), 065003 beschäftigt sich mit einem MEMS-Bauelement zur Energiegewinnung aus Vibrationen. Die Bauelementstruktur umfasst hierbei eine seismische Masse (movable thick plate), die zwischen zwei feststehenden Platten (fixed plates) beweglich aufgehängt ist. Die seismische Masse und die feststehenden Platten dienen als Träger für die Elektroden einer Kondensatoranordnung zur Energiegewinnung. Weiterhin wird vorgeschlagen, eine SiO2/Si3N4-Elektretschicht zur Polarisierung der Kondensatoranordnung zu verwenden.
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Aus der Schrift
US 2007/0217635 A1 ist ein kapazitives MEMS-Bauelement mit einer auslenkbaren Membran und einem feststehenden Gegenelement bekannt. Membran und Gegenelement sind mit den Elektroden einer Kondensatoranordnung ausgestattet. Der Schichtaufbau der Membran umfasst hier eine Elektrodenschicht, eine als Elektret dienende Siliziumoxidschicht und mindestens eine Siliziumnitridschicht, die einen Ladungsverlust der Elektretschicht verhindern soll.
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Das in der Schrift Thielemann et al., „A Micro-machined capacitive electret microphone”, Design, Test and Microfabrication of MEMS/MOEMS, International Society für Optics and Photonics, 1999, S. 748–756 beschriebene kapazitive MEMS-Mikrofonbauelement wird in einem Zwei-Chip-Prozess realisiert. Die Membran und das Gegenelement der Mikrofonstruktur werden hier unabhängig voneinander ausgehend von zwei Grundsubstraten gefertigt, die erst danach aufeinander montiert werden. Hier wird die Membran mit mindestens zwei dielektrischen Schichten als Elektret ausgestattet. Die Aufladung des Elektrets erfolgt durch Corona-Entladung, und zwar vor dem Zusammenfügen der beiden Komponenten der Mikrofonstruktur.
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Die Schrift
DE 21 53 784 A beschäftigt sich mit der Herstellung eines Folienelektrets, das beispielsweise zu schwingungsfähigen Membranen von elektroakustischen Wandlern weiterverarbeitet wird. In dieser Druckschrift wird beschrieben, wie eine dünne Folie aus metallisiertem Polymer mit einer permanenten Polarisation versehen wird. Dies erfolgt im Rahmen der Vorkonfektionierung in einem gesonderten Bearbeitungsschritt. Dazu wird die Folie zusammen mit einer dielektrischen Hilfsplatte, deren spezifischer Widerstand größer sein soll als der der Folie, über eine Zeitspanne von etwa einer Minute einer hohen Spannung zwischen zwei Elektroden ausgesetzt. Dabei werden die Folie und die dielektri-sche Hilfsplatte in engem Kontakt gehalten, so dass die Folie durchschlägt, jedoch nicht die dielektrische Platte.
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Gegenstand der Schrift
US 2011/0044480 A1 ist ein kapazitives MEMS-Mikrofonbauelement mit einer Mikrofonmembran, die mit einer Elektretelektrode ausgestattet ist. Dazu umfasst der Schichtaufbau der Membran eine untere Elektrode und eine Siliziumoxidschicht, die als Elektret fungiert und von einem Siliziumnitridfilm überdeckt wird.
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Aus der Schrift
US 2009/0034760 A1 ist MEMS-Element bekannt, bei dem zur Realisierung einer Kondensatoranordnung eine Membran mit einer beweglichen Filmschicht und ein feststehendes Element aus einem Elektretfilm verwendet wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Realisierungsform für ein Elektret in einem kapazitiven MEMS-Bauelement mit einer druckempfindlichen Membran vorgeschlagen, die sich mit Standardverfahren der Halbleitertechnologie erzeugen lässt und damit einfach in den Fertigungsprozess von MEMS-Halbleiterbauelementen integriert werden kann.
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Erfindungsgemäß umfasst das Elektret eines MEMS-Bauelements der eingangs genannten Art mindestens zwei aneinandergrenzende Schichten aus unterschiedlichen dielektrischen Materialien, an deren Grenzfläche elektrische Ladungen gespeichert sind.
