DE102014100238A1

DE102014100238A1 - MEMS-Vorrichtung mit Polymerschicht, System einer MEMS-Vorrichtung mit einer Polymerschicht, Verfahren zum Herstellen einer MEMS-Vorrichtung mit einer Polymerschicht

Info

Publication number: DE102014100238A1
Application number: DE102014100238.5A
Authority: DE
Inventors: Alfons Dehe
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-01-16
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2014-07-17
Anticipated expiration: 2034-01-11
Also published as: CN103922269A; CN103922269B; US20150210542A1; KR101566607B1; KR20140092777A; DE102014100238B4; US9006845B2; US9708180B2; US20140197501A1

Abstract

Es werden eine MEMS-Vorrichtung, ein Verfahren zum Herstellen einer MEMS-Vorrichtung und ein System einer MEMS-Vorrichtung dargestellt. In einer Ausführungsform enthält eine MEMS-Vorrichtung eine erste Polymerschicht, ein auf der ersten Polymerschicht angeordnetes MEMS-Substrat und eine von dem MEMS-Substrat getragene MEMS-Struktur. Die MEMS-Vorrichtung enthält weiterhin eine in dem MEMS-Substrat angeordnete erste Öffnung und eine in der ersten Polymerschicht angeordnete zweite Öffnung.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System und ein Verfahren zum Herstellen einer MEMS-Vorrichtung (MEMS = Mikro-Elektro-Mechanisches System).
HINTERGRUND
In den vergangenen Jahren hat der Wunsch nach kleineren elektronischen Bauformen und geringerem Stromverbrauch einhergehend mit erhöhter Leistungsfähigkeit eine Integration von MEMS-Vorrichtungen vorangetrieben. Insbesondere dürften MEMS-Mikrofone immer kleiner werden, da elektronische Vorrichtungen wie zum Beispiel Mobiltelefone, Laptops und Tablets immer kleiner werden.
Ein Merkmal der Leistungsfähigkeit eines MEMS-Mikrofons sind die Größe der MEMS-Vorrichtung selbst sowie die Spannungen im MEMS-Mikrofon, die während des Herstellungsprozesses erzeugt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine MEMS-Vorrichtung eine erste Polymerschicht, ein auf der ersten Polymerschicht angeordnetes MEMS-Substrat und eine von dem MEMS-Substrat getragene MEMS-Struktur. Das MEMS-Substrat umfasst weiterhin eine im MEMS-Substrat angeordnete erste Öffnung und eine in der ersten Polymerschicht angeordnete zweite Öffnung.
In einigen Ausführungsformen kann die erste Polymerschicht weiterhin kleine Öffnungen umfassen, wobei die kleinen Öffnungen kleiner als die zweite Öffnung sind und die zweite Öffnung mit einer Oberfläche der ersten Polymerschicht verbinden. In einigen Ausführungsformen kann die erste Polymerschicht weiterhin Stopfen umfassen, wobei die Stopfen zwischen der zweiten Öffnung und einer Oberfläche der ersten Polymerschicht angeordnet sind.
In einigen Ausführungsformen kann die zweite Öffnung größer als die erste Öffnung sein.
In einigen Ausführungsformen kann die MEMS-Vorrichtung weiterhin einen in der ersten Polymerschicht angeordneten ersten Belüftungsauslass umfassen; sowie einen Belüftungskanal, der die zweite Öffnung mit dem ersten Belüftungsauslass verbindet. Optional kann der Belüftungskanal um die zweite Öffnung herum angeordnet sein.
In einigen Ausführungsformen kann die MEMS-Vorrichtung weiterhin eine zweite Polymerschicht umfassen, wobei die zweite Polymerschicht zwischen der ersten Polymerschicht und dem MEMS-Substrat angeordnet ist. Die zweite Polymerschicht kann eine dritte Öffnung umfassen, wobei die dritte Öffnung die erste Öffnung mit der zweiten Öffnung verbinden kann. Optional kann die zweite Polymerschicht einen zweiten Belüftungsauslass umfassen, wobei der zweite Belüftungsauslass über ein Überdruckventil mit der ersten Öffnung verbunden ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein System einen Träger, eine in dem Träger angeordnete Apertur, eine auf der Apertur angeordnete MEMS-Vorrichtung und eine die MEMS-Vorrichtung abdeckende Kappe, wobei die MEMS-Vorrichtung eine Perforation in einer ersten Polymerschicht umfasst, wobei die Perforation über der Apertur liegt.
