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Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Membranvorrichtung sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Stand der Technik
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Bekannt sind MEMS-Mikrofone bei denen über einem Substrat
100 eine bewegliche Membran
110 angeordnet wird. Über der Membran
110 wird üblicherweise eine akustisch transparente Gegenelektrode
120 angeordnet. Im Substrat
100 wird unter der beweglichen Membran
110 eine Öffnung
130 zur Rückseite vorgesehen. Diese Öffnung
130 kann als Schallzugang oder als Rückseitenvolumen des Mikrofons genutzt werden. Die bewegliche Membran
110 wird durch den Schalldruck ausgelenkt. Die Auslenkung kann über eine Messung der Kapazitätsänderung zwischen Membran
110 und Gegenelektrode
120 bestimmt werden. Kritisch an dieser Anordnung ist, dass es bei Überlast zu einer Zerstörung der beweglichen Membran kommen kann und dass man beim Herstellen Substratöffnung starken Einschränkungen unterliegt. In den Schriften
EP 2460365 B1 und
DE 10 2015 213716 A1 wird jeweils eine Anordnung gezeigt, die diese Nachteile umgehen.
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Gelöst werden die Nachteile durch Einführung einer zusätzlichen Einfassungsschicht 140 die zwischen Substrat 100 und der beweglichen Membran 110 angeordnet wird. In dieser Schicht 140 wird eine Öffnung 150 derart vorgesehen, dass für die bewegliche Membran 110 eine Einfassung entsteht, auf der die bewegliche Membran 110 anschlagen kann, so dass sie nicht durch eine Überlast zerstört werden kann (siehe Zeichnung 1). Gleichzeitig kann im Herstellungsprozess der Zugang von der Rückseite leichter hergestellt werden und es wird möglich ein größeres Rückseitenvolumen darzustellen. Auch kann der akustische Leckpfad und die Dämpfung der Membran 110 genauer definiert werden, da die Membran 110 und die Einfassungsschicht 140 sehr genau zueinander justiert und hergestellt werden können.
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Nachteilig an dieser Anordnung mit der zusätzlichen Einfassungsschicht ist dass, die Herstellung der Schicht sehr aufwendig ist. Es muss eine zusätzliche Isolationsschicht (141) unterhalb der Einfassungsschicht vorgesehen werden. Üblicherweise wird dazu eine Oxidschicht verwendet. Weiter muss in die Oxidschicht eine Kontaktätzung (142) vorgenommen werden, um das Substrat elektrisch kontaktieren zu können. Weiter muss auch in die über dem Substrat liegende Isolationsschicht eine Kontaktätzung (143) vorgenommen werden, um sowohl jeweils das Substrat als auch die Einfassungsschicht elektrisch kontaktieren zu können.
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Weiter Nachteilig an der Verwendung der zusätzlichen Einfassungsschicht ist dass, die Oxidschicht (141) unter der Einfassungsschicht sich negativ auf die mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Mikrofons auswirken. Bedingt durch den Herstellungsprozess verursacht die Oxid auf einem Siliziumsubstrat immer ein Druckstress. Der Druckstress kann zu vielfälligen Problemen führen. Eins der Probleme ist, dass in Summe zu viele und zu dicke Oxide auf der Substratvorderseite während des Herstellungsprozesses zu eine so starken Substratverbiegung führt, dass die Verarbeitung von derartigen Wafer nicht möglich ist. Die Oxidschichten oberhalb der Einfassungsschicht können aufgrund der notwendigen elektrischen und mechanischen Eigenschaften des Mikrofon nicht reduziert werden, daher muss das Oxid unterhalb der Einfassungsschicht aufgrund dieser Randbedingung möglichst dünn gestaltet werden.
