NL8702589A

NL8702589A - Elektro-akoestische transducent van de als elektreet aangeduide soort, en een werkwijze voor het vervaardigen van een dergelijke transducent.

Info

Publication number: NL8702589A
Application number: NL8702589A
Authority: NL
Original assignee: Microtel Bv
Priority date: 1987-10-30
Filing date: 1987-10-30
Publication date: 1989-05-16
Also published as: US4908805A; US4910840A; GB8825174D0; GB2212026B; GB2212026A

Description

-1- <7

J

VO 9298

Elektro-akoestische transducent van de als elektreet aangeduide soort, en een werkwijze voor het vervaardigen van een dergelijke transducent.

De uitvinding heeft in het algemeen betrekking op een elektro-akoestische transducent van de als elektreet aangeduide soortt en een werkwijze voor het vervaardigen van een dergelijke transducent.

5 Meer in het bijzonder heeft de uitvinding betrek king op een elektro-akoestische transducent met een uit halfgeleidend materiaal gevormd substraat, omvattende een membraan dat in responsie op een ingangssignaal dat audio- en/of ultrasone frequenties bevat, in trilling 10 wordt gebracht? een paar elektrodes die een condensator vormen, alsook met betrekking tot het membraan zodanig zijn aangebracht dat tussen deze elektrodes een elektrisch veld aanwezig is en in relatie met trillingen van 15 het membraan de capaciteit varieert, waarbij een omzetting tussen elektrische en akoestische signalen plaatsvindt ; en een uit elektrisch isolerend materiaal bestaande laag die als drager fungeert voor een elektrische 20 lading, die een elektrisch hulpveld tussen de elektrodes teweegbrengt.

Een dergelijke elektro-akoestische transducent .is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift 4.524.247.

Bij een dergelijke constructie, bestaat het 25 membraan uit een (p+)-gedoteerd siliciumlaagje dat door een etsproces uit een p-type siliciumsubstraat is gevormd. Hierbij vormt dit membraan in feite één geheel met dit substraat via hetwelk tevens een akoestische koppeling tussen dit membraan en de omgeving 8702589 ·♦.

1* -3- van het membraan bevinden; in de ten opzichte van dit verdiepte gedeelte verhoogde omtreksrand van het substraat, een stel openingen, die zich elk door dit substraat heen uitstrek-5 ken, is gevormd; en het membraan via deze openingen is vastgehecht aan deze omtreksrand.

Een dergelijke constructie betekent tevens dat enerzijds gebruik kan worden gemaakt van een membraan 10 dat vrij is van mechanische spanningen wat samengaat met een relatief hoge gevoeligheid, en anderzijds een dun strakgespannen membraan ook tot de mogelijkheden behoort, zodat door de geringe bewegende massa een geringe gevoeligheid voor versnellingen (vibration 15 sensitivity) van de microfoon verkregen kan worden.

Volgens een verder aspekt van de uitvinding kan de gevoeligheid van de elektro-akoestische transdu-cent worden geoptimaliseerd. Daartoe is een transducent volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt dat één 20 van de elektrodes aan het membraan is bevestigd; en de omtrekscontour van deze elektrode valt binnen het kader van de omtreksrand die het verdiepte gedeelte begrenst.

Voor deze constructie is gesteund op de gedachte 25 dat het membraangedeelte dat zich in de nabijheid van de omtreksrand bevindt vrijwel niet in trilling is en daardoor ook geen significante bijdrage levert aan het uitgangssignaal van de transducent.

Tevens heeft de onderhavige uitvinding betrekking 30 op een werkwijze voor het vervaardigen van een elektro-akoestische transducent, onder gebruikmaking van een wafer en op zich bekende micromachining- en IC technologie. Opgemerkt wordt dat een dergelijke werkwijze voor het gelijktijdig vervaardigen van een aantal 35 transducenten uit een enkele siliciumwaferplak, bekend is uit het Amerikaanse octrooischrift 4.533.795. Deze 8702589 <ψ *% -2- van de transducent is gevormd. De elektrisch isolerende laag die als drager fungeert voor elektrische lading, is hierbij aan dit membraan bevestigd. Meer in het bijzonder bevindt deze elektrisch isolerende laag 5 zich aan die zijde van het membraan welke naar de zgn. achterplaat van de transducent is toegekeerd.

De gebruikelijke luchtspleet tussen het membraan en deze achterplaat is hierbij bepaald door de dikte van een afstandslaag die tussen de achterplaat en 10 de elektreetlaag is aangebracht.

Op grond van fabricagetechnische en economische overwegingen is een dergelijke bekende constructie minder aantrekkelijk. In het bijzonder kleeft aan deze bekende techniek het bezwaar dat het aanbrengen 15 van de laag die later het membraan vormt, een van de eerste processtappen is, wat tot gevolg heeft dat in latere processtappen de eigenschappen van het membraan nadelig kunnen worden beïnvloed, met name met betrekking tot de reproduceerbaarheid van het membraan. Verder 20 is in deze microfoon weer een combinatie gevormd van membraan en elektreetfunctie waarvan de nadelen bekend zijn. Dit bezwaar geldt des te meer omdat in deze constructie geen vrije keuze van het membraanmateriaal mogelijk is.

25 Met de uitvinding is beoogd om voor een elektro- akoestische transducent van de in de aanhef beschreven soort, een constructie beschikbaar te stellen waarbij aan bovengeschetste bezwaren tegemoet wordt gekomen en een hoge graad van reproduceerbaarheid van het 30 gerede eindprodukt is gewaarborgd.

