ITTO20130313A1 - Struttura di rilevamento micromeccanica perfezionata per un trasduttore acustico mems e relativo procedimento di fabbricazione - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“STRUTTURA DI RILEVAMENTO MICROMECCANICA PERFEZIONATA PER UN TRASDUTTORE ACUSTICO MEMS E RELATIVO PROCEDIMENTO DI FABBRICAZIONEâ€

La presente invenzione à ̈ relativa ad una struttura di rilevamento micromeccanica perfezionata per un trasduttore acustico MEMS (“Micro Electro Mechanical Systems†), in particolare un microfono di tipo capacitivo, e ad un relativo procedimento di fabbricazione.

Come noto, un trasduttore acustico MEMS, di tipo capacitivo, comprende generalmente un elettrodo mobile, realizzato come diaframma o membrana, disposto affacciato ad un elettrodo sostanzialmente fisso, in modo da realizzare i piatti di un condensatore di rilevamento. L’elettrodo mobile à ̈ generalmente ancorato, mediante una sua porzione perimetrale, ad un substrato, mentre una sua porzione centrale à ̈ libera di muoversi o flettersi in risposta ad onde di pressione acustica incidenti su una sua superficie. L’elettrodo mobile e l’elettrodo fisso realizzano un condensatore di rilevamento, e la flessione della membrana che costituisce l’elettrodo mobile causa una variazione di capacità di tale condensatore di rilevamento. In uso, la variazione di capacità viene trasformata in un segnale elettrico da parte di una opportuna elettronica di elaborazione, che viene fornito come segnale di uscita del trasduttore acustico MEMS.

Un trasduttore acustico MEMS di tipo noto à ̈ ad esempio descritto in dettaglio nella domanda di brevetto US 2010/0158279 A1 (a cui si fa qui riferimento), a nome della Richiedente.

In figura 1 viene mostrata a titolo di esempio, ed in maniera semplificata, una porzione della struttura di rilevamento micromeccanica del trasduttore acustico, indicata in generale con 1.

La struttura micromeccanica 1 comprende un substrato 2 di materiale semiconduttore, ed una membrana, (o diaframma) 3, mobile; la membrana 3 à ̈ formata di materiale conduttivo ed à ̈ affacciata ad un elettrodo fisso o piastra rigida 4, generalmente nota come piastra posteriore (“back plate†), la quale à ̈ appunto rigida, per lo meno se comparata con la membrana 2, che à ̈ invece flessibile e si deforma in funzione delle onde di pressione acustica incidenti.

La membrana 3 Ã ̈ ancorata al substrato 2 per mezzo di ancoraggi di membrana 5, formati da protuberanze della stessa membrana 3, le quali si estendono, a partire da regioni periferiche della membrana 3 verso lo stesso substrato 2.

Ad esempio, la membrana 3 ha, in pianta, ovvero in un piano orizzontale di estensione principale, una forma genericamente quadrata, e gli ancoraggi di membrana 5, in numero pari a quattro, sono disposti in corrispondenza dei vertici del quadrato.

Gli ancoraggi di membrana 5 assolvono la funzione di sospendere la membrana 3 al di sopra del substrato 2, ad una certa distanza da esso; il valore di tale distanza à ̈ funzione di un compromesso fra la linearità di risposta alle basse frequenze e la rumorosità del trasduttore acustico.

Al fine di consentire il rilascio degli stress (tensili e/o compressivi) residui nella membrana 3, ad esempio derivanti dal processo di fabbricazione, possono essere formate aperture passanti (qui non illustrate) attraverso la membrana 3, in particolare in prossimità di ciascun ancoraggio di membrana 5, al fine di “equalizzare†la pressione statica presente sulle superfici della stessa membrana 3.

La piastra rigida 4 Ã ̈ formata da un primo strato di piatto 4a, di materiale conduttivo e affacciato alla membrana 3, e da un secondo strato di piatto 4b, di materiale isolante.

Il primo strato di piatto 4a forma, insieme alla membrana 3, il condensatore di rilevamento della struttura micromeccanica 1.

In particolare, il secondo strato di piatto 4b à ̈ sovrapposto al primo strato di piatto 4a, ad eccezione di porzioni in cui si estende attraverso il primo strato di piatto 4a, in modo da formare protuberanze 6 della piastra rigida 4, le quali si estendono verso la sottostante membrana 3 ed hanno la funzione di prevenire l’adesione della membrana 3 alla piastra rigida 4, nonché di limitare le oscillazioni della stessa membrana 3.

Ad esempio, lo spessore della membrana 3 à ̈ compreso nell’intervallo 0,3–1,5 µm, ad esempio à ̈ pari a 0,7 µm; lo spessore del primo strato di piatto 4a à ̈ compreso nell’intervallo 0,5-2 µm, ad esempio à ̈ pari a 0,9 µm; e lo spessore del secondo strato di piatto 4b à ̈ compreso nell’intervallo 0,7-2 µm, ad esempio à ̈ pari a 1,2 µm.

La piastra rigida 4 presenta inoltre una pluralità di fori 7, i quali si estendono attraverso il primo ed il secondo strato di piatto 4a, 4b, hanno sezione ad esempio circolare ed assolvono la funzione di favorire, durante le fasi di fabbricazione, la rimozione degli strati sacrificali sottostanti; i fori 7 sono ad esempio disposti a formare un reticolo, in un piano orizzontale, parallelo al substrato. Inoltre, in uso, i fori 7 consentono la libera circolazione di aria tra la piastra rigida 4 e la membrana 3, rendendo di fatto acusticamente trasparente la stessa piastra rigida 4. I fori 7 fungono dunque da porta di accesso acustico, per permettere alle onde di pressione acustica di raggiungere e deformare la membrana 3.