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Andererseits sollte dieses Oxid möglichst dicke gewählt werden, um eine möglichst gute Mikrofon-Performance zu erreichen. Die Einfassungsschicht wird normalerweise elektrisch auf Membranpotential gehalten. Zwischen Einfassungsschicht und Substrat besteht eine elektrische, parasitäre Kapazität, die umso größer wird je geringer die Oxiddicke ausfällt. Mit zunehmende parasitäre Kapazität steigt das Rauschen des Mikrofon und die Performance leidet entsprechend. Man ist also zwischen zwei sich entgegenlaufenden Nachteilen gefangen.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Anordnung und ein dazugehöriges Herstellungsverfahren vorgestellt, das die oben genannten Nachteile der Einfassungsschicht überwindet. Es wird vorgeschlagen eine Ringstruktur aus dem Substrat darzustellen bzw heraus zu ätzen. Die neue Substratstruktur ist elektrisch vom Substrat getrennt und kann an das Membranpotential angeschlossen werden. Die elektrischen Trennung zwischen Substrat und Substratstruktur erfolgt sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung ganz oder teilweise über Hohlräume. Die Hohlräume könne aufgrund des Herstellungsverfahren sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung dicker als die Oxidschicht unterhalb der Einfassungsschicht gewählt werden. Die Substratstruktur kann die Funktion der bisherigen Einfassungsschicht übernehmen.
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Die parasitäre Kapazität zwischen der Substratstruktur und dem Substrat kann durch die jetzt größeren Abstände zwischen der Substratstruktur und dem Substrat sehr stark reduziert werden. Zusätzlich sind die Räume zwischen der Substratstruktur und dem Substrat nicht mit Oxid verfüllt, dadurch reduziert sie die parasitäre Kapazität aufgrund der deutlich geringeren Dielektrizitätskonstante nochmals signifikant. In diesem Ansatz wird eine zusätzliche Oxidschicht wie sie unter der Einfassungsschicht vorgesehen ist gänzlich vermieden. Die im Herstellungsprozess notwendige dünne Oxidschicht kann vollständig entfernt werden. In diesem Ansatz kann daher die Summe der Oxidschichten im Mikrofon auf die rein durch die eigentlichen im Mikrofon notwendigen Oxidschichten beschränkt werden. Weitere Oxide im Mikrofonstapel werden komplett vermeiden. Mit diesem Ansatz kann also trotz minimaler Gesamtoxidsumme einen deutlich geringere parasitäre Kapazität als im Ansatz mit einer Einfassungsschicht erreicht werden.
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Weiter ist das für die Substratstruktur vorgeschlagene Herstellungsverfahren deutlich einfacher und billiger:
- 1. Die Abscheidung der ersten Oxidschicht unterhalb der Einfassungsschicht entfällt vollständig.
- 2. Die Strukturierung der ersten Oxidschicht unterhalb der Einfassungsschicht entfällt ebenfalls vollständig. Im vorgeschlagenen Herstellungsprozess wird mit der Strukturierung der zweiten (Oxidschicht unter der beweglichen Membran) jetzt sowohl der Kontakt zum Substrat als auch der Kontakt zur Substratstruktur in einem Schritt hergestellt.
- 3. Die Abscheidung, Dotierung und Planarisierung der Einfassungsschicht entfällt vollständig.
- 4. Die Strukturierung der Einfassungsschicht wird nur durch die beschriebene Ätzung des Substrats ersetzt.
