EP2438767B1

EP2438767B1 - Bauelement mit einer mikromechanischen mikrofonstruktur und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: EP2438767B1
Application number: EP20100715187
Authority: EP
Inventors: Frank Reichenbach; Thomas Buck; Jochen Zoellin; Franz Laermer; Ulrike Scholz; Kathrin Teeffelen; Christina Leinenbach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-06-03
Filing date: 2010-04-07
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2030-04-07
Also published as: WO2010139498A1; JP2012529207A; US8637945B2; JP2014090514A; DE102009026682A9; DE102009026682A1; US20120091544A1; EP2438767A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Bauelement mit einer mikromechanischen Mikrofonstruktur. Die Mikrofonstruktur umfasst eine akustisch aktive Membran, die als auslenkbare Elektrode eines Mikrofonkondensators fungiert, ein feststehendes akustisch durchlässiges Gegenelement, das als Gegenelektrode des Mikrofonkondensators fungiert, und Mittel zum Erfassen und Auswerten der Kapazitätsänderungen des Mikrofonkondensators. Die Membran ist in einer Membranschicht über dem Halbleitersubstrat des Bauelements realisiert und überspannt eine Schallöffnung in der Substratrückseite. Das Gegenelement ist in einer weiteren Schicht über der Membran ausgebildet.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung derartiger Bauelemente im Waferverbund und anschließenden Vereinzelung.
Das Dokument DE 10 2004 011145 zeigt ein Bauelement samt Verfahren zu dessen Herstellung mit einer mikromechanischen Mikrofonstruktur, mindestens umfassend

eine akustisch aktive Membran, die als auslenkbare Elektrode eines Mikrofonkondensators fungiert,
ein feststehendes akustisch durchlässiges Gegenelement, das als Gegenelektrode des Mikrofonkondensators fungiert, und
Mittel zum Erfassen und Auswerten der Kapazitätsänderungen des Mikrofonkondensators, wobei die Membran in einer Membranschicht über dem Halbleitersubstrat des Bauelements realisiert ist und eine Schallöffnung in der Substratrückseite überspannt, und wobei das Gegenelement in einer weiteren Schicht über der Membran ausgebildet ist; wobei sich diese weitere Schicht im wesentlichen über die gesamte Bauelementfläche erstreckt.

In der US 2002/0067663 A1 wird ein Mikrofonbauelement der eingangs genannten Art beschrieben, dessen mikromechanische Mikrofonstruktur in einem Schichtaufbau über einem Halbleitersubstrat realisiert ist. Das perforierte Gegenelement bildet hier eine sockelartige Erhebung in der Bauelementoberfläche und ist an die Größe der darunter liegenden Membran angepasst. Diese überspannt eine Schallöffnung in der Substratrückseite. Zwischen dem Gegenelement und der Membran befindet sich ein Luftspalt, der durch Opferschichtätzen erzeugt wurde. Bei dem bekannten Mikrofonbauelement hängt die Steifigkeit des Gegenelements wesentlich von seiner Umfangsform ab, d.h. von der Form des Sockelrandbereichs, durch den das Gegenelement auf Abstand zur Membran gehalten wird.
Aus Kostengründen erfolgt die Fertigung derartiger Mikrofonbauelemente möglichst weitgehend im Waferverbund. Üblicherweise wird dazu auf einem Halbleiterwafer eine Vielzahl von in einem Raster angeordneten Mikrofonstrukturen erzeugt. Erst danach werden die Bauelemente vereinzelt. Dabei erweist sich die sehr fragile und gegenüber Wasser empfindliche Struktur des bekannten Mikrofonbauelements als problematisch.
Das in der Mikrotechnologie weit verbreitete kostengünstige Sägen mit wassergekühlter Kreissäge kommt für diese Bauelemente nicht ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen in Frage. So ist davon auszugehen, dass die empfindlichen Mikrofonstrukturen dem auftreffenden Wasserstrahl nicht standhalten. Außerdem führt Wasser, das zwischen die beiden Elektroden des Mikrofonkondensators gelangt, zu einem irreversiblen Anhaften der Membran am Gegenelement, wodurch die Mikrofonfunktion ebenfalls außer Kraft gesetzt wird.
Deshalb erfolgt die Vereinzelung von mikromechanischen Mikrofonbauelementen der eingangs genannten Art bislang mit Hilfe von speziellen Prozessen. Besonders häufig wird das sogenannte Stealth-Dicing eingesetzt, bei dem Sollbruchstellen im Wafermaterial erzeugt werden. Anschließend wird der Wafer entlang dieser Sollbruchstellen, teilweise unter Zuhilfenahme eines Rakels, in Einzelchips zerbrochen. Hierfür sind spezielle Maschinen und damit zusätzliche Investitionskosten erforderlich. Außerdem sind die Prozesszeiten bei den üblicherweise verwendeten 400 µm bis 800 µm dicken Wafern nicht zuletzt aufgrund der hohen Zahl an erforderlichen "Laserschnitten" relativ lang.