La piastra rigida 4 Ã ̈ ancorata al substrato 2 per mezzo di ancoraggi di piastra 8, i quali si raccordano a regioni periferiche della stessa piastra rigida 4.

In particolare, gli ancoraggi di piastra 8 sono formati da pilastri verticali (ovvero estendentisi in direzione ortogonale al piano orizzontale ed al substrato), realizzati dello stesso materiale conduttivo del primo strato di piatto 4a, e formanti dunque un unico pezzo con la piastra rigida 4; in altre parole, il primo strato di piatto 4a presenta prolungamenti che si estendono fino ad arrivare al substrato 2, definendo gli ancoraggi della piastra rigida 4.

La membrana 3 à ̈ inoltre sospesa e si affaccia direttamente su una prima cavità 9a, formata all’interno del, ed attraverso il substrato 2, mediante uno scavo passante a partire da una sua superficie posteriore 2b, la quale à ̈ opposta ad una superficie anteriore 2a dello stesso substrato 2, sulla quale poggiano gli ancoraggi di membrana 5 (la prima cavità 9a definisce dunque un foro passante che si estende tra la superficie anteriore 2a e la superficie posteriore 2b del substrato 2); in particolare, la superficie anteriore 2a giace nel piano orizzontale.

La prima cavità 9a à ̈ anche nota come camera posteriore (“back chamber†), nel caso in cui le onde di pressione acustica incidano prima sulla piastra rigida 4, e successivamente sulla membrana 3. In tal caso, la camera anteriore (“front chamber†) à ̈ formata da una seconda cavità 9b, la quale à ̈ delimitata superiormente ed inferiormente, rispettivamente, dal primo strato di piatto 4a e dalla membrana 3.

Alternativamente, à ̈ comunque possibile che le onde di pressione raggiungano la membrana 3 attraverso la prima cavità 9a, la quale in tal caso assolve la funzione di porta di accesso acustico, e, quindi, di camera anteriore.

In maggior dettaglio, la membrana 3 ha una prima ed una seconda superficie 3a, 3b, le quali sono tra loro opposte e si affacciano rispettivamente alla prima ed alla seconda cavità 9a, 9b, essendo dunque in comunicazione fluidica con, rispettivamente, la camera posteriore e la camera anteriore del trasduttore acustico.

Inoltre, la prima cavità 9a à ̈ formata da due porzioni di cavità 9a', 9a": una prima porzione di cavità 9a' à ̈ disposta in corrispondenza della superficie anteriore 2a del substrato 2 e presenta una prima estensione nel piano orizzontale; la seconda porzione di cavità 9a" à ̈ disposta in corrispondenza della superficie posteriore 2b del substrato 2 e presenta una seconda estensione nel piano orizzontale, maggiore della prima estensione.

In modo noto, la sensibilità del trasduttore acustico dipende dalle caratteristiche meccaniche della membrana 3, nonché dall’assemblaggio della membrana 3 e della piastra rigida 4.

Inoltre, le prestazioni del trasduttore acustico dipendono dal volume della camera posteriore e dal volume della camera anteriore. In particolare, il volume della camera anteriore determina la frequenza superiore di risonanza del trasduttore acustico, e quindi le sue prestazioni per le alte frequenze; in generale, infatti, minore à ̈ il volume della camera anteriore, maggiore à ̈ la frequenza di taglio superiore del trasduttore acustico. Inoltre, un elevato volume della camera posteriore consente di migliorare la risposta in frequenza e la sensibilità dello stesso trasduttore acustico.

La presente Richiedente ha verificato che la struttura micromeccanica 1 di tipo noto precedentemente descritta à ̈ soggetta ad alcuni inconvenienti, legati in particolare alla realizzazione del piatto rigido 4 ed al suo ancoraggio al substrato 2.

In particolare, à ̈ noto che in un microfono capacitivo il piatto rigido (o di riferimento) dovrebbe essere il quanto più possibile planare (dato che forma la piastra di riferimento del condensatore di rilevamento), ed inoltre il quanto più possibile rigido (al fine di evitare movimenti correlati alle onde di pressione acustica o altri movimenti indesiderati).

Tuttavia, nella struttura micromeccanica 1 precedentemente descritta, il piatto rigido 4 può essere soggetto ad uno sforzo di incurvamento (cosiddetto bending), come mostrato dalla freccia ricurva in linea continua in figura 1, a causa della conformazione degli ancoraggi di piastra 8, in particolare del rapporto di aspetto (“aspect ratio†), e della disposizione sospesa al di sopra della membrana 3, ed a causa degli stress residui nei materiali costituenti, che determinano una forza agente nella direzione indicata dalle frecce tratteggiate.

I fattori che incidono sui suddetti stress residui sono molteplici, e sono dovuti ad esempio alle proprietà dei materiali utilizzati, alle tecniche di deposizione di tali materiali, alle condizioni (temperatura, pressione, ecc.) a cui avviene la deposizione e ad eventuali successivi trattamenti termici.

In altre parole, si viene a creare una sorta di molla, o di elemento elastico, in corrispondenza degli ancoraggi di piastra 8, ovvero delle porzioni a pilastro verticale del piatto rigido 4 verso il substrato 2.

A causa della sua deformazione meccanica, il piatto rigido 4 può presentare una minore rigidità ed inoltre può non risultare perfettamente planare o orizzontale, andando in tal modo ad influire, anche in modo significativo, sulle prestazioni del trasduttore acustico, ad esempio riducendone la sensibilità.

