DE112011105847B4 - MEMS-Mikrofon mit reduzierter parasitärer Kapazität und Verfahren zur Herstellung - Google Patents

Abstract

MEMS-Mikrofon, aufweisend
- eine MEMS-Rückplatte (BP), die einen zentralen Bereich (CA), eine Perforation (PF) mit einem regelmäßigen Muster in dem zentralen Bereich (CA), einen Aufhängungsbereich (SUA) und mehrere Öffnung (AP) in dem Aufhängungsbereich (SUA) umfasst, wobei der Aufhängungsbereich (SUA) den zentralen Bereich (CA) mindestens teilweise umgibt,
- ein Substrat (SU), eine Membran (M) und ein Ankerelement (AE), wobei die Membran (M) zwischen dem Substrat (SU) und dem Ankerelement (AE) angeordnet ist und der Aufhängungsbereich (SUA) der Rückplatte mit dem Ankerelement (AE) verbunden ist,
wobei
- das Ankerelement (AE) Verbindungsabschnitte (CS) umfasst,
- der Aufhängungsbereich (SUA) Öffnungsabschnitte (AS) umfasst,
- die Verbindungsabschnitte (CS) mit dem Aufhängungsbereich (SUA) der Rückplatte verbunden sind,
- die Öffnungsabschnitte (AS) der Rückplatte über Hohlräumen (CV) angeordnet sind und
- die mehreren Öffnungen (AP) in den Öffnungsabschnitten (AS) konzentriert sind und andere Abschnitte des Aufhängungsbereichs keine Öffnungen (AP) umfassen.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft MEMS-Rückplatten, MEMS-Mikrofone mit reduzierter parasitärer Kapazität und ein Verfahren zur Herstellung solcher Mikrofone.
• Aus der US 2012/0091545 A1 sind MEMS-Mikrofone bekannt. Aus der US 2011/0075865 A1 sind MEMS-Mikrofone mit zwei Rückplatten bekannt. Aus der US 2007/0201710 A1 sind Kondensatormikrofone mit einer an einer Rückplatte befestigten Membran bekannt.
• MEMS-Mikrofone umfassen üblicherweise eine leitfähige Rückplatte und eine leitfähige, flexible Membran, die um einen 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 erzeugt werden, in elektrische Signale umgewandelt. Zur weiteren Signalverarbeitung können MEMS-Mikrofone einen ASIC-(Application-Specific Integrated Circuit)-Chip umfassen.
• Solche Mikrofone weisen einen zentralen, akustisch aktiven Bereich und einen Aufhängungsbereich auf. Der zentrale Bereich ist von dem Aufhängungsbereich umgeben, der akustisch inaktiv ist. Innerhalb des Aufhängungsbereichs sind Aufhängungsmittel zum mechanischen und/oder elektrischen Verbinden der Rückplatte und/oder der Membran auf einem Substratmaterial angeordnet. Zum Konstruieren von MEMS-Mikrofonen können Herstellungsverfahren von Halbleitervorrichtungen wie die Schichtabscheidung, die Abscheidung von Fotolackschichten, das Strukturieren von Fotolackschichten und teilweise Entfernen von strukturierten Schichten angewendet werden. Aufgrund der Notwendigkeit für Aufhängungsmittel weist der Kondensator - neben dem zentralen Bereich - einen akustisch inaktiven Bereich auf, der die Signalqualität des Mikrofons verschlechtert. Diese Verschlechterung beruht auf einer parasitären Kapazität. Die entsprechende Signaldämpfung H_c lautet wie folgt: $${\text{H}}_{\text{c}}={\text{C}}_{\text{m}}\text{/}\left({\text{C}}_{\text{m}}\mathrm{+}{\text{C}}_{\text{i}}\mathrm{+}{\text{C}}_{\text{p}}\right)\text{,}$$

