DE102014212340A1

DE102014212340A1 - MEMS-Mikrofon mit Niederdruckbereich zwischen Membran und Gegenelektrode

Info

Publication number: DE102014212340A1
Application number: DE102014212340.2A
Authority: DE
Inventors: Alfons Dehe; Andreas Frömel
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2014-06-26
Publication date: 2015-01-15
Anticipated expiration: 2034-06-27
Also published as: US9986344B2; CN104254046A; CN104254046B; KR101570931B1; US20160066099A1; KR20150002539A; US20150001647A1; US9181080B2; DE102014212340B4

Abstract

Ein MEMS-Mikrofon umfasst ein erstes Membranelement, ein Gegenelektrodenelement und einen Niederdruckbereich zwischen dem ersten Membranelement und dem Gegenelektrodenelement. Der Niederdruckbereich hat einen Druck, der kleiner als ein Umgebungsdruck ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Ausführungsformen beziehen sich auf ein Mikrofon des mikroelektromechanischen Systems (MEMS). Einige Ausführungsformen beziehen sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Mikrofons. Einige Ausführungsformen beziehen sich auf einen MEMS-Schallwandler. Einige Ausführungsformen beziehen sich auf ein Mikrofon mit Unterdruck (in der Nähe des Vakuums) und/oder einen Lautsprecher mit Unterdruck (in der Nähe des Vakuums).
HINTERGRUND
Wenn Wandler wie z. B. Drucksensoren, Beschleunigungssensoren, Mikrofone oder Lautsprecher entworfen werden, kann es typischerweise wünschenswert sein, ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR – signal-to-noise ratio) zu erreichen. Die fortlaufende Miniaturisierung von Wandlern kann neue Herausforderungen in Bezug auf das gewünschte hohe Signal-Rausch-Verhältnis stellen. Mikrofone und zu einem gewissen Ausmaß auch Lautsprecher, die zum Beispiel in Mobiltelefonen und ähnlichen Vorrichtungen verwendet werden können, können heutzutage als Siliziummikrofone oder mikroelektromechanische Systeme ausgeführt sein. Um wettbewerbsfähig zu sein und die erwartete Leistungsfähigkeit bereitzustellen, können Siliziummikrofone ein hohes SNR benötigen. Das Kondensatormikrofon als Beispiel nehmend, kann das SNR jedoch typischerweise durch den Aufbau des Kondensatormikrofons begrenzt sein.
Das Problem des begrenzten SNR, das mit den herkömmlichen Ausführungen der Kondensatormikrofone erreicht werden kann, insbesondere dann, wenn sie als ein MEMS ausgeführt sind, kann wie folgt erklärt werden. Ein Kondensatormikrofon kann typischerweise eine Membran und eine Rückplatte, die als eine Gegenelektrode dienen kann, umfassen. Der Schall kann durch die Rückplatte gehen müssen und als eine Folge ist die Rückplatte typischerweise mit Löchern versehen. Es ist zu bemerken, dass die Rückplatte sogar in denjenigen Ausführungen mit Löchern versehen sein muss, bei denen die Rückplatte hinter der Membran (d. h., an der Seite der Membran, die von der Einfallsrichtung des Schalls weg zeigt) angeordnet sein kann, weil die Membran während des Betriebs einen Teil der Luft in dem Volumen zwischen der Membran und der Rückplatte durch die mit Löchern versehene Rückplatte in einen rückseitigen Hohlraum drücken kann. Ohne den rückseitigen Hohlraum und die Durchlöcherung der Rückplatte könnte das Volumen zwischen der Membran und der Rückplatte wie eine sehr steife Feder wirken und könnte so verhindern, dass die Membran als Reaktion auf den einfallenden Schall signifikant schwingt.
Eine andere Ausführung kapazitiver Mikrofone kann einen sogenannten Kammantrieb, bei dem die Membran und die Gegenelektrode mehrere ineinandergreifende Kammfinger an einem seitlichen Umfang der Membran besitzen, verwenden. Diese Kammsensormikrofone können wegen der fehlenden Rückplatte ein verringertes Rauschen haben. Dennoch kann es ein fluidisches Element des Rauschens zwischen den ineinandergreifenden Kammfingern geben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es kann ein MEMS-Mikrofon bereitgestellt werden. Das MEMS-Mikrofon kann ein erstes Membranelement, ein Gegenelektrodenelement und einen Niederdruckbereich zwischen dem ersten Membranelement und dem Gegendruckelement umfassen. Der Niederdruckbereich kann einen Druck haben, der kleiner als ein Umgebungsdruck ist.
Es kann ein Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Mikrofons bereitgestellt werden. Das Verfahren kann das Erzeugen eines Niederdruckbereichs zwischen einem ersten Membranelement und einem Gegenelektrodenelement umfassen. Das Verfahren kann ferner das dauerhafte Verhindern des Eintritts von Materie in den Niederdruckbereich umfassen, um im Durchschnitt dauerhaft einen festgelegten niedrigen Druck in dem Niederdruckbereich zu erhalten.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind hier bezugnehmend auf die angehängten Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines MEMS-Mikrofons, das ein einzelnes Membranelement und einen Niederdruckbereich umfasst;
2 zeigt einen schematischen Querschnitt eines MEMS-Mikrofons, eines MEMS-Lautsprechers oder eines MEMS-Schallwandlers, die ein erstes Membranelement und ein zweites Membranelement, die einen Niederdruckbereich umschließen, umfassen;
3A und 3B zeigen schematische Querschnitte des MEMS-Mikrofons der 2, während es während des Betriebs einem Schall ausgesetzt ist;
4 zeigt den schematischen Querschnitt der 2 und zusätzlich ein schematisches Schaltungsdiagramm, das eine Stromversorgung und eine Erfassungsschaltung für das MEMS-Mikrofon darstellt;
5A und 5B zeigen schematische Querschnitte eines MEMS-Mikrofons an einer ersten Querschnittsposition;
6A und 6B zeigen schematische Querschnitte des gleichen MEMS-Mikrofons an einer anderen Querschnittsposition;
7A und 7B zeigen schematische Querschnitte des gleichen MEMS-Mikrofons an einer weiteren Querschnittsposition;
8A und 8B zeigen schematische Querschnitte des gleichen MEMS-Mikrofons an noch einer weiteren Querschnittsposition;
9A und 9B zeigen schematische Querschnitte des gleichen MEMS-Mikrofons an einer weiteren Querschnittsposition;
10 zeigt eine schematische, perspektivische, teilweise angeschnittene Ansicht eines MEMS-Mikrofons;
11 zeigt eine ähnliche schematische, perspektivische, teilweise angeschnittene Ansicht wie 10, um einige Einzelheiten des MEMS-Mikrofons besser darzustellen;
12 zeigt einen schematischen Querschnitt eines MEMS-Mikrofons und die Auswirkung des atmosphärischen Drucks auf das erste und das zweite Membranelement;
13 stellt eine Bemaßung eines Membransegments, das den Bereich zwischen zwei oder mehreren Säulen überspannt, dar;
14 stellt schematisch das Ausmaß der Krümmung bei atmosphärischem Druck in der Mitte des Membranelements in 13 als eine Funktion der Dicke und der Seitenlänge des Membransegments dar;
15 zeigt einen schematischen Querschnitt eines MEMS-Mikrofons, das Antihaft-Erhebungen besitzt;
16A und 16B zeigen schematische Querschnitte eines MEMS-Mikrofons, das eine seitlich segmentierte Gegenelektrode besitzt;
17A und 17B zeigen schematische Querschnitte eines MEMS-Mikrofons, das vergleichsweise weiche Membranelemente umfasst, die als Gelenke oder Aufhängungen für das erste und das zweite Membranelement dienen;
17C zeigt eine schematische perspektivische aufgeschnittene Ansicht eines Abschnitts des MEMS-Mikrofons in den 17A und 17B;
18A zeigt einen schematischen horizontalen Querschnitt eines MEMS-Mikrofons, das eine X-förmige Gegenelektrode umfasst;
18B und 18C zeigen schematische Querschnitte des MEMS-Mikrofons aus 18A;
19 zeigt einen schematischen Querschnitt eines MEMS-Mikrofons, das eine einzelne Gegenelektrode und ein erstes und ein zweites Membranelement, die voneinander elektrisch isoliert sein können, umfasst, und
20A bis 20O zeigen schematisch einen Prozessablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines MEMS-Mikrofons.
