WO2007062975A1 - Mikromechanische struktur zum empfang und/oder zur erzeugung von akustischen signalen, verfahren zur herstellung einer mikromechanischen struktur und verwendung einer mikromechanischen struktur - Google Patents

Mikromechanische struktur zum empfang und/oder zur erzeugung von akustischen signalen, verfahren zur herstellung einer mikromechanischen struktur und verwendung einer mikromechanischen struktur Download PDF

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WO2007062975A1
WO2007062975A1 PCT/EP2006/068419 EP2006068419W WO2007062975A1 WO 2007062975 A1 WO2007062975 A1 WO 2007062975A1 EP 2006068419 W EP2006068419 W EP 2006068419W WO 2007062975 A1 WO2007062975 A1 WO 2007062975A1
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counter
membrane
micromechanical structure
micromechanical
producing
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PCT/EP2006/068419
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Frank Fischer
Christoph Schelling
Stefan Weiss
Roman Schlosser
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/005—Electrostatic transducers using semiconductor materials

Definitions

  • Micromechanical structure for receiving and / or generating acoustic signals, method for producing a micromechanical
  • the invention is based on a micromechanical structure for receiving and / or generating acoustic signals in a medium at least partially surrounding the structure measured in the preamble of claim 1.
  • US Patent Application US 2002/0151100 A1 discloses a monolithically integrated pressure sensor with a microphone cavity, wherein a back plate is arranged above an acoustic membrane located in a middle plane, wherein the membrane is arranged above a cavity, the cavity pointing downwards a substrate is completed.
  • a back plate is arranged above an acoustic membrane located in a middle plane, wherein the membrane is arranged above a cavity, the cavity pointing downwards a substrate is completed.
  • the substrate which is closed at the bottom, no top or bottom coupling or decoupling of acoustic signals is possible.
  • the micromechanical structure according to the invention for receiving and / or generating acoustic signals in a medium at least partially surrounding the structure or the method for producing a micromechanical structure or the use of a micromechanical structure according to the invention having the features of the independent claims has the advantage over in that an improvement of the acoustic properties of the micromechanical structure is possible with simple means and yet the micromechanical structure can be produced by means of comparatively simple and robust production methods. Because of the embedding of the membrane (buried membrane) between the first and second counter-element, the micromechanical structure according to the invention has a high mechanical stability.
  • first cavity is formed and that between the membrane and the second counter-element, a second cavity is formed, or that the first counter-element in comparison to the membrane has a multiple greater mass and / or that the second counter element in comparison to the membrane has a in a multiple greater mass.
  • micromechanical structure is provided monolithically integrated together with an electronic circuit. This makes it possible, by means of a s. G. One-chip solution to combine the complete unit of a micromechanical structure for the conversion between an acoustic signal and an electrical signal and an electronic circuit for evaluation or for providing the electronic signals.
  • the first and / or second counter-element is essentially made of semiconductor material and that the membrane comprises semiconductor material or that the first counter-element has a first electrode, the second counter-element has a second electrode and the membrane has a third electrode having.
  • Another object of the present invention is a method for producing a micromechanical structure according to the invention, wherein for the production of the second cavity, a first sacrificial layer is applied either structured on a raw substrate or structured in the raw substrate is introduced and a first precursor structure is obtained, which subsequently for the production at least one first membrane layer is applied to the membrane of the first precursor structure, that subsequently for producing the first cavity a second sacrificial layer is applied and subsequently that an epitaxial layer is applied for the production of the first counter element, wherein subsequently the first and second openings are introduced into the counter-elements, and the first and second sacrificial layers are removed to form the first and second cavities.
  • a first sacrificial layer is applied either structured on a raw substrate or structured in the raw substrate is introduced and a first precursor structure is obtained, which subsequently for the production at least one first membrane layer is applied to the membrane of the first precursor structure, that subsequently for producing the first cavity a second sacrificial layer is applied and subsequently that an
  • an electronic circuit is produced monolithically integrated with the micromechanical structure, wherein the electronic circuit is arranged either on the first side or on the second side. Due to the monolithic integration of the electronic circuit, it is possible to implement a complete sensor unit or a complete microphone unit in one piece.
  • FIGS. 1 and 2 are schematic representations of micromechanical structures known according to the prior art
  • Figure 3 is a schematic representation of a micromechanical structure according to the invention.