Inoltre, dal punto di vista del procedimento di fabbricazione della struttura micromeccanica 1, à ̈ evidente che la realizzazione degli stessi ancoraggi di piastra 8 richiede, data la loro conformazione, un elevato spessore di uno strato di resist, durante la fase di definizione litografica (cosiddetto “patterning†) degli ultimi strati o livelli di materiale.

In particolare, ciò rende problematico il controllo del processo di fabbricazione ed inoltre genera geometrie fortemente verticali, che risultano particolarmente critiche per gli attacchi chimici (in particolare gli attacchi a secco), aumentando notevolmente il tempo richiesto per l’esecuzione degli stessi attacchi.

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di risolvere, almeno in parte, tali problematiche.

Secondo la presente invenzione vengono pertanto forniti una struttura di rilevamento micromeccanica per un trasduttore acustico MEMS, ed un relativo procedimento di fabbricazione, come definiti nelle rivendicazioni allegate.

Per una migliore comprensione della presente invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1 Ã ̈ una rappresentazione schematica in sezione di una porzione di una struttura di rilevamento micromeccanica di un trasduttore acustico MEMS, di tipo noto;

- le figura 2a-2l mostrano sezioni di una struttura di rilevamento micromeccanica di un trasduttore acustico MEMS, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, in fasi successive di un relativo procedimento di fabbricazione;

- la figura 3 Ã ̈ una vista in pianta schematica e semplificata di parte della struttura di rilevamento micromeccanica; e

- la figura 4 Ã ̈ uno schema a blocchi di un dispositivo elettronico includente il trasduttore acustico MEMS.

Come sarà descritto in dettaglio in seguito, l’idea generale alla base della presente invenzione prevede di realizzare, durante il procedimento di fabbricazione della struttura di rilevamento micromeccanica del trasduttore acustico, una struttura di supporto e di ancoraggio per il piatto rigido, distinta rispetto allo stesso piatto rigido, tale da supportare il piatto rigido e creare una forza equivalente, che riduca gli sforzi di incurvamento a cui à ̈ soggetto a causa degli stress residui nei materiali, e tale inoltre da consentire una riduzione dello spessore degli strati di resist richiesti nelle ultime fasi di processo per la definizione dello stesso piatto rigido.

Viene ora descritto, con riferimento dapprima alla figura 2a (si noti che, per motivi di illustrazione, la figura 2a, così come le successive, non sono rappresentate in scala), il procedimento di realizzazione di una struttura di rilevamento micromeccanica per un trasduttore acustico MEMS, secondo un aspetto della presente soluzione (si noti che nel seguito, per indicare elementi analoghi a quanto descritto in precedenza relativamente alla figura 1, verranno generalmente utilizzati gli stessi numeri di riferimento).

In una fase iniziale, figura 2a, viene predisposto un substrato 12 di una fetta (“wafer†) 13 di materiale semiconduttore, in particolare silicio, avente spessore compreso tra 400µm e 800µm, ad esempio pari a 725µm, che viene sottoposto ad una fase di pulizia sul fronte e sul retro, in corrispondenza dunque di una sua superficie anteriore 12a e di una sua superficie posteriore 12b.

Come mostrato in figura 2b, un primo strato sacrificale 14, ad esempio di ossido di silicio, avente spessore ad esempio pari a 2,6 µm, viene quindi deposto termicamente sulla fetta 13, e sottoposto ad un primo attacco chimico, ad esempio a tempo, per l’apertura di primi recessi di antiadesione 15; come sarà descritto in seguito, i primi recessi di antiadesione 15 hanno la funzione di stampo, per la formazione di elementi di antiadesione (anche definiti “bump†) della membrana della struttura micromeccanica del trasduttore acustico. I primi recessi di antiadesione 15 possono ad esempio avere un’altezza in direzione verticale (ovvero, ortogonale ad un piano orizzontale di estensione principale del substrato 12) pari a 0,5 µm.

Successivamente, il primo strato sacrificale 14 viene sottoposto ad un attacco chimico con arresto sul silicio, tale da aprire aperture di ancoraggio di membrana 17 attraverso l’intero spessore dello stesso primo strato sacrificale 14, in corrispondenza di posizioni desiderate (ad esempio ai vertici di quello che sarà il quadrato occupato in pianta dalla membrana).

Secondo un aspetto della presente soluzione, la maschera utilizzata per realizzare tale attacco chimico per la definizione del primo strato sacrificale 14 Ã ̈ inoltre configurata per consentire la formazione, sostanzialmente nello stesso tempo, di prime aperture di ancoraggio di piatto 18, spostate lateralmente rispetto alle aperture di ancoraggio di membrana 17, da parte opposta dei primi recessi di antiadesione 15.

Come mostrato anche nella vista in pianta schematica di figura 3, le prime aperture di ancoraggio di piatto 18 sono in numero maggiore o uguale a due (nell’esempio, in numero pari a cinque) e sono affiancate lateralmente nel piano orizzontale, qui e nel seguito indicato con xy. Inoltre, le prime aperture di ancoraggio di piatto 18 definiscono in pianta un perimetro chiuso di forma genericamente poligonale, destinato a circondare interamente la membrana della struttura di rilevamento micromeccanica del trasduttore acustico.

Nella stessa figura 3 à ̈ inoltre mostrata la posizione degli ancoraggi di membrana 5, disposti in corrispondenza degli angoli del suddetto perimetro chiuso, e, in linea tratteggiata, l’area occupata centralmente dalla stessa membrana 3.