  

  wobei Ci die Eingangskapazität eines entsprechenden ASIC-Chips ist, der das elektrische Signal verarbeitet. C_p ist die parasitäre Kapazität, d. h. die Kapazität des akustisch inaktiven Bereichs des Kondensators. C_m ist die Gesamtkapazität, welche die Kapazität des zentralen Bereichs und die Kapazität des Aufhängungsbereichs umfasst. Die Reduzierung der parasitären Kapazität verringert die Signalverschlechterung und verbessert somit die Signalqualität des Mikrofons.
• C_p hängt hauptsächlich von dem akustisch inaktiven Aufhängungsbereich der Rückplatte ab, der sich mit einem Aufhängungsbereich der Membran überschneidet.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein MEMS-Mikrofon mit reduzierter parasitärer Kapazität und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Mikrofons anzugeben.
• Die unabhängigen Ansprüche geben dazu MEMS-Mikrofon und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Mikrofons an. Die abhängigen Ansprüche geben bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung an.
• Eine MEMS-Rückplatte umfasst einen zentralen Bereich, eine Perforation im zentralen Bereich, einen Aufhängungsbereich und eine Öffnung im Aufhängungsbereich. Der Aufhängungsbereich umgibt den zentralen Bereich zumindest teilweise.
• In diesem Kontext bezieht sich der Ausdruck „Perforation“ auf Löcher in dem zentralen Bereich, während sich „Öffnungen“ auf Löcher in dem Aufhängungsbereich der MEMS-Rückplatte beziehen. Beide Kategorien von Löchern können in einem regelmäßigen Muster, wie einem quadratischen Muster oder einem hexagonalen Muster, oder in einem unregelmäßigen Muster angeordnet sein. Es können auch zusätzliche Löcher in unregelmäßigen Gittern zu den Löchern eines regelmäßigen Musters hinzugefügt sein. Solche zusätzlichen Löcher können einen größeren oder kleineren Durchmesser aufweisen. Die Öffnungen können größer als die Löcher der Perforation sein und umgekehrt. Die Öffnungen können auch die gleiche Größe wie die Löcher der Perforation aufweisen.
• Die unerwünschte parasitäre Kapazität hängt von der Größe des akustisch inaktiven Bereichs, d. h. des Aufhängungsbereichs, von der Rückplatte und von der Membran ab. Ferner hängt die Kapazität von der dielektrischen Konstante des Materials zwischen diesen Elektroden ab.
• Eine Öffnung im Aufhängungsbereich der Rückplatte reduziert die akustisch inaktive, jedoch elektrisch aktive Größe des leitfähigen Bereichs der Rückplatte, was zu einer verbesserten Signalqualität des entsprechenden MEMS-Mikrofons führt.
• Der Aufhängungsbereich kann zwei oder mehrere Öffnungen, z. B. eine Vielzahl an Öffnungen, in dem Aufhängungsbereich umfassen.
• Es wurde herausgefunden, dass eine solche MEMS-Rückplatte die parasitäre Kapazität eines entsprechenden MEMS-Mikrofons verringert, und ein mechanisch stabiles Mikrofon erhalten werden kann, wenngleich der Bereich zum Aufhängen der Rückplatte reduziert ist.
• Ferner wurde herausgefunden, dass Öffnungen im Aufhängungsbereich der Rückplatte Verfahren zur Herstellung von MEMS-Mikrofonen mit weiter reduzierten parasitären Kapazitäten ermöglichen und gleichzeitig die mechanische Stabilität aufrechterhalten.
• In einer Ausführungsform umgibt der Aufhängungsbereich den zentralen Bereich vollständig. Dann wird eine MEMS-Rückplatte bereitgestellt, die eine optimale mechanische Stabilität eines entsprechenden MEMS-Mikrofons ermöglicht.
• Die MEMS-Rückplatte und/oder die entsprechende Membran kann eine kreisrunde Form oder eine elliptische Form haben. Es ist ferner möglich, dass die MEMS-Rückplatte und die Membran eine rechteckige oder eine quadratische Form haben.
• In einer Ausführungsform umfasst der Aufhängungsbereich mehrere Öffnungen.
• In einer Ausführungsform umfasst die MEMS-Rückplatte mehrere Öffnungen, die in Öffnungsabschnitten enthalten sind. Somit sind die Öffnungen in den Öffnungsabschnitten konzentriert, während andere Abschnitte des Aufhängungsbereichs keine Öffnungen umfassen und ihre mechanische Steifigkeit aufrechterhalten, die für eine stabile Aufhängung erforderlich ist.
• Auf diese Weise kann die MEMS-Rückplatte in Bezug auf die elektrische Kapazität und die mechanische Stabilität optimiert sein.
