DE102020128645A1

DE102020128645A1 - MEMS-Mikrofon und Verfahren zum Herstellen desselben

Info

Publication number: DE102020128645A1
Application number: DE102020128645.7A
Authority: DE
Inventors: II Seon Yoo; Sang Hyeok Yang; Hyun Soo Kim; Dong Gu Kim
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2020-08-05
Filing date: 2020-10-30
Publication date: 2022-02-10
Also published as: KR20220017770A; US20220046344A1; US11317179B2; CN114071345A

Abstract

MEMS-Mikrofon und Verfahren zum Herstellen desselben sind bereitgestellt, wobei das MEMS-Mikrofon aufweist: ein Substrat (201, 601), welches konfiguriert ist, um einen Durchgangsabschnitt (221, 610) zu haben, welcher in einem mittleren Abschnitt davon gebildet ist, eine Schwingungsmembran (204, 520, 603, 711, 721), konfiguriert ist, um eine unebene Struktur (522) zu haben, welche auf dem Durchgangsabschnitt des Substrats (201, 601) gebildet ist, und eine fixierte Membran (510), welche an einer oberen Position bereitgestellt ist, welche sich in einem vorbestimmten Abstand zu der Schwingungsmembran (204, 520, 603, 711, 721) befindet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung/Offenbarung betrifft ein hochempfindliches Mikroelektromechanische-Systeme-Mikrofon (MEMS-Mikrofon) und ein Herstellungsverfahren davon.
Hintergrund
Im Allgemeinen gibt ein Mikrofon vom Kondensatortyp (z.B. ein Kondensatormikrofon) ein Sprachsignal aus unter Verwenden von Kapazität, welche zwischen zwei Elektroden generiert wird, welche einander gegenüberstehen. Das Mikrofon vom Kondensatortyp kann, um eine sehr geringe Größe zu haben, durch ein Halbleiter-MEMS-Verfahren (z.B. einen Halbleiter-MEMS-Prozess) hergestellt sein.
Eine bestehende Struktur (z.B. ein bestehender Aufbau) des MEMS-Mikrofons ist gebildet, um eine ebene Schwingungsmembran (bzw. Vibrationsmembran bzw. Oszillationsmembran) und eine fixierte Membran aufzuweisen, wie in 1 dargestellt, um eine Kapazitätsveränderung, welche generiert wird, wenn Schalldruck auf die Schwingungsmembran aufgebracht wird und diese auf und ab bewegt, in ein Spannungssignal zu konvertieren.
Die wichtigsten Faktoren, welche die Empfindlichkeit eines MEMS-Mikrofons festlegen, weisen auf: Steifigkeit der Schwingungsmembran (z.B. Membransteifigkeit der Schwingungsmembran), einen Spalt (z.B. einen Abstand) zwischen der Schwingungsmembran und der fixierten Membran, eine Vorspannung (z.B. eine elektrische Vorspannung; z.B. eine Polarisationsspannung) und dergleichen, wobei es eine Begrenzung gibt hinsichtlich eines Vorganges des Reduzierens einer Restspannung (z.B. einer Eigenspannung; im Folgenden „Eigenspannung“ genannt) der Schwingungsmembran oder des Reduzierens des Spaltes zwischen der Schwingungsmembran und der fixierten Membran, um die Empfindlichkeit zu verbessern, und wobei Techniken (z.B. technische Verfahren), um die Steifigkeit zu reduzieren bei gleichzeitigem Überwinden der Eigenspannung der Schwingungsmembran, aktiv untersucht (z.B. erforscht) werden.
Die obigen Informationen, welche in diesem „Hintergrund“-Abschnitt dargelegt sind, sind nur für die Verbesserung des Verstehens des Hintergrundes der Erfindung/Offenbarung da, und daher können sie Informationen enthalten, welche nicht den Stand der Technik bilden, welcher dem Fachmann bereits bekannt ist.
Kurzbeschreibung
Die vorliegende Erfindung/Offenbarung stellt ein hochempfindliches MEMS-Mikrofon (bzw. Mikroelektromechanische-Systeme-Mikrofon) und ein Herstellungsverfahren davon zur Verfügung, welche in der Lage sind die Steifigkeit der Schwingungsmembran zu verringern und die Kapazität zu maximieren durch Bilden der Schwingungsmembran, um eine unebene (z.B. ungleichmäßige) Struktur zu haben, um die Empfindlichkeit zu verbessern.
Die technischen Ziele der vorliegenden Erfindung/Offenbarung sind nicht auf die oben erwähnten Ziele beschränkt, und andere technische Ziele, welche nicht erwähnt sind, können von dem Fachmann anhand der Beschreibung der Ansprüche klar verstanden werden.
Eine exemplarische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung/Offenbarung stellt ein MEMS-Mikrofon zur Verfügung, welches aufweist: ein Substrat (z.B. ein Trägermaterial), welches konfiguriert ist, um einen Durchgangsabschnitt zu haben, welcher in einem mittleren Abschnitt davon gebildet ist, eine Schwingungsmembran, welche konfiguriert ist, um eine unebene Struktur zu haben, welche an dem Durchgangsabschnitt (z.B. auf bzw. oberhalb des Durchgangsabschnitts) des Substrats gebildet ist, und eine fixierte Membran, welche an einer oberen Position im Abstand von der Schwingungsmembran, welche die unebene Struktur aufweist, in einem vorbestimmten Abstand angeordnet ist.
Bei einer exemplarischen Ausführungsform kann die fixierte Membran einen Lufteinlass mit einer Fläche haben, welche einem konvexen (z.B. hervorstehenden) Abschnitt der unebenen Struktur der Schwingungsmembran gegenübersteht, um durchdrungen zu werden (z.B. kann eine Fläche Lufteinlassöffnungen aufweisen, welche jeweiligen konvexen Abschnitten der unebenen Struktur gegenüberstehen und von diesen durchdrungen werden können).
