WO2003098969A2 - Mikromechanischer kapazitiver wandler und verfahren zur herstellung desselben - Google Patents
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- B81B2201/0257—Microphones or microspeakers
Definitions
- the present invention relates to a micromechanical capacitive transducer and method for producing the same.
- a micromechanical capacitive transducer for which a silicon microphone is an example, often has a small volume filled with air.
- this is an air-filled sensor capacitance, which consists of a sensitive membrane and a rigid counter electrode. Due to the small air volume, the enclosed air exerts a strong restoring force on the sensor membrane. The trapped air dampens the membrane deflection and reduces the sensitivity or bandwidth of the sensor.
- micro-mechanically manufactured microphones those with an electroplated counter electrode are known in which the counter electrode is electroplated on the microchip in the last step of the manufacturing process.
- Microphones are for example on Kabir et al. , High sensitivity acoustic transducers with p "me branes and gold blackplate, Sensors and Actuators 78 (1999), pp. 138-142; and J. Bergqvist, J. Gobet, Capacitive Microphone with surface icromachined backplate using ⁇ lectroplating technology , Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 3, No. 2, 1994.
- the perforation openings can be chosen to be large enough that the acoustic resistance is very small and has no influence on the damping of the membrane deflection the elaborate process of electroplating.
- Two-chip microphones are also known from the prior art, in which the membrane and the counterelectrode are each produced on separate wafers. The microphone capacity is then obtained by "bonding" the two wafers.
- W. krahnel Capacitive Silicon Microphones, Row 10, Computer Science / Communication Technology, No. 202, Progress Reports, VDI, VDI-Verlag, 1992, Dissertation; J. Bergqyisit, Finite-ele ent modeling and characterization of a Silicon condenser microphone with highly perforated backplate, Sensors and Actuators 39 (1993), pp. 1991-200; and T. Bourouina et al.
- the counter electrode is manufactured in an integrated manner, ie only one wafer is required.
- the counter electrode consists of a silicon substrate or is formed by a deposition or epitaxy. Examples of such a chip microphones are in A. Torkkeli et al. , Capacitive microphone with low-stress polysilicon membrane and high-stress polysilicon backplate, Physica Scripta, vol. T79 1999, pp. 275-278 ? Kovacs et al., Fabrication of single-chip polysilicon condenser structures for microphone applications, J. Micromech. Miroeng. 5 (1995) pp.
- a production method for such a single-chip microphone is known from WO 00/09440.
- the perforation openings are first produced in an epitaxial layer formed on a wafer.
- an oxide deposit is carried out on the front side of the epitaxial layer, so that on the one hand the perforation openings are closed and on the other hand a spacer layer, the thickness of which defines the later distance between the membrane and the counterelectrode.
- a silicon membrane with the required thickness is then deposited on this layer.
- the wafer is etched in the area of the perforation openings from the back to the epitaxial layer.
- the oxide is then etched from the back to open the perforation openings and the cavity between the membrane and counterelectrode. Part of the sacrificial layer between the membrane and the epitaxial layer remains as a spacing layer between the membrane and the counter electrode.
- a disadvantage of these previously known production methods for one-chip microphones is that the hole diameter in the counterelectrode must not be greater than twice the thickness of the layer deposited thereon, so that the perforation openings have the desired thickness when the sacrificial layer is applied. th thickness can still be securely closed. This is disadvantageous in particular because the width of the individual perforation openings cannot be realized to such an extent that the acoustic resistance and thus, for example, the upper limit frequency of the microphone sensitivity can be optimized.
- the object of the present invention is to create a highly sensitive micromechanical capacitive converter with minimal attenuation of the membrane and maximum bandwidth and a method for producing such a micromechanical capacitive converter.
- the present invention provides an arrangement and a method for producing micromechanical capacitive transducers, in particular microphones, but also other micromechanical capacitive transducers which have a cavity arranged between two surfaces. Acceleration sensors, pressure sensors and the like are mentioned here by way of example.
- An essential advantage of the invention is that the processing of large perforation openings can be easily integrated into a conventional overall process for producing a micromechanical capacitive converter.
- the electrically conductive surface element is arranged on the carrier layer.
- the smallest opening width of the perforation opening is more than 2 ⁇ m. This results in a reduction in acoustic resistance.
