DE102017215381A1

DE102017215381A1 - Doppelmembran-MEMS-Bauelement und Herstellungsverfahren für ein Doppelmembran-MEMS-Bauelement

Info

Publication number: DE102017215381A1
Application number: DE102017215381.4A
Authority: DE
Inventors: Alfons Dehe; Gerhard Metzger-Brueckl; Johann Strasser; Juergen Wagner; Arnaud WALTHER
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2017-09-01
Filing date: 2017-09-01
Publication date: 2019-03-07
Anticipated expiration: 2037-09-02
Also published as: DE102017215381B4; US20190071305A1; KR20190025508A; CN109429158A; KR102511031B1; US10669151B2; US11161735B2; CN109429158B; US20200239302A1

Abstract

Herstellungsverfahren (100) für ein Doppelmembran-MEMS-Bauelement (200), mit folgenden Schritten: Bereitstellen (120) einer Schichtanordnung auf einem Trägersubstrat (222), wobei die Schichtanordnung (220) eine erste Membranstruktur (224), eine Opfermaterialschicht (226) angrenzend an die erste Membranstruktur (224) und eine Gegenelektrodenstruktur (228) in der Opfermaterialschicht (226) und beabstandet von der ersten Membranstruktur (224) aufweist, wobei in der Opfermaterialschicht (226) zumindest eine Durchgangsöffnung (230-n) bis zu der ersten Membranstruktur (224) und getrennt von der Gegenelektrodenstruktur (228) gebildet ist, Bilden (140) einer Füllmaterialstruktur (240) in der Durchgangsöffnung (230-n) durch Aufbringen einer ersten Füllmaterialschicht (242) an dem Wandbereich (230-A) der Durchgangsöffnung (230-n), um einen Innenvolumenbereich (244) in der Durchgangsöffnung (230-n) angrenzend an die erste Füllmaterialschicht zu erhalten, strukturiertes Aufbringen (160) einer zweiten Membranstruktur (250) auf der Schichtanordnung (220) mit dem Opfermaterial (226) und der Füllmaterialstruktur (240), um den Innenvolumenbereich (244) hermetisch abzuschließen, wobei die Gegenelektrodenstruktur (228) in einem mit dem Opfermaterial (226) gefüllten Zwischenbereich (238) zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur (224, 250) und jeweils von denselben beabstandet angeordnet ist, und Entfernen (180) des Opfermaterials (226) aus dem Zwischenbereich (238), um die Füllmaterialstruktur (240) in dem Zwischenbereich (238) freizulegen, um zumindest ein mechanisches Verbindungselement (240) zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur (224, 250) zu erhalten, das zwischen die erste und zweite Membranstruktur (224, 250) mechanisch gekoppelt und von der Gegenelektrodenstruktur (228) mechanisch entkoppelt ist.

Description

Technisches Gebiet
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Doppelmembran-MEMS-Bauelement und auf ein Herstellungsverfahren für ein Doppelmembran-MEMS-Bauelement, wie z. B. einen MEMS-Druckwandler, einen akustischen MEMS-Sensor oder einen MEMS-Schallwandler in Form von MEMS-Mikrofonen oder MEMS-Lautsprechern. Ausführungsbeispiele beziehen sich insbesondere auf akustische MEMS-Sensoren in Form von Doppelmembran-MEMS-Mikrofonen mit dielektrischen, säulenförmigen, mechanischen Verbindungselementen zwischen den beiden beabstandeten Membranstrukturen.
Hintergrund
Akustische MEMS-Sensoren, wie z. B. MEMS-Mikrofone, sind funktionsbedingt gegenüber der Umgebungsatmosphäre freiliegend und somit häufig auch Verunreinigungen, wie z.B. Partikel, Flüssigkeiten, Feuchtigkeit, etc. ausgesetzt. Damit diese Verunreinigungen zu keiner Fehlfunktion oder zu einer verringerten Leistungsfähigkeit der akustischen MEMS-Sensoren führen, werden diese akustischen MEMS-Sensoren innerhalb der Anwendung, z. B. innerhalb eines mobilen Geräts, durch aufwändige Gitter und spezielle Ports geschützt. Durch die mechanischen Schutzelemente sowie den spezifischen Aufbau der akustischen MEMS-Sensoren soll aber das akustische Verhalten der Sensoren nicht beeinträchtigt werden, d. h. es soll ein möglichst hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR = Signal to Noise Ratio) des Sensorausgangssignals erhalten bleiben.
Zusammenfassung
Es besteht daher ein Bedarf nach einem Konzept für MEMS-Bauelemente, wie z. B. akustische MEMS-Sensoren, und für ein entsprechendes Herstellungsverfahren, mit dem ein akustischer MEMS-Sensor mit einem möglichst gutem akustischen Verhalten als auch gleichzeitig mit einem effektiven Partikelschutz, d. h. einem mechanischem Schutz des Spalts zwischen beweglicher Membran und Rückplatte, erhalten werden kann.
Ein solcher Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Patentansprüche erfüllt werden. Weiterbildungen des vorliegenden Konzepts sind in den Unteransprüchen definiert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Herstellungsverfahren 100 für ein Doppelmembran-MEMS-Bauelement 200 folgenden Schritten: Bereitstellen 120 einer Schichtanordnung 220 auf einem Trägersubstrat 222, wobei die Schichtanordnung 220 eine erste Membranstruktur 224, eine Opfermaterialschicht 226 angrenzend an die erste Membranstruktur 224 und eine Gegenelektrodenstruktur 228 in der Opfermaterialschicht 226 und beabstandet von der ersten Membranstruktur 224 aufweist, wobei in der Opfermaterialschicht 226 zumindest eine Durchgangsöffnung 230-1, ..., 230-n bis zu der ersten Membranstruktur 224 und getrennt von der Gegenelektrodenstruktur 228 gebildet ist; Bilden 140 einer Füllmaterialstruktur 240 in der Durchgangsöffnung 230-n durch Aufbringen einer ersten Füllmaterialschicht 242 an dem Wandbereich 230-A der Durchgangsöffnung 230-n, um einen Innenvolumenbereich 244 in der Durchgangsöffnung 230-n angrenzend an die erste Füllmaterialschicht zu erhalten; strukturiertes Aufbringen 160 einer zweiten Membranstruktur 250 auf der Schichtanordnung 220 mit dem Opfermaterial 226 und der Füllmaterialstruktur 240, um den Innenvolumenbereich 244 hermetisch abzuschließen, wobei die Gegenelektrodenstruktur 228 in einem mit dem Opfermaterial 226 gefüllten Zwischenbereich 238 zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur 224, 250 und jeweils von denselben beabstandet angeordnet ist; und Entfernen 180 des Opfermaterials 226 aus dem Zwischenbereich 238, um die Füllmaterialstruktur 240 in dem Zwischenbereich 238 freizulegen, um zumindest ein mechanisches Verbindungselement 240 zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur 224, 250 zu erhalten, das zwischen die erste und zweite Membranstruktur 224, 250 mechanisch gekoppelt und von der Gegenelektrodenstruktur 228 mechanisch entkoppelt ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ein zweites Füllmaterials 246 in den Innenvolumenbereich 244 eingebracht werden, um die Füllmaterialstruktur 240 zu erhalten, wobei das zweite Füllmaterial 246 unterschiedlich zu dem ersten Füllmaterial ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Schichtfolge aus mehreren Füllmaterialschichten in den Innenvolumenbereich 244 eingebracht werden, um die Füllmaterialstruktur 240 zu erhalten, wobei zumindest eine weitere Füllmaterialschicht ein zu der ersten Füllmaterialschicht 242 unterschiedliches zweites Füllmaterial aufweist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Material der ersten Füllmaterialschicht 242 ein höheres Elastizitätsmodul als das Material der zweiten Füllmaterialschicht 246 auf.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die erste Füllmaterialschicht 242 ein Nitrid-Material auf, und wobei die zweite Füllmaterialschicht 246 ein Oxid-Material aufweist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Füllmaterialstruktur 240 zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur 224, 250 kegelstumpfförmig, zylinderförmig oder trichterförmig ausgebildet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der Schritt 180 des Entfernens des Opfermaterials 226 mittels eines isotropen Ätzvorgangs mit einem flüssigen oder gasförmigen Ätz- bzw. Reaktionsmittel durchgeführt, wobei das Ätzmittel eine Ätzrate hat, die für das Opfermaterial 226 zumindest um einen Faktor 10 höher ist als für das erste Füllmaterial.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der Schritt 180 des Entfernens des Opfermaterials 226 mittels eines Reaktionsmittels, das mit dem Opferschicht gasförmige Produkte bildet, wobei das Reaktionsmittel eine Reaktionsrate hat, die für das Opfermaterial 226 zumindest um einen Faktor 10 höher ist als für das erste Füllmaterial.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden vor dem Schritt 120 des Bereitstellens der Schichtanordnung 220 folgende Schritte zum Bilden der Schichtanordnung 220 durchgeführt: Bilden der ersten Membranstruktur 224 in Form einer ersten Membranschicht oder eines ersten Membranschichtstapels auf dem Trägersubstrat 222, Aufbringen von Opfermaterial 226 auf der ersten Membranstruktur 224, Bilden der Gegenelektrodenstruktur 228 in Form einer Gegenelektrodenschicht oder eines Gegenelektrodenschichtstapels auf dem aufgebrachten Opfermaterial 226, Aufbringen von Opfermaterial 226 auf die Gegenelektrodenstruktur 228, und Einbringen der zumindest einen Durchgangsöffnung 230-n in das Opfermaterial 226 bis zu der ersten Membranstruktur 224 und getrennt von der Gegenelektrodenstruktur 228.