EP2522153B1

EP2522153B1 - Bauelement mit einer mikromechanischen mikrofonstruktur und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: EP2522153B1
Application number: EP10781632.4A
Authority: EP
Inventors: Jochen Zoellin; Axel Grosse; Bernhard Gehl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-01-05
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2030-11-05
Also published as: US20130010989A1; TW201127089A; US9042581B2; TWI473506B; WO2011082861A1; CN102714772A; CN102714772B; DE102010000666A1; EP2522153A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Bauelement mit einer mikromechanischen Mikrofonstruktur, die in einem Schichtaufbau realisiert ist gemäß Anspruch 1. Die Mikrofonstruktur umfasst zumindest eine durch den Schalldruck auslenkbare Membran, die in einer Membranschicht realisiert ist, und ein feststehendes akustisch durchlässiges Gegenelement für die Membran, das in einer dicken Funktionsschicht über der Membranschicht realisiert ist und mit Durchgangsöffnungen zur Schalleinkopplung versehen ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Mikrofonbauelements gemäß Anspruch 5.
MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System)-Mikrofone gewinnen in den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen zunehmend an Bedeutung. Dies ist in erster Linie auf die miniaturisierte Bauform derartiger Bauelemente und die Möglichkeit zur Integration weiterer Funktionalitäten bei sehr geringen Herstellungskosten zurückzuführen. Ein weiterer Vorteil von MEMS-Mikrofonen ist deren hohe Temperaturstabilität.
Die Signalerfassung erfolgt in der Regel kapazitiv, wobei die Membran der Mikrofonstruktur als bewegliche Elektrode eines Mikrofonkondensators fungiert und das feststehende Gegenelement den Träger der entsprechenden Gegenelektrode darstellt. Wenn die Membran durch den Schalldruck ausgelenkt wird, ändert sich der Abstand zwischen der Membran und der Gegenelektrode, was dann als Kapazitätsänderung des Mikrofonkondensators erfasst wird.
Mit Verfahren der Oberflächen- und Volumenmikromechanik und unter Verwendung von Opferschichtätzprozessen lassen sich Mikrofonbauelemente mit sehr kleiner Chipfläche realisieren. Gemäß einem aus der Praxis bekannten Verfahren werden dabei die Schallöffnungen im Gegenelement als Ätzzugänge für den Opferschichtätzprozess genutzt, bei dem die Membran freigestellt wird. Bei dieser Vorgehensweise wird das Layout der Mikrofonstruktur und insbesondere der Membran nicht nur durch die angestrebten Mikrofoneigenschaften bestimmt, sondern hängt auch wesentlich von den Möglichkeiten und Eigenschaften des Opferschichtätzprozesses ab, wie beispielsweise von der Ätzdauer, der Isotropie des Ätzprozesses und von den Grenzen und der Streuung der Unterätzweite. Mit dem Layout sind auch die akustischen Eigenschaften eines so gefertigten MEMS-Mikrofons limitiert.
So ist bei den bekannten Mikrofonbauelementen der laterale Abstand zwischen den als Ätzzugang dienenden Schallöffnungen und dem Membranrand durch die Unterätzweite des Opferschichtätzprozesses begrenzt. Dieser Abstand bestimmt die Größe des akustischen Kurzschlusses, d.h. die Verminderung der Schallaufnahme der Mikrofonmembran durch direkten Druckausgleich zwischen der Membranvorderseite und der Membranrückseite. Je größer der laterale Abstand zwischen den Schallöffnungen und dem Membranrand ist, um so geringer sind die Auswirkungen des akustischen Kurzschlusses auf die Signalqualität und um so besser ist das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) des Mikrofonbauelements.
Aus der Schrift WO 02/15636 A2 ist ein Mikrofonbauelement bekannt, bei dem ein Gegenelement auf einem Substrat mit einer dazwischen liegenden leitfähigen Membran angeordnet ist. Dabei weist das Gegenelement eine Unterstützungsstruktur auf, welche sowohl die Bewegung der Membran einschränkt als auch den Abstand zwischen Gegenelement und Membran sicherstellt. Oberhalb der beweglichen Membran befinden sich im Gegenelement eine Reihe von Öffnungen. Davon durch die Unterstützungsstruktur getrennt, befinden sich im äußeren Bereich des Gegenelements außerhalb der beweglichen Membran weitere Öffnungen; die einen kleineren Durchmesser als die Öffnungen aufweisen
Aus der Schrift US 2002/0086455 A1 ist ein mikromechanisches Bauelement bekannt, bei dem eine Membran mittels einer Opferschichttechnologie aus einem Substrat herausstrukturiert wird.