Daartoe is een elektro-akoestische transducent volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt dat het substraat aan de zijde die naar het membraan is toegekeerd, is voorzien van een verdiept gedeelte, 35 waarop zich eventueel één of meer, een geheel met het substraat vormende nokken voor het ondersteunen 87 02 58 9 Λ -4- bekende werkwijze is echter bedoeld voor het vervaardigen van een elektro-akoestische transducent waarvan de constructie een zekere gelijkenis vertoont met die welke is beschreven in het eerder genoemde Amerikaanse 5 octrooischrift 4.524.247.

Met de onderhavige uitvinding is nu verder beoogd om voor bovenbedoelde bekende werkwijze een alternatieve werkwijze beschikbaar te stellen waarmee het mogelijk is om uit een enkele wafer met behulp van micromachining-10 en IC technologie een aantal elektro-akoestische transducenten van een constructie zoals beschreven in de conclusies 1 t/m 4, gelijktijdig te vervaardigen waarbij wordt voldaan aan de voorwaarden van kost-effec-tieve fabricage en mate van reproduceerbaarheid.

15 Daartoe is een werkwijze volgens de uitvinding gekenmerkt door de volgende stappen: op het ene hoofdvlak van een wafer van mono-kristallijn silicium, bij voorkeur met een oriëntatie 100, wordt een masker gevormd met een patroon dat 20 bepalend is voor de omtrekscontour van het verdiepte gedeelte en de plaats van de zich eventueel daarop bevindende membraanondersteuningsnokken van een aantal volgens rijen en kolommen aan elkaar aansluitende transducenteenheden; 25 het via dit masker toegankelijke silicium wordt door gebruikmaking van een etsmiddel tot over een zekere diepte weggeëtst, teneinde het verdiepte gedeelte en de zich eventueel daarop bevindende membraanondersteuningsnokken van de desbetreffende transducenteenheden 30 te vormen; op de ten opzichte van de verdiepte gedeelten verhoogde omtreksranden wordt een masker gevormd waarvan het patroon bepalend is voor de buitenomtrekscontour van elk van het aantal volgens rijen en kolommen aan 35 elkaar aansluitende transducenteenheden, en op het andere hoofdvlak van de wafer wordt een masker gevormd 87 0 2.58 9 a -5- waarvan het patroon bepalend is voor al de zich door het substraat van de uit de wafer te vervaardigen transducenteenheden, heen uitstrekkende openingen; het via deze beide maskers toegankelijke silicium 5 wordt door gebruikmaking van een etsmiddel weggeëtst, zodanig dat enerzijds in de verhoogde omtreksranden, een maasvormig netwerkpatroon van V-vormige groeven is uitgespaard, anderzijds zich door het substraat heen uitstrekkende openingen zijn gevormd, en welke 10 openingen aan die zijde waar zich het genoemde maasvormige netwerkpatroon bevindt, door maskermateriaal zijn afgedekt? dit maskermateriaal wordt verwijderd; het aldus verkregen geheel wordt bedekt met een laagje dielektri-15 curn, meer in het bijzonder een laagje SiC>2/ dat een dikte heeft van ca. 1 /um (dikteafmetingen tussen 0,1 en 3 /um zi jn in het algemeen bruikbaar); dit laagje dielektricum wordt gelijkmatig geladen met elektrische lading? 20 het geheel aan de zijde waar zich het genoemde maasvormige netwerkpatroon bevindt wordt bedekt met een membraanfolie; de zich door de wafer heen uitstrekkende openingen, met uitzondering van die welke zich door 25 de genoemde randgedeelten heen uitstrekken, worden afgedekt; via de open gelaten openingen wordt vanaf die zijde die is afgekeerd van de zijde waarop zich het membraanfolie bevindt, ofwel een hechtmiddel daarin 30 aangebracht, zodanig dat het membraanfolie via dit hechtmiddel aan het substraat is bevestigd, ofwel op het inwendige van die openingen en op de zich daartegenover bevindende gedeelten van het membraanfolie, een materiaal zoals b.v. Cu, opgedampt of gesputterd, 35 zodanig dat het membraanfolie via dit materiaal aan het substraat is bevestigd? 8702588 -6- met behulp van een schaduwmasker worden elektrodes voor de desbetreffende transducenteenheden op het membraanfolie aangebracht; het membraanfolie wordt volgens het maasvormige 5 netwerkpatroon van V-vormige groeven doorgesneden; en de wafer wordt volgens dit patroon van V-vormige groeven gedesintegreerd zodat een aantal afzonderlijke transducenteenheden is gevormd.

Het voor al de uit een wafer te vervaardigen 10 transducenteenheden dienende membraanfolie, kan in zijn geheel op deze wafer worden aangebracht en in een enkele fabricagestap aan de desbetreffende verhoogde randgedeelten van de te vormen transducenteenheden worden bevestigd. Daartoe worden de desbetreffende 15 gaten in de wafer vanaf de zijde die is afgekeerd van de zijde waarop het membraan is aangebracht, ofwel gevuld met een hechtmiddel, ofwel inwendig voorzien van een dun laagje materiaal, dat zich eveneens bevindt op de membraangedeelten waardoor deze openingên zijn 20 afgedekt. Zulks kan geschieden door b.v. in een enkele fabricagegang metaal of een kunststof vanaf de bedoelde zijde op te dampen of te sputteren, terwijl de in de wafer aanwezige gaten die als akoestische openin-gen moeten dienst doen, door een schaduwmasker zijn 25 afgedekt. Als alternatief kan voor het bevestigen van het membraan gebruik worden gemaakt van een techniek waarbij bepaald hechtmateriaal door middel van sprayen wordt aangebracht. Nadat het membraan aldus aan de wafer meer in het bijzonder aan de desbetreffende 30 .verhoogde randgedeelten is bevestigd, worden de bovenelektrodes van de transducenteenheden aangebracht, b.v. door het opdampen van elektrodemateriaal. Als alternatief kan worden uitgegaan van een niet geleidende membraanfolie wat aan één of beide zijden voorzien 35 is van een in een bepaald patroon opgedampt geleiderma-teriaal.