- the perforation openings take up 10% to 50% of the total area of the interface between the cavity and the support layer and the interface between the cavity and the electrically conductive surface element. This dimensioning ensures sufficient stability of the perforated element.
- the carrier layer is applied epitaxially to the substrate and can serve as an etching stop layer.
- an electrically conductive surface element is introduced into the carrier layer or is applied to the carrier layer, because this surface element can then serve as an electrode, in particular in the case of a silicon microphone.
- the perforation openings on its inner wall are lined with the sacrificial layer. This gives the perforation openings additional stability.
- Perforation openings are lined with a material that is etch-resistant to the substrate. This makes a A lektives btragen of the substrate for cropping at least a portion of the substrate adjacent side of the support layer permits.
- FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a micro-mechanical capacitive transducer
- FIG. 2 shows a diagram showing the dependence of the microphone sensitivity of a microphone according to the invention on the hole diameter of the perforation openings
- 3 a) to i) are schematic sectional views for explaining a method for producing a single perforation opening.
- FIG. 1 shows a general structure of a one-chip silicon microphone in a schematic manner.
- the one-chip silicon microphone has a movable membrane 10.
- the membrane 10 lies opposite a cavity 12 and a counter electrode 14.
- This counter electrode 14 is formed by regions of an epitaxial layer 15 applied to a substrate 11.
- a doping region 18 and perforation openings 20 are formed in the counter electrode 14.
- the membrane 10 is attached to the epitaxial layer 15 via a spacer layer 22.
- a first connection electrode 24 is electrically connected to the membrane 10, while a second connection electrode 26 is connected to the doping region 18 of the counter electrode 14.
- An insulating layer 28 is provided on the epitaxial layer 15 outside the membrane area.
- An opening 30 is provided in the substrate 11 below the section of the epitaxial layer 15 serving as counterelectrode 14, so that the perforation openings 20 fluidly connect the cavity 12 to the opening 30.
- the opening 30 can be etched into the substrate 11.
- the perforation openings 20, which serve as outflow openings, are provided in the counter electrode 14.
- the perforation openings 20 when the membrane is deformed, the air from the condenser gap, i.e. escape from the cavity 12 and flow in, the resulting acoustic resistance determining the upper limit frequency of the microphone sensitivity depending on the perforation density and the size of the individual perforation openings.
- a first curve 40 shows an almost constant microphone sensitivity over the maximum bandwidth of the frequency response with a hole diameter of 8 ⁇ m
- the second, third and fourth curves 37, 38 and 39 with a smaller hole diameter of 1 ⁇ m or 2 ⁇ m or 4 ⁇ m
- the fifth and sixth curves 41 and 42 with a larger hole esser of 16 ⁇ m or 32 ⁇ shows a significantly poorer microphone sensitivity at higher frequencies.
- the perforation area is in each case approximately 25% of the total area of the counterelectrode 14 (cf. FIG. 1, dashed zone).
- FIG. 3 shows a number of successive technology steps a) to i) in the production of a single perforation opening in a one-chip microphone.
- an approximately 5 ⁇ m thick layer 150 is applied to a silicon substrate 110 by means of epitaxy.
- An insulating layer 200 covering the entire surface 20 of the layer 150 is first applied to this layer 150, and a structured electrically conductive layer 300 is applied thereon.
- a mask layer 350 is then applied over the insulating layer 200 and the electrically conductive layer 300 and structured in such a way that it has small openings 400 at the point at which the mask layer 350 directly covers the insulating layer 200.
- This mask layer 350 is preferably an oxide.
- a hole 190 is made through the insulating layer 200 and into the
- Layer 150 etched to approximately the interface of layer 150 and substrate 110.
- the hole 190 is then made to the desired one by a selective isotropic etching process
- a fifth step e the dielectric layer 250 on the surface of the mask layer 350 is selectively removed by means of a dry etching method, so that this dielectric layer 250 only remains on the surface of the perforation opening 180.
- a sacrificial layer 380 preferably an oxide sacrificial layer, is then deposited. This deposition causes the perforation opening 180 to be lined with a layer until the small opening 400 in the mask layer 350 is closed.
