DE102009000053A1

DE102009000053A1 - Component with a micromechanical microphone structure

Info

Publication number: DE102009000053A1
Application number: DE200910000053
Authority: DE
Inventors: Jochen Reinmuth
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-01-07
Filing date: 2009-01-07
Publication date: 2010-07-08
Also published as: EP2207364B1; EP2207364A1

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Bauelement mit einer sehr platzsparenden mikromechanischen Mikrofonstruktur mit einer Messkapazität und einer weiteren Kapazität vorgeschlagen, die im Verhältnis zu ihrer geringen Baugröße eine hohe Empfindlichkeit aufweist. Die mikromechanische Mikrofonstruktur dieses Bauelements (10) umfasst eine durch den Schalldruck auslenkbare erste Membran (11), die als auslenkbare Elektrode fungiert, ein feststehendes akustisch durchlässiges Gegenelement (13), das als Gegenelektrode fungiert, und eine weitere Kapazität zur Auswertung der Kapazitätsänderungen zwischen der ersten auslenkbaren Elektrode (11) und der Gegenelektrode (13). Erfindungsgemäß ist das feststehende Gegenelement (13) zwischen der auslenkbaren ersten Membran (1) und einer zweiten Membran (12) angeordnet und fungiert auch als Elektrode der weiteren Kapazität, während die zweite Membran (12) die zweite Elektrode der weiteren Kapazität bildet.The present invention proposes a component with a very space-saving micromechanical microphone structure with a measuring capacity and a further capacitance, which has a high sensitivity in relation to its small size. The micromechanical microphone structure of this component (10) comprises a deflectable by the sound pressure first membrane (11), which acts as a deflectable electrode, a fixed acoustically permeable counter element (13), which acts as a counter electrode, and a further capacitance for evaluating the capacitance changes between the first deflectable electrode (11) and the counter electrode (13). According to the invention, the fixed counter element (13) is arranged between the deflectable first membrane (1) and a second membrane (12) and also functions as an electrode of the further capacitance, while the second membrane (12) forms the second electrode of the further capacitance.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Bauelement mit einer mikromechanischen Mikrofonstruktur, mindestens umfassend eine durch den Schalldruck auslenkbare erste Membran, die als auslenkbare Elektrode fungiert, ein feststehendes akustisch durchlässiges Gegenelement, das als Gegenelektrode fungiert, und eine weitere Kapazität zur Auswertung der Kapazitätsänderungen zwischen der ersten auslenkbaren Elektrode und der Gegenelektrode.The The invention relates to a component having a micromechanical microphone structure, at least comprising a first deflectable by the sound pressure Membrane, which acts as a deflectable electrode, a fixed acoustically permeable counter element, which acts as a counter electrode, and another capacity for evaluation the capacity changes between the first deflectable electrode and the counter electrode.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauelements.The The invention further relates to a method for producing such Component.

Bei den aus der Praxis bekannten MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System)-Mikrofonen wird der Schalldruck meist in Form einer Kapazitätsänderung zwischen einer akustisch aktiven Membran und einer weitgehend starren Gegenelektrode erfasst. Ein Auswertekonzept für diese Art von Mikrofonen, bei dem die Kapazitätsänderung mit relativ geringer Spannung zwischen der Membran und der Gegenelektrode bestimmt werden kann, beruht auf einem Vergleich der Kapazitätsänderung mit einer festen Referenzkapazität. Vorteilhafterweise befindet sich diese Referenzkapazität auf demselben Bauteil wie die Messkapazität.at the known from practice MEMS (micro-electro-mechanical system) microphones is the sound pressure usually in the form of a capacity change between an acoustically active membrane and a substantially rigid counterelectrode detected. An evaluation concept for this type of microphones, where the capacity change with relatively less Voltage between the membrane and the counter electrode can be determined can, is based on a comparison of the capacity change with a fixed reference capacity. advantageously, this reference capacity is on the same component as the measuring capacity.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine sehr platzsparende mikromechanische Mikrofonstruktur mit einer Messkapazität und einer Referenzkapazität vorge schlagen, die im Verhältnis zu ihrer geringen Baugröße eine hohe Empfindlichkeit aufweist.With The present invention is a very space-saving micromechanical Microphone structure with a measuring capacity and a reference capacity, the in proportion to its small size one high sensitivity.

Dazu ist das feststehende Gegenelement zwischen der auslenkbaren ersten Membran und einer zweiten Membran angeordnet. Das feststehende Gegenelement fungiert erfindungsgemäß nicht nur als Gegenelektrode für die auslenkbare erste Membran sondern bildet auch eine Elektrode der weiteren Kapazität, während die zweite Membran die zweite Elektrode dieser weiteren Kapazität bildet.To is the fixed counter element between the deflectable first Membrane and a second membrane arranged. The fixed counter element does not function according to the invention only as counter electrode for the deflectable first membrane but also forms an electrode the further capacity, while the second membrane forms the second electrode of this further capacitance.