In seguito, figura 2c, viene realizzata sulla fetta 13 una deposizione di un primo strato conduttivo 19, ad esempio di polisilicio ottimizzato, avente spessore compreso tra 0,3 µm e 1,5 µm, ad esempio pari a 0,75 µm, che ricopre la fetta 13 e riempie in particolare i recessi di antiadesione 15, le aperture di ancoraggio di membrana 17 e le prime aperture di ancoraggio di piatto 18.

In questo modo, si formano gli ancoraggi di membrana 5 ed elementi di antiadesione di membrana 20 (anche definiti “bump†) atti a definire protuberanze della membrana, nuovamente indicata con 3, al fine di evitarne l’adesione al sottostante substrato 12. In particolare, gli ancoraggi di membrana 5 comprendono porzioni verticali del primo strato conduttivo 19 formate all’interno delle aperture di ancoraggio di membrana 17, in contatto diretto con la superficie anteriore 12a del substrato 12, ed una porzione del primo strato sacrificale 14 compresa tra le stesse porzioni verticali.

In questa fase di processo, si forma inoltre una porzione inferiore di quella che diventerà, a procedimento di fabbricazione ultimato, la struttura di ancoraggio del piatto rigido del trasduttore acustico. In particolare, tale porzione inferiore comprende porzioni verticali 19' del primo strato conduttivo 19 formate all’interno delle aperture di ancoraggio di piatto 18, in contatto diretto con la superficie anteriore 12a del substrato 12, e porzioni 14' del primo strato sacrificale 14 comprese tra porzioni verticali 19' adiacenti e sovrastate da porzioni orizzontali 19" dello stesso primo strato conduttivo 19 (che si raccordano alle suddette porzioni verticali 19').

Quindi, come mostrato nella stessa figura 2c, il primo strato conduttivo 19 viene definito (ossia selettivamente attaccato e rimosso) mediante fasi di litografia ed attacco chimico con arresto sul primo strato sacrificale 14, al fine di definire la conformazione della membrana 3 (avente ad esempio forma quadrata o genericamente poligonale nel piano orizzontale xy); in particolare, la membrana 3 risulta internamente contenuta, nel piano orizzontale xy, dal perimetro chiuso definito dalla struttura di ancoraggio di piatto.

In seguito alla definizione del primo strato conduttivo 19, rimangono anche le porzioni orizzontali 19" disposte in corrispondenza della struttura di ancoraggio di piatto, mentre la rimanente parte dello stesso primo strato conduttivo 19 viene rimossa.

In questa fase di attacco, vengono inoltre definite una o più aperture passanti 21 attraverso l’intero spessore della membrana 3, finalizzate all’equalizzazione delle superfici anteriore e posteriore della stessa membrana 3.

Successivamente, figura 2d, viene deposto sulla fetta 13 un secondo strato sacrificale 22, ad esempio di ossido di silicio con spessore di circa 1,1 µm.

Il secondo strato sacrificale 22 viene quindi definito, ad esempio con un attacco ad arresto sul primo strato conduttivo 19, in modo da formare una pluralità di aperture di antiadesione 23, aventi la funzione di consentire, durante successive fasi del procedimento di fabbricazione, la realizzazione di elementi di antiadesione per il piatto rigido della struttura micromeccanica del trasduttore acustico.

Viene quindi deposto sulla fetta 13, figura 2e, un terzo strato sacrificale 24, costituito ad esempio di USG (Undoped Silicon Glass), avente spessore ad esempio pari a 2 µm, che riempie in particolare le seconde aperture di antiadesione 23, assumendo una forma di superficie che segue almeno parzialmente la forma del sottostante secondo strato sacrificale 22, presentando dunque avvallamenti 25 in corrispondenza delle seconde aperture antiadesione 23.

La fase successiva, figura 2f, prevede, secondo un aspetto della presente soluzione, la definizione del terzo strato sacrificale 24 e del sottostante secondo strato sacrificale 22, in corrispondenza di quella che diventerà la struttura di ancoraggio del piatto rigido.

In particolare, mediante attacco chimico ad arresto sul primo strato conduttivo 19, vengono aperte seconde aperture di ancoraggio di piatto 26, disposte verticalmente in corrispondenza della posizione precedente assunta dalle prime aperture di ancoraggio di piatto 18, ed aventi una larghezza, nel piano orizzontale xy, maggiore o uguale di quella precedentemente assunta dalle stesse prime aperture di ancoraggio di piatto 18.

In seguito, figura 2g, viene deposto sulla fetta 13, un secondo strato conduttivo 28, ad esempio di polisilicio con spessore pari a 0,9 µm.

Il secondo strato conduttivo 28 viene quindi selettivamente rimosso mediante attacco chimico con arresto sul sottostante secondo strato sacrificale 24, per esporre gli avvallamenti 25 nello stesso secondo strato sacrificale 24. Le porzioni rimanenti del secondo strato conduttivo 28, disposte al di sopra della membrana 3, sono destinate a formare il primo strato di piatto 4a di quello che sarà il piatto rigido 4 della struttura di rilevamento micromeccanica.

Inoltre, il secondo strato conduttivo 28, in corrispondenza della struttura di ancoraggio del piatto rigido 4, riempie le seconde aperture di ancoraggio di piatto 26, andando a contattare le sottostanti porzioni del primo strato conduttivo 19.

Si forma così la porzione superiore della struttura di ancoraggio del piatto rigido 4 del trasduttore acustico, qui indicata complessivamente con 30.