- the sacrificial layer 380 is deposited until the thickness of the sacrificial layer 380 has reached the desired value. In this process, the surface of the wafer is almost completely planed, so that subsequent processes can be carried out using conventional means of semiconductor technology. If a material which is etch-resistant to the silicon substrate 110 is used as the sacrificial layer 380, the fourth and fifth steps d) and e) can be dispensed with.
- a seventh step g the membrane 500 is deposited on the sacrificial layer 380.
- all other front-side processes required for the production of a functional one-chip microphone are carried out, for example in order to form the connections 24 and 26.
- the silicon substrate 110 is removed in the area below the membrane 500 by means of so-called bulk micromechanics. This process is selective against the layer 150 and against the lining of the perforations. opening 180. In this way, the surface 170 of the layer 150 facing the substrate 110 is released.
- a final step i) the insulating layer 200, the dielectric layer 250 which may be present, the sacrificial layer 380 and the mask layer 350 are removed by wet or dry chemistry to such an extent that the perforation opening 180 is opened and a cavity between the surface 120 and the membrane 500 450 arises.
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Abstract
Ein mikromechanischer kapazitiver Wandler sowie ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Wandlers hat eine bewegliche Membran (10) und ein elektrisch leitfähiges Flächenelement (14) in einer Trägerschicht (15). Das elektrisch leitfähige Flächenelement (14) ist über einen Hohlraum (12) der Membran (15) gegenüberliegend angeordnet. Das elektrisch leitfähige Flächenelement (14) und die Trägerschicht (15) sind von Perforationsöffnungen (20) durchdrungen. Die Öffnungsweite der Perforationsöffnungen (20) entsprechen in etwa der Dicke der Trägerschicht (15).
Description
Beschreibung
Mikromechanischer kapazitiver Wandler und Verfahren zur Herstellung desselben
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen mikromechanischen kapazitiven Wandler und Verfahren zur Herstellung desselben.
Bei einem mikromechanischen kapazitiven Wandler, für den ein Silizium-Mikrofon ein Beispiel ist, ist häufig ein mit Luft gefüllter Hohlraum mit kleinem Volumen vorhanden. Bei einem Mikrofon ist dies beispielsweise eine luftgefüllte Sensorkapazität, die aus einer empfindlichen Membran und einer star- ren Gegenelektrode besteht. Aufgrund des kleinen Luftvolumens übt die eingeschlossene Luft eine starke Rückstellkraft auf die Sensorme bran aus. Die eingeschlossene Luft bewirkt eine Dämpfung der Membranauslenkung und senkt die Empfindlichkeit bzw. Bandbreite des Sensors.
Es ist zur Erhöhung der Bandbreite bekannt, Ausströmmöglichkeiten für die Luft vorzusehen, wobei dies bei Silizium- Mikrofonen durch eine Perforation der Gegenelektrode geschieht. Durch eine solche Perforation kann die Luft aus dem Kondensatorspalt, d.h. dem Hohlraum zwischen empfindlicher Membran und starrer Gegenelektrode, entweichen.
Etablierte kommerzielle Elekret-Mikrofone weisen Geometrien mit so großen M ße auf, dass die Steifigkeit des Luf pol- sters vernachlässigbar ist. Diese Mikrofone besitzen aber nicht die Vorteile eines temperaturstabilen Silizium- Mikrofons in Volumenproduktion.
Bei mikromechanisch gefertigten Mikrofonen sind solche mit elektroplattierter Gegenelektrode bekannt, bei denen die Gegenelektrode beim letzten Schritt des Fertigungsprozesses auf dem Mikrochip elektroplattiert wird. Hinsichtlich derartiger
Mikrofone sei beispielsweise auf Kabir et al . , High sensiti- vity acoustic transducers with p" me branes and gold black- plate, Sensors and Actuators 78 (1999), S. 138-142; und J. Bergqvist, J. Gobet, Capacitive Microphone with surface icromachined backplate using εlectroplating technology, Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 3, No. 2, 1994, verwiesen. Bei Herstellungsverfahren für derartige Mikrofone können die Perforationsöffnungen derart groß gewählt werden, dass der akustische Widerstand sehr klein ist und keinen Einfluss auf die Dämpfung der Membranauslenkung hat. Nachteilig ist der aufwendige Prozess der Elektroplattierung.
