DE112011105845B4

DE112011105845B4 - MEMS-Mikrofon mit reduzierter parasitärer Kapazität und Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Mikrofons

Info

Publication number: DE112011105845B4
Application number: DE112011105845.4T
Authority: DE
Inventors: Leif Steen Johansen; Jan Tue Ravnkilde; Pirmin Hermann Otto Rombach; Kurt Rasmussen
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2011-11-14
Filing date: 2011-11-14
Publication date: 2019-08-22
Anticipated expiration: 2031-11-15
Also published as: WO2013071952A1; DE112011105845T5; JP2015502693A; US9980052B2; US20150076627A1; JP5877907B2

Abstract

MEMS-Mikrofon, aufweisend:
- eine Membran (M) in einer Membranschicht, eine erste Rückplatte (BP) in einer ersten Rückplattenschicht, ein Ankerelement (AN) in einer Ankerschicht zwischen der Membranschicht und der ersten Rückplattenschicht, eine Schutzschicht (PF),
- eine aktive Region (AAR) und eine Randregion (RR), die die aktive Region (AAR) umgibt,
wobei
- die Schutzschicht (PF) die erste Rückplatte (BP) und/oder das Ankerelement (AN) in der Randregion (RR) abdeckt,
- das Ankerelement die Rückplatte mechanisch mit der Membran verbindet,
- das Ankerelement in lateraler Richtung bündig mit der ersten Rückplatte abschließt, so dass
· die Randfläche des Ankerelements und die Randfläche der ersten Rückplatte direkt übereinander angeordnet sind und
· die Schutzschicht die Randfläche des Ankerelements und die Randfläche der ersten Rückplatte gleichzeitig abdeckt, so dass ein Ätzmittel das Material des Ankerelements von der Randseite des Mikrofons aus nicht beschädigen kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft MEMS-Mikrofone mit reduzierter parasitärer Kapazität und Verfahren zur Herstellung solcher Mikrofone.
MEMS-Mikrofone weisen üblicherweise eine leitende Rückplatte und eine leitende, flexible Membran auf, die in einem Abstand von der Rückplatte angeordnet ist. Die Rückplatte und die Membran realisieren Elektroden eines Kondensators. Wenn eine Vorspannung an die Elektroden angelegt wird, dann werden Schwingungen der Membran, die durch empfangene akustische Signale verursacht werden, in elektrische Signale umgewandelt. Zur weiteren Signalverarbeitung können MEMS-Mikrofone einen ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung)-Chip aufweisen.
Aus der US 2010/0117124 A1 sind MEMS-Mikrofone mit integrierten Halbleiterschaltern und Verfahrensschritte zur Herstellung solcher Mikrofone bekannt.
Aus der US 2007/0165888 A1 sind ebenfalls MEMS-Mikrofone bekannt.
Aus der US 2009/0080682 A1 sind Mikrofon-Bauelemente bekannt, bei denen ein MEMS-Chip neben einem ASIC-Chip im Innern eines Gehäuses angeordnet sind.
Aus der DE 102010008044 A1 sind sogenannte Double-Backplate-MEMS-Mikrofone und Verfahren zur Herstellung dazu bekannt. Aus der US 2009/0218642 A1 sind ebenfalls Double-Backplate-MEMS-Mikrofone und Verfahren zur Herstellung bekannt.
Aus der JP 2004-128957 A sind Schritte zur Herstellung eines einfach zu produzierenden MEMS-Mikrofons bekannt.
Aus der US 6,847,090 B2 sind Möglichkeiten für einen Gasaustausch zwischen den Rückvolumen eines MEMS-Mikrofons und seiner Umgebung bekannt.
Aus der DE 10160830 A1 sind MEMS-Sensoren mit Schutzelementen für MEMS-Strukturen bekannt.
Es werden ein MEMS-Mikrofon und ein Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Mikrofons gemäß den unabhängigen Ansprüchen angegeben. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen an.
Das Mikrofon weist eine Mittelregion und eine Randregion auf. Die Mittelregion ist als die akustisch aktive Region des Mikrofons definiert. Diese Mittelregion wird von der Randregion umgeben, die akustisch inaktiv ist. Innerhalb der Randregion sind Verbindungsmittel zum mechanischen und/oder elektrischen Verbinden der Rückplatte und der Membran auf einem Substratmaterial angeordnet. Zur Anfertigung von MEMS-Mikrofonen werden Herstellungsprozesse von Halbleiterbauelementen, wie beispielsweise Aufbringen von Schichten, Aufbringen von Fotoresistschichten, Strukturieren von Fotoresistschichten und teilweises Entfernen von strukturierten Schichten, verwendet. Der Kondensator weist einen akustisch aktiven Abschnitt auf, der durch die akustisch aktive Region des Mikrofons definiert ist. Ferner weist der Kondensator einen akustisch inaktiven Abschnitt auf, der durch den Kondensatorabschnitt innerhalb der Randregion definiert ist.
Ein MEMS-Mikrofon weist ein System von gestapelten Schichten auf. Der akustisch inaktive Abschnitt des Kondensators verschlechtert jedoch die Leistung des Mikrofons infolge von parasitärer Kapazität. Die entsprechende Signaldämpfung ist: $H_{c} = C_{m} / (C_{m} + C_{i} + C_{p}),$