Gleiche oder gleichwertige Elemente oder Elemente mit gleicher oder gleichwertiger Funktionalität sind in der folgenden Beschreibung durch gleiche oder gleichwertige Bezugsziffern gekennzeichnet.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERLÄUTERNDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In der folgenden Beschreibung sind mehrere Einzelheiten dargelegt, um eine gründlichere Erklärung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Es wird jedoch für den Fachmann ersichtlich sein, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ohne diese spezifischen Einzelheiten angewendet werden können. In anderen Beispielen sind wohlbekannte Strukturen und Vorrichtungen eher in Blockdiagrammen als im Detail gezeigt, um zu verhindern, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung undeutlich gemacht werden. Zusätzlich können Merkmale der verschiedenen Ausführungen, die nachstehend beschrieben sind, miteinander kombiniert werden, soweit es nicht ausdrücklich anderweitig bemerkt ist.
Standardkondensatormikrofone können eine Kapazität paralleler Platten mit der Änderung des Spaltabstands durch eine Membranverlagerung verwenden. Dies kann das Rauschen der Luft, die sich durch die Durchlöcherungen bewegt, bedeuten. Beim Untersuchen des Problems des SNR in den heutigen Mikrofonen kann die mit Löchern versehene Rückplatte als einer der Hauptbeitragenden zum Rauschen identifiziert werden. Eine mögliche Lösung könnte es sein, die mit Löchern versehene Rückplatte zu entfernen, aber dies könnte ein neues Sensorkonzept erfordern. Experimente und Simulationen, die durch die Erfinder durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass die Entfernung der mit Löchern versehenen Rückplatte in der Theorie das SNR um so viel wie 4 bis 27 dB (Dezibel Schalldruckpegel) verbessern könnte. Für ein vergleichsweise großes Mikrofon, das ein aktives Volumen von 40 mm³ hat, kann das SNR ungefähr 71 dB(A) betragen, wenn die mit Löchern versehene Rückplatte vorhanden ist. Nach der Entfernung der mit Löchern versehenen Rückplatte kann sich das SNR bis 98 dB(A) gesteigert haben. Für ein vergleichsweise kleines Mikrofon, das ein aktives Volumen von 2,3 mm³ hat, kann die Verbesserung nicht so signifikant sein, aber immer noch 4 dB von 69 dB(A) mit der vorhandenen mit Löchern versehenen Rückplatte bis 73 dB(A) nach der Entfernung der mit Löchern versehenen Rückplatte.
Rauschen in akustischen System kann von dem viskosen Fließen der Luft in den Mikrostrukturen kommen und eine Dämpfung und dissipative Verluste verursachen. Für ein kapazitives Mikrofonkonzept können einige Aspekte, die hier beschrieben sind, lehren, wie die statische Bezugselektrode (Gegenelektrode) unter Unterdruck oder unter einer Niederdruckatmosphäre innerhalb der beweglichen Membran oder der Membran eingekapselt ist. Weitere Aspekte, die hier offenbart sind, können lehren, wie und unter welchen Umständen ein Niederdruckbereich zwischen einem einzelnen Membranelement und dem Gegenelektrodenelement bereitgestellt werden kann.
1 stellt schematisch ein Konzept für ein MEMS-Mikrofon dar, in dem ein Niederdruckbereich 132 zwischen einem Membranelement 112 und einem Gegenelektrodenelement 122 vorgesehen sein kann. 1 zeigt als ein Beispiel schematisch eine mögliche Ausführungsform. Aus Gründen der Konsistenz mit nachfolgenden Teilen der Beschreibung kann das Membranelement 112 auch als ”erstes Membranelement” bezeichnet sein. Das Membranelement 112 kann an einer seiner Seiten einem Umgebungsdruck ausgesetzt sein und möglicherweise einem Schalldruck. Diese Seite des Membranelements 112 kann auch als eine Schallempfangshauptfläche des Membranelements 112 betrachtet werden. An seiner anderen Seite kann das Membranelement 112 anschließend an den Niederdruckbereich 132 sein. Das Membranelement 112 kann als eine Membran oder ein Membranelement ausgeführt sein. Eine Verlagerung des Membranelements 112 als Reaktion auf den Schalldruck kann schematisch in der 1 durch Strichpunkt-Punkt-Linien dargestellt sein (es ist zu bemerken, dass die Verlagerung zu darstellenden Zwecken etwas übertrieben sein kann).
Der Niederdruckbereich 132 kann in 1 durch eine Strichlinie schematisch dargestellt sein. Der Niederdruckbereich 132 hat einen Druck, der typischerweise kleiner als ein Umgebungsdruck oder ein Standardatmosphärendruck sein kann. Der Niederdruckbereich 132 kann anschließend an und typischerweise in direktem Kontakt mit dem Membranelement 112 und auch mit dem Gegenelektrodenelement 122 sein.
Das Membranelement 112 kann durch einen Druckunterschied zwischen dem Umgebungsdruck und dem Druck innerhalb des Niederdruckbereichs 132, der typischerweise kleiner als der Umgebungsdruck sein kann, vorbelastet sein. Dementsprechend kann das Membranelement 112 eine entsprechende Ruheposition oder -konfiguration einnehmen, wenn kein Schall auf dem Membranelement 112 eintrifft. Der niedrigere Druck kann innerhalb des Niederdruck- oder des Unterdruckbereichs gemäß der Dichte des Fluids zu einer geringeren Dämpfung führen. Zur gleichen Zeit könnte die Membran, die den normalen Druck aushält und den Schall erfasst, kein Rückvolumen benötigen, da es eine geringe oder keine Kraft geben könnte, die durch eine fluidische Kopplung auf die zweite Elektrode übertragen wird. Um einige Zahlen als ein Beispiel zu geben, müsste die Membran einen absoluten Druck von bis zu 100 kPa aushalten. Der Schalldruck, der erfasst werden soll, kann zum Beispiel in einem Bereich von bis zu 1 mPa oder bis zu 10 mPa sein.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform kann der Druck in dem Niederdruckbereich im Wesentlichen ein Unterdruck oder ein Unterdruck in der Nähe des Vakuums sein. In anderen Beispielen der Ausführung kann der Druck in dem Niederdruckbereich kleiner als 50% des Umgebungsdrucks oder des Standardatmosphärendrucks sein. Es kann auch möglich sein, dass der Druck in dem Niederdruckbereich kleiner als 45%, 40%, 35%, 30%, 25% oder 20% des Umgebungsdrucks oder des Standardatmosphärendrucks ist (der Standardatmosphärendruck kann typischerweise 101,325 KPa oder 1013,25 Millibar betragen). Der Druck in dem Niederdruckbereich kann auch als ein absoluter Druck ausgedrückt werden, zum Beispiel weniger als 50 kPa, weniger als 40 kPa, weniger als 30 kPa oder weniger als 25 kPa. In jedem Fall kann der Druck in dem Niederdruckbereich typischerweise so ausgewählt sein, dass er niedriger sein kann als der typische Bereich des atmosphärischen Drucks für Wetterbedingungen, die vernünftigerweise erwartet werden sollten, und für die Höhen in Bezug auf den Meeresspiegel, in denen die Verwendung des MEMS-Mikrofons beabsichtigt sein kann (z. B., bis 9000 Meter über dem Meeresspiegel).
Das erste Membranelement kann eine Membrannachgiebigkeit von mindestens 1 nm/Pa haben. Gemäß alternativen Ausführungen kann die Membrannachgiebigkeit mindestens 2 nm/Pa, mindestens 3 nm/Pa, mindestens 4 nm/Pa oder mindestens 5 nm/Pa betragen. Die Membrannachgiebigkeit kann typischerweise als der Kehrwert der Steifigkeit der Membran verstanden werden. Wie sie hier jedoch verwendet ist, kann die Membrannachgiebigkeit auf die Größe der Membran normiert sein und kann eine maximale Auslenkung der Membran ausdrücken, wenn es mit einem bestimmten Schalldruck, hier 1 Pascal (Pa), beaufschlagt ist. Der Bezugsschalldruck in der Luft, der gewöhnlich verwendet werden kann, kann Pref = 20 μPa(rms) betragen, was ungefähr dem Schwellenwert des menschlichen Hörens entspricht. Mit diesem Bezugsschalldruck kann ein Schalldruckpegel (SPL) von 94 dB zu einem Schalldruck von 1 Pa führen (zum Vergleich, ein Presslufthammer bei 1 Meter kann einen Schalldruckpegel von ungefähr 100 dB haben).
