DE102014108740A1 - MEMS-Mikrofon mit verbesserter Empfindlichkeit und Verfahren zur Herstellung - Google Patents

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Abstract

Es werden verbesserte Mikrofone und Verfahren zu deren Herstellung angegeben, die auf Opferschichten mit lokal unterschiedlichen Ätzraten basieren.

Description

  • Die Erfindung betrifft verbesserte MEMS-Mikrofone und Verfahren zur Herstellung solcher Mikrofone. So können sowohl verbesserte Mikrofone mit frei beweglicher Membran als auch verbesserte Mikrofone mit fest verankerter Membran erhalten werden.
  • MEMS-Mikrofone haben i. A. einen Kondensator aus zumindest einer flächig ausgebildeten, feststehenden Elektrode mit relativ hoher Steifigkeit, der sogenannten Rückplatte (englisch: backplate) und einer weiteren flächig ausgebildeten und parallel angeordneten Elektrode, der elastischen und schwingungsfähigen Membran (englisch: membrane oder diaphragm). Zusätzlich kann der Kondensator noch weitere feststehende oder schwingungsfähige Elektroden aufweisen.
  • Trifft Schall auf den Kondensator, werden die eine oder mehrere Membranen zu dem Schall entsprechenden Schwingungen gegenüber der einen oder mehreren Rückplatten angeregt. Aufgrund der zeitlich variierenden Abstände dieser Kondensatorelektroden variiert die Kapazität des Kondensators. Eine Auswert-Elektronik setzt die schallinduzierten Kapazitätsänderungen in ein elektrisches Signal um, das von einer Schaltungsumgebung weiterverarbeitet werden kann.
  • Zum einen gibt es MEMS-Mikrofone mit zumindest einer frei beweglichen Membran. Diese Membran wird von Halterungen so umgeben, dass sie frei schwingen kann. Eine Lageänderung ist aber nur begrenzt möglich. 11 zeigt eine schematische Darstellung eines solchen MEMS-Mikrofons.
  • Zum anderen gibt es MEMS-Mikrofone mit zumindest einer Membran, die so verankert ist, dass sie schwingen aber ihre Lage im Wesentlichen nicht verändern kann. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines solchen MEMS-Mikrofons.
  • Für beide Arten von Mikrofonen gilt, dass ihre Empfindlichkeit und ihre Signalqualität durch einen möglichst großflächigen akustisch aktiven Bereich des Kondensators, relativ zum akustisch inaktiven Bereich, verbessert werden können. Denn der akustisch inaktive Bereich des Kondensators trägt zu einer parasitären Kapazität bei, die die Signalqualität verschlechtert.
  • So sind z. B. aus der Druckschrift WO2013/071951 MEMS-Mikrofone mit verringerter parasitärer Kapazität des durch eine Membran und einen Rückplatte gebildeten Kondensators bekannt.
  • Ebenso ist ein möglichst großes Rückvolumen vorteilhaft. Das Rückvolumen ist dabei das von der Umgebung abgetrennte Volumen, das in Richtig des Schalls hinter dem Kondensator gelegen ist.
  • Allerdings gilt es, MEMS-Mikrofone möglichst klein zu bauen, was der Signalqualität deshalb abträglich ist.
  • Die LLF (Lower Limiting Frequency) ist diejenige Frequenz, die durch die 3dB Grenze am unteren Ende des akustischen Frequenzbands, in dem ein Mikrofon arbeitet, definiert ist. Sie bestimmt deshalb die untere Grenze des Arbeitsbereichs und liegt bei MEMS-Mikrofonen mit flachem Frequenzgang im Audiobereich bei etwa 20 Hz. Eine möglichst geringe LLF ist deshalb wünschenswert. Eine verringerte LLF kann durch Vergrößern des Rückvolumens erreicht werden, was aufgrund des Bestrebens zu immer weiter gehender Miniaturisierung schwer umzusetzen ist. Eine verringerte LLF kann auch durch Verlängern des Ventilationspfads, der einen langsamen Druckausgleich zwischen dem Rückvolumen und der Umgebung ermöglicht, erreicht werden, was aufgrund von Zwängen bei Herstellungsschritten verhindert wird.
  • Es bestehen deshalb die Aufgaben, kleinste Mikrofone mit verbesserter Signalqualität sowie Herstellungsverfahren für solche Mikrofone anzugeben.
  • Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen an.