Aus dem Stand der Technik sind ferner Zwei-Chip-Mikrofone bekannt, bei denen die Membran und die Gegenelektrode jeweils auf getrennten Wafern hergestellt werden. Die Mikrofonkapazität wird dann durch "Bonden" der beiden Wafer gewonnen. Hinsichtlich einer solchen Technologie wird auf W. Kühnel, Kapazitive Silizium-Mikrofone, Reihe 10, Informatik/Kommunikationstechnik, Nr. 202, Fortschrittsberichte, VDI, VDI-Verlag, 1992, Dissertation; J. Bergqyisit, Finite-ele ent modelling and characterization of a Silicon condenser microphone with highly perforated backplate, Sensors and Actuators 39 (1993), S. 1991-200; und T. Bourouina et al . , A new condenser microphone with a p+ Silicon membrane, Sensors and Actuators A, 1992, S. 149-152, verwiesen. Auch bei diesem Mikrofontyp ist es technologisch möglich, ausreichend große Durchmesser für die Perforationsöffnungen der Gegenelektrode zu wählen. Aus Kostengründen werden jedoch Ein-Chip-Lösungen bevorzugt. Darüber hinaus ist bei den Zwei-Chip-Mikrofonen die Justage der beiden Wafer zueinander problematisch.
Bei den Ein-Chip-Mikrofonen wird die Gegenelektrode integriert hergestellt, d.h. es wird nur ein Wafer benötigt. Die Gegenelektrode besteht aus einem Silizium-Substrat oder wird durch eine Abscheidung bzw. Epitaxie gebildet. Beispiele für derartige Ein-Chip-Mikrofone sind in A. Torkkeli et al . , Capacitive microphone with low-stress polysilicon membrane and
high-stress polysilicon backplate, Physica Scripta, Vol. T79 1999, S. 275-278? Kovacs et al., Fabrication of single-chip polysilicon condenser structures for microphone applications, J. Micromech. Miroeng. 5 (1995) S. 86-90; und Füldner et al., Silicon microphone with high sensitivity diaphragm using SOI Substrat, Proceedings Eurosensors XIV, 1999, S. 217-220, beschrieben. Bei den Herstellungsverfahren für diese Ein-Chip- Mikrofone ist es in der Regel erforderlich, die erzeugten Perforationsö nungen in der Gegenelektrode für die folgende Prozessierung wieder zu verschließen, um die Topologie auszugleichen.
Ein Herstellungsverfahren für derartige Ein-Chip-Mikrofone ist aus der WO 00/09440 bekannt. Bei diesem Herstellungsver- fahren werden zunächst in einer auf einem Wafer gebildeten epitaktischen Schicht die Perforationsöffnungen erzeugt. Nachfolgend wird u.a. zur Erzeugung einer Opferschicht eine Oxidabsche dung auf der Vorderseite der Epitaxieschicht durchgeführt, so dass zum einen die Perforationsöffnungen verschlossen und zum anderen eine Abstandsschicht, deren Dik- ke den späteren Abstand zwischen Membran und Gegenelektrode definiert, gebildet wird. Auf dieser Schicht wird dann eine Silizium-Membran mit der erforderlichen Dicke abgeschieden. Nach der erforderlichen Prozessierung der elektronischen Bau- elemente wird im Bereich der Perforationsöffnungen der Wafer von der Rückseite her bis zu der Epitaxieschicht geätzt. Im Anschluss daran erfolgt von der Rückseite her ein Ätzen des Oxids zum Öffnen der Perforationsöf nungen und des Hohlraums zwischen Membran und Gegenelektrode. Ein Teil der Opfer- schicht zwischen Membran und Epitaxieschicht bleibt dabei als Abstandsschicht zwischen Membran und Gegenelektrode stehen.