Bei einer exemplarischen Ausführungsform kann die fixierte Membran an (z.B. oberhalb) der Schwingungsmembran, welche die unebene Struktur aufweist, aufgebracht (z.B. angeordnet) sein, um sich im Abstand von der unebenen Struktur zu befinden, und weist eine Fixierte-Membran-Elektrodenschicht auf, und wobei eine Fixierte-Membran-Stützschicht auf der Fixierte-Membran-Elektrodenschicht aufgebracht ist.
Bei einer exemplarischen Ausführungsform kann das MEMS-Mikrofon ferner eine Oxidmembran aufweisen, welche auf dem Substrat in einem Bereich aufgebracht ist, welcher nicht der Durchgangsabschnitt des Substrats ist.
Bei einer exemplarischen Ausführungsform kann das MEMS-Mikrofon ferner eine Opferschicht aufweisen, welche auf der Schwingungsmembran aufgebracht ist, welche auf der Oxidmembran aufgebracht ist.
Bei einer exemplarischen Ausführungsform kann die Fixierte-Membran-Stützschicht auf der Opferschicht aufgebracht sein.
Bei einer exemplarischen Ausführungsform kann das MEMS-Mikrofon ferner ein erstes Elektrodenpad (z.B. eine erste Elektrodenanschlussfläche) zum Anlegen einer Spannung an die Schwingungsmembran aufweisen.
Bei einer exemplarischen Ausführungsform kann das erste Elektrodenpad gebildet sein, um die Schwingungsmembran durch Löcher hindurch zu kontaktieren, welche durch Ätzen (z.B. Durchätzen) der Opferschicht und der Fixierte-Membran-Stützschicht gebildet sind.
Bei einer exemplarischen Ausführungsform kann das MEMS-Mikrofon ferner ein zweites Elektrodenpad (z.B. eine zweite Elektrodenanschlussfläche) zum Anlegen einer Spannung an die fixierte Membran aufweisen.
Bei einer exemplarischen Ausführungsform kann das erste Elektrodenpad (bzw. das zweite Elektrodenpad) gebildet sein, um die fixierte Membran durch ein Loch hindurch zu kontaktieren, welches durch Ätzen (z.B. durch Durchätzen) der Opferschicht gebildet ist.
Bei einer exemplarischen Ausführungsform kann die Schwingungsmembran eine Mehrzahl von Ätzmustern aufweisen, welche eine ringförmige Struktur (z.B. eine Ringstruktur; im Folgenden „Ringstruktur“ genannt) haben, wobei die ringförmigen Ätzmuster (z.B. die ringförmig angeordneten Ätzmuster) in einer Richtung gebildet sein können, welche sich von einer Mitte eines Kreises aus in Richtung zu einer Außenrichtung (z.B. zu einem Außenumfang) des Kreises hin ausdehnen (z.B. erstrecken), und wobei jedes der ringförmigen Ätzmuster eine Struktur haben kann, bei welcher Muster, welche eine vorbestimmte Größe haben, sich in einer horizontalen Richtung um eine regelmäßige Distanz in einem Abstand zueinander befinden (z.B. sich in einem regelmäßigen Abstand zueinander befinden), um in einer Ringstruktur arrangiert (z.B. angeordnet) zu sein.
Bei einer exemplarischen Ausführungsform kann die Schwingungsmembran ein Ätzmuster einer Ringstruktur (z.B. ein Ätzmuster vom Ringstruktur-Typ; z.B. ein ringförmig strukturiertes Ätzmuster) haben, und weist eine Struktur auf, bei welcher erste Muster und zweite Muster, welche unterschiedliche Längen haben, welche sich in einer Längsrichtung von einer Mitte eines Kreises in dem ringförmigen Ätzmuster aus nach außen erstrecken, alternierend (z.B. abwechselnd) angeordnet sind.
Bei einer exemplarischen Ausführungsform kann die Schwingungsmembran eine Mehrzahl von Ätzmustern haben, welche eine Ringstruktur haben, wobei die ringförmigen Ätzmuster (z.B. die ringförmig angeordneten Ätzmuster) in eine Richtung gebildet sein können, welche sich von einer Mitte eines Kreises aus zu einer Außenrichtung (z.B. zu einem Außenumfang) des Kreises erstreckt, und wobei jedes der ringförmigen Ätzmuster eine Struktur aufweisen kann, bei welcher erste Muster und zweite Muster, welche unterschiedliche Längen haben, alternierend (z.B. abwechselnd) in einer Längsrichtung angeordnet sind.
Eine exemplarische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung/Offenbarung stellt ein Herstellungsverfahren für ein MEMS-Mikrofon bereit, aufweisend: Aufbringen einer Oxidmembran auf ein Substrat und Mustererzeugen (z.B. Ausführen eines Mustererzeugungsverfahrens) daran, um eine unebene Struktur zu haben (z.B. sodass die Oxidmembran eine unebene Struktur hat), Aufbringen einer Schwingungsmembran auf die Oxidmembran, Aufbringen einer Opferschicht auf die Schwingungsmembran, Aufbringen einer fixierten Membran auf die Opferschicht, Ätzen der fixierten Membran, um alternierende Löcher darin zu bilden, Bilden eines Durchgangsabschnitts durch Ätzen eines mittleren Abschnitts des Substrats, um die Oxidmembran freizulegen, und Ätzen der Opferschicht und der Oxidmembran an dem Durchgangsabschnitt.
Bei einer exemplarischen Ausführungsform kann das Aufbringen der fixierten Membran aufweisen: Aufbringen einer Fixierte-Membran-Elektrodenschicht auf die Opferschicht, und Aufbringen einer Fixierte-Membran-Stützschicht auf die Fixierte-Membran-Elektrodenschicht.
Bei einer exemplarischen Ausführungsform kann das Ätzen der fixierten Membran, um alternierende Löcher darin zu bilden, ferner das Ätzen der fixierten Membran aufweisen, so dass die Löcher und ein konvexer Abschnitt der unebenen Struktur der Schwingungsmembran darunter (z.B. der darunter befindlichen Schwingungsmembran) an einer vertikal gleichen Position angeordnet sind.