Erfindungsgemäß werden die Messkapazität und die weitere Kapazität demnach übereinander, mit einer gemeinsamen Mittelelektrode realisiert. Diese Elektrodenanordnung ist nicht nur sehr platzsparend, sondern ermöglicht auch unterschiedliche Auswertekonzepte, je nach dem, ob es sich bei der weiteren Kapazität um eine konstante Referenzkapazität oder eine vom Schalldruck abhängige Kapazität handeln soll.According to the invention the measuring capacity and the more capacity therefore one above the other, realized with a common center electrode. This electrode arrangement is not only very space-saving, but also allows different Evaluation concepts, depending on whether the additional capacity is one constant reference capacity or one dependent on the sound pressure capacity should act.

In einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelements sind das feststehende Gegenelement und die zweite Membran mechanisch gekoppelt aber gegeneinander elektrisch isoliert, so dass sie eine konstante Referenzkapazität bilden. Die Referenzkapazität verbraucht hier also keine zusätzliche Bauteiloberfläche sondern ist innerhalb der aktiven Mikrofonfläche angeordnet. Bei dieser Variante kann einfach das aus dem Stand der Technik bekannte Auswertekonzept angewendet werden.In a first embodiment of the device according to the invention the fixed counter element and the second diaphragm are mechanically coupled but electrically insulated against each other so that they are a constant reference capacity form. The reference capacity does not consume any extra here component surface but is located within the active microphone surface. At this Variant can simply be known from the prior art evaluation concept be applied.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn sich auch die weitere Kapazität unter Einwirkung des Schalldrucks verändert, d. h. wenn auch die zweite Membran unter Einwirkung des Schalldrucks ausgelenkt wird. Da das Gegenelement erfindungsgemäß zwischen den beiden Membranen angeordnet ist und eine feststehende Elektrode sowohl für die Messkapazität als auch für die weitere Kapazität bildet, verändern sich die Messkapazität und die weitere Kapazität bei gleichsinniger Auslenkung der beiden Membranen gegenläufig. In diesem Fall kann das Messsignal einfach durch Verknüpfung der beiden Kapazitäten verstärkt werden, um die Mikrofonempfindlichkeit zu erhöhen.From It is particularly advantageous if the further capacity is under Changed the effect of the sound pressure, d. H. although the second membrane under the action of sound pressure is deflected. Since the counter element according to the invention between the two membranes is arranged and a fixed electrode as well as the measuring capacity as well as for the more capacity forms, change the measuring capacity and the more capacity in the same direction deflection of the two membranes in opposite directions. In In this case, the measurement signal can be simply by linking the both capacities reinforced to increase the microphone sensitivity.

Eine Möglichkeit zur Realisierung einer solchen schalldruckabhängigen weiteren Kapazität besteht darin, die beiden Membranen des erfindungsgemäßen Bau elements mechanisch zu koppeln und gegeneinander elektrisch zu isolieren. In diesem Fall ist es ausreichend, wenn im wesentlichen nur eine der beiden Membranen akustisch aktiv ist, da der Schalldruck über die mechanische Kopplung direkt auf die andere Membran übertragen wird.A possibility to realize such a sound pressure-dependent further capacity therein, the two membranes of the construction element according to the invention mechanically to couple and electrically isolate against each other. In this Case, it is sufficient if essentially only one of the two Membranes is acoustically active, as the sound pressure over the mechanical coupling transferred directly to the other membrane becomes.

Eine mechanische Kopplung ist dann nicht erforderlich, wenn beide Membranen des Bauelements akustisch aktiv sind. In diesem Fall ist es von Vorteil, wenn die beiden Membranen in zueinander versetzten Teilbereichen akustisch aktiv und akustisch durchlässig ausgebildet sind, um Wechselwirkungen zu vermeiden.A Mechanical coupling is not required if both membranes of the device are acoustically active. In this case, it is beneficial if the two membranes in mutually offset portions are acoustically active and acoustically permeable to interactions to avoid.

Vorteilhafterweise sind die dem Gegenelement zugewandten Membranoberflächen und/oder die Oberflächen des Gegenelements mit einer dielektrischen Beschichtung versehen, um einen Kurzschluss der Messkapazität und/oder der Referenzkapazität in Überlastsituationen zu vermeiden.advantageously, are the counter-element facing membrane surfaces and / or the surfaces of the counter element provided with a dielectric coating, a short circuit of the measuring capacitance and / or the reference capacitance in overload situations to avoid.

Des Weiteren kann die Mikrofonstruktur einen Überlastschutz in Form von Anschlägen umfassen, die in der dem Gegenelement zugewandten Oberfläche einer auslenkbaren Membran und/oder in der einer auslenkbaren Membran zugewandten Oberfläche des Gegenelements ausgebildet sind.Of Furthermore, the microphone structure may comprise an overload protection in the form of stops, in the counterelement facing surface of a deflectable membrane and / or in the surface of the deflectable membrane facing the Counterelement are formed.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem unabhängigen Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung. Anhand der Figuren wird auch das beanspruchte Herstellungsverfahren näher erläutert.As already discussed above, there are various ways of embodying and developing the teaching of the present invention in an advantageous manner. For this purpose, reference is made, on the one hand, to the claims subordinate to independent claim 1 and, on the other hand, to the following description of several embodiments of the invention. The claimed production method will also be explained in more detail with reference to the figures.