- 5. Die Abscheidung der Oxidschicht unterhalb der beweglichen Membran, kann beibehalten werden und mit dieser Abscheidung kann in einem Schritt sowohl die Substratgräben verschlossen werden und die Isolation zwischen Substrat und beweglicher Membran erreicht werden.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Mikrofonaufbaus sowie ein durch dieses Verfahren hergestellte mikromechanische Mikrofonbauelement beansprucht. Hierzu wird auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrats ein Einfassungsbereich einer noch zu bildenden Membran mittels der Erzeugung von Trenchgräben oder -löchern definiert. Diese Trenchgräben bzw. -löcher werden bevorzugt mittels eines anisotropen Ätzschritts erzeugt, so dass beispielsweise die lateralen Ausdehnungen gegenüber deren Tiefe gering sind. Unter wenigstens einem Teil der Trenchgräben bzw. -löchern wird anschließend mittels eines isotropen Ätzschritts ein Hohlraum erzeugt. Auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats bzw. der Wänden der Trenchgräben bzw. -löchern und des Hohlraums wird eine Ätzstoppschicht erzeugt, die für das weitere Verfahren relevant wird. Zur Bildung von Verbindungsstegen, an denen später wenigstens ein Teil des Einfassungsbereichs befestigt werden kann sowie zur Bildung von Kontaktierungsdurchlässen werden in der Ätzstoppschicht Öffnungen hineinstrukturiert, die bis auf das darunter liegende Halbleitermaterial des Substrats führen. Anschließend wird eine Mikrofonstruktur auf das Halbleitersubstrat bzw. die Ätzstoppschicht aufgebracht, die wenigstens eine Membranschicht aufweist. Zur Freilegung der relevanten Elemente der Mikrofonstruktur wird zunächst von der Rückseite des Halbleitersubstrats eine Kaverne bis zum Einfassungsbereich und der Ätzstoppschicht auf der Vorderseite in dem Substrat erzeugt. Abschließend wird der Teil der Ätzstoppschicht unterhalb der Mikrofonstruktur entfernt, der die Membran definiert. Weiterhin kann auch die Ätzstoppschicht entfernt werden, die an den Wänden des Hohlraums gebildet worden ist, wodurch sich bei einer entsprechenden Wahl der Dimensionen der Kaverne eine Unterätzung unter dem Einfassungsbereich ergibt. Optional kann auch vorgesehen sein, dass das Material der Ätzstoppschicht, das sich in den Trenchgräben angeordnet hat, ebenfalls entfernt wird.
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Vorteilhafterweise ist dabei die Membranschicht derart strukturiert, dass sie einen Membranbereich und einen Verankerungsbereich für den Einfassungsbereich aufweist. Indem im äußeren Bereich des Einfassungsbereich, d.h. lateral von der Kaverne entfernt, ein Trenchgraben bis in den Hohlraum hinein vorgesehen ist, der insbesondere kreisförmig um die Kaverne herum geführt ist, kann der Einfassungsbereich mechanisch und elektrisch von dem Halbleitersubstrat getrennt werden. Durch die Verankerungselemente zwischen Einfassungsbereich und Verankerungsbereich kann der Einfassungsbereich gehalten werden.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die 1 zeigt einen bekannten mikromechanischen Mikrofonaufbau. In der 2a ist ein Zwischenprodukt zur Herstellung des erfindungsgemäßen Mikrofonaufbaus dargestellt, wie er in 2b abgebildet ist. Ein entsprechendes Herstellungsverfahren für diesen erfindungsgemäßen Mikrofonaufbau ist in 3 anhand eines Flussdiagramms ausgeführt.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird vorgeschlagen, im Halbleitersubstrat eine Struktur zu erzeugen, die die Funktion der Einfassungsschicht übernimmt. Insbesondere wird vorgeschlagen, diese neue Struktur im Substrat derart zu designen und herzustellen, dass sie auch elektrisch von Substrat getrennt werden kann und beispielsweise auf Membranpotential gelegt werden kann.
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Es wird gemäß der 3 ein Herstellungsverfahren vorgeschlagen, bei dem zuerst in die Vorderseite eines (Halbleiter-)Substrats 200 geätzt wird (siehe zur Auswirkung die 2a und 2b). Dies erfolgt in einem mindestens zweistufigen Ätzverfahren oder in mindestens zwei getrennten Ätzschritten. Dabei wird zuerst in einem eher anisotropen Ätzschritt 300 ins (Halbleiter-)Substrat 200 geätzt. In einem zweiten, eher isotropen Ätzschritt 310 wird weiter derart ins Substrat 200 geätzt, dass in Teilbereichen die Ätzgräben der ersten Ätzung unterätzt werden, also ein Hohlraum 220 entsteht. Alternativ kann hier ein Ringbereich um die noch zu erzeugende Kaverne 260 erzeugt werden oder unabhängige Hohlräume. Die durch den Hohlraum 220 unterätzten Bereiche werden derart angeordnet, dass die neue Substrat-Struktur noch in mindestens einem Bereich 270 am Substrat 200 angebunden bleibt. In einer darauffolgenden Abscheidung 320 oder in einem Oxidationsverfahren wird im Substrat 200 und insbesondere auch in dem Hohlraum 220 eine Ätzstoppschicht 230 abgeschieden. Bevorzugt wird hierbei eine Oxidschicht abgeschieden. In einem günstigen Fall wird die Geometrie der ersten Ätzung in Substrat und die Abscheidung der Oxidschicht derart gewählt, dass die Gräben der ersten Ätzung ins Substrat teilweise oder ganz durch die Oxidabscheidung gefüllt werden.