Tale porzione superiore comprende porzioni verticali 28' del secondo strato conduttivo 28, formate all’interno delle seconde aperture di ancoraggio di piatto 26, le porzioni residue sovrapposte 22', 24' del secondo e del terzo strato sacrificale 22, 24 comprese tra porzioni verticali 28' adiacenti, e le sovrastanti porzioni orizzontali 28" dello stesso secondo strato conduttivo 28 (che si raccordano alle suddette porzioni verticali 28'). In particolare, le porzioni verticali 28' costituiscono dunque prolungamenti del primo strato di piatto 4a del piatto rigido 4, essendo integrali allo stesso piatto rigido 4, in corrispondenza di una sua porzione di bordo. Tali porzioni verticali 28' terminano a distanza dalla superficie anteriore 12a del substrato 12, in particolare ad una distanza confrontabile (ovvero sostanzialmente equivalente) all’altezza nella direzione verticale delle stesse porzioni verticali 28'.

Quindi, figura 2h, viene deposto sulla fetta 13, ad esempio mediante deposizione chimica da fase vapore a bassa pressione (LPCVD – Low Pressure Chemical Vapor Deposition), uno strato di passivazione 32, costituito di materiale isolante, ad esempio nitruro di silicio, con spessore ad esempio pari a 2 µm.

Lo strato di passivazione 32 viene deposto quindi sul secondo strato conduttivo 28, formando il secondo strato di piatto 4b del piatto rigido 4, e riempie in particolare gli avvallamenti 25 formando così le protuberanze 6 dello stesso piatto rigido 4, che si estendono verso la sottostante membrana 3 con funzione di antiadesione.

Lo strato di passivazione 32 si estende inoltre al di sopra della struttura di ancoraggio 30, da cui risulta supportato allo stesso livello (rispetto al piano orizzontale xy) del piatto rigido 4.

Una successiva fase di attacco dello strato di passivazione 32 e del sottostante secondo strato conduttivo 28, con arresto sul terzo strato sacrificale 24, consente di realizzare i fori 7 attraversanti l’intero spessore del piatto rigido 4. Come precedentemente indicato, i fori 7 possono essere disposti a formare un reticolo nel piano orizzontale xy.

Inoltre, una ulteriore fase di attacco (mediante una ulteriore fase litografica) dello strato di passivazione 32, con arresto sul sottostante secondo strato conduttivo 28, consente di realizzare almeno una apertura di contatto 36 attraverso lo stesso strato di passivazione 32, lateralmente rispetto alla sottostante struttura di ancoraggio 30.

In seguito, come mostrato nella stessa figura 2h, all’interno della apertura di contatto 36 viene formata almeno una piazzola di contatto 37, in contatto elettrico con il secondo strato conduttivo 28 e, dunque, con il piatto rigido 4 della struttura di rilevamento micromeccanica del trasduttore acustico.

La piazzola di contatto 37 à ̈ ad esempio realizzata in oro, mediante la tecnica della polverizzazione catodica (“sputtering†).

Successivamente, figura 2i, viene eseguita una fase di lavorazione del retro della fetta 13.

In particolare, mediante fasi successive di attacco e pulizia meccanica (cosiddetta operazione di “grinding†), il retro della fetta 13 (in corrispondenza della superficie posteriore 12b del substrato 12) viene pulito e assottigliato, fino a raggiungere uno spessore ad esempio pari a 400µm. Per proteggere il fronte della fetta 13 durante queste fasi di pulizia e assottigliamento, può essere vantaggioso depositare uno strato di protezione (non mostrato), che deve poi essere rimosso.

Quindi, mediante fasi successive di litografia e attacco, viene formata la prima cavità 9a della struttura micromeccanica 10 del trasduttore acustico, in particolare utilizzando un doppio attacco a secco.

Innanzitutto, viene cresciuto sul retro della fetta 13 uno strato di ossido TEOS, che viene quindi definito per formare prime regioni di maschera 40, mediante attacco con arresto sul sottostante substrato 12.

Si procede quindi con un primo attacco profondo a secco del substrato 12, a partire dalla superficie posteriore 12b.

L’area del substrato 12 sottoposta ad attacco à ̈ definita dalle prime regioni di maschera 40, mentre la profondità della porzione di substrato 12 attaccata à ̈ pari alla profondità che si desidera ottenere per la prima porzione di cavità 9a'.

In seguito, figura 2j, le prime regioni di maschera 40 vengono parzialmente rimosse per la formazione di seconde regioni di maschera 41 che definiscono l’area della seconda porzione di cavità 9a", di ampiezza maggiore rispetto all’area della prima porzione di cavità 9a'; in particolare, un secondo attacco profondo a secco sul retro della fetta 13 con arresto sul primo strato sacrificale 14 permette di rimuovere il substrato 12, in corrispondenza della prima cavità 9a', esponendo parzialmente lo stesso primo strato sacrificale 14; al contempo, si forma la seconda porzione di cavità 9a". La prima porzione di cavità 9a' può ad esempio avere in pianta una forma circolare o quadrata, e la seconda porzione di cavità 9a" una forma genericamente quadrata.

Le seconde porzioni di maschera 41 vengono quindi rimosse.

In seguito, figura 2k, la fetta 13 viene sottoposta ad un attacco in umido, ad esempio con acido idrofluoridrico (HF), per rimuovere il primo, il secondo ed il terzo strato sacrificale 14, 22 e 24, dove non protetti, definendo in questo modo la risultante struttura micromeccanica, indicata complessivamente con 10, del trasduttore acustico, ed in particolare rilasciando la membrana 3, che risulta sospesa al di sopra della prima cavità 9a, ed il piatto rigido 4, che risulta separato dalla stessa membrana 3 da un gap definito dalla presenza della seconda cavità 9b.