1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Bauelements 10 mit zwei akustisch aktiven Membranen, 1 shows a schematic sectional view of a device according to the invention 10 with two acoustically active membranes,

2a bis 2j veranschaulichen die einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung des Bauelements 10 anhand von schematischen Schnittdarstellungen, 2a to 2y illustrate the individual process steps for the production of the device 10 using schematic sectional views,

3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Variante des Bauelements 10, und 3 shows a schematic sectional view of a variant of the device 10 , and

4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Variante eines erfindungsgemäßen Bauelements 40. 4 shows a schematic sectional view of a second variant of a device according to the invention 40 ,

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Das in 1 dargestellte Bauelement 10 umfasst eine mikromechanische Mikrofonstruktur, die in einem Schichtaufbau über einem Substrat 1 ausgebildet ist. Diese Mikrofonstruktur besteht im Wesentlichen aus zwei übereinander angeordneten Membranen 11 und 12, zwischen denen ein feststehendes Gegenelement 13 angeordnet ist. Die Membran 11 ist über Isolationsschichten 2 und 4 einerseits gegen das Substrat 1 und andererseits gegen das Gegenelement 13 elektrisch isoliert. Eine weitere Isolationsschicht 6 des Schichtaufbaus dient der elektrischen Isolation zwischen dem Gegenelement 13 und der Membran 12. Die beiden Membranen 11 und 12 sowie das Gegenelement 13 bestehen zumindest bereichsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie z. B. einem entsprechend dotierten Polysilizium. Auf diese Weise bildet die Membran 11 zusammen mit dem Gegenelement 13 eine erste Kapazität, während die Membran 12 zusammen mit dem Gegenelement 13 eine zweite Kapazität bildet.This in 1 illustrated component 10 comprises a micromechanical microphone structure, which in a layer structure over a substrate 1 is trained. This microphone structure consists essentially of two membranes arranged one above the other 11 and 12 , between which a fixed counter element 13 is arranged. The membrane 11 is over insulation layers 2 and 4 on the one hand against the substrate 1 and on the other hand against the counter element 13 electrically isolated. Another insulation layer 6 the layer structure is used for electrical insulation between the counter element 13 and the membrane 12 , The two membranes 11 and 12 as well as the counter element 13 consist at least partially of an electrically conductive material such. B. a correspondingly doped polysilicon. In this way, the membrane forms 11 together with the counter element 13 a first capacity while the membrane 12 together with the counter element 13 forms a second capacity.

Das Gegenelement 13 ist deutlich dicker als die beiden Membranen 11 und 12 und damit im Wesentlichen starr. Außerdem sind im Gegenelement 13 Durchgangsöffnungen 131, 132 ausgebildet, so dass das Gegenelement 13 akustisch durchlässig ist. Im Gegensatz dazu sind beide Membranen 11 und 12 im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel akustisch aktiv. Sie werden unabhängig voneinander durch den Schalldruck ausgelenkt, der von der Bauteiloberseite ausgehend auf die Membran 12 einwirkt und über eine Schallöffnung 14 in der Bauteilrückseite auf die Membran 11 einwirkt. Im Mittelbereich der Membran 11 sind Durchgangsöffnungen 111 ausgebildet, so dass die Membran 11 im Wesentlichen nur im geschlossenen Randbereich akustisch aktiv ist. Im Unterschied dazu ist dieser Randbereich der Membran 12 mit Durchgangsöffnungen 121 versehen, so dass die Membran 12 im Wesentlichen nur im geschlossenen Mittelbereich akustisch aktiv ist. Diese versetzte Anordnung der Durchgangsöffnungen 111 und 121 bzw. der akustisch aktiven Bereiche der Membranen 11 und 12 dient der Vermeidung von Wechselwirkungen zwischen den beiden Membranen 11 und 12. Aufgrund der Durchgangsöffnungen 111, 121 und 131, 132 in den Membranen 11 und 12 sowie im Gegenelement 13 bewirkt der Schalldruck eine gleichsinnige Auslenkung der beiden Membranen 11 und 12. Da das Gegenelement 13 sandwichartigen zwischen den beiden Membranen 11 und 12 angeordnet ist, ändern sich die erste und zweite Kapazität gegensinnig. Die Auswertung erfolgt hier durch Differenzbildung zwischen der ersten und zweiten KapazitätThe counter element 13 is significantly thicker than the two membranes 11 and 12 and thus essentially rigid. In addition, in the counter element 13 Through openings 131 . 132 formed, so that the counter element 13 is acoustically permeable. In contrast, both membranes are 11 and 12 acoustically active in the embodiment described here. They are independently deflected by the sound pressure, which starts from the top of the component on the membrane 12 acts and has a sound opening 14 in the back of the component on the membrane 11 acts. In the middle region of the membrane 11 are through holes 111 formed, so that the membrane 11 essentially only acoustically active in the closed edge area. In contrast, this edge region of the membrane 12 with passage openings 121 provided so that the membrane 12 essentially only acoustically active in the closed center area. This staggered arrangement of the passage openings 111 and 121 or the acoustically active regions of the membranes 11 and 12 serves to avoid interactions between the two membranes 11 and 12 , Due to the passage openings 111 . 121 and 131 . 132 in the membranes 11 and 12 as well as in the counter element 13 causes the sound pressure in the same direction deflection of the two membranes 11 and 12 , Because the counter element 13 Sandwich-like between the two membranes 11 and 12 is arranged, the first and second capacitance change in opposite directions. The evaluation takes place here by difference formation between the first and second capacity