Offenbarung der Erfindung

Mit der vorliegenden Erfindung werden Maßnahmen zur Verbesserung der akustischen Eigenschaften eines in Opferschichttechnologie gefertigten Mikrofonbauelements vorgeschlagen.
Bei einem Bauelement der eingangs genannten Art wird eine solche Verbesserung erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Durchgangsöffnungen zur Schalleinleitung über dem Mittelbereich der Membran angeordnet sind und dass über dem Randbereich der Membran akustisch kaum durchgängige und damit weitestgehend akustisch passive Perforationsöffnungen im Gegenelement strukturiert sind.
Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass die Schallbeaufschlagung möglichst auf den Mittelbereich der Mikrofonmembran begrenzt werden sollte, um die Länge des akustischen Kurzschlusses zu maximieren und so seine Auswirkungen auf die Schallaufnahme der Mikrofonmembran möglichst gering zu halten. Deshalb wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, im Gegenelement lediglich über dem Mittelbereich der Membran Durchgangsöffnungen zur Schalleinleitung, d.h. Schallöffnungen, vorzusehen. Des Weiteren ist erfindungsgemäß erkannt worden, dass bei gleichbleibender Perforationsdicke mit dem Durchmesser der Perforationsöffnungen deren Durchlässigkeit für Schallwellen abnimmt. Da der Ätzangriff beim Opferschichtätzen aber auch über sehr kleine Perforationsöffnungen erfolgen kann, werden erfindungsgemäß solche akustisch stark überdämpften und damit inaktiven Perforationsöffnungen über dem Randbereich der Membran im Gegenelement strukturiert, also zwischen den äußersten Schallöffnungen und dem Membranrand. Dadurch kann der Pfad des akustischen Kurzschlusses unabhängig von der Unterätzweite des Opferschichtätzprozesses deutlich verlängert werden. Diese über dem Randbereich der Mikrofonmembran angeordneten sehr kleinen Perforationsöffnungen vermindern außerdem die Dämpfung der Mikrofonmembran gegenüber einem völlig geschlossenen Gegenelement, da sie die Squeezefilmdämpfung im Spalt verringern. Die Perforationsöffnungen können dazu ebenso gut punktförmig wie auch schlitzartig geformt, sowie gerade, gekrümmt oder gewinkelt ausgeführt sein.
Wie bereits erwähnt, dienen die über dem Randbereich der Mikrofonmembran im Gegenelement befindlichen Perforationsöffnungen als Ätzzugänge beim Opferschichtätzen im Rahmen der Herstellung des voranstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Mikrofonbauelements. Dementsprechend wird hier auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauelements beansprucht, bei dem durch Strukturierung einer Membranschicht des Schichtaufbaus eine Membran ausgebildet wird, mindestens eine Opferschicht auf die Membranschicht aufgebracht wird und eine dicke Funktionsschicht auf der Opferschicht erzeugt wird, aus der ein feststehendes Gegenelement für die Membran herausstrukturiert wird. Erfindungsgemäß werden bei der Strukturierung der dicken Funktionsschicht über dem Mittelbereich der Membran Durchgangsöffnungen mit einer zur Schalleinleitung geeigneten Größe erzeugt, während über dem Randbereich der Membran akustisch weitestgehend passive Perforationsöffnungen als Durchgangsöffnungen erzeugt werden. In einem darauffolgenden Opferschichtätzprozess wird dann das Opferschichtmaterial zwischen der Membran und dem Gegenelement herausgelöst, wobei der Ätzangriff sowohl über die Durchgangsöffnungen zur Schalleinkopplung als auch über die akustisch passiven Perforationsöffnungen im Gegenelement erfolgt.
Zur Optimierung des akustischen Kurzschlusses bei gleichzeitiger Gewährleistung der Fertigungssicherheit werden die Perforationsöffnungen in einem auf die Unterätzweite des Ätzmediums abgestimmten Raster angeordnet, d.h. so dass das Opferschichtmaterial zwischen dem Gegenelement und dem Randbereich der Membran bei einem Ätzangriff über die Perforationsöffnungen vollständig entfernt wird.
Um sicherzustellen, dass die Perforationsöffnungen über dem Randbereich der Membran tatsächlich akustisch stark überdämpft oder sogar gänzlich inaktiv sind, können die Perforationsöffnungen nach dem Herauslösen des Opferschichtmaterials durch Abscheiden einer Versiegelungsschicht auf der strukturierten dicken Funktionsschicht gezielt verengt oder verschlossen werden. Diese Vorgehensweise eröffnet die Möglichkeit, die Perforationsöffnungen lediglich für den Ätzangriff im Rahmen des Herstellungsverfahrens um die Schichtdicke der Versiegelungsschicht erweitert auszubilden, um das Herauslösen des Opferschichtmaterials zu begünstigen.