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird bei dem Schritt des Einbringens eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen in das Opfermaterial 226 bis zu der ersten Membranstruktur eingebracht, wobei die Füllmaterialstruktur 240 in der Mehrzahl von Durchgangsöffnungen 230-n gebildet wird, und wobei bei dem Schritt des Entfernens des Opfermaterials 226 die Füllmaterialstruktur 240 in der Mehrzahl von Durchgangsöffnungen 230-n freigelegt wird, um eine Mehrzahl von mechanischen Verbindungselementen zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur 224, 250 zu erhalten, die zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur 224, 250 mechanisch gekoppelt und von der Gegenelektrodenstruktur 228 mechanisch entkoppelt sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ferner die ersten Membranstruktur 224 im Bereich 224-a der zumindest einen Durchgangsöffnung 230-n angeätzt, um eine Vertiefung in dem Material der Membranstruktur 224 in dem Bereich der zumindest einen Durchgangsöffnung 230-n zu erhalten, wobei der Schritt des Anätzens der Membranstruktur während des Einbringens oder nachfolgend zu dem Einbringen der zumindest einen Durchgangsöffnung in das Opfermaterial 226 bis zu der ersten Membranstruktur 224 und vor dem Bilden der Füllmaterialstruktur 240 ausgeführt wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ferner die erste und zweite Membranstruktur unter atmosphärischem Unterdruck oder Vakuum hermetisch verschlossen, um in dem Zwischenbereich zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur des Doppelmembran-MEMS-Bauelements einen atmosphärischen Unterdruck oder Vakuum zu erzeugen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Doppelmembran-MEMS-Bauelement 200 eine Schichtanordnung 220 auf einem Trägersubstrat 222, wobei die Schichtanordnung 220 eine erste und zweite voneinander beabstandete Membranstruktur 224, 250 und eine dazwischen angeordnete Gegenelektrodenstruktur 228 aufweist, die jeweils von der ersten und zweiten Membranstruktur 224, 250 beabstandet ist, und zumindest ein mechanisches Verbindungselement 240 zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur 224, 250, das zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur 224, 250 mechanisch gekoppelt und von der Gegenelektrodenstruktur 228 mechanisch entkoppelt ist, wobei das zumindest eine mechanische Verbindungselement 240 eine Materialstruktur 240 mit einer ersten Füllmaterialschicht 242 als Wandbereich des mechanischen Verbindungselements 240 aufweist, wobei durch die als Wandbereich ausgebildete Füllmaterialschicht 242 ein Innenvolumenbereich 244 in dem mechanischen Verbindungselement 240 gebildet ist, und wobei ein Medium 246 in dem Innenvolumenbereich 244 des mechanischen Verbindungselements 240 angeordnet ist, wobei das Medium 246 ein niedrigeres Elastizitätsmodul als das Material der den Wandbereich bildenden ersten Füllmaterialschicht 242 hat.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das mechanische Verbindungselement 240 als ein Hohlkörper oder Leerrohr ausgebildet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein zweites Füllmaterial 246 in dem Innenvolumenbereich 244 angeordnet, wobei das zweite Füllmaterial 246 unterschiedlich zu dem Material der ersten Füllmaterialschicht 242 ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Füllmaterialstruktur 240 eine Schichtfolge aus mehreren Füllmaterialschichten in dem Innenvolumenbereich 244 auf, wobei zumindest eine weitere Füllmaterialschicht 246 ein zu dem Material der ersten Füllmaterialschicht unterschiedliches Füllmaterial aufweist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Material der ersten Füllmaterialschicht ein höheres Elastizitätsmodul als das Material der weiteren Füllmaterialschicht auf.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die erste Füllmaterialschicht 242 ein Nitrid-Material auf, und wobei die zweite Füllmaterialschicht ein Oxid-Material aufweist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Füllmaterialstruktur 240 zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur 224, 250 kegelstumpfförmig, zylinderförmig, oder trichterförmig ausgebildet.
Akustische MEMS-Sensoren, wie z. B. MEMS-Mikrofone werden üblicherweise als eine Abfolge von Schichten mit einem Silizium-Material, Siliziumnitridmaterial und Siliziumoxidmaterial aufgebaut. Das Silizium-Material kann z. B. als polykristallines Silizium (Poly-Silizium) oder als monokristallines Silizium vorliegen. Die genannten Materialien sind lediglich beispielhaft anzunehmen, wobei auch andere Halbleitermaterialien wie das beschriebene Silizium-Material und andere Isolationsmaterialien wie das beschriebene Nitridmaterial und Oxidmaterial eingesetzt werden können, soweit die entsprechenden Materialeigenschaften erhalten werden können. Zur Vereinfachung der nachfolgenden Beschreibung wird beispielhaft aber auf Silizium als Halbleitermaterial und auf Nitrid und Oxid als Isolationsmaterialien Bezug genommen. Als Material für die Opferschicht beispielsweise auch Kohlenstoff z.B. in Form von amorphen Kohlenstoff verwendbar.
So wird Siliziumoxid häufig als Material für die Opferschicht innerhalb eines definierten Zwischenbereichs verwendet und am Ende des Herstellungsprozesses des MEMS-Mikrofons aus diesem Zwischenbereich herausgelöst bzw. herausgeätzt. Für MEMS-Mikrofone mit zwei Membranstrukturen, z.B. Siliziummembranstrukturen, können die zwei Membranstrukturen mittels mechanischer Verbindungselemente, die auch als Säulen bzw. Verbindungssäulen bezeichnet werden, mechanisch miteinander gekoppelt werden.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Konzept kann nun erreicht werden, dass die mechanischen Verbindungselemente bzw. Verbindungssäulen nicht nur widerstandsfähig gegenüber dem Ätzmittel, z. B. HF = Flusssäure, und ferner elektrisch isolierend sind, sondern darüber hinaus auch relativ flexibel, d.h. mit einem niedrigen Elastizitätsmodul (young modulus, ausgebildet werden können. Dadurch kann einerseits ein äußerst gutes akustisches Verhalten des MEMS-Mikrofons mit einem hohen Signal-zu-Rausch-Verhältnis erreicht werden, wobei ferner die erforderlichen Prozessschritte zur Implementierung der speziell ausgebildeten mechanischen Verbindungselemente bzw. Verbindungssäulen äußerst einfach im bisherige Prozessabläufe für MEMS-Bauelemente integriert werden können, so dass der erforderliche Zusatzaufwand in dem Herstellungsprozess für entsprechende MEMS-Bauelemente sehr gering gehalten werden kann.
Durch das Ausbilden der mechanischen Verbindungselemente zwischen den beiden Membranstrukturen zur mechanischen Kopplung derselben kann sowohl ein äußerst gutes akustisches Verhalten des MEMS-Bauelements mit einem daraus resultierenden, sehr guten elektrischen Signalverhalten als auch ein äußerst guter mechanischer Schutz für den Zwischenbereich zwischen den beiden Membranstrukturen mit der dazwischen liegenden Gegenelektrodenstruktur (Statorstruktur) des MEMS-Bauelements erhalten werden. Das resultierende elektrischen Signalverhalten kann ein gegenüber bisherigen Ansätzen verbessertes THD-Verhalten (THD = Total Harmonic Distortion = Gesamte harmonische Verzerrung) als auch ein verbessertes Rauschverhalten (SNR) aufweisen.
Die mechanischen, z. B. säulenförmigen Verbindungselemente können beispielsweise nicht-leitend ausgebildet sein, um die beiden Membranstrukturen als unterschiedliche Elektroden in einem differenziellen Betrieb auslesen zu können. Ferner kann die Anzahl und Größe der säulenförmigen Verbindungselemente basierend auf dem vorliegenden Konzept äußerst einfach an die jeweiligen Produktanforderungen angepasst werden und somit äußerst einfach in bisherige Prozessabläufe integriert werden.
Ferner kann die resultierende Flexibilität der mechanischen Verbindungselemente relativ exakt eingestellt bzw. angepasst werden. Da das akustische Verhalten eines MEMS-Mikrofons sehr stark von der Flexibilität und Nachgiebigkeit der Membranstrukturen abhängt, kann das resultierende elektrische Signalverhalten eines entsprechend aufgebauten MEMS-Mikrofons äußerst exakt an gewünschte Sollparameter angepasst werden, indem die resultierende Flexibilität der Doppelmembran-Struktur des MEMS-Mikrofons mittels der flexiblen Verbindungselemente exakt eingestellt wird.
Dazu wird gemäß dem vorliegenden Konzept die mechanische Verbindungsstruktur, d. h. die mechanischen Verbindungselemente eine Schichtfolge mit mehr als einem Material aufweisen, wobei das Schichtmaterial der äußeren Schicht widerstandsfähig gegenüber dem Ätzmittel, z. B. HF, ist, während das innere Material flexibel ausgebildet ist. Somit ist das innere Material oder Medium aufgrund der Schutzhülle mit dem äußeren Schichtmaterial gegenüber Umgebungseinflüssen geschützt.
So kann gemäß einem Ausführungsbeispiel die resultierende Flexibilität des säulenförmigen Verbindungselements durch eine Kombination der Materialeigenschaften des Beschichtungsmaterials und des Füllmaterials innerhalb der Schutz- bzw. Mantelschicht eingestellt werden.
