PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69823679T2 28.04.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0001012547
Titel MINIATURISIERTES HALBLEITER-KONDENSATORMIKROPHON
Anmelder Knowles Electronics, LLC, Itasca, Ill., US
Erfinder LOEPPERT, V., Peter, Hoffman Estates, US;
SCHAFER, E., David, Glen Ellyn, US
Vertreter v. Füner Ebbinghaus Finck Hano, 81541 München
DE-Aktenzeichen 69823679
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 19.02.1998
EP-Aktenzeichen 989085873
WO-Anmeldetag 19.02.1998
PCT-Aktenzeichen PCT/US98/03144
WO-Veröffentlichungsnummer 0098037388
WO-Veröffentlichungsdatum 27.08.1998
EP-Offenlegungsdatum 28.06.2000
EP date of grant 06.05.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.04.2005
IPC-Hauptklasse G01H 11/06

Beschreibung[de]
Technischer Bereich

Die vorliegende Erfindung ist auf ein Silizium-Miniaturkondensatormikrofon gerichtet, das mit einer CMOS-Schaltung integriert werden kann.

Stand der Technik

Silizium-Miniaturkondensatormikrofone, die mit einer komplementären Metall-Oxyd-Halbleiterschaltung (CMOS) integriert werden können, erfordern eine Anzahl von Kompromissen, um eine hohe Empfindlichkeit und ein geringes Rauschen bei kleinstem Volumen zu erreichen. Ein Kondensatormikrofon besteht üblicherweise aus vier Elementen, einer stationären, perforierten Rückplatte, einer in hohem Maße nachgiebigen beweglichen Membran (die zusammen die beiden Platten eines Kondensators mit variablem Luftspalt bilden), einer Vorspannungsquelle und einem Pufferverstärker.

Die Membran muss in hohem Maße nachgiebig und genau bezüglich der Rückplatte positioniert werden, während die Rückplatte stationär bleiben und einen minimalen Widerstand für den durch sie gehenden Luftstrom aufweisen muss. Das Erreichen all dieser Eigenschaften bei Mikrofonen mit einer Größe von unter 1 mm bei Verwendung von integrierten Schaltungsmaterialien war eine Herausforderung in dreierlei Hinsicht. Zuerst haben Miniaturkondensatormikrofone auf Siliziumbasis bisher eine Membran verwendet, die von einem umschließenden Rahmen gehalten wird, wobei die maximale Auslenkung im Zentrum der Membran auftritt. Bei dieser Ausgestaltung reduziert eine nicht freigesetzte Spannung in dem Membranmaterial entweder die Nachgiebigkeit der Membran (wenn die Spannung eine Zugspannung ist, die die Membran versteift) oder die Positioniergenauigkeit (wenn die Spannung kompressiv ist und die Membran beult). Typische Spannungspegel in Dünnfilm-integrierten Schaltungen sind, wenn sie nicht in der fertigen Membran freigesetzt werden, um ein Vielfaches größer als die Pegel, bei denen die Membran aufgrund Übersteifung oder Beulung unbrauchbar wird.

Ein zweiter problematischer Aspekt bei Membranen mit einer Größe von sub-mm besteht darin, dass die Nachgiebigkeit bei abnehmender Größe für ein vorgegebenes Membranmaterial und eine vorgegebene Dicke sehr schnell abnimmt. Wenn die Einheiten der Membrannachgiebigkeit als lineare Auslenkung pro Druckeinheit genommen werden, ergibt sich die Nachgiebigkeit als vierte Potenz der Membrangröße. Bei einem speziellen Beispiel lässt die Reduzierung des Membrandurchmessers auf die Hälfte eine Reduzierung der Membrannachgiebigkeit auf ein Sechzehntel des früheren Werts erwarten, wenn das Membranmaterial, die Dicke und die Form gleichgehalten werden.

Die dritte Herausforderung bei der Miniaturisierung von Mikrofonen auf eine Größe unter einem Millimeter besteht darin, eine geringe mechanische Dämpfung der Membranverschiebung beizubehalten. Wenn der Aufbau kleiner gemacht wird, muss der Luftspalt kleiner gemacht werden (Bemessung als der Kehrwert des Quadrats der Vorrichtungsgröße) um den Kondensatorwert in einem Bereich zu halten, der das Eingangssignal des Pufferverstärkers effektiv treiben kann. Wenn der Luftspalt verringert wird, nehmen unglücklicherweise die Dämpfungseffekte aufgrund der viskosen Strömung der zwischen der Membran und der Rückplatte eingeschlossenen Luft schnell zu und ändern sich als Kehrwert der dritten Potenz der Luftspaltgröße. Das Nettoergebnis besteht darin, dass die mechanische Dämpfung extrem schnell als Kehrwert der sechsten Potenz der Vorrichtungsgröße zunimmt. Diese Dämpfung beeinträchtigt das Frequenzverhalten und erzeugt entsprechend einer gut etablierten Theorie Druckschwankungen in dem Mikrofonaufbau, was zum Rauschen am Mirkofonausgang beiträgt.

Man hat verschiedene Methoden entwickelt, um das Problem einer übermäßigen Spannung in Membranen von Miniaturkondensatormikrofonen zu vermeiden. Diese Methoden können dahingehend klassiert werden, ob sie sich auf das Membranmaterial oder den Membranaufbau richten. Auf der Materialseite offenbaren Bergquist und Rudolf, Transducers 91, Proceedings of the International Conference on Solid-State Sensors and Actuators (IEEE, New York, 1991) Seite 266 bis 269 Einkristallsilizium als Membranmaterial zur Minimierung von Differenzspannungen bezogen auf den Membranträger, der ebenfalls aus Einkristallsilizium hergestellt ist.

Hoshino offenbart in dem US-Patent 4 571 661 eine Halbleitervibrationsmessvorrichtung mit einer Halbleiterbasis und einem beweglichen Hebel, dessen eines Ende an der Basis befestigt ist und dessen freies Ende schwingen darf. Hoshino versäumt es jedoch, einen Dünnfilmkragarmaufbau anzugeben oder vorzuschlagen, der auf einen Fluid übertragenden Schalldruck anspricht und sich über einen Teil einer Trägeraufbauöffnung erstreckt.