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 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren.

Fig. 1: zeigt eine schematische Aufsicht auf das mit Durchgangsöffnungen versehene Gegenelement eines erfindungsgemäßen Mikrofonbauelements und
Fig. 2a bis c: zeigen schematische Schnittdarstellungen des Schichtaufbaus eines erfindungsgemäßen Mikrofonbauelements während der Versiegelung von Perforationsöffnungen.

Ausführungsformen der Erfindung

Wie voranstehend erörtert, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Bauelemente mit einer mikromechanischen Mikrofonstruktur, die in einem Schichtaufbau realisiert ist. Die Mikrofonstruktur umfasst mindestens eine Membran, die in einer Membranschicht des Schichtaufbaus ausgebildet ist, und ein feststehendes akustisch durchlässiges Gegenelement für die Membran, das in einer dicken Funktionsschicht über der Membranschicht realisiert ist. Die Membran wird über Schallöffnungen im Gegenelement mit dem Schalldruck beaufschlagt.
In Fig. 1 ist die Draufsicht auf ein derartiges Mikrofonbauelement 10 bzw. auf dessen Gegenelement 12 dargestellt, und zwar auf einen Bereich über dem seitlichen Membranrand bis in den Mittelbereich der Membran. Die Membran überdeckt im abgebildeten Ausschnitt das Gegenelement 12. Fig. 1 veranschaulicht, dass lediglich über dem Mittelbereich der Membran Schallöffnungen 13 im Gegenelement 12 ausgebildet sind, während das Gegenelement 12 über dem Randbereich der Membran ausschließlich mit Perforationsöffnungen 14 versehen ist. Diese Perforationsöffnungen 14 sind deutlich kleiner als die Schallöffnungen 13 und so klein, dass sie akustisch stark überdämpft und dadurch akustisch nahezu undurchlässig sind. Sowohl die Schallöffnungen 13 als auch die Perforationsöffnungen 14 dienen im Rahmen des Herstellungsverfahrens als Ätzzugänge für einen Opferschichtätzprozess, bei dem das Opferschichtmaterial zwischen der Membranschicht und dem Gegenelement 12 herausgelöst wird, um die Membran freizulegen. In Fig. 1 ist die Unterätzweite dieses Ätzprozesses für jede Schallöffnung 13 und für jede Perforationsöffnung 14 in Form eines Kreises 15 bzw. 16 eingezeichnet. Der Überlappungsgrad der Kreise 15 verdeutlicht, dass die Rasteranordnung der Schallöffnungen 13 dichter ist, als dies für eine vollständige Unterätzung des Gegenelements 12 erforderlich gewesen wäre, dass die Anordnung der Schallöffnungen 13 also in erster Linie akustischen Erwägungen Rechnung trägt. Im Unterschied dazu wurde das Raster der Perforationsöffnungen 14 so gewählt, dass die Kreise 16 den Randbereich der Membran zwar vollständig überdecken, der Überlappungsgrad der Kreise 16 aber relativ klein und gleichmäßig verteilt ist. Das Raster der Perforationsöffnungen 14 wurde hier im Hinblick auf eine vollständige Unterätzung des Gegenelements 12 optimiert.
Zum Vergleich besonders hervorgehoben sind in Fig. 1 die Unterätzweite der äußersten Schallöffnungen 13, die durch den Pfeil 17 dargestellt ist, und der Abstand zwischen den äußersten Schallöffnungen 13 und dem Membranrand 11, der durch den Pfeil 18 wiedergegeben wird. Der Vergleich dieser beiden Größen verdeutlicht, dass mit Hilfe der Perforationsöffnungen 14 ein deutlich größerer Abstand zwischen den äußersten Schallöffnungen 13 und dem Membranrand 11 realisiert wurde, als dies bei ausschließlicher Verwendung der Schallöffnungen 13 als Ätzzugang beim Opferschichtätzprozess möglich gewesen wäre.