Da das Beschichtungsmaterial, d.h. das einen Wandbereich bildende äußere Schichtmaterial, relativ dünn ausgebildet werden kann und trotzdem die Schutzfunktion gegenüber der Umgebung, z. B. dem Ätzmittel, erfüllen kann, kann bei einem Ausführungsbeispiel die resultierende Flexibilität des säulenförmigen Verbindungselements im Wesentlichen durch die Materialeigenschaften des Füllmaterials innerhalb der Schutzschicht bzw. der Mantelschicht vorgegeben werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann beispielsweise der Innenvolumenbereich, der durch den mit der ersten, äußeren Materialschicht ausgebildeten Wandbereich definiert ist, mit der bei dem Verschließen des Innenvolumenbereichs vorhandenen Umgebungsatmosphäre gefüllt sein, so dass die säulenförmigen, mechanischen Verbindungselemente auch als „Hohlkörper“ bzw. Leerhülsen ausgebildet sein können, wobei dann die Dicke und Materialeigenschaften der äußeren Materialschicht die resultierende Flexibilität des säulenförmigen mechanischen Verbindungselements vorgibt.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren werden nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1a-d eine schematische Darstellung eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung eines Doppelmembran-MEMS-Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2a-c beispielhafte Verfahrensschritte zur Ausbildung einer Füllmaterialstruktur für mechanische Verbindungselemente des Doppelmembran-MEMS-Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
3a-e eine beispielhafte, schematische Darstellung eines Doppelmembran-MEMS-Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel und beispielhafte schematische Detaildarstellungen der Füllmaterialstruktur eines flexiblen, säulenförmigen, mechanischen Verbindungselements des Doppelmembran-MEMS-Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Detaillierte Beschreibung
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele des vorliegenden Konzepts im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte, Funktionsblöcke und/oder Verfahrensschritte in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente, Objekte, Funktionsblöcke und/oder Verfahrensschritte mit gleichen Bezugszeichen untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
Im Folgenden wird nun in 1a-d anhand von schematischen Darstellungen beispielhaft der prinzipielle Ablauf des Verfahrens 100 zur Herstellung eines Doppelmembran-MEMS-Bauelements 200 (vgl. 3a) mit flexiblen mechanischen Verbindungselementen, wie z. B. Verbindungssäulen, dargestellt. Zur Vereinfachung der Beschreibung der geometrischen Zusammenhänge ist ferner in 1a beispielhaft ein x-y-z-Koordinatensystem dargestellt, wobei die x-y-Ebene die Zeichenebene von 1a-d darstellt.
Bei dem Herstellungsverfahren 100 für ein Doppelmembran-MEMS-Bauelement 200 wird bei einem Schritt 120 zunächst eine Schichtanordnung 220 auf einem Trägersubstrat 222, z. B. einem Halbleiter- oder Siliziumsubstrat, bereitgestellt. Die Schichtanordnung 220 weist eine erste Membranstruktur 224, eine Opfermaterialschicht 226 angrenzend an die erste Membranstruktur 224 und eine Gegenelektrodenstruktur 228, die auch als auch Statorelektrode oder Rückplatte bezeichnet wird, in der Opfermaterialschicht 226 auf. Die Gegenelektrodenstruktur 228 ist beabstandet von der ersten Membranstruktur 224 und eingebettet in der Opfermaterialschicht 226 angeordnet. In der Opfermaterialschicht 226 ist zumindest eine Durchgangsöffnung 230-1 angeordnet, die sich beispielsweise von dem ersten, d. h. freiliegenden Hauptoberflächenbereich 226-1 der Opfermaterialschicht 226 bzw. der Schichtanordnung 220 durch die Opfermaterialschicht 226 hindurch bis zu der ersten Membranstruktur 224 erstreckt und getrennt von der Gegenelektrodenstruktur 228, d. h. ohne etwaige Berührungsbereiche mit der Gegenelektrodenstruktur 228, gebildet ist.
Die Durchgangsöffnung 230, die sich bis zu der ersten Membranstruktur 224 erstreckt, weist somit eine Oberfläche auf, die durch die Seitenwand 230-A und den freiliegenden Abschnitt 224-A der ersten Membranstruktur 224 vorgegeben bzw. begrenzt ist.
Wie in 1a dargestellt ist, sind neben der Durchgangsöffnung 230-1 eine Mehrzahl von weiteren Durchgangsöffnungen 230-2, .... 230-n dargestellt, die optional in der Schichtanordnung 220 vorgesehen sind. In der nachfolgenden Beschreibung wird auf eine Durchgangsöffnung 230-1 Bezug genommen, wobei die Ausführungen gleichermaßen auf weitere, optionale Durchgangsöffnungen 230-2 ...., 230-n anwendbar sind.
Die in 1a dargestellte Durchgangsöffnung 230-1 kann beispielsweise ein zylinderförmiges Profil (in y-Richtung) aufweisen, wobei aber die Durchgangsöffnung 230-1 auch ein kegelstumpfförmiges Profil oder ein trichterförmiges Profil, d. h. abschnittsweise kegelstumpfförmig und übergehend in eine zylinderförmige Kontur, aufweisen kann. Die Durchgangsöffnung 230-1 kann ferner neben einem kreisförmigen Querschnitt (bezüglich der x-z-Ebene) auch einen elliptischen, ovalen oder auch rechteckigen Querschnitt aufweisen. Ferner kann die Durchgangsöffnung 230-1 auch zumindest abschnittsweise konkave oder konvexe Außenkonturabschnitte (bezüglich der x-z-Ebene) aufweisen, die beispielsweise auf einzelnen Herstellungsprozesse, wie z. B. Ätzprozesse, zum Bilden der Durchgangsöffnungen 230-n in der Opfermaterialschicht 226 zurückzuführen sind.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann beispielsweise die Durchgangsöffnung 230-1 säulenförmig ausgebildet sein, während die weitere, optionale Durchgangsöffnung 230-2 umlaufend, beispielsweise mit einem ringförmigen Querschnitt (in der x-z-Ebene) ausgebildet sein kann. Wie dies nachfolgend noch beschrieben wird, kann innerhalb der ringförmigen Kontur der Durchgansöffnung 230-2 eine sogenannte „Ventilations- bzw. Ausgleichsöffnung“ in der Doppelmembran-Struktur des MEMS-Bauelements 200 definiert und gebildet werden. Die weiteren, optionalen Durchgangsöffnungen 230-n können wiederum säulenförmig ausgebildet sein.
Im Folgenden wird auf weitere optionale Elemente der Schichtanordnung 220 eingegangen, die in der 1a beispielhaft angegeben sind.
Wie in 1a dargestellt ist, kann beispielsweise die erste Membranstruktur 224 eine sogenannte „Segmentierung“ 232 aufweisen, wobei als Segmentierung eine Unterteilung bzw. Abgrenzung zweier Bereiche der Membranstruktur mittels einer isolierenden Schichtanordnung bezeichnet wird. Mittels einer der in der Membranstruktur z. B. umlaufenden angeordneten Segmentierung kann eine elektrische Trennung der Membranstruktur eines MEMS-Mikrofons erfolgen, wobei in einem ersten Bereich der auslenkbare Bereich der Membran angeordnet ist, und sich der zweite Bereich beispielsweise in der am Rand befindlichen Haltestruktur befindet. Mit der Segmentierung der Membranstrukturen können parasitäre Effekte, wie z. B. parasitäre Kapazitäten, deutlich verringert werden. Die in 1a dargestellte Segmentierung 232 ist aber nur als optional anzusehen.
In 1a sind ferner optionale Erhöhungen 234 dargestellt, die als Korrugationen oder Anti-Anhaftelemente ausgebildet sein können. Korrugationen können zum Stressausgleich in der jeweiligen Schicht vorgesehen werden, während Anti-Anhaftelemente bzw. Erhöhungen, die auch als „Anti-Sticking Bumps“ bezeichnet werden, vorgesehen sein können, um im Betrieb des fertig hergestellten MEMS-Mikrofons ein „großflächiges“ Anhaften bzw. Berühren von zueinander auslenkbaren Schichtstrukturen, wie z. B. einer auslenkbaren Membranstruktur zur Gegenelektrodenstruktur, zu verhindern. Diese Anti-Anhaftstrukturen 234 können auch beim Freiräumen bzw. Freiätzen der Opfermaterialschicht vorteilhaft sein, um ein gegenseitiges Anhaften benachbarter Schichtstrukturen zu verhindern.
Die in 1a ferner optional dargestellten Vertiefungen 236 können im vorliegenden Prozessablauf in der vorliegenden Prozessstufe in dem ersten Hauptoberflächenbereich 226-1 der Opfermaterialschicht 226 vorgesehen sein, um nachfolgend bei weiteren Prozessschritten entsprechende Korrugationselemente und/oder Anti-Anhaftelemente in der in der späteren Prozessfolge anzuordnenden zweiten Membranstruktur (nicht gezeigt in 1a) zu erzeugen, wobei diese Korrugationselemente bzw. Anti-Anhaftelemente die bereits im Vorhergeneden beschriebene Funktion der Elemente 234 aufweisen können.
Gemäß Ausführungsbeispielen können ferner weitere Schichten (nicht gezeigt in 1a-d) als Zwischenschichten, Isolationsschichten, Isolationsschichten mit eingebetteten Leiterbahnen und/oder auch Passivierungsschichten vorgesehen sein. Als ein Ätzmittelresistentes Material kann für die weiteren Schichten beispielsweise ein Nitrid-Material verwendet werden. Weitere Zwischenschichten können beispielsweise zur Verankerung der Membranstrukturen und Gegenelektrodenstruktur am Randbereich (nicht gezeigt in 1a) vorgesehen sein, während in Isolationsschichten eingebettete Leiterbahnen zur Kontaktierung der Membranstrukturen und Gegenelektrodenstruktur vorgesehen sein können.
Bei einem Schritt 140 kann nun eine Füllmaterialstruktur 240 in der säulenförmigen Durchgangsöffnung 230-1 bzw. in den weiteren optionalen Durchgangsöffnungen 230-2, 230-n gebildet werden, indem eine Materialschicht 242 mit einem ersten Füllmaterial an dem seitlichen Wandbereich 230-A der Durchgangsöffnungen 230-1 bzw. der weiteren optionalen Durchgangsöffnungen 230-2, 230-n und auf dem freigelegten Oberflächenbereich 224-A der ersten Membranstruktur 224 angeordnet wird, um einen Innenvolumenbereich 244 in der Durchgangsöffnung 230-1 angrenzend an das erste Füllmaterial 242 zu erhalten.
Wie in 1b dargestellt ist, ist die Materialschicht 242 der Füllmaterialstruktur 240 um eine Abstand Δy etwas versetzt zu dem Hauptoberflächenbereich 226-1 der Opfermaterialschicht 226 ausgebildet, wobei dies nur als beispielhaft anzunehmen ist, und basierend auf den nachfolgenden Ausführungsbeispielen anhand von 2a-b noch detailliert erläutert wird.