wobei C_i die Eingangskapazität eines entsprechenden ASIC-Chips ist, der das elektrische Signal verarbeitet, und C_p die parasitäre Kapazität, d. h. die Kapazität des akustisch inaktiven Abschnitts des Kondensators, ist. C_m ist die Gesamtkapazität, welche die Kapazität der Randregion und die Kapazität der Mittelregion aufweist. Es ist zu beobachten, dass ein Reduzieren der parasitären Kapazität die Verschlechterung des Signals reduziert und demnach die Signalqualität des Mikrofons verbessert.
C_p hängt in erster Linie von der akustisch inaktiven Überlappungsregion der Rückplatte und der Membran ab.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein MEMS-Mikrofon mit reduzierter parasitärer Kapazität und ein Verfahren zur Herstellung solch eines Mikrofons anzugeben.
Es werden in den unabhängigen Ansprüchen ein MEMS-Mikrofon und ein Verfahren zur Herstellung solch eines Mikrofons angegeben. Die abhängigen Ansprüche geben bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung an.
Ein MEMS-Mikrofon weist eine Membran in einer Membranschicht, eine erste Rückplatte in einer ersten Rückplattenschicht, ein Ankerelement in einer Ankerschicht zwischen der Membranschicht und der ersten Rückplattenschicht und eine Schutzschicht auf. Das Mikrofon weist ferner eine aktive Region und eine Randregion auf. Die Randregion umgibt die aktive Region. Die Schutzschicht deckt die erste Rückplatte und/oder das Ankerelement in der Randregion ab.
Demnach weist das MEMS-Mikrofon einen Schichtstapel auf, in welchem die jeweiligen Funktionselemente, die Membran, die Rückplatte und das Ankerelement ausgebildet sind. Die aktive Region ist als die akustisch aktive Region definiert. Die Randregion weist Mittel zum mechanischen und/oder elektrischen Verbinden der Rückplatte und der Membran am Mikrofonkörper und/oder an externen elektrischen Schaltungen, wie beispielsweise einem ASIC-Chip, auf.
Der inaktive Abschnitt der Rückplatte weist eine bestimmte Breite W auf, die mit der Membran überlappt. Die Schutzschicht deckt wenigstens einen sensiblen Bereich des inaktiven Abschnitts der Rückplatte ab. Folglich sind der inaktive Abschnitt der Rückplatte und das Ankerelement zwischen der Rückplatte und der Membran gegen Umgebungseinflüsse geschützt. Das Ankerelement fungiert als Verbindungsmittel zum mechanischen Verbinden der Rückplatte und der Membran. Ferner trennt das Ankerelement die Rückplatte räumlich von der Membran, um einen elektrischen Kurzschluss zu verhindern.
Während der Herstellungsschritte solch eines MEMS-Mikrofons muss das Material der Ankerschicht des Mittelabschnitts entfernt werden, um die Membran von der Rückplatte zu trennen. Innerhalb des Randabschnitts muss jedoch Material der Ankerschicht zwischen der Rückplatte und der Membran bleiben, um das Ankerelement zu bilden. Üblicherweise schützt das Element der Rückplatte innerhalb des Randabschnitts das Ankerelement während dieses Schrittes. Die mechanische Stabilität des Ankerelements erfordert eine bestimmte Breite des Randabschnitts der Rückplatte. Ein breiterer Randabschnitt der Rückplatte führt zu einer größeren parasitären Kapazität C_p . Eine größere parasitäre Kapazität C_p führt zu einer Verschlechterung der Signalqualität.