Offenbarung der Erfindung

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Bauelement mit einer stabilen aber akustisch empfindlichen Mikrofonstruktur vorgeschlagen sowie und ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zu dessen Herstellung.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass sich - im Unterschied zu dem aus der US 2002/0067663 A1 bekannten Mikrofonbauelement - die weitere Schicht, in der das Gegenelement ausgebildet ist, im wesentlichen über die gesamte Bauelementfläche erstreckt und Niveauunterschiede ausgleicht, so dass die gesamte Bauelementoberfläche entsprechend dieser weiteren Schicht weitgehend eben ist.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass es sich vorteilhaft auf die Steifigkeit des Gegenelements der Mikrofonstruktur auswirkt, wenn das Gegenelement in einer relativ dicken Schicht ausgebildet ist, die sich über die gesamte Bauelementoberfläche erstreckt und Niveauunterschiede ausgleicht. In diesem Fall ist das Gegenelement allseitig gleichfest eingebunden, wobei die Festigkeit im Wesentlichen nur von der Schichtdicke abhängt. Um so dicker die Schicht ist, um so steifer ist das Gegenelement, um so fester ist das Gegenelement in den Schichtaufbau des Bauelements eingebunden und um so besser ist die nivellierende Wirkung, insbesondere im Randbereich des Gegenelements.
Erfindungsgemäß ist ferner erkannt worden, dass sich die so modifizierte Mikrofonstruktur des bekannten Bauelements einfach in einer Abfolge von Prozessen der Bulk- und Oberflächenmikromechanik fertigen lässt, wie sie schon bei der Fertigung von Inertialsensoren zum Einsatz kommt. Die weitgehend ebene Bauteiloberfläche vereinfacht insbesondere die Vereinzelung der erfindungsgemäßen Mikrofonbauelemente, was in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren näher erläutert wird.
Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung der erfindungsgemäßen Mikrofonstruktur.
Unter dem Gesichtspunkt der Großserienfertigung von Mikrofonbauelementen mit möglichst identischen akustischen Eigenschaften erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Membranschicht des erfindungsgemäßen Mikrofonbauelements in Form einer dünnen Polysiliziumschicht realisiert wird, die gegenüber dem Halbleitersubstrat durch eine erste Isolationsschicht elektrisch isoliert ist, und wenn das Gegenelement in einer dicken Epi-Polysiliziumschicht ausgebildet wird, die gegenüber der Membranschicht durch eine zweite Isolationsschicht elektrisch isoliert ist. Dabei bestimmt die Schichtdicke dieser zweiten Isolationsschicht den Abstand zwischen der Membran und dem Gegenelement. Für die Herstellung eines derartigen Schichtaufbaus mit vorgegebenen definierten Schichtdicken stehen gut kontrollierbare Standardverfahren der Bulk- und Oberflächenmikromechanik zur Verfügung.
Die akustischen Eigenschaften des hier in Rede stehenden Mikrofonbauelements werden aber nicht nur durch den Abstand zwischen der Membran und dem Gegenelement bestimmt, sondern auch durch die intrinsischen Spannungen im Schichtaufbau und insbesondere in der Membran. Unkontrollierte Spannungen innerhalb der Membran können zu einer unerwünschten Vorauslenkung der Membran führen und so die empfindlichkeitsbestimmenden Eigenschaften des Mikrofonkondensators verändern. Deshalb ist in der Membranschicht einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Mikrofonbauelements eine stressrelaxierende Federaufhängung für die Membran ausgebildet. Die Federelemente bestehen hier also aus demselben Material wie die Membran und werden möglichst so ausgelegt, dass sie die bei der Erzeugung der dünnen Polysiliziumschicht auftretenden und schwer zu kontrollierenden Schichtspannungen ausgleichen. Aufgrund dieser Schichtspannungskompensation wird die Schalldruckempfindlichkeit der Membran im Wesentlichen nur durch ihre Biegesteifigkeit bestimmt. Die Federaufhängung der Membran trägt außerdem zur Maximierung des Mikrofonnutzsignals bei, da eine schalldruckbedingte Verformung bevorzugt im Bereich der Federelemente auftritt, während die zur Messkapazität beitragende Membran nahezu planparallel zur Gegenelektrode ausgelenkt wird. Der Einfluss von im Anbindungsbereich der Membran auftretenden Parasitärkapazitäten ist bedingt durch die Aussparungen zwischen den Federelementen vergleichsweise gering. Deshalb kann die Resonanzfrequenz der Membran und damit der akustische Arbeitsbereich des erfindungsgemäßen Mikrofonbauelements über das Design der Federaufhängung in Verbindung mit einer definiert vorgebbaren Schichtdicke der Membran sehr gut kontrollierbar eingestellt werden.
Die Federaufhängung umfasst vorteilhafterweise mindestens drei Federelemente. Die Festpunkte dieser Federelemente können zwischen der ersten und der zweiten Isolationsschicht eingebettet sein und so mit dem Halbleitersubstrat und dem Gegenelement verbunden sein. Alternativ dazu können die Federelemente aber auch nur über eine der beiden Isolationsschichten entweder mit dem Halbleitersubstrat oder mit dem Gegenelement verbunden sein.