  • Die Mikrofone und die Herstellungsverfahren basieren auf der Idee, laterale Abmessungen durch unterschiedliche Ätzraten innerhalb derselben Schicht sehr präzise einzustellen. Insbesondere die Ätzraten von Bereichen innerhalb derselben Schicht, die ein Opfermaterial enthält, werden dazu benutzt. Zumindest ein Teil der Schicht mit dem Opfermaterial überdauert das Ätzen und verbleibt als strukturgebendes Element im Mikrofon. So können insbesondere laterale Abmessungen von Ankerelementen, die verschiedene funktionale Elemente des Mikrofons verbinden, präzise eingestellt werden.
  • In einer Ausführungsform hat ein MEMS-Mikrofon mit verankerter Membran ein Trägersubstrat, einen Kondensator mit zwei Elektroden, einen substratseitigen Anker und einen Elektrodenanker. Der substratseitige Anker verbindet das Substrat mit dem Kondensator mechanisch. Der Elektrodenanker verbindet die beiden Elektroden des Kondensators mechanisch. Eine der Elektroden ist eine Rückplatte und die andere Elektrode ist eine schwingungsfähige Membran. Der substratseitige Anker hat eine Auflagefläche auf dem Substrat, die eine für die mechanische Stabilität des MEMS-Mikrofons notwendige Mindestfläche um nicht mehr als ein Minimum überschreitet.
  • Die für die mechanische Stabilität nötige minimale Auflagefläche des substratseitigen Ankers auf dem Substrat hängt dabei von den Abmessungen der entsprechenden Mikrofonelemente und dem erwarteten Schalldruck ab und ist über Simulationen zugänglich. Die Auflagefläche ist ferner diejenige Fläche, an der die Membran fix mit dem Substrat verbunden ist und deshalb nicht wie die „freien“ Bereiche der Membran schwingen kann. Der Bereich der Membran an der Stelle der Auflagefläche wirkt somit als akustisch inaktiver aber elektrisch aktiver Bereich und trägt zur parasitären Komponente der Kapazität bei, was die Signalqualität des Mikrofons verschlechtert. Eine zu große Auflagefläche ist deshalb unerwünscht. Eine zu kleine Auflagefläche resultiert in einem mechanisch instabilen Mikrofon. Das o.g. Minimum definiert den für die Stabilität notwendigen Sicherheitsbereich und ist dabei kleiner als bei bekannten MEMS-Mikrofonen, da ein mechanisch instabiles Mikrofon nicht toleriert werden kann und die üblichen Herstellungsprozesse nicht so kontrolliert werden können, dass mechanisch instabile Mikrofone ausgeschlossen sind.
  • Die Größe der Auflagefläche und damit der Betrag des Minimums hängt von der Art und Weise ab, wie das Mikrofon hergestellt wird.
  • Die Idee, auf der die Erfindung basiert ermöglicht ein verkleinertes Minimum. Denn die nach innen weisende Seite des substratseitigen Ankers kann unabhängig von der Form eines Hohlraumes im Innern des Substrats gebildet sein.
  • Dieser Hohlraum wird durch Entfernen von Bulk-Material aus dem Substrat gebildet. Durch die üblichen Dicken des Substrats kommt üblicherweise ein DRIE-Prozess (Deep Reactive-Ion etching = reaktives Ionentiefenätzen) zur Anwendung. Aufgrund von Asymmetrien während des Prozesses geschieht das Entfernen in eine Kanal, der (vgl. 8A und 8B) schräg verläuft. Der Verlauf der Kante, an der der Hohlraum an die Schichten der Membran bzw. Rückplatte stößt, hängt deshalb von der praktisch nicht frei wählbaren Richtung des Kanals ab. Die Position dieser Kante bestimmt beim üblichen Ätzen für die Verarbeitungsschritte der Schichten der Membran bzw. der jedoch die Position der Innenseite des substratseitigen Ankers.
  • Nach der hier zugrunde liegenden Idee ist die Abhängigkeit der Position der Innenseite von der Position der Kante aufgebrochen, so dass – unabhängig vom Winkel des Kanals im Substrat – die Position der Innenseite frei gewählt werden kann. Die Position der Innenseite ist nicht mehr an den Winkel des Kanals gekoppelt.
  • Dadurch ist das Minimum im Vergleich zu üblichen Mikrofonen verkleinert. Die üblichen Mikrofone können das nun mögliche Minimum nicht einhalten.