2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein MEMS-Mikrofon, das ferner ein zweites Membranelement 214, das auf einer gegenüberliegenden Seite des Gegenelektrodenelements 222 zu dem ersten Membranelement 212 angeordnet ist, umfassen kann. 2 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform. Das MEMS-Mikrofon kann mehrere Säulen oder Streben 272, die sich zwischen dem ersten Membranelement 212 und dem zweiten Membranelement 214 erstrecken, umfassen. Die Säulen 272 kontaktieren oder berühren typischerweise nicht das Gegenelektrodenelement 222, sondern gehen eher durch die Öffnungen oder Löcher 227 in dem Gegenelektrodenelement 222 durch das Gegenelektrodenelement 222 hindurch. In dem Ausführungsbeispiel, das schematisch in 2 dargestellt ist, sind die Säulen 272 in einem Stück mit dem ersten und dem zweiten Membranelement 212, 214 gebildet. Deshalb können das erste Membranelement 212, das zweite Membranelement 214 und die Säulen 272 eine einheitliche Struktur aus dem gleichen Material, zum Beispiel polykristallinem Silizium, bilden. Trotzdem bedeutet dies nicht, dass das erste Membranelement 212, das zweite Membranelement 214 und die Säulen 272 gleichzeitig während der Herstellung des MEMS-Mikrofons gebildet werden müssen. Es kann eher möglich sein, dass das zweite Membranelement 214 als erstes auf einer Oberfläche eines Substrats 202 (oder auf einer Oberfläche einer Hilfsschicht wie z. B. einer Ätzstoppschicht) während eines ersten Aufbringungsprozesses gebildet wird. Nachfolgend können die Säulen 272 und schließlich auch das erste Membranelement 212 während eines zweiten Aufbringungsprozesses und möglicherweise während eines dritten Aufbringungsprozesses gebildet werden. In alternativen Ausführungsbeispielen, die unten beschrieben sind, können die Säulen 272 aus einem anderen Material als das erste und das zweite Membranelement 212, 214 hergestellt sein. Das erste Membranelement 212 kann eine Hauptfläche haben, die in die Richtung des Einfalls eines Schalls zeigt (schematisch dargestellt durch einen Pfeil in 2).
In dem MEMS-Mikrofon, das schematisch in der Querschnittsansicht in 2 als ein Beispiel dargestellt ist, kann zusätzlich zu dem ersten Gegenelektrodenelement 222 ein zweites Gegenelektrodenelement 224 vorgesehen sein. Das zweite Gegenelektrodenelement 224 kann von dem ersten Gegenelektrodenelement 222 beabstandet angeordnet sein. Eine Gegenelektrodenisolierschicht 252 kann das erste Gegenelektrodenelement 222 und das zweite Gegenelektrodenelement 224 elektrisch voneinander isolieren. In dem Beispiel eines MEMS-Mikrofons, das schematisch in 2 dargestellt ist, können das erste Gegenelektrodenelement 222, das zweite Gegenelektrodenelement 224 und die Gegenelektrodenisolierschicht 252 eine Gegenelektrodenanordnung oder eine Gegenelektrodenstruktur bilden, die an ihrem Rand oder ihrem Umfang durch eine Tragstruktur getragen werden kann. Es ist zu bemerken, dass die drei mittigen Abschnitte der Gegenelektrodenanordnung, die in 2 dargestellt sind, obwohl sie innerhalb des Niederdruckbereichs 232 zu ”schweben” scheinen, typischerweise an dem Umfang der Gegenelektrodenstruktur über und/oder unter der Zeichenebene der 2, wie durch die Strichlinien angezeigt ist, befestigt sind.
In dem Beispiel, das schematisch in 2 dargestellt ist, kann die Tragstruktur eine geschichtete Konfiguration haben und die Randabschnitte des ersten Membranelements 212, des zweiten Membranelements 214 und der Gegenelektrodenanordnung 222, 224, 252 können an einer oder zwei ihrer Hauptflächen in einem ebenen Kontakt mit der Tragstruktur sein. Die Tragstruktur selber kann an einer Hauptfläche des Substrats 202 angeordnet sein. Auf dieser Hauptfläche des Substrats 202 können verschiedene Schichten aufeinander in der folgenden Reihenfolge angeordnet sein, zum Beispiel: zweites Membranelement 214, zweite Membranisolierung 244, zweites Gegenelektrodenelement 224, Gegenelektrodenisolierung 252, erstes Gegenelektrodenelement 222, erste Membranisolierung 242 und erstes Membranelement 212. Ein rückseitiger Hohlraum 298 kann in dem Substrat 202 gebildet sein, um zu ermöglichen, dass das zweite Membranelement 214 als Reaktion auf eine Schallwelle schwingt.
Wenn die Drucksituation der Struktur untersucht wird, kann beobachtet werden, dass die Membranstruktur, die das erste Membranelement 212, die Säulen 272 und das zweite Membranelement 214 umfasst, steif genug sein muss, um den Überdruck von 1 bar der äußeren Atmosphäre gegen den Unterdruckhohlraum oder den Niederdruckhohlraum auszuhalten. Insbesondere die Säulen 272 können als vertikale Rippen, die durch die Löcher 227 der Gegenelektrodenanordnung (auch ”Stator” genannt) reichen, betrachtet werden, um die Struktur zu stabilisieren. Die Membrananordnung 212, 214 kann dicht verschlossen sein.
2 zeigt das MEMS-Mikrofon in seiner Ruheposition, z. B. wenn keine Schallwelle auf die Membranelemente 212, 214 eintrifft, die verursachen würde, dass die Membranelemente 212, 214 ausgelenkt werden. Auf der Seite des ersten Membranelements 212, auf der der Schall eintreffen kann, kann der Gesamtdruck als p(t) = Normaldruck + pSchall(t) ausgedrückt werden. Innerhalb des rückseitigen Hohlraums 298 kann nur der normale atmosphärische Druck herrschen, d. h. p0 = Normaldruck. Innerhalb des Niederdruckbereichs 232 kann der Druck vergleichsweise niedrig sein, z. B. pSpalt ~0 oder pSpalt < 50% des Umgebungsdrucks.
3A und 3B zeigen schematische Querschnitte durch ein mögliches MEMS-Mikrofon, wenn es Schall ausgesetzt ist, als mögliche Beispiele und/oder Ausführungsformen. 3A zeigt die Situation, in der die Membrananordnung 212, 214, 272 auf Grund eines relativen Überdrucks, der durch den Schall an der oberen Seite anschließend an das erste Membranelement 212 verursacht wird, im Vergleich zu dem Bezugsdruck innerhalb des rückseitigen Hohlraums 298, d. h., p(t) = Normaldruck + |pSchall|, nach unten gedrückt werden kann.
In 3B kann der Druck auf der Schallempfangsseite niedriger sein als der Druck innerhalb des rückseitigen Hohlraums 298, so dass die Membrananordnung 212, 214, 272 nach oben ausgelenkt werden kann. Dementsprechend bewegt sich die Membranstruktur oder Membranstruktur unter Schall in Bezug auf die Gegenelektrodenstruktur 222, 224, 252 (Stator) auf und ab. Der niedrigere Druck in 3B kann als p(t) = Normaldruck – |pSchall| ausgedrückt werden.