  • Figure 4 and 5 precursor structures of the micromechanical structure according to the invention.
  • FIGS. 1 and 2 show two micromechanical structures 100 known from the prior art, each having a membrane 120 and a grid-shaped counterelectrode 130.
  • the membrane 120 forms on a first side 111, the surface of the micromechanical structure ( Figure 1) and in the other case, the membrane 120 is provided buried, ie it forms the Counterelectrode 130 of the micromechanical structure 100, the surface of the micromechanical structure 100 on the first side 111 ( Figure 2).
  • FIG. 3 shows a micromechanical structure 10 according to the invention.
  • FIG. 4 shows a first precursor structure 50 and in FIG. 5 a second precursor structure 60.
  • FIGS. 3 to 5 will be described together below.
  • the micromechanical structure 10 according to the invention has a first counter element 20, a membrane 30 and a second counter element 40.
  • the first counter-element 20 in this case has first openings 21 and the second counter-element 40 has second openings 41.
  • the first and second openings 21, 41 are realized according to the invention in particular in that the first and second counter-element 20, 40 has a grid-like structure.
  • the first counter-element 20 forms a first side 11 of the micromechanical structure 10
  • the second counter-element 40 forms, according to the invention, a second side 12 of the micromechanical structure 10.
  • the micromechanical structure 10 according to the invention is particularly suitable for use as a microphone or as a loudspeaker and, in particular for this application, combines high sensitivity to material vibrations of the medium surrounding the micromechanical structure 10 with great robustness against, in particular, mechanical influences because the (comparatively sensitive) membrane 30 is buried in the interior of the micromechanical structure 10 between the two counter-elements 20, 40 or arranged generally protected.
  • the comparatively thin membrane 30, which is comparatively thin in comparison to the thickness of both the first and the second mating element 20, 40 is also protected towards the rear side (second side) 12 so that it can be used during wafer handling in the semiconductor manufacturing process, in the test process and in the packaging process is not exposed to direct mechanical contact.
  • the comparatively stiff structures of the counter-elements 20, 40 increase the robustness of the micromechanical structure.
  • the structure according to the invention of the micromechanical structure 10 is flip-chip-capable, both as a microphone application and as a loudspeaker application, because the topography on the surface is comparatively low and therefore also combinable with modern low-voltage CMOS process.
  • the flip-chip connections can be made via metal connection points (not shown) via the first side 11 of the structure 10.
  • the first and second counter-element 20, 40 will also be referred to below as the first and second counterelectrode 20, 40, respectively.
  • the first or second openings 21, 41 in the first and second counterelectrodes 20, 40 are introduced in order to achieve a pressure equalization between the first and second cavities and in each case the exterior of the micromechanical structure 10 according to the invention. It is according to the invention also possible that the membrane 30 is provided partially open, or that the membrane 30 has an opening (not shown) for static pressure compensation. As an alternative to an opening in the membrane 30, it is also possible that in other areas of the micromechanical structure, an opening for pressure equalization is present.
  • the membrane 30 is provided so as to be freely movable and is set in motion by means of acoustic signals (waves) of a medium surrounding the micromechanical structure 10, in particular a gas and in particular air, so that the membrane 30 vibrates.
  • acoustic signals waves
  • the distance to the first counter-element 20 located above the diaphragm 30 ie on a first side 11 of the micromechanical structure 10) is reduced or increased.
  • This change in distance can be evaluated capacitively according to the invention.
  • the first counter-element 20 has a first electrode
  • the diaphragm 30 has a second electrode 32
  • the second counter-element 40 has a third electrode.
  • FIG. 3 also shows schematically the corresponding capacitor arrangements C1 and C2, which are formed by the shape of the counter-elements 20, 40 and the membrane 30.
  • a first capacitor C1 between the first counter-element 20 and the diaphragm 30 and a second capacitor C2 between the diaphragm 30 and the second counter-element 40 is realized.
  • the membrane 30 can be formed under controlled tension and still allows high sensitivity.
  • the micromechanical structure 10 can be used for the differential evaluation of the capacitance change, which allows a higher sensitivity. This is also associated with the possibility that the acoustic oscillation or the acoustic signal of the medium surrounding the micromechanical structure can be coupled in both from the first side 11 of the structure 10 and from the second side 12 of the structure 10. Moreover, if the diaphragm 30 is contacted as a measuring electrode, it is possible for the first counter-element 20 and the second counter-element 40 to be connected to ground potential, which reduces the electrical sensitivity to contaminants and charges from the surroundings.