• In einer Ausführungsform weist die MEMS-Rückplatte Öffnungsabschnitte auf, die in gleichen Abständen in Bezug auf ihre benachbarten Öffnungsabschnitte angeordnet sind. Daher können die Öffnungsabschnitte in einem symmetrischen Muster innerhalb des Aufhängungsbereichs angeordnet sein.
• Ein MEMS-Mikrofon kann eine der oben erwähnten Rückplatten umfassen. Das Mikrofon kann ferner ein Substrat, eine Membran und ein Ankerelement umfassen. Die Membran wird zwischen dem Substrat und dem Ankerelement angeordnet. Der Rückplattenaufhängungsbereich ist mit dem Ankerelement verbunden.
• In einer Ausführungsform umfasst das Ankerelement Verbindungsabschnitte. Der Aufhängungsbereich der MEMS-Rückplatte umfasst Öffnungsabschnitte, die jeweils mindestens eine Öffnung umfassen. Die Verbindungsabschnitte des Ankerelements sind mit dem Rückplattenaufhängungsbereich verbunden. Die Rückplattenöffnungsbereiche sind dann über Hohlräumen in dem Ankerelement angeordnet. Entsprechend einer Symmetrie der Anordnung der Öffnungsabschnitte des Aufhängungsabschnitts können die Verbindungselemente unter Verwendung der gleichen Symmetrie, jedoch versetzt von dem Muster der Öffnungsabschnitte angeordnet sein.
• Es wurde herausgefunden, dass die parasitäre Kapazität durch Herstellen von Hohlräumen in dem Ankerelement, das ein dielektrisches Material umfassen kann, reduziert werden kann. Die parasitäre Kapazität hängt von der Dielektrizitätszahl des Ankerelements ab. Das Fehlen von dielektrischem Material des Ankerelements in den Hohlräumen verringert somit die parasitäre Kapazität, da Vakuum oder die Umgebungsatmosphäre eine niedrigere Dielektrizitätszahl als das Material des Ankerelements aufweist. Da das Ankerelement noch immer Verbindungsabschnitte aufweist, die mit dem Rückplattenaufhängungsbereich verbunden werden, wird ein mechanisch stabiles Mikrofon erhalten.
• Somit sind die Hohlräume in einer Ausführungsform in dem Ankerelement angeordnet.
• Ein Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Mikrofons umfasst die folgenden Schritte
• - Bereitstellen eines Substrats,
• - Strukturieren einer Membran auf dem Substrat,
• - Strukturieren eines Ankerelements auf der Membran,
• - Strukturieren einer Rückplatte auf dem Ankerelement, sodass eine Perforation in einem zentralen Bereich der Rückplatte erzeugt wird und Öffnungen in einem Aufhängungsbereich der Rückplatte erzeugt werden,
• - Entfernen von Material des Ankerelements in einem Bereich unter den Öffnungen.
• Somit verringern die Öffnungen in dem Aufhängungsbereich der Rückplatte nicht nur den elektrisch aktiven Bereich des Kondensators, der zu der parasitären Kapazität führt. Die Öffnungen ermöglichen ferner die Erzeugung von Hohlräumen in dem Ankerelement, da sie die Entfernung von Material des Ankerelements während der Herstellung des MEMS-Mikrofons durch die Öffnungslocher ermöglichen.
• Das Material des Ankerelements kann zwischen der Rückplatte und der Membran entfernt werden, während das Material des Ankerelements unter den Öffnungsabschnitten entfernt wird.
• In einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Material des Ankerelements unter Verwendung einer VHF (Vapor Hydro-Fluoric)-Ätzumgebung entfernt.
• Der Grundgedanke der Erfindung und Ausführungsformen sind in den schematischen Figuren dargestellt.
• Figurenliste
• Es zeigen:
• 1 eine Draufsicht auf ein MEMS-Mikrofon, welche die Positionen von Querschnitt A und Querschnitt B anzeigt,
• 2A Querschnitt A, der in 1 angegeben ist,
• 2B den Querschnitt B, der in 1 angegeben ist,
• 3 eine vergrößerte Ansicht des Randes einer Rückplatte,
• 4 ein Ankerelement, das Hohlräume umfasst.