Wie in 1b dargestellt ist, kann gemäß einem Ausführungsbeispiel die Füllmaterialstruktur 240 als ein Hohlkörper oder Leerrohr ausgebildet sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann auch ein zweites Füllmaterial 246 in den Innenvolumenbereich 244 eingebracht werden, um die Füllmaterialstruktur 240 zu erhalten, wobei das zweite Füllmaterial 246 unterschiedlich zu dem ersten Füllmaterial 242 ist.
So kann gemäß einem Ausführungsbeispiel die resultierende Flexibilität des säulenförmigen Verbindungselements durch eine Kombination der Materialeigenschaften des Beschichtungsmaterials und der Materialeigenschaften des Füllmaterials bzw. Füllmediums innerhalb der Schutz- bzw. Mantelschicht eingestellt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ferner auch eine Schichtfolge aus mehreren Füllmaterialschichten in den Innenvolumenbereich 244 eingebracht werden (nicht gezeigt in 1b), um die Füllmaterialstruktur 240 zu erhalten. Dabei weist zumindest eine der weiteren Füllmaterialschichten ein zu dem ersten Füllmaterial 242 unterschiedliche zweites Füllmaterial auf.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das erste Füllmaterial ein höheres Elastizitätsmodul als das zweite Füllmaterial 246 auf. So kann beispielsweise das erste Füllmaterial 242 ein Nitrid-Material, z. B. Siliziumnitrid, aufweisen, wobei das zweite Füllmaterial 246 z. B. ein Oxid-Material, z. B. Siliziumoxid, aufweisen kann.
Entsprechend der Ausgestaltung der Durchgangsöffnung 230-n durch das Opfermaterial 226 kann die resultierende Füllmaterialstruktur 240 zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur 224, 250 säulenförmig, z. B. konvex, zylinderförmig oder zumindest abschnittsweise kegelförmig und zylinderförmig, d. h. trichterförmig, ausgebildet sein.
In 1c und den nachfolgenden Figuren wurden die Bezugszeichen für die im vorhergehenden beschriebenen, optionalen Elemente nicht nochmals eingezeichnet, um die Darstellungen übersichtlicher zu machen.
Wie in 1c beispielhaft dargestellt ist, wird nun bei einem Schritt 160 eine zweite Membranstruktur 250 auf die Schichtanordnung 220, d. h. auf den ersten Hauptoberflächenbereich 226-1 der Opferschicht 226 und ferner der Füllmaterialstruktur 240 aufgebracht bzw. abgeschieden, um den Innenvolumenbereich 244 der Füllmaterialstruktur 240 hermetisch gegenüber der Umgebung abzuschließen. Wie in 1c ferner dargestellt ist, kann sich das Material der abgeschiedenen zweiten Membranstruktur 250 in die Durchgangsöffnung(en) 230-1 (... 230-n) erstrecken und bündig bzw. formschlüssig mit der Materialschicht 242 der Füllmaterialstruktur 240 abschließen, um die hermetische „Versiegelung“ des Innenvolumenbereichs 244 zu erhalten.
Wie in 1c ferner beispielhaft dargestellt ist, kann auf der zweiten Membranstruktur 250 eine weitere, optionale Schicht 252, z.B. eine Isolations- oder Schutzschicht, vorgesehen sein. Ferner sind in 1c Zugangsöffnungen 254 dargestellt, die bei einem nachfolgen Ätzschritt als Zugangsöffnungen für das Ätzmittel zu dem Opfermaterial 226 in dem Zwischenbereich 238 vorgesehen sein können.
Wie in 1c ferner beispielhaft dargestellt ist, ist die Gegenelektrodenstruktur 228 somit in dem mit dem Opfermaterial 226 gefüllten Zwischenbereich 238 zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur 224, 250 angeordnet, wobei die Gegenelektrodenstruktur 228 beispielsweise gleich beabstandet (mittig) zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur 224, 250 und ferner lateral beabstandet zu der Füllmaterialstruktur 240 angeordnet ist.
Wie in 1d dargestellt ist, wird nun bei einem nachfolgenden Schritt 180 das Opfermaterial 226 aus dem Zwischenbereich 238 entfernt, um die Füllmaterialstruktur(en) 240 zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur 224, 250 in dem Zwischenbereich 238 freizulegen, um zumindest ein mechanisches Verbindungselement 240 zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur 224, 250 zu erhalten, wobei das mechanische Verbindungselement 240 zwischen die erste und zweite Membranstruktur 224, 250 mechanisch gekoppelt, d. h. mit dem ersten und zweiten Membranelement 224, 250 mechanisch verbunden ist, und von der Gegenelektrodenstruktur 228 mechanisch entkoppelt ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel können ferner weitere Schichten (nicht gezeigt in 1a-d) als Zwischenschichten, Isolationsschichten, Isolationsschichten mit eingebetteten Leiterbahnen und/oder auch Passivierungsschichten (Schutzschichten) vorgesehen sein. Als ein ätzmittelresistentes Material kann für weitere Schichten beispielsweise ein Nitrid-Material verwendet werden. Weitere Zwischenschichten können beispielsweise zur Verankerung der Membranstruktur und Gegenelektrodenstruktur vorgesehen sein, während in Isolationsschichten eingebettete Leiterbahnen zur elektronischen Kontaktierung der ersten und zweiten Membranstruktur und der Gegenelektrodenstruktur vorgesehen sein können. Eine Passivierungsschicht kann als Schutzschicht vorgesehen sein, wobei ferner beispielsweise leitfähige Kontaktelemente vorgesehen sein können, um elektrische Kontaktierungsbereiche für die Membranstrukturen bzw. die Gegenelektrodenstruktur bereitzustellen. Die mechanische Verankerung der Membranstruktur und der Gegenelektrodenstruktur mit dem Trägersubstrat erfolgt beispielsweise in einem Randbereich (nicht gezeigt in 1a-d) der Schichtanordnung 220.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann die Opferschicht 226 ein Oxid-Material, wie z. B. Siliziumoxid aufweisen. Ein beispielhafte Ätzmittel kann dann für einen Ätzvorgang vHF (vHF = Vapor HF) sein. Gemäß Ausführungsbeispielen kann die erste und zweite Membranstruktur und die Gegenelektrodenstruktur ein Halbleitermaterial, wie z. B. polykristallines oder monokristallines Silizium oder auch Siliziumgermanium SiGe, aufweisen. Beispielhafte Ätzmittel können für einen Nassätzvorgang XeF₂, HCL, HNO₃+HF, KOH, EDP oder TMAH aufweisen.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann die Opferschicht 226 beispielsweise auch Kohlenstoff, z.B. in Form von amorphen Kohlenstoff, aufweisen. Ein beispielhafte Ätzmittel kann dann für einen Veraschungsvorgang Sauerstoff z.B., als O₂-Plasma sein.
Hinsichtlich des Schritts des Entfernens 180 des Opfermaterials, d. h. des Freiätzens der beweglichen Abschnitte der ersten und zweiten Membranstruktur 224, 250, wird darauf hingewiesen, dass Bereiche des Opfermaterials 226 in einem Randbereich der Schichtanordnung 220 erhalten bleiben können und beispielsweise als mechanische Lager- bzw. Auflagestruktur für die erste und zweite Membranstruktur und die dazwischen liegende Gegenelektrodenstruktur wirksam sein kann.
Der Schritt 180 des Entfernens des Opfermaterials 226 in dem Zwischenbereich 238 kann beispielsweise mittels eines isotropen Nass- oder auch Trockenätzvorgangs mit einem Ätzmittel durchgeführt werden, wobei das Ätzmittel eine Ätzrate hat, die für das Opfermaterial 226 zumindest um einen Faktor 5, 10 oder 20 höher ist als für das erste Füllmaterial 242, das dem Ätzmaterial ausgesetzt ist.
Im Folgenden werden nun Ausführungsbeispiele der Herstellungsschritte des Herstellungsverfahrens 100 für das Doppelmembran-MEMS-Bauelement 200 beschrieben, um die bei dem Schritt des Bereitstellens 120 vorliegende Schichtanordnung 220 zu erhalten. Die nachfolgend dargestellten, prinzipiellen Verfahrensschritte können gemäß einem Ausführungsbeispiel beispielsweise vor dem Schritt des Bereitstellens 120 der Schichtanordnung 200 durchgeführt werden.
So kann zunächst die erste Membranstruktur 224 in Form einer ersten Membranschicht oder eines ersten Membranschichtstapels auf dem Trägersubstrat 222, z. B. einem Halbleitersubstrat, oder einer darauf angeordneten Isolationsschicht, z. B. aus dem Opfermaterial, gebildet bzw. aufgebracht werden. Der Schritt des Bildens der ersten Membranstruktur 224 kann beispielsweise mittels eines Abscheidevorgangs durchgeführt werden. Nachfolgend kann Opfermaterial 226 auf die erste Membranstruktur 224 aufgebracht werden. Anschließend kann die Gegenelektrodenstruktur 228 in Form einer Gegenelektrodenschicht oder eines Gegenelektrodenschichtstapels auf dem aufgebrachten Opfermaterial 226 strukturiert aufgebracht bzw. abgeschieden werden. Nachfolgend kann weiteres Opfermaterial 226 auf die Gegenelektrodenstruktur 228 aufgebracht werden. Anschließend wird die zumindest eine Durchgangsöffnung 230-n in das Opfermaterial 226 bis zu der ersten Membranstruktur 224 und getrennt von der Gegenelektrodenstruktur 280 eingebracht. Der Schritt des Einbringens der zumindest einen säulenförmigen Durchgangsöffnung 230-n in das Opfermaterial 226 kann beispielsweise mit einem anisotropen Ätzvorgang durchgeführt werden, wobei die erste Membranstruktur 224 beispielsweise als Ätzstoppschicht für diesen Ätzvorgang wirksam ist. Während des Einbringens oder nachfolgend zu dem Einbringen der zumindest einen Durchgangsöffnung in das Opfermaterial 226 bis zur Membranstruktur und vor dem Bilden der Füllmaterialstruktur kann ferner ein Anätzen des in der Durchgangsöffnung freiliegenden Bereichs der ersten Membranstruktur, d. h. im Bereich der zumindest einen Durchgangsöffnung, erfolgen, um eine Vertiefung in dem Material der Membranstruktur 224 in dem Bereich der zumindest einen Durchgangsöffnung zu erhalten. Dieses Anätzen der ersten Membranstruktur kann bei dem nachfolgenden Einbringen der Füllmaterialstruktur 240 in die zumindest eine säulenförmige Durchgangsöffnung dahin gehend wirksam sein, dass die mechanische Verbindung der Füllmaterialstruktur 240 mit der ersten Membranstruktur unterstützt wird, d. h. eine verbesserte mechanische Verbindung zwischen der Füllmaterialstruktur 240 und der ersten Membranstruktur erhalten wird.