Bernstein offenbart in dem US-Patent 5 146 435 einen Vollsiliziumaufbau bestehend aus einer Einkristallsiliziummembran, die an ihrem Umfang von musterförmig angeordneten Siliziumfedern abgestützt ist.

Auf der Seite des Membranaufbaus offenbart Loeppert in dem US-Patent 5 490 220 eine Freiplatten-Membranform, bei der die Membran von einem Rahmen getrennt und nur durch einen Satz von seitlichen Begrenzungen gefangen ist. Nach Loeppert wird die Materialspannung in der fertig gestellten Membran vollständig aufgehoben und wird unabhängig von Materialanpassungsfehlern zwischen der Membran und ihrem Rahmen.

Die internationale PCT-Veröffentlichung WO 95/34917 offenbart einen piezoelektrischen Kragarmdruckwandler. Der Wandler kann alternativ magnetostriktiv, piezoresistiv oder thermisch sein.

Keine der oben beschriebenen Methoden löst jedoch die inhärenten Filmspannungsprobleme, während eine gute Leistung bei einem Herstellungsprozess aufrechterhalten wird.

Die vorliegende Erfindung ist dafür vorgesehen, diese und andere Probleme zu lösen.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen alternativen Membran- und Tragplattenaufbau bereitzustellen, bei dem die Form der Membran auf einem Kragarm basiert und wechselnde Ausgestaltungen zum Entlüften der Trägerplatte verwendet werden, die für Mikrofone mit einer Sub-mm-Größe geeignet sind. Solche Mikrofone sind zweckmäßig für eine Ultraschall- sowie Audioschallumwandlung.

Bei der Kragarmausgestaltung wird die Membranmaterialspannung in dem abschließenden Membranaufbau auf nahezu den gleichen Grad wie bei der Freiplattenkonstruktion freigegeben, jedoch ohne dass Einfanghalterungen erforderlich sind, die der Freiplatte zugeordnet sind. Außerdem ist die Nachgiebigkeit des Kragaufbaus über hundert Mal größer als die einer am Rand eingeklemmten Membran aus dem gleichen Material, der gleichen Überspannung und der gleichen Dicke, was die Ausgestaltung von Vorrichtungen in kleinerem Maßstab trotz der vorher erwähnten Schwierigkeiten mit der Nachgiebigkeit bei Membranen mit einer Größe unter einem Millimeter erleichtert.

Diese Membran sowie die Rückplatte und die integrierte CMOS-Schaltung für eine Rückplattenvorspannung und einen Pufferverstärker können auf einem einzigen Siliziumwafer hergestellt werden. Nachstehend werden mehrere Ausführungsformen aufgeführt. Das Verfahren zum Entlüften des Kondensatorluftspalts zur Minimierung der mechanischen Dämpfung hängt von dem Aufbau der speziellen Ausgestaltung ab, und wird somit in Zusammenhang mit jedem Fall angegeben. Das Nettoergebnis ist eine Methode, die Vorteile bei der Mikrofongröße und der Mikrofonempfindlichkeit bietet, die für den Fachmann leicht ersichtlich sind.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

1 ist eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Silizium-Kondensatormikrofons, das erfindungsgemäß hergestellt ist.

1a ist eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines Silizium-Kondensatormikrofons, das erfindungsgemäß hergestellt ist.

2 bis 9 sind Schnittansichten, die aufeinander folgende Schritte bei der Herstellung des Mikrofons von 1 zeigen.

6a, 6b, 7a, 8a, 9a und 9b sind Schnittansichten, die die aufeinander folgenden Schritte bei der Herstellung des Mikrofons von 1a zeigen.

10 ist eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform eines Silizium-Kondensatormikrofons, das erfindungsgemäß hergestellt ist.

11 und 12 sind Schnittansichten, die aufeinander folgende Schritte bei der Herstellung des Mikrofons von 10 zeigen.

13 ist eine perspektivische Ansicht einer vierten Ausführungsform eines Silizium-Kondensatormikrofons, das erfindungsgemäß hergestellt ist.

13a ist eine Draufsicht auf das Mikrofon von 13 ohne Membran.

13b und 13c sind Schnittansichten des Mikrofons von 13a.

13d ist eine Draufsicht auf das Mikrofon von 13a einschließlich Membran.

14 und 15 sind Schnittansichten, die aufeinander folgende Schritte bei der Herstellung des Mikrofons von 13 zeigen.

16 ist eine Draufsicht auf den Bahnaufbau einer Modifizierung der vierten Ausführungsform der Erfindung.

16a ist eine Draufsicht auf eine Modifizierung der vierten Ausführungsform der Erfindung.

16b und 16c sind Schnittansichten des Mikrofons von 16a.

17a ist eine Draufsicht auf einen Überdruckanhalteaufbau zur Verwendung bei dem Mikrofon der vierten Ausführungsform.

17b ist eine Schnittansicht des Überdruckanhalteaufbaus von 17a.

Detaillierte Beschreibung

Obwohl diese Erfindung für Ausgestaltungen in unterschiedlichen Formen geeignet ist, sind in den Zeichnungen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung gezeigt, die hier im Einzelnen beschrieben werden, wobei natürlich die vorliegende Offenbarung als Erläuterung durch ein Beispiel der Prinzipien der Erfindung anzusehen ist und die Breitenaspekte der Erfindung nicht auf die gezeigten Ausgestaltungen beschränken soll.

In 1 ist eine Kragkonstruktion für ein Silizium-Kondensatormikrofon 10 gezeigt. Das Mikrofon 10 hat eine Membran 12, die an einem Halteaufbau oder Rahmen 11 an einem proximalen oder stationären Rand 12a verankert und an den anderen drei Rändern einschließlich eines distalen Rands 12b frei ist. Auf diese Weise wird die Steifigkeit der Membran 12 durch die Dicke und die Materialeigenschaften der Membran 12 und nicht durch Spannungen bestimmt, die in der Membran 12 durch die Verarbeitung induziert werden. Angrenzend an den distalen Rand 12b der Membran ist ein Kondensator 14 weg von dem stationären Rand 12a angeordnet, wo die maximale Auslenkung der Membran 12 aufgrund des Schalldrucks stattfindet.