In einigen Ausführungsformen kann die Apertur ein Schallloch sein und die MEMS-Vorrichtung ein Halbleiter-Mikrofon sein.
In einigen Ausführungsformen kann das System weiterhin einen auf dem Träger angeordneten Chip mit integriertem Schaltkreis umfassen, wobei der Chip mit integriertem Schaltkreis elektrisch mit der MEMS-Vorrichtung verbunden und von der Kappe umschlossen ist.
In einigen Ausführungsformen kann die MEMS-Vorrichtung eine zweite Polymerschicht umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann die MEMS-Vorrichtung ein MEMS-Substrat umfassen. Das MEMS-Substrat kann eine erste Öffnung umfassen. Die erste Polymerschicht kann eine zweite Öffnung umfassen. Die erste Öffnung kann mit der zweiten Öffnung verbunden sein. Die zweite Öffnung kann mit der Perforation verbunden sein.
In einigen Ausführungsformen kann die erste Polymerschicht eine negative Fotolackschicht umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein System einen Träger, eine auf dem Träger angeordnete MEMS-Vorrichtung, wobei die MEMS-Vorrichtung eine erste Polymerschicht und eine die MEMS-Vorrichtung abdeckende Kappe umfasst, wobei die Kappe eine Apertur umfasst.
In einigen Ausführungsformen kann die MEMS-Vorrichtung ein MEMS-Substrat umfassen. Das MEMS-Substrat kann eine erste Öffnung umfassen. Die erste Polymerschicht kann eine zweite Öffnung umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann die zweite Öffnung größer als die erste Öffnung sein.
In einigen Ausführungsformen kann die Apertur auf einer Oberseite der Kappe angeordnet sein.
In einigen Ausführungsformen kann die Apertur an einer Seitenwand der Kappe angeordnet sein.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer MEMS-Vorrichtung das Bilden einer von einem Substrat getragenen MEMS-Struktur, das Bilden einer Polymerschicht auf dem Substrat, das Belichten der Polymerschicht mit einem ersten Licht, um ein erstes Muster zu bilden und das Belichten der Polymerschicht mit einem zweiten Licht, um ein zweites Muster zu bilden.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren weiterhin das Entfernen unbelichteter Teilbereiche der Polymerschicht, wodurch eine erste Öffnung in der Polymerschicht gebildet wird.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren weiterhin das Ätzen des Substrats, wodurch eine Fläche unterhalb der MEMS-Struktur geöffnet wird.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren weiterhin das Entwickeln und Backen der Polymerschicht.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren weiterhin das Dünnen des Substrats.
In einigen Ausführungsformen kann die MEMS-Struktur ein MEMS-Stapel sein, der eine Rückplatte und eine Membran umfasst. Das Verfahren kann weiterhin das Ätzen einer Opferschicht in dem MEMS-Stapel umfassen, wodurch die Membran im MEMS-Stapel gelöst wird und Abstandshalter in dem MEMS-Stapel gebildet werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung und der damit verbundenen Vorteile wird nun in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen auf die nachfolgenden Beschreibungen Bezug genommen. Es zeigen:
1 eine Ausführungsform eines Ablaufdiagramms zum Herstellen einer MEMS-Vorrichtung;
die 2a–2h Ausführungsformen der MEMS-Vorrichtung in unterschiedlichen Stadien des Herstellungsprozesses;
3a eine Ausführungsform einer MEMS-Vorrichtung;
3b eine Ausführungsform einer gehausten MEMS-Vorrichtung;
4a eine weitere Ausführungsform einer MEMS-Vorrichtung;
4b eine weitere Ausführungsform einer gehausten MEMS-Vorrichtung;
5a eine andere Ausführungsform einer MEMS-Vorrichtung;
5b eine andere Ausführungsform einer gehausten MEMS-Vorrichtung;
6a noch eine andere Ausführungsform einer MEMS-Vorrichtung;
6b noch eine andere Ausführungsform einer gehausten MEMS-Vorrichtung;
die 7a und 7b Querschnittsansichten einer Ausführungsform einer MEMS-Vorrichtung; und
die 8a–8c Querschnittsansichten einer anderen Ausführungsform einer MEMS-Vorrichtung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VERANSCHAULICHENDER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Herstellung und Verwendung der vorliegend bevorzugten Ausführungsformen werden nachfolgend ausführlich erörtert. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung zahlreiche anwendbare erfindungsgemäße Konzepte bereitstellt, die in den unterschiedlichsten spezifischen Zusammenhängen ausgeführt werden können. Die erörterten spezifischen Ausführungsformen veranschaulichen lediglich spezifische Weisen der Herstellung und Verwendung der Erfindung und begrenzen nicht den Rahmen der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung wird in Bezug auf Ausführungsformen in einem spezifischen Zusammenhang beschrieben, und zwar im Zusammenhang mit Silizium-Mikrofonen. Die Erfindung kann jedoch auch auf andere Mikrofone oder MEMS-Vorrichtungen angewandt werden.