Es wurde festgestellt, dass die Schutzschicht ein Mikrofon mit einer Rückplatte mit einem kleineren Bereich im Randabschnitt ermöglicht, ohne die mechanische Stabilität des Ankerelements zu gefährden. Demnach wird ein MEMS-Mikrofon erhalten, das eine gute mechanische Stabilität und eine gute elektrische Signalqualität bereitstellt.
In einer Ausführungsform weist die Schutzschicht ein Material auf, das einer VHF-Umgebung (engl.: Vapour Phase HF; dt. Dampfphasen-HF-Ätzumgebung unter Verwendung von Fluorwasserstoffsäure (HF)) standhält. Eine VHF-Umgebung kann verwendet werden, um das Material der Ankerschicht innerhalb der akustisch aktiven Region zu entfernen. Die Schutzschicht kann solch einer Ätzumgebung standhalten, so dass das Ankerelement, das nach dem Ätzprozess zurückbleiben muss, geschützt ist.
In einer Ausführungsform ist die Schutzschicht fotoempfindlich. Demnach kann die Schutzschicht durch Fotolitografieprozesse strukturiert werden.
Die Schutzschicht kann ein Polymermaterial aufweisen.
In einer Ausführungsform ist die Schutzschicht ein proTEK^® PSB-Schicht.
Solch eine Schicht ist eine fotoempfindliche Polymerschicht, die einer VHF-Umgebung standhalten kann.
In einer Ausführungsform ist das Ankerelement bündig mit der ersten Rückplatte ausgebildet. Demnach sind die Randfläche des Ankerelements und die Randfläche der ersten Rückplatte direkt übereinander angeordnet. Demgemäß kann die Schutzschicht beide Elemente in einer einfachen, aber wirksamen Topologie leicht gleichzeitig abdecken.
Ferner werden der Bereich des inaktiven Abschnitts der Rückplatte innerhalb der Randregion des Mikrofons und die entsprechende parasitäre Kapazität C_p ohne Verringerung der Stabilität des Mikrofons reduziert.
In einer Ausführungsform weist das Ankerelement ein Siliciumoxid, z. B. Siliciumdioxid SiO₂, auf. SiO₂ ist ein isolierendes Material. Dadurch sind die Rückplatte und die Membran elektrisch getrennt. Ferner stellt SiO₂ gute Hafteigenschaften bereit, um eine mechanisch stabile Verbindung zwischen der Rückplatte und der Membran herzustellen. Ferner kann SiO₂ innerhalb der akustisch aktiven Region des Mikrofons durch VHF-Maßnahmen leicht entfernt werden.
In einer Ausführungsform weist das MEMS-Mikrofon ferner eine zusätzliche Rückplatte in einer zusätzlichen Rückplattenschicht auf. Die Membranschicht ist zwischen der ersten Rückplattenschicht und der zusätzlichen Rückplattenschicht angeordnet. Demnach wird ein Mikrofon mit zwei Rückplatten erhalten, das dennoch verbesserte Signalqualität bereitstellt. Die Membran kann durch eine weitere Trennschicht elektrisch und mechanisch von der zusätzlichen Rückplatte getrennt sein.
In einer Ausführungsform weist das MEMS-Mikrofon ferner ein ringförmiges Trennelement in der zusätzlichen Rückplattenschicht auf. Das ringförmige Trennelement weist ein Trennmaterial auf und umgibt die zusätzliche Rückplatte. Das Trennmaterial kann ein Siliciumdioxid, z. B. SiO₂, aufweisen.
Es wurde festgestellt, dass der Abschnitt der zusätzlichen Rückplatte innerhalb der Randregion und der Abschnitt der Randregion der Membran ferner eine parasitäre Kapazität bilden, welche die Signalqualität des Mikrofons verschlechtert. Da ein ringförmiges Trennelement einen größeren Abschnitt der zusätzlichen Rückplatte in der Randregion vom Abschnitt der akustisch aktiven Region der zusätzlichen Rückplatte elektrisch trennt, können unerwünschte parasitäre Kapazitäten weiter reduziert sein.
Ein Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Mikrofons weist die folgenden Schritte auf:

- Bilden einer Membran in einer Membranschicht,
- Aufbringen einer Ankerschicht auf die Membranschicht,
- Aufbringen einer ersten Rückplattenschicht auf die Ankerschicht,
- Strukturieren der ersten Rückplatte in der ersten Rückplattenschicht,
- Aufbringen einer Schutzschicht in einer Randregion auf die erste Rückplatte und/oder die Ankerschicht,
- Entfernen des Materials der Ankerschicht in einer Mittelregion.

Da eine Schutzschicht auf die erste Rückplatte und/oder das Ankerelement aufgebracht wird, kann ein Ätzmittel das Material des Ankerelements von einer am Rand befindlichen Position, welche das spätere Ankerelement bildet, nicht beschädigen.
In einer Ausführungsform wird ein VHF-Verfahren verwendet, um das Material der Ankerschicht in der Mittelregion zu entfernen. Beispiele von MEMS-Mikrofonen sind in den Figuren dargestellt.
Figurenliste

1 stellt einen Querschnitt eines MEMS-Mikrofons dar, das eine Schutzschicht aufweist, der einen Teil des inaktiven Abschnitts der Rückplatte abdeckt,
2 stellt einen Querschnitt eines Mikrofons mit zwei Rückplatten dar,
3 stellt einen Querschnitt eines MEMS-Mikrofons in einem Zustand vor dem Ätzen dar,
4 stellt einen Querschnitt des Mikrofons von 3 nach einem Ätzschritt dar.