Das erfindungsgemäße Mikrofon 10 wird gemäß 2 auf einem Substrat 16 hergestellt, vorzugsweise auf einem doppelseitig polierten Siliziumwafer während einer CMOS-Behandlung der anderen Komponenten (nicht gezeigt) auf dem Substrat 16. Während der CMOS-Behandlung wird ein aktiver Bereich 18a, der von Feldoxyd 18 (dicke Oxydbereiche) umgeben ist, durch einen Standard-LOCOS-Prozess gebildet, wo sich die Membran 12 abschließend befindet. Bekanntlich führt der LOCOS-Prozess auch zu einer Nitridschicht 18b auf der Rückseite des Substrats 16. Die Nitridschicht 18b bleibt auf der Rückseite des Substrats 16 bis zum Abschluss des LOCOS-Prozesses.

Gemäß 3 wird eine Niedertemperatur-Oxydschicht 20 über der gesamten Oberfläche des Wafers 16 abgeschieden. Bei dem CMOS-Prozess wird die Oxydschicht 20 üblicherweise auf eigentlich der gesamten Waferoberfläche als Dielektrikum zwischen Polysiliziumgates und einer Aluminiumzwischenverbindung (nicht gezeigt) belassen. Die Aluminiumzwischenverbindung wird zum Verbinden der Schaltungen benutzt, die irgendwo auf dem Wafer 16 ausgebildet sind. Dann wird ein Teil der Oxydschicht 20 entfernt, um das Siliziumsubstrat 16 bloßzulegen.

Ähnlich wie bei dem CMOS-Prozess wird eine Siliziumnitridpassivierungsschicht 22 üblicherweise auf eigentlich der gesamten Oberfläche des Wafers 16 belassen, um das Niedertemperaturoxyd 20 und die Schichten der Aluminiumzwischenverbindung zu schützen. Wie in 4 gezeigt ist, hat die Siliziumnitridpassivierungsschicht 22 ein solches Muster, dass der übliche Schutz in den CMOS-Schaltungsbereichen woanders auf dem Wafer 16 bereitgestellt ist, wird jedoch noch einmal lokal entfernt, um das Siliziumsubstrat 16 in dem Bereich bloßzulegen, wo die Membran 12 sein soll. Die Siliziumnitridpassivierungsschicht 22 bildet so eine Sperre zum Schutz des CMOS-Bereichs vor einem anisotropen Ätzmittel, vorzugsweise Kaliumhydroxyd (KOH) in dem abschließenden Mikrospannungsschritt, der nachstehend erläutert wird. Die hintere Nitridschicht 18b ist ebenfalls so gemustert, dass eine Ätzmaske für den abschließenden Mikrospannungsschritt gebildet wird, der nachstehend erörtert wird.

Der Kondensator 14 hat eine stationäre Platte 14a oder Rückplatte und eine bewegliche Platte 14b. Gemäß 5 wird eine Metallschicht, vorzugsweise Chrom, mit einer Dicke im Bereich von 0,1 bis 0,2 &mgr;m abgeschieden und strukturiert, um die stationäre Platte 14a zu bilden.

Gemäß 6 wird eine Opferschicht 24, vorzugsweise Aluminium, mit einer Dicke von etwa 4 &mgr;m abgeschieden und strukturiert. Diese Opferschicht 24 wird schließlich entfernt, um den Spalt zwischen der stationären Platte 14a und der beweglichen Platte 14b des Kondensators 14 zu bilden.

Gemäß 7 wird eine Siliziumnitridmembranschicht 26, die gewöhnlich 1 &mgr;m dick ist, abgeschieden und strukturiert.

Gemäß 8 wird eine Metallschicht, vorzugsweise Chrom, mit einer Dicke von etwa 0,02 &mgr;m auf der Siliziumnitridmembranschicht 26 zur Bildung der beweglichen Platte 14b abgeschieden und strukturiert. Eine Dicke von 0,02 &mgr;m wird als Ausgleich zwischen Spannung und Leitfähigkeit verwendet. Eine dünnere Schicht würde zu einer geringeren Leitfähigkeit, jedoch auch zu einer geringeren Spannung führen.

Obwohl es hier nicht speziell gezeigt ist, kann eine Schicht einer Titan-Wolfram-Legierung gefolgt von einer Goldschicht abgeschieden und strukturiert werden, um Aluminiumverbindungskontakte auf dem Wafer zu schützen.

Der abschließende mikromaterialentfernende Schritt ist in 9 gezeigt. Bei diesem Schritt wird der gesamte Wafer mit einem anisotropen Ätzmittel, vorzugsweise Kaliumhydroxyd (KOH) geätzt. Dieser Schritt bildet sowohl einen Kondensatorspalt 28 zwischen dem beweglichen und dem feststehenden Element des Mikrofons 10 sowie ein Loch 30 unter der Membran 12.

Die Leistung des in 1 gezeigten Krag-Mikrofons 10 neigt zur Abweichung vom Optimum in zweierlei Hinsicht. Zuerst wegen den erwähnten Nachgiebigkeitseigenschaften von Kragmembranen gegenüber randgeklemmten Membranen, wobei der Kragaufbau, wie er in 1 gezeigt ist, tatsächlich so nachgiebig ist, dass er bei den höchsten Schalldrucken, die bei bestimmten Mikrofoneinsätzen auftreten, übersteuert. Zweitens möchte sich die Kragmembran von 1, die aus Dünnfilmmaterialen mit integrierter Schaltung, wie sie oben beschrieben sind, hergestellt sind, aufgrund der drei Quellen einer nicht freigegebenen Spannung kräuseln, nämlich (1) Spannungsgradient über der Dicke des Dünnfilms, der bei der Abscheidung zurückbleibt, (2) Differenzspannungen, die durch die Zugabe einer dünnen Chrom- oder anderen Metallisierung auf die Oberfläche der Membran verursacht wird, und (3) nicht freigegebene Filmspannungen an dem stationären Rand 12a, wo die Membran 12 verankert ist.

Um die Membrannachgiebigkeit an den gewünschten Druckbereich anzupassen, und um jeder Kräuselungstendenz der Membran 12 entgegenzuwirken, wurden die beiden nachstehend beschriebenen Konstruktionstypen entwickelt.