Die Herstellung des in 1 dargestellten Bauelements 10 wird nachfolgend anhand der 2a bis 2j erläutert.The production of in 1 illustrated component 10 is described below on the basis of 2a to 2y explained.

Wie bereits erwähnt, geht das Herstellungsverfahren von einem Substrat 1, wie z. B. einem Siliziumwafer, aus. Auf diesem Substrat wird zunächst eine erste Opferschicht 2 abgeschieden und strukturiert. 2a zeigt den Schichtaufbau nach der Strukturierung der ersten Opferschicht 2, bei der Öffnungen 21 erzeugt wurden, die mit den zu erzeugenden Durchgangsöffnungen 111 in der ersten Membran 11 kommunizieren. Die erste Opferschicht 2 fungiert im Rahmen des Bauelements 10 auch als erste Isolationsschicht 2. Typischerweise handelt es sich dabei um ein thermisches Oxid oder ein TEOS-Oxid.As already mentioned, the manufacturing process is based on a substrate 1 , such as As a silicon wafer from. On this substrate, first, a first sacrificial layer 2 isolated and structured. 2a shows the layer structure after the structuring of the first sacrificial layer 2 at the openings 21 were generated, with the through holes to be generated 111 in the first membrane 11 communicate. The first sacrificial layer 2 acts within the scope of the device 10 also as the first insulation layer 2 , Typically, this is a thermal oxide or a TEOS oxide.

Auf der strukturierten ersten Opferschicht 2 wird nun eine erste Membranschicht 3 in Form einer Polysiliziumschicht abgeschieden und dotiert. 2b zeigt den Schichtaufbau, nach der Strukturierung der Membranschicht 3, bei der nicht nur die Durchgangsöffnungen 111 erzeugt wurden sondern auch eine Federaufhängung 31 für die Membran 11 ausgebildet wurde, um Membranauslenkungen zu begünstigen.On the structured first sacrificial layer 2 now becomes a first membrane layer 3 deposited and doped in the form of a polysilicon layer. 2 B shows the layer structure after the structuring of the membrane layer 3 in which not only the passage openings 111 were generated but also a spring suspension 31 for the membrane 11 was designed to favor membrane deflections.

Darüber wird eine zweite Opferschicht 4 abgeschieden und strukturiert. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wurden dabei Öffnungen 41 erzeugt, die mit den Durchgangsöffnungen 111 in der ersten Membranschicht 3 kommunizieren. Des Weiteren wurde eine Öffnung 42 erzeugt, die für die Realisierung der elektrischen Kontakte der einzelnen Kondensatorelektroden des Bauelements 10 benötigt wird. Diese Situation ist in 2c dargestellt. Da auch die zweite Opferschicht 4 im Rahmen des Bauelements 10 als Isolationsschicht fungiert, kann diese – wie schon die erste Opferschicht 2 – durch ein thermisches Oxid oder ein TEOS-Oxid gebildet werden.It becomes a second sacrificial layer 4 isolated and structured. In the embodiment described here were openings 41 generated with the through holes 111 in the first membrane layer 3 communicate. Furthermore, an opening 42 generated for the realization of the electrical contacts of the individual capacitor electrodes of the device 10 is needed. This situation is in 2c shown. Because also the second sacrificial layer 4 in the context of the component 10 acts as an insulating layer, this can - like the first sacrificial layer 2 - Be formed by a thermal oxide or a TEOS oxide.