Bei einer exemplarischen Ausführungsform kann das Verfahren ferner aufweisen: Bilden eines ersten Elektrodenpads, welches mit der Schwingungsmembran verbunden ist, und Bilden eines zweiten Elektrodenpads, welches mit der fixierten Membran verbunden ist.
Bei einer exemplarischen Ausführungsform kann das Bilden des ersten Elektrodenpads, welches mit der Schwingungsmembran verbunden ist, aufweisen: Bilden eines Elektrodenlochs durch Ätzen der fixierten Membran und der Opferschicht, um die Schwingungsmembran freizulegen, und Bilden des ersten Elektrodenpads durch Aufbringen (z.B. Anlagern) eines Metallmaterials in dem Elektrodenloch.
Bei einer exemplarischen Ausführungsform kann das Bilden des zweiten Elektrodenpads, welches mit der fixierten Membran verbunden ist, aufweisen: Bilden eines Elektrodenlochs durch Ätzen der Fixierte-Membran-Stützschicht, um die Fixierte-Membran-Elektrodenschicht freizulegen, und Bilden des zweiten Elektrodenpads durch Aufbringen eines Metallmaterials in dem Elektrodenloch.
Bei einer exemplarischen Ausführungsform kann das Aufbringen der Schwingungsmembran auf die Oxidmembran aufweisen: Aufbringen einer Schwingungsmembran auf die Oxidmembran, Ausführen von Ionen-Implantation in die Schwingungsmembran hinein (z.B. Implantieren von Ionen in die Schwingungsmembran; z.B. Dotieren der Schwingungsmembran), Ausführen von Wärmebehandlung an der ionen-implantierten Schwingungsmembran (z.B. an der Schwingungsmembran, in welche Ionen implantiert sind).
Gemäß diesem technischen Verfahren ist es möglich die Steifigkeit (z.B. die Membransteifigkeit) einer Schwingungsmembran zu verringern und die Kapazität zu maximieren durch Bilden der Schwingungsmembran in einer unebenen Struktur (z.B. durch Bilden der Schwingungsmembran derart, dass sie eine unebene Struktur aufweist), um die Empfindlichkeit durch ein einfaches Ätzverfahren zu verbessern (z.B. um durch ein einfaches Ätzverfahren die unebene Struktur herzustellen und so die Empfindlichkeit zu verbessern).
Darüber hinaus können verschiedene Effekte, welche durch dieses Dokument direkt oder indirekt identifiziert werden können, bereitgestellt sein.
Zeichnungen
1 stellt eine Querschnittansicht eines konventionellen MEMS-Mikrofons dar.
2 stellt eine Querschnittansicht dar, welche ein MEMS-Mikrofon in einer Form (z.B. einer Ausführungsform) der vorliegenden Erfindung/Offenbarung zeigt.
3 stellt eine Draufsicht einer fixierten Membran eines MEMS-Mikrofons in einer Form (z.B. einer Ausführungsform) der vorliegenden Erfindung/Offenbarung dar.
4 stellt eine Draufsicht einer Schwingungsmembran eines MEMS-Mikrofons in einer Form (z.B. einer Ausführungsform) der vorliegenden Erfindung/Offenbarung dar.
5A bis 5C stellen 3D-Strukturansichten eines MEMS-Mikrofons in einer Form (z.B. einer Ausführungsform) der vorliegenden Erfindung/Offenbarung dar.
6A bis 61 stellen schematische Verfahrensdarstellungen dar zum Beschreiben eines Herstellungsverfahrens (z.B. eines Herstellungsprozesses) eines MEMS-Mikrofons in einer Form (z.B. einer Ausführungsform) der vorliegenden Erfindung/Offenbarung.
7A bis 7B stellen eine Draufsicht einer Schwingungsmembran eines MEMS-Mikrofons in einer Form (z.B. einer Ausführungsform) der vorliegenden Erfindung/Offenbarung dar.
8 stellt ein Schaubild dar, welches einen Empfindlichkeitsvergleich zwischen einer unebenen Struktur und einer ebenen Struktur einer Schwingungsmembran eines MEMS-Mikrofons in einer Form der vorliegenden Erfindung/Offenbarung zeigt.
9 stellt ein Auslenkungsanalyseergebnis einer Schwingungsmembran, welche eine unebene Struktur hat, bei einem MEMS-Mikrofon in einer Form der vorliegenden Erfindung/Offenbarung dar.
Detaillierte Beschreibung
Nachfolgend werden einige exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung/Offenbarung im Detail mit Bezug auf exemplarische Zeichnungen beschrieben. Es soll angemerkt sein, dass beim Hinzufügen von Bezugszeichen zu den Bestandteilen jeder Zeichnung, wenn möglich dieselben Bestandteile dieselben Bezugszeichen haben, sogar wenn diese bei unterschiedlichen Zeichnungen angegeben sind. Darüber hinaus werden beim Beschreiben von exemplarischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung/Offenbarung, wenn festgestellt wird, dass sich detaillierte Beschreibungen von verwandten wohl-bekannten Konfigurationen oder Funktionen mit dem Verständnis der exemplarischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung/Offenbarung überlagern, die detaillierten Beschreibungen davon weggelassen.