Ein Aufbau hat ein „Biegemoment", der seine Form auf seine Steifigkeit bezieht. Ein dickerer Film würde das Biegemoment erhöhen, jedoch auch die Membranmasse unerwünscht steigern und die Kräfte und Momente ebenfalls einfach zunehmen lassen, die die Kräuselungstendenz begünstigen. Die beiden nachstehend beschriebenen Konstruktionsweisen arbeiten durch Erhöhen des Biegemoments der Membran, ohne die Dicke des Films zu ändern.

Die erste Bauweise zur Steigerung des Biegemoments besteht darin, eine aus einer Einzelfilmschicht gebildete Membran zu wellen. Eine anfängliche Methode kann darin bestehen, vom Fuß des Kragarms zur Spitze Wellungen laufen zu lassen. Der Film hat jedoch die gleiche Tendenz zum Kräuseln quer über den Kragarm wie in seiner Längsrichtung, so dass ein Aufbau, der nur gerade Längswellungen hat, sich noch in der Querrichtung kräuseln kann. Deshalb muss eine kompliziertere Wellungsstruktur verwendet werden, die das Biegemoment um alle möglichen Querschnitte der Membran anhebt. Eine solche Wellungsstruktur ist in 1a gezeigt. Es sind viele andere Strukturen möglich. Unabhängig davon, welcher Abschnitt genommen wird, kreuzt er, wie in 1a offenbart ist, mehrere Wellungen.

Die Herstellung der Membran von 1a ist ähnlich der für die Membran von 1, ausgenommen die in den 6a und 6b, 7a, 8a, 9a und 9b gezeigten Schritte.

Gemäß 6a wurde die Opferschicht 24 zusätzlich so strukturiert, dass sie Wellungen 32 bildet.

Wie in 6b gezeigt ist, wird eine zweite Opferschicht 34 im Bereich von 1 bis 2 &mgr;m auf der ersten Opferschicht 24 abgeschieden und strukturiert. Diese zweite Opferschicht 34 ermöglicht die getrennte Steuerung der Abmessung des Kondensatorspalts 28 und der Höhe der Wellungen 32.

Gemäß 7a wird die Siliziumnitridmembranschicht 26, die gewöhnlich ein &mgr;m dick ist, abgeschieden und strukturiert. Dieser Schritt entspricht dem in 7 gezeigten mit Ausnahme des Vorhandenseins der Wellungen 32.

Gemäß 8a wird die Metallschicht, vorzugsweise Chrom, mit einer Dicke von etwa 0,01 &mgr;m auf der Siliziumnitridmembranschicht 26 abgeschieden und strukturiert, um die bewegliche Platte 14b zu bilden. Dieser Schritt ist ähnlich dem von 8 mit der Ausnahme des Vorhandenseins der Wellungen 32.

Obwohl es nicht speziell gezeigt ist, kann, wie bei der ersten Ausführungsform, eine Schicht aus einer Titan-Wolfram-Legierung gefolgt von einer Goldschicht abgeschieden und strukturiert werden, um Aluminiumanschlusskontakte irgendwo auf dem Wafer 16 zu schützen.

Der abschließende mikromaterialabhebende Schritt ist in 9a gezeigt. Bei diesem Schritt wird der gesamte Wafer 16 mit einem anisotropen Ätzmittel, vorzugsweise Kaliumhydroxyd (KOH), geätzt. Dieser Schritt bildet sowohl den Kondensatorspalt 28 zwischen den beweglichen und stationären Elementen des Mikrofons 10, als auch das Loch 30 unter der Membran 12. Dieser Schritt ist ähnlich dem in 9 gezeigten mit Ausnahme des Vorhandenseins der Wellungen 32.

Wenn tiefere Wellungen erforderlich sind, wird das Silizium vor dem Abscheiden und Strukturieren der Opferschichten grabengeätzt, um die gesamte Wellungsamplitude zu steigern.

Der Niederfrequenz-Abgleitpunkt eines Mikrofons wird durch den Kehrwert des Produkts der Rückvolumennachgiebigkeit in akustischen Farad und des akustischen Widerstands des Druckausgleichswegs in akustischen Ohm bestimmt. Der Ausgleichsweg bei dieser Vorrichtung befindet sich um die Ränder der Kragmembran herum und setzt sich durch das Loch in dem Siliziumsubstrat fort. Für die hier in Frage kommenden kleinen Mikrofone mit einem Rückvolumen in der Größenordnung von 2 bis 3 mm3 muss der akustische Widerstand dieses Wegs sehr hoch sein, in der Größenordnung von einer Million akustischen Ohms, um ein flaches Ansprechen nach unten unter 100 Hz aufrechtzuerhalten.

9b ist ein Schnitt von 1a längs der Linie 9b9b. Wie in 9b gezeigt ist, wird der hohe akustische Widerstand dadurch erhalten, dass eine Überlappung 12c der Membran 12 gebildet wird, die sich an dem Rand des Lochs 30 vorbei erstreckt. Diese Überlappung 12c bildet einen Druckausgleichsweg 36, der eine Länge „l" in der Größenordnung von 5 bis 10 &mgr;m und eine Spalthöhe „h" zwischen der Membran 12 und dem Wafer 16 von 1 bis 2 &mgr;m hat.

Die verschiedenen vertikalen Abmessungen, die für den Kondensatorspalt 28, die Wellungen 32 und den Druckausgleichsweg 36 erforderlich sind, können alle unter Verwendung der beiden unabhängig strukturierten Opferschichten verwirklicht werden. Als Beispiel kann unter Bezug auf 6b eine erste Opferschicht 24 von 3 &mgr;m Dicke so strukturiert werden, dass die Höhendifferenzen erzeugt werden, die für die Membranwellungen benötigt werden, während die zweite Opferschicht 34 mit 1 &mgr;m Dicke dazu verwendet wird, die Höhe „h" des Ausgleichswegs 36 einzustellen. Die zweite (1 &mgr;m) Opferschicht 34 wird auch so belassen, dass sie die gesamte Wellungsreliefstruktur so abdeckt, dass die Höhe der Wellungen 32 unverändert ist, jedoch zusammen mit den Opferschichten 24, 34 einen Kondensatorspalt 28 von 4 &mgr;m erzeugt. Wenn eine vollständig unabhängige Regulierung dieser drei Abmessungen (Wellungshöhe, Kondensatorspalt, Ausgleichsweghöhe) erwünscht ist, wird eine dritte Opferschicht (nicht gezeigt) benötigt.