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Erfindungsgemäß ist nämlich erkannt worden, dass sich die Grenzfläche zwischen zwei nicht-leitfähigen Schichten besonders gut zur Ladungsspeicherung eignet, da hier in der Regel Grenzflächendefekte in großer Dichte auftreten. Diese stellen lokalisierte Zustände dar, in denen Ladungen langzeitstabil gespeichert werden können, wenn in den dielektrischen Schichten für die Ladungsträger hinreichend große Energiebarrieren gegenüber der leitfähigen Schicht einer angrenzenden Elektrode existieren. Erfindungsgemäß ist ferner erkannt worden, dass die elektrischen Ladungen sehr einfach an die Grenzfläche der beiden Dielektrika injiziert werden können, nämlich durch einmaliges Anlegen eines hohen elektrischen Feldes über die beiden dielektrischen Schichten. Von besonderem Vorteil ist, dass sich auf diese Weise eine gleichmäßige Ladungsverteilung an der Grenzfläche einstellt. Auch wenn die elektrische Spannung nach dem Injizieren wieder weggenommen wird, verbleiben die elektrischen Ladungen an der Grenzfläche zwischen den beiden dielektrischen Schichten und erzeugen zumindest in der angrenzenden Elektrode der Kondensatoranordnung Influenzladungen, die für ein gleichmäßiges elektrisches Feld im kapazitiven Spalt sorgen.
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Grundsätzlich kommen für die dielektrischen Schichten des erfindungsgemäßen Elektrets ganz unterschiedliche Materialien in Frage. Wie bereits erwähnt, müssen diese dielektrischen Materialien hinreichende Bandoffsets, sowohl im Valenzband als auch im Leitungsband, gegenüber dem leitfähigen Material einer angrenzenden Elektrode aufweisen. Besonders geeignet sind daher dielektrische Materialien, die aus den Elementen Si, N, C, B, P, O und/oder Al zusammengesetzt sind, wie z. B. SiO2, Si3N4, Si1-xNx (0 ≤ x ≤ 0,5), Si1-x-yCxNy (0 ≤ x ≤ 0,5; 0 ≤ y ≤ 0,5) und Al2O3. Wenn die Struktur des erfindungsgemäßen MEMS-Bauelements in Opferschichttechnologie erzeugt wird, dann erweist sich die Materialkombination Si1-x-yCxNy mit Al2O3 als besonders vorteilhaft, da diese Materialien in der Regel nicht als Opferschichtmaterialien eingesetzt werden und auch nicht durch die üblicherweise eingesetzten Opferschicht-Ätzmedien angegriffen werden.
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Die beiden das Elektret bildenden dielektrischen Schichten des erfindungsgemäßen MEMS-Bauelements können entweder auf der Membranelektrode oder auf der Gegenelektrode ausgebildet sein. Grundsätzlich sind auch Varianten denkbar, bei denen beide Elektroden der Kondensatoranordnung mit einem erfindungsgemäßen Elektret-Schichtaufbau versehen sind. In diesem Fall müssen die Elektret-Schichtaufbauten allerdings gegensinnig aufgeladen sein, so dass durch die jeweilige Influenzladung in den angrenzenden Elektroden der Kondensatoranordnung eine Potentialdifferenz zwischen den Elektroden besteht, die eine kapazitive Signalerfassung ermöglicht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Schichtaufbau der mit dem Elektret versehenen Elektrode der Kondensatoranordnung eine erste Elektrodenschicht, mindestens zwei dielektrische Schichten und eine zweite Elektrodenschicht, so dass durch Anlegen einer hohen Spannung zwischen den beiden Elektrodenschichten elektrische Ladungen an die Grenzfläche der dielektrischen Schichten injiziert werden können. In diesem Fall muss das Aufladen des Elektrets nicht während des Fertigungsprozesses des MEMS-Bauelements erfolgen, sondern kann auch erst nach der Fertigstellung im bereits verpackten Zustand des MEMS-Bauelements vorgenommen werden, vorteilhafterweise beim elektrischen Abgleich des MEMS-Bauelements.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem unabhängigen Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines ersten erfindungsgemäßen MEMS-Mikrofonbauelements 100 und
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2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten erfindungsgemäßen MEMS-Mikrofonbauelements 200.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Bei beiden in den Figuren dargestellten MEMS-Bauelementen 100 und 200 handelt es sich um kapazitive Mikrofonbauelemente, deren Mikrofonstruktur in einem Schichtaufbau auf einem Substrat 1 realisiert ist. Die Mikrofonstruktur umfasst jeweils eine durch den Schalldruck auslenkbare Mikrofonmembran 10, die eine Öffnung 11 in der Substratrückseite überspannt. Die Mikrofonmembran 10 ist hier in einer dünnen leitfähigen Schicht 2 ausgebildet, wie z. B. in einer dünnen zumindest bereichsweise dotierten Polysiliziumschicht, so dass die Mikrofonmembran 10 als Membranelektrode einer Kondensatoranordnung zur Signalerfassung fungiert. Im Schichtaufbau über der Mikrofonmembran 10 befindet sich, von dieser beabstandet, ein feststehendes akustisch durchlässiges Gegenelement 13 mit Durchgangsöffnungen 14 und mit einer feststehenden Gegenelektrode 15 der Kondensatoranordnung. Der elektrischen Anschluss der Gegenelektrode 15 ist in Form einer Leiterbahn 151 und eines Anschlusspads realisiert, die in derselben Elektrodenschicht 52 ausgebildet sind wie die Gegenelektrode 15. Die Membranelektrode 10 wird über einen Durchkontakt 17 im Schichtaufbau des Gegenelements 13 elektrisch kontaktiert. Die Schalldruckbeaufschlagung der Mikrofonmembran 10 kann entweder über die Öffnung 11 in der Substratrückseite erfolgen oder auch vorderseitig über die Durchgangsöffnungen 14 im Gegenelement 13. Dabei wird die Mikrofonmembran 10 ausgelenkt, wodurch sich der Abstand zwischen den Elektroden 10 und 15 der Kondensatoranordnung verändert. Diese Abstandsänderung kann als Spannungsänderung erfasst werden, wenn eine hinreichend hohe Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 10 und 15 der Kondensatoranordnung besteht. Bei den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde die Gegenelektrode 15 dazu mit einem Elektret versehen, in dem dauerhaft elektrische Ladungen gespeichert sind. Dadurch werden in den beiden Elektroden 10 und 15 der Kondensatoranordnung Influenzladungen erzeugt, die für ein elektrisches Feld im kapazitiven Spalt 12 zwischen den beiden Elektroden 10 und 15 sorgen.