1 stellt einen Querschnitt eines MEMS-Mikrofons dar, das eine Rückplatte BP und eine Membran M aufweist. Das Mikrofon weist eine akustisch aktive Region AAR und eine Randregion RR auf, welche die akustisch aktive Region AAR umgibt. Innerhalb der Randregion RR sind die Rückplatte BP und die Membran M mechanisch mit dem Mikrofonkörper verbunden. Ein Ankerelement AN trennt die Rückplatte BP elektrisch von der Membran M und verbindet die Rückplatte BP mechanisch mit der Membran M. Ein akustisch inaktiver Abschnitt der Rückplatte BP innerhalb der Randregion RR weist eine Breite W auf und überlappt sich mit dem entsprechenden Abschnitt der Membran M. Demnach weist die Gesamtkapazität des Mikrofons eine parasitäre Kapazität auf, die von der Breite W abhängt. Da eine Schutzschicht PF das Ankerelement AN gegen aggressive Umgebungen schützt, die während der Herstellungsschritte insbesondere von einer am Rand befindlichen Stelle aus wirken, kann die Breite W ohne Gefährdung des Ankerelements und infolgedessen ohne Gefährdung der Stabilität des Mikrofons minimiert werden. Die Rückplatte BP ist mit dem Ankerelement AN bündig gemacht.
Es ist möglich, dass eine Oxidschicht zwischen dem Substrat SU und der Membran M angeordnet ist. Wenn das Substrat SU Silicium aufweist, kann die Oxidschicht eine Siliciumoxidschicht sein.
2 stellt einen Querschnitt eines Mikrofons mit zwei Rückplatten dar, das weitere Schichten aufweist. Direkt auf dem Substrat SU ist eine Haftschicht AL angeordnet, die Siliciumdioxid SiO₂ aufweisen kann. Das Mikrofon mit zwei Rückplatten weist eine zusätzliche Rückplatte auf, die eine Kompensationsschicht CL und eine zusätzliche Rückplattenschicht ABL aufweist. Die Kompensationsschicht CL kann stöchiometrisches Nitrid Si₃ N₄ oder nichtstöchiometrisches Nitrid Si_x N_y aufweisen. Nichtstöchiometrisches Nitrid, wie beispielsweise siliciumreiches Nitrid, kann ein spannungsarmes Nitrid sein, das eine Zugspannung aufweisen kann, die niedriger als die Zugspannung einer stöchiometrischen Nitridschicht ist. Die zusätzliche Rückplattenschicht ABL kann Silicium, wie beispielsweise polykristallines Silicium, aufweisen. Die zusätzliche Rückplatte, die Silicium und ein Nitrid aufweist, kann eine Zugspannung aufweisen.
Natürlich kann die erste Rückplatte ein Material mit einem Elastizitätsmodul (engl.: Young's-Modulus) aufweisen, das auch Druckspannungskomponenten aufweist.
Ein Trennelement IE, welches ringförmig sein kann, ist in der zusätzlichen Rückplattenschicht angeordnet und trennt den akustisch aktiven Abschnitt vom akustisch inaktiven Abschnitt der zusätzlichen Rückplatte. Daher wird die parasitäre Kapazität weiter reduziert.
Ferner ist eine Trennschicht IL zwischen der Membran M und der zusätzlichen Rückplattenschicht ABL angeordnet.
3 stellt einen Querschnitt eines MEMS-Mikrofons vor dem Entfernen des Materials der Ankerschicht in der akustisch aktiven Region dar.
4 stellt einen Querschnitt des MEMS-Mikrofons von 3 nach dem entsprechenden Ätzprozess dar, während dem chemische Mittel, wie beispielsweise HF, auf das Mikrofon angewendet werden können, um Material der Ankerschicht in der akustisch aktiven Region zu entfernen.
Der - chemisch größtenteils inerte - randseitige Abschnitt der Rückplatte RSB fungiert als Abschirmung, um das Ankerelement AN vor Ätzen zu schützen. Das Ätzmittel kann das Ankerelement AN jedoch von einer randseitigen Position angreifen. Um ein ausreichend breites Ankerelement AN zu erhalten, muss der randseitige Bereich der Rückplatte RSB eine größere Breite W als das Ankerelement aufweisen. Die Rückplatte RSB kann mit dem Ankerelement AN nicht bündig gemacht sein. Daher wird ein weniger perfektes Verhältnis zwischen der parasitären Kapazität C_p und der Stabilität des Mikrofons erhalten.
Zum Beispiel kann die Breite der randseitigen Rückplatte RSB von 23 µm auf 16 µm reduziert werden, wenn der Anker durch eine Schutzschicht geschützt ist.
Ein MEMS-Mikrofon ist nicht auf die Ausführungsformen beschränkt, die in der Spezifikation beschrieben oder in den Figuren dargestellt sind. Die vorliegende Erfindung umfasst auch Mikrofone, die weitere Elemente oder Schichten oder weitere aktive oder inaktive Regionen oder Schutzschichten oder Kombinationen davon aufweisen.
Bezugszeichenliste