Da der Einfluss des akustischen Kurzschlusses auf das Mikrofonsignal um so größer ist, je kleiner der Abstand zwischen den äußersten Schallöffnungen und dem Membranrand ist, tragen die Perforationsöffnungen 14, mit denen dieser Abstand im Opferschichtätzprozess vergrößert wurde, zur Verbesserung der akustischen Eigenschaften des Mikrofonbauelements 10 bei. Außerdem vermindern die Perforationsöffnungen 14 über dem Randbereich der Membran die Dämpfung der Mikrofonmembran, was sich ebenfalls günstig auf die akustischen Eigenschaften des Mikrofonbauelements auswirkt.
Zur Implementierung der hier in Rede stehenden Erfindung wird also je nach den angestrebten akustischen Eigenschaften des Mikrofonbauelements eine Reihe oder auch ein Feld von akustisch passiven Ätzzugängen mit kleinem Durchmesser zwischen der Membrankante und den Schallöffnungen im Gegenelement erzeugt. Die Anzahl, die Größe und auch die Anordnung dieser Perforationsöffnungen hängen dabei sowohl vom errechneten Optimum bezüglich der akustischen, mechanischen und elektrischen Eigenschaften, wie Dämpfung, Empfindlichkeit, Signal-Rausch-Abstand, als auch von den Strukturierungsmöglichkeiten im Herstellungsprozess ab. Dabei muss ein Kompromiss gefunden werden zwischen großen Perforationsöffnungen einerseits, was mit einer geringen Dämpfung der Mikrofonmembran verbunden ist, und einer Perforationsstruktur mit einem hohen akustischen Widerstand andererseits, wodurch die elektrische Empfindlichkeit der Mikrofonstruktur erhöht und das Rauschen des akustischen Kurzschlusses verringert wird.
Erfindungsgemäß müssen die Perforationsöffnungen also zwei Kriterien erfüllen. Zum einen müssen sie hinreichend groß sein, um als Ätzzugang für den Opferschichtätzprozess fungieren zu können. Zum anderen müssen sie so klein sein, dass sie akustisch möglichst undurchlässig sind. Um diesen vermeintlich widerstreitenden Anforderungen zu genügen, können die Perforationsöffnungen nach dem Opferschichtätzprozess mit Hilfe einer Versiegelungsschicht verengt oder sogar gänzlich verschlossen werden. Die hierfür erforderliche Prozessfolge wird durch die Figuren 2a bis 2c veranschaulicht.
In Fig. 2a ist der obere Teil des Schichtaufbaus eines Mikrofonbauelements 20 mit der Membran 21 und dem Gegenelement 22 im Bereich des Membranrandes dargestellt, nachdem das Opferschichtmaterial zwischen der Membran 21 und dem Gegenelement 22 in einem Opferschichtätzprozess entfernt worden ist. Der Ätzangriff erfolgte dabei über die Durchgangsöffnungen 23 und 24 im Gegenelement. Die über dem Mittelbereich der Membran 21 angeordneten Durchgangsöffnungen 23 sind als Schallöffnungen angelegt, während die Durchgangsöffnungen 24 im Randbereich der Membran 21 in Form von Perforationsöffnungen mit sehr kleinem Querschnitt realisiert sind.
Nach dem Opferschichtätzprozess wurde dann eine Versiegelungsschicht 25, beispielsweise ein PECVD-Oxid, auf der Bauteiloberfläche abgeschieden. Das Material dieser Versiegelungsschicht 25 wurde dabei über die Durchgangsöffnungen 23 und 24 auch auf der Membran 21 und an den Öffnungswandungen angelagert. Während die Schallöffnungen 23 durch die Versiegelungsschicht 25 lediglich verengt wurden, wurden die kleineren Perforationsöffnungen 24 hier gänzlich verschlossen, was in Fig. 2b dargestellt ist.
In einem weiteren kurzen Gasphasenätzschritt wurde die Versiegelungsschicht 25 schließlich wieder großflächig vom Gegenelement 22 und von der Membran 21 entfernt. Fig. 2c veranschaulicht, dass das Material der Versiegelungsschicht 25 dabei auch von der Wandung der Schallöffnungen 23 entfernt wurde, während die gänzlich versiegelten Perforationsöffnungen 24 mit kleinem Durchmesser verschlossen oder zumindest sehr stark verengt bleiben. Dies ist auf die sehr reduzierte Angriffsfläche für den Ätzprozess auf der Vorder- und Rückseite des Gegenelements 22 zurückzuführen.