4 stellt schematisch ein Beispiel dar, wie das MEMS-Mikrofon mit einer Stromversorgungsschaltung und einem Verstärker elektrisch verbunden sein kann. 4 zeigt ein Beispiel einer möglichen Verbindung. Andere Anordnungen können auch möglich sein. In 4 können das erste und das zweite Membranelement 212, 214 durch eine Membranverbindung 412 mit einem elektrischen Erdungspotential oder Bezugspotential geerdet sein. Das erste Gegenelektrodenelement 222 kann durch eine erste Elektrodenverbindung 422 mit einer ersten Stromversorgungsschaltung und auch mit einem ersten Eingang eines Verstärkers 401 elektrisch verbunden sein. Die erste Stromversorgungsschaltung umfasst eine Spannungsquelle 402 und einen Widerstand 406. Der Widerstand 406 kann einen sehr hohen Widerstand von mehreren Giga-Ohm oder sogar so hoch wie 1 Tera-Ohm haben. Der Verstärker 401 kann ein Differenzverstärker sein. Das zweite Gegenelektrodenelement 224 kann durch eine zweite Gegenelektrodenverbindung 424 mit einer zweiten Stromversorgungsschaltung und einem zweiten Eingang des Verstärkers 401 verbunden sein. Die zweite Stromversorgungsschaltung umfasst eine zweite Spannungsquelle 404 und einen zweiten Widerstand 408, der typischerweise den gleichen Widerstand wie der Widerstand 406 hat. Die erste und die zweite Stromversorgungsschaltung spannen jeweils das erste und das zweite Gegenelektrodenelement 222 und 224 gegen das elektrische Bezugspotential (Erdungspotential) vor. Wenn die Membranstruktur als Reaktion auf einen eintreffenden Schall ausgelenkt werden kann, können sich die elektrischen Potentiale an dem ersten und dem zweiten Gegenelektrodenelement 222, 224 wegen der sich ändernden Kapazitäten zwischen der Membranstruktur und jeweils dem ersten und dem zweiten Gegenelektrodenelement in entgegengesetzte Richtungen ändern. Dies ist durch eine erste Signalform 432 und eine zweite Signalform 434, die jeweils in den ersten und den zweiten Eingang des Verstärkers 401 gespeist werden, in 4 schematisch dargestellt. Der Verstärker 401 kann auf der Grundlage der Eingangssignale 432 und 434, insbesondere einer Differenz der Eingangssignale 432, 434, ein verstärktes Ausgangssignal 430 erzeugen. Das verstärkte Ausgangssignal 430 kann dann weiteren Komponenten für eine nachfolgende Signalverarbeitung, zum Beispiel eine Analog-Digital-Umsetzung, Filtern, etc., zugeführt werden.
Eine mögliche Ausführung eines MEMS-Mikrofons, das einen Niederdruckbereich zwischen zwei Membranelementen und eine Gegenelektrode innerhalb des Niederdruckbereichs besitzt, wird nun mit Bezug auf die 5A bis 10 beschrieben. 5A bis 10 zeigen mögliche Ausführungsformen und/oder Beispiele möglicher Ausführungen. Die 5A, 6A, 7A, 8A und 9A können im Wesentlichen identisch sein und eine Stelle eines entsprechenden Querschnitts, der jeweils in den 5B, 6B, 7B, 8B und 9B gezeigt ist, anzeigen. Das Beispiel, das in den 5A bis 10 schematisch dargestellt ist, kann sich auf einen seitlichen Entwurf einschließlich eines Belüftungslochs 515 für den statischen Druckausgleich zwischen der Umgebungsatmosphäre und dem rückseitigen Hohlraum 298 beziehen.
6A zeigt an, dass der nächste horizontale Querschnitt, der in 6B schematisch dargestellt ist, gemäß einer Schnittebene, die durch das zweite Membranelement 214 durchgeht, durchgeführt werden kann. Das Lüftungsloch 515 kann an dieser Stelle einen quadratischen Querschnitt haben.
7A zeigt einen weiteren Querschnitt des MEMS-Mikrofons und 7B zeigt den entsprechenden schematischen horizontalen Querschnitt, der in einer Höhe der zweiten Membranisolierung 244 durchgeführt worden sein kann. In dem dargestellten Beispiel eines MEMS-Mikrofons kann die zweite Membranisolierung 244 nicht nur eine elektrische Isolierung zwischen dem zweiten Membranelement 214 und dem zweiten Gegenelektrodenelement 224 bereitstellen, sondern kann auch als ein Träger für das zweite Gegenelektrodenelement 224 und andere Strukturen, die auf dem zweiten Gegenelektrodenelement 224 angeordnet sind, dienen. Deshalb kann auch die zweite Membranisolierung 244 als ein Teil einer Tragstruktur angesehen werden. Die zweite Membranisolierung 244 kann den Niederdruckbereich 232 auch seitlich einschränken oder begrenzen. Die Säulen 272 können auch in den 7A und 7B gesehen werden. Auf eine ähnliche Weise wie die Säulen 272 kann ein Kanal 715 durch vier Seitenwände, die sich zwischen dem ersten Membranelement 212 und dem zweiten Membranelement 214 erstrecken, gebildet sein. Der Kanal 715 kann einen quadratischen Querschnitt in dem dargestellten Beispiel haben, kann aber auch andere Querschnittsformen haben. Der Kanal 715 kann den Niederdruckbereich 232 gegen das Lüftungsloch 515 abdichten.
In 7B kann gesehen werden, dass jede der Säulen 272 einen verlängerten Querschnitt, insbesondere einen rechteckigen Querschnitt, haben kann. Andere Querschnittsformen können jedoch auch möglich sein. Daher kann jede der Säulen 272 wesentlich breiter als dick sein, zum Beispiel zwischen dreimal und sechsmal so breit wie dick. Die Breite einer Säule kann in 7B schematisch durch ”w” dargestellt sein und die Dicke einer Säule 272 kann in 7B schematisch durch ”t” dargestellt sein. Eine erste Untergruppe der Säulen 272 kann so ausgerichtet sein, dass sich ihre Querschnittsbreite w entlang einer ersten Richtung erstreckt. Eine zweite Untergruppe der Säulen 272 kann so anders ausgerichtet sein, dass sich ihre Querschnittsbreite w in einer zweiten Richtung, die nicht parallel zu der ersten Richtung sein könnte, erstreckt. In dem Beispiel, das schematisch in 7B dargestellt ist, kann die zweite Richtung der Querschnittsausrichtung der zweiten Untergruppe der Säulen 272 senkrecht zu der ersten Richtung, die die Querschnittsausrichtung der Säulen 272 in der ersten Untergruppe der Säulen beschreibt, sein. In alternativen Ausführungsformen könnten die mehreren Säulen 272 in drei oder sogar mehr Untergruppen von Säulen eingeteilt werden, wobei jede eine andere Richtung der Querschnittsausrichtung hat. Die Säulen 272 haben verschieden Querschnittsausrichtungen, um eine im Wesentlichen isotrope Steifigkeit der gesamten Membrananordnung gegen den Überdruck, der durch die Atmosphäre auf das erste und das zweite Membranelement 212, 214 ausgeübt wird, zu erreichen. Darüber hinaus können mindestens einige der Säulen 272 beabstandet voneinander angeordnet sein, um ausreichend Raum für die Gegenelektrodenanordnung 222, 224, 152 zu lassen, wie in 8B gesehen werden wird.
8B zeigt einen horizontalen Querschnitt in einer Höhe der Gegenelektrodenisolierung 252. Die Geometrie der Gegenelektrodenisolierung 252 kann in dem dargestellten Beispiel auch repräsentativ für die Geometrien des ersten und des zweiten Gegenelektrodenelements 222 und 224 und so für die gesamte Gegenelektrodenanordnung, die die drei Schichten der ersten Gegenelektrode 222, die Gegenelektrodenisolierung 252 und das zweite Gegenelektrodenelement 224 umfasst, sein. Die Gegenelektrodenisolierung 252 kann Löcher 227 umfassen. Die Säulen 272 können durch die Löcher 227 hindurch gehen ohne die Ränder der Löcher 227 zu berühren, d. h. mit ausreichendem Abstand. So kann sich die Membrananordnung in Bezug auf die Gegenelektrodenanordnung auf und ab bewegen, wenn die Membrananordnung auf und ab ausgelenkt werden kann, was hauptsächlich innerhalb ihres mittigen Abschnitts geschieht, wenn die Membrananordnung einer Schallwelle ausgesetzt ist. Darüber hinaus können die Löcher 227 in der Gegenelektrodenanordnung verhindern, dass die Säulen 272 in elektrischen Kontakt mit der ersten Gegenelektrode 222 und/oder der zweiten Gegenelektrode 224 kommen, was einen Kurzschluss zwischen der Membrananordnung und der Gegenelektrodenanordnung verursachen würde.
Um einige zusätzliche mechanische Stabilität für die Membrananordnung zu schaffen, können die Seitenwände des Kanals 715 in 8B dicker sein als in dem horizontalen Querschnitt der 7B. Das Lüftungsloch 515 kann an der Stelle, die in 8B gezeigt ist, einen kreisförmigen Querschnitt haben.