Die Funktionalitäten von MEMS-Vorrichtungen, wie zum Beispiel Belüftungskanäle oder Rückvolumen, wurden im Vergussmaterial oder im Substrat der MEMS-Vorrichtung implementiert. Das Herstellen und Platzieren dieser Funktionalitäten im Substrat und im Vergussmaterial ist mit bestimmten Einschränkungen für die Anordnung und die Positionierung dieser Funktionalitäten verbunden.
Ausführungsformen der Erfindung stellen eine Polymerschicht in der MEMS-Vorrichtung bereit, und zwar derart, dass bestimmte MEMS-Funktionalitäten in dieser Polymerschicht implementiert werden können. Vorteile der Ausführungsformen der Erfindung liegen in dem höheren Maß an Flexibilität beim Anordnen der Funktionalitäten in MEMS-Vorrichtungen gegenüber konventionellen MEMS-Vorrichtungen. Weitere Vorteile können eine Reduzierung der Ätzvorgangszeit und/oder eine Eliminierung oder Reduzierung von Spannungen sein.
1 zeigt eine Ausführungsform eines Ablaufdiagramms eines MEMS-Herstellungsprozesses 100. In einem ersten Schritt 110 wird ein MEMS-Stapel in oder auf dem Substrat gebildet (typischerweise ein Wafer). Der MEMS-Stapel wird in oder auf einer ersten Hauptfläche des Substrats gebildet. Der MEMS-Stapel umfasst eine Membran (zum Beispiel eine erste Elektrode), eine Rückplatte (zum Beispiel eine zweite Elektrode) und eine Opferschicht zwischen der Membran und der Rückplatte. In einer Ausführungsform umfasst der MEMS-Stapel eine Membran als oberste Schicht. Alternativ umfasst der MEMS-Stapel eine Rückplatte als oberste Schicht der Schicht. Wenn der Begriff "Stapel" verwendet wird, versteht es sich jedoch, dass ein MEMS-Stapel eine einzelne Schicht aufweisen könnte.
Der MEMS-Stapel ist Teil einer MEMS-Vorrichtung. Die MEMS-Vorrichtung kann ein Mikrofon oder ein Silizium-Mikrofon sein. Alternativ kann die MEMS-Vorrichtung einen Wandler umfassen. Der Wandler kann ein Sensor sein, wie zum Beispiel ein Drucksensor, ein Beschleunigungsmesser oder ein HF-MEMS. Die MEMS-Vorrichtung kann eine Einzelvorrichtung sein oder alternativ zusätzliche Vorrichtungen, wie zum Beispiel einen integrierten Schaltkreis (engl. integrated circuit, IC) umfassen. Der integrierte Schaltkreis kann einen Vorverstärker und Eingangs-/Ausgangsanschlüsse umfassen. Außerdem kann der integrierte Schaltkreis (IC) einen A/D-Wandler oder Transistoren, usw. umfassen.
Das Substrat kann ein Halbleitermaterial, wie zum Beispiel Silizium oder Germanium, oder einen Verbindungshalbleiter, wie zum Beispiel SiGe, GaAs, InP, GaN oder SiC, umfassen. Alternativ kann das Substrat organische Materialien, wie zum Beispiel Glas oder Keramik umfassen. Das Substrat (einschließlich des MEMS-Stapels) kann eine Standard-Dicke von 600 µm bis 700 µm umfassen.
In dem nächsten Schritt 120 wird das Substrat auf einem Stützträger platziert oder befestigt. Das Substrat kann mit seiner Oberseite auf dem Stützträger platziert werden. Der Stützträger kann die MEMS-Stapel schützen. Der Stützträger kann ein Trägersubstrat und eine Klebeschicht umfassen. Die Klebeschicht geht in die Lücken zwischen den MEMS-Stapeln und füllt diese. Das Trägersubstrat kann Glas oder ein UV-Band sein und die Klebeschicht kann ein Wachs oder ein anderes Klebematerial sein.