Auf die zweite Opferschicht 4 wird eine zumindest bereichsweise elektrisch leitfähige Schicht 5 aufgebracht, aus der das feststehende Gegenelements 13 herausgebildet wird. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde dazu eine dickere Epi-Polysiliziumschicht 5 auf der zweiten Opferschicht 4 erzeugt und dotiert. Diese Epi-Polysiliziumschicht 5 wurde zumindest im Membranbereich nicht strukturiert, so dass das Polysilizium dieser Schicht 5 die Strukturierung der darunter liegenden Schichten 4, 3 und 2 ausfüllt, was durch 2d veranschaulicht wird. Zum Erzeugen der Epi-Polysiliziumschicht 5 wird typischerweise zunächst eine Polysiliziumstartschicht abgeschieden, bevor darauf dann eine Epi-Polysiliziumschicht abgeschieden wird. Dieses Epi-Polysilizium wird dotiert und kann zur besseren Weiterverarbeitung planarisiert werden. Alternativ kann das feststehende Gegenelement aber auch in einer dünneren Polysiliziumschicht realisiert werden, die steifer als die beiden Membranen im Schichtaufbau aufgehängt wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Gegenelement in Form eines Schichtstapels aus Polysilizium und Oxid bzw. Nitrid zu realisieren, der unter Zugstress steht. Auf diese Weise kann ebenfalls erreicht werden, dass das Gegenelement signifikant weniger auf Schallwellen reagiert als die Membranen.On the second sacrificial layer 4 becomes an at least partially electrically conductive layer 5 applied, from which the fixed counter element 13 is formed. In the exemplary embodiment described here, a thicker epi-polysilicon layer was used 5 on the second sacrificial layer 4 generated and doped. This epi-polysilicon layer 5 was not structured at least in the membrane region, so that the polysilicon of this layer 5 the structuring of the underlying layers 4 . 3 and 2 fills in what's through 2d is illustrated. To generate the epi-polysilicon layer 5 For example, a polysilicon starter layer is typically deposited first before an epi-polysilicon layer is then deposited thereon. This epi-polysilicon is doped and can be planarized for better processing. Alternatively, the fixed counter element can also be realized in a thinner polysilicon layer, which is stiffer than the two membranes in the layer structure suspended. Another possibility is to realize the counter element in the form of a layer stack of polysilicon and oxide or nitride, which is under tensile stress. In this way it can also be achieved that the counter element reacts significantly less to sound waves than the membranes.

Über der Epi-Polysiliziumschicht 5 wurde eine dritte Opferschicht 6 abgeschieden, die im Rahmen des Bauelements 10 ebenfalls als Isolationsschicht fungiert. Bei der Strukturierung dieser Opferschicht 6 wurden Öffnungen 61 erzeugt, die mit den zu erzeugenden Öffnungen 121 in der zweiten Membran 12 des Bauelements 10 kommunizieren. Außerdem wurde eine Öffnung 62 erzeugt, die zur Realisierung von elektrischen Kontakten benötigt wird. 2e zeigt den Schichtaufbau mit der strukturierten dritten Opferschicht 6.Over the epi polysilicon layer 5 became a third sacrificial layer 6 deposited in the frame of the device 10 also acts as an insulating layer. In the structuring of this sacrificial layer 6 were openings 61 generated, with the openings to be generated 121 in the second membrane 12 of the component 10 communicate. There was also an opening 62 generated, which is needed for the realization of electrical contacts. 2e shows the layer structure with the structured third sacrificial layer 6 ,

Dann wurde auf der dritten Opferschicht 6 eine zweite Membranschicht 7 in Form einer weiteren Polysiliziumschicht abgeschieden, dotiert und strukturiert, wobei auch hier neben den Durchgangsöffnungen 121 eine federartige Membranaufhängung 71 erzeugt wurde. Der resultierende Schichtaufbau ist in 2f dargestellt.Then on the third sacrificial layer 6 a second membrane layer 7 deposited, doped and structured in the form of a further polysilicon layer, wherein here as well as the passage openings 121 a spring-like membrane suspension 71 was generated. The resulting layer structure is in 2f shown.

Zur späteren Kontaktierung umfasst der Schichtaufbau des Bauelements 10 schließlich noch eine oder mehrere strukturierte Metallschichten 8. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde die Metallschicht 8 auf die zweite Membranschicht 7 aufgebracht und strukturiert, was in 2g dargestellt ist, bevor das Gegenelement bzw. die Epi-Polysiliziumschicht 5 strukturiert wurde und Ätzzugänge zu den Opferschichten 2, 4 und 6 zum Freilegen der Mikrofonstruktur erzeugt wurden. Die Metallschicht 8 für die Realisierung elektrischer Kontakte kann aber auch zu einem späteren Zeitpunkt erzeugt werden.For later contacting, the layer structure of the component comprises 10 Finally, one or more structured metal layers 8th , In the embodiment described here, the metal layer 8th on the second membrane layer 7 applied and structured, reflecting in 2g is shown before the counter element or the epi-polysilicon layer 5 was structured and etch access to the sacrificial layers 2 . 4 and 6 were created to expose the microphone structure. The metal layer 8th but for the realization of electrical contacts can also be generated at a later date.

In einem von der Vorderseite bzw. Oberseite des Schichtaufbaus ausgehenden Trenchschritt wurden nun die Durchgangsöffnungen 121 in der zweiten Membranschicht 7, die sich in den Öffnungen 61 in der dritten Opferschicht 6 fortsetzen, in die Epi-Polysiliziumschicht 5 übertragen, um die Durchgangsöffnungen 131 im Randbereich des Gegenelements 13 zu erzeugen. Dabei dient die zweite Opferschicht 4 als Ätzstoppgrenze. Das Ergebnis dieses ersten Trenchschritts ist in Form der Trenchgräben 91 in 2h dargestellt.In a trench step emanating from the front side or upper side of the layer structure, the through-openings now became 121 in the second membrane layer 7 that are in the openings 61 in the third sacrificial layer 6 continue into the epi-polysilicon layer 5 transferred to the through holes 131 in the edge region of the counter element 13 to create. The second sacrificial layer is used here 4 as etch stop limit. The result of this first step of the trench is in the form of the trench trenches 91 in 2h shown.