9B zeigt einen ähnlichen horizontalen Querschnitt wie 8B, mit dem Unterschied, dass der Querschnitt in der Höhe des ersten Gegenelektrodenelements 222 durchgeführt ist.
10 zeigt eine schematische, perspektivische Querschnittsansicht des MEMS-Mikrofons. 11 zeigt eine ähnliche schematische perspektivische Querschnittsansicht, in der die Beziehung der Gegenelektrodenanordnung und der Säulen 272 mit weiteren Einzelheiten gezeigt sein kann. Insbesondere 11 kann zeigen, wie eine der Säulen 272 durch eines der Löcher 227, das in der Gegenelektrodenanordnung gebildet sein kann, durchgehen kann.
12 zeigt einen schematischen Querschnitt eines MEMS-Mikrofons, in dem eine Krümmung der Membranabschnitte schematisch dargestellt sein kann. Auf Grund des Unterdrucks oder des Niederdrucks zwischen dem ersten und dem zweiten Membranelement 212, 214 können die aufgehängten Membranteile mit dem Umgebungsdruck, der zu einer Krümmung führt, beaufschlagt werden. Auf Grund der Säulen 272, die typischerweise regelmäßig zwischen den ersten und den zweiten Membranelementen 212, 214 angeordnet sind, kann die Krümmung auf ein vergleichsweises kleines Ausmaß verringert werden.
13 stellt schematisch einen aufgehängten Membranteil (Membranteil) dar. Die seitliche Ausdehnung ”1” des aufgehängten Membranteils, seine Dicke t_Membran und seine intrinsische Spannung können das Ausmaß der Krümmung definieren. Als ein Beispiel stellt 14 die Ergebnisse der Berechnungen für die Krümmung eines kleinen quadratischen Abschnitts einer spannungsfreien Polysiliziummembran unter einem Druck von 1 bar (atmosphärischer Druck) für unterschiedliche Dicken und Seitenlängen dar. Für typische Ausdehnungen (Seitenlänge = 20 μm, Dicke = 0,5 μm) kann die Krümmung ungefähr 140 nm sein und geeignet für einen Luftspalt von typischerweise 2 μm. Eine Zugbelastung in der Membranschicht kann die Krümmung zusätzlich verringern.
15 zeigt einen schematischen Querschnitt eines MEMS-Mikrofons gemäß einer möglichen Ausführungsform, das einen Niederdruckbereich 232 zwischen dem ersten und dem zweiten Membranelement 212, 214 haben kann. Gemäß dem Ausführungsbeispiel, das in 15 schematisch dargestellt ist, kann das erste Membranelement 212 Antihaft-Erhebungen 1512 umfassen, die an der Oberfläche des ersten Membranelements 212 angeordnet sind, das dem Niederdruckbereich 232 zugewandt ist. Die Antihaft-Erhebungen 1512 können die Gefahr verringern, dass das erste Membranelement 212 auf Grund einer Adhäsionskraft an dem ersten Gegenelektrodenelement 222 hängen bleibt. Auf eine ähnliche Weise kann das zweite Gegenelektrodenelement 224 eine zweite Mehrzahl von Antihaft-Erhebungen 1524 umfassen, die dem zweiten Membranelement 212 zugewandt ist. Die Antihaft-Erhebungen 1512 können in das erste Membranelement 212 integriert sein. Die Antihaft-Erhebungen 1524 können als ein Teil in das zweite Gegenelektrodenelement 224 integriert sein.
16A zeigt einen schematischen Querschnitt eines MEMS-Mikrofons, das eine seitliche Aufteilung der Gegenelektroden besitzt. 16B zeigt einen schematischen horizontalen Abschnitt des gleichen MEMS-Mikrofons. In dieser Ausführungsform erstreckt sich das erste Gegenelektrodenelement 222 nicht mehr in die Tragstruktur außer einem schmalen Kontaktstreifen, um das erste Gegenelektrodenelement 222 mit einer äußeren Schaltung wie z. B. der Stromversorgungs- und der Ausleseschaltung elektrisch zu verbinden. Das erste Gegenelektrodenelement 222 kann seitlich durch einen Spalt 1623, der das erste Gegenelektrodenelement 222 von einem Bereich mit umliegendem Gegenelektrodenmaterial 1622 elektrisch isoliert, abgegrenzt sein. Das erste Gegenelektrodenelement 222 kann auf einen mittigen Bereich des MEMS-Mikrofons begrenzt sein. Das erste Membranelement 212 und das zweite Membranelement 214 können auf Grund der Anregung durch eine Schallwelle in dem mittigen Bereich größeren Auslenkungen ausgesetzt sein als in einem Randbereich. In dem Randbereich, d. h. innerhalb der Tragstruktur und in der Nähe der Tragstruktur, können sich das erste und das zweite Membranelement 212, 214 typischerweise als Reaktion auf eine Schallwelle nicht signifikant bewegen. Deshalb könnte der Randbereich nicht zu einer Änderung der Kapazitäten beitragen. Die seitliche Aufteilung des ersten und des zweiten Gegenelektrodenelements 222, 224 kann typischerweise zu einer größeren prozentualen Änderung der Kapazität als Reaktion auf eine Schallwelle führen und folglich zu einer größeren Empfindlichkeit des MEMS-Mikrofons. Der Spalt 1623 kann mit dem Material der ersten Membranisolierung 242 gefüllt sein, wenn er durch den Tragbereich durchgeht, um den Niederdruckbereich 232 gegen die äußere Umgebungsatmosphäre abzudichten. Das Gleiche kann mit dem Spalt zwischen dem zweiten Gegenelektrodenelement 224 und dem entsprechenden Randmaterial 1624 getan werden, in dem die zweite Membranisolierung 244 verwendet wird, um den Spalt zwischen den Elementen 224 und 1624 zu füllen. Als Alternative können der Spalt 1623 und der Spalt um das zweite Gegenelektrodenelement 224 durch ein speziell dafür vorgesehenes Isoliermaterial gefüllt oder dadurch ersetzt werden.
17A zeigt einen schematischen Querschnitt eines MEMS-Mikrofons als ein Beispiel dafür, wie weichere Membranen eingeführt werden können und immer noch gegen Niederdruck in dem Niederdruckbereich, d. h. zwischen dem ersten und dem zweiten Membranelement 212, 214, steif sein können. 17B zeigt einen entsprechenden horizontalen Abschnitt. Das MEMS-Mikrofon kann ein Gelenkelement oder ein drittes Membranelement 1716 umfassen. Das Gelenkelement oder das dritte Membranelement 1760 kann zwischen das erste Membranelement 212 und eine Tragstruktur 1706 gekoppelt sein. Das Gelenkelement/dritte Membranelement 1716 kann eine Steifigkeit haben, die kleiner sein kann als die Steifigkeit des ersten Membranelements 212 und/oder kleiner als die Steifigkeit des zweiten Membranelements 214. Das dritte Membranelement 1716 kann ein Wandelement 1717 umfassen, das konfiguriert ist, den Niederdruckbereich 232 seitlich einzuschränken. Das Wandelement 1717 kann so mit der Tragstruktur 1706 gekoppelt sein, dass sich die Tragstruktur 1706 am Einschränken des Niederdruckbereichs 232 beteiligt. Das MEMS-Mikrofon, das in den 17A und 17B schematisch dargestellt ist, kann vier Gelenkelemente/dritte Membranelemente 1716 umfassen. Das erste Gegenelektrodenelement 222 kann mit der Tragstruktur 1706 unabhängig von dem Gelenkelement 1716 gekoppelt sein. Dies kann durch Bereitstellen mindestens eines Spalts in dem Gelenkelement 1716, durch den sich das erste Gegenelektrodenelement 222 von dem Niederdruckbereich 232 zu der Tragstruktur 1706 in 17B erstrecken kann, erreicht werden. Dies kann für die Gegenelektrodenisolierung 252 schematisch dargestellt sein. Die Struktur des ersten Gegendruckelements 222 und des zweiten Gegendruckelements 224 kann im Wesentlichen ähnlich wie die Struktur der Gegenelektrodenisolierung 252 sein. In der Konfiguration, die in den 17A und 17B gezeigt ist, kann es vier Spalte zwischen den vier Gelenkelementen 1716 geben, wobei die vier Spalte zum Beispiel in den vier Ecken eines Quadrats, das durch die vier Gelenkelemente 1716 gebildet ist, vorgesehen sind.