In Schritt 130 wird das Substrat dann auf eine Dicke von ungefähr 100 µm bis ungefähr 150 µm, auf eine Dicke von ungefähr 100 µm bis ungefähr 200 µm oder auf eine Dicke von ungefähr 100 µm bis ungefähr 300 µm gedünnt. Das Dünnen des Substrats 110 kann mit einer Schleifvorrichtung oder einer Schleiffolie durchgeführt werden. Das Dünnen des Substrats kann von der zweiten Hauptfläche oder von der Unterseite des Substrats aus durchgeführt werden.
In einem nächsten Schritt 140 wird der MEMS-Wafer umgedreht und eine Polymerschicht auf der zweiten Hauptfläche des Substrats gebildet. Der Polymerfilm kann ein photostrukturierbarer Polymerfilm sein. In einer Ausführungsform kann der Polymerfilm ein negativer Fotolack auf Epoxidbasis sein. Der Polymerfilm kann zum Beispiel SU-8-Lack sein.
Der SU-8-Lack umfasst einen chemisch verstärkten, negativen Lack auf Epoxidbasis, der optisch transparent und abbildungsfähig für nahes UV (zum Beispiel 365 nm) ist. Ausgehärtete SU-8-Lackfilme oder Mikrostrukturen sind sehr beständig gegen Lösungsmittel, Säuren und Basen und verfügen über eine ausgezeichnete thermische und mechanische Stabilität. Der Polymerfilm kann auf der Rückseite des Substrats abgeschieden oder aufgeschleudert werden. Der Polymerfilm kann eine Dicke von ungefähr 50 µm bis ungefähr 100 µm, eine Dicke von ungefähr 100 µm bis ungefähr 200 µm oder eine Dicke von ungefähr 50 µm bis ungefähr 300 µm umfassen.
In Schritt 150 wird die Polymerschicht mit einem ersten Muster strukturiert. Der Polymerfilm wird über eine erste Lithographie-Maske mit einem ersten Licht aus einer ersten Lichtquelle belichtet. Die erste Lithographie-Maske kann ein erstes Muster umfassen. Das erste Muster der ersten Lithographie-Maske bildet ein erstes Muster in der Polymerschicht ab. Das erste Muster in der Polymerschicht umfasst mehrere kleine, kreisförmig angeordnete Öffnungen. Alternativ können die mehreren kleinen Öffnungen als Oval, Rechteck, Quadrat oder in einer anderen geeigneten geometrischen Form angeordnet sein. Die kleinen Öffnungen können kleine runde Öffnungen sein. Die erste Lichtquelle kann ein erstes Licht mit einer ersten Wellenlänge ausstrahlen. Die erste Wellenlänge kann 313 nm betragen.
2a zeigt einen Teilbereich eines MEMS-Wafers 200 (zum Beispiel eine MEMS-Vorrichtung mit einer Polymerschicht 220, einem gedünnten Substrat 230 und einer MEMS-Struktur 240) und eine erste Lithographie-Maske 210. Das Muster der ersten Lithographie-Maske kann kleine runde, in einem Kreis 218 angeordnete Strukturen 215 umfassen. Ist die Polymerschicht 220 eine negative Fotolack-Polymerschicht, so sind die kleinen runden Strukturen 215 in der Lithographie-Maske 210 undurchlässig für das erste Licht. 2b zeigt eine Oberseite der Lithographie-Maske 210.
Die erste Wellenlänge des ersten Lichts wird so gewählt, dass es im Wesentlichen oder vollständig in einer oberen Region 222 der Polymerschicht 220 absorbiert wird. Das erste Licht durchdringt nicht den Rest 224 (zum Beispiel eine mittlere Region und eine untere Region) der Polymerschicht 220. Die Belichtung bildet ein erstes Muster in einer oberen Region 222 der Polymerschicht 220. Die negative Polymerschicht 220 umfasst zum Beispiel kleine unbelichtete Teilbereiche in einer Oberseite und große belichtete Teilbereiche in der Oberseite. In Schritt 160 wird der Polymerfilm mit einem zweiten Muster strukturiert. Der Polymerfilm wird über eine zweite Lithographie-Maske mit einem zweiten Licht aus einer zweiten Lichtquelle belichtet. Die zweite Lithographie-Maske kann ein zweites Muster umfassen. Das zweite Muster kann eine große Struktur, zum Beispiel einen großen Kreis, umfassen. Alternativ kann die große Struktur ein Oval, ein Rechteck, ein Quadrat sein, oder sie umfasst eine anderweitig geeignete geometrische Form. Die große Struktur kann größer sein als die runden Strukturen des ersten Musters. Die zweite Lichtquelle kann ein zweites Licht mit einer zweiten Wellenlänge ausstrahlen. Die zweite Wellenlänge kann 365 nm betragen.