8701*89 η Ψ -7-

Het via de desbetreffende maskers toegankelijke silicium kan desgewenst anisotroop worden weggeëtst.

Aldus is het mogelijk om zich door het substraat heen uitstrekkende openingen te vormen met dwarsdoorsneden, 5 die in een richting gaande naar het substraatvlak waarop het membraan is aangebracht, geleidelijk afnemen.

De werkwijze volgens de uitvinding maakt het mogelijk om in plaats van het veelvuldig als elektreet-materiaal gebruikte teflon, daarvoor toe te passen 10 een voor verwerking met IC technologie compatibel materiaal, zoals b.v. Si02· Siliciumdioxyde is niet zonder meer bruikbaar voor het realiseren van een stabiele elektro-akoestische transducent van de als elektreet aangeduide soort. De aangebrachte elektrische 15 hulplading zal nl. zonder meer in de loop van de tijd verdwijnen.

Teneinde aan dit bezwaar tegemoet te komen is volgens een verder aspect van de uitvinding de werkwijze daardoor gekenmerkt dat 20 direkt voorafgaande aan de stap waarbij het aangebrachte laagje dielektricum met elektrische lading wordt beladen, het buitenoppervlak van dit laagje dielektricum wordt behandeld, zodanig dat dit oppervlak hydrofobe eigenschappen heeft.

25 Meer in het bijzonder wordt de als elektreetmate- riaal dienende laag dielektricum, zoals b.v. Si02, behandeld met HMDS (hexamethyldisilazane), of een daaraan verwante stof.

Na een dergelijke oppervlaktebehandeling blijft 30 een daarop aangebrachte elektrische lading behouden.

M.a.w. zijn bulk- en oppervlaktegeleiding dusdanig gering dat, ook bij hoge temperatuur en hoge relatieve vochtigheid, een stabiele elektro-akoestische transducent waarvan het elektreetmateriaal compatibel is met IC tech-35 nologie, realiseerbaar is. Het gebruik van silicium en siliciumdioxyde maakt het mogelijk dat bij een 8702589 ·♦ -8- elektro-akoestische transducent volgens de uitvinding/ de verder noodzakelijke elektronica mee wordt geïntegreerd.

Nadat de wafer is gedesintegreerd zodat de afzonderlijke transducenteenheden zijn gevormd/ kunnen 5 deze elk afzonderlijk worden afgemonteerd. Zulks houdt in, het fixeren in een behuizing; het aansluiten van de elektrodes aan elektronica; het aanbrengen van een aansluitcontact voor de bovenelektrode (de op het membraan gevormde elektrode)/ b.v. met gebruikma-10 king van een geleidende lijm; het vormen van een contact-aansluiting voor de onderelektrode (het siliciumsubstraat) met geleidende lijm; en het eventueel contacteren van de geïntegreerde elektronica/ zowel met de buitenwereld/ alswel met de transducenteenheid.

15 De uitvinding zal in het onderstaande nader worden toegelicht met verwijzing naar de tekening, waarin: fig. 1 een bovenaanzicht weergeeft van een (niet op schaal getekende) elektro-akoestische transducent 20 volgens de uitvinding en waarvan het membraanfolie met daarop bevestigde bovenelektrode, gedeeltelijk is weggenomen; fig. 2 een dwarsdoorsnede weergeeft volgens de lijn II-II in fig. 1; 25 fign. 3-11 in schemavorm illustreren de verschil lende fazen van een werkwijze waarbij uitgaande van een wafer, een aantal van elektro-akoestische transducenteenheden met een constructie van de gedaante zoals weergegeven in de fign. 1 en 2, kunnen worden vervaardigd. 30 In de fign. 1 en 2 is weergegeven een uitvoerings- voorbeeld van een elektro-akoestische transducent volgens de uitvinding. De onderwerpelijke transducent omvat in het algemeen twee elektrodes die een condensator vormen. De ene van deze elektrodes, meer in het 35 bijzonder de bovenelektrode is als regel aangebracht op een dun flexibel membraan dat akoestisch is gekoppeld 8702589 ♦ r -9- met de buitenomgeving van de transducent. De andere elektrode, meer in het bijzonder de onderelektrode is als regel star uitgevoerd en bestaat bij dit uitvoe-ringsvoorbeeld uit silicium. De onderlinge afstand 5 tussen de naar elkaar toe gekeerde vlakken van deze elektrodes is zeer gering en aldus wordt een smalle luchtspleet tussen deze elektrodes begrensd. Wanneer het flexibele membraan in trilling wordt gebracht ontstaat een verandering van de door de beide elektrodes 10 gevormde capaciteit. Wanneer tussen de beide elektrodes een elektrisch veld aanwezig is zal een dergelijke capaciteitsverandering een dienovereenkomstig uitgangssignaal van de transducent teweegbrengen. Wanneer b.v. de transducent als microfoon werkzaam is en het 15 membraan in trilling wordt gebracht door vanaf de buitenomgeving opgedrukte geluidsgolven, levert de transducent een elektrisch uitgangssignaal. Voor een bruikbaar uitgangssignaal is het noodzakelijk dat het tussen de elektrodes aanwezige elektrische veld 20 een zekere grootte bezit. Bij een onderwerpelijke elektro-akoestische transducent is gebruik gemaakt van een vaste in de transducent ingevoerde elektrische lading die zich tussen de condensatorelektrodes bevindt.