AAR:: akustische aktive Region
ABL:: zusätzliche Rückplatte
AL:: Haftschicht
AN:: Ankerelement
BP:: Rückplatte
HF:: Ätzmittel
IE:: Trennelement (ringförmig)
IL:: Trennschicht
M:: Membran
PF:: Schutzschicht
RR:: Randregion
RSB:: randseitiger Abschnitt der Rückplatte
RSM:: randseitiger Abschnitt der Membran
SU:: Substrat
W:: Breite der randseitigen Rückplatte

Claims

MEMS-Mikrofon, aufweisend: - eine Membran (M) in einer Membranschicht, eine erste Rückplatte (BP) in einer ersten Rückplattenschicht, ein Ankerelement (AN) in einer Ankerschicht zwischen der Membranschicht und der ersten Rückplattenschicht, eine Schutzschicht (PF), - eine aktive Region (AAR) und eine Randregion (RR), die die aktive Region (AAR) umgibt, wobei - die Schutzschicht (PF) die erste Rückplatte (BP) und/oder das Ankerelement (AN) in der Randregion (RR) abdeckt, - das Ankerelement die Rückplatte mechanisch mit der Membran verbindet, - das Ankerelement in lateraler Richtung bündig mit der ersten Rückplatte abschließt, so dass · die Randfläche des Ankerelements und die Randfläche der ersten Rückplatte direkt übereinander angeordnet sind und · die Schutzschicht die Randfläche des Ankerelements und die Randfläche der ersten Rückplatte gleichzeitig abdeckt, so dass ein Ätzmittel das Material des Ankerelements von der Randseite des Mikrofons aus nicht beschädigen kann.
MEMS-Mikrofon nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Schutzschicht (PF) ein Material aufweist, das einer Dampfphasen-HF-Umgebung standhält.
MEMS-Mikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schutzschicht (PF) fotoempfindlich ist.
MEMS-Mikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schutzschicht (PF) ein Polymermaterial aufweist.
MEMS-Mikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ankerelement (AN) SiO₂ aufweist.
MEMS-Mikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine zusätzliche Rückplatte (ABL) in einer zusätzlichen Rückplattenschicht, wobei die Membranschicht zwischen der ersten Rückplattenschicht und der zusätzlichen Rückplattenschicht angeordnet ist.
MEMS-Mikrofon nach dem vorhergehenden Anspruch, ferner aufweisend: - ein ringförmiges Trennelement (IE) in der zusätzlichen Rückplattenschicht (ABL), wobei - das ringförmige Trennelement (IE) ein Trennmaterial aufweist und einen inneren Abschnitt der zusätzlichen Rückplatte (ABL) umgibt.
Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Mikrofons, aufweisend die folgenden Schritte: - Bilden einer Membran (M) in einer Membranschicht, - Aufbringen einer Ankerschicht auf die Membranschicht, - Strukturieren eines ersten Ankerelements (AN) in der Ankerschicht, - Aufbringen einer ersten Rückplattenschicht auf die Ankerschicht, - Strukturieren der ersten Rückplatte (BP) in der ersten Rückplattenschicht so, dass die erste Rückplatte (BP) in lateraler Richtung bündig mit dem ersten Ankerelement abschließt, so dass die Randfläche des Ankerelements und die Randfläche der ersten Rückplatte direkt übereinander angeordnet sind, - Aufbringen einer Schutzschicht (PF) in einer Randregion auf die erste Rückplatte (BP) und/oder die Ankerschicht so, dass die Schutzschicht die Randfläche des Ankerelements und die Randfläche der ersten Rückplatte gleichzeitig abdeckt, so dass ein Ätzmittel das Material des Ankerelements von der Randseite des Mikrofons aus nicht beschädigen kann, - Entfernen des Materials der Ankerschicht in einer Mittelregion (AAR).
Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, wobei ein VHF-Ätzverfahren verwendet wird, um das Material der Ankerschicht in der Mittelregion (AAR) zu entfernen.