Wie bereits oben angegeben wurde, kann bei dem Schritt des Einbringens einer Durchgangsöffnung in die Opfermaterialschicht 226 auch eine Mehrzahl von (z. B. säulenförmigen, linienförmigen oder ringförmigen) Durchgangsöffnungen 230-n in das Opfermaterial 226 bis zu der ersten Membranstruktur 224 eingebracht werden. Bei dem Bilden 140 der Füllmaterialstruktur 240 werden somit jeweils Füllmaterialstrukturen 240 in die Mehrzahl von Durchgangsöffnungen 230-n eingebracht, wobei bei dem nachfolgenden Schritt des Entfernens des Opfermaterials die Füllmaterialstruktur(en) in der Mehrzahl von Durchgangsöffnungen freigelegt wird/werden, um eine Mehrzahl von mechanischen Verbindungselementen 240 zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur 224, 250 zu erhalten, die zwischen die erste und zweite Membranstruktur 224, 250 mechanisch gekoppelt ist, d. h. mit denselben mechanisch verbunden ist, und von der Gegenelektrodenstruktur 228 mechanisch entkoppelt ist.
Wie in 1a-d dargestellt ist, sind die Durchgangsöffnungen 230-1, ..., 230-n durch die Opfermaterialschicht 226 bzw. die darin angeordneten Füllmaterialstrukturen 240 beabstandet zu der Gegenelektrodenstruktur 228 angeordnet, so dass bei einer mechanischen Auslenkung der miteinander gekoppelten ersten und zweiten Membranstruktur während des Betriebs des Doppelmembran-MEMS-Bauelements 200 keine mechanische Berührung der mechanischen Verbindungselemente mit der Gegenelektrodenstruktur 228 erfolgt. Bei einem weiteren nachfolgenden Schritt (nicht gezeigt in 1a-d) kann eine Kavität in das Trägersubstrat bzw. Halbleitersubstrat 222 beispielsweise mit einem weiteren Ätzprozess, z. B. einem Bosch-Ätzprozess, eingebracht werden, um zumindest den beweglichen Abschnitt der Membranstruktur 224, 250 freizulegen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die erste und zweite Membranstruktur 224, 250 z.B. unter einem atmosphärischen Unterdruck oder Vakuum hermetisch verschlossen werden, um in dem Zwischenbereich zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur des Doppelmembran-MEMS-Bauelements einen atmosphärischen Unterdruck oder Vakuum zu erzeugen. Der Zwischenbereich kann dann auch als Niederdruckbereich bezeichnet werden, wobei das MEMS-Mikrofon dann auch als Vakuum-Mikrofon bezeichnet werden kann.
Der Niederdruckbereich kann somit einen Druck aufweisen, der typischerweise geringer als ein Umgebungsdruck oder ein Standardatmosphärendruck sein kann, dem der akustische MEMS-Sensor z.B. unter normalen Betriebsbedingungen ausgesetzt ist, wie z.B. innerhalb eines mobilen Geräts.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Druck in dem Niederdruckbereich im Wesentlichen ein Vakuum oder nahezu ein Vakuum sein. Alternativ kann der Druck im Niederdruckbereich geringer als etwa 50 % (oder 40 %, 25 %, 10 % oder 1 %) des Umgebungsdrucks oder des Standardatmosphärendrucks sein. Der Standardatmosphärendruck kann typischerweise 101,325 kPa oder 1013,25 mbar betragen. Der Druck im Niederdruckbereich kann außerdem als ein Absolutdruck, z. B. geringer als 50, 40, 30, 10 oder typischerweise geringer als 1 kPa, ausgedrückt sein.
Durch das Ausbilden der mechanischen Verbindungselemente zwischen den beiden Membranstrukturen zur mechanischen Kopplung derselben und optional durch Ausbilden des oben beschriebenen Niederdruckbereichs kann sowohl ein äußerst gutes akustisches Verhalten des MEMS-Bauelements mit einem daraus resultierenden, sehr guten elektrischen Signalverhalten als auch ein äußerst guter mechanischer Schutz für den Zwischenbereich zwischen den beiden Membranstrukturen mit der dazwischen liegenden Gegenelektrodenstruktur (Statorstruktur) des MEMS-Bauelements erhalten werden. Das resultierende elektrischen Signalverhalten kann ein gegenüber bisherigen Ansätzen verbessertes THD-Verhalten (THD = Total Harmonic Distortion = Gesamte harmonische Verzerrung) als auch ein verbessertes Rauschverhalten (SNR) aufweisen.
Die mechanischen, z. B. säulenförmigen Verbindungselemente können beispielsweise nicht-leitend ausgebildet sein, um die beiden Membranstrukturen als unterschiedliche Elektroden in einem differenziellen Betrieb auslesen zu können. Ferner kann die Anzahl und Größe der säulenförmigen Verbindungselemente basierend auf dem vorliegenden Konzept äußerst einfach an die jeweiligen Produktanforderungen angepasst werden und somit äußerst einfach in bisherige Prozessabläufe integriert werden.
Ferner kann die resultierende Flexibilität der mechanischen Verbindungselemente relativ exakt eingestellt bzw. angepasst werden. Da das akustische Verhalten eines MEMS-Mikrofons sehr stark von der Flexibilität und Nachgiebigkeit der Membranstrukturen abhängt, kann das resultierende elektrische Signalverhalten eines entsprechend aufgebauten MEMS-Mikrofons äußerst exakt an gewünschte Sollparameter angepasst werden, indem die resultierende Flexibilität der Doppelmembran-Struktur des MEMS-Mikrofons mittels der flexiblen Verbindungselemente exakt eingestellt wird.
Im Folgenden werden nun anhand von 2a-c Ausführungsbeispiele der Herstellungsabschnitte des Herstellungsverfahrens 100 für ein Doppelmembran-MEMS-Bauelement 200 beschrieben, die beispielsweise zwischen den Schritten 120 und 140 von 1a-d durchgeführt werden, um die bei dem Schritt des Bildens 140 der Füllmaterialstruktur(en) 240 erhaltene Schichtfolge aus einem ersten und zweiten Füllmaterial 242, 246 zu erhalten.
Wie in 2a dargestellt ist, wird zunächst eine relativ dünne Nitrid-Schicht 242 mit einer Schichtdicke zwischen 50 und 200 nm, zwischen 130 und 150 nm und typischerweise etwa 140 nm, auf den ersten Oberflächenbereich 226-1 der Opfermaterialschicht 226, auf den Wandbereich 230-A der Durchgangsöffnung(en) 230-1, ..., 230-n und auf den freiliegenden Oberflächenabschnitt 224-A der ersten Membranstruktur 224 gebildet, wobei dazu beispielsweise eine LPCVD-Abscheidung des Nitrid-Materials (LPCVD = Low Pressure Chemical Vapor Deposition = Chemischer-Niederdruck-Dampfaufbringung) eingesetzt werden kann. Bei konformen Abscheidungsprozessen kann eine gleichmäßige Nitrid-Schicht 242, d. h. erste Füllmaterialschicht 242, gleichmäßig auch in die relativ tiefen und schmalen Durchgangsöffnungen 230-1, ..., 230-n in der Opfermaterialschicht 226 eingebracht werden.
Die Durchgangsöffnungen 230-1, ..., 230-n in der Opfermaterialschicht 226 können beispielsweise einen Durchmesser von 0,5 bis 2,0 µm und eine Tiefe von 2 bis 5 µm, der dem Abstand der ersten und zweiten Membranstruktur 224, 250 entspricht, aufweisen.
Nachfolgend kann, wie in 2a dargestellt ist, unter Verwendung von TEOS (Tetraethylorthosilicat) eine 200 nm bis 1,5 µm, 300 bis 900 nm oder etwa 500 nm dicke OxidSchicht 246 auf den ersten Hauptoberflächenbereich 226-1 der Opfermaterialschicht 226 und in die Durchgangsöffnung(en) 230-1, ..., 230-n als das zweite Füllmaterial 246 auf- bzw. eingebracht werden. Nachfolgend wird beispielsweise das Oxid-Material 246 von dem ersten Oberflächenbereich 226-1 der Schichtanordnung 220 entfernt, wobei dazu beispielsweise ein CMP-Prozess (CMP = Chemically Mechanically Polishing) eingesetzt werden kann. Die resultierende Schichtanordnung 220 ist in 2b dargestellt.