Ein Nachteil dieser bisher bekannten Herstellverfahren für Ein-Chip-Mikrofone besteht darin, dass der Lochdurch esser in der Gegenelektrode nicht größer als 2-mal der Dicke der darauf abgeschieden Schicht sein darf, damit die Perforationsöffnungen beim Aufbringen der Opferschicht mit der gewünsch-
ten Dicke noch sicher verschlossen werden können. Dies ist insbesondere deshalb nachteilig, weil die Weite der einzelnen Perforationsöffnungen nicht so groß realisierbar ist, dass der akustische Widerstand und somit z.B. die obere Grenzfre- quenz der Mikrofonempfindlichkeit optimiert werden kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen hochempfindlichen mikromechanischen kapazitiven Wandler mit minimaler Dämpfung der Membran und maximaler Bandbreite und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen mikromechanischen kapazitiven Wandlers zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen mikromechanischen kapazitiven Wandler mit den Merkmalen des Patentan- Spruchs 1 und einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Anordnung und ein Verfahren zum Herstellen für mikromechanische kapazitive Wand- 1er, insbesondere Mikrofone aber auch andere mikromechanische kapazitive Wandler, die einen zwischen zwei Flächen angeordneten Hohlraum besitzen. Beispielhaft sind hier Beschleunigungssensoren, Drucksensoren und dergleichen genannt.
Als wesentlicher Vorteil der Erfindung ist anzusehen, dass die Prozessierung von großen Perforationsöffnungen ohne weiteres in einen herkömmlichen Gesamtprozess zur Herstellung eines mikromechanischen kapazitiven Wandlers integriert werden kann.
Alternative und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
In einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist das elektrisch leitfähige Flächenelement auf der Trägerschicht angeordnet.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung beträgt die geringste Öffnungsweite der Perforationsöffnung mehr als 2 μm. Dadurch wird eine Verringerung des akustischen Widerstands erzielt.
Bei einer weiteren vorteilha ten Ausführungsform der Erfindung nehmen die Perforationsöffnungen 10 % bis 50 % der Gesamtfläche von Grenzfläche zwischen Hohlraum und Trägerschicht und Grenzfläche zwischen Hohlraum und elektrisch leitfähigem Flächenelement ein. Durch diese Dimensionierung wird eine ausreichende Stabilität des perforierten Elements gewährleistet .
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Trägerschicht epitaktisch auf das Substrat aufgebracht und kann als Ätzstopschicht dienen.
Bei den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es als besonders vorteilhaft anzusehen, wenn nach Aufbringen der Trägerschicht ein elektrisch leitfähiges Flächenelement in die Trägerschicht eingebracht oder auf die Trägerschicht aufgebracht wird, weil dieses Flächenelement dann insbesondere bei einem Sil zium-Mikrofon als Elektrode dienen kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird vor dem
Aufbringen des elektrisch leitfähigen Flächenelements auf der Trägerschicht eine elektrisch isolierende Schicht erzeugt.
In einer weiteren vorteilhaften Aus ührungsform werden beim Erzeugen der im wesentlichen planaren Opferschicht die Perforationsöffnungen an ihrer Innenwand mit der Opferschicht ausgekleidet. Dies verleiht den Perforationsöffnungen zusätzliche Stabilität.
Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn die Innenwände der
Perforationsöffnungen mit einem gegenüber dem Substrat ätzre- sistenten Material ausgekleidet werden. Dadurch wird ein se-
lektives Abtragen des Substrats zum Freistellen zumindest eines Teils der dem Substrat angrenzenden Seite der Trägerschicht ermöglicht.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die Zeichnung näher erläutert . Es zeigen:
Fig. 1 Eine schematische Querschnittsansicht eines mi- kromechanisehen kapazitiven Wandlers;
Fig. 2 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Mikrofonempfindlichkeit eines erfindungsge äßen Mikrofons vom Löcherdurchmesser der Perforationsöff- nungen zeigt;
Fig. 3 a) bis i) schematische Schnittdarstellungen zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung einer einzelnen Perforationsöffnung.
In Fig. 1 ist ein allgemeiner Aufbau eines Ein-Chip-Silizium- Mikrofons in schematischer Weise dargestellt.
Das Ein-Chip-Silizium-Mikrofon weist eine bewegliche Membran 10 auf. Die Membran 10 liegt über einem Hohlraum 12 und einer Gegenelektrode 14 gegenüber. Diese Gegenelektrode 14 ist durch Bereiche einer auf einem Substrat 11 aufgebrachten Epitaxieschicht 15 gebildet. In der Gegenelektrode 14 sind ein Dotierungsbereich 18 und Perforationsöffnungen 20 gebildet.