17C zeigt eine schematische perspektivische aufgeschnittene Ansicht des ersten und des zweiten Membranelements 212, 214 und zwei der Gelenkelemente 1716. Der Übersichtlichkeit halber sind die Gegenelektrodenelemente 222, 224 und die Gegenelektrodenisolierung 252 aus der Darstellung in 17C weggelassen worden. Es kann gesehen werden, dass jedes der Gelenkelemente 176 eine Struktur bilden kann, die als ein ”Doppeltrog” beschrieben werden kann, wobei die beiden Tröge mit den Unterseiten zueinander angeordnet sind. In den Ecken treffen die beiden Gelenkelemente 1716 nicht notwendigerweise aufeinander und können einen Spalt zwischen den Gelenkelementen 1716 lassen, der es ermöglichen kann, dass die Gegenelektrodenstruktur mit der Tragstruktur unabhängig von der Membranstruktur mechanisch und elektrisch gekoppelt werden kann. Die Gelenkelemente 1716 können in diesem Ausführungsbeispiel einen H-förmigen Querschnitt haben. In alternativen Ausführungen könnte/könnten das/die Gelenkelement(e) 1716 zum Beispiel einen U-förmigen Querschnitt oder einen weiteren Querschnitt haben, bei dem zum Beispiel das zweite Membranelement 214 durchgängig sein kann, um den unteren Strich des ”U”s zu bilden, und das erste Membranelement 212 durch das Wandelement 1717 unterbrochen sein kann. Die Strichlinien in 17C können einige der inneren Umrisse des Niederdruckbereichs 232 schematisch anzeigen.
18A bis 18C stellen eine weitere mögliche Ausführung eines MEMS-Mikrofons schematisch dar, wobei die Gegenelektrodenelemente ungefähr eine X-förmige Konfiguration haben. 18A kann eine schematische Draufsicht des ersten Gegenelektrodenelements 1822 und der Gelenkelemente oder des dritten Membranelements 1816 zeigen. Der Übersichtlichkeit halber können einige Elemente aus der Darstellung weggelassen worden sein, zum Beispiel die Wandelemente 1717 in den 17A bis 17C. Es kann gesehen werden, dass das erste Gegenelektrodenelement 222 durch vier Arme, die sich auf eine X-förmige Weise von einem mittigen Abschnitt des ersten Gegenelektrodenelements 222 erstrecken, an der Tragstruktur 1706 aufgehängt sein kann. Als eine alternative Ausführung könnte das erste Gegenelektrodenelement 1822 durch nur einen Arm, zwei Arme, drei Arme oder jede andere Anzahl von Armen von der Tragstruktur getragen sein.
18B zeigt einen schematischen Querschnitt durch das MEMS-Mikrofon der 18A. 18C zeigt einen entsprechenden horizontalen Schnitt durch das MEMS-Mikrofon. Wie in 18C gesehen werden kann, kann der Querschnitt der 18B mit einer schrägen Schnittebene gemacht werden, so dass ein linker Abschnitt in 18B einen Querschnitt durch das Gelenkelement 1816 zeigt und ein rechter Abschnitt der 18B einen schematischen Querschnitt durch die Gegenelektrodenisolierung 1852 zeigt. Das Gelenkelement oder das dritte Membranelement 1816 können Wellenlinien 1818 umfassen, die eine Krümmung des Gelenkelements 1816 in diesem Gebiet fördern. Die Krümmung jedes Gelenkelements 1816 kann als eine Rotation um eine Achse, die sich parallel zu einer verlängerten Ausdehnung der Wellenlinien 1818 erstreckt, beschrieben werden. Das Wandelement 1817 des Gelenkelements 1816 kann sich beim Einschränken des Niederdruckbereichs 232 gegen die Umgebungsatmosphäre beteiligen. Zu diesem Zweck kann das Wandelement 1817 mit der Tragstruktur 1706 gekoppelt sein. In dem Beispiel, das in den 18A bis 18C gezeigt ist, kann das Wandelement 1817 einen ersten Wandabschnitt, der an der Tragstruktur 1706 mit einem Winkel beginnen kann, einen zweiten Wandabschnitt, der sich im Wesentlichen parallel zu der Tragstruktur 1706 erstrecken kann, und einen dritten Wandabschnitt, der sich mit der Tragstruktur 1706 mit einem Winkel vereinigen kann, umfassen. Auf diese Weise kann das Wandelement 1817 drei Seiten eines Trapezes bilden, das den Rest des Gelenkelements 1816 umgibt, insbesondere den Abschnitt, der die Wellenlinien 1818 umfasst. Eine vierte Seite des Trapezes kann durch die Tragstruktur gebildet sein. Weitere Belüftungslöcher 1815 können in einem oder mehreren Gelenkelementen 1816 gebildet sein. Die Belüftungslöcher 1815 können konfiguriert sein, einen statischen Druckausgleich zwischen dem Umgebungsdruck und dem rückseitigen Hohlraum 298 zu ermöglichen. Wie oben erklärt ist, kann es ferner ein Belüftungsloch 515 in einer mittigen Säule 715 geben.
19 zeigt ein weiteres Beispiel einer möglichen Ausführung eines MEMS-Mikrofons, bei dem der Stator, d. h. die Gegenelektrodenanordnung, als eine einzelne Elektrode ausgeführt sein kann und die bewegliche Membranstruktur zwei Elektroden umfasst, die voneinander elektrisch isoliert sein können. Das MEMS-Mikrofon kann ein erstes Membranelement 1912 und ein zweites Membranelement 1914 umfassen. Das erste Membranelement 1912 kann durch mehrere elektrisch isolierende Säulen 1972 mit dem zweiten Membranelement 1914 gekoppelt sein. Die Gegenelektrodenanordnung kann ein einzelnes Gegenelektrodenelement 1922 aus elektrisch leitendem Material umfassen. Es kann auch möglich sein, zwei Gegenelektroden, die voneinander elektrisch isoliert sein können, und zusätzlich zwei Membranen, die auch voneinander elektrisch isoliert sein können, bereitzustellen, d. h. vier unterschiedliche Elektroden für das MEMS-Mikrofon.
20A bis 20O zeigen schematische Querschnitte durch einen Abschnitt eines Wafers während der verschiedenen Stufen oder Schritte eines möglichen Beispiels für einen Herstellungsprozess eines MEMS-Mikrofons, wie es oben beschrieben ist. Jegliche Abmessungen, Werte der Dicken der verschiedenen Schichten, Materialauswahlen, etc. sind nur Beispiele und können deshalb geändert werden.
20A zeigt das Substrat 202, das ein Siliziumwafer sein kann, in dem Silizium in einer monokristallinen Struktur angeordnet sein kann. Eine untere Ätzstoppschicht 203 kann auf eine obere Hauptfläche des Substrats 202 aufgebracht worden sein. Die untere Ätzstoppschicht 203 kann einen verlässlichen Stopp eines Ätzprozesses zum Bilden des Hohlraums 298, der in einer späteren Stufe des Herstellungsprozesses auftreten kann, gewährleisten. Die untere Ätzstoppschicht 203 kann typischerweise zum Beispiel aus einem Oxid, einem thermischen Oxid oder TEOS gemacht sein. Ihre Dicke kann zwischen 0,1 und 1 μm betragen.
20B zeigt einen schematischen Querschnitt des Wafers, nachdem eine Schicht für das zweite Membranelement 214 auf die untere Ätzstoppschicht 203 aufgebracht worden ist. Darüber hinaus kann das zweite Membranelement 214 in 20B auch schon strukturiert sein. Das Material kann dotiertes Polysilizium sein, das als eine dotierte Polysiliziumschicht als ein Teil des Motors des MEMS-Mikrofons aufgebracht sein kann. Die Schicht 214 kann typischerweise zwischen 0,5 und 2 μm dick sein.
20C zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Wafer, nachdem eine Schicht aus Opferoxid 2044 für einen unteren Spalt auf die Struktur, die in 20B gezeigt ist, aufgebracht worden ist. Das Opferoxid kann im Wesentlichen das gleiche Material wie das Material für die untere Ätzstoppschicht 203 sein. Die Dicke des aufgebrachten zweiten Membranoxids 2044 auf dem zweiten Membranelement 214 kann typischerweise zwischen 0,5 und 2 μm betragen, abhängig von der gewünschten Spaltbreite des MEMS-Mikrofons.