Wie bereits erwähnt, wird neben dem voranstehend beschriebenen Mikrofonbauelement auch ein besonders vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung derartiger Bauelemente vorgeschlagen. Demnach wird zunächst eine erste elektrisch isolierende Opferschicht auf ein Halbleitersubstrat aufgebracht. Auf diese erste Opferschicht wird dann eine Membranschicht aufgebracht und strukturiert, um für jeweils ein Bauelement mindestens eine Membran mit einer Federaufhängung zu erzeugen. Danach wird eine zweite elektrisch isolierende Opferschicht auf die strukturierte Membranschicht aufgebracht, auf die dann mindestens eine weitere Schicht aufgebracht und strukturiert wird, um für jede Membran ein akustisch durchlässiges Gegenelement zu erzeugen. Außerdem wird in der Rückseite des Halbleitersubstrats mindestens eine Schallöffnung unter jeder Membran erzeugt. Die erste Opferschicht und die zweite Opferschicht werden nun zumindest im Bereich unter und über jeder Membran und deren Federaufhängung entfernt. Erst nach dem Freilegen der Mikrofonstrukturen werden die Bauelemente schließlich vereinzelt.
Als Membranschicht wird vorteilhafterweise eine dünne Polysiliziumschicht auf der ersten Opferschicht abgeschieden. Zudem erweist es sich als vorteilhaft, auf der zweiten Opferschicht eine dicke Epi-Polysiliziumschicht als weitere Schicht aufzuwachsen, in der die Gegenelemente ausgebildet werden.
Die Prozessfolge dieser Verfahrensvariante zur Herstellung eines Mikrofonbauelements ist an ein erprobtes und gut kontrollierbares Verfahrens zur Herstellung von Inertialsensoren angelehnt. So wird die erfindungsgemäß als Membranschicht dienende Polysiliziumschicht im Fall der Herstellung von Inertialsensoren zur Realisierung von vergrabenen Leiterbahnen verwendet. Und die dicke Epi-Polysiliziumschicht, in der erfindungsgemäß die Gegenelemente realisiert werden, dient im Fall der Inertialsensoren als Funktionsschicht.
Die erste und die zweite elektrisch isolierende Opferschicht haben zum einen die Funktion einer elektrischen Isolation zwischen den beiden Elektroden des Mikrofonkondensators und gegenüber dem Halbleitersubstrat. Zum anderen werden mit Hilfe der Opferschichten die Membranen freigelegt. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann diesen Opferschichten zusätzlich jeweils die Funktion einer Ätzstoppgrenze zukommen. So fungiert die zweite Opferschicht vorteilhafterweise als Ätzstopp bei der Strukturierung der Gegenelemente bzw. der dicken Epi-Polysiliziumschicht, sofern dies in einem anisotropen Ätzprozess, insbesondere in einem Trenchprozess oder in einem DRIE-Prozess, erfolgt. Die erste Opferschicht fungiert vorteilhafterweise als Ätzstopp bei der Erzeugung der Schallöffnungen in einem anisotropen Ätzprozess, insbesondere in einem DRIE-Prozess.
Zur Freistellung der Membranen werden die erste Opferschicht und die zweite Opferschicht vorteilhafterweise in einem isotropen Ätzprozess entfernt, wobei der Ätzangriff über die Schallöffnungen und über Durchgangsöffnungen in den Gegenelementen erfolgt. Als Opferschichtmaterialien eignen sich besonders SiO2 oder SiGe.
Die Verwendung einer SiGe-Opferschicht mit ClF3 als Ätzgas ist aufgrund der hohen Selektivität des Ätzprozesses gegenüber zahlreichen in der Mikrosystemtechnik verwendeten Materialien und insbesondere gegenüber Silizium besonders vorteilhaft. Dieser Ätzprozess zeichnet sich durch seine hohe Ätzgeschwindigkeit und die damit erzielbaren großen Unterätzweiten aus. Zudem sind SiGe-Opferschichten besonders spannungsarm, so dass sich mit diesem Material auch relativ dicke Opferschichten und damit große Elektrodenabstände realisieren lassen, ohne dass zusätzliche Spannungen in den Bauelementaufbau eingetragen werden. Dadurch erhöht sich die Designfreiheit bei der Auslegung des Mikrofonbauelements.
Wie bereits erwähnt, werden die erfindungsgemäßen Mikrofonstrukturen im Waferverbund freigelegt und erst danach vereinzelt. Eine besonders vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens macht sich dabei den Aufbau des erfindungsgemäßen Mikrofonbauelements zu Nutze, nämlich dass sich die Schicht, in der die Gegenelemente realisiert sind, an der Oberseite des Schichtaufbaus befindet und dass diese Schicht relativ dick und stabil ist und erfindungsgemäß weitgehend plan. Diese Schichteigenschaften ermöglichen das Aufbringen einer Schutzfolie, die das Eindringen von Partikeln und Flüssigkeit in die Mikrofonstrukturen zuverlässig verhindert. Damit lassen sich die Mikrofonbauelemente in einem in der Mikromechanik standardisierten Sägeprozess vereinzeln, was enorme Kostenvorteile gegenüber den derzeit zur Vereinzelung von Mikrofonbauelementen eingesetzten Verfahren hat. Nach dem Vereinzeln wird die Schutzfolie möglichst rückstandsfrei entfernt.
In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, eine Schutzfolie zu verwenden, die ihre Haftkraft durch UV-Bestrahlung verliert oder durch eine Wärmebehandlung oder durch eine UV-Bestrahlung in Kombination mit einer Wärmebehandlung. Eine derartige Schutzfolie kann einfach unter Vakuum auf die weitgehend ebene Oberfläche des Schichtaufbaus auflaminiert werden und nach dem Vereinzelungsprozess durch eine UV-Bestrahlung in Kombination mit einer Wärmebehandlung rückstandsfrei und ohne die Mikrofonstrukturen zu beschädigen wieder von den Bauteiloberflächen abgelöst werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren.