2c zeigt einen Teilbereich eines MEMS-Wafers 200 (zum Beispiel eine MEMS-Vorrichtung mit einer Polymerschicht 220, einem gedünnten Substrat 230 und MEMS-Struktur 240) und eine zweite Lithographie-Maske 250. Das Muster der zweiten Lithographie-Maske 250 umfasst eine große runde Struktur 255. Ist die Polymerschicht 220 eine negative Fotolack-Polymerschicht, so ist die große Struktur 255 in der zweiten Lithographie-Maske 250 undurchlässig für das zweite Licht. 2d zeigt eine Oberseite der Lithographie-Maske 250.
Die zweite Wellenlänge des zweiten Lichts wird so gewählt, dass es die gesamte Höhe der Polymerschicht 220 (Region 222 und 224) und nicht nur die obere Region 222 durchdringt. Die Belichtung bildet ein zweites Muster in einer Region 229 der Polymerschicht 220. Die negative Polymerschicht 220 umfasst zum Beispiel einen unbelichteten, großen Teilbereich 229.
In einer Ausführungsform kann das erste Licht eine geringere Wellenlänge haben als das zweite Licht. Das erste Licht kann ein Licht sein, das in der oberen Region 222 der Polymerschicht 220 und nicht über die gesamte Höhe der Polymerschicht 220 absorbiert wird. Das zweite Licht kann ein Licht sein, dass über die gesamte Höhe (222 und 224) der Polymerschicht 220 und nicht nur in einer oberen Region 224 der Polymerschicht 220 absorbiert wird. Das erste Licht für die Belichtung des ersten Musters kann stark absorbierend und nicht tiefreichend sein, und das zweite Licht zum Belichten des zweiten Musters ist niedrig absorbierend und tiefreichend.
In Schritt 170 wird der Polymerfilm dann entwickelt und gebacken. Das Entwickeln der Polymerschicht hinterlässt kleine Öffnungen 228 in einer oberen Region 222 der Polymerschicht 220 und eine große Öffnung 229 in den unteren und mittleren Regionen 224 der Polymerschicht 220. Die 2e und 2f zeigen eine Querschnittsansicht und eine Untersicht einer Polymerschicht auf einem MEMS-Wafer.
In Schritt 180 wird das Substrat geätzt. Das Substrat kann durch Anwenden eines direktionalen oder anisotropen Ätzverfahrens geätzt werden. Das Substrat kann durch ein Trockenätz- oder Nassätzverfahren anisotrop geätzt werden. Das Substrat kann zum Beispiel mit einem tiefen reaktiven Ionenätzverfahren (engl. reactive ion etching, RIE) geätzt werden. Öffnungen werden in dem Substrat gebildet. Dies ist in 2g dargestellt. Optional können die Öffnungen in dem Substrat durch Anwenden eines isotropen Ätzverfahrens geweitet werden. Das Substrat kann durch ein Trockenätz- oder ein Nassätzverfahren isotrop geätzt werden. Das Substrat kann zum Beispiel mit Kaliumhydroxid (KOH) oder Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) geätzt werden. 2h zeigt den Teilbereich des MEMS-Wafers nach der Anwendung des isotropen Ätzverfahrens. In einer Ausführungsform wird das Substrat bis hinunter zu dem MEMS-Stapel 240 isotrop geätzt.
In Schritt 190 wird die Membran gelöst. Vor dem Lösen der Membran wird der Stützträger entfernt. Der Stützträger wird durch Ziehen oder Ablösen des Stützträgers vom Substrat entfernt. Die Membran wird durch Entfernen der Opferschicht zwischen der Membran und der Rückplatte gelöst. Die Membran wird zum Beispiel durch ein nasschemisches oder selektives Dampfphasen-Ätzverfahren von dem Opferoxid mit HF-basierten Substanzen befreit. Die Membran wird derartig gelöst, dass Abstandshalter zwischen der Membran und der Rückplatte verbleiben. Die Abstandshalter können als Träger für die Membran und die Rückplatte dienen.