Si noti che, durante la suddetta fase di attacco, la struttura di ancoraggio 30 si comporta come una sorta di argine o diga (“dyke†), che non viene interessato dall’attacco in umido; in particolare grazie alla presenza delle porzioni verticali 19', 28' del primo e del secondo strato conduttivo 19, 28, le porzioni degli strati sacrificali interne alla stessa struttura di ancoraggio 30 non vengono rimosse.

Nella risultante struttura micromeccanica 10, il piatto rigido 4 risulta accoppiato al substrato 12 mediante la struttura di ancoraggio 30, che comprende dunque una pluralità di elementi a pilastro 45, ciascuno formato da porzioni impilate del primo, secondo e terzo strato sacrificale 14, 22 e 24 e dalle porzioni orizzontali 19", 28" del primo e del secondo strato conduttivo 19, 28 (che costituiscono insieme una porzione di corpo 45a di ciascun elemento a pilastro 45); elementi a pilastro 45 adiacenti sono separati lateralmente dalle porzioni verticali 19', 28' degli stessi primo e secondo strato conduttivo 19, 28 (che, impilate in direzione verticale, costituiscono insieme porzioni di parete 45b degli elementi a pilastro 45).

In particolare, come precedentemente indicato, le porzioni di parete 45b degli elementi a pilastro 45 fungono da protezione e confinamento per le porzioni di corpo 45a degli stessi elementi a pilastro 45, durante la fase di attacco in umido che porta alla rimozione delle regioni sacrificali, dove non protette.

Come risulta evidente da quanto illustrato nella figura 3, precedentemente richiamata, la struttura di ancoraggio 30 circonda interamente la membrana 3, e ciascun elemento a pilastro 45 definisce un perimetro chiuso, di forma sostanzialmente poligonale in pianta, intorno alla stessa membrana 3. In particolare, gli elementi a pilastro 45 sono affiancati lateralmente nel piano orizzontale xy, e definiscono, ciascuno, un perimetro ad esempio sostanzialmente quadrato (a meno di sporgenze disposte in corrispondenza dei vertici del quadrato ed estendentesi lungo le diagonali dello stesso quadrato).

Come mostrato schematicamente nella suddetta figura 2k, la presenza della struttura di ancoraggio 30 induce nel piatto rigido 4 della struttura micromeccanica 10 una forza di compensazione, indicata con F' ed agente nel piano orizzontale xy, che contrasta la forza di incurvamento F, che si genera nello stesso piatto rigido 4 a causa degli stress residui nei materiali costituenti. La struttura di ancoraggio 30 supporta dunque nel piano orizzontale xy il piatto rigido 4, evitando, o comunque riducendo, la sua deformazione e mantenendo lo stesso piatto rigido sostanzialmente parallelo alla superficie anteriore 12a del substrato 12 ed al piano orizzontale xy.

In figura 2l viene mostrata la terminazione della struttura di ancoraggio 30, in corrispondenza di una linea di taglio SL della fetta 13, lungo la quale la fetta 13 viene sottoposta al taglio durante le fasi di singolazione (cosiddetto “dicing†) per la formazione di piastrine (die) a partire dalla fetta stessa.

In una possibile forma di realizzazione, un elemento a pilastro di terminazione 46 in corrispondenza ella linea di taglio SL presenta estensione laterale maggiore (ovvero, una estensione maggiore della relativa porzione di corpo, indicata con 46a) rispetto agli elementi a pilastro 45 della struttura di ancoraggio 30, e supporta superiormente la piazzola di contatto 37.

Risulta in ogni caso chiaro che le fasi di fabbricazione descritte possono essere utilizzate per fabbricare una pluralità di strutture di rilevamento micromeccaniche 10 per relativi trasduttori acustici su una stessa fetta 13.

La figura 4 mostra un dispositivo elettronico 100 che utilizza uno o più trasduttori acustici MEMS 101 (un solo trasduttore acustico MEMS 101 à ̈ mostrato in figura), ciascuno comprendente una struttura di rilevamento micromeccanica 10 ed un relativo circuito elettronico 102 per l’elaborazione dei segnali elettrici trasdotti.

Il dispositivo elettronico 100 comprende, oltre al trasduttore acustico MEMS 101, un microprocessore 104, un blocco di memoria 105, collegato al microprocessore 104, ed un’interfaccia di ingresso/uscita 106, ad esempio includente una tastiera ed un video, anch’essa collegata con il microprocessore 104. Il trasduttore acustico MEMS 101 comunica con il microprocessore 104 per il tramite del circuito elettronico 102. Inoltre, può essere presente un altoparlante 108, per generare un suono su un’uscita audio (non mostrata) del dispositivo elettronico 100.

Il dispositivo elettronico 100 à ̈ preferibilmente un dispositivo di comunicazione mobile, come ad esempio un cellulare, un PDA, un notebook, ma anche un registratore vocale, un lettore di file audio con capacità di registrazione vocale, ecc. In alternativa, il dispositivo elettronico 100 può essere un idrofono, in grado di lavorare sott’acqua.

I vantaggi della soluzione descritta emergono in maniera evidente dalla discussione precedente.

Si sottolinea comunque nuovamente il fatto che la particolare struttura di ancoraggio 30 per il piatto rigido 4 della struttura di rilevamento micromeccanica 10 consente di ottenere il duplice vantaggio di: annullare, o comunque ridurre fortemente, gli sforzi di incurvamento a cui à ̈ soggetto il piatto rigido 4, in tal modo migliorando le caratteristiche elettriche del relativo trasduttore acustico 101; e semplificare il procedimento di fabbricazione, data la maggiore “orizzontalità†della struttura di rilevamento micromeccanica 10, e l’assenza di elementi verticali che devono essere ricoperti da spessi strati di resist.