  • the first counter-element 20 can be used in addition to its function as a first electrode for other mechanical or electrical functions in the microphone design (formation of springs and movable membrane clamping, electrical contacting of individual components, eg for electrical adjustment of sensitivity.
  • FIG. 4 shows the first precursor structure 50 of the micromechanical structure 10.
  • the first precursor structure 50 comprises a raw substrate 15 of the micromechanical structure 10 into which a first sacrificial layer 49 is introduced.
  • the raw substrate 15 is, in particular, a doped silicon substrate.
  • the first sacrificial layer 49 is, for example, an oxidized region of the raw substrate 15, i. the first sacrificial layer 49 is provided in the raw substrate 15.
  • the first sacrificial layer 49 is applied to the raw substrate 15 structured, for example, was deposited.
  • FIG. 5 shows a second precursor structure 60, wherein at least one first membrane layer 31 is applied to the first precursor structure 50 in the membrane region above the first sacrificial layer 49 and outside the membrane region above the raw substrate 15.
  • a plurality of, for example, three (or even a larger or smaller number than three) membrane layers to be applied. Shown in Figure 5 except the first membrane layer 31, a second Membrane layer 32 and a third membrane layer 33. Together, the membrane layers 31, 32, 33, the membrane 30.
  • a second sacrificial layer 29 is applied above the membrane 30 according to the invention.
  • an epitaxial layer 16 is applied to form the second precursor structure 60.
  • the first openings 21 are subsequently introduced from the first side 11 into the epitaxial layer 16, in particular by means of an anisotropic trench etching process.
  • the second sacrificial layer 29 is etched, likewise from the first side 11, and thus the first cavity 25 is produced.
  • the second openings 41 are introduced from the second side 12 into the raw substrate 15, in particular by means of an anisotropic trench etching process.
  • the first sacrificial layer 49 is etched, likewise from the second side 12, and thus the second cavity 35 is produced.
  • the person skilled in the art recognizes that the treatment of the second side 12 can also take place before the treatment of the first side 11.
  • the epitaxial layer 16 is provided either in-situ doped or else a doping region is introduced into the epitaxial layer 16.
  • the second counter-element 40 or the raw substrate 15 is provided either doped or else a doping region is introduced into the second counter-element 40.
  • the second membrane layer 32 is provided as a correspondingly conductive layer, in particular made of polycrystalline silicon, with a corresponding doping.
  • the layer stack of the membrane 30 of the first, second and third membrane layer 31, 32, 33 may, for example, consist of a sequence of silicon nitride, poly-silicon, silicon nitride.
  • a membrane structure of five membrane layers may for example consist of nitride, oxide, poly-silicon, oxide, nitride.
  • a membrane structure of four membrane layers can for example consist of oxide, poly-silicon, nitride and reoxidized nitride.
  • the membrane When constructing the membrane, it is preferable to ensure that the membrane as a whole is subjected to a tensile stress, which can be achieved, for example, by introducing a tension-strained layer in the layer sequence of the membrane 30, for example by means of an LPCVD silicon nitride layer (low pressure chemical vapor deposition).
  • a tension-strained layer in the layer sequence of the membrane 30, for example by means of an LPCVD silicon nitride layer (low pressure chemical vapor deposition).
  • those materials are used whose mechanical properties are readily adjustable (such as thermal oxide, LPCVD nitride).
  • the polysilicon layer is doped in all cases and serves as an electrically conductive capacitor plate of the second electrode 32.
  • the layer thickness of the polysilicon layer is chosen such that the layer voltage of the polysilicon has only a small effect on the total voltage.

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Abstract

Es wird eine mikromechanische Struktur, ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur und eine Verwendung einer mikromechanischen Struktur vorgeschlagen, wobei die mikromechanische Struktur zum Empfang und/oder zur Erzeugung von akustischen Signalen in einem die Struktur zumindest teilweise umgebenden Medium vorgesehen ist, wobei die Struktur ein erste Öffnungen aufweisendes und im wesentlichen eine erste Seite der Struktur bildendes erstes Gegenelement aufweist, dass die Struktur ferner ein zweite Öffnungen aufweisendes und im wesentlichen eine zweite Seite der Struktur bildendes zweites Gegenelement aufweist und dass die Struktur eine im wesentlichen geschlossene und zwischen dem ersten Gegenelement und dem zweiten Gegenelement angeordnete Membran aufweist.