Fig. 1: zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch die Mikrofonstruktur eines erfindungsgemäßen Bauelements 10,
Fig. 2a bis 2f: veranschaulichen anhand von schematischen Schnittdarstellungen des Schichtaufbaus das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der in Fig. 1 dargestellten Mikrofonstruktur,
Fig. 3: zeigt die Draufsicht auf eine kreisrunde Membran mit Federaufhängung eines erfindungsgemäßen Mikrofonbauelements, und
Fig. 4a bis 4f: veranschaulichen anhand von schematischen Schnittdarstellungen den erfindungsgemäßen Vereinzelungsprozess von im Waferverbund erzeugten Mikrofonstrukturen.

Ausführungsformen der Erfindung

Das in Fig. 1 dargestellte Bauelement 10 umfasst eine mikromechanische Mikrofonstruktur mit einer auslenkbaren akustisch aktiven Membran 11 und einem feststehenden akustisch durchlässigen Gegenelement 12, das auch als Backplate bezeichnet wird. Die Membran 11 und das Gegenelement 12 sind hier in einem Schichtaufbau auf einem Halbleitersubstrat 1 realisiert. In der Rückseite des Halbleitersubstrats 1 ist eine Schallöffnung 13 ausgebildet, die sich über die gesamte Dicke des Halbleitersubstrats 1 erstreckt und von der auf der Oberseite des Halbleitersubstrats 1 angeordneten Membran 11 überspannt wird. Die Membran 11 ist in einer dünnen Polysilizium-Schicht 3 realisiert und durch eine erste Isolationsschicht 2 gegen das Halbleitersubstrat 1 elektrisch isoliert. Die Auslenkbarkeit der dünnen Membran 11 wird durch ihre in der Polysiliziumschicht 3 ausgebildete Federaufhängung 14 begünstigt. Im Unterschied dazu ist das Gegenelement 12 in einer relativ dicken Epi-Polysilizium-Schicht 5 über der Membran 11 ausgebildet und fest mit dem Schichtaufbau verbunden. Das Gegenelement 12 ist über eine zweite Isolationsschicht 4 sowohl gegen die Membran 11 als auch gegen das Halbleitersubstrat 1 elektrisch isoliert. Die Dicke dieser zweiten Isolationsschicht 4 bestimmt außerdem den Abstand zwischen Membran 11 und Gegenelement 12 im Ruhezustand. Im Mittelbereich des Gegenelements 12 sind Durchgangsöffnungen 15 ausgebildet, so dass das Gegenelement 12 akustisch durchlässig ist und die schallbedingten Auslenkungen der Membran 11 nicht beeinträchtigt.
Die Membran 11 und das Gegenelement 12 bilden die Elektroden eines Mikrofonkondensators, dessen Kapazität sich mit dem Abstand zwischen Membran 11 und Gegenelement 12 ändert. Zum Erfassen der Kapazitätsänderungen des Mikrofonkondensators wird eine Ladespannung zwischen der Membran 11 und der Gegenelektrode 12 angelegt, die auch als Bias-Spannung bezeichnet wird. Die Mittel zum Erfassen und Auswerten der Kapazitätsänderungen des Mikrofonkondensators sind hier nicht im einzelnen dargestellt.
Erfindungsgemäß erstreckt sich die Epi-Polysilizium-Schicht 5, in der das Gegenelement 12 ausgebildet ist, über die gesamte Bauelementfläche und gleicht Niveauunterschiede aus, so dass die gesamte Bauelementoberfläche entsprechend dieser Epi-Polysilizium-Schicht 5 weitgehend eben ist. Dies erweist sich insbesondere im Zusammenhang mit der Vereinzelung dieser Bauelemente als vorteilhaft, was nachfolgend in Verbindung mit den Figuren 4a bis 4f nochmals näher erläutert wird.