In einem zweiten Trenchschritt, der von der Substratrückseite ausgeht, wird zunächst die Schallöffnung 14 erzeugt, die das Rückseitenvolumen der Mikrofonstruktur bildet. Dieser Trenchprozess stoppt an der ersten Opferschicht 2 und geht nur in dem Bereich weiter in die Tiefe, in dem die Epi-Polysiliziumschicht 5 direkt an die Substratoberfläche grenzt, d. h. im Bereich der Durchgangsöffnungen 111 in der ersten Membranschicht 3. In diesem Bereich wird der Trenchprozess erst bei Erreichen der dritten Opferschicht 6 gestoppt, so dass im Mittelbereich des Gegenelements 13 Durchgangsöffnungen 132 entstehen. Die entsprechenden Trenchgräben 92 sind in 2i zu erkennen.In a second trench step, starting from the back of the substrate, the sound opening first becomes 14 which forms the backside volume of the microphone structure. This trench process stops at the first sacrificial layer 2 and continues to penetrate only in the area where the epi-polysilicon layer 5 directly adjacent to the substrate surface, ie in the region of the passage openings 111 in the first membrane layer 3 , In this area, the trench process only becomes effective when the third sacrificial layer is reached 6 stopped so that in the central region of the counter element 13 Through openings 132 arise. The corresponding trenches 92 are in 2i to recognize.

Die Trenchgräben 91 und 92 in Verbindung mit der Schallöffnung 14 werden als Ätzzugänge zum Freilegen der beiden Membranen 11 und 12 genutzt, was beispielsweise mit Hilfe von HF oder in einem Gasphasenätzverfahren erfolgt. Dabei wird das Opferschichtmaterial der Schichten 2, 4 und 6 in den Bereichen unter der ersten Membran 11 und zwischen dem Gegenelement 13 und den beiden Membran 11 und 12 entfernt. Die resultierende Bauelementstruktur ist in 2j dargestellt. Diese Figur entspricht im Wesentlichen der 1.The trenches 91 and 92 in conjunction with the sound opening 14 are used as Ätzzugänge to expose the two membranes 11 and 12 used, for example, by means of HF or in a gas-phase etching process. In this case, the sacrificial layer material of the layers 2 . 4 and 6 in the areas under the first membrane 11 and between the counter element 13 and the two membranes 11 and 12 away. The resulting device structure is in 2y shown. This figure essentially corresponds to 1 ,

An dieser Stelle sei angemerkt, dass auch Abweichungen von der voranstehend beschriebenen Prozessfolge möglich sind. So kann der rückseitige Trenchprozess auch vor dem Vorderseiten-Trenchprozess gefahren werden. Außerdem kann es sich als günstig erweisen, bereits nach dem ersten Trenchschritt einen Teil des Opferschichtmaterials zu entfernen. Die beiden Membranen werden dann nach dem zweiten Trenchschritt in einem zweiten Ätzschritt vollständig freigestellt.At It should be noted that also deviations from the above described process sequence possible are. So can the backside trench process also be driven before the front side trench process. In addition, can it turns out to be cheap prove, already after the first trenching step, a part of the sacrificial layer material to remove. The two membranes are then after the second Trenching step in a second etching step Completely optional.

Gemäß einer vorteilhaften Variante der Erfindung wird vor den einzelnen Opferschichtabscheidungen eine weitere Opferschicht abgeschieden und strukturiert, um definierte Anschläge für die auslenkbaren Elektroden der Mikrofonstruktur zu realisieren. Ein derartiges Bauelement 30 ist in 3 dargestellt. Das Bauelement 30 unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Bauelement 10 lediglich durch Anschläge 122 und 133, die an der Unterseite der zweiten Membran 12 und des Gegenelements 13 ausgebildet sind. Im Falle von Überlastsituationen bilden die Anschläge 122 und 133 die Berührungsflächen zwischen den Elektroden der Mikrofonstruktur. Je kleiner diese Berührungsflächen sind, um so geringer ist die Haftkraft zwischen den Elektroden und dementsprechend auch die Kraft, die erforderlich ist, um die Membranen 11 und 12 wieder in ihre Ausgangslage zu bringen.According to an advantageous variant of the invention, a further sacrificial layer is deposited and patterned before the individual sacrificial layer deposits in order to realize defined stops for the deflectable electrodes of the microphone structure. Such a device 30 is in 3 shown. The component 30 is different from the one in 1 illustrated component 10 only by stops 122 and 133 at the bottom of the second membrane 12 and the counter element 13 are formed. In case of overload situations, the stops form 122 and 133 the contact surfaces between the electrodes of the microphone structure. The smaller these contact surfaces, the lower the adhesive force between the electrodes and, accordingly, the force required by the membranes 11 and 12 back to their original position.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Anschläge 122 und 133 zudem aus einem dielektrischen Material bestehen oder zumindest mit einem solchen beschichtet sind, so dass sie einen Kurzschluss der ersten und/oder zweiten Kapazität in Überlastsituationen verhindern. Dadurch wird die Elektronik geschützt und ein Festbrennen der Elektroden vermieden. Zur Realisierung derartiger Anschläge kann vor oder auch nach der Opferschichtabscheidung eine dielektrische Schicht abgeschieden werden, die vorteilhafterweise eine deutlich geringer Ätzrate als die Opferschicht hat, wie beispielsweise SiN oder siliziumreiches Nitrid. Zudem ist die Haftkraft zwischen SiN und Si so gering, dass sich die Membranen nach Überlastsituationen besonders einfach wieder in ihre Ausgangslage bringen lassen.Of particular advantage is when the attacks 122 and 133 Moreover, consist of a dielectric material or at least coated with such, so as to prevent a short circuit of the first and / or second capacitance in overload situations. This protects the electronics and prevents the electrodes from burning down. To realize such attacks, a dielectric layer can be deposited before or after the sacrificial layer deposition, which advantageously has a significantly lower etching rate than the sacrificial layer, such as SiN or silicon-rich nitride. In addition, the adhesive force between SiN and Si is so low that the membranes can easily be brought back to their original position after overload situations.

Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Anschläge 122 am äußeren Rand des akustisch aktiven Bereichs der zweiten Membran 12 ausgebildet. Die Anschläge 133 erstrecken sich in Verlängerung dazu vom Gegenelement 13 in Richtung erste Membran 11, und zwar entlang des inneren Randes des akustisch aktiven Bereichs der ersten Membran 11. Auf diese Weise tragen die Anschläge 122 und 133 auch noch zur Verringerung des akustischen Kurzschlusses zwischen den versetzt akustisch aktiven und transparenten Membranen 11 und 12 bei.At the in 3 illustrated embodiment, the attacks 122 at the outer edge of the acoustically active region of the second membrane 12 educated. The attacks 133 extend in extension to the counter element 13 towards the first membrane 11 along the inner edge of the acoustically active region of the first membrane 11 , In this way, carry the attacks 122 and 133 also to reduce the acoustic short circuit between the offset acoustically active and transparent membranes 11 and 12 at.

4 zeigt ein Bauelement 50 mit einer mikromechanischen Mikrofonstruktur, die erfindungsgemäß zwei übereinander angeordneten Membranen 51 und 52 umfasst, zwischen denen ein feststehendes Gegenelement 53 angeordnet ist. Die beiden Membranen 51 und 52 sind jeweils über eine Federaufhängung 31 bzw. 71 im Schichtaufbau des Bauelements 50 aufgehängt, um deren Auslenkung zu begünstigen. Wie auch im Falle des in 1 dargestellten Bauelements 10 ist die Membran 51 über Isolationsschichten 2 und 4 einerseits gegen das Substrat 1 und andererseits gegen das Gegenelement 53 elektrisch isoliert. Eine weitere Isolationsschicht 6 des Schichtaufbaus dient der elektrischen Isolation zwischen dem Gegenelement 53 und der Membran 52. Die beiden Membranen 51 und 52 sowie das Gegenelement 53 bestehen zumindest bereichsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie z. B. einem entsprechend dotierten Polysilizium. Auf diese Weise bildet die Membran 51 zusammen mit dem Gegenelement 53 eine erste Kapazität, während die Membran 52 zusammen mit dem Gegenelement 53 eine zweite Kapazität bildet. 4 shows a component 50 with a micromechanical microphone structure, according to the invention two superimposed membranes 51 and 52 includes, between which a fixed counter element 53 is arranged. The two membranes 51 and 52 are each about a spring suspension 31 respectively. 71 in the layer structure of the device 50 hung up to favor their deflection. As in the case of in 1 illustrated component 10 is the membrane 51 over insulation layers 2 and 4 on the one hand against the substrate 1 and on the other hand against the counter element 53 electrically isolated. Another insulation layer 6 the layer structure is used for electrical insulation between the counter element 53 and the membrane 52 , The two membranes 51 and 52 as well as the counter element 53 consist at least partially of an electrically conductive material such. B. a correspondingly doped polysilicon. In this way, the membrane forms 51 together with the counter element 53 a first capacity while the membrane 52 together with the counter element 53 forms a second capacity.