Description

Mikromechanische Struktur zum Empfang und/oder zur Erzeugung von akustischen Signalen, Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen
Struktur und Verwendung einer mikromechanischen Struktur
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Struktur zum Empfang und/oder zur Erzeugung von akustischen Signalen in einem die Struktur zumindest teilweise umgebenden Medium gemessen der Gattung des Anspruchs 1.
Aus der US-Patentanmeldung US 2002/0151100 A1 geht ein monolithisch integrierter Drucksensor mit einer Mikrofonkavität hervor, wobei eine Rückplatte oberhalb einer in einer mittlerer Ebene befindlichen akustischen Membran angeordnet ist, wobei die Membran oberhalb einer Kavität angeordnet ist, wobei die Kavität nach unten hin ein Substrat abgeschlossen wird. Hierbei ist es nachteilig, dass aufgrund des nach unten hin abgeschlossenen Substrats keine ober- bzw. unterseitige Einkopplung bzw. Auskopplung von akustischen Signalen möglich ist. Weiterhin ist es nachteilig, dass dadurch die Empfindlichkeit der Anordnung reduziert ist.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße mikromechanische Struktur zum Empfangen und/oder zur Erzeugung von akustischen Signalen in einem die Struktur zumindest teilweise umgebenden Medium bzw. das Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur bzw. die Verwendung einer erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche hat den gegenüber den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln eine Verbesserung der akustischen Eigenschaften der mikromechanischen Struktur möglich ist und dennoch die mikromechanische Struktur mittels vergleichsweise einfacher und robuster Herstellungsverfahren herstellbar ist. Die erfindungsgemäße mikromechanische Struktur weist wegen der Einbettung der Membran (vergrabene Membran) zwischen dem ersten und zweiten Gegenelement eine große mechanische Stabilität auf. Besonders bevorzugt ist, dass zwischen dem ersten Gegenelement und der Membran eine erste Kavität ausgebildet ist und dass zwischen der Membran und dem zweiten Gegenelement eine zweite Kavität ausgebildet ist, bzw. dass das erste Gegenelement im Vergleich zur Membran ein um ein mehrfaches größere Masse aufweist und/oder dass das zweite Gegenelement im Vergleich zur Membran eine im ein mehrfaches größere Masse aufweist. Hierdurch ist es möglich, dass mit einfachen Mitteln eine weitere Verbesserung der akustischen Eigenschaften der mikromechanischen Struktur möglich ist.
Es ist auch möglich, dass die mikromechanische Struktur zusammen mit einer elektronischen Schaltung monolithisch integriert vorgesehen ist. Hierdurch ist es möglich, mittels einer s. g. Ein-Chip-Lösung die komplette Einheit aus einer mikromechanischen Struktur zur Wandlung zwischen einem akustischen Signal und einem elektrischen Signal sowie einer elektronischen Schaltung zur Auswertung bzw. zur Bereitstellung der elektronischen Signale zusammenzufassen.
Ferner ist bevorzugt, dass das erste und/oder zweite Gegenelement im wesentlichen aus Halbleitermaterial hergestellt vorgesehen ist und das die Membran Halbleitermaterial umfasst bzw. dass das erste Gegenelement eine erste Elektrode aufweist, das zweite Gegenelement eine zweite Elektrode aufweist und dass die Membran eine dritte Elektrode aufweist. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, dass die elektrischen Eigenschaften der mikromechanischen Struktur insofern optimiert werden können, als eine differentielle Auswertung der Kapazitätenänderung zwischen den Elektroden ermöglicht wird.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur, wobei zur Herstellung der zweiten Kavität eine erste Opferschicht entweder auf ein Rohsubstrat strukturiert aufgebracht wird oder in das Rohsubstrat strukturiert eingebracht wird und eine erste Vorläuferstruktur erhalten wird, dass anschließend zur Herstellung der Membran wenigstens eine erste Membranschicht auf die erste Vorläuferstruktur aufgebracht wird, dass anschließend zur Herstellung der ersten Kavität eine zweite Opferschicht aufgebracht wird und dass anschließend zur Herstellung des ersten Gegenelements eine Epitaxischicht aufgebracht wird, wobei anschließend die ersten und zweiten Öffnungen in die Gegenelemente eingebracht werden sowie zur Bildung der ersten und zweiten Kavität die erste und zweite Opferschicht entfernt werden. Hierdurch ist es besonders vorteilhaft möglich, durch einen relativ robusten und vergleichsweise kostengünstigen Herstellungsprozess die erfindungsgemäße mikromechanische Struktur herzustellen.