Een dergelijke elektrische lading wordt gedragen door 25 een elektrisch isolerend materiaal, ofwel een laag dielektricum.

In het algemeen is een elektro-akoestische transducent van de onderwerpelijke soort samengesteld uit een zgn. motorgedeelte en een akoestisch daarmee gekop-30 pelde behuizing. Het motorgedeelte omvat als regel een zgn. achterplaat met bijbehorende onderelektrode, de elektreet en het membraan met bijbehorende bovenelektrode. Hierbij bestaat de achterplaat uit halfgeleidend materiaal, meer in het bijzonder mono-kristallijn 35 silicium met een kristalstructuur van de b.v. door (100) aangeduide soort.

8702589 * -10- y

In de fign. 1 en 2 is een en ander als volgt aangeduid 1- bovenelektrode 2- membraanfolie 5 3- luchtspleet 4- elektreet 5- achterplaat 6- luchtruimte in 7- behuizing 10 8- akoestische openingen via welke de luchtspleet in verbinding staat met de luchtruimte 9- membraanondersteuningsnok.

Blijkens fig. 1 omvat het behandelde uitvoerings-voorbeeld vier akoestische openingen zoals 8 en één 15 membraanondersteuningsnok zoals 9. Het is algemeen gebruikelijk om de luchtspleet zoals 3, akoestisch te koppelen met een extra luchtruimte zoals 6, teneinde de akoestische demping te verminderen. Volledigheidshalve wordt opgemerkt dat in het membraan of in het huis 20 een opening aanwezig dient te zijn ter verkrijging van een drukvereffening tussen de voor- en achterzijde van het membraan. De bij de transducent behorende elektronica kan ofwel in de siliciumachterplaat worden geïntegreerd, ofwel als afzonderlijk gedeelte los 25 van de achterplaat, in de microfoonbehuizing worden aangebracht. Dergelijke elektronica wordt met bestaande technologie elektrisch verbonden met de bovenelektrode en de onderelektrode. Bij de onderwerpelijke transducent fungeert de achterplaat als onderelektrode aangezien 30 het silicium ook in zekere mate geleidend is; echter dient deze wel via een geleider te worden gecontacteerd.

Zoals uit fig. 2 blijkt bevindt de elektreet 4 zich op een verdiept gedeelte van de achterplaat welk verdiept gedeelte langs zijn buitenomtrek wordt begrensd 35 door een ten opzichte daarvan verhoogd randgedeelte 10. Volgens een aspect van de onderhavige uitvinding 8702589 * *- -ills het membraanfolie met de zich daarop bevindende bovenelektrode aan dit omtreksgewijs verlopend randgedeelte 10 bevestigd waarbij het aldus bevestigde membraanfolie 2 dan wordt ondersteund door de membraanonder-5 steuningsnok 9. Ten behoeve van een dergelijke bevestiging zijn in het verhoogde randgedeelte bevestigingsope-ningen zoals 11 gevormd. Via een in elk van deze beves-tigingsopeningen aangebracht hechtmiddel 12 is het membraan bevestigd aan de achterplaat.

10 Als elektreetmateriaal is gebruik gemaakt van een voor verwerking met IC technologie bruikbaar materiaal zoals b.v. Si02 dat zoals in het onderstaande nader zal worden uiteengezet een bepaalde oppervlaktebehandeling heeft ondergaan.

15 Een in het voorafgaande beschreven transducentcon structie biedt de mogelijkheid om een relatief groot aantal transducenteenheden (motorgedeelten) in één fabricagegang te vervaardigen onder toepassing van kost-effectieve micromachining technologie, meer in 20 het bijzonder op zich bekende fotolithografische processen en chemische etstechnieken.

Een uitvoeringsvoorbeeld van een werkwijze volgens de uitvinding waarbij uitgaande van een siliciumwafer en onder toepassing van micromachining technologie 25 een relatief groot aantal, b.v. enkele honderden, van bovenbedoelde motorgedeelten in een enkele fabricagegang en met een hoge graad van reproduceerbaarheid, kunnen worden vervaardigd, zal in het onderstaande nader worden beschreven onder verwijzing naar de fign. 3 t/mll.

30· Voor een dergelijke werkwijze wordt uitgegaan van een normaal gebruikelijke wafer, meer in het bijzonder een plak van p- of n-silicium met een kristalstructuur van de door b.v. (100) aangeduide soort.