In particolare, test condotti dalla Richiedente hanno dimostrato che nella struttura micromeccanica 10 della presente soluzione il piatto rigido 4 à ̈ sottoposto a deformazioni non superiori a 0,2 µm, molto inferiori (in particolare di almeno un ordine di grandezza) rispetto alle deformazioni presenti in soluzioni tradizionali, aventi valori dell’ordine di qualche µm.

Inoltre, le deformazioni nella struttura micromeccanica 10 della presente soluzione risultano del tutto ripetibili in lotti di produzione differenti, a differenza di soluzioni tradizionali, in cui le deformazioni variano anche sensibilmente in differenti lotti di produzione (essendo legate agli stress residui nei materiali, anch’essi fortemente dipendenti dallo specifico lotto di produzione).

Inoltre, il procedimento di fabbricazione descritto non presenta fasi di processo aggiuntive rispetto a soluzioni note, utilizzando infatti sostanzialmente differente conformazioni delle maschere di litografia e attacco chimico che portano alla definizione dei vari strati e livelli della struttura di rilevamento micromeccanica 10.

Risulta infine chiaro che a quanto qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito di protezione della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

In particolare, à ̈ evidente che il numero di elementi a pilastro 45 di cui à ̈ composta la struttura di ancoraggio 30 può variare rispetto a quanto illustrato, a seconda dei requisiti di volta in volta richiesti alla struttura micromeccanica 10. A questo riguardo, aumentando il numero di elementi a pilastro 45 à ̈ possibile aumentare la risultante resistenza meccanica; inoltre, la ridondanza così introdotta risulterebbe vantaggiosa in presenza di difettosità che consentirebbero la permeazione dell’attacco umido in corrispondenza della zona interna dell’ancoraggio.

Inoltre, anche la conformazione geometrica nel piano orizzontale della struttura di ancoraggio 30 può eventualmente differire da quanto illustrato; in particolare, in corrispondenza della posizione delle piazzole di contatto 37, la struttura di ancoraggio 30 può presentare un numero inferiore di elementi a pilastro 45, ad esempio un solo elemento a pilastro 45 avente estensione orizzontale maggiore.

Claims (16)