Eine besonders vorteilhafte Verfahrensvariante zur Herstellung der Mikrofonstruktur des in Fig. 1 dargestellten Bauelements 10 wird nachfolgend in Verbindung mit den Figuren 2a bis 2f beschrieben. Den Ausgangspunkt dieses Verfahrens bildet ein Halbleitersubstrat 1, beispielsweise in Form eines Siliziumwafers, wie er in Fig. 2a dargestellt ist. In einem ersten Verfahrensschritt wurde eine erste elektrisch isolierende Opferschicht 2 auf die Wafervorderseite aufgebracht. Dabei kann es sich um eine SiO2-Schicht oder auch um eine SiGe-Schicht handeln. Über der ersten Opferschicht 2 wurde dann eine Membranschicht 3 abgeschieden und strukturiert, um für jeweils ein Bauelement mindestens eine Membran mit einer Federaufhängung zu erzeugen. Ein Beispiel für eine derartige Membranstruktur ist in Fig. 3 dargestellt und wird in Verbindung mit dieser Figur näher erläutert. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Membranschicht 3 um eine Polysiliziumschicht, deren Schichtdicke je nach Anforderung an das Mikrofonbauelement zwischen 0,1µm und 3µm liegt.
Fig. 2b zeigt den Schichtaufbau, nachdem eine zweite elektrisch isolierende Opferschicht 4 auf die strukturierte Membranschicht 3 aufgebracht und strukturiert wurde. Mit der Strukturierung der zweiten Opferschicht wurde hier die elektrische Kontaktierung der Mikrofonstruktur vorbereitet. Vorteilhafterweise wird für die beiden Opferschichten 2 und 4 dasselbe Material gewählt, das dann in einem späteren Verfahrensstadium in einem gemeinsamen Ätzprozess von der Vorderseite und von der Rückseite der Membranen entfernt werden kann.
Auf der zweiten Opferschicht 4 wurde dann eine dicke Epi-Polysilizium-Schicht 5 erzeugt, was in Fig. 2c dargestellt ist. Dazu wird das Schichtmaterial vorteilhafterweise ausgehend von einer Startschicht aus dünnem LPCVD-Polysilizium epitaktisch aus der Gasphase aufgewachsen. Die Dicke einer so erzeugten Epi-Polysilizium-Schicht 5 kann je nach den Anforderungen an das Mikrofonbauelement in der Größenordnung von 3µm bis 20µm liegen. Fig. 2c verdeutlicht, dass der Schichtaufbau mit Hilfe der Epi-Polysiliziumschicht 5 nivelliert wurde, was durch das Abscheidungsverfahren in Verbindung mit der relativ großen Schichtdicke begünstigt wird. Die plane Oberfläche der Epi-Polysilizium-Schicht 5 wurde nun mit einer strukturierten Metallisierung 6 versehen, was ebenfalls der Kontaktierung der einzelnen Komponenten der Mikrofonstrukturen dient. Eine derartige Metallisierung kann aber auch zu einem späteren Zeitpunkt des Herstellungsverfahrens auf den Schichtaufbau aufgebracht werden.
Fig. 2d zeigt den Schichtaufbau nach der Strukturierung der Epi-Polysilizium-Schicht 5 in einem anisotropen Trenchprozess oder in einem DRIE-Prozess. Dabei wurde die zweite Opferschicht 4 als Ätzstoppgrenze genutzt. Im Rahmen dieser Strukturierung wurden die Gegenelemente 12 der Mikrofonstrukturen innerhalb der Epi-Polysilizium-Schicht 5 freigelegt und mit Durchgangsöffnungen 15 versehen. Die Trenchgräben 7 dienen nicht nur der Definition sondern auch der elektrischen Entkopplung einzelner Bereiche der Epi-Polysiliziumschicht 5. So wurden bei der Strukturierung der Epi-Polysiliziumschicht auch die Kontaktbereiche 16 und 17 für das Substrat 1 und die Membranen festgelegt.
Danach wurden im hier dargestellten Ausführungsbeispiel die Schallöffnungen 13 in einem von der Substratrückseite ausgehenden anisotropen DRIE-Prozess erzeugt, was in Fig. 2e dargestellt ist. Die Opferschicht 2 bildete die Ätzstoppgrenze für diesen Rückseitenätzprozess, der ebensogut auch vor der Strukturierung der Epi-Polysiliziumschicht 5 durchgeführt werden kann.