Es ist auch möglich, dass nach der Herstellung der mikromechanischen Struktur eine elektronische Schaltung monolitisch integriert mit der mikromechanischen Struktur hergestellt wird, wobei die elektronische Schaltung entweder auf der ersten Seite oder auf der zweiten Seite angeordnet ist. Durch die monolitische Integration der elektronischen Schaltung ist es möglich, eine komplette Sensoreinheit bzw. eine komplette Mikrofoneinheit einstückig zu realisieren.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
Figuren 1 und 2 schematische Darstellungen von gemäß dem Stand der Technik bekannten mikromechanischen Strukturen,
Figur 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur und
Figur 4 und 5 Vorläuferstrukturen der erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur.
In den Figuren 1 und 2 sind zwei gemäß dem Stand der Technik bekannte mikromechanische Strukturen 100 dargestellt, die jeweils eine Membran 120 und eine gitterförmige Gegenelektrode 130 aufweisen. Im einen Fall bildet die Membran 120 auf einer ersten Seite 111 die Oberfläche der mikromechanischen Struktur (Figur 1 ) und im anderen Fall ist die Membran 120 vergraben vorgesehen, d.h. es bildet die Gegenelektrode 130 der mikromechanischen Struktur 100 die Oberfläche der mikromechanischen Struktur 100 auf der ersten Seite 111 (Figur 2).
In Figur 3 ist eine erfindungsgemäße mikromechanische Struktur 10 dargestellt. In Figur 4 ist eine erste Vorläuferstruktur 50 und in Figur 5 eine zweite Vorläuferstruktur 60 dargestellt. Die Figuren 3 bis 5 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. Die erfindungsgemäße mikromechanische Struktur 10 weist ein erstes Gegenelement 20, eine Membran 30 und ein zweites Gegenelement 40 auf. Das erste Gegenelement 20 weist hierbei erste Öffnungen 21 auf und das zweite Gegenelement 40 weist zweite Öffnungen 41 auf. Die ersten und zweiten Öffnungen 21 , 41 sind erfindungsgemäß insbesondere dadurch realisiert, dass das erste und zweite Gegenelement 20, 40 eine gitterartige Struktur aufweist. Das erste Gegenelement 20 bildet erfindungsgemäß eine erste Seite 11 der mikromechanischen Struktur 10 und das zweite Gegenelement 40 bildet erfindungsgemäß eine zweite Seite 12 der mikromechanischen Struktur 10.