Bei einem nachfolgenden Verfahrensschritt, der beispielhaft in 2c dargestellt ist, wird nun die auf dem ersten Oberflächenbereich 226-1 angeordnete Nitrid-Schicht 246 entfernt, wobei die in den Durchgangsöffnungen230-1, ..., 230-n gebildeten Schichtstrukturen 240 mit dem ersten und zweiten Füllmaterial 242, 246 als Füllmaterialstrukturen 240 bestehen bleiben und die resultierende Schichtanordnung 220, wie in 2c dargestellt, erhalten wird. Die in 2c nur abschnittsweise dargestellte Schichtanordnung 220 entspricht dann der in 1c dargestellten Schichtanordnung 220
Im Folgenden wird nun anhand von 3a ein Ausführungsbeispiel eines Doppelmembran-MEMS-Bauelements 200 beschrieben, wobei in 3b-e Detaildarstellungen in Form von Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen der erhaltenen Füllmaterialstruktur(en) 240 eines flexiblen Verbindungselements 230-n beispielhaft dargestellt sind.
Wie in 3a dargestellt ist, weist das Doppelmembran-MEMS-Bauelement 200 eine Schichtanordnung 220 auf einem Trägersubstrat 222, wobei die Schichtanordnung 220 eine erste und zweite voneinander beabstandete Membranstruktur 224, 250 und eine dazwischen angeordnete Gegenelektrodenstruktur 228 aufweist, die jeweils von der ersten und zweiten Membranstruktur 224, 250 beabstandet ist, und zumindest ein mechanisches Verbindungselement 240 zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur 224, 250, das zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur 224, 250 mechanisch gekoppelt und von der Gegenelektrodenstruktur 228 mechanisch entkoppelt ist, wobei das zumindest eine mechanische Verbindungselement 240 eine Materialstruktur 240 mit einer ersten Füllmaterialschicht 242 als Wandbereich des mechanischen Verbindungselements 240 aufweist, wobei durch die als Wandbereich ausgebildete Füllmaterialschicht 242 ein Innenvolumenbereich 244 in dem mechanischen Verbindungselement 240 gebildet ist, und wobei ein Medium bzw. ein zweite Füllmaterial 246 in dem Innenvolumenbereich 244 des mechanischen Verbindungselements 240 angeordnet ist, wobei das Medium 246 ein niedrigeres Elastizitätsmodul als das Material der den Wandbereich bildenden ersten Füllmaterialschicht 242 ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das mechanische Verbindungselement 240 als ein Hohlkörper oder Leerrohr ausgebildet sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ein zweites Füllmaterial 246 in dem Innenvolumenbereich 244 angeordnet sein, wobei das zweite Füllmaterial 246 unterschiedlich zu dem Material der ersten Füllmaterialschicht 242 ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Füllmaterialstruktur 240 eine Schichtfolge aus mehreren Füllmaterialschichten 242, 246 in dem Innenvolumenbereich 244 auf, wobei zumindest eine weitere Füllmaterialschicht 246 ein zu dem Material der ersten Füllmaterialschicht 242 unterschiedliches Füllmaterial aufweist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Material der ersten Füllmaterialschicht 242 ein höheres Elastizitätsmodul als das Material der weiteren Füllmaterialschicht 246 aufweisen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die erste Füllmaterialschicht 242 ein Nitrid-Material aufweisen, und wobei die zweite Füllmaterialschicht ein Oxid-Material aufweisen kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Füllmaterialstruktur 240 zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur 224, 250 kegelstumpfförmig, zylinderförmig, oder trichterförmig ausgebildet sein.
Wie 3a dargestellt ist, bleibt das Opfermaterial 226 im Randbereich 220-A, 220-B der Schichtanordnung 220 erhalten und ist beispielsweise als mechanische Lager- bzw. Auflagestruktur für die erste und zweite Membranstruktur 224, 250 und die Gegenelektrodenstruktur 228 auf dem Substrat 222 wirksam. Ferner kann das Substrat 222 eine Kavität 222-1 zum Freilegen des beweglichen Abschnitts der Doppelmembranstruktur 224, 250 aufweisen. Wie in 3a dargestellt ist, kann beispielsweise die erste und zweite Membranstruktur 224, 250 die optionalen Segmentierung 232 aufweisen.
Das vorliegende Konzept ist also auf akustische MEMS-Sensoren, wie z. B. MEMS-Mikrofone anwendbar, wobei bei MEMS-Mikrofonen beispielsweise eine Abfolge von Schichten mit Materialien, wie z. B. Poly/Mono-Silizium, Siliziumnitrid und Siliziumoxid, verwendet werden. Das Siliziumoxidmaterial wird üblicherweise als Opferschicht verwendet und am Ende des Herstellungsprozesses aus einem definierten Bereich des MEMS-Mikrofons herausgeätzt. Für sogenannte „Vakuummikrofone“ werden beispielsweise zwei bewegbare Membranstrukturen 224, 250 verwendet, wobei in dem Zwischenraum bzw. der Kavität zwischen den beiden Membranen 224, 250 ein atmosphärischer Unterdruck vorhanden ist. Um einen Kollaps bzw. ein Nachinnenwölben der Membranstrukturen zu vermeiden, werden die mechanischen Verbindungselemente 240, die auch als Säulen bezeichnet werden, verwendet, um einen festen Zwischenraum zwischen den beiden Membranstrukturen 224, 250 einzuhalten. Die Verbindungselemente 240 weisen z.B. folgende Eigenschaften auf. Die mechanischen Verbindungselemente können elektrisch isolierend zwischen den Membranstrukturen 224, 250 ausgebildet sein, um einen differenziellen Auslesevorgang der Membranstrukturen 224, 250 zu ermöglichen. Ferner können die mechanischen Verbindungselemente stabil bzw. resistent gegenüber der Freiätzchemie sein, z. B. gegenüber HF = Flusssäure oder anderen Ätzmitteln, wobei die mechanischen Verbindungselemente relativ flexibel ausgebildet sein können.
Gemäß dem vorliegenden Konzept werden somit mechanische Verbindungselemente als Abstandshalter zwischen den zwei bewegbaren Membranstrukturen vorgesehen, wobei diese Abstandshalter dielektrisch, ätzmittelstabil und flexibel (mit einem niedrigen Elastizitätsmodul) ausgebildet sein können. Dies wird gemäß dem vorliegenden Konzept durch eine mehrschichtige Ausgestaltung der mechanischen Verbindungselemente realisiert, wobei die äußerste Schicht bzw. der Wandbereich der mechanischen Verbindungselemente 240 gegenüber Ätzmitteln widerstandsfähig ist, wobei das innere Material oder der Leerraum flexibel ausgebildet ist.
Das Doppelmembran-MEMS-Bauelement 200 kann gemäß den im Vorhergehenden beschrieben Verfahren 100 hergestellt werden, wobei die dortigen Ausführungen gleichermaßen auf das in 3a dargestellte, prinzipielle Ausführungsbeispiel des Doppelmembran-MEMS-Bauelements 200 anwendbar sind.
3b zeigt nun eine Detaildarstellung in Form eines Rasterelektronenmikroskop-Bilds des „umlaufenden“ mechanischen Verbindungselements 240 bzw. der Füllstruktur 240 um die Ventilationsöffnung 260 in der Membranstruktur 224, 250 des Doppelmembran-MEMS-Bauelements 200. Wie in 3b dargestellt ist, erstreckt sich die Füllmaterialstruktur 240 zwischen der ersten Membranstruktur 224 und der zweiten Membranstruktur 250, wobei die erste Füllmaterialschicht 242 als eine Nitrid-Schicht ausgebildet ist, während die zweite Füllmaterialschicht 246 ein Oxid-Material aufweist. Ferner ist in 3b die formschlüssige mechanische Verbindung zwischen der Füllmaterialstruktur 240 und der zweiten Membranstruktur 250 (Poly-Si) ersichtlich.
3c zeigt nun in einer vergrößerten Teildarstellung den Verbindungsbereich der Füllmaterialstruktur 240 von 3b mit der ersten Membranstruktur 224. Wie in 3c ersichtlich, ist die erste Membranstruktur 224 im Bereich der Durchgangsöffnung, d. h. im Bereich der Füllmaterialstruktur 240 zusätzlich angeätzt, bzw. wurde einer Überätzung ausgesetzt, so dass sich ein vergrößerter mechanischer Kontaktbereich 224-A zwischen der Füllmaterialstruktur 240 und der ersten Membranstruktur 224 ergibt, der zu einer verbesserten mechanischen Verbindung zwischen dem Verbindungselement 240, d. h. der Füllmaterialstruktur 240, und der ersten Membranstruktur 224 führen kann. In anderen Worten ergibt sich durch ein Überätzen beispielsweise des Polysiliziummaterials der ersten Membranstruktur 224 eine Oberflächenvergrößerung oder Aufrauhung des Materials der ersten Membranstruktur 224 im Kontaktbereich 224-A mit der Füllmaterialstruktur 240, was zu einer verbesserten mechanischen Verankerung der Füllmaterialstruktur 240, d. h. des mechanischen Verbindungselements, mit der ersten Membranstruktur 224 führt.
In 3d ist nun ein säulenförmiges mechanisches Verbindungselement zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur 224 und 250 dargestellt, wobei die mechanische Entkopplung von der dazwischen liegenden Gegenelektrodenstruktur 228 deutlich dargestellt ist.
In 3e ist nun in einer Detailansicht einer weiteren beispielhaften Füllmaterialstruktur 240 dargestellt, wobei die Füllmaterialstruktur 240 eine Schichtfolge aus mehreren Füllmaterialschichten in dem Innenvolumenbereich 244 aufweisen kann, wobei bei der in 3e dargestellten Schichtfolge das erste Füllmaterial wiederum ein Nitrid-Material ist, das daran anschließende zweite Füllmaterial 246 wiederum ein Oxid-Material aufweist, wobei in dem zweiten Füllmaterial 246 ein drittes Füllmaterial 248, das beispielsweise wiederum ein Nitrid-Material aufweist, angeordnet ist.
Zusätzliche Ausführungsbeispiele und Aspekte der Erfindung werden beschrieben, die einzeln oder in Kombination mit den hierin beschriebenen Merkmalen und Funktionalitäten verwendet werden können.