Durch isotropes Opferschichtätzen wurden schließlich die Membranen 11 der Mikrofonstrukturen und die dazugehörigen Federaufhängungen 14 freigelegt. Der dafür erforderliche Ätzangriff erfolgte simultan von beiden Seiten des Schichtaufbaus. Dabei gelangte das Ätzgas von der Vorderseite über die Trenchgrägen 7 und die Durchgangsöffnungen 15 an die Opferschicht 4 und von der Rückseite über die Schallöffnungen 13 an die Opferschicht 2. Im Fall von SiO2-Oferschichten wird das Opferschichtmaterial bevorzugt mit HF-Dampf herausgelöst. Bei SiGe-Opferschichten wird ClF3 als Ätzgas verwendet. Fig. 2f zeigt die in Fig. 1 dargestellte Mikrofonstruktur als Ergebnis dieses Ätzprozesses und veranschaulicht, dass der Abstand zwischen Membran 11 und Gegenelement 12 durch die Schichtdicke der Opferschicht 4 bestimmt wird.
Gemäß dem voranstehend beschriebenen Verfahren werden die Membranen der erfindungsgemäßen Mikrofonbauelemente zusammen mit ihren Federaufhängungen in einer dünnen Polysiliziumschicht realisiert. Dabei werden die Federelemente der einzelnen Membranen möglichst so ausgelegt, dass die Membranen weitgehend unabhängig von der Schichtspannung des Membranmaterials aufgehängt sind. Fig. 3 zeigt ein vorteilhaftes Layout für die Federaufhängung einer kreisrunden Membran 30. Die Membran 30 ist hier an insgesamt sechs Federelementen 31 aufgehängt. Die Federelemente 31 sind in Form von gekrümmten Stegen realisiert, die entlang des Membranumfangs angeordnet sind und sich jeweils über ein Sechstel des Membranumfangs erstrecken. Ein Ende eines jeden Federelements 31 ist mit der Membran 30 verbunden, während das andere Ende in den umliegenden Randbereich des Schichtaufbaus eingebunden ist. Dazu können diese Enden der Federelemente 31 beispielsweise so zwischen den beiden Opferschichten eingebettet sein, dass sie sowohl mit dem Gegenelement als auch mit dem Substrat verbunden sind. Alternativ können diese Federenden aber auch nur einseitig entweder mit dem Gegenelement oder dem Substrat verbunden sein. Die hier dargestellte Federaufhängung ist so ausgelegt, dass sie die bei der Erzeugung der Polysilizium-Membranschicht auftretenden und schwer zu kontrollierenden Schichtspannungen zumindest in gewissen Grenzen sowohl dann ausgleichen kann, wenn das Polysilizium tensil abgeschieden wurde, als auch dann, wenn es kompressiv abgeschieden wurde.
Die hier dargestellte Membran 30 ist über die Federelemente 31 stabil aufgehängt. Die Verformung bei Druckbeaufschlagung erfolgt hauptsächlich im Bereich der Federelemente 31. Dadurch wird die für die Mikrofonfunktion maßgebliche als bewegliche Elektrode fungierende Membranfläche annähernd planparallel zum Gegenelement ausgelenkt, was sich günstig auf das Mikrofonnutzsignal auswirkt.
Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist eine einfache Elektronikfunktion als Überlastschutz für die Mikrofonstruktur vorgesehen. Die Auswerteelektronik erkennt automatisch ein Anschlagen der Membran am Gegenelement, was im Überlastfall, z.B. bei sehr hohen Schalldrücken oder bei Schockeinwirkung, auftreten kann. Um die dabei auftretenden elektrostatischen Haftkräfte zu lösen und ein dauerhaftes elektrostatisch bedingtes Anhaften der Membran am Gegenelement zu vermeiden, wird die Bias-Spannung temporär unterbrochen. Im spannungsfreien Zustand kann sich die Membran dann selbsttätig wieder vom Gegenelement ablösen. Dieses Konzept eignet sich insbesondere für Biasspannungen von unter 5 V, da bei diesen niedrigen Biasspannungen noch kein elektrisches Verschweißen zwischen Membran und Gegenelement stattfinden kann.
