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Technischer
Bereich
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Die
vorliegende Erfindung ist auf ein Silizium-Miniaturkondensatormikrofon
gerichtet, das mit einer CMOS-Schaltung integriert werden kann.
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Stand der
Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
internationale PCT-Veröffentlichung
WO 95/34917 offenbart einen piezoelektrischen Kragarmdruckwandler.
Der Wandler kann alternativ magnetostriktiv, piezoresistiv oder
thermisch sein.
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Keine
der oben beschriebenen Methoden löst jedoch die inhärenten Filmspannungsprobleme, während eine
gute Leistung bei einem Herstellungsprozess aufrechterhalten wird.
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Die
vorliegende Erfindung ist dafür
vorgesehen, diese und andere Probleme zu lösen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist eine perspektivische
Ansicht einer ersten Ausführungsform
eines Silizium-Kondensatormikrofons,
das erfindungsgemäß hergestellt
ist.
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1a ist eine perspektivische
Ansicht einer zweiten Ausführungsform
eines Silizium-Kondensatormikrofons,
das erfindungsgemäß hergestellt
ist.
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2 bis 9 sind Schnittansichten, die aufeinander
folgende Schritte bei der Herstellung des Mikrofons von 1 zeigen.
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6a, 6b, 7a, 8a, 9a und 9b sind
Schnittansichten, die die aufeinander folgenden Schritte bei der
Herstellung des Mikrofons von 1a zeigen.
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10 ist eine perspektivische
Ansicht einer dritten Ausführungsform
eines Silizium-Kondensatormikrofons,
das erfindungsgemäß hergestellt
ist.
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11 und 12 sind Schnittansichten, die aufeinander
folgende Schritte bei der Herstellung des Mikrofons von 10 zeigen.
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13 ist eine perspektivische
Ansicht einer vierten Ausführungsform
eines Silizium-Kondensatormikrofons,
das erfindungsgemäß hergestellt
ist.
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13a ist eine Draufsicht
auf das Mikrofon von 13 ohne
Membran.
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13b und 13c sind Schnittansichten des Mikrofons
von 13a.
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13d ist eine Draufsicht
auf das Mikrofon von 13a einschließlich Membran.
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14 und 15 sind Schnittansichten, die aufeinander
folgende Schritte bei der Herstellung des Mikrofons von 13 zeigen.
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16 ist eine Draufsicht auf
den Bahnaufbau einer Modifizierung der vierten Ausführungsform der
Erfindung.
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16a ist eine Draufsicht
auf eine Modifizierung der vierten Ausführungsform der Erfindung.
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16b und 16c sind Schnittansichten des Mikrofons
von 16a.
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17a ist eine Draufsicht
auf einen Überdruckanhalteaufbau
zur Verwendung bei dem Mikrofon der vierten Ausführungsform.
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17b ist eine Schnittansicht
des Überdruckanhalteaufbaus
von 17a.
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Detaillierte
Beschreibung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 μm abgeschieden
und strukturiert, um die stationäre
Platte 14a zu bilden.
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Gemäß 6 wird eine Opferschicht 24,
vorzugsweise Aluminium, mit einer Dicke von etwa 4 μm 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.
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Gemäß 7 wird eine Siliziumnitridmembranschicht 26,
die gewöhnlich
1 μm dick
ist, abgeschieden und strukturiert.
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Gemäß 8 wird eine Metallschicht,
vorzugsweise Chrom, mit einer Dicke von etwa 0,02 μm auf der
Siliziumnitridmembranschicht 26 zur Bildung der beweglichen
Platte 14b abgeschieden und strukturiert. Eine Dicke von
0,02 μm
wird als Ausgleich zwischen Spannung und Leitfähigkeit verwendet. Eine dünnere Schicht
würde zu
einer geringeren Leitfähigkeit,
jedoch auch zu einer geringeren Spannung führen.
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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.
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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.
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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.
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Um
die Membrannachgiebigkeit an den gewünschten Druckbereich anzupassen,
und um jeder Kräuselungstendenz
der Membran 12 entgegenzuwirken, wurden die beiden nachstehend
beschriebenen Konstruktionstypen entwickelt.
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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.
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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.
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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.
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Gemäß 6a wurde die Opferschicht 24 zusätzlich so
strukturiert, dass sie Wellungen 32 bildet.
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Wie
in 6b gezeigt ist, wird
eine zweite Opferschicht 34 im Bereich von 1 bis 2 μm 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.
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Gemäß 7a wird die Siliziumnitridmembranschicht 26,
die gewöhnlich
ein μm dick
ist, abgeschieden und strukturiert. Dieser Schritt entspricht dem
in 7 gezeigten mit Ausnahme
des Vorhandenseins der Wellungen 32.
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Gemäß 8a wird die Metallschicht,
vorzugsweise Chrom, mit einer Dicke von etwa 0,01 μm 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.
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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.
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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.
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Wenn
tiefere Wellungen erforderlich sind, wird das Silizium vor dem Abscheiden
und Strukturieren der Opferschichten grabengeätzt, um die gesamte Wellungsamplitude
zu steigern.
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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.
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9b ist ein Schnitt von 1a längs der Linie 9b–9b.
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 μm und eine
Spalthöhe „h" zwischen der Membran 12 und
dem Wafer 16 von 1 bis 2 μm hat.
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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 μm Dicke
so strukturiert werden, dass die Höhendifferenzen erzeugt werden,
die für
die Membranwellungen benötigt
werden, während die
zweite Opferschicht 34 mit 1 μm Dicke dazu verwendet wird,
die Höhe „h" des Ausgleichswegs 36 einzustellen.
Die zweite (1 μm)
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 μm erzeugt. Wenn eine vollständig unabhängige Regulierung
dieser drei Abmessungen (Wellungshöhe, Kondensatorspalt, Ausgleichsweghöhe) erwünscht ist,
wird eine dritte Opferschicht (nicht gezeigt) benötigt.
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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.
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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 μm, so dass die elektrostatischen Kräfte am Kondensator 14 nicht
zu groß werden
und einen irreversiblen Zusammenbruch der Membran 12 verursachen
können.
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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 μm 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.
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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 μm 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.
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Das
Verfahren zur Herstellung dieser Membran ist ähnlich der oben unter Bezug
auf 1a Offenbarten und
wird speziell von 11 und 12 erläutert.
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Bei
diesem Verfahren wird nach dem Abscheiden und Strukturieren der
ersten Opferschicht 24, die eine Dicke von 1 μm hat, eine
erste Siliziumnitridmembranschicht 40 mit einer Dicke von
0,5 μm abgeschieden
und strukturiert. Daraufhin wird eine zweite Opferschicht 34 (entsprechend
der Schicht 34 der Ausführungsform
von 1a, die eine Dicke
von 3 μm
hat) abgeschieden und strukturiert. Daraufhin wird eine zweite Siliziumnitridschicht 26 mit
einer Dicke von 0,5 μm
abgeschieden und strukturiert. Die Schicht 26 allein dient
zum Erhalten der beweglichen Platte 14b des Kondensators 14.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 μm
und ein Lochabstand von 10 μm.
Typische Parameter für
eine Schlitzperforierung sind ein Schlitz von 14 μm bei einem
Abstand von 24 μm.
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.
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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.
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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 μm
anstatt der ansonsten vorhandenen Abmessung von 4 μm 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.