Die Membran 10 ist über eine Abstandsschicht 22 an die Epitaxieschicht 15 angebracht. Eine erste Anschlusselektrode 24 ist mit der Membran 10 elektrisch 1eit ähig verbunden, während eine zweite Anschlusselektrode 26 mit dem Dotierungsbe- reich 18 der Gegenelektrode 14 verbunden ist. Auf der Epitaxieschicht 15 ist außerhalb des Membranbereichs eine isolierende Schicht 28 vorgesehen.
In dem Substrat 11 ist unterhalb des als Gegenelektrode 14 dienenden Abschnitts der Epitaxieschicht 15 eine Öffnung 30 vorgesehen, so dass die Perforationsöffnungen 20 den Hohlraum 12 mit der Öffnung 30 fluid äßig verbinden. Die Öffnung 30 kann in das Substrat 11 geätzt sein.
Da die Funktionsweise des gezeigten kapazitiven Wandlers für den Fachmann verständlich sein sollte, sei lediglich kurz an- gemerkt, dass durch die auf die Membran 10 auftreffenden
Schallwellen eine Verformung der Membran stattfindet, so dass eine Kapazitätsänderung, die aufgrund des geänderten Abstands zwischen der Membran 10 und der Gegenelektrode 14 resultiert, zwischen den Anschlusselektroden 24 und 26 erfasst werden kann.
Um den Einfluss von der in dem Hohlraum 12 befindlichen Luft auf die Empfindlichkeit und das Ansprechverhalten des Wandlers zu reduzieren, sind die Perforationsöffnungen 20, die als Ausströmöffnungen dienen, in der Gegenelektrode 14 vorgesehen. Durch diese Perforationsöffnungen 20 kann bei Verformung der Membran die Luft aus dem Kondensatorspalt, d.h. aus dem Hohlraum 12 entweichen und einströmen, wobei der resultierende akustische Widerstand abhängig von der Perforations- dichte und der Größe der einzelnen Perforationsöffnungen die obere Grenzfrequenz der Mikrofonempfindlichkeit bestimmt.
Fig. 2 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit der Mikrofonempfindlichkeit vom Löcherdurchmesser der Perforationsöff- nungen 20 aufgetragen über der Frequenz anhand von 6 Kurven.
Eine erste Kurve 40 zeigt eine nahezu gleichbleibende Mikrofonempfindlichkeit über die maximale Bandbreite des Frequenzgangs bei einem Löcherdurchraesser von 8 μm, während die zwei- te, dritte und vierte Kurven 37, 38 und 39 mit einem kleineren Lochdurchmesser von 1 μm bzw. 2 μm bzw. 4 μm und die fünfte und sechste Kurven 41 und 42 mit einem größeren Loch-
durch esser von 16 μm bzw. 32 μ eine deutlich schlechtere Mikrofonempfindlichkeit bei höheren Frequenzen zeigen. In allen Fällen beträgt die Perforationsfläche jeweils ca. 25 % von der Gesamtfläche der Gegenelektrode 14 (vgl. Fig. 1, ge- strichelte Zone) .
In Fig. 3 sind eine Anzahl von nacheinander durchlaufende Technologieschritte a) bis i) bei der Herstellung einer einzelnen Perforationsöffnung in einem Ein-Chip-Mikrofon darge- stellt.
In dem ersten Schritt a) wird mittels Epitaxie eine ca. 5 μm dicke Schicht 150 auf einem Silizium-Substrat 110 aufgebracht. Auf dieser Schicht 150 wird zunächst eine die gesamte Oberflächel20 der Schicht 150 bedeckende isolierende Schicht 200 und darauf eine strukturierte elektrisch leitfähige Schicht 300 aufgebracht. Anschließend wird über die isolierende Schicht 200 und die elektrisch leitfähige Schicht 300 eine Maskenschicht 350 aufgebracht und derart strukturiert, dass Sie kleine Öffnungen 400 an der Stelle aufweist, an der die Maskenschicht 350 die isolierende Schicht 200 direkt bedeckt. Bevorzugt ist diese Maskenschicht 350 ein Oxid.
In dem zweiten Schritt b) wird mit einem Trockenätzprozess ein Loch 190 durch die isolierende Schicht 200 und in die
Schicht 150 bis ungefähr zur Grenzfläche von Schicht 150 und Substrat 110 geätzt.