Gemäß einem ersten Aspekt kann ein Herstellungsverfahren 100 für ein Doppelmembran-MEMS-Bauelement 200 folgende Schritte aufweisen: Bereitstellen 120 einer Schichtanordnung 220 auf einem Trägersubstrat 222, wobei die Schichtanordnung 220 eine erste Membranstruktur 224, eine Opfermaterialschicht 226 angrenzend an die erste Membranstruktur 224 und eine Gegenelektrodenstruktur 228 in der Opfermaterialschicht 226 und beabstandet von der ersten Membranstruktur 224 aufweist, wobei in der Opfermaterialschicht 226 zumindest eine Durchgangsöffnung 230-1, ..., 230-n bis zu der ersten Membranstruktur 224 und getrennt von der Gegenelektrodenstruktur 228 gebildet ist, Bilden 140 einer Füllmaterialstruktur 240 in der Durchgangsöffnung 230-n durch Aufbringen einer ersten Füllmaterialschicht 242 an dem Wandbereich 230-A der Durchgangsöffnung 230-n, um einen Innenvolumenbereich 244 in der Durchgangsöffnung 230-n angrenzend an die erste Füllmaterialschicht zu erhalten, strukturiertes Aufbringen 160 einer zweiten Membranstruktur 250 auf der Schichtanordnung 220 mit dem Opfermaterial 226 und der Füllmaterialstruktur 240, um den Innenvolumenbereich 244 hermetisch abzuschließen, wobei die Gegenelektrodenstruktur 228 in einem mit dem Opfermaterial 226 gefüllten Zwischenbereich 238 zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur 224, 250 und jeweils von denselben beabstandet angeordnet ist, und Entfernen 180 des Opfermaterials 226 aus dem Zwischenbereich 238, um die Füllmaterialstruktur 240 in dem Zwischenbereich 238 freizulegen, um zumindest ein mechanisches Verbindungselement 240 zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur 224, 250 zu erhalten, das zwischen die erste und zweite Membranstruktur 224, 250 mechanisch gekoppelt und von der Gegenelektrodenstruktur 228 mechanisch entkoppelt ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt unter Rückbezug auf den ersten Aspekt kann das Herstellungsverfahren 100 ferner folgenden Schritt aufweisen: Einbringen eines zweiten Füllmaterials 246 in den Innenvolumenbereich 244, um die Füllmaterialstruktur 240 zu erhalten, wobei das zweite Füllmaterial 246 unterschiedlich zu dem ersten Füllmaterial ist.
Gemäß einem dritten Aspekt unter Rückbezug auf den ersten Aspekt kann das Herstellungsverfahren 100 ferner folgenden Schritt aufweisen: Einbringen einer Schichtfolge aus mehreren Füllmaterialschichten in den Innenvolumenbereich 244, um die Füllmaterialstruktur 240 zu erhalten, wobei zumindest eine weitere Füllmaterialschicht ein zu der ersten Füllmaterialschicht 242 unterschiedliches zweites Füllmaterial aufweist.
Gemäß einem vierten Aspekt unter Rückbezug auf den zweiten Aspekt kann das Material der ersten Füllmaterialschicht 242 ein höheres Elastizitätsmodul als das Material der zweiten Füllmaterialschicht 246 aufweisen.
Gemäß einem fünften Aspekt unter Rückbezug auf den ersten Aspekt kann die erste Füllmaterialschicht 242 ein Nitrid-Material aufweisen und kann die zweite Füllmaterialschicht 246 ein Oxid-Material aufweisen.
Gemäß einem sechsten Aspekt unter Rückbezug auf den ersten Aspekt kann die Füllmaterialstruktur 200 zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur 224, 250 kegelstumpfförmig, zylinderförmig oder trichterförmig ausgebildet sein.
Gemäß einem siebten Aspekt unter Rückbezug auf den ersten Aspekt kann der Schritt 180 des Entfernens des Opfermaterials 226 mittels eines isotropen Ätzvorgangs mit einem flüssigen oder gasförmigen Ätzmittel durchgeführt werden, wobei das Ätzmittel eine Ätzrate haben kann, die für das Opfermaterial 226 zumindest um einen Faktor 10 höher ist als für das erste Füllmaterial.
Gemäß einem achten Aspekt unter Rückbezug auf den ersten Aspekt können vor dem Schritt 120 des Bereitstellens der Schichtanordnung 220 folgende Schritte zum Bilden der Schichtanordnung 220 durchgeführt werden: Bilden der ersten Membranstruktur 224 in Form einer ersten Membranschicht oder eines ersten Membranschichtstapels auf dem Trägersubstrat 222, Aufbringen von Opfermaterial 226 auf der ersten Membranstruktur 224, Bilden der Gegenelektrodenstruktur 228 in Form einer Gegenelektrodenschicht oder eines Gegenelektrodenschichtstapels auf dem aufgebrachten Opfermaterial 226, Aufbringen von Opfermaterial 226 auf die Gegenelektrodenstruktur 228, und Einbringen der zumindest einen Durchgangsöffnung 230-n in das Opfermaterial 226 bis zu der ersten Membranstruktur 224 und getrennt von der Gegenelektrodenstruktur 228.
Gemäß einem neunten Aspekt unter Rückbezug auf den achten Aspekt kann bei dem Schritt des Einbringens eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen in das Opfermaterial 226 bis zu der ersten Membranstruktur eingebracht werden, wobei die Füllmaterialstruktur 240 in der Mehrzahl von Durchgangsöffnungen 230-n gebildet wird, und kann bei dem Schritt des Entfernens des Opfermaterials 226 die Füllmaterialstruktur 240 in der Mehrzahl von Durchgangsöffnungen 230-n freigelegt werden, um eine Mehrzahl von mechanischen Verbindungselementen zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur 224, 250 zu erhalten, die zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur 224, 250 mechanisch gekoppelt und von der Gegenelektrodenstruktur 228 mechanisch entkoppelt sind.
Gemäß einem zehnten Aspekt unter Rückbezug auf den ersten Aspekt kann das Herstellungsverfahren 100 ferner folgenden Schritt aufweisen: Anätzen der ersten Membranstruktur 224 im Bereich 224-a der zumindest einen Durchgangsöffnung 230-n, um eine Vertiefung in dem Material der Membranstruktur 224 in dem Bereich der zumindest einen Durchgangsöffnung 230-n zu erhalten, wobei der Schritt des Anätzens der Membranstruktur während des Einbringens oder nachfolgend zu dem Einbringen der zumindest einen Durchgangsöffnung in das Opfermaterial 226 bis zu der ersten Membranstruktur 224 und vor dem Bilden der Füllmaterialstruktur 240 ausgeführt wird.
Gemäß einem elften Aspekt unter Rückbezug auf den ersten Aspekt kann das Verfahren 100 ferner folgenden Schritt aufweisen: hermetisches Verschließen der ersten und zweiten Membranstruktur unter atmosphärischem Unterdruck oder Vakuum, um in dem Zwischenbereich zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur des Doppelmembran-MEMS-Bauelements einen atmosphärischen Unterdruck oder Vakuum zu erzeugen.
Gemäß einem zwölften Aspekt kann ein Doppelmembran-MEMS-Bauelement 200 folgende Merkmale aufweisen: einer Schichtanordnung 220 auf einem Trägersubstrat 222, wobei die Schichtanordnung 220 eine erste und zweite voneinander beabstandete Membranstruktur 224, 250 und eine dazwischen angeordnete Gegenelektrodenstruktur 228 aufweist, die jeweils von der ersten und zweiten Membranstruktur 224, 250 beabstandet ist, und zumindest ein mechanisches Verbindungselement 240 zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur 224, 250, das zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur 224, 250 mechanisch gekoppelt und von der Gegenelektrodenstruktur 228 mechanisch entkoppelt ist, wobei das zumindest eine mechanische Verbindungselement 240 eine Materialstruktur 240 mit einer ersten Füllmaterialschicht 242 als Wandbereich des mechanischen Verbindungselements 240 aufweist, wobei durch die als Wandbereich ausgebildete Füllmaterialschicht 242 ein Innenvolumenbereich 244 in dem mechanischen Verbindungselement 240 gebildet ist, und wobei ein Medium 246 in dem Innenvolumenbereich 244 des mechanischen Verbindungselements 240 angeordnet ist, wobei das Medium 246 ein niedrigeres Elastizitätsmodul als das Material der den Wandbereich bildenden ersten Füllmaterialschicht 242 ist.
Gemäß einem dreizehnten Aspekt unter Rückbezug auf den zwölften Aspekt kann das mechanische Verbindungselement 240 als ein Hohlkörper oder Leerrohr ausgebildet sein.
Gemäß einem vierzehnten Aspekt unter Rückbezug auf den zwölften Aspekt kann ein zweites Füllmaterial 246 in dem Innenvolumenbereich 244 angeordnet sein, wobei das zweite Füllmaterial 246 unterschiedlich zu dem Material der ersten Füllmaterialschicht 242 ist.
Gemäß einem fünfzehnten Aspekt unter Rückbezug auf den zwölften Aspekt kann die Füllmaterialstruktur 240 eine Schichtfolge aus mehreren Füllmaterialschichten in dem Innenvolumenbereich 244 aufweisen, wobei zumindest eine weitere Füllmaterialschicht 246 ein zu dem Material der ersten Füllmaterialschicht unterschiedliches Füllmaterial aufweist.
Gemäß einem sechszehnten Aspekt unter Rückbezug auf den zwölften Aspekt kann das Material der ersten Füllmaterialschicht ein höheres Elastizitätsmodul als das Material der weiteren Füllmaterialschicht aufweisen.
Gemäß einem siebzehnten Aspekt unter Rückbezug auf den zwölften Aspekt kann die erste Füllmaterialschicht 242 ein Nitrid-Material aufweisen und kann die zweite Füllmaterialschicht ein Oxid-Material aufweisen.