20D zeigt einen schematischen Querschnitt, nachdem verschiedene Schichten eines mehrschichtigen Stators auf das zuvor aufgebrachte Opferoxid 2044 aufgebracht worden sind. Der mehrschichtige Stator kann in dem dargestellten Beispiel drei Schichten umfassen: eine Schicht 2024 zum anschließenden Bilden des zweiten Gegenelektrodenelements 224, eine Schicht 2052 eines elektrisch isolierenden Materials zum anschließenden Bilden der Gegenelektrodenisolierung 252 und eine Schicht 2022 für ein anschließendes Bilden des ersten Gegenelektrodenelements 222. Die Schichten 2024 und 2022 können aus dotiertem Polysilizium hergestellt sein oder dotiertes Polysilizium umfassen. Die Schicht 2052 kann Siliziumnitrid SiN umfassen. Andere Materialien können auch möglich sein, zum Beispiel monokristallines Silizium (Substrat oder Silizium auf Isolator, SOI), polykristallines Silizium, Metall (z. B. Aluminium oder ein AlSiCu). Dielektrische Schichten können ein Oxid, Si3N4, Si_xN_yO, Polyimid, etc. umfassen. Die Dicke der verschiedenen Schichten des mehrschichtigen Stators kann zum Beispiel zwischen 0,1 und 1 μm für die Schichten des ersten und des zweiten Gegenelektrodenelements 2022, 2024 und zwischen 0,1 und 0,5 μm für die Schicht der Gegenelektrodenisolierung 2052 betragen.
20E zeigt einen schematischen Querschnitt, nachdem der mehrschichtige Stator, der die drei Schichten 2024, 2052 und 2022 umfasst, strukturiert worden ist und insbesondere die Öffnungen 2027 oder Schlitze in dem mehrschichtigen Stator gebildet worden sind, wobei sich die Öffnungen 2027 zum Beispiel möglicherweise zu der zweiten Membranisolierschicht 2044 erstrecken.
Die Öffnungen 2027 können dann mittels eines Aufbringungsprozesses gefüllt werden, zum Beispiel einer TEOS-Aufbringung 2042 mit einer Dicke zwischen 0,5 und 5 μm. Falls die zweite Membranisolierschicht 2044 aus dem gleichen Material gemacht ist wie das aufgebrachte Material, können sich die beiden Schichten vereinigen und eine Struktur bilden. Ein schematischer Querschnitt nach einer TEOS-Aufbringung kann in 20F gezeigt sein. Andere Aufbringungsmaterialien können auch möglich sein.
20G zeigt einen schematischen Querschnitt, nachdem eine Maske 2045 auf die zweite Membranisolierschicht 2042 aufgebracht und strukturiert sein kann. Dann kann ein sogenannter Abstandshalterätzprozess (Säulenätzprozess) durchgeführt werden, dessen Ergebnisse in 20H gesehen werden können. Insbesondere die Löcher 2027 können in Bezug auf ihre Tiefe vertieft worden sein, so dass sie nun bis zu dem zweiten Membranelement 214 reichen können.
In 20I kann die Maske 2045 entfernt worden sein. Die Löcher 2027 können nun die Form der zukünftigen Säulen 272 definieren. In einem anschließenden Schritt kann eine weitere Aufbringung des dotierten Polysiliziums 2012 durchgeführt werden, die die Löcher 2027 füllt (20J). Die Dicke des aufgebrachten dotierten Polysiliziums kann zum Beispiel zwischen 0,5 und 2 μm betragen.
Anschließend kann das aufgebrachte dotierte Polysilizium 2012 strukturiert werden. Durch das Strukturieren der ersten Membranschicht 2012 können mehrere kleine Löcher 2011 in der ersten Membranschicht 2012 erzeugt werden. Jedes Loch kann zum Beispiel einen Durchmesser zwischen 0,1 und 1 μm haben. Die kleinen Löcher 2011 können anschließend als Ätzlöcher verwendet werden und dann wieder verschlossen werden. 20J zeigt einen schematischen Querschnitt, nachdem eine erste Membranschicht 2012 aufgebracht und strukturiert worden ist. Gleichzeitig mit der Bildung der kleinen Ätzlöcher 2011 kann eine seitliche Aufteilung der ersten Membranschicht 2012 durch Bilden eines Spalts 2021, der die erste Membran 212, die anschließend vervollständigt werden kann, von einem umgebenden Abschnitt des ersten Membranmaterials 2012 trennt, durchgeführt werden. Der umgebende Abschnitt des ersten Membranmaterials kann anschließend verwendet werden, um das erste Gegenelektrodenelement 222, das zweite Gegenelektrodenelement 224 und/oder das zweite Membranelement 214 elektrisch zu verbinden.
20K zeigt einen schematischen Querschnitt, nachdem die seitliche Aufteilung 2021 zeitweise mittels einer Maske 2046 bedeckt worden sein kann. Unter Verwendung der verbleibenden kleinen Löcher 2011, die nicht maskiert worden sind, kann ein Freilegungsätzen durchgeführt werden, um das Oxid zwischen der zweiten Membranschicht 214 und der ersten Membranschicht 2012 zu entfernen. Der Freilegungsätzprozess kann zeitgesteuert sein, so dass ein Randabschnitt des Opfermaterials 2042, 2044 nicht durch das Ätzmittel weggeätzt werden könnte, weil der Abstand des nächsten Lochs 2011 zu groß für das Ätzmittel sein kann, um den Randabschnitt während der Dauer des Freilegungsätzprozesses zu erreichen. Statt eines zeitgesteuerten Ätzprozesses können auch andere Formen zum Bereitstellen eines Ätzstopps verwendet werden.
20L zeigt einen schematischen Querschnitt, nachdem die Maske 2046 entfernt worden sein kann. In 20M kann ein Ätzlochverschließen durchgeführt worden sein, um die kleinen Löcher 2011 mit einem geeigneten Verschlussmaterial 2019, das in 20M und in den nachfolgenden 20N und 20O durch eine dicke Linie schematisch angezeigt sein kann, zu verschließen. Dieser Verschlussschritt kann unter einer Niederdruckatmosphäre oder einem Unterdruck (in der Nähe des Vakuums) durchgeführt werden, um den Niederdruckbereich 232 zu erhalten. Das Ätzlochverschließen kann eine oder mehrere der folgenden Vorgänge umfassen:
Beschichten mit einer ungleichmäßigen Aufbringung von Oxid unter Niederdruck oder
Aufbringung von BPSG (Borphosphorsilikatglas) und später Wiederverflüssigung unter Niederdruck/Unterdruck oder
Laminierung einer Folie unter Niederdruck/Unterdruck.
20M stellt den Fall der Aufbringung von BPSG dar, der auch dazu führen kann, dass BPSG die inneren Seitenwände des Niederdruckbereichs 232 bedeckt.
20N zeigt einen schematischen Querschnitt eines MEMS-Mikrofons während der Herstellung, nachdem die Kontaktlöcher geätzt worden sein können. Ein erster Kontakt 2082 kann in einem ersten Kontaktloch gebildet sein und eine elektrische Verbindung für das erste Membranelement 212 bereitstellen. Ein zweiter Kontakt 2092 kann in einem zweiten Kontaktloch vorgesehen sein, um eine elektrische Verbindung für das erste Gegenelektrodenelement 222 bereitzustellen. Ein dritter Kontakt 2094 kann in einem dritten Loch als eine elektrische Verbindung für das zweite Gegenelektrodenelement 224 vorgesehen sein. Es ist zu bemerken, dass die seitliche(n) Aufteilung(en) 2021, die erste Membranisolierung 242 und die Gegenelektrodenisolierung 252 zum Beispiel eine elektrische Isolierung zwischen den unterschiedlichen Kontakten 2082, 2092, 2094 bereitstellen. Ein Kontakt für das zweite Membranelement 214 kann nicht ausdrücklich in 20N gezeigt sein, aber er kann zum Beispiel auf eine analoge Weise wie die Kontakte 2082, 2084, 2092 gebildet sein.