In fig. 3 is een gedeelte van zulk een wafer 13 in 35 dwarsdoorsnede weergegeven waarbij op de beide hoofdvlakken daarvan volgens een op zichzelf bekende techniek 8702589 -12- een laagje maskermateriaal 14, als regel een laagje S1O2 is gevormd. Volledigheidshalve wordt opgemerkt dat de fign. 3 t/m 11 niet op schaal zijn getekend en slechts zijn bedoeld als illustratie voor de verschil-5 lende stappen van een fabricagegang. Vervolgens wordt door middel van een gebruikelijk fotolithografisch proces in één laag van dit maskermateriaal een patroon gevormd. Dit patroon is bepalend voor de omtrekscontour van de verdiepte gedeelten (luchtcaviteit) zoals 3 10 en de plaats van de zich daarop bevindende membraanonder-steuningsnokken zoals 9, voor het desbetreffend aantal van volgens rijen en kolommen aan elkaar aansluitend gerangschikte transducenteenheden (motorgedeelten) die uit deze wafer moeten worden vervaardigd. Vervolgens 15 wordt het maskermateriaal op de door bedoeld patroon bepaalde gedeelten weggeëtst zodat op het siliciumsub-straat 13 en wel op het ene hoofdvlak daarvan een uit SiC>2 bestaand masker 14 is gevormd via hetwelk de met bovenbedoelde luchtcaviteiten corresponderende 20 gedeelten van het siliciumsubstraat 13 kunnen worden weggeëtst. Dit wegetsen van silicium teneinde bovenbedoelde luchtcaviteiten te vormen, kan b.v. worden uitgevoerd door anisotroop etsen onder gebruikmaking van een op zich bekend anisotroop etsmiddel, zoals 25 een ethyleendiamine mengsel, of KOH. Fig. 4 geeft schetsmatig weer de situatie die is ontstaan nadat dit anisotroop etsproces is beëindigd. Het zal duidelijk zijn dat in fig. 4 dit slechts is weergegeven voor een enkele transducenteenheid. Door de kristalstruc-30 tuur wordt de afschuining van de verkregen caviteit bepaald. Al naar gewenst wordt dit anisotrope etsproces voortgezet totdat een luchtcaviteitdiepte is bereikt in een gebied van 0,5-100 micron. Nadat de in fig. 4 weergegeven toestand is bereikt wordt het maskermateriaal 35 14 weggeëtst. Hierna worden de beide zijden van de wafer opnieuw met een laag maskermateriaal 14 bedekt 8702 58 9 -13- b.v. door middel van een op zichzelf bekend oxydatiepro-ces. De hierna verkregen situatie is schetsmatig weergegeven in fig. 5. Vervolgens wordt in deze beide lagen maskermateriaal door middel van een gebruikelijk foto-5 lithografisch proces een bepaald patroon aangebracht.

Het patroon aan die zijde van het substraat 13 die naar de luchtruimte zoals 6 moet worden toegekeerd is bepalend voor de ligging en grootte van de in dit substraat te vormen akoestische openingen zoals 8 10 en de bevestigingsopeningen zoals 11. Het in de andere maskerlaag 14 gevormde patroon is in wezen een maasvor-mig netwerkpatroon waarvan elke maas correspondeert met de omtrekscontour van een van het desbetreffend aantal volgens rijen en kolommen aan elkaar aansluitend 15 gerangschikte transducenteenheden. Nadat aldus beide patronen in het maskermateriaal zijn gevormd wordt dit maskermateriaal selectief weggeëtst zodat het daardoor toegankelijk geworden silicium van het substraat 13 kan worden weggeëtst. Hiertoe kan ook gebruik worden 20 gemaakt van een anisotroop etsproces door beide zijden van het geheel te dompelen in het bovenbedoelde aniso-trope etsmiddel. Fig. 6 geeft schetsmatig weer de situatie die is ontstaan nadat bedoeld anisotroop etsproces is beëindigd. Aan de zijde waar zich de 25 luchtcaviteiten bevinden is de waferplak hierbij voorzien van een netwerkpatroon van groeven zoals 15 met een V-vormige dwarsdoorsnede. Het doel van deze groeven zal in het onderstaande nader worden verduidelijkt.

Tevens is het substraat 13 voorzien van doorgaandè 30 openingen t.w. de desbetreffende akoestische openingen zoals 8 en de desbetreffende membraanbevestigingsopenin-gen zoals 11. Wegens het anisotrope etsproces is de dwarsdoorsnede van deze openingen beschouwd in een naar de luchtcaviteiten toegaande richting geleidelijk 35 af nemend. Vervolgens dienen de SiC>2 maskers 14 te worden verwijderd (strippen van het maskermateriaal) 8702583 -14- teneinde de uitsparingen zoals 8 en 11 te openen.

De hierna verkregen situatie is weergegeven in fig. 7 (de daarin weergegeven dwarsdoorsnede is representatief voor een enkele transducenteenheid).

5 Vervolgens dient op de bodem van de luchtcaviteiten 3 ofwel de verdiepte gedeelten, elektreetmateriaal te worden aangebracht. Daartoe wordt volgens een verder aspect van de onderhavige uitvinding gebruik gemaakt van een voor verwerking met IC technologie geschikt 10 materiaal, zoals b.v. Si02· De dikte van het aan te brengen laagje S1O2 heeft bij voorkeur een waarde, die is begrensd tussen 0,1 en 3 micron. Een dergelijk laagje elektreetmateriaal wordt volgens een gebruikelijk oxydatieproces gevormd. Daartoe wordt de wafer in 15 een toestand zoals is voorgesteld door fig. 7, in zijn geheel aan een dergelijk oxydatieproces onderworpen. De hierna verkregen situatie is schetsmatig en niet op schaal getekend, weergegeven in fig. 8. Het laagje aangebracht elektreetmateriaal S1O2 is hierbij aangeduid 20 door 4. Volledigheidshalve wordt in dit verband opgemerkt dat alle buitenliggende oppervlakken van de wafer inclusief de gatwanden, met een dergelijk laagje elektreetmateriaal zijn bedekt. B.v. is door thermisch oxyderen van silicium een optisch transparante, dichte, 25 scheurvrije S1O2 laag te verkrijgen van de gewenste dikte.

Wegens het kristallijne karakter van het grensvlak tussen het silicium van het substraat en het daarop gevormde S1O2, is de hechting van een hoogwaardige 30 kwaliteit. Hoewel de oppervlaktegeleiding aan het grensvlak tussen dit laagje S1O2 en de omgevingslucht zeer gering is, wordt deze in negatieve zin beïnvloed door aantrekking van watermoleculen, of waterionen, uit de omgevingslucht. Hierdoor ontstaat een dusdanig 35 hoge graad van geleiding dat een aangebrachte elektrische oppervlaktelading in een onaanvaardbare mate zal weglek- 8702589 5 y -15- ken. Volgens een verder aspect van de uitvinding wordt door een fyεisch/chemische modificatie van het S1O2“oppervlak bereikt dat watermoleculen (ionen) uit de omgevingslucht niet door het S1O2-grensvlak zullen worden aangetrokken 5 (hydrofoob conversie). Door een dergelijke oppervlaktebehandeling blijkt er geen meetbaar lateraal ladings-transport meer plaats te vinden. M.a.w. de oppervlaktege-leiding is hierdoor dusdanig gering dat een elektreet met SiC>2-materiaal goed mogelijk is. Voor zulk een 10 Si02-oppervlaktebehandeling waardoor de oppervlaktegelei-ding tengevolge van wateradsorptie niet toeneemt, wordt b.v. gebruik gemaakt van HMDS (hexamethyldisilazane), of daaraan verwante stoffen. Dit HMDS kan op verschillende op zichzelf bekende manieren worden aangebracht.