Schließlich wird in Schritt 195 der MEMS-Wafer in einzelne MEMS-Vorrichtungen geschnitten. Der MEMS-Wafer kann auf einer Trennschleiffolie (zum Beispiel mit der zweiten Hauptfläche auf der Trennschleiffolie) platziert und so geschnitten werden, dass einzelne MEMS-Vorrichtungen voneinander getrennt werden.
3a zeigt eine Ausführungsform einer MEMS-Vorrichtung 300, und 3b zeigt ein integriertes MEMS-System oder eine gehauste MEMS-Vorrichtung 350.
Die MEMS-Vorrichtung 300 umfasst eine MEMS-Struktur (zum Beispiel einen MEMS-Stapel) 310, ein Substrat 320 und eine Polymerschicht 330. Das Substrat 320 kann ein Halbleitermaterial, zum Beispiel Silizium oder Germanium, oder einen Verbindungshalbleiter, zum Beispiel SiGe, GaAs, InP, GaN oder SiC, umfassen. Alternativ kann das Substrat 320 organische Materialien, zum Beispiel Glas oder Keramik, umfassen. Das Substrat 320 kann eine Dicke von 100 µm bis 150 µm, 100 µm bis 200 µm oder 100 µm bis 300 µm umfassen.
Die MEMS-Struktur 310 kann auf einer ersten Hauptfläche des Substrats 320 angeordnet sein. Die MEMS-Struktur 310 kann ein MEMS-Stapel sein. Die MEMS-Struktur 310 kann eine Struktur zum Erfassen eines empirischen Signals umfassen. Der MEMS-Stapel 310 umfasst zum Beispiel eine Membran 311, eine Rückplatte 312 und Abstandshalter 313 zwischen der Membran 311 und der Rückplatte 313. In einer Ausführungsform umfasst der MEMS-Stapel 310 eine Rückplatte 311 als eine oberste Schicht. Alternativ umfasst der MEMS-Stapel 310 eine Rückplatte als eine oberste Schicht. Der MEMS-Stapel 310 kann andere oder zusätzliche Materialschichten umfassen.
Der Polymerfilm 330 kann ein photostrukturierbarer Polymerfilm sein. In einer Ausführungsform kann der Polymerfilm 330 ein negativer Fotolack auf Epoxidbasis sein. Der Polymerfilm 330 kann zum Beispiel SU-8-Lack sein. Der SU-8-Lack umfasst einen chemisch verstärkten, negativen Lack auf Epoxidbasis, der optisch transparent und abbildungsfähig für nahes UV (zum Beispiel 365 nm) ist. Ausgehärtete SU-8-Lackfilme oder Mikrostrukturen sind sehr beständig gegen Lösungsmittel, Säuren und Basen und verfügen über eine ausgezeichnete thermische und mechanische Stabilität. Der Polymerfilm 330 kann eine Dicke von ungefähr 50 µm bis ungefähr 100 µm, eine Dicke von ungefähr 100 µm bis ungefähr 200 µm oder eine Dicke von ungefähr 50 µm bis ungefähr 300 µm umfassen.
Das Substrat 320 umfasst eine Öffnung, einen Hohlraum oder eine Kammer 325, und die Polymerschicht 330 umfasst eine Öffnung, einen Hohlraum oder eine Kammer 335. Das Substrat 320 kann eine an die MEMS-Struktur 310 angrenzende Öffnung 325 oder mehrere an die MEMS-Struktur 310 angrenzende Öffnungen umfassen. Die Öffnung 325 kann rund sein und einen Kreis oder ein Oval umfassen oder eckig wie zum Beispiel ein Rechteck oder ein Quadrat sein. Die Polymerschicht 330 kann eine an die Öffnung 325 angrenzende Öffnung 335 umfassen.
Die Öffnung 335 kann rund sein und einen Kreis oder ein Oval umfassen oder eckig wie zum Beispiel ein Rechteck oder ein Quadrat sein. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Öffnung 335 größer als die Öffnung 325. In anderen Ausführungsformen ist die Öffnung 335 kleiner als die Öffnung 325 oder gleich groß. In einigen Ausführungsformen kann die Öffnung 335 einen Durchmesser von ungefähr 0,5 mm bis ungefähr 1,5 mm umfassen, und die Öffnung 325 kann einen Durchmesser von ungefähr 50 µm bis ungefähr 100 µm umfassen. Die Öffnung 335 kann an der Grenzfläche (zum Beispiel Oberseite) zwischen dem Substrat 320 und der Polymerschicht 330 angeordnet sein.