Für alle Kondensatormikrofone gibt es eine Kombination von Schallpegel und Vorspannung, die zu einem irreversiblen Zusammenbruch der Membran auf ihrer Rückplatte führen. Die Position einer Membran in einem Zustand von Null Vorspannung/Null Schalldruck wird als unbelastete Position der Membran bezeichnet. Während bei typischen Anwendungen die Vorspannung gesteuert werden kann, ist es häufig schwierig, den maximalen Schalldruck zu steuern. Wenn eine Bewegung der Membran aus ihrer unbelasteten Position begrenzt wird und die richtige Vorspannung aufrechterhalten wird, kann dieser irreversible Zusammenbruch verhindert werden.

Bei den Mikrofonen nach der vorliegenden Erfindung dient die geringe Höhe „h" des Druckausgleichswegs 36 (siehe 9b) auch unter hohen Schalldrucken zur Begrenzung der Membranauslenkung auf etwa 1 &mgr;m, so dass die elektrostatischen Kräfte am Kondensator 14 nicht zu groß werden und einen irreversiblen Zusammenbruch der Membran 12 verursachen können.

Der Hauptteil der Fläche unter der Membran 12 bei den vorher beschriebenen Strukturen befindet sich direkt über dem Loch 30 des Substrats 16. Dies bedeutet, dass sich durch eine Bewegung der Membran 12 verschobene Luft frei ohne merklichen Widerstand bewegen kann. Im Bereich des Kondensators 14 jedoch ist die Luft in dem Kondensatorspalt 28 von 3 bis 4 &mgr;m zwischen der Membran und der Rückplatte eingeschlossen und muss seitlich strömen, bis die Luft eine Öffnung erreicht. Aufgrund der Viskosität der Luft und der kleinen Abmessung dieses Strömungswegs durch den Kondensatorspalt kann sich eine beträchtliche Dämpfung des Membranansprechvermögens einstellen. Diese Dämpfung kann sowohl das Hochfrequenzansprechvermögen beeinflussen, als auch dem Mikrofonausgangssignal ein Rauschen hinzufügen. Die übliche Methode, dies zu beseitigen, besteht darin, die Rückplatte zu perforieren. Da jedoch in diesem Fall die Rückplatte von massivem Silizium gebildet wird, wird das Dämpfungsproblem dadurch gelöst, dass Perforationen oder Löcher 38 vorgesehen werden, die sich durch die Membran 12 einschließlich der beweglichen Platte 14b erstrecken, wie es in 1 a gezeigt ist. Die Verwendung von Löchern hat ein zufrieden stellendes Ansprechen bis zu 50 kHz ergeben.

Ein zweiter Aufbau zur Erhöhung des Biegemoments besteht darin, die Membran 12 unter Verwendung einer Sandwichanordnung aus zwei punktförmig verbundenen Filmen herzustellen, die durch Opferdistanzstücke mit einer Dicke von 1 bis 2 &mgr;m getrennt sind. Die beiden Filme sind periodisch aneinander befestigt, wie in 10 gezeigt ist, um den Aufbau mit Punktverbindung zu bilden. Das Biegemoment wird nun auf eigentlich den gleichen Grad über allen Abschnitten erhöht mit Ausnahme einer leichten Abweichung bei den Querschnitten, die durch die Reihen der Befestigungspunkte gelegt sind. Diese Abweichung kann minimiert werden, indem das Verhältnis von Befestigungsgröße zu Befestigungsabstand klein gehalten wird.

Das Verfahren zur Herstellung dieser Membran ist ähnlich der oben unter Bezug auf 1a Offenbarten und wird speziell von 11 und 12 erläutert.

Bei diesem Verfahren wird nach dem Abscheiden und Strukturieren der ersten Opferschicht 24, die eine Dicke von 1 &mgr;m hat, eine erste Siliziumnitridmembranschicht 40 mit einer Dicke von 0,5 &mgr;m abgeschieden und strukturiert. Daraufhin wird eine zweite Opferschicht 34 (entsprechend der Schicht 34 der Ausführungsform von 1a, die eine Dicke von 3 &mgr;m hat) abgeschieden und strukturiert. Daraufhin wird eine zweite Siliziumnitridschicht 26 mit einer Dicke von 0,5 &mgr;m abgeschieden und strukturiert. Die Schicht 26 allein dient zum Erhalten der beweglichen Platte 14b des Kondensators 14.

Ein alternativer und bevorzugter Membranaufbau ist in 13 gezeigt. Dieser Aufbau hat eine kreisförmige Membran, die in der Mitte verankert ist. Der Vorteil dieser Form besteht darin, dass sie die beiden freien Seitenränder des linearen Kragarms beseitigt, wo ein seitliches Kräuseln äußerst schwierig zu unterdrücken ist. Der verbleibende einzige freie Rand ist der Kreisumfang. Bei einer gegebenen Membrangröße, Membranmaterial und Dicke liegt die Nachgiebigkeit des Aufbaus, wenn er flach innerhalb einer Abmessung gehalten wird, die gleich der Wellungsamplitude ist, zwischen der der randgehaltenen Membran und der des linearen Kragarms und beträgt das Fünffache des ersteren und etwa ein Zwanzigstel des letzteren. Die Kräuseltendenzen dieses Aufbaus liegen ebenfalls dazwischen. Die Nachgiebigkeit dieses Aufbaus kann auch auf den gewünschten Wert eingestellt werden, indem Wellungen mit geeigneter Amplitude eingeschlossen werden. Diese Wellungen können radial, kreisförmig (bevorzugt) oder tangential zu einem inneren Radius wie eine Windmühle sein. Kreisförmige Wellungen werden bevorzugt, da sie eingesetzt werden können, ohne durch den Verankerungsbereich unterbrochen zu werden.