20O zeigt das endgültige MEMS-Mikrofon in einem schematischen Querschnitt nach einem rückseitigen Ätzen des rückseitigen Hohlraums 298, zum Beispiel mittels eines DRIE/Bosch-Prozesses (DRIE: reaktives Ionenätzen mit hohem Aspektverhältnis). Die untere Ätzstoppschicht 203 kann als ein Ätzstopp für den DRIE-Prozess dienen und kann nach dem DRIE-Prozess durch einen weiteren speziell dafür vorgesehenen Oxidätzprozess entfernt worden sein.
Obwohl einige Aspekte in dem Kontext einer Vorrichtung beschrieben worden sind, ist es klar, dass die Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens, in dem ein Block oder eine Vorrichtung einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschritts entspricht, darstellen. Analog stellen auch Aspekte, die in dem Kontext eines Verfahrensschritts beschrieben sind, eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder einer Einzelheit oder eines Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind für die Prinzipien der vorliegenden Erfindung lediglich darstellend. Es ist selbstverständlich, dass Abwandlungen und Änderungen der Anordnungen und der Einzelheiten, die hier beschrieben sind, für Sachkundige auf dem Gebiet ersichtlich sein werden. Es ist deshalb die Absicht, nur durch den Umfang der bevorstehenden Patentansprüche und nicht durch die speziellen Einzelheiten, die hier durch die Beschreibung und die Erklärung der Ausführungsformen dargestellt sind, eingeschränkt zu werden.
Obwohl jeder Anspruch nur auf einen einzigen Anspruch zurückverweist, deckt die Offenbarung beliebige denkbare Kombinationen der Ansprüche ab.

Claims

MEMS-Mikrofon, das Folgendes umfasst: ein erstes Membranelement; ein Gegenelektrodenelement und einen Niederdruckbereich zwischen dem ersten Membranelement und dem Gegenelektrodenelement, wobei der Niederdruckbereich einen Druck hat, der kleiner als ein Umgebungsdruck ist.
MEMS-Mikrofon nach Anspruch 1, wobei der Druck in dem Niederdruckbereich im Wesentlichen ein Unterdruck ist.
MEMS-Mikrofon nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Druck in dem Niederdruckbereich weniger als etwa 50% des Umgebungsdrucks beträgt.
MEMS-Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Mikrofon ferner ein zweites Membranelement umfasst, das auf einer gegenüberliegenden Seite des Gegenelektrodenelements zu dem ersten Membranelement angeordnet ist.
MEMS-Mikrofon nach Anspruch 4, wobei das erste Membranelement mit dem zweiten Membranelement elektrisch gekoppelt ist.
MEMS-Mikrofon nach Anspruch 4 oder 5, wobei das erste Membranelement von dem zweiten Membranelement elektrisch isoliert ist.
MEMS-Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Mikrofon ferner ein zweites Gegenelektrodenelement umfasst, das von dem ersten Gegenelektrodenelement beabstandet angeordnet ist.
MEMS-Mikrofon nach Anspruch 7, wobei das erste Gegenelektrodenelement von dem zweiten Gegenelektrodenelement elektrisch isoliert ist.
MEMS-Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das erste Membranelement eine Membrannachgiebigkeit von mindestens etwa 1 nm/Pa hat.
MEMS-Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das erste Membranelement eine Membrannachgiebigkeit von mindestens etwa 5 nm/Pa hat.
MEMS-Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Niederdruckbereich innerhalb eines abgedichteten Hohlraums ist.
MEMS-Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 11, das ferner ein Gelenkelement umfasst, das zwischen das erste Membranelement und eine Tragstruktur gekoppelt ist.
MEMS-Mikrofon nach Anspruch 12, wobei das Gelenkelement ein Wandelement umfasst, das konfiguriert ist, den Niederdruckbereich seitlich einzuschränken.
MEMS-Mikrofon nach Anspruch 13, wobei das Wandelement so mit der Tragstruktur gekoppelt ist, dass sich die Tragstruktur am Einschränken des Niederdruckbereichs beteiligt.
MEMS-Mikrofon nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Gegenelektrodenelement mit der Trag-struktur unabhängig von dem Gelenkelement durch mindestens einen Spalt in dem Gelenkelement, der sich von dem Niederdruckbereich zu der Tragstruktur erstreckt, gekoppelt ist.
MEMS-Mikrofon, das Folgendes umfasst: ein erstes Membranelement; ein zweites Membranelement, das beabstandet von dem ersten Membranelement angeordnet ist; einen Niederdruckbereich, der zwischen dem ersten Membranelement und dem zweiten Membranelement angeordnet ist, wobei der Niederdruckbereich einen Druck hat, der kleiner als ein Umgebungsdruck ist, und ein erstes Gegenelektrodenelement, das innerhalb des Niederdruckbereichs angeordnet ist.
MEMS-Mikrofon nach Anspruch 16, wobei der Druck in dem Niederdruckbereich im Wesentlichen ein Unterdruck ist.
MEMS-Mikrofon nach Anspruch 16 oder 17, wobei der Druck in dem Niederdruckbereich weniger als 50% des Umgebungsdrucks beträgt.
MEMS-Mikrofon nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei der Niederdruckbereich innerhalb eines abgedichteten Hohlraums ist.
MEMS-Mikrofon nach einem der Ansprüche 16 bis 19, das ferner ein zweites Gegenelektrodenelement umfasst, das von dem ersten Gegenelektrodenelement elektrisch isoliert ist.
MEMS-Mikrofon nach einem der Ansprüche 16 bis 20, das ferner eine oder mehrere Säulen umfasst, die zwischen das erste Membranelement und das zweite Membranelement gekoppelt sind.
MEMS-Mikrofon nach Anspruch 21, wobei die eine oder die mehreren Säulen elektrisch isolierend sind.
MEMS-Mikrofon nach Anspruch 21 oder 22, wobei die eine oder die mehreren Säulen elektrisch leitend sind.
MEMS-Mikrofon nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei mindestens zwei Säulen zwischen 5 μm und 20 μm voneinander beabstandet angeordnet sind.
MEMS-Mikrofon nach einem der Ansprüche 16 bis 24, das ferner ein drittes Membranelement umfasst, wobei das dritte Membranelement eine Steifigkeit besitzt, die kleiner als die Steifigkeit des ersten Membranelements oder die Steifigkeit des zweiten Membranelements ist.
MEMS-Mikrofon nach Anspruch 25, wobei das dritte Membranelement zwischen eine Tragstruktur und das erste Membranelement und/oder das zweite Membranelement gekoppelt ist.
MEMS-Mikrofon nach Anspruch 26, wobei das erste Gegenelektrodenelement unabhängig von dem dritten Membranelement von der Tragstruktur getragen wird.
Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Mikrofons, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Erzeugen eines Niederdruckbereichs zwischen einem ersten Membranelement und einem Gegenelektrodenelement und dauerhaftes Verhindern eines Eintritts von Materie in den Niederdruckbereich, um im Durchschnitt dauerhaft einen festgelegten Niederdruck aufrechtzuerhalten.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei das Erzeugen des Niederdruckbereichs das Bilden eines Hohlraums zwischen dem ersten Membranelement und dem Gegenelektrodenelement umfasst.
Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, wobei das dauerhafte Verhindern des Eintritts von Materie das Verschließen des Hohlraums unter einer Niederdruckatmosphäre umfasst, um einen Niederdruckbereich zwischen dem ersten Membranelement und dem Gegenelektrodenelement zu erhalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, wobei der Niederdruckbereich einen Druck von weniger als 70% des Standardatmosphärendrucks hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 31, wobei das dauerhafte Verhindern des Eintritts von Materie umfasst: Beschichten einer Oberfläche des MEMS-Mikrofons mit einer nicht-konturgetreuen Abscheidung von Oxid und/oder Abscheiden von Borphosphorsilikatglas (BPSG) an der Oberfläche des MEMS-Mikrofons und später Wiederverflüssigen unter der Niederdruckatmosphäre und/oder Laminieren einer Folie.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 32, das vor dem Erzeugen des Niederdrucks ferner Folgendes umfasst: Abscheiden eines Opfermaterials auf einer Schicht des Gegenelektrodenmaterials; Abscheiden eines Membranmaterials auf dem Opfermaterial; Strukturieren des Membranmaterials, um auf das Opfermaterial zuzugreifen, und Entfernen des Opfermaterials; wobei das Erzeugen des Niederdruckbereichs das Extrahieren von Luft und/oder einem Gas und/oder einem Fluid aus einem Raum, der zuvor durch das Opfermaterial vor dessen Entfernen eingenommen wurde, umfasst.