Das Gegenelement 53 ist hier deutlich dicker als die beiden Membranen 51 und 52 und weist erste Durchgangsöffnungen 531 auf, so dass es im Wesentlichen starr und akustisch transparent ist. Um zu erreichen, dass das Gegenelement deutlich weniger auf Schallwellen reagiert als die Membranen, kann das Gegenelement aber auch in einer dünneren Polysiliziumschicht realisiert werden, die steifer als die beiden Membranen im Schichtaufbau aufgehängt ist. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Gegenelement in Form eines Schichtstapels aus Polysilizium und Oxid bzw. Nitrid zu realisieren, der unter Zugstress steht. Außerdem sind im Gegenelement 53 zweite Durchgangsöffnungen 532 für Verbindungsstege 55 ausgebildet, über die die beiden Membranen 51 und 52 mechanisch gekoppelt sind. Bei der hier beschriebenen Variante ist die erste Membran 51 weitgehend geschlossen und damit akustisch aktiv, während die gesamte Mikrofonfläche der zweiten Membran 52 mit Durchgangsöffnungen 521 versehen ist, so dass die zweite Membran 52 akustisch allenfalls gering aktiv ist. Die mechanische Kopplung zwischen den beiden Membranen 51 und 52 bewirkt jedoch, dass beide Membranen 51 und 52 gleichsinnig ausgelenkt werden, wenn die ers te Membran 51 über die Schallöffnung 54 in der Bauteilrückseite mit Schalldruck beaufschlagt wird. Dementsprechend ändern sich die erste und zweite Kapazität, wie im Falle des Bauteils 10, gegensinnig. Die Auswertung erfolgt auch hier durch Differenzbildung zwischen der ersten und zweiten Kapazität.The counter element 53 Here is significantly thicker than the two membranes 51 and 52 and has first passage openings 531 so that it is essentially rigid and acoustically transparent. In order to achieve that the counter element reacts much less on sound waves than the membranes, but the counter element can also be realized in a thinner polysilicon layer, which is stiffer than the two membranes suspended in the layer structure. Another possibility is to realize the counter element in the form of a layer stack of polysilicon and oxide or nitride, which is under tensile stress. In addition, in the counter element 53 second passage openings 532 for connecting bridges 55 formed over which the two membranes 51 and 52 mechanically coupled. In the variant described here, the first membrane 51 largely closed and thus acoustically active, while the entire microphone surface of the second membrane 52 with passage openings 521 is provided so that the second membrane 52 acoustically at most low active. The mechanical coupling between the two membranes 51 and 52 however, causes both membranes 51 and 52 be deflected in the same direction, if the first membrane 51 over the sound opening 54 is acted upon in the back of the component with sound pressure. Accordingly, the first and second capacitances change as in the case of the component 10 , in opposite directions. The evaluation is also done here by subtraction between the first and second capacity.

Claims

Component ( 10 ) comprising a micromechanical microphone structure, at least comprising - a deflectable by the sound pressure first membrane ( 11 ), which acts as a deflectable electrode, - a fixed acoustically permeable counter element ( 13 ), which acts as counter electrode, and - another capacity for evaluating the capacitance changes between the first deflectable electrode ( 11 ) and the counter electrode ( 13 ); characterized in that the fixed counter element ( 13 ) between the deflectable first membrane ( 11 ) and a second membrane ( 12 ) is arranged, that the fixed counter element ( 13 ) also acts as an electrode of the further capacitance and that the second membrane ( 12 ) forms the second electrode of further capacity.

Component according to claim 1, characterized ge indicates that the fixed counter-element and the second diaphragm are mechanically coupled but electrically isolated from each other so that they form a constant reference capacitance.

Component ( 10 ; 30 ; 40 ) according to claim 1, characterized in that the further capacity changes under the action of the sound pressure.

Component ( 50 ) according to claim 3, characterized in that essentially only one of the two membranes ( 51 ) is acoustically active and that the two membranes ( 51 . 52 ) mechanically coupled but are electrically isolated from each other.

Component ( 10 ) according to claim 3, characterized in that both membranes ( 11 . 12 ) are formed acoustically active and acoustically permeable in mutually offset subregions, so that both membranes ( 11 . 12 ) are deflected at sound effect substantially independently.

Component according to one of Claims 1 to 5, characterized that at least the counter-element facing membrane surfaces and / or the surfaces of the counter element provided with a dielectric coating are.

Component ( 30 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the microphone structure an overload protection in the form of attacks ( 122 . 132 ), which in the counter element ( 13 ) facing surface of a deflectable membrane ( 12 ) and / or in a deflectable membrane ( 11 ) facing surface of the counter element ( 13 ) are formed.

Method for producing a component having a micromechanical microphone structure, in particular for producing a component ( 10 ) according to any one of claims 1 to 7, wherein the membrane structure in the layer structure over a substrate ( 1 ) is realized by - on the substrate surface, a first electrically insulating sacrificial layer ( 2 ) is applied and structured, - over the first sacrificial layer ( 2 ) a first at least partially electrically conductive membrane layer ( 3 ) is generated and structured, - over the first membrane layer ( 3 ) a second electrically insulating sacrificial layer ( 4 ) is applied and structured, - over the second sacrificial layer ( 4 ) an at least partially electrically conductive layer ( 5 ) for the realization of a fixed counter element ( 13 ) is generated, - above the layer ( 5 ) a third electrically insulating sacrificial layer ( 6 ) is applied and structured, - over the third sacrificial layer ( 6 ) a second at least partially electrically conductive membrane layer ( 7 ) is generated and structured, in a front and / or backside trench process the layer ( 5 ) and etching accesses to the first, second and third sacrificial layers ( 2 . 4 . 6 ) and - the first, second and third sacrificial layers ( 2 . 4 . 6 ) are removed in regions to form a first membrane ( 11 ) in the first membrane layer ( 3 ), a counter element ( 13 ) in the layer ( 5 ) and a second membrane ( 12 ) in the second membrane layer ( 7 ).