Im dritten Schritt c) wird dann durch einen selektiven isotropen Atzprozess das Loch 190 bis auf den gewünschten
Enddurchmesser von 5 μm unter der Maskenschicht 350 aufgeweitet. Dadurch entsteht die Perforationsöffnung 180. Der tzprozess kann vorzugsweise entweder trocken- oder nasschemisch sein.
In einem vierten Schritt d) wird nun die gesamte Oberfläche und die Perforationsöffnung 180 mit einer dünnen dielektri¬ schen Schicht 250 versehen.
In einem fünften Schritt e) wird mittels eines Trockenätzver- fahrens die dielektrische Schicht 250 auf der Oberfläche der Maskenschicht 350 selektiv entfernt, sodass nur noch an der Oberfläche der Perforationsöffnung 180 diese dielektrische Schicht 250 verbleibt.
In einem sechsten Schritt f) wird nun eine Opferschicht 380, bevorzugt eine Oxidopferschicht, abgeschieden. Diese Abschei- dung bewirkt, dass die Perforationsöffnung 180 mit einer Schicht ausgekleidet wird, bis die kleine Öffnung 400 in der Maskenschicht 350 geschlossen ist. Die Abscheidung der Opfer- εchicht 380 findet solange statt, bis die Dicke der Opferschicht 380 den gewünschten Wert erreicht hat. Bei diesem Prozess wird die Oberfläche des Wafers nahezu komplett plana- risiert, sodass nachfolgende Prozesse mit herkömmlichen Mit- tel der Halbleitertechnologie durchgeführt werden können. Bei Verwendung eines gegenüber dem Silizium Substrats 110 ätzre- sistentem Material als Opferschicht 380 kann auf den vierten und fünften Schritt d) und e) verzichtet werden.
In einem siebten Schritt g) wird die Membran 500 auf der Opferschicht 380 abgeschieden. In weiteren für die Erläuterung des Ausführungsbeispiel unwichtigen und deshalb hier nicht gezeigten Schritten werden alle anderen für die Herstellung eines funktionsfähigen Ein-Chip-Mikrofon benötigten vorder- seitigen Prozesse durchgeführt, beispielsweise um die Anschlüsse 24 und 26 zu bilden.
In einem achten Schritt h) wird das Silizium-Substrat 110 im Bereich unterhalb der Membran 500 mittels sogenannter Volu- menmikromechanik abgetragen. Dieser Prozeεs ist selektiv gegen die Schicht 150 und gegen die Auskleidung der Perforati-
onsöffnung 180. Auf diese Art und Weise wird die dem Substrat 110 zugewandte Oberfläche 170 der Schicht 150 freigesetzt.
In einem abschließenden Schritt i) werden die isolierende Schicht 200, die eventuell vorhandene Dielektrikumsschicht 250, die Opferschicht 380 und die Maskenschicht 350 nass- oder trockenchemisch soweit entfernt, dass dadurch die Perforationsöffnung 180 geöffnet wird und zwischen der Oberfläche 120 und der Membran 500 ein Hohlraum 450 entsteht.
Bezugszeichenliste
10 Membran
11 Substrat 12 Hohlraum
14 Gegenelektrode
15 Epitaxieschicht 18 Dotierungsbereich
20 Perforationsöffnungen 22 Abstandsschicht
24 Anschlusselektrode
26 Anschlusselektrode 28 Schicht
30 Öffnung 37 zweite Kurve
38 dritte Kurve
39 vierte Kurve
40 erste Kurve
41 fünfte Kurve 42 sechste Kurve
110 Substrat
120 Oberfläche
150 Schicht
170 Oberfläche 180 Perforationsöffnung
190 Loch
200 isolierende Schicht 250 Dielektriku sschicht 300 leitfähige Schicht 50 Maskenschicht 80 Opferschicht 00 Öffnungen 50 Hohlraum 00 Membran
Claims
1. Mikromechanischer kapazitiver Wandler mit:
a) einer beweglichen Membran (10) ; b) einem elektrisch leitfähigen Flächenelement (14) , wobei das elektrisch leitfähige Flächenelement (14) über einem Hohlraum (12) angeordnet ist und der Membran (10) gegenüberliegt; c) sowie einer Trägerschicht (15), in der das elektrisch leitfähige Flächenelement (14) angeordnet ist, wobei die Trägerschicht (15) und das elektrisch leitfähige Flächenelement (14) von Perforationsöffnungen (20) durchdrungen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungsweite der Perforationsö f ungen (20) in etwa der Dicke der Trägerschicht (15) entsprechen.