Das Verfahren zum Aufbau der Ausführungsform von 13 ist ähnlich dem der Ausbildung und Ausführungsform von 1a mit Ausnahme des Schritts zur Bildung der Verankerung 60. 14 und 16 zeigen Querschnitte dieser Ausführungsform.

Die Verankerung 60 für die mittig gehaltene Kreismembran 12 fällt in die Mitte des Substratlochs 30. Deshalb müssen einige andere Einrichtungen für die Membranhalterung als die umgebende Substratfläche vorgesehen werden, um die Verankerung mit dem umgebenden Substrat zu verbinden.

Das bevorzugte Verfahren besteht darin, eine abgeschiedene Kombination eines LOCOS-Nitridfilms 18c auf der Vorderseite des Wafers 16 (die bei der linearen Kragstruktur entfernt worden ist) und das Passivierungsnitrid 22 so zu strukturieren, dass ein gespannter, perforierter dünner Filmaufbau oder eine Bahn 62 quer über dem Substratloch 30 gebildet und die Membran 12 an der Bahn 62 an der Verankerung 60 befestigt wird. Wie oben in Verbindung mit dem Kragaufbau von 1 beschrieben wurde, wird ein aktiver Bereich während der CMOS-Behandlung gebildet, wo sich die Membran und das Substratloch befinden. In diesem Fall jedoch verbleibt die LPCVD-Siliziumnitridschicht 18c, die gewöhnlich zur Bildung der aktiven Bereiche in einem LOCOS-Prozess durch Blockieren des Wachstums des Feldoxyds verwendet wird, an Ort und Stelle über dem Bereich, wo sich die Membran 12 und das Substratloch 30 befinden. Bei einem herkömmlichen LOCOS-Prozess wird diese Nitridschicht vollständig abgestreift, nachdem sie den Feldoxydationsschritt maskiert. Das Siliziumnitrid ist typischerweise hoch streckbar, was für das Spannen des Endaufbaus von Nutzen ist. Innerhalb des aktiven Bereichs wird das CMOS-Niedertemperaturoxyd 20 wie vorher entfernt, um das Siliziumnitrid 18c freizulegen. Die Siliziumpassivierung 22 wird auf dem Wafer 16 abgeschieden und durch Ätzen strukturiert. Bei dem Ätzschritt wird jedoch die Ätzzeit so ausgedehnt, dass das darunter liegende LOCOS-Nitrid 18c ebenfalls geätzt wird und die gleiche Struktur wie die Siliziumnitridpassivierung 22 annimmt, wodurch die Bahn 62, wie in 13a gezeigt, gebildet wird. Wenn der Wafer 16 in KOH am Ende des Prozesses geätzt wird, bildet die auf die Vorderseite des Wafers 16 wirkende Siliziumätzmasse abschließend Taschen 66. Die Taschen 66 beginnen an den acht Öffnungen 66a in der Bahn 62 und dehnen sich seitlich aus, bis eine begrenzende rechteckige Grenze 66b erreicht wird. Wie für ein anisotropes Ätzmittel zu erwarten ist, ist diese Grenze das größte Rechteck, das die ursprünglichen Ätzöffnungen umschreibt, und das zu den (111)-Kristallebenen des Substrats 16 ausgerichtet ist. Im vorliegenden Fall hinterschneidet die Erstreckung dieser seitlichen Ätzung die Bahn 62 so, dass ein großer Bereich der Bahn 62 freistehend wird. Es gibt jedoch vier dünne Siliziumrippen 68, jeweils eine zwischen jeder der Taschen 66b, die sich zwischen der Verankerung 60 und dem Substrat 16 erstrecken. Die Steifigkeit dieses Aufbaus wird dann sowohl von den Rippen 68 als auch von der Spannung in den Filmen 18c, 22 abgeleitet, aus denen der Aufbau besteht. Die Strukturierung der Filme 18c, 22 erfolgt derart, dass eine ausreichende Gesamtfläche der Bahn 62 eingeschlossen ist, die an dem umgebenden Substrat befestigt ist, um eine steife Halterung zu bilden, jedoch auch um eine ausreichende Anzahl von Öffnungen einzuschließen, damit der Widerstand des in das Loch 30 verdrängten Luftstroms minimiert wird. Wenn die Siliziumnitridpassivierungsschicht 22 in einem dehnbaren Zustand beim Abscheiden zur Verfügung steht, besteht die bevorzugte Ausgestaltung darin, dass LOCOS-Nitrid 18c auszulassen und die Siliziumnitridpassivierungsschicht 22 allein zu verwenden, um so den Prozessstrom dem eines herkömmlichen CMOS-Prozesses anzunähern. Das Loch 30 wird durch die gleichzeitige Taschenätzung aus der Vorderseite des Wafers 16 und die Rückseitenätzung durch die Öffnungen in dem LOCOS-Nitrid 18b gebildet.

Bei dieser Membrankonstruktion mit kreisförmig abgestützter Mitte ist die Nachgiebigkeit des kapazitiven Bereichs ein Ergebnis der Summe der Nachgiebigkeiten der Membran 12 und der Rückplattenbahn 62.

Um eine größere Nachgiebigkeit zu erreichen, können die Rippen 68 beseitigt werden, indem die Ätzzeit der abschließenden Mikrospannung verlängert wird. Tatsächlich kann die gesamte Nachgiebigkeit durch die Rückplattenbahn 62 erhalten werden, während die Membran 12 sehr steif sein kann.

Ein Vorteil der Siliziumzentrumsabstützung für eine kreisförmige Membran besteht darin, dass sie eine sehr flache und stabile Abstützung für die Membran ist. Die Siliziumzentrumsabstützung ist auch stärker von durch Packung erzeugte Spannungen isoliert als der gespannte Dünnfilmtragaufbau. Da die Abstützung durch die Siliziummasse erfolgt, ist jede Reaktion gegenüber nicht freigegebenen Filmspannungen an der Membran Befestigung verglichen mit dem gespannten Dünnfilmhalteaufbau vernachlässigbar.