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Dann kann eine Strukturierung 330 der Ätzstoppschicht 230 bzw. der Oxidschicht erfolgen, die es ermöglicht, mittels erster Öffnungen 250 das Substrat 200 und mittels zweiter Öffnungen 255 den Einfassungsbereich 280 elektrisch zu kontaktieren. Später kann über die verfüllten zweiten Öffnungen 255 die mechanische Aufhängung der Einfassungsbereiche 280 erfolgen. Die Verbindungselemente der verfüllten zweiten Öffnungen 255 können weiter auch bewusst einzelne Ätzgräben vollständig umschließen, um als Ätz-Stopp für die spätere Opferschichtätzung zu dienen. Damit kann erreicht werden, dass im weiteren Prozessablauf eine Oxidschicht 246 zwischen der Membranschicht 242 und der Gegenelektrodenschicht 244 stehen bleibt.
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Nun kann in einem weiteren Schritt 340 der normale Mikrofonaufbau 240 auf der Vorderseite des Substrats 200 ganz oder zum Teil hergestellt werden. Hierzu wird beispielsweise eine Membranschicht 242 auf die Ätzstoppschicht 230 aufgebracht und zumindest derart strukturiert, so dass ein Membranbereich und ein Verankerungsbereich entsteht. Anschließend wird eine Opferschicht 246 aufgebracht, auf der widerum oberhalb des Membranbereichs eine Gegenelektrode 244 erzeugt wird. Teile der Herstellungsschritte des Mikrofonaufbaus der Vorderseite können auch optional nach der Rückseitenbearbeitung ausgeführt werden.
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Dann kann das Substrat auf Zieldicke geschliffen werden und von der Rückseite aus wird im Schritt 350 eine Kaverne 260 in das Substrat geätzt. Die Ätzung stoppt dabei zum Teil auf der Ätzstoppschicht 230, die nach der zweiten Ätzung im Schritt 310 auf der Vorderseite abgeschieden wurde. Bevorzugt wird mit dieser Ätzung im Schritt 350 auch noch die zwischen Substrat 200 und der bestehende Verbindung 270 aus Substratmaterial getrennt.
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In einem letzten Schritt 360 kann nun mit der Opferschichtätzung die bewegliche Membran der Mikrofonstruktur freigestellt werden. Je nach Anordnung wird nun auch die Oxidverbindung zwischen Substrat 200 und Substratstruktur vollständig entfernt und die Substratstruktur ist nur noch indirekt über Verbindungselemente am Verankerungsbereich der Membranschicht 242 des Mikrofonaufbaus 240 mit dem Substrat 200 verbunden. Diese Art der Verankerung der Substratstruktur ist ein spezifisches Merkmal für dieses besonders vorteilhafte Herstellungsverfahren.
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Verwendet man Anstelle des Oxids als Ätzstopp- und Isolationsschicht und andere Materialien oder Materialkombinationen, die auch Oxid enthalten können, so kann erreicht werden, dass die Substratstruktur auch nach der Opferschichtätzung direkt mit dem Substrat verbunden bleibt. Ein derartiges Vorgehen bedeutet aber immer Zusatzaufwand und Zusatzkosten. Das Herstellungsverfahren weißt gerade den besonderen Vorteil auf, dass die Substratstruktur über den Herstellungsprozess jederzeit über unterschiedlichen Elementen mit dem Substrat verbunden bleibt ohne, dass dafür zusätzliche Maßnahmen oder Aufwände notwendig sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2460365 B1 [0002]
- DE 102015213716 A1 [0002]
- DE 102013207497 A1 [0004]
- DE 102012200957 A1 [0004]