Die Polymerschicht 330 kann weiterhin kleine Öffnungen 337 in der Unterseite umfassen. Die kleinen Öffnungen 337 können zusammen mit dem Rest der Polymerschicht 330 in dieser Region eine Schutzregion 338 bilden. Die Schutzregion 338 kann eine perforierte Polymerschichtregion umfassen. Die Schutzregion 338 ist so konfiguriert, dass sie die MEMS-Struktur 310 gegen zum Beispiel ankommende Partikel 340 schützt.
In verschiedenen Ausführungsformen bilden die kleinen Öffnungen 337 und die Kammern 325, 335 einen Tiefpassfilter. Die Öffnungen 337 können ein akustisches Widerstandselement und die Kammern 325 und 335 ein akustisches kapazitives Element darstellen. Zusammen bilden sie einen akustischen RC-Tiefpassfilter. Der RC-Tiefpassfilter kann verwendet werden, um Ultraschall-Verzerrungssignale zu filtern oder um akustische Resonanzen zu dämpfen, die zum Beispiel vom Schallloch des Gehäuses erzeugt werden.
Die Ausführungsform in 3b zeigt ein System, ein Modul oder eine gehauste MEMS-Vorrichtung 350. Das System oder die gehauste MEMS-Vorrichtung 350 umfasst einen Komponententräger 360, eine Apertur 365, einen integrierten Schaltkreis (IC) 370, eine MEMS-Vorrichtung 300 und eine Kappe, Abdeckung, ein Gehäuse, eine Ummantelung oder Verkapselung 380. Der Komponententräger 360 kann eine Keramik, ein Laminat oder eine Leiterplatte sein. Die Apertur 365 kann ein Schallloch oder ein anderer, für den Empfang ankommender Signale konfigurierter Port sein. Die ankommenden Signale können empirische Signale, wie zum Beispiel Schall, sein. Der IC 370 kann eine Einzelvorrichtung oder ein integrierter Schaltkreis sein, der so konfiguriert ist, dass er eine einzelne Funktionalität oder mehrere Funktionalitäten bereitstellt. Der IC 370 kann zum Beispiel ein A/D-Wandler sein. Alternativ kann der IC 370 eine Steuereinheit sein.
Die Kappe 380 kann eine Formmasse, ein Laminat oder eine Ummantelung wie zum Beispiel eine Metalldeckelummantelung oder eine Plastikdeckelummantelung sein. Die Kappe 380 kann den Komponententräger 380 teilweise abdecken, umschließen oder einkapseln und die MEMS-Vorrichtung 300 und den IC 370 vollständig einkapseln. Die Kappe 380 kann die Drähte und/oder die leitfähigen Klemmen, die den IC 370 mit dem Komponententräger 360 und der MEMS-Vorrichtung 300 verbinden, vollständig oder teilweise abdecken.
Die Kappe 380 kann duroplastische Materialien, wie zum Beispiel eine Epoxid-, eine Polyimid-, eine Polyurethan- oder eine Polyacrylatverbindung, oder ein Metall enthalten. Alternativ kann die Kappe 380 thermoplastische Materialien, wie zum Beispiel Polysulfone, Polyphenylensulfide oder Polyetherimide, enthalten. In einer Ausführungsform kann das Kappenmaterial ein Laminat, wie zum Beispiel ein Prepreg, sein.
In einer Ausführungsform wird die MEMS-Vorrichtung 300 auf der Apertur 365 derartig platziert, dass die Schutzregion 338 der Polymerschicht 330 direkt über der Apertur 365 angeordnet ist. In einer Ausführungsform umfasst die Schutzregion 338 eine hydrophobe oder wasserabweisende Region. Alternativ umfasst die Schutzregion 338 eine lipophobe oder ölabweisende Region. In einer Ausführungsform ist die Schutzregion 338 eine wasser- und ölabweisende Region.
4a zeigt eine Ausführungsform einer MEMS-Vorrichtung 400, und 4b zeigt ein integriertes MEMS-System oder eine gehauste MEMS-Vorrichtung 450.