Das bevorzugte Verfahren der Substratätzung (anisotopes Ätzen) erzeugt ein quadratisches Loch. Der Umfang der runden Membran muss entweder wesentliche Bereiche der umgebenden Substratoberfläche überlappen oder die Ecken des Substratlochs unbedeckt lassen, was von den relativen Größen abhängt, die für die Membran und das Substratloch gewählt werden. Im ersteren Fall ist ein wesentlicher Luftbereich zwischen der Membran und dem Substrat eingeschlossen, was Membranperforationen erforderlich macht, wie vorstehend beschrieben, um eine viskose Dämpfung aufgrund des Stroms von verdrängter Luft zu vermeiden. Im letzteren Fall werden große Leckstrombereiche an den Ecken des Substratlochs erzeugt, die beseitigt werden können, wenn der gespannte Film, der in Verbindung mit dem oben erwähnten Membranhalteverfahren verwendet wird, (vorzugsweise Siliziumnitridpassivierung) ausgedehnt wird, um die Ecken des Lochs zu füllen. Dadurch wird ein Bereich einer schmalspaltigen Überlappung zwischen Membran und Substrat erzeugt, wie es erforderlich ist, um den Leckstrom durch den barometrischen Freigabeweg zu steuern. Freie Ränder an dem hinzugefügten gespannten Film in den Lochecken führt etwas zum Kräuseln, was die Steuerung des schmalen Spaltes in dem barometrischen Freigabeweg verringert. Bei der bevorzugten Konstruktion sind wenige zusätzliche Streifen 62a von gespanntem Film eingeschlossen, die die freien Ränder der Eckfilmbereiche glätten, indem sie diese zu dem Zentrum der Vorrichtung ziehen.

Der Kondensator ist in die Vorrichtung in der Nähe des Rands der Membran eingeschlossen, weil die maximale Amplitude der Druck aktivierten Bewegung dort auftritt. Die Membranelektrode wird durch Metallisieren des Kondensatorbereichs der Membran gebildet. Der Aufbau der Rückplatte hängt von der für die Membran gewählten Größe ab. Für eine große Membran, die die Feststoffsubstratoberflächen überlappt, die das Substratloch umgeben, wird die Rückplattenelektrode durch Metallisieren der Oberfläche des passivierungsbeschichteten Substrats gebildet.

Für eine kleinere Membran, wie sie in 13d gezeigt ist, bei welcher Bereiche mit gespanntem Film schon die Ecken des Substratlochs, wie oben beschrieben, ausfüllen müssen, wird die Rückplatte dadurch gebildet, dass diese Bereiche des gespannten Films einfach weiter verlängert werden und einen frei stehenden Rückplattenfilmaufbau bilden, der unter dem metallisierten Umfangsbereich der Membran liegt. Diese zusätzlichen Bereiche aus gespanntem Film werden dann ebenfalls metallisiert, um die Rückplattenelektrode 14a zu bilden. Die Spannung der Rückplattenmetallisierung kann ausgewählt werden, um die Nettospannung an dem Filmaufbau zu steigern. Auf jeden Fall muss die Nettospannung des metallisierten Rückplattenfilms dehnbar sein. Die zwischen der Membran und der Rückplatte eingeschlossene Luft muss wiederum geeignet entlüftet werden, um eine viskose Dämpfung zu vermeiden. In diesem Fall besteht der bevorzugte Weg darin, den Rückplattenfilm anstelle der Membran zu perforieren, da der Rückplattenaufbau eine geringere Tendenz zum Kräuseln hat, wenn er perforiert ist. Die Rückplattenperforationen 72 können die Form entweder von Löchern oder von Schlitzen haben. Typische Parameter für die Lochperforation sind ein Lochdurchmesser von 5 &mgr;m und ein Lochabstand von 10 &mgr;m. Typische Parameter für eine Schlitzperforierung sind ein Schlitz von 14 &mgr;m bei einem Abstand von 24 &mgr;m. Im Falle der Schlitzentlüftung nimmt das verbleibende Rückplattenmaterial einen bahnartigen Charakter an. Die Schnittwinkel und Breiten der linearen Elemente eines solchen Rückplattenaufbaus müssen so gewählt werden, dass die Spannkräfte in dem Aufbau im Gleichgewicht sind, da es zuerst strukturiert wird und die Spannkräfte nicht neu verteilt werden, wenn der Rückplattenaufbau entspannt wird.

Der elektrische Anschluss an die metallisierte Membran 14a kann durch den Zentrumspfosten oder vorzugsweise an einem dünnen Nitridleiter zur Befestigung am Rand der Membran ausgeführt werden. Wie in 13 gezeigt ist, ergibt dies ein Minimum einer zusätzlichen parasitären Kapazität.

Ein Problem, das entsteht, wenn eine gegebene Membranwellungsauslegung und eine Rückplattenperforationsstrukturierung kombiniert werden, besteht darin, dass einige niedrige Bereich der Wellungsstruktur sich über ein Rückplattenfilmmaterial erstrecken. Dies erzeugt Bereiche, in denen der Luftspalt in der Größenordnung von 1 &mgr;m anstatt der ansonsten vorhandenen Abmessung von 4 &mgr;m liegt. Da, wie oben erwähnt, die viskose Dämpfung eine Bemessung als Kehrwert der dritten Potenz des Luftspalts bewirkt, nimmt die mechanische Dämpfung über 50 mal schneller pro Flächeneinheit an diesen Stellen als bei dem übrigen Aufbau zu.

Es werden hier zwei Verfahren angegeben, um dies zu vermeiden. Das erste besteht darin, die Membran an solchen Stellen zu perforieren, wie oben erörtert. Wenn diese Stellen nicht zu zahlreich sind, wird die Wellung der Membran nicht genügend umgeworfen, um die Nachgiebigkeit oder die Kräuselungsunterdrückung der Membran merklich zu verändern.