Beim Beschreiben der Bestandteile gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung/Offenbarung, können Bezeichnungen, wie beispielsweise „erste/r/s“, „zweite/r/s“, „A“, „B“, „(a)“ und „(b)“ verwendet werden. Diese Bezeichnungen sind nur zum Unterscheiden der Bestandteile von anderen Bestandteilen da, und die Beschaffenheit, Reihenfolgen oder Ordnungen (z.B. Anordnungen) der Bestandteile sind durch diese Bezeichnungen nicht beschränkt. Darüber hinaus haben alle Bezeichnungen, einschließlich technisch-wissenschaftlicher Bezeichnungen, welche in diesem Dokument verwendet werden, dieselben Bedeutungen wie jene, welche von dem Fachmann auf dem technischen Gebiet, zu welchem die vorliegende Erfindung/Offenbarung gehört, verstanden werden, es sei denn, sie sind unterschiedlich (z.B. abweichend) definiert. Bezeichnungen, welche in einem allgemein verwendeten Wörterbuch definiert sind, sollen aufgefasst werden, um Bedeutungen zu haben, welche zu jenen in dem Kontext einer verwandten Technik passen, und sollen nicht aufgefasst werden, um idealisierte oder übermäßig formelle Bedeutungen zu haben, solange sie in der vorliegenden Spezifikation nicht klar definiert sind.
Die vorliegende Erfindung/Offenbarung offenbart eine Technik zum Reduzieren von Steifigkeit (einer steifen Eigenschaft, welche nicht die Form oder das Volumen verändert, selbst wenn Druck auf ein Objekt ausgeübt wird) und zum Maximieren von Kapazität durch Bilden einer Schwingungsmembran eines MEMS-Mikrofons, um eine unebene Struktur zu haben, wodurch die Empfindlichkeit erhöht wird.
Nachfolgend werden exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung/Offenbarung im Detail mit Bezug auf die 2 bis 9 beschrieben.
2 stellt eine Querschnittansicht dar, welche ein MEMS-Mikrofon gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung/Offenbarung zeigt, 3 stellt eine Draufsicht einer Schwingungsmembran eines MEMS-Mikrofons gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung/Offenbarung dar, und 4 stellt eine Draufsicht einer Schwingungsmembran eines MEMS-Mikrofons gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung/Offenbarung dar.
Bezugnehmend auf 2 wird bei dem MEMS-Mikrofon gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung/Offenbarung eine Oxidmembran 203 auf einem Substrat 201 gebildet, und eine Schwingungsmembran 204, welche eine unebene Struktur hat, ist auf der Oxidmembran 203 aufgebracht (z.B. angeordnet), und eine Opferschicht 205, eine Fixierte-Membran-Elektrodenschicht 206 und eine Fixierte-Membran-Stützschicht 207 sind sequenziell auf der Schwingungsmembran 204 gestapelt (z.B. übereinander angeordnet). In diesem Fall werden die Fixierte-Membran-Elektrodenschicht 206 und die Fixierte-Membran-Stützschicht 207 als „fixierte Membranen“ bezeichnet.
Ein mittlerer Abschnitt des Substrats 201 ist geätzt, um einen Durchgangsabschnitt 221 zu bilden, und die Schwingungsmembran 204 und die fixierten Membranen 206 und 207 sind durch eine Luftschicht 222 im Abstand zueinander angeordnet (z.B. durch eine Luftschicht 222 voneinander getrennt) durch das Ätzen (z.B. Abätzen) der Opferschicht 205 auf der Schwingungsmembran 204, welche die unebene Struktur hat.
Die fixierten Membranen 206 und 207 werden durch ein Ätzmuster (z.B. entsprechend einer Ätzvorlage; z.B. mithilfe einer Ätzmaske) geätzt, um alternierend (z.B. abwechselnd) Löcher 208 zu bilden (z.B. um ein Lochmuster mit alternierenden Löchern zu bilden), und jedes von den Löchern 208 kann gebildet sein, um positioniert zu sein, um einem konvexen Abschnitt 209 der unebenen Struktur der Schwingungsmembran 204 gegenüberzustehen, beispielsweise in einer vertikal gleichen Position. Im Umkehrschluss können die fixierten Membranen 206 und 207 gebildet sein, um positioniert zu sein, um einem konkaven Abschnitt der unebenen Struktur der Schwingungsmembran 204 gegenüberzustehen, d.h. in einer vertikalen gleichen Position. Daher, weil die Löcher 208 der fixierten Membranen 206 und 207 an derselben Position (z.B. an der vertikal selben Position) wie der konvexe Abschnitt (z.B. die jeweiligen konvexen Abschnitte) der unebenen Struktur der Schwingungsmembran 204 positioniert sind, kann eine Kapazitätsveränderung zwischen den Schwingungsmembranen und der fixierten Membran (bzw. zwischen der Schwingungsmembran und den fixierten Membranen) maximiert sein, um die Empfindlichkeit zu erhöhen.
Darüber hinaus weist das MEMS-Mikrofon auf: ein Elektrodenpad 211 zum Anlegen einer elektrischen Spannung an die Fixierte-Membran-Elektrodenschicht 206, und ein Elektrodenpad 212 zum Anlegen einer elektrischen Spannung an die Schwingungsmembran 204.
Das Elektrodenpad 211 kann gebildet sein durch Ätzen der Fixierte-Membran-Stützschicht 207, um die Fixierte-Membran-Elektrodenschicht 206 freizulegen, und Aufbringen/Anlagern eines Metallmaterials in einem auf diese Weise gebildeten Elektrodenlochs, um eine vorbestimmte Dicke zu haben (z.B. damit das Elektrodenpad 211 eine vorbestimmte Schichtdicke hat). Das Elektrodenpad 212 kann gebildet sein durch Ätzen der fixierten Membranen 206 und 207 und der Opferschicht 205, um die Schwingungsmembran 204 freizulegen, und Aufbringen/Anlagern eines Metallmaterials in einem auf diese Weise gebildeten Elektrodenloch, um eine vorbestimmte Dicke zu haben (z.B. damit das Elektrodenpad 212 eine vorbestimmte Schichtdicke hat).
In diesem Fall können das Substrat 201, die Fixierte-Membran-Elektrodenschicht 206 und die Schwingungsmembran 204 aus Polysilizium gebildet sein, die Opferschicht 205 kann als eine Oxidmembran aufgebracht (z.B. angeordnet) sein, und die Fixierte-Membran-Stützschicht 207 kann aus einer Siliziumnitrid-Schicht (SiN-Schicht) gebildet sein.