• 1 zeigt eine Draufsicht eines MEMS-Mikrofons MM. Das Mikrofon MM umfasst ein Substrat SU, auf dem eine Rückplatte BP angeordnet ist. Die Rückplatte BP umfasst einen zentralen Bereich CA und einen Aufhängungsbereich SUA. Der Aufhängungsbereich SUA umgibt den zentralen Bereich CA. Der zentrale Bereich CA ist der akustisch aktive Bereich der Rückplatte BP, während der Aufhängungsbereich SUA akustisch inaktiv ist und aufgrund des Beitrags der parasitären Kapazität C_P in Gleichung (1) die Signalqualität des Mikrofons im Allgemeinen verschlechtert. Allerdings umfasst die Rückplatte BP Öffnungsabschnitte AS in dem Aufhängungsbereich SUA. Die Öffnungsabschnitte AS umfassen Öffnungen, wie in 3 dargestellt. Aufgrund der Öffnungen in den Öffnungsabschnitten AS wird der akustisch inaktive, jedoch elektrisch aktive Aufhängungsbereich SUA reduziert. Auf diese Weise wird die parasitäre Kapazität Cp reduziert.
• Ferner ermöglichen die Öffnungen in den Öffnungsabschnitten AS die Erzeugung von MEMS-Mikrofonen mit weiter reduzierten parasitären Kapazitäten: Während eines Herstellungsschrittes kann Material eines Ankerelements unter der Rückplatte BP über die Öffnungen der Öffnungsabschnitte entfernt werden. Dies ist in 2A und 2B dargestellt, die Querschnitte A, B darstellen.
• Die Öffnungsabschnitte AS können in gleichen Abständen in Bezug auf ihre benachbarten Öffnungsabschnitte AS angeordnet sein.
• 2A zeigt den Querschnitt A, der in 1 dargestellt ist. Das MEMS-Mikrofon umfasst eine Membran M, die auf dem Substrat SU angeordnet ist. Ein Ankerelement AE ist auf der Membran M angeordnet. Die Rückplatte BP ist auf dem Ankerelement AE angeordnet. Die Verbindungsabschnitte CS des Ankerelements AE sind mit dem Aufhängungsbereich SUA der Rückplatte BP verbunden. Auf diese Weise wird eine mechanisch stabile Verbindung zwischen der Rückplatte BP und dem Körper des Mikrofons erhalten. Eine Perforation PF des akustisch aktiven Bereichs der Rückplatte BP umfasst Löcher.
• 2B zeigt den Querschnitt B, der in 1 dargestellt ist. Der Querschnitt B schneidet die Öffnungsabschnitte AS in dem Aufhängungsbereich SUA.
• Die Öffnungsabschnitte AS umfassen Öffnungen AP. Unter den Öffnungen AP wird Material des Ankerelements AE, das in 2A dargestellt ist, entfernt. Auf diese Weise werden Hohlräume CV unter den Öffnungsabschnitten AS erhalten. Dementsprechend wird die parasitäre Kapazität verringert, da dielektrisches Material mit einer größeren Dielektrizitätszahl als Luft oder Vakuum durch Luft oder Vakuum in den Hohlräumen CV ersetzt wird.
• 3 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Randes einer Rückplatte BP. Die Perforation PF umfasst Löcher HO. Die Löcher HO sind in einem hexagonalen Muster angeordnet. Allerdings sind auch andere Muster wie rechteckige oder quadratische Muster oder unregelmäßige Muster möglich. Die Öffnungsabschnitte AS umfassen mehrere Öffnungen AP. Die Öffnungsabschnitte AS und somit die Öffnungen AP sind in dem Aufhängungsbereich SUA angeordnet, der als ein Verbindungsmittel zum Verbinden der Rückplatte BP mit dem Körper des MEMS-Mikrofons, z. B. über ein Ankerelement AE dient.
• Die Öffnungen AP in dem Öffnungsabschnitt AS kann auch in einem hexagonalen, rechteckigen, quadratischen oder unregelmäßigen Muster angeordnet sein. Die Öffnungsabschnitte AS selbst können eine kreisförmige, rechteckige, quadratische oder unregelmäßige Form haben.
• Die Löcher HO der Perforation können größer als die Öffnungen in den Öffnungsabschnitten sein oder umgekehrt. Die Öffnungen AP und die Löcher HO der Perforation PF können auch die gleiche Größe aufweisen.
• Die Öffnungen AP und die Löcher HO können in dem gleichen Herstellungsschritt erzeugt werden.
• 4 zeigt ein kreisförmiges Ankerelement AE, das Hohlräume CV umfasst. Die Hohlräume CV reduzieren die durchschnittliche dielektrische Konstante des Ankerelements AE, das die parasitäre Kapazität Cp verringert. Die Position und Größe der Hohlräume CV kann in Bezug auf die mechanische Stabilität und eine verringerte parasitäre Kapazität gleichzeitig optimiert werden.
• Eine MEMS-Rückplatte, ein MEMS-Mikrofon oder ein Verfahren zum Herstellen solcher Mikrofone sind nicht auf die in der Spezifikation beschriebenen oder in den Figuren dargestellten Ausführungsformen eingeschränkt. Rückplatten, die weitere strukturierte Elemente umfassen, und Mikrofone, die weitere Schichten umfassen, und Verfahren zum Herstellen von Mikrofonen, die weitere Herstellungsschritte umfassen, sind in der vorliegenden Erfindung ebenfalls enthalten.
• Bezugszeichenliste