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Erfindungsgemäß besteht das Elektret hier aus zwei aneinander grenzenden Schichten 3 und 4 aus unterschiedlichen dielektrischen Materialien, an deren Grenzfläche elektrische Ladungen gespeichert sind.
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Vorteilhafterweise sind die dielektrischen Materialien dieser beiden Schichten 3, 4 aus den Elementen Si, N, C, B, P, O und/oder Al zusammengesetzt. Dabei kann es sich beispielsweise um SiO2, Si3N4, Si1-xNx (Siliziumreiches Nitrid), Si1-x-yCxNy (Siliciumcarbonitrid) oder Al2O3 handeln. Besonders gute Elektreteigenschaften haben die Materialkombinationen SiO2 mit Si3N4 und Si1-x-y yCxNy.
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Im Fall des in 1 dargestellten Mikrofonbauelements 100 umfasst der Schichtaufbau des Gegenelements 13 zwei Elektrodenschichten 51 und 52, die die beiden dielektrischen Schichten 3 und 4 sandwichartig umgeben und unabhängig voneinander elektrisch kontaktiert werden können. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Kontaktierung der ersten Elektrodenschicht 51 über einen Durchkontakt 53 durch die beiden dielektrischen Schichten 3 und 4, was zur Vermeidung von Parasitärkapazitäten beiträgt. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die beiden Elektrodenschichten 51 und 52 zum Schutz gegen Korrosion und andere Umwelteinflüsse noch zusätzlich jeweils in eine Passivierschicht, wie z. B. in eine SiO2-Schicht, eingebettet sein können.
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Durch Anlegen von hoher Spannung zwischen den beiden Elektrodenschichten 51 und 52 wurden elektrische Ladungen an die Grenzfläche zwischen den beiden dielektrischen Schichten 3 und 4 injiziert, die auch nach dem Abschalten dieser Spannung dort verbleiben und dauerhaft gespeichert sind. Auf diese Weise bilden die beiden dielektrischen Schichten 3 und 4 ein Elektret, mit dessen Hilfe dauerhaft eine Potenzialdifferenz zwischen den beiden Elektroden 10 und 15 der Kondensatoranordnung aufrechterhalten wird.
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Nach dem Aufladevorgang der Grenzschicht zwischen den dielektrischen Schichten 3 und 4 kann eine Elektrodenschicht 51 oder 52 mit einem geeigneten Ätzverfahren entfernt werden. Im Fall des in 2 dargestellten Mikrofonbauelements 200 wurde die Elektrodenschicht 51 auf der Unterseite des Gegenelements 13 aus dem kapazitiven Spalt 12 herausgelöst.
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Die voranstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen ermöglichen eine kostengünstige Realisierung von elektretbasierten MEMS-Drucksensorelementen und MEMS-Mikrofonbauelementen mit sehr kleiner Chipfläche und geringer Leistungsaufnahme. Da die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden der Kondensatoranordnung zur Signalerfassung hier aufgrund der im Elektret dauerhaft gespeicherten elektrischen Ladungen aufrechterhalten wird, kann auf das Anlegen einer Vorspannung verzichtet werden. Außerdem lässt sich mit Hilfe des Elektrets eine „Aufweckfunktion” realisieren, die es erlaubt, die Leistungsaufnahme des Bauelements im Ruhezustand deutlich herabzusetzen. Aufgrund der durch einen äußeren Druckimpuls bzw. ein Schallereignis verursachten Abstandsänderung zwischen der im Elektret gespeicherten elektrischen Ladung und der Membranelektrode wird ein Strom induziert, der zur Aktivierung der Signalverarbeitung eines ASICs ausreicht.