Bezugnehmend auf die Draufsicht auf die fixierte Membran aus 3 ist das Ätzmuster zum Bilden der Löcher 208 zwischen (z.B. in) der Fixierte-Membran-Stützschicht 207 und der Fixierte-Membran-Elektrodenschicht 206 gebildet, um eine Ringstruktur zu haben, welche sich in einer Richtung von einer Mitte davon aus zu der Außenseite hin vergrößert, und die jeweiligen ringförmigen Ätzmuster sind separat gebildet in einer Richtung, in welcher ein Konstantes-Horizontal-Balken-Muster einen Kreis (z.B. eine Kreisbahn) in einem vorbestimmten Intervall zeichnet (z.B. zieht) (z.B. sind die jeweiligen ringförmigen Ätzmuster getrennt voneinander auf einer jeweiligen Kreisbahn angeordnet, wobei sich die jeweiligen Kreisbahnen in einem vorbestimmten Abstand zueinander befinden aufgrund von jeweiligen durchgehenden (z.B. konstanten) Balken-Bereichen, welche ebenfalls auf jeweiligen Kreisbahnen angeordnet sind).
Wie in 4 dargestellt wird die Schwingungsmembran 204 in einer Richtung gebildet, in welcher ringförmige Muster (z.B. Ringmuster; im Folgenden „Ringmuster“ genannt) 213, 214, 215 und 216 der Schwingungsmembran 204 sich hinsichtlich ihrer Größe von einer Mitte eines korrespondierenden Kreises aus zu der Außenseite hin vergrößern (z.B. zunehmen), und wobei die jeweiligen Ringmuster 213, 214, 215 und 216 separat gebildet sind in einer Richtung, in welcher ein Konstantes-Horizontal-Balken-Muster in einem vorbestimmten Abstand einen Kreis (z.B. eine Kreisbahn) zeichnet.
Daher kann gemäß der vorliegenden Erfindung/Offenbarung die Schwingungsmembran als die Unebene-Struktur gebildet sein (z.B. kann die Schwingungsmembran die unebene Struktur aufweisen), um Eigenspannung zu verringern, damit die Steifigkeit reduziert wird, und die Kapazitätsveränderung zwischen der Schwingungsmembran und der fixierten Membran kann maximiert sein durch Bilden eines Loches in der fixierten Membran an einer Position, welche mit dem konvexen Abschnitt der unebenen Struktur der Schwingungsmembran korrespondiert, wodurch die Empfindlichkeit verbessert wird.
5A bis 5C stellen 3D-Struckturansichten eines MEMS-Mikrofons gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung/Offenbarung dar.
5A stellt eine 3D-Dünnschichtstruktur (z.B. 3D-Dünnfilmstruktur) eines MEMS-Mikrofons dar, welche konfiguriert ist, um eine fixierte Membran 510 und eine Schwingungsmembran 520 aufzuweisen, wobei die Schwingungsmembran 520 als eine Einzel-Polysilizium-Membran 521 konfiguriert ist, welche eine unebene Struktur 522 hat, welche eine Elektrodenschicht bildet, und wobei die fixierte Membran 510 gebildet ist, um eine Fixierte-Membran-Elektrodenschicht 511 und eine Fixierte-Membran-Stützschicht 512 aufzuweisen. In diesem Fall kann die Fixierte-Membran-Elektrodenschicht 511 aus einer Polysilizium-Dünnschicht (z.B. einem Polysilizium-Dünnfilm) gebildet sein, und die Fixierte-Membran-Stützschicht 512 kann aus einer Siliziumnitrid-Schicht gebildet sein. Die Schwingungsmembran 520 hat eine Struktur, in welcher eine schlitzförmig unebene Struktur eine radiale Form bildet, und eine Fläche der unebenen Struktur, welche senkrecht zu einer hervorstehenden Flächen davon ist und die Fixierte-Membran-Elektrodenschicht 511 kontaktiert, ist geätzt und durchbrochen (z.B. durchlöchert).
5B stellt eine Draufsicht der Schwingungsmembran 520 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung/Offenbarung dar, und 5C stellt eine Draufsicht der fixierten Membran 510 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung/Offenbarung dar. Bei der fixierten Membran 510 sind Löcher 513 alternierend positioniert (z.B. weist die fixierte Membran 510 ein Lochmuster mit abwechselnd angeordneten Löchern auf).
6A bis 61 stellen schematische Verfahrensansichten dar zum Beschreiben eines Herstellungsverfahrens eines MEMS-Mikrofons gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung/Offenbarung.
Als erstes, bezugnehmend auf 6A, wird eine Oxidmembran 602 auf einem Silizium-Substrat (z.B. einem Silizium-Trägermaterial) angeordnet, um eine vorbestimmte Dicke (z.B. Schichtdicke) zu haben, und wird profiliert (bzw. mit einem Muster versehen), um eine unebene Gestalt zu haben (z.B. wird derart bearbeitet, um eine unebene Oberfläche aufzuweisen). Zum Beispiel kann das Profilieren/Mustererzeugen, sodass die unebene Gestalt entsteht, unter Verwenden einer Ätzmaske ausgeführt werden.
Als nächstes, bezugnehmend auf 6B, wird eine Schwingungsmembran 603 auf die unebene Oxidmembran 602 aufgebracht, und Ionenimplantation (z.B. Dotierung) und Wärmebehandlung werden daran durchgeführt. Zum Beispiel kann die Schwingungsmembran 603 aus Polysilizium (Poly-Si) gebildet sein. In diesem Fall werden Unreinheiten dotiert (z.B. eingebracht) durch die Ionenimplantation, und die Wärmebehandlung ist eines der Wärmebehandlungsverfahren zum Erhitzen eines Metallmaterials, welche eine Härte und eine Steifigkeit eines Metalls verringern können.
Als nächstes, bezugnehmend auf 6C, wird eine Oxidmembran zum Bilden einer Opferschicht 604 auf die wärmebehandelte Schwingungsmembran 603 aufgebracht, um eine vorbestimmte Dicke zu haben.