Gemäß einem achtzehnten Aspekt unter Rückbezug auf den zwölften Aspekt kann die Füllmaterialstruktur 240 zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur 224, 250 kegelstumpfförmig, zylinderförmig, oder trichterförmig ausgebildet sein.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einem Verfahren zum Herstellen einer vergrabenen Hohlraumstruktur in einem einkristallinen Halbleitersubstrat beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung der entsprechenden Vorrichtung zum Herstellen einer vergrabenen Hohlraumstruktur in einem einkristallinen Halbleitersubstrat darstellen, sodass ein Verfahrensschritt oder ein Merkmal eines Verfahrensschrittes auch als ein entsprechender ein Block oder ein Bauelement einer entsprechenden Vorrichtung zu verstehen ist. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie unter Verwendung eines Mikroprozessors, eines programmierbaren Computers oder einer elektronischen Schaltung durchgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Ausführungsbeispiele dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Ausführungsbeispiele lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt seien.

Claims

Herstellungsverfahren (100) für ein Doppelmembran-MEMS-Bauelement (200), mit folgenden Schritten: Bereitstellen (120) einer Schichtanordnung (220) auf einem Trägersubstrat (222), wobei die Schichtanordnung (220) eine erste Membranstruktur (224), eine Opfermaterialschicht (226) angrenzend an die erste Membranstruktur (224) und eine Gegenelektrodenstruktur (228) in der Opfermaterialschicht (226) und beabstandet von der ersten Membranstruktur (224) aufweist, wobei in der Opfermaterialschicht (226) zumindest eine Durchgangsöffnung (230-1, ..., 230-n) bis zu der ersten Membranstruktur (224) und getrennt von der Gegenelektrodenstruktur (228) gebildet ist, Bilden (140) einer Füllmaterialstruktur (240) in der Durchgangsöffnung (230-n) durch Aufbringen einer ersten Füllmaterialschicht (242) an dem Wandbereich (230-A) der Durchgangsöffnung (230-n), um einen Innenvolumenbereich (244) in der Durchgangsöffnung (230-n) angrenzend an die erste Füllmaterialschicht zu erhalten, strukturiertes Aufbringen (160) einer zweiten Membranstruktur (250) auf der Schichtanordnung (220) mit dem Opfermaterial (226) und der Füllmaterialstruktur (240), um den Innenvolumenbereich (244) hermetisch abzuschließen, wobei die Gegenelektrodenstruktur (228) in einem mit dem Opfermaterial (226) gefüllten Zwischenbereich (238) zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur (224, 250) und jeweils von denselben beabstandet angeordnet ist, und Entfernen (180) des Opfermaterials (226) aus dem Zwischenbereich (238), um die Füllmaterialstruktur (240) in dem Zwischenbereich (238) freizulegen, um zumindest ein mechanisches Verbindungselement (240) zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur (224, 250) zu erhalten, das zwischen die erste und zweite Membranstruktur (224, 250) mechanisch gekoppelt und von der Gegenelektrodenstruktur (228) mechanisch entkoppelt ist.
Herstellungsverfahren (100) nach Anspruch 1, ferner mit folgendem Schritt: Einbringen eines zweiten Füllmaterials (246) in den Innenvolumenbereich (244), um die Füllmaterialstruktur (240) zu erhalten, wobei das zweite Füllmaterial (246) unterschiedlich zu dem ersten Füllmaterial ist.
Herstellungsverfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit folgendem Schritt: Einbringen einer Schichtfolge aus mehreren Füllmaterialschichten in den Innenvolumenbereich (244), um die Füllmaterialstruktur (240) zu erhalten, wobei zumindest eine weitere Füllmaterialschicht ein zu der ersten Füllmaterialschicht (242) unterschiedliches zweites Füllmaterial aufweist.
Herstellungsverfahren (100) nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Material der ersten Füllmaterialschicht (242) ein höheres Elastizitätsmodul als das Material der zweiten Füllmaterialschicht (246) aufweist.
Herstellungsverfahren (100) nach einem der vorhergehenden Schritte, wobei die erste Füllmaterialschicht (242) ein Nitrid-Material aufweist, und wobei die zweite Füllmaterialschicht (246) ein Oxid-Material aufweist.
Herstellungsverfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Füllmaterialstruktur (200) zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur (224, 250) kegelstumpfförmig, zylinderförmig oder trichterförmig ausgebildet ist.
Herstellungsverfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt (180) des Entfernens des Opfermaterials (226) mittels eines isotropen Ätzvorgangs mit einem flüssigen oder gasförmigen Ätzmittel durchgeführt wird, wobei das Ätzmittel eine Ätzrate hat, die für das Opfermaterial (226) zumindest um einen Faktor 10 höher ist als für das erste Füllmaterial.
Herstellungsverfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor dem Schritt (120) des Bereitstellens der Schichtanordnung (220) folgende Schritte zum Bilden der Schichtanordnung (220) durchgeführt werden: Bilden der ersten Membranstruktur (224) in Form einer ersten Membranschicht oder eines ersten Membranschichtstapels auf dem Trägersubstrat (222), Aufbringen von Opfermaterial (226) auf der ersten Membranstruktur (224), Bilden der Gegenelektrodenstruktur (228) in Form einer Gegenelektrodenschicht oder eines Gegenelektrodenschichtstapels auf dem aufgebrachten Opfermaterial (226), Aufbringen von Opfermaterial (226) auf die Gegenelektrodenstruktur (228), und Einbringen der zumindest einen Durchgangsöffnung (230-n) in das Opfermaterial (226) bis zu der ersten Membranstruktur (224) und getrennt von der Gegenelektrodenstruktur (228).
Herstellungsverfahren (100) nach Anspruch 8, wobei bei dem Schritt des Einbringens eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen in das Opfermaterial (226) bis zu der ersten Membranstruktur eingebracht wird, wobei die Füllmaterialstruktur (240) in der Mehrzahl von Durchgangsöffnungen (230-n) gebildet wird, und wobei bei dem Schritt des Entfernens des Opfermaterials (226) die Füllmaterialstruktur (240) in der Mehrzahl von Durchgangsöffnungen (230-n) freigelegt wird, um eine Mehrzahl von mechanischen Verbindungselementen zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur (224, 250) zu erhalten, die zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur (224, 250) mechanisch gekoppelt und von der Gegenelektrodenstruktur (228) mechanisch entkoppelt sind.
Herstellungsverfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit folgendem Schritt: Anätzen der ersten Membranstruktur (224) im Bereich (224-a) der zumindest einen Durchgangsöffnung (230-n), um eine Vertiefung in dem Material der Membranstruktur (224) in dem Bereich der zumindest einen Durchgangsöffnung (230-n) zu erhalten, wobei der Schritt des Anätzens der Membranstruktur während des Einbringens oder nachfolgend zu dem Einbringen der zumindest einen Durchgangsöffnung in das Opfermaterial (226) bis zu der ersten Membranstruktur (224) und vor dem Bilden der Füllmaterialstruktur (240) ausgeführt wird.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit folgendem Schritt: Hermetisches Verschließen der ersten und zweiten Membranstruktur unter atmosphärischem Unterdruck oder Vakuum, um in dem Zwischenbereich zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur des Doppelmembran-MEMS-Bauelements einen atmosphärischen Unterdruck oder Vakuum zu erzeugen.
Doppelmembran-MEMS-Bauelement (200), mit folgenden Merkmalen: einer Schichtanordnung (220) auf einem Trägersubstrat (222), wobei die Schichtanordnung (220) eine erste und zweite voneinander beabstandete Membranstruktur (224, 250) und eine dazwischen angeordnete Gegenelektrodenstruktur (228) aufweist, die jeweils von der ersten und zweiten Membranstruktur (224, 250) beabstandet ist, und zumindest ein mechanisches Verbindungselement (240) zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur (224, 250), das zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur (224, 250) mechanisch gekoppelt und von der Gegenelektrodenstruktur (228) mechanisch entkoppelt ist, wobei das zumindest eine mechanische Verbindungselement (240) eine Materialstruktur (240) mit einer ersten Füllmaterialschicht (242) als Wandbereich des mechanischen Verbindungselements (240) aufweist, wobei durch die als Wandbereich ausgebildete Füllmaterialschicht (242) ein Innenvolumenbereich (244) in dem mechanischen Verbindungselement (240) gebildet ist, und wobei ein Medium (246) in dem Innenvolumenbereich (244) des mechanischen Verbindungselements (240) angeordnet ist, wobei das Medium (246) ein niedrigeres Elastizitätsmodul als das Material der den Wandbereich bildenden ersten Füllmaterialschicht (242) ist.
Doppelmembran-MEMS-Bauelement (200) gemäß Anspruch 12, wobei das mechanische Verbindungselement (240) als ein Hohlkörper oder Leerrohr ausgebildet ist.
Doppelmembran-MEMS-Bauelement (200) gemäß Anspruch 12, wobei ein zweites Füllmaterial (246) in dem Innenvolumenbereich (244) angeordnet ist, wobei das zweite Füllmaterial (246) unterschiedlich zu dem Material der ersten Füllmaterialschicht (242) ist.
Doppelmembran-MEMS-Bauelement (200) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Füllmaterialstruktur (240) eine Schichtfolge aus mehreren Füllmaterialschichten in dem Innenvolumenbereich (244) aufweist, wobei zumindest eine weitere Füllmaterialschicht (246) ein zu dem Material der ersten Füllmaterialschicht unterschiedliches Füllmaterial aufweist.
Doppelmembran-MEMS-Bauelement (200) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei das Material der ersten Füllmaterialschicht ein höheres Elastizitätsmodul als das Material der weiteren Füllmaterialschicht aufweist.
Doppelmembran-MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei die erste Füllmaterialschicht (242) ein Nitrid-Material aufweist, und wobei die zweite Füllmaterialschicht ein Oxid-Material aufweist.
Doppelmembran-MEMS-Bauelement (200) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei die Füllmaterialstruktur (240) zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur (224, 250) kegelstumpfförmig, zylinderförmig, oder trichterförmig ausgebildet ist.