A:

Querschnitte durch feste Abschnitte des Ankerelements

AE:

Ankerelement

AP:

Öffnung

AS:

Öffnungsabschnitt

B:

Querschnitte durch Öffnungsabschnitte

BP:

Rückplatte

CA:

zentraler Bereich

CS:

Verbindungsabschnitt

CV:

Hohlraum

HO:

Loch der Perforation PF

M:

Membran

MM:

MEMS-Mikrofon

PF:

Perforation

SU:

Substrat

SUA:

Aufhängungsbereich

Claims (6)

1. MEMS-Mikrofon, aufweisend - eine MEMS-Rückplatte (BP), die einen zentralen Bereich (CA), eine Perforation (PF) mit einem regelmäßigen Muster in dem zentralen Bereich (CA), einen Aufhängungsbereich (SUA) und mehrere Öffnung (AP) in dem Aufhängungsbereich (SUA) umfasst, wobei der Aufhängungsbereich (SUA) den zentralen Bereich (CA) mindestens teilweise umgibt, - ein Substrat (SU), eine Membran (M) und ein Ankerelement (AE), wobei die Membran (M) zwischen dem Substrat (SU) und dem Ankerelement (AE) angeordnet ist und der Aufhängungsbereich (SUA) der Rückplatte mit dem Ankerelement (AE) verbunden ist, wobei - das Ankerelement (AE) Verbindungsabschnitte (CS) umfasst, - der Aufhängungsbereich (SUA) Öffnungsabschnitte (AS) umfasst, - die Verbindungsabschnitte (CS) mit dem Aufhängungsbereich (SUA) der Rückplatte verbunden sind, - die Öffnungsabschnitte (AS) der Rückplatte über Hohlräumen (CV) angeordnet sind und - die mehreren Öffnungen (AP) in den Öffnungsabschnitten (AS) konzentriert sind und andere Abschnitte des Aufhängungsbereichs keine Öffnungen (AP) umfassen.
2. MEMS-Mikrofon nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Aufhängungsbereich (SUA) den zentralen Bereich (CA) vollständig umgibt.
3. MEMS-Mikrofon nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Öffnungsabschnitte (AS) in Bezug auf ihre benachbarten Öffnungsabschnitte (AS) in gleichen Abständen angeordnet sind.
4. MEMS-Mikrofon nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Hohlräume (CV) in dem Ankerelement (AE) angeordnet sind.
5. Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Mikrofons nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend die folgenden Schritte - Bereitstellen eines Substrats (SU), - Strukturieren einer Membran (M) auf dem Substrat (SU), - Strukturieren eines Ankerelements (AE) auf der Membran (M), - Strukturieren einer Rückplatte (BP) auf dem Ankerelement (AE), sodass eine Perforation (PF) eines zentralen Bereichs (CA) der Rückplatte (BP) erzeugt wird und Öffnungen (AP) in einem Aufhängungsbereich (SUA) der Rückplatte (BP) erzeugt werden, - Entfernen von Material des Ankerelements (AE) in einem Bereich unter den Öffnungen (AP).
6. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Material des Ankerelements (AE) mittels einer Gasphasen-HF-Ätzumgebung entfernt wird.

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