Als nächstes, bezugnehmend auf 6D, wird eine Fixierte-Membran-Elektrodenschicht 605 auf die Opferschicht 604 aufgebracht, die Ionenimplantation und die Wärmebehandlung werden daran durchgeführt, und dann wird eine Siliziumnitrid-Membran (SiN-Membran) zum Bilden einer Fixierten-Membran-Stützschicht 606 darauf aufgebracht, um eine vorbestimmte Dicke zu haben. Zum Beispiel kann die Fixierte-Membran-Elektrodenschicht 605 aus Polysilizium gebildet sein.
Als nächstes, bezugnehmend auf 6E, wird das Profilieren (z.B. Mustererzeugen) eines fixierten Lochs (z.B. eines Durchgangslochs) durchgeführt (z.B. wird ein Durchgangsloch erstellt) zum Bilden der Fixierte-Membran-Elektrodenschicht 605 in einem Uneben-Typ (z.B. zum Bilden einer unebenen Fixierte-Membran-Elektrodenschicht 605). Zum Beispiel kann die Fixierte-Membran-Elektrodenschicht 605 gebildet sein, um eine unebene Struktur zu haben, durch Bilden eines Fixierloches (z.B. Durchgangsloches) 607 mittels Ätzens der fixierten Elektrodenschicht (z.B. der Fixierte-Membran-Elektrodenschicht) 605 unter Verwenden einer Ätzmaske.
Als nächstes, bezugnehmend auf 6F, werden Löcher 608 und 618 zum Bilden eines Elektrodenpads gebildet durch Ätzen der Opferschicht 604, der Fixierte-Membran-Elektrodenschicht 605 und der Fixierte-Membran-Stützschicht 606 auf der Schwingungsschicht (bzw. der Schwingungsmembran) 603 durch ein Ätzverfahren (z.B. wird das Loch 618 durch Ätzen der Fixierte-Membran-Stützschicht 606 gebildet, und das Loch 608 wird durch Ätzen der Opferschicht 604, der Fixierte-Membran-Elektrodenschicht 605 und der Fixierte-Membran-Stützschicht 606 gebildet).
Als nächstes, bezugnehmend auf 6G, werden Elektrodenpads 609 und 619 gebildet durch Aufbringen (z.B. Anlagern) eines Metallmaterials zum Bilden eines Elektrodenpads an dem Elektrodenpad-Loch 608 (z.B. wird das Elektrodenpad 609 an dem Elektrodenpad-Loch 608 und das Elektrodenpad 619 an dem Elektrodenpad-Loch 618 gebildet durch jeweiliges Anlagern eines Metallmaterials).
Als nächstes, bezugnehmend auf 6H, wird ein Durchgangsabschnitt 610 gebildet durch Ätzen des Silizium-Substrats 601 bis hin zu einer Position, an welcher die Oxidmembran 602 freigelegt ist, durch rückwärtiges Ätzen (z.B. Ätzen von unten) des Silizium-Substrats 601 unter der Schwingungsmembran 603.
Als nächstes, bezugnehmend auf 61, werden die Oxidmembran 602 und die Opferschicht 604 geätzt durch Fluorwasserstoffsäure-Evaporation-Ätzen, und eine Luftschicht (z.B. ein Luftspalt) 611 wird gebildet durch Ätzen davon (z.B. durch Wegätzen der Opferschicht 604) bis hin zu einer Position, an welcher die Fixierte-Membran-Elektrodenschicht 605 freigelegt ist. Dementsprechend befinden sich die Schwingungsmembran 603 und die Fixierte-Membran-Elektrodenschicht 605 in einem vorbestimmten Abstand zueinander, welcher durch die Luftschicht 611 vorgegeben ist.
7A und 7B stellen eine Draufsicht auf die Schwingungsmembran eines MEMS-Mikrofons gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung/Offenbarung dar.
Bezugnehmend auf 7A hat eine Schwingungsmembran 711, welche eine unebene Struktur hat, ein Ätzmuster 712 (z.B. ein durch Ätzen hergestelltes Muster 712), welches eine Ringstruktur hat, und weist Ringstrukturen 714, 715 und 716 auf, welche sich um einen mittleren Kreis 113 herum zunehmend ausdehnen.
Jede der Ringstrukturen 714, 715 und 716 dehnt sich von dem mittleren Kreis 713 aus nach außen hin aus, weist Muster 117 und 718 auf, welche alternierend (z.B. abwechselnd) positioniert sind, und wobei jedes von den Mustern 117 und 718 eine unterschiedliche Länge hat, welche sich von dem mittleren Kreis 713 aus nach außen hin erstreckt. In 7A kann das Muster 717 gebildet sein, um länger als das Muster 718 zu sein.
Bezugnehmend auf 7B, hat die Schwingungsmembran 721 ein Ätzmuster 722, welches eine Ringstruktur hat, wobei Muster 725 und 726, welche sich von einer Mitte 723 zu einem Außenumfang 724 hin erstrecken, alternierend (z.B. abwechselnd) in einer Uhrzeigerrichtung positioniert sind, wobei jedes von dem Muster 725 und dem Muster 726 eine Längsform (z.B. eine sich longitudinal erstreckende Form) aufweist, welche sich von der Mitte 723 aus zu dem Außenumfang 724 hin erstreckt, und wobei eine Länge des Musters 725 länger sein kann als jene des Musters 726.
8 stellt ein Schaubild dar, welches einen Empfindlichkeitsvergleich zwischen einer unebenen und einer ebenen Struktur einer Schwingungsmembran eines MEMS-Mikrofons gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung/Offenbarung zeigt, und 9 stellt ein Auslenkungsanalyseergebnis einer Schwingungsmembran, welche eine unebene Struktur hat, bei einem MEMS-Mikrofon gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung/Offenbarung dar.