Das zweite Verfahren zum Vermeiden dieses Dämpfungsbeitrags besteht darin, insgesamt Wellungs-Rückplatten-Kreuzungen zu vermeiden. Die 16, 16a, 16b und 16c zeigen einen solchen Aufbau. Diese Methode verwendet eine insgesamt radiale Anordnung von Wellungen und eine dazu passende radiale Anordnung von Streifen 62a der Bahn 62. Alle Bahnstreifen 62 fallen unter hohe Bereiche der Membranwellungsstruktur mit Ausnahme des Ausgleichswegs 36 am Umfang, wo die Höhe „h" des Ausgleichswegs 36 reduziert ist, und ausgenommen in der Nähe des zentralen Membranverankerungsbereichs, wo eine äußerst geringe Membranauslenkung vorliegt. Dieser Aufbau zeigt auch das dritte Wellungsschema, das oben erwähnt ist und eine Mischung des radialen und des kreisförmigen Verfahrens darstellt. Wie in 16a gezeigt ist, sind die Wellungen tangential zu einem inneren Radius angeordnet, was sie nahezu radial am Rand der Membran macht, wobei sie jedoch zu einer kreisförmigen Wellung in der Nähe des Zentrums konvergieren. Wenn diese Anordnung der Membranwellungen an Streifen eines gespannten Films angepasst wird, wird eine Bahn gebildet, die den Rückplattenaufbau bildet und die Siliziumlochätzung zur Bildung der Siliziumrippen und einen vergrößerten zentralen Membranabstützbereich, wie oben beschrieben, maskiert. Die Siliziumrippen unter der Bahn geben dem Aufbau Steifigkeit. Die konvergierten Membranwellungen verankern an diesem zentralen Abstützbereich.

Die rechteckigen und kreisförmigen Kragarme haben beide eine natürliche Bewegungsunterbrechung in einer Richtung, wenn der Aufbau einen Überdruck erfährt (insbesondere der schmalspaltige barometrische Freigabeweg und die kleinen beabsichtigten Kreuzungen von Wellungströgen und dem Rückplattenfilm). Um Unterbrechungen in der anderen Richtung zu vermeiden, werden Inseln 73 von Passivierungsnitrid 22 unter Verwendung von CMOS-Metall 74 als Opferschicht erzeugt. An dem Rand der Membran ist ein Ende 73a befestigt, während das andere Ende 73b unter einem Überhang von Membrannitrid außerhalb des Arbeitsbereichs eingeschlossen ist. 17 zeigt diesen Druckunterbrechungsaufbau.

Die Wiederholbarkeit des Spalts ist ein wesentlicher Punkt bei Siliziummikrofonen. Ein Betriebsmodus besteht darin, eine Vorspannung bereitzustellen, die hoch genug ist, um die Membran dazu zu bringen, in Kontakt mit der Rückplatte an dem äußeren Rand zu kommen. Dies bildet einen äußerst gut wiederholbaren Spalt und es besteht genügend Nachgiebigkeit, um eins gute Empfindlichkeit zu geben.

Natürlich kann die Erfindung in anderen speziellen Formen ausgestaltet werden, ohne den Rahmen der Erfindung, wie sie beansprucht ist, zu verlassen. Die angegebenen Beispiele und Ausführungsformen sind deshalb nur als erläuternd und nicht als beschränkend anzusehen, und die Erfindung ist nicht auf die darin aufgeführten Einzelheiten beschränkt.


Anspruch[de]
  1. Halbleiter-Kondensatormikrophon

    – mit einem Halbleitersubstrat (16), das eine Traganordnung (11) bildet und eine Öffnung (30) aufweist,

    – mit einem Dünnfilm-Kragaufbau, der eine Membran (12) bildet, die auf einen fluidübertragenen Schalldruck anspricht und sich über einen Teil der Öffnung erstreckt, wobei der Kragaufbau ein proximales Ende (12a) und ein distales Ende (12b) hat, das proximale Ende an dem Kragaufbau befestigt ist und das distale Ende von einem Teil des Kragaufbaus gelöst ist und sich über diesen Teil erstreckt, und

    – mit einem Kondensator (14) mit variablem Spalt, der eine bewegliche Platte (14a) und eine stationäre Platte (14b) aufweist, wobei die bewegliche Platte an dem distalen Ende des Kragaufbaus und die stationäre Platte an der Traganordnung angrenzend an die bewegliche Platte angeordnet ist, und wobei das Kondensatormikrophon ein zur Position der beweglichen Platte bezüglich der stationären Platte proportionales Ausgangssignal erzeugt.
  2. Mikrophon nach Anspruch 1, bei welchem das Halbleitersubstrat aus Silizium besteht.
  3. Mikrophon nach Anspruch 1, bei welchem das proximale Ende des Kragaufbaus sich längs eines Randes der Öffnung befindet.
  4. Mikrophon nach Anspruch 3, bei welchem der Kragaufbau insgesamt die Form eines Rechtecks hat.
  5. Mikrophon nach Anspruch 1, bei welchem die Membran insgesamt die Form eines Kreises hat.
  6. Mikrophon nach Anspruch 1, bei welchem der Kragaufbau von Mehrfach-Dünnfilmschichten gebildet wird.
  7. Mikrophon nach Anspruch 6, bei welchem die Mehrfach-Dünnfilmschichten durchgenäht sind.
  8. Mikrophon nach Anspruch 1, bei welchem die Membran Einrichtungen aufweist, die einen Druckausgleichsweg bilden, der sich über einen Teil der Traganordnung erstreckt, um den Luftstrom zwischen gegenüberliegenden Seiten der Membran einzuschränken.
  9. Mikrophon nach Anspruch 1, mit Einrichtungen zum Begrenzen der Bewegung der Membran von der Traganordnung weg.
  10. Mikrophon nach Anspruch 9, bei welchem die Einrichtungen zum Begrenzen der Bewegung Einrichtungen aufweisen, die sich über das distale Ende der Membran erstrecken.
  11. Mikrophon nach Anspruch 1, bei welchem das distale Ende der Membran eine Entlüftung hat.
  12. Mikrophon nach Anspruch 11, bei welchem die Entlüftung eine Vielzahl von Löchern aufweist, die sich durch das distale Ende erstrecken.
  13. Mikrophon nach Anspruch 1, bei welchem der Kragaufbau gewellt ist.
  14. Mikrophon nach Anspruch 13, bei welchem die Wellungen konzentrische Kreise bilden.
  15. Mikrophon nach Anspruch 13, bei welchem die Wellungen insgesamt radiale Verläufe bilden.
  16. Mikrophon nach Anspruch 13, bei welchem die Wellungen insgesamt tangentiale Verläufe bilden.
Es folgen 13 Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com