Die erfindungsgemäße mikromechanische Struktur 10 ist besonders dafür geeignet, als Mikrofon bzw. als Lautsprecher genutzt zu werden und verbindet insbesondere für diesen Anwendungsfall eine hohe Empfindlichkeit auf Materialschwingungen des die mikromechanische Struktur 10 umgebenden Mediums mit einer großen Robustheit gegenüber insbesondere mechanischen Einflüssen, weil die (vergleichsweise empfindliche) Membran 30 im Inneren der mikromechanischen Struktur 10 zwischen den beiden Gegenelementen 20, 40 vergraben bzw. allgemein geschützt angeordnet ist. Insbesondere ist es erfindungsgemäß damit vorgesehen, dass die im Vergleich zur Dicke sowohl des ersten als auch des zweiten Gegenelements 20, 40 vergleichsweise dünne Membran 30 auch zur Rückseite (zweite Seite) 12 hin geschützt ist, so dass sie beim Waferhandling im Halbleiterherstellungsprozess, im Prüfprozess und im Verpackungsprozess keinem direkten mechanischen Kontakt ausgesetzt wird. Im verbauten Zustand erhöhen die vergleichsweise steifen Strukturen der Gegenelemente 20, 40 die Robustheit der mikromechanischen Struktur. Der erfindungsgemäße Aufbau der mikromechanischen Struktur 10 ist sowohl als Mikrofonanwendung als auch als Lautsprecheranwendung Flip-Chip-fähig, weil die Topographie auf der Oberfläche vergleichsweise gering ist und damit auch kombinierbar mit modernen Niedervolt- CMOS-Verfahren. Die Flip-Chip-Verbindungen können über Metallanschlussstellen (nicht dargestellt) über die erste Seite 11 der Struktur 10 erfolgen. Das erste und zweite Gegenelement 20, 40 wird im Folgenden auch als erste bzw. zweite Gegenelektrode 20, 40 bezeichnet. Die ersten bzw. zweiten Öffnungen 21 , 41 in den ersten bzw. zweiten Gegenelektroden 20, 40 sind eingebracht, um einen Druckausgleich zwischen der ersten bzw. zweiten Kavität und jeweils dem Äußeren der erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur 10 zu erzielen. Es ist erfindungsgemäß auch möglich, dass die Membran 30 teilweise geöffnet vorgesehen ist, bzw. dass die Membran 30 eine Öffnung (nicht dargestellt) zum statischen Druckausgleich aufweist. Alternativ zu einer Öffnung in der Membran 30 ist es auch möglich, dass in anderen Bereichen der mikromechanischen Struktur eine Öffnung zum Druckausgleich vorhanden ist.
Die Membran 30 ist frei beweglich vorgesehen und wird bei Anregung mittels akustischen Signalen (Wellen) eines die mikromechanische Struktur 10 umgebenden Mediums, insbesondere ein Gas und insbesondere Luft, in Bewegung gesetzt, so dass die Membran 30 vibriert. Durch die Bewegung der Membran 30 wird der Abstand zu dem über der Membran 30 (d.h. auf einer ersten Seite 11 des mikromechanischen Struktur 10) liegenden ersten Gegenelement 20 verringert bzw. vergrößert. Diese Abstandsänderung kann erfindungsgemäß kapazitiv ausgewertet werden. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorteilhafterweise vorgesehen, dass das erste Gegenelement 20 eine erste Elektrode, die Membran 30 eine zweite Elektrode 32 und das zweite Gegenelement 40 eine dritte Elektrode aufweist. In Figur 3 sind weiterhin schematisch die entsprechenden Kondensatoranordnungen C1 und C2 dargestellt, die durch die Form der Gegenelemente 20, 40 und der Membran 30 gebildet werden. Hierbei ist ein erster Kondensator C1 zwischen dem ersten Gegenelement 20 und der Membran 30 und ein zweiter Kondensator C2 zwischen der Membran 30 und dem zweiten Gegenelement 40 realisiert. Durch einen geringen Abstand zwischen der Membran 30 und dem ersten Gegenelement 20 ist es vorteilhaft möglich, eine große elektrische Empfindlichkeit zu erzielen. Dadurch ist es möglich, dass die Membran 30 unter kontrollierter Zugspannung ausgebildet werden kann und trotzdem eine hohe Empfindlichkeit erlaubt. Zusätzlich kann Durch die beidseitige Anordnung der Gegenelemente 20, 40 relativ zur Membran 30 ist es möglich, dass die erfindungsgemäße mikromechanische Struktur 10 zur differentiellen Auswertung der Kapazitätsänderung eingesetzt werden kann, was eine höhere Empfindlichkeit ermöglicht. Damit ist auch die Möglichkeit verbunden, dass die akustische Schwingung bzw. das akustische Signal des die mikromechanische Struktur umgebenden Mediums sowohl von der ersten Seite 11 der Struktur 10 als auch von der zweiten Seite 12 der Struktur 10 eingekoppelt werden kann. Wird die Membran 30 als Messelektrode kontaktiert, ist es darüber hinaus möglich, dass das erste Gegenelement 20 und das zweite Gegenelement 40 auf Massepotential gelegt werden, wodurch sich die elektrische Empfindlichkeit gegenüber Verschmutzungen und Ladungen aus der Umgebung reduziert. Das erste Gegenelement 20 kann neben seiner Funktion als erste Elektrode auch für andere mechanische oder elektrische Funktionen in dem Mikrofon-Design genutzt werden (Ausbildung von Federn und beweglichen Membraneinspannungen, elektrische Kontaktierung von einzelnen Komponenten, z.B. zur elektrischen Einstellung der Empfindlichkeit.
Zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der mikromechanischen Struktur 10 ist in Figur 4 die erste Vorläuferstruktur 50 der mikromechanischen Struktur 10 dargestellt. Die erste Vorläuferstruktur 50 umfasst ein Rohsubstrat 15 der mikromechanischen Struktur 10, in welches eine erste Opferschicht 49 eingebracht ist. Bei dem Rohsubstrat 15 handelt es sich insbesondere um ein dotiertes Siliziumsubstrat. Bei der ersten Opferschicht 49 handelt es sich beispielsweise um einen oxidierten Bereich des Rohsubstrats 15, d.h. die erste Opferschicht 49 ist in das Rohsubstrat 15 eingebracht vorgesehen. Alternativ dazu kann es auch vorgesehen sein, dass die erste Opferschicht 49 auf das Rohsubstrat 15 strukturiert aufgebracht ist, beispielsweise abgeschieden wurde.
In Figur 5 ist eine zweite Vorläuferstruktur 60 dargestellt, wobei im Membranbereich oberhalb der ersten Opferschicht 49 und außerhalb des Membranbereichs oberhalb des Rohsubstrats 15 wenigstens eine erste Membranschicht 31 auf die erste Vorläuferstruktur 50 aufgebracht vorgesehen ist. Erfindungsgemäß ist es insbesondere vorgesehen, dass eine Mehrzahl von beispielsweise drei (oder auch einer größeren oder kleineren Anzahl als drei) Membranschichten aufgebracht werden. Dargestellt sind in Figur 5 außer der ersten Membranschicht 31 eine zweite Membranschicht 32 und ein dritte Membranschicht 33. Gemeinsam bilden die Membranschichten 31 , 32, 33 die Membran 30. Oberhalb der Membran 30 wird erfindungsgemäß eine zweite Opferschicht 29 aufgebracht. Anschließend wird eine Epitaxieschicht 16 zur Bildung der zweiten Vorläuferstruktur 60 aufgebracht.
Zur Bildung der erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur 10 werden anschließend die ersten Öffnungen 21 von der ersten Seite 11 in die Epitaxieschicht 16 eingebracht, insbesondere mittels eines anisotropen Trench-Ätzprozesses. Nachfolgend wird - ebenfalls von der ersten Seite 11 aus - die zweite Opferschicht 29 geätzt und damit die erste Kavität 25 hergestellt. Daran anschließend werden die zweiten Öffnungen 41 von der zweiten Seite 12 in das Rohsubstrat 15 eingebracht, insbesondere mittels eines anisotropen Trench-Ätzprozesses. Nachfolgend wird - ebenfalls von der zweiten Seite 12 aus - die erste Opferschicht 49 geätzt und damit die zweite Kavität 35 hergestellt. Der Fachmann erkennt, dass die Behandlung der zweiten Seite 12 auch vor der Behandlung der ersten Seite 11 erfolgen kann.
Zur Bildung der ersten Elekrode ist die Epitaxieschicht 16 entweder in-situ-dotiert vorgesehen oder aber es ist ein Dotierungsbereich in die Epitaxieschicht 16 eingebracht. Zur Bildung der dritten Elekrode ist das zweite Gegenelement 40 bzw. das Rohsubstrat 15 entweder dotiert vorgesehen oder aber es ist ein Dotierungsbereich in das zweite Gegenelement 40 eingebracht. Innerhalb der Membran 30 ist im dargestellten Beispiel die zweite Membranschicht 32 als entsprechend leitfähige Schicht, insbesondere aus polykristallinem Silizium, mit einer entsprechenden Dotierung vorgesehen.