Gemäß den exemplarischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung/Offenbarung können die Strukturen der Schwingungsmembran und der fixierten Membran die Empfindlichkeit entscheidend verbessern ohne einen Herstellungspreis (z.B. die Herstellungskosten) zu erhöhen, durch Anwenden eines relativ einfachen Ätzverfahrens (z.B. Ätzprozesses) an der Schwingungsmembran.
Bezugnehmend auf 8 kann in dem Fall des Verwendens einer Schwingungsmembran, welche eine unebene Struktur hat, erkannt werden, dass die Empfindlichkeit ungefähr verdoppelt wird verglichen mit einem Mikrofon, welches eine Schwingungsmembran verwendet, welche eine ebene Struktur hat.
Gemäß den exemplarischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung/Offenbarung, kann die Schwingungsmembran vom Unebene-Struktur-Typ mittels eines Analyseverfahrens nach dem 3D-Modellieren (bzw. der 3D-Modellierung), wie in 5A dargestellt, überprüft werden, und als Ergebnisse des Analysierens der Auslenkung und der Empfindlichkeit der Schwingungsmembran, welche die unebene Struktur hat, wie in 9 dargestellt, kann erkannt werden, dass die Empfindlichkeit verbessert ist durch Verbessern der Schwingungsauslenkung (bzw. Oszillationsauslenkung) und der Empfindlichkeit durch eine Spannungsabnahme (z.B. Mechanische-Spannung-Abnahme) der Schwingungsmembran und durch Erhöhen der Kapazitätsveränderung durch die unebene Struktur.
Die obenstehende Beschreibung ist für die technische Idee der vorliegenden Erfindung/Offenbarung nur beispielhaft, und der Fachmann auf dem Gebiet, zu welchem die vorliegende Erfindung/Offenbarung gehört, kann verschiedene Modifikationen und Variationen durchführen, ohne von den wesentlichen Merkmalen der vorliegenden Erfindung/Offenbarung abzuweichen.
Daher sind die exemplarischen Ausführungsformen, welche in der vorliegenden Erfindung/Offenbarung offengelegt sind, nicht dazu gedacht, um die technischen Ideen der vorliegenden Erfindung/Offenbarung zu beschränken, sondern um diese zu erklären, und der Umfang der technischen Ideen der vorliegenden Erfindung/Offenbarung ist nicht durch diese exemplarischen Ausführungsformen beschränkt. Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung/Offenbarung soll gemäß der nachfolgenden Ansprüche interpretiert werden, und alle technischen Ideen, welche innerhalb des wesensgleichen Bereiches liegen, sollen interpretiert werden, als dass sie zu dem Umfang der vorliegenden Erfindung/Offenbarung gehören.

203: Oxidmembran
201: Substrat
204: Schwingungsmembran
205: Opferschicht
206: Fixierte-Membran-Elektrodenschicht
207: Fixierte-Membran-Stützschicht
222: Luftschicht

Claims

MEMS-Mikrofon, aufweisend: ein Substrat (201, 601), welches konfiguriert ist, um einen Durchgangsabschnitt (221, 610) zu haben, welcher in einem mittleren Abschnitt des Substrats (201, 601) gebildet ist, eine Schwingungsmembran (204, 520, 603, 711, 721), welche konfiguriert ist, um eine unebene Struktur (522) zu haben, welche auf dem Durchgangsabschnitt (221, 610) des Substrats (201, 601) gebildet ist, und eine fixierte Membran (110), welche an einer oberen Position bereitgestellt ist, welche sich in einem vorbestimmten Abstand zu der Schwingungsmembran (204, 520, 603, 711, 721) befindet.
MEMS-Mikrofon gemäß Anspruch 1, wobei die fixierte Membran (510) einen Lufteinlass (208, 513, 607) mit einer Fläche hat, welche einem konvexen Abschnitt (209) der unebenen Struktur (522) vertikal gegenübersteht, um durchdrungen zu werden.
MEMS-Mikrofon gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die fixierte Membran (510) an der Schwingungsmembran (204, 520, 603, 711, 721) bereitgestellt ist, um sich im Abstand von der unebenen Struktur (522) zu befinden, wobei die fixierte Membran (510) ferner aufweist: eine Fixierte-Membran-Elektrodenschicht (206, 511, 605), und eine Fixierte-Membran-Stützschicht (207, 512, 606), welche auf der Fixierte-Membran-Elektrodenschicht (206, 511, 605) bereitgestellt ist.
MEMS-Mikrofon gemäß Anspruch 3, ferner aufweisend: eine Oxidmembran (203, 602), welche auf dem Substrat (201, 601) in einem Bereich ausgenommen dem Durchgangsabschnitt (221, 610) des Substrats (201, 601) bereitgestellt ist.
MEMS-Mikrofon gemäß Anspruch 4, ferner aufweisend: eine Opferschicht (205, 604), welche auf der Schwingungsmembran (204, 520, 603, 711, 721) bereitgestellt ist, welche auf der Oxidmembran (203, 602) bereitgestellt ist.
MEMS-Mikrofon gemäß Anspruch 5, wobei die Fixierte-Membran-Stützschicht (207, 512, 606) auf der Opferschicht (205, 604) bereitgestellt ist.
MEMS-Mikrofon gemäß Anspruch 6, ferner aufweisend: ein erstes Elektrodenpad (212, 609), welches konfiguriert ist, um eine elektrische Spannung an die Schwingungsmembran (204, 520, 603, 711, 721) anzulegen.
MEMS-Mikrofon gemäß Anspruch 7, wobei das erste Elektrodenpad (212, 609) die Schwingungsmembran (204, 520, 603, 711, 721) durch Löcher (608) hindurch kontaktiert, welche durch Ätzen der Opferschicht (205, 604) und der Fixierte-Membran-Stützschicht (207, 606, 512) gebildet sind.
MEMS-Mikrofon gemäß einem der Ansprüche 1-8 sofern in Kombination mit Anspruch 7, ferner aufweisend: ein zweites Elektrodenpad (211, 619), welches konfiguriert ist, um eine elektrische Spannung an die fixierte Membran (510) anzulegen.