15 Vervolgens wordt het aldus behandelde Si02, dat als elektreetdielektricum fungeert, met gebruikmaking van een op zichzelf bekende techniek elektrisch geladen zodanig dat daardoor een lading van de gewenste waarde wordt verkregen. Gangbare methoden voor het vervaardigen 20 van dit soort elektreten zijn elektronenstraalbelading (scanning electron microscope-SEM)? coronabelading of liquid contact belading.

Vervolgens wordt die zijde van de wafer waar zich de luchtcaviteiten bevinden en nadat deze wafer 25 in een toestand is gebracht zoals schematisch is weergegeven in fig. 8, bedekt met een membraanfolie, b.v.

Mylar, zodat een situatie zoals schematisch is weergegeven in fig. 9 ontstaat. M.a.w. zijn al de uit deze wafer te vormen transducenteenheden door eenzelfde 30 membraanfolie bedekt. Vervolgens dient het aldus aangebrachte membraanfolie 2 aan de verhoogde randgedeelten zoals 10 van de desbetreffende transducenteenheden te worden bevestigd. Zulks kan volgens een aspect van de werkwijze volgens de uitvinding in een enkele 35 fabricagestap worden bereikt door vanaf de achterzijde van het substraat 13, ofwel de zijde daarvan die is 8702 58 9 -16- bedoeld om naar de luchtruimte zoals 6 te worden toegekeerd, in de bevestigingsopeningen zoals 11 een hechtmid-del zoals 12 aan te brengen. Fig. 9 is representatief voor de situatie waarin het aangebrachte membraan-3 folie 2 door het hechtmiddel 12 vast is bevestigd op de verhoogde randgedeelten 10 van het substraat 13.

Fig. 11 is illustratief voor een alternatieve techniek voor het bevestigen van het membraanfolie 10 aan het substraat. Daartoe wordt via de bevestigingsopeningen zoals 11, op het inwendige daarvan, alsook op de zich daartegenover bevindende gedeelten van het op het substraat aangebrachte membraanfolie 2, een laagje 16 van een geschikt materiaal, zoals b.v.

15 Cu, opgedampt of gesputterd. Het blijkt aldus mogelijk een hechte verbinding tussen het membraanfolie en dit laagje en daarmee het substraat te vormen. Het membraanfolie kan aldus worden bevestigd b.v. door via de achterzijde van de wafer kunststof of een metaal 20 op te dampen, of te sputteren, of gebruik te maken van een nevel van een lijm. Hierbij worden de akoestische openingen zoals 8 door een schaduwmasker afgedekt. Vervolgens worden met behulp van een schaduwmasker de bovenelektrodes zoals 1 aangebracht. Zulks kan 25 b.v. worden gerealiseerd door het opdampen van aluminium nadat het schaduwmasker op de bovenzijde van het membraanfolie is aangebracht. Aldus ontstaat voor elk van de uit de wafer te vormen transducenteenheden een situatie zoals schematisch is weergegeven in fig. 10.

.In dit verband wordt volledigheidshalve opgemerkt dat de bovenbeschreven werkwijze de mogelijkheid biedt om het membraanfolie in hoofdzaak vrij van mechanische spanningen daarop aan te brengen en aan het substraat te bevestigen.

35 Bij voorkeur wordt het hechtmiddel in de bevestigingsga-ten aangebracht volgens een proces waarbij geen noemenswaardige temperatuurstijging van het membraanfolie 8702 583 Λ -17- ontstaat. Desgewenst kan als alternatief het membraan met een zekere voorspanning worden aangebracht en bevestigd.

Nadat het membraanfolie en de daaraan vastgehechte 5 bovenelektrodes op de voorbewerkte en van elektrische lading voorziene wafer is bevestigd zodat de situatie volgens fig. 10 is ontstaan, wordt dit membraanfolie doorsneden volgens het in de wafer gevormde netwerkpa-troon van V-vormige groeven 15. Hierna kan de wafer 10 worden gedesintegreerd door deze eveneens volgens dit netwerkpatroon van V-vormige groeven te doorbreken zodat uit de desbetreffende wafer het desbetreffend aantal van afzonderlijke transducenteenheden (motorgedeelten) is afgesplitst. In fig. 10 zijn deze breuklij-15 nen door onderbroken lijnen aangegeven.

De aldus verkregen transducenteenheden kunnen vervolgens worden afgemonteerd. Daarbij wordt elk zulk een transducenteenheid bevestigd in een desbetreffende behuizing, worden de transducentelektrodes elek-20 trisch verbonden met de bijbehorende elektronica; wordt een elektrisch aansluitcontact voor de bovenelektrode aan de behuizing bevestigd, b.v. door gebruikmaking van een geleidende lijm; wordt een aansluitcontact voor de onderelektrode ofwel de achterplaat, aan deze 25 achterplaat bevestigd, eveneens met behulp van b.v. een geleidende lijm; en wordt zonodig de geïntegreerde elektronica gecontacteerd.