1. RIVENDICAZIONI 1. Struttura micromeccanica (10) per un trasduttore acustico capacitivo MEMS (101), comprendente: - un substrato (12) di materiale semiconduttore, avente una superficie anteriore (12a) definente un piano orizzontale (xy); - una membrana (3), accoppiata a detto substrato (12) ed atta a deformarsi in presenza di onde di pressione acustica incidenti; - un elettrodo fisso (4), rigido rispetto a dette onde di pressione acustica ed accoppiato a detto substrato (12) mediante una struttura di ancoraggio (30), in posizione sospesa ed affacciata a detta membrana (3) a formare un condensatore di rilevamento, caratterizzata dal fatto che detta struttura di ancoraggio (30) comprende almeno un elemento a pilastro (45), almeno in parte distinto rispetto a detto elettrodo fisso (4), e configurato in modo da supportare detto elettrodo fisso (4) in posizione parallela a detto piano orizzontale (xy).
2. 2. Struttura secondo la rivendicazione 1, in cui detto elettrodo fisso (4) comprende uno strato conduttivo (4a), affacciato a detta membrana (3), ed uno strato isolante (4b), sovrapposto, almeno in parte, a detto strato conduttivo (4a); ed in cui detto strato conduttivo (4a) presenta, in corrispondenza di una porzione di bordo di detto elettrodo fisso (4), prolungamenti (28') che si estendono in direzione verticale, trasversalmente a detto piano orizzontale (xy), e terminano a distanza da detta superficie anteriore (12a) di detto substrato (12), supportati da detta struttura di ancoraggio (30).
3. 3. Struttura secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto elemento a pilastro (45) definisce in detto piano orizzontale (xy) un perimetro chiuso che circonda detta membrana (3).
4. 4. Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta struttura di ancoraggio (30) à ̈ configurata in modo da esercitare su detto elettrodo fisso (4) una forza di compensazione (F') tale da compensare uno sforzo di deformazione (F) a cui à ̈ sottoposto detto elettrodo fisso (4) nella sua disposizione sospesa al di sopra di detta membrana (3).
5. 5. Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto elemento a pilastro (45) comprende porzioni di parete (45b), estendentisi in direzione verticale, trasversalmente a detto piano orizzontale (xy), tra detta superficie anteriore (12a) di detto substrato (12) e detto elettrodo fisso (4), ed una porzione di corpo (45a), racchiusa tra dette porzioni di parete (45b); detto elettrodo fisso (4) estendendosi orizzontalmente al di sopra di detta porzione di corpo (45b).
6. 6. Struttura secondo la rivendicazione 5, in cui detta porzione di corpo (45a) include materiale sacrificale suscettibile di essere rimosso mediante attacco chimico, e dette porzioni di parete (45a) includono materiale insensibile a detto attacco chimico.
7. 7. Struttura secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui detto strato conduttivo (4a) presenta prolungamenti (28') che si estendono in direzione verticale, trasversalmente a detto piano orizzontale (xy), e formano una parte superiore di dette porzioni di parete (45b); ed in cui dette porzioni di parete (45b) presentano una parte inferiore (19'), distinta da detti prolungamenti (28'), interposta tra detta superficie anteriore (12a) di detto substrato (12) e detti prolungamenti (28').
8. 8. Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta struttura di ancoraggio (30) comprende una pluralità di elementi a pilastro (45), disposti affiancati tra loro nel piano orizzontale (xy).
9. 9. Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto elettrodo fisso (4) comprende uno strato conduttivo (4a), affacciato a detta membrana (3), ed uno strato isolante (4b), sovrapposto, almeno in parte, a detto strato conduttivo (4a); ed in cui detto strato isolante (4b) si estende nel piano orizzontale (xy), almeno in parte al di sopra di detta struttura di ancoraggio (30).
10. 10. Procedimento di fabbricazione di una struttura micromeccanica (10) per un trasduttore acustico capacitivo MEMS (101), comprendente le fasi di: - predisporre un substrato (12) di materiale semiconduttore, avente una superficie anteriore (12a) definente un piano orizzontale (xy); - formare una membrana (3), accoppiata a detto substrato (12) ed atta a deformarsi in presenza di onde di pressione acustica incidenti; - formare un elettrodo fisso (4), rigido rispetto a dette onde di pressione acustica, e disposto in posizione sospesa ed affacciata a detta membrana (3) a formare un condensatore di rilevamento; e - formare una struttura di ancoraggio (30), atta ad accoppiare detto elettrodo fisso (4) a detto substrato (12), caratterizzato dal fatto che detta fase di formare una struttura di ancoraggio (30) Ã ̈ almeno in parte distinta rispetto a detta fase di formare un elettrodo fisso (4), e dal fatto che detta struttura di ancoraggio (30) comprende almeno un elemento a pilastro (45), almeno in parte distinto rispetto a detto elettrodo fisso (4), e configurato in modo da supportare detto elettrodo fisso (4) parallelamente a detto piano orizzontale (xy).
11. 11. Procedimento secondo la rivendicazione 10, in cui detta fase di formare una membrana (3) comprende: - formare un primo strato conduttivo (19) sopra un primo strato sacrificale (14), disposto al di sopra di detto substrato (12); - definire detto primo strato conduttivo (19) per definire una porzione di membrana; e - liberare detta porzione di membrana mediante rimozione di una porzione sottostante di detto primo strato sacrificale (14), ed in cui detta fase di formare una struttura di ancoraggio (30) comprende: - definire attraverso detto primo strato sacrificale (14) una pluralità di prime aperture (18), affiancate in detto piano orizzontale (xy); - riempire dette prime aperture (18) durante la formazione di detto primo strato conduttivo (19), formando una parte inferiore (19') di porzioni di parete (45b) di detto elemento a pilastro (45), delimitanti internamente una porzione rimanente (14') di detto primo strato sacrificale (14), definente una parte inferiore di una porzione di corpo (45a) di detto elemento a pilastro (45).
12. 12. Procedimento secondo la rivendicazione 11, in cui detta fase di formare un elettrodo fisso (4) comprende: - formare un secondo strato conduttivo (28) sopra un secondo strato sacrificale (22, 24) disposto al di sopra di detto primo strato conduttivo (19); - definire detto secondo strato conduttivo (28) per definire una porzione di elettrodo fisso; e - liberare detta porzione di elettrodo fisso mediante rimozione di una porzione sottostante di detto secondo strato sacrificale (22, 24), ed in cui detta fase di formare una struttura di ancoraggio (30) comprende inoltre: - definire attraverso detto secondo strato sacrificale (22, 24) una pluralità di seconde aperture (26), affiancate in detto piano orizzontale (xy), disposte verticalmente in corrispondenza di dette prime aperture (18); - riempire dette seconde aperture (26) durante la formazione di detto secondo strato conduttivo (28), formando una parte superiore (28') di dette porzioni di parete (45) di detto elemento a pilastro (45), delimitanti internamente una porzione rimanente (22', 24') di detto secondo strato sacrificale (14), definente una parte superiore di detta porzione di corpo (45a) di detto elemento a pilastro (45).
13. 13. Procedimento secondo la rivendicazione 12, in cui detta parte superiore (28') di dette porzioni di parete (45) include prolungamenti di detto elettrodo fisso (4), estendentisi in direzione verticale, trasversalmente a detto piano orizzontale (xy), e terminanti a distanza da detta superficie anteriore (12a) di detto substrato (12), sulla parte inferiore (19') di dette porzioni di parete (45b).
14. 14. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 10-13, in cui dette fasi di formare una membrana (3) e di formare un elettrodo fisso (4) comprendono almeno una fase comune di rimozione di strati di materiale sacrificale (14, 22, 24) eseguita mediante attacco chimico; ed in cui detto elemento a pilastro (45) comprende porzioni di parete (45b), estendentisi in direzione verticale, trasversalmente a detto piano orizzontale (xy), tra detta superficie anteriore (12a) di detto substrato (12) e detto elettrodo fisso (4), ed una porzione di corpo (45a), racchiusa tra dette porzioni di parete (45b), detta porzione di corpo (45a) includendo materiale sacrificale suscettibile di essere rimosso mediante detto attacco chimico, e dette porzioni di parete (45b) includono materiale conduttivo, insensibile a detto attacco chimico, atte a proteggere detta porzione di corpo (45a) durante detto attacco chimico.
15. 15. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 10-14, in cui detto elemento a pilastro (45) definisce in detto piano orizzontale (xy) un perimetro chiuso che circonda detta membrana (3).
16. 16. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 10-15, in cui la fase di formare detta struttura di ancoraggio (30) comprende formare una pluralità di elementi a pilastro (45), disposti affiancati tra loro nel piano orizzontale (xy).