Claims

Bauelement (10) mit einer mikromechanischen Mikrofonstruktur, die in einem Schichtaufbau realisiert ist, mindestens umfassend
o eine durch den Schalldruck auslenkbare Membran, die in einer Membranschicht realisiert ist, und

o ein feststehendes akustisch durchlässiges Gegenelement (12) für die Membran, das in einer dicken Funktionsschicht über der Membranschicht realisiert ist und mit Durchgangsöffnungen (13) zur Schalleinkopplung versehen ist;
dadurch gekennzeichnet, dass
• das Gegenelement vollständig unterätzt ist, und

• die Durchgangsöffnungen (13) zur Schalleinkopplung über dem Mittelbereich der durch den Schalldruck auslenkbaren Membran angeordnet sind und

• über dem Randbereich der durch den Schalldruck auslenkbaren Membran akustisch weitestgehend passive und damit akustisch nahezu undurchlässige Perforationsöffnungen (14) im Gegenelement (12) strukturiert sind, die deutlich kleiner als die Durchgangsöffnungen (13) ausgestaltet sind.
Bauelement (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, die Durchgangsöffnungen (13) und die Perforationsöffnungen (14) oberhalb der Unterätzung angeordnet sind.
Bauelement (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Perforationsöffnungen (24) durch das Material mindestens einer auf die dicke Funktionsschicht aufgebrachten Versiegelungsschicht (25) verengt sind.
Bauelement (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Perforationsöffnungen (24) durch das Material mindestens einer auf die dicke Funktionsschicht aufgebrachten Versiegelungsschicht (25) verschlossen sind.
Verfahren zur Herstellung eines Bauelements (10) mit einer mikromechanischen Mikrofonstruktur, die in einem Schichtaufbau realisiert wird, insbesondere zur Herstellung eines Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem
- durch Strukturierung einer Membranschicht eine Membran ausgebildet wird,

- mindestens eine Opferschicht auf die Membranschicht aufgebracht wird,

- eine dicke Funktionsschicht auf der Opferschicht erzeugt und strukturiert wird, wobei ein feststehendes Gegenelement (12) für die Membran ausgebildet und mit Durchgangsöffnungen (13) versehen wird, und

- das Opferschichtmaterial zwischen der Membran und dem Gegenelement (12) in einem Opferschichtätzprozess herausgelöst wird, wobei der Ätzangriff über die Durchgangsöffnungen (13) im Gegenelement erfolgt,
dadurch gekennzeichnet, dass
• das Gegenelement vollständig unterätzt wird, und

• bei der Strukturierung der dicken Funktionsschicht über dem Mittelbereich der durch den Schalldruck auslenkbaren Membran Durchgangsöffnungen (13) mit einer zur Schalleinleitung geeigneten Größe erzeugt werden und

• über dem Randbereich der durch den Schalldruck auslenkbaren Membran akustisch weitestgehend passive Perforationsöffnungen (14) als Durchgangsöffnungen erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenelement vollständig unterätzt wird, wobei die Unterätzung mittels eines Opferschichtätzprozesses erfolgt, wobei die Durchgangsöffnungen (13) und die Perforationsöffnungen (14) als Ätzzugang dienen.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Perforationsöffnungen (14) in einem Raster angeordnet werden, das auf die Unterätzweite des Ätzmediums abgestimmt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Perforationsöffnungen (24) nach dem Herauslösen des Opferschichtmaterials durch Abscheiden einer Versiegelungsschicht (25) auf der strukturierten dicken Funktionsschicht gezielt verengt oder verschlossen werden.