Vanzelfsprekend is de uitvinding niet beperkt tot de in het voorafgaande beschreven uitvoeringsvoor-30 beelden. Vorm en afmetingen, alsook het aantal van de bevestigingsopeningen en de akoestische openingen kunnen naar behoefte worden gevarieerd. Zulks geldt ook ten aanzien van het aantal en plaatsing van de membraanondersteuningsnokken zoals 9. In dit verband 35 wordt opgemerkt dat desgewenst dergelijke ondersteunings-nokken achterwege kunnen worden gelaten. Het relatief 8702589 r -18- geringe membraanondersteuningsvlak van de nokken zoals 9, hetgeen een gevolg is van het anisotroop wegetsen van substraatmateriaal bij het vormen van de luchtcavi-teiten, is van gunstige invloed op de gevoeligheid 5 en het rendement van de uiteindelijk verkregen transdu-cent.

De in het onderstaande vermelde gegevens dienen slechts ter illustratie van de uitvinding zonder dat deze daardoor wordt beperkt.

10 Uitgaande van een wafer met een diameter van ca. 10 cm is het met een werkwijze volgens de uitvinding mogelijk om daaruit 16 x 16 = 256 transducenteenheden te vervaardigen. De omtreksafmetingen van zulk een transducenteenheid zijn b.v. 3 x 3 mm. De diepte van 15 de luchtcaviteiten zoals 3 ligt in het algemeen tussen ca. 15 en 35 micron en verwacht kan worden dat een diepte van 10 micron zinvol kan zijn. De gebruikelijke dikte van een wafer waarvan wordt uitgegaan is ca. 0,3 mm. Een gebruikelijke dikte van de elektreet-20 laag (Si02) is ca. 1 micron. De door het anisotroop etsproces veroorzaakte afschuining van het substraatmateriaal is ca. 54° ten opzichte van een substraathoofd-vlak.

De bevestigingsopeningen zoals 11 bezitten b.v.

25 een lengte van 300 en 600 micron, en een breedte van 70 micron; de akoestische openingen bezitten b.v. een breedte van 200 micron en een lengte van 200 micron.

Deze afmetingen gelden aan de naar het membraanfolie toegekeerde zijde van het substraat.

8702589

Claims

1. Elektro-akoestische transducent met een uit halfgeleidend materiaal gevormd substraat, omvattende een membraan dat in responsie op een ingangssignaal dat audio- en/of ultrasone frequenties bevat, in trilling 5 wordt gebracht; een paar elektrodes die een condensator vormen, alsook met betrekking tot het membraan zodanig zijn aangebracht dat tussen deze elektrodes een elektrisch veld aanwezig is en in relatie met trillingen van 10 het membraan de capaciteit varieert, waarbij een omzetting tussen elektrische en akoestische signalen plaatsvindt; en een uit elektrisch isolerend materiaal bestaande laag die als drager fungeert voor een elektrische 15 lading, die een elektrisch hulpveld tussen de elektrodes teweegbrengt, met het kenmerk, dat het substraat aan de zijde die naar het membraan is toegekeerd, is voorzien van een verdiept gedeelte; in de ten opzichte van dit verdiepte gedeelte 20 verhoogde omtreksrand van het substraat, een stel openingen, die zich elk door dit substraat heen uitstrekken, is gevormd; en het membraan via deze openingen is vastgehecht aan deze omtreksrand.

2. Elektro-akoestische transducent volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de dwarsdoorsnede van elk van de genoemde openingen in een naar het membraan toe beschouwde richting, geleidelijk afneemt.

3. Elektro-akoestische transducent volgens de conclu-30 sies 1 of 2, met het kenmerk, dat één van de elektrodes aan het membraan is bevestigd; en de omtrekscontour van deze elektrode valt binnen het kader van de omtreksrand die het verdiepte gedeelte begrenst. 8702583 -20-

4. Elektro-akoestische transducent volgens één van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de uit elektrisch isolerend materiaal bestaande laag die als drager fungeert voor een elektrische lading, 5 aan de bodem van het verdiepte gedeelte is vastgehecht en dit verdiepte gedeelte bedekt.