MEMS-Mikrofon gemäß Anspruch 9, wobei das zweite Elektrodenpad (211, 619) die fixierte Membran (510) durch ein Loch (618) hindurch kontaktiert, welches durch Ätzen der Opferschicht (205, 604) gebildet ist.
MEMS-Mikrofon gemäß einem der Ansprüche 1-10, wobei die Schwingungsmembran (204, 520, 603, 711, 721) eine Mehrzahl von ringförmigen Ätzmustern hat, wobei die Mehrzahl von ringförmigen Ätzmustern in einer Richtung gebildet ist, welche sich von einer Mitte eines Kreises aus zu einer Außenrichtung des Kreises hin ausdehnt, und wobei jedes ringförmige Ätzmuster eine Struktur hat, in welcher Muster (213, 214, 215, 216), welche eine vorbestimmte Größe haben, sich in einer horizontalen Richtung in einem regelmäßigen Intervall in einem Abstand zueinander befinden, um in einer Ringstruktur angeordnet zu sein.
MEMS-Mikrofon gemäß einem der Ansprüche 1-11, wobei die Schwingungsmembran (204, 520, 603, 711, 721) ein ringförmiges Ätzmuster (712, 122) hat, wobei die Schwingungsmembran (204, 520, 603, 711, 721) eine Struktur aufweist, in welcher ein erstes Muster (717, 725) und ein zweites Muster (718, 726), welche unterschiedliche Längen haben, welche sich ausgehend von einer Mitte (713, 723) eines Kreises in dem ringförmigen Ätzmuster (712, 722) in einer Längsrichtung nach außen erstrecken, abwechselnd angeordnet sind.
MEMS-Mikrofon gemäß einem der Ansprüche 1-12, wobei die Schwingungsmembran (204, 520, 603, 711, 721), eine Mehrzahl von ringförmigen Ätzmustern (712, 722) hat, wobei die Mehrzahl von ringförmigen Ätzmustern (712, 722) in eine Richtung gebildet ist, welche sich von einer Mitte (713, 723) eines Kreises aus zu einer Außenrichtung des Kreises hin ausdehnt, und wobei jedes ringförmige Ätzmuster (712, 722) eine Struktur aufweist, in welcher ein erstes Muster (717, 725) und ein zweites Muster (718, 726), welche unterschiedliche Längen haben, abwechselnd in einer Längsrichtung angeordnet sind.
Herstellungsverfahren eines MEMS-Mikrofons, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen einer Oxidmembran (203, 602) auf einem Substrat (201, 601) und Durchführen einer Mustererzeugung an der Oxidmembran (203, 602), um eine unebene Struktur (522) zu haben, Bereitstellen einer Schwingungsmembran (204, 520, 603, 711, 721) auf der Oxidmembran (203, 602), Bereitstellen einer Opferschicht (205, 604) auf der Schwingungsmembran (204, 520, 603, 711, 721), Bereitstellen einer fixierten Membran (510) auf der Opferschicht (205, 604), Ätzen der fixierten Membran (510), um alternierende Löcher (208, 513, 607) darin zu bilden, Bilden eines Durchgangsabschnittes (221, 610) durch Ätzen eines mittleren Abschnittes des Substrats (201, 601), um die Oxidmembran (203, 602) freizulegen, und Ätzen der Opferschicht (205, 604) und der Oxidmembran (203, 602) auf dem Durchgangsabschnitt (221, 610).
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 14, wobei das Bereitstellen der fixierten Membran (510) aufweist: Bereitstellen einer Fixierte-Membran-Elektrodenschicht (206, 511, 605) auf der Opferschicht (205, 604), und Bereitstellen einer Fixierte-Membran-Stützschicht (207, 512, 606) auf der Fixierte-Membran-Elektrodenschicht (206, 511, 605).
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, wobei das Ätzen der fixierten Membran (510) aufweist: Ätzen der fixierten Membran (510) derart, dass sich die Löcher (208, 513, 607) und ein konvexer Abschnitt (209) der unebenen Struktur (522) der Schwingungsmembran (204, 520, 603, 711, 721) darunter an einer vertikal gleichen Position befinden.
Herstellungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 14-16, ferner aufweisend: Bilden eines ersten Elektrodenpads (212, 609), welches mit der Schwingungsmembran (204, 520, 603, 711, 721) verbunden ist, und Bilden eines zweiten Elektrodenpads (211, 619), welches mit der fixierten Membran (510) verbunden ist.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 17, wobei das Bilden des ersten Elektrodenpads (212, 609) aufweist: Bilden eines Elektrodenloches (608) durch Ätzen der fixierten Membran (110) und der Opferschicht (205, 604), um die Schwingungsmembran (204, 520, 603, 711, 721) freizulegen, und Bilden des ersten Elektrodenpads (212, 609) durch Bereitstellen eines Metallmaterials in dem Elektrodenloch (608) .
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 17 oder 18, wobei das Bilden des zweiten Elektrodenpads (211, 619) aufweist: Bilden eines Elektrodenloches (618) durch Ätzen der Fixierte-Membran-Stützschicht (207, 512, 606), um die Fixierte-Membran-Elektrodenschicht (206, 511, 605) freizulegen, und Bilden des zweiten Elektrodenpads (211, 619) durch Bereitstellen eines Metallmaterials in dem Elektrodenloch (618) .
Herstellungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 14-19, wobei das Bereitstellen der Schwingungsmembran (204, 520, 603, 711, 721) auf der Oxidmembran (203, 602) aufweist: Bereitstellen einer Schwingungsmembran (204, 520, 603, 711, 721) auf der Oxidmembran (203, 602), Durchführen von Ionenimplantation in die Schwingungsmembran (204, 520, 603, 711, 721) hinein, und Durchführen von Wärmebehandlung an der ionen-implantierten Schwingungsmembran (204, 520, 603, 711, 721).