2. Mikromechanischer kapazitiver Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähi- ge Flächenelement (14) auf der Trägerschicht (15) angeordnet ist
3. Mikromechanischer kapazitiver Wandler nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeich et, dass die geringste Öffnungsweite der Perforationsöffnungen (20) mehr als 2 μm beträgt
4. Mikromechanischer kapazitiver Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Perforationsöf nungen (20) 10 bis 50 % der Gesamtfläche der Grenzfläche zwischen Hohlraum (12) und Trägerschicht (15) und der Grenzfläche zwischen Hohlraum (12) und Flächenelement (14) einnehmen.
5. Mikromechanischer kapazitiver Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch geken zeichnet, dass der mikromechanische kapazitive Wandler ein Sensor ist.
6. Mikromechanischer kapazitiver Wandler nach Anspruch 5, dadurch ge ennzeichnet, dass der Sensor ein Ein-Chip-
Mikrofon ist
7. Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen kapazitiven Wandlers mit folgenden Schritten:
a) Bereitstellen eines Substrates (110), b) Aufbringen einer Trägerschicht (150) auf dem Substrat (HO), c) Aufbringen einer Maskenschicht (350) über der vom Substrat (110) abgewandten Oberfläche (120) der Trägerschicht (1505 , d) Strukturieren der Maskenschicht (350) derart, dass Sie erste Öffnungen (400) vorweist, deren geringste Ausdehnung maximal dem doppelten des späteren Abstand zwischen einer Membran (500) und der Oberfläche (120) entspricht, e) Erzeugen von Perforationsöffnungen (180) im Bereich unterhalb der ersten Öffnungen (400) in der Maskenschicht (350), die durch die Trägerschicht (150) hindurchreichen, wobei die geringste Öffnungsweite der Perforationsöffnungen (180) mehr als dem doppelten des späteren Abstand zwischen der Membran (500) und der Oberfläche (120) entspricht, f) Erzeugen einer im wesentlichen planaren Opferschicht (380) über der strukturierten Maskenschicht (350) mit einer Dicke, die abhängig ist vom später gewünschten Abstand zwischen der Trägerschicht (150) und einer Membran (500) , g) Aufbringen der Membran (500) auf die im wesentlichen plan- are Opferschicht (380) h) Freistellen zumindest eines Teils der dem Substrat (110) angrenzenden Seite (170) der Trägerschicht (150) , i) Entfernen der Opferschicht (380) und Maskenschicht (350) zum Öffnen der Perforationsöffnungen (180) und zum Erzeugen eines Hohlraums (450) zwischen der Membran (500) und der Trä- gerschicht (150), in dem die Perforationsöffnungen (180) gebildet sind.
8. Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen kapazi- tiven Wandlers nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Träger- schicht (150) auf das Substrat (110) epitaktisch erfolgt;
9. Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen kapazi- tiven Wandlers nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen der Trägerschicht (150) ein elektrisch leitfähiges Flächenelement in die Trägerschicht (150) eingebracht wird;
10. Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen kapazitiven Wandlers nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen der Trägerschicht (150) ein elektrisch leitfähiges Flächenelement auf die Trägerschicht (150) aufgebracht wird;
11. Verfahren zum Herstellen eines mikromechanisehen kapazitiven Wandlers nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen des elektrisch leitfähigen Flächenelements eine isolierende Schicht erzeugt wird
12. Verf hren zum Herstellen eines mikromechanischen kapazitiven Wandlers nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erzeugen einer im we- sentlichen planaren Opferschicht (380) die Perforationsöffnungen (180) auf ihrer Innenwand mit der Opferschicht (380) ausgekleidet werden;
13. Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen kapazi- tiven Wandlers nach Anspruch 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwände der Perforationsöffnungen (180) mit einem gegenüber dem Substrat (110] ätzresistenten Material ausgekleidet werden;
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