5. Werkwijze voor het vervaardigen van een elektro-akoestische transducent volgens één van de voorafgaande conclusies, gekenmerkt door de volgende stappen: 10 op het ene hoofdvlak van een wafer van mono- kristallijn silicium wordt een masker gevormd met een patroon dat bepalend is voor de omtrekscontour van het verdiepte gedeelte en de plaats van de zich eventueel daarop bevindende membraanondersteuningsnokken 15 van een aantal volgens rijen en kolommen aan elkaar aansluitende transducenteenheden; het via dit masker toegankelijke silicium wordt door gebruikmaking van een etsmiddel tot over een zekere diepte weggeëtst, teneinde het verdiepte gedeelte 20 en de zich eventueel daarop bevindende membraanondersteuningsnokken van de desbetreffende transducenteenheden te vormen; op de ten opzichte van de verdiepte gedeelten verhoogde omtreksranden wordt een masker gevormd waarvan 25 het patroon bepalend is voor de buitenomtrekscontour van elk van het aantal volgens rijen en kolommen aan elkaar aansluitende transducenteenheden, en op het andere hoofdvlak van de wafer wordt een masker gevormd waarvan het patroon bepalend is voor al de zich door 30 het substraat van de uit de wafer te vervaardigen transducenteenheden, heen uitstrekkende openingen; het via deze beide maskers toegankelijke silicium wordt door gebruikmaking van een etsmiddel weggeëtst, zodanig dat enerzijds in de verhoogde omtreksranden, 35 een maasvormig netwerkpatroon van V-vormige groeven is uitgespaard, anderzijds zich door het substraat 8702589 -21- heen uitstrekkende openingen zijn gevormd, en welke openingen aan die zijde waar zich het genoemde maasvor-mige netwerkpatroon bevindt, door maskermateriaal zijn afgedekt; 5 dit maskermateriaal wordt verwijderd; het aldus verkregen geheel wordt bedekt met een laagje dielektri-cum, meer in het bijzonder een laagje Si02; dit laagje dielektricum wordt gelijkmatig geladen met elektrische lading; 10 het geheel aan de zijde waar zich het genoemde maasvormige netwerkpatroon bevindt wordt bedekt met een membraanfolie; de zich door de wafer heen uitstrekkende openingen, mét uitzondering van die welke zich door de genoemde 15 randgedeelten heen uitstrekken, worden afgedekt; de open gelaten openingen worden vanaf die zijde die is afgekeerd van de zijde waarop zich het membraanfolie bevindt, gevuld met een hechtmiddel, zodanig dat het membraanfolie via dit hechtmiddel aan het 20 substraat is bevestigd; met behulp van een schaduwmasker worden elektrodes en contacten voor contactering met elektronica voor de desbetreffende transducenteenheden op het membraanfolie aangebracht; 25 het membraanfolie wordt volgens het maasvormige netwerkpatroon van V-vormige groeven doorgesneden; en de wafer wordt volgens dit patroon van V-vormige groeven gedesintegreerd zodat een aantal afzonderlijke transducenteenheden is gevormd. 30 .6. Werkwijze voor het vervaardigen van een elektro-akoestische transducent volgens één van de conclusies 1-4, gekenmerkt door de volgende stappen: op het ene hoofdvlak van een wafer van mono-kristallijn silicium wordt een masker gevormd met 35 een patroon dat bepalend is voor de omtrekscontour van het verdiepte gedeelte en de plaats van de zich 870258 9 -22- eventueel daarop bevindende membraanondersteuningsnokken van een aantal volgens rijen en kolommen aan elkaar aansluitende transducenteenheden; het via dit masker toegankelijke silicium wordt 55 door gebruikmaking van een etsmiddel tot over een zekere diepte weggeëtst, teneinde het verdiepte gedeelte en de zich eventueel daarop bevindende membraanondersteuningsnokken van de desbetreffende transducenteenheden te vormen; 10 op de ten opzichte van de verdiepte gedeelten verhoogde omtreksranden wordt een masker gevormd waarvan het patroon bepalend is voor de buitenomtrekscontour van elk van het aantal volgens rijen en kolommen aan elkaar aansluitende transducenteenheden/ en op het 15 andere hoofdvlak van de wafer wordt een masker gevormd waarvan het patroon bepalend is voor al de zich door het substraat van de uit de wafer te vervaardigen transducenteenheden, heen uitstrekkende openingen; het via deze beide maskers toegankelijke silicium 20 wordt door gebruikmaking van een etsmiddel weggeëtst, zodanig dat enerzijds in de verhoogde omtreksranden, een maasvormig netwerkpatroon van V-vormige groeven is uitgespaard, anderzijds zich door het substraat heen uitstrekkende openingen zijn gevormd, en welke 25 openingen aan die zijde waar zich het genoemde maasvormige netwerkpatroon bevindt, door maskermateriaal zijn afgedekt? dit maskermateriaal wordt verwijderd; het aldus verkregen geheel wordt bedekt met een laagje dielektri-30 cum, meer in het bijzonder een laagje S1O2? via de open gelaten openingen wordt vanaf die zijde, waarop zich het membraanfolie bevindt, op het inwendige van die openingen en op de zich daartegenover bevindende gedeelten van het membraanfolie, een materiaal 35 opgedampt of gesputterd, zodanig dat het membraanfolie via dit materiaal aan het substraat is bevestigd; 8702589 ♦ -23- met behulp van een schaduwmasker worden elektrodes en contacten voor contactering met elektronica voor de desbetreffende transducenteenheden op het membraanfo-lie aangebracht; 5 het membraanfolie wordt volgens het maasvormige netwerkpatroon van V-vormige groeven doorgesneden; en de wafer wordt volgens dit patroon van V-vormige groeven gedesintegreerd zodat een aantal afzonderlijke transducenteenheden is gevormd.

7. Werkwijze volgens de conclusies 5 of 6, met het kenmerk, dat het via het eerstgenoemde masker toegankelijke silicium door gebruikmaking van een anisotroop etsmiddel tot over een zekere diepte anisotroop wordt weggeëtst, teneinde het verdiepte gedeelte en 15 de zich eventueel daarop bevindende membraanondersteu-ningsnokken van de desbetreffende transducenteenheden te vormen.

8. Werkwijze volgens één van de conclusies 5-7, met het kenmerk, dat het via de genoemde beide maskers 20 toegankelijke silicium door gebruikmaking van een anisotroop etsmiddel wordt weggeëtst, zodanig dat de genoemde zich door het substraat heen uitstrekkende openingen dwarsdoorsneden bezitten die zich in een richting gaande naar het substraatvlak, waarin genoemde

25 V-vormige groeven zijn gevormd, geleidelijk afnemen.

9. Werkwijze volgens één van de conclusies 5-8, met het kenmerk, dat direkt voorafgaande aan de stap waarbij het aangebrachte laagje dielektricum met elektrische lading 30 wordt beladen, het buitenoppervlak van dit laagje dielektricum wordt behandeld, zodanig dat dit oppervlak hydrofobe eigenschappen heeft.

10. Werkwijze volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat het genoemde laagje dielektricum voorafgaande 35 aan het elektrisch laden daarvan wordt behandeld met HMDS (hexamethyldisilazane), of een daaraan verwante stof. 8702 589