Wie in Verbindung mit den Figuren 2a bis 2f beschrieben, erfolgt die Herstellung der erfindungsgemäßen Mikrofonstrukturen einschließlich der Freilegung der Membranen im Waferverbund. Nachfolgend wird in Verbindung mit den Figuren 4a bis 4f ein besonders vorteilhaftes Verfahren zur Vereinzelung dieser Mikrofonstrukturen beschrieben.
Zunächst wird mit Hilfe eines Vakuum-Laminiergeräts eine Schutzfolie 41 mit speziellen Hafteigenschaften auf die erfindungsgemäß weitgehend plane Oberseite des Schichtaufbaus 40 aufgebracht, was in Fig. 4a dargestellt ist. Diese Schutzfolie 41 verliert ihre Haftkraft bei Einwirkung von UV-Licht in Kombination mit Wärme, was ein einfaches rückstandsfreies Ablösen der Schutzfolie 41 nach dem Vereinzelungsprozess ermöglicht.
Fig. 4b zeigt den Schichtaufbau 40 mit der Schutzfolie 41, nachdem er auf einen mit einer Sägefolie 42 bespannten Sägerahmen geklebt worden ist. Die Sägefolie 42 muss zumindest soweit hitzebeständig sein, dass sie unempfindlich ist für Temperaturen, bei denen die Schutzfolie 41 ihre Haftkraft verliert. Außerdem muss die Haftkraft der Schutzfolie 41 und die Haftkraft der Sägefolie 42 jeweils so groß sein, dass Chips mit einem Chipmaß von beispielsweise 1x1mm² während eines Sägeprozesses haften bleiben.
Da der Schichtaufbau 40 und insbesondere die im Schichtaufbau 40 freigelegten Mikrofonstrukturen durch die Schutzfolie 41 geschützt sind, kann der Schichtaufbau 40 nun mit Hilfe einer wassergekühlten Kreissäge zersägt werden. Die Schutzfolie 41 verhindert dabei wirkungsvoll das Eindringen von Wasser oder Sägepartikeln in die Mikrofonstrukturen. In Fig. 4c ist der Schichtaufbau 40 mit der Schutzfolie 41 bereits zersägt. Die einzelnen Bauelemente 50 haften jedoch noch auf der zusammenhängenden Sägefolie 42.
Nach dem Sägeprozess kann die Schutzfolie 41 von der Oberseite der einzelnen Bauelemente 50 entfernt werden. Dafür wird sie zunächst mit UV-Strahlung belichtet. Danach erfolgt eine Temperaturbehandlung, während der sich die auflaminierte Schutzfolie 41 vollständig von der Bauteiloberseite löst. Dementsprechend liegen nach der Temperaturbehandlung auf jedem Bauelement 50 Folienstücke, die abgesaugt oder abgeblasen werden können. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Folienstücke mit einem Stempelverfahren aufgenommen, was in den Fig. 4d und 4e dargestellt ist. Dazu wird hier ein zweiter Wafer 43 verwendet, auf dessen Stempeloberfläche eine zweiseitig klebende Folie 44, eine weiche Polymerschicht oder eine weiche Lackschicht aufgebracht wurde.
Danach kann die Sägefolie 42 expandiert werden und die einzelnen Bauteile 50 können mit Pick-and-Place-Tools von der Sägefolie 42 abgepickt und verpackt werden, was durch Fig. 4f veranschaulicht wird.
Die erfindungsgemäße Mikrofonstruktur mit einer weitgehend ebenen Bauteiloberfläche ermöglicht das Aufbringen einer Schutzfolie auf die Oberseite des Waferschichtaufbaus. Dadurch lassen sich die erfindungsgemäßen Mikrofonbauelemente in einem Standard-Sägeprozess vereinzeln, wobei der durch das Aufbringen und Entfernen einer zweiten Folie bedingte zusätzliche Prozessaufwand vernachlässigbar ist. Da auch die Schutzfolie 41 selbst relativ kostengünstig ist, trägt ihre Verwendung im Rahmen des Vereinzelungsverfahrens nur unwesentlich zu den Gesamtkosten eines einzelnen Bauteils bei.