Der Schichtstapel der Membran 30 aus der ersten, zweiten und dritten Membranschicht 31 , 32, 33 kann beispielsweise aus einer Abfolge von Siliziumnitrid, Poly-Silizium, Siliziumnitrid bestehen. Ein Membranaufbau aus fünf Membranschichten kann beispielsweise aus Nitrid, Oxid, Poly-Silizium, Oxid, Nitrid bestehen. Ein Membranaufbau aus vier Membranschichten kann beispielsweise aus Oxid, Poly-Silizium, Nitrid und reoxidiertem Nitrid bestehen. Beim Aufbau der Membran ist bevorzugt darauf zu achten, dass die Membran insgesamt unter eine Zugspannung gesetzt wird, was beispielsweise dadurch erreicht werden kann, dass in der Schichtfolge der Membran 30 eine zugverspannte Schicht eingebracht wird, beispielsweise mittels einer LPCVD-Siliziumnitrid-Schicht (Low pressure chemical vapour deposition). Bevorzugt werden zur Herbeiführung der Zugspannung in der Membran solche Materialien eingesetzt, deren mechanische Eigenschaften gut einstellbar sind (wie etwa thermisches Oxid, LPCVD-Nitrid). Die Polysiliziumschicht wird in allen Fällen dotiert und dient als elektrisch leitfähige Kondensatorplatte der zweiten Elektrode 32. Die Schichtdicke der Polysiliziumschicht wird derart gewählt, dass sich die Schichtspannung des Polysiliziums nur gering auf die Gesamtspannung auswirkt.

Claims

Patentansprüche
1. Mikromechanische Struktur (10) zum Empfang und/oder zur Erzeugung von akustischen Signalen in einem die Struktur (10) zumindest teilweise umgebenden Medium, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (10) ein erste Öffnungen (21 ) aufweisendes und im wesentlichen eine erste Seite (11 ) der Struktur (10) bildendes erstes Gegenelement (20) aufweist, dass die Struktur (10) ferner ein zweite Öffnungen (41) aufweisendes und im wesentlichen eine zweite Seite (12) der Struktur (10) bildendes zweites Gegenelement (40) aufweist und dass die Struktur (10) eine im wesentlichen geschlossene und zwischen dem ersten Gegenelement (20) und dem zweiten Gegenelement (40) angeordnete Membran (30) aufweist.
2. Mikromechanische Struktur (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Gegenelement (20) und der Membran (30) eine erste Kavität (25) ausgebildet ist und dass zwischen der Membran (30) und dem zweiten Gegenelement (40) eine zweite Kavität (35) ausgebildet ist.
3. Mikromechanische Struktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gegenelement (20) im Vergleich zur Membran (30) eine um ein Mehrfaches größere Masse aufweist und/oder dass das zweite Gegenelement (40) im Vergleich zur Membran (30) eine um ein Mehrfaches größere Masse aufweist.
4. Mikromechanische Struktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mikromechanische Struktur (10) zusammen mit einer elektronischen Schaltung (50) monolithisch integriert vorgesehen ist.
5. Mikromechanische Struktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Gegenelement (20, 40) im wesentlichen aus Halbleitermaterial hergestellt vorgesehen ist und dass die Membran (30) Halbleitermaterial umfasst.
6. Mikromechanische Struktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gegenelement (20) eine erste Elektrode aufweist, das zweite Gegenelement (40) eine zweite Elektrode aufweist und dass die Membran (30) eine dritte Elektrode aufweist.
7. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der zweiten Kavität (35) eine erste Opferschicht (49) entweder auf ein Rohsubstrat (15) strukturiert aufgebracht wird oder in das Rohsubstrat (15) strukturiert eingebracht wird und eine erste Vorläuferstruktur (50) erhalten wird, dass anschließend zur Herstellung der Membran (30) wenigstens eine erste Membranschicht (31 ) auf die erste Vorläuferstruktur (50) aufgebracht wird, dass anschließend zur Herstellung der ersten Kavität (25) eine zweite Opferschicht (29) aufgebracht wird und dass anschließend zur Herstellung des ersten Gegenelements (20) eine Epitaxieschicht (16) aufgebracht wird, wobei anschließend die ersten und zweiten Öffnungen (21 , 41) in die Gegenelemente (20, 40) eingebracht werden sowie zur Bildung der ersten und zweiten Kavität (25, 35) die erste und zweite Opferschicht (29, 49) entfernt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Herstellung der mikromechanischen Struktur (10) eine elektronische Schaltung (70) monolithisch integriert mit der mikromechanischen Struktur (10) hergestellt wird, wobei die elektronische Schaltung (70) entweder auf der ersten Seite (11 ) oder auf der zweiten Seite (12) angeordnet ist.
9. Verwendung einer mikromechanischen Struktur (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 als Mikrofon und/oder als Lautsprecher.
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