  • Die Verwendung eines Materials für den substratseitigen Anker, das zum einen Opfermaterial enthält und zum anderen Material, das nach Entfernen des Opfermaterials als Anker verbleibt, und das eine lokal unterschiedliche Ätzrate aufweist, erlaubt eine deutlich verbesserte Kontrolle der Herstellungsprozesse, so dass laterale Dimensionen – wie eben die Auflagefläche – mit hoher Präzision eingestellt sein können. Damit ist der zusätzliche Beitrag zur parasitären Kapazität verringert und die Signalqualität ist verbessert.
  • Es ist somit möglich, dass der substratseitige Anker aus einem Material einer Opferschicht besteht.
  • Es ist ferner möglich, dass der Kondensator so relativ zum Trägersubstrat orientiert ist, dass die Membran zwischen dem Rückplatte und dem Substrat angeordnet ist. Es ist aber auch möglich, dass die Rückplatte zwischen der Membran und dem Substrat angeordnet ist.
  • In einer Ausführungsform hat ein MEMS-Mikrofon mit nichtverankerter und innerhalb einer Einhäusung frei beweglicher Membran ein Trägersubstrat, einen Kondensator mit zwei Elektroden, einen substratseitigen Anker und einen Elektrodenanker. Eine der Elektroden des Kondensators ist eine Rückplatte mit Löchern und die andere Elektrode eine schwingungsfähige und frei bewegliche Membran. Der substratseitige Anker und der Elektrodenanker verbinden das Substrat mit der Rückplatte. Der substratseitige Anker ist zwischen dem Elektrodenanker und dem Substrat angeordnet. Die Membran ist zwischen der Rückplatte und dem Substrat angeordnet. Zwischen der Membran und den beiden Ankern ist eine Ventilationsöffnung vorhanden. Die Rückplatte ist direkt oberhalb der Ventilationsöffnung frei von Löchern.
  • Damit wird ein MEMS-Mikrofon erhalten, das im Vergleich mit üblichen Mikrofonen einen verlängerten Ventilationspfad aufweist. Ein langer Ventilationspfad ist vorteilhaft für eine niedrige LLF. Ein längerer Ventilationspfad kann ferner ein kleineres Rückvolumen kompensieren, so dass insgesamt ein Mikrofon mit kleineren Abmessungen erhalten werden kann.
  • Da – wie oben schon beschrieben – die Prozessbedingungen bei der Herstellung konventioneller Mikrofone nicht so gut beherrscht werden können, dass bestimmte Abmessungen bei Ätzprozessen exakt eingehalten werden, gilt, dass zeitlich kurze Ätzprozesse bevorzugt sind, um die mechanische Stabilität nicht zu gefährden. Üblicherweise wird zwischen der Rückplatte und der Membran eine Schicht aus einem Opfermaterial angeordnet, das nach dem Fertigstellen des Kondensators durch Ätzen teilweise wieder entfernt wird. Da kurze Ätzzeiten bevorzugt sind, kann nur Material weggeätzt werden, das dem Ätzmittel ausreichend zugänglich ist. Ein Wegätzen von Opfermaterial in einer verwinkelten Topologie ist in kurzer Zeit deshalb nicht möglich. Um dieses Problem zu lösen, sind in der Rückplatte deshalb zusätzliche Löcher vorgesehen, durch die das Ätzmittel die zu entfernenden Bereiche des Opfermaterials erreichen kann. Jedoch verkürzen eben diese Löcher den Ventilationspfad.
  • Vorliegend wird nun jedoch die Möglichkeit aufgezeigt, trotz kurzer Ätzdauer Opfermaterial aus verwinkelten Topologien zu entfernen, so dass lange Ventilationspfade erhalten werden können. Denn durch eine lokale Erhöhung der Ätzrate im Material der Opferschicht kann das Material in kurzer Zeit entfernt werden, während die kurze Ätzdauer nicht ausreicht, Material mit kleiner Ätzrate soweit zu entfernen, dass zu verbleibende und mechanisch stabilisierende Reste weiterhin existieren. Die Anker können deshalb aus einem Material – auch der eigentlichen Opferschicht – bestehen, das eine hohe Resistenz gegen entsprechende Ätzmittel aufweist.
  • Die o.g. Anmerkungen und Vorteile bei der Positionierung der nach innen zeigenden Seiten des substratseitigen Ankers gelten ebenso.
  • Es ist ferner möglich, dass zumindest der substratseitige Anker und/oder der Elektrodenanker aus einem Material einer Opferschicht bestehen.
  • Es ist insbesondere möglich, dass der substratseitige Anker und/oder der Elektrodenanker ein Oxid oder ein Nitrid umfassen.