Claims

Bauelement mit einer mikromechanischen Mikrofonstruktur, mindestens umfassend
- eine akustisch aktive Membran (11), die als auslenkbare Elektrode eines Mikrofonkondensators fungiert,

- ein feststehendes akustisch durchlässiges Gegenelement (12), das als Gegenelektrode des Mikrofonkondensators fungiert, und

- Mittel zum Erfassen und Auswerten der Kapazitätsänderungen des Mikrofonkondensators,
wobei die Membran (11) in einer Membranschicht (3) über dem Halbleitersubstrat (1) des Bauelements realisiert ist und eine Schallöffnung (13) in der Substratrückseite überspannt, und
wobei das Gegenelement (12) in einer weiteren Schicht (5) über der Membran (11) ausgebildet ist;
dadurch gekennzeichnet, dass sich diese weitere Schicht (5) im wesentlichen über die gesamte Bauelementfläche erstreckt und Niveauunterschiede ausgleicht, so dass die gesamte Bauelementoberfläche entsprechend dieser weiteren Schicht (5) weitgehend eben ist.
Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranschicht (3) in Form einer dünnen Polysiliziumschicht realisiert ist, die gegenüber dem Halbleitersubstrat (1) durch eine erste Isolationsschicht (2) elektrisch isoliert ist, und dass das Gegenelement (11) in einer dicken Epi-Polysiliziumschicht (5) ausgebildet ist, die gegenüber der Membranschicht (3) durch eine zweite Isolationsschicht (4) elektrisch isoliert ist, wobei die Schichtdicke dieser zweiten Isolationsschicht (4) den Abstand zwischen der Membran (11) und dem Gegenelement (12) bestimmt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Membranschicht (3) eine Federaufhängung (14) für die Membran (11) ausgebildet ist.
Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Federaufhängung (14) mindestens drei Federelemente umfasst, die über die erste und/oder die zweite Isolationsschicht mit dem Halbleitersubstrat und/oder dem Gegenelement verbunden sind.
Verfahren zur Herstellung von Bauelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
- bei dem eine erste elektrisch isolierende Opferschicht (2) auf ein Halbleitersubstrat (1) aufgebracht wird,

- bei dem eine Membranschicht (3) auf die erste Opferschicht (2) aufgebracht und strukturiert wird, um für jeweils ein Bauelement mindestens eine Membran (11) mit einer Federaufhängung (14) zu erzeugen,

- bei dem eine zweite elektrisch isolierende Opferschicht (4) auf die strukturierte Membranschicht (3) aufgebracht wird,

- bei dem mindestens eine weitere Schicht (5) auf die zweite Opferschicht (4) aufgebracht und strukturiert wird, um für jede Membran (11) ein akustisch durchlässiges Gegenelement (12) zu erzeugen,

- bei dem in der Rückseite des Halbleitersubstrats (1) mindestens eine Schallöffnung (13) unter jeder Membran (11) erzeugt wird,

- bei dem die erste Opferschicht (2) und die zweite Opferschicht (4) zumindest im Bereich unter und über jeder Membran (11) und deren Federaufhängung (14) entfernt werden, und

- bei dem die Bauelemente erst nach dem Freilegen der Mikrofonstrukturen vereinzelt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine dünne Polysiliziumschicht als Membranschicht (3) auf der ersten Opferschicht (2) abgeschieden wird, und dass auf der zweiten Opferschicht (4) eine dicke Epi-Polysiliziumschicht (5) aufgewachsen wird, in der die Gegenelemente (12) ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Epi-Polysiliziumschicht (5) in einem anisotropen Ätzprozess, insbesondere in einem Trenchprozess oder in einem DRIE-Prozess, strukturiert wird, wobei die zweite Opferschicht (4) als Ätzstopp fungiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallöffnungen (13) in einem anisotropen Ätzprozess, insbesondere in einem DRIE-Prozess, erzeugt werden, wobei die erste Opferschicht (2) als Ätzstopp fungiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Opferschicht (2) und die zweite Opferschicht (4) in einem isotropen Ätzprozess entfernt werden, wobei der Ätzangriff über die Schallöffnung (13) und über Durchgangsöffnungen (15) in den Gegenelementen (12) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Opferschicht (2) und/oder die zweite Opferschicht (4) aus SiO2 oder SiGe gebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Freilegen der Mikrofonstrukturen auf den Schichtaufbau (40) über dem Halbleitersubstrat eine Schutzfolie (41) aufgebracht wird, die das Eindringen von Partikeln und Flüssigkeit in die Mikrofonstrukturen verhindert, und dass diese Schutzfolie (41) nach dem Vereinzeln der Bauelemente rückstandsfrei von der Bauelementoberfläche entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schutzfolie (41) verwendet wird, die ihre Haftkraft durch UV-Bestrahlung, durch eine Wärmebehandlung oder durch eine UV-Bestrahlung in Kombination mit einer Wärmebehandlung verliert.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzfolie (41) unter Vakuum auf die weitgehend ebene Oberfläche des Schichtaufbaus (40) auflaminiert wird und nach dem Vereinzelungsprozess durch eine UV-Bestrahlung in Kombination mit einer Wärmebehandlung von den Bauteiloberflächen abgelöst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauelemente in einem Standard-Sägeprozess vereinzelt werden.