Die MEMS-Vorrichtung 400 umfasst eine MEMS-Struktur (zum Beispiel einen MEMS-Stapel) 410, ein Substrat 420 und eine Polymerschicht 430. Die MEMS-Vorrichtung 400 kann ähnliche oder die gleichen Elemente, Materialien und Dimensionen wie die Ausführungsform der MEMS-Vorrichtung 300 umfassen.
Das Substrat 420 umfasst eine Öffnung, einen Hohlraum oder eine Kammer 425, und die Polymerschicht 430 umfasst eine Öffnung, einen Hohlraum oder eine Kammer 435. Das Substrat 420 kann eine an die MEMS-Struktur 410 angrenzende Öffnung 425 oder mehrere an die MEMS-Struktur 410 angrenzende Öffnungen umfassen. Die Öffnungen 425, 435 können rund sein und einen Kreis oder ein Oval umfassen oder eckig wie zum Beispiel ein Rechteck oder ein Quadrat sein. Die Öffnung 435 kann an die Öffnung 425 angrenzen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Öffnung 435 größer als die Öffnung 425 sein. In anderen Ausführungsformen kann die Öffnung 435 kleiner als die Öffnung 425 oder gleich groß sein. In einigen Ausführungsformen kann die Öffnung 435 einen Durchmesser von ungefähr 0,5 mm bis ungefähr 1,5 mm umfassen, und die Öffnung 425 kann einen Durchmesser von ungefähr 50 µm bis ungefähr 100 µm umfassen. Die Öffnung 435 kann an der Grenzfläche (zum Beispiel Oberseite) zwischen dem Substrat 420 und der Polymerschicht 430 angeordnet sein.
Die Polymerschicht 430 kann weiterhin kleine Öffnungen 437 in der Unterseite umfassen. Die kleinen Öffnungen 437 können zusammen mit dem Rest der Polymerschicht 430 in dieser Region eine Schutzregion 438 bilden. Die Schutzregion 438 kann eine perforierte Polymerschichtregion umfassen. Die Schutzregion 438 ist so konfiguriert, dass sie die MEMS-Struktur 410 gegen zum Beispiel ankommende Partikel 440 schützt. Die Polymerschicht 430 kann Abstandshalter 431 umfassen. Die Abstandshalter 431 können eine Breite von ungefähr 50 µm bis ungefähr 200 µm umfassen.
Die Ausführungsform in 4b zeigt ein System, ein Modul oder eine gehauste MEMS-Vorrichtung 450. Das System oder die gehauste MEMS-Vorrichtung 450 umfasst einen Komponententräger 460, eine Apertur 465, einen integrierten Schaltkreis (IC) 470, eine MEMS-Vorrichtung 400 und eine Kappe, Abdeckung, ein Gehäuse, eine Ummantelung oder Verkapselung 480. Die gehauste MEMS-Vorrichtung 450 kann ähnliche oder die gleichen Elemente, Materialien und Dimensionen wie die Ausführungsform der MEMS-Vorrichtung 350 umfassen. In einer Ausführungsform wird die MEMS-Vorrichtung 400 auf der Apertur 465 derartig platziert, dass die Schutzregion 438 der Polymerschicht 430 durch die Abstandshalter 431 auf Abstand von der Oberseite der Apertur 465 gehalten wird.
5a zeigt eine Ausführungsform einer MEMS-Vorrichtung 500, und 5b zeigt ein integriertes MEMS-System oder eine gehauste MEMS-Vorrichtung 550. Die MEMS-Vorrichtung 500 umfasst eine MEMS-Struktur (zum Beispiel einen MEMS-Stapel) 510, ein Substrat 520 und eine Polymerschicht 530. Die MEMS-Vorrichtung 500 kann ähnliche oder die gleichen Elemente, Materialien und Dimensionen wie die Ausführungsformen der MEMS-Vorrichtung 300 oder 400 umfassen.
Das Substrat 520 umfasst eine Öffnung, einen Hohlraum oder eine Kammer 525, die erste Polymerschicht 530 umfasst eine erste Öffnung, einen ersten Hohlraum oder eine erste Kammer 535 und die zweite Polymerschicht 540 umfasst eine zweite Öffnung, einen zweiten Hohlraum oder eine zweite Kammer 545. Das Substrat 520 kann eine an die MEMS-Struktur 510 angrenzende Öffnung 525 oder mehrere an die MEMS-Struktur 510 angrenzende Öffnungen umfassen. Die Öffnungen 525, 535