  • Es ist ferner insbesondere möglich, dass der substratseitige Anker und/oder der Elektrodenanker ein Siliziumoxid, z. B. SiO2, oder ein Siliziumnitrid, z. B. Si3N4, umfassen. Bevorzugt ist ein Ankermaterial mit einem Oxid.
  • Oxide oder Nitride, die von diesem stöchiometrischen Verhältnis abweichen, sind ebenfalls möglich.
  • Siliziumverbindungen können bevorzugt sein, da Verarbeitungs-Schritte aus der Halbleiterindustrie gut bekannt sind. Insbesondere das Trägersubstrat kann Si (Silizium) umfassen oder daraus bestehen.
  • Ein Verfahren, das zur Herstellung solcher verbesserter Mikrofone geeignet ist, wird im Folgenden angegeben. Das Verfahren ist dabei nicht auf die Herstellung einer Art von Mikrofonen beschränkt. Insbesondere Mikrofone mit verankerter und mit nichtverankerter Membran aber mit verbesserten Signaleigenschaften können damit leicht produziert werden.
  • Das Verfahren umfasst die Schritte:
    • – Bereitstellen eines Trägersubstrats,
    • – Anordnen einer unteren Opferschicht auf dem Trägersubstrat,
    • – Erzeugen einer Membran auf der Opferschicht,
    • – Anordnen einer oberen Opferschicht auf der Membran,
    • – Erzeugen einer Rückplatte auf der oberen Opferschicht.
  • Dabei wird die Ätzrate der unteren Opferschicht in einem Bereich, der an den späteren substratseitigen Anker angrenzen soll, und/oder eine Ätzrate der oberen Schicht in einem Bereich, der an den späteren Kondensatoranker angrenzen soll, nach dem Anordnen der entsprechenden Opferschicht erhöht.
  • Damit entsteht in der Opferschicht eine Phasengrenze zwischen den Bereichen der unterschiedlichen Ätzraten. Die Phasengrenze markiert im Wesentlichen die lateralen Begrenzungen der nach dem Ätzen verbleibenden Reste der Schicht mit dem Opfermaterial, wobei diese Reste nach den Herstellungsschritten die entsprechenden Anker bilden.
  • Es ist deshalb möglich, dass nach dem Erzeugen der Rückplatte zumindest ein Bereich erhöhter Ätzrate einer Opferschicht durch Ätzen entfernt wird.
  • Es ist ferner möglich, dass die Ätzrate eine Ätzrate für ein Ätzen mit dem Ätzmittel Flußsäure HF in flüssiger oder gasförmiger (VHF = Vapor HF) ist.
  • Als Ätzmittel für eine Schicht mit dem Opfermaterial Siliziumoxid ist XYZ (welches Mittel?) möglich.
  • Es ist möglich, dass die Ätzrate durch Ionenimplantation erhöht wird.
  • Es ist insbesondere möglich, dass die Ätzrate durch Implantation von P (Phosphor) Ionen erhöht wird.
  • Nachfolgend werden wichtige Aspekte der Mikrofone und der Verfahren anhand von schematischen Figuren und schematischen Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1: den schematischen Aufbau eines konventionellen MEMS-Mikrofons mit verankerter Membran zusammen mit seinem Nachteil, dem großen akustisch inaktiven Bereich,
  • 2 bis 9: verschiedene Zwischenstufen während der Herstellung eines verbesserten MEMS-Mikrofons mit verankerter Membran,
  • 8A, 8B, 8C: verschiedene Ätzrichtungen beim Ausbilden des Rückvolumens und die Wirkung der Richtung auf die Innenseite des substratseitigen Ankers,
  • 10: eine Stufe, bei der der Kondensator mit nahezu minimaler parasitärer Kapazität gebildet ist,
  • 11: den schematischen Aufbau eines konventionellen MEMS-Mikrofons mit verschiebbarer Membran zusammen mit seinem Nachteil, dem kurzen Ventilationspfad,
  • 12 bis 21: verschiedene Zwischenstufen während der Herstellung eines verbesserten MEMS-Mikrofons mit verschiebbarer Membran,
  • 22: eine Stufe, bei der der Kondensator mit langem Ventilationspfad gebildet ist.
  • Die Figuren verdeutlichen dabei Zwischenstufen verschiedener Strukturierungsgrade. Zur Strukturierung von Schichten und Elementen können die üblichen Dünnschicht-Prozesse Verwendung finden.
  • 1 zeigt ein konventionelles MEMS-Mikrofon mit fest verankerter Membran. Derjenige Bereich der Membran unterhalb der Rückplatte, der nicht frei schwingen kann, weil er über einen Anker mit dem Trägersubstrat verbunden ist, trägt nicht zur Wandlung eines akustischen Signals aber zum Erzeugen einer unerwünschten parasitären Kapazität PK bei. Da die Prozessschritte bei der Herstellung konventioneller MEMS-Mikrofone nicht sehr gut beherrschbar sind, ist der Auflagebereich des Ankers zwischen Membran und Substrat mit einem großen Sicherheitsspielraum zu wählen.
  • 2 zeigt eine Zwischenstufe bei der Herstellung eines verbesserten Mikrofons mit verringerter parasitärer Kapazität. Auf einem Trägersubstrat TS wird eine erste Opferschicht OS1 aufgebracht. Der Begriff Opferschicht verlangt im Kontext der hier beschriebenen Mikrofone und Verfahren dabei nicht, dass das gesamte Material der Opferschicht in späteren Schritten entfernt wird. Es ist auch möglich, dass Teile des Materials verbleiben und im fertigen Mikrofon verschiedene Elemente mechanisch verbinden.
  • 3 zeigt eine Zwischenstufe, bei der die erste Opferschicht OS1 in einem Bereich erhöhter Ätzrate BER so verändert ist, dass die Ätzrate gegenüber einem geeignet gewählten Ätzmittel verglichen mit einem Bereich normaler Ätzrate BNR vergrößert ist. Eine Phasengrenze zwischen den Bereichen unterschiedlicher Rate kann später im Wesentlichen die Begrenzung eines verbleibenden Rests, z. B. eines Ankers, darstellen.
  • 4 zeigt eine Zwischenstufe, bei der auf der ersten Opferschicht OS1 eine ein- oder mehrschichtige Lage, aus der später die Membran M hervorgeht, aufgebracht und strukturiert ist. Beim Strukturieren dieser Lage kann eine Ventilationsöffnung für den späteren Ventilationspfad VP gebildet werden.
  • 5 zeigt eine Zwischenstufe, bei der auf dem Material der späteren Membran M eine zweite Opferschicht OS2 abgeschieden ist.
  • 6 zeigt eine Zwischenstufe, bei der auf dem Material der zweiten Opferschicht OS2 eine Rückplatte RP abgeschieden und strukturiert ist. Das Strukturieren der Rückplatte RP schließt auch das Ausbilden von Öffnungen O in der Platte ein, durch die der zu empfangende Schalldruck zur Membran M gelangen kann.
  • 7 zeigt eine Zwischenstufe, bei der je eine Kontaktfläche KF auf der Rückplatte RP und auf der späteren Membran M abgeschieden und strukturiert ist. Dazu wurde eine Ausnehmung durch die zweite Opferschicht OS2 geätzt oder anderweitig erzeugt. Eine Kontaktierung der Membran ist – verglichen mit einer frei beweglichen Membran wie in 19 gezeigt – einfach, da die Membran stets dieselbe Gleichgewichtsposition behält und kein Spalt überbrückt werden muss.
  • 8A zeigt eine Zwischenstufe mit einer möglichen Form des Rückvolumens, das durch ein Strukturieren entlang einer orthogonalen Richtung relativ zur Unterseite des Trägersubstrats gebildet wurde.
  • 8B zeigt eine Zwischenstufe mit einer alternativen Form des Rückvolumens, das durch Strukturieren entlang einer von 90 Grad abweichenden Richtung gebildet wurde.
  • 8A stellt dabei schematisch den Wunschzustand eines senkrechten Kanals durch das Substrat dar, der in der Praxis nicht erhalten wird. 8B stellt den Normalzustand der, da Asymmetrien bei der Herstellung einen schräg verlaufenden Kanal verursachen. Die Tatsache, dass eine unterschiedliche Ätzrate gewählt wird, ermöglicht nun, die Abhängigkeit der Position der nach innen weisenden Seite des substratseitigen Ankers von der Richtung des Kanals aufzubrechen, wie in 8C gezeigt: Die nach innen weisende Kante kann auf der rechten Seite weiter von der Kante des Substrats entfernt sein als auf der Linken Seite. Die Abhängigkeit von der Orientierung des Kanals ist aufgebrochen.
  • Zur Strukturierung des Volumens kommen die üblichen Strukturierungs-Verfahren wie RIE (Reactive-Ion Etching = reaktives Ionen-Ätzen), DRIE und dergleichen in Frage.
  • 9 zeigt eine Zwischenstufe, bei der das Material der ersten Opferschicht OS1 in den Bereichen erhöhter Ätzrate BER trotz einer möglichen komplizierten und verwinkelten Topologie in kurzer Zeit im Wesentlichen restlos entfernt wurde, ohne die übrigen Materialien stark anzugreifen.
  • 10 zeigt eine Stufe des Mikrofons bei dem alle zu entfernenden Bereiche der Opferschichten OS1, OS2 entfernt sind. Die parasitären Kapazitäten PK sind minimal, da der Sicherheitsspielraum bei der Breite der Auflagefläche des substratseitigen Ankers SSA auf dem Trägersubstrat quasi verschwindet.
  • 11 zeigt schematisch den Aufbau eines konventionellen MEMS-Mikrofons mit verschiebbarer Membran, bei dem ein Kondensator oberhalb eines Trägersubstrats angeordnet ist. Der Kondensator hat eine Rückplatte mit Löchern. Die Membran ist in lateraler Richtung von einem im Wesentlichen ringförmigen Spalt umgeben, über den die Trennung des Rückvolumens unter der Membran von der Umgebung des Mikrofons überbrückt ist. So kann ein niederfrequenter Druckausgleich stattfinden. Die LLF sinkt mit steigendem Widerstand, dem eine Druck ausgleichende Menge Luft ausgesetzt ist. Der Ventilationspfad ist im Wesentlichen der Weg, den die Luft nimmt. Der Widerstand steigt mit zunehmender Länge des Ventilationspfads. Damit sinkt die LLF mit zunehmender Länge des Pfads.
  • Da die Membran während der Herstellung nur dann ausreichend aus dem Material einer oder mehrerer Opferschichten herausgelöst werden kann, wenn das Ätzmaterial bei kurzer Ätzdauer direkten Zugang zum Opfermaterial hat, sind Öffnungen in der Rückplatte direkt oberhalb des (Ventilations-)Spalts notwendig, wodurch jedoch der Ventilationspfad verkürzt und der Widerstand verringert ist.
  • 12 zeigt – analog zu 2 – eine Zwischenstufe bei der Herstellung eines verbesserten Mikrofons. Auf einem Trägersubstrat TS wird eine erste Opferschicht OS1 aufgebracht.
  • 13 zeigt – analog zu 3 – eine Zwischenstufe, bei der die erste Opferschicht OS1 in einem Bereich erhöhter Ätzrate BER so verändert ist, dass die Ätzrate gegenüber einem geeignet gewählten Ätzmittel verglichen mit einem Bereich normaler Ätzrate BNR vergrößert ist. Eine Phasengrenze zwischen den Bereichen unterschiedlicher Rate kann später im Wesentlichen die Begrenzung eines verbleibenden Rests, z. B. eines Ankers, darstellen.
  • 14 zeigt einen optionalen Schritt, bei dem Ausnehmungen AU in das Material der ersten Opferschicht OS1 strukturiert werden. Die Form der Ausnehmungen AU bestimmen dabei die Form von späteren Spitzen der Membran, durch die ein Anhaften der Membran, z. B. an dem Trägersubstrat, vermindert wird.
  • 15 zeigt eine Zwischenstufe, bei der das Material der späteren Membran M abgeschieden und die lateralen Abmessungen der Membran M festgelegt sind. So ist ein Teil des Ventilationspfads VP durch einen ringförmigen Schlitz im Material der Schicht der späteren Membran M strukturiert. Die Membran selbst kann verschiedene Schichten MS1, MS2 umfassen, deren Dicke und Materialien bezüglich ihrer Aufgaben – elektrische Leitfähigkeit, mechanische Eigenschaften, ... – ausgewählt sind und die übereinander oder ineinander angeordnet sind.
  • 16 zeigt eine Zwischenstufe, bei der ein weiteres Material einer zweiten Opferschicht OS2 auf dem Material der Membran angeordnet ist. Analog zur ersten Opferschicht OS1 ist die Ätzrate in lokalen Bereichen BER gegenüber dem unveränderten Material in Bereichen „normaler“ Rate BNR erhöht.
  • Die gezeigt Ausführungsform hat Bereiche erhöhter Ätzrate BER in der ersten OS1 und in der zweiten OS2 Opferschicht. Dabei kann es für alternative Ausführungsformen genügen, wenn nur die erste OS1 oder die zweite OS2 Opferschicht solche Bereiche aufweist.
  • 17 zeigt eine Zwischenstufe, bei der weitere Ausnehmungen AU in der zweiten Opferschicht OS2 strukturiert sind. Die Form dieser Ausnehmungen AU bestimmt dabei im Wesentlichen die Form von Erhebungen in der späteren Rückplatte, die zur Membran gerichtet sind und ebenfalls ein Anhaften der Membran an der Rückplatte wirkungsvoll verhindern und den Gleichgewichtsabstand zwischen Membran und Rückplatte bestimmen.
  • 18 zeigt eine Zwischenstufe, bei der die Rückplatte RP im Wesentlichen auf der zweiten Opferschicht OS2 angeordnet und weitestgehend strukturiert ist. Das Strukturieren der Rückplatte umfasst dabei auch das Bilden von Öffnungen O in der Rückplatte, durch die ein Schalldruck auf die Membran wirken kann.
  • Auf ein Ausbilden von Öffnungen direkt oberhalb des späteren Ventilationspfad-Abschnitts durch die Membran wird verzichtet, um den Ventilationspfad zu verlängern. Das zu entfernende Material der Opferschichten OS1, OS2 kann aufgrund der erhöhten Ätzrate trotz der verwinkelten Topologie in kurzer Zeit entfernt werden.
  • 19 zeigt eine Zwischenstufe, bei der Kontaktflächen KF auf Rückplatte RP und Material der Schicht mit der Membran M gebildet sind. Damit die Membran und die damit zu verschaltende Kontaktfläche elektrisch kontaktiert sind, sind Brücken (hier im Querschnitt nicht gezeigt) möglich, die den die Membran umgebenden Spalt überbrücken.
  • 20 zeigt eine Zwischenstufe, bei der die Öffnung im Siliziummaterial RV im Trägersubstrat TS gebildet ist. Die Öffnung kann später ein Rückvolumen oder ein Vorvolumen bilden, je nach Einbautechnologie. Zu dessen Bildung kommen die üblichen Strukturierungs-Verfahren in Frage. Insbesondere RIE (Reactive-Ion Etching = reaktives Ionen-Ätzen), DRIE (Deep Reactive-Ion etching = reaktives Ionentiefenätzen) und dergleichen sind möglich. Die Ätzrichtung kann dabei orthogonal oder schräg zur Senkrechten der Unterseite des Trägersubstrats TS sein.
  • Das eigentliche Rückvolumen RV kann später durch eine rückseitige Abdeckung, z. B. einen Deckel, akustisch abgedichtet werden. Auch durch ein Aufbringen des Mikrofons auf einen weiteren Träger kann eine akustische Abdichtung erfolgen. Eine solche ist i. a. erwünscht, damit die Funktion des Mikrofons nicht durch einen sogenannten akustischen Kurzschluss beeinträchtigt ist.
  • 21 zeigt eine Zwischenstufe, bei dem das Material der Opferschichten OS1, OS2 in den Bereichen erhöhter Ätzrate BER nach einem nur relativ kurz andauernden Ätzschritt trotz verwinkelter Topologie praktisch vollständig entfernt wurde und die Phasengrenzen freigelegt wurden. Diese Zwischenstufe bildet eine ideale Ausgangsbasis für den darauffolgenden Ätzschritt, bei dem die noch übrigen zu entfernenden Bereiche weggeätzt werden. Vor allem im Bereich des Ventilationspfades VP ist die Zugänglichkeit zu den Bereichen normaler Ätzrate so schlecht, dass diese Bereiche nahezu nicht angegriffen werden.
  • 22 zeigt entsprechend eine Stufe des Herstellungsprozesses, bei dem die Membran so freigelegt ist, dass sie sich innerhalb ihrer Einhausung durch das Substrat und die Rückplatte frei bewegen kann. Die verbleibenden Bereiche normaler Ätzrate der Opferschichten OS1, OS2 bilden dabei die Anker, die die Rückplatte, die – frei bewegliche – Membran und das Substrat zusammenhalten. Der verbleibende Bereich der ersten Opferschicht OS1 bildet den substratseitigen Anker SSA, der den Kondensator mit dem Substrat verbindet. Der verbleibende Bereich der zweiten Opferschicht OS2 bildet den Elektrodenanker EA, der die beiden Elektroden des Kondensators verbindet.
  • Weder die Mikrofone noch die Herstellungsverfahren sind auf die gezeigten Ausführungsbeispiele oder schematischen Figuren beschränkt. Die Mikrofone können noch weitere Lagen, Membranen, Rückplatten, Logikschaltungen in ASICs usw. (Application Specific Integrated Circuit) umfassen. Die Verfahren können noch weitere Schritte zur Ausbildung solcher Elemente umfassen.
  • Bezugszeichenliste
    • AU:
    Ausnehmung
    BER:
    Bereich erhöhter Ätzrate
    BNR:
    Bereich normaler Ätzrate
    EA:
    Elektrodenanker
    K:
    Kondensator
    KF:
    Kontaktfläche
    M:
    Membran
    MS1:
    erste Membranschicht
    MS2:
    zweite Membranschicht
    O:
    Öffnung
    OS1:
    erste Opferschicht
    OS2:
    zweite Opferschicht
    PK:
    parasitäre Kapazität
    RP:
    Rückplatte
    RV:
    Rückvolumen
    SSA:
    substratseitiger Anker
    TS:
    Trägersubstrat
    VP:
    Ventilationspfad
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2013/071951 [0007]

Claims (12)

  1. MEMS-Mikrofon mit verankerter Membran, umfassend – ein Trägersubstrat, einen Kondensator mit zwei Elektroden, einen substratseitigen Anker und einen Elektrodenanker, wobei – der substratseitige Anker das Substrat mit dem Kondensator verbindet, – der Elektrodenanker die beiden Elektroden des Kondensators verbindet, – eine der Elektroden eine Rückplatte und die andere Elektrode eine schwingungsfähige Membran ist, – der substratseitige Anker eine Auflagefläche auf dem Substrat hat, die eine für die mechanische Stabilität des MEMS-Mikrofons notwendige Mindestfläche um nicht mehr als ein Minimum überschreitet.
  2. MEMS-Mikrofon nach dem vorherigen Anspruch, wobei die nach innen weisende Seite des substratseitigen Ankers unabhängig von der Form eines Hohlraumes im Innern des Substrats gebildet ist.
  3. MEMS-Mikrofon nach einem der dem vorherigen Ansprüche, wobei der substratseitige Anker aus einem Material einer Opferschicht besteht.
  4. MEMS-Mikrofon mit frei beweglicher Membran, umfassend – ein Trägersubstrat, einen Kondensator mit zwei Elektroden, einen substratseitigen Anker und einen Elektrodenanker, wobei – eine der Elektroden eine Rückplatte mit Löchern und die andere Elektrode eine schwingungsfähige und frei bewegliche Membran ist, – der substratseitige Anker und der Elektrodenanker das Substrat mit der Rückplatte verbinden, – der substratseitige Anker zwischen dem Elektrodenanker und dem Substrat angeordnet ist, – die Membran zwischen der Rückplatte und dem Substrat angeordnet ist, – zwischen der Membran und den beiden Ankern eine Ventilationsöffnung vorhanden ist und die Rückplatte direkt oberhalb der Ventilationsöffnung frei von Löchern ist.
  5. MEMS-Mikrofon nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der substratseitige Anker und/oder der Elektrodenanker aus einem Material einer Opferschicht bestehen.
  6. MEMS-Mikrofon nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der substratseitige Anker und/oder der Elektrodenanker aus ein Oxid oder ein Nitrid umfassen.
  7. MEMS-Mikrofon nach dem vorherigen Anspruch, wobei der substratseitige Anker und/oder der Elektrodenanker ein Siliziumoxid oder ein Siliziumnitrid umfassen.
  8. Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Mikrofons nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte – Bereitstellen eines Trägersubstrats, – Anordnen einer unteren Opferschicht auf dem Trägersubstrat, – Erzeugen einer Membran auf der Opferschicht, – Anordnen einer oberen Opferschicht auf der Membran, – Erzeugen einer Rückplatte auf der oberen Opferschicht, wobei – eine Ätzrate der unteren Opferschicht in einem Bereich, der an den späteren substratseitigen Anker angrenzen soll, und/oder eine Ätzrate der oberen Schicht in einem Bereich, der an den späteren Kondensatoranker angrenzen soll, nach dem Anordnen der entsprechenden Opferschicht erhöht werden.
  9. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei nach dem Erzeugen der Rückplatte zumindest ein Bereich erhöhter Ätzrate einer Opferschicht durch Ätzen entfernt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorherigen Verfahrensansprüche, wobei die Ätzrate eine Ätzrate für ein Ätzen mit dem Ätzmittel HF oder VHF ist.
  11. Verfahren nach einem der vorherigen Verfahrensansprüche, wobei die Ätzrate durch Ionenimplantation erhöht wird.
  12. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Ätzrate durch Implantation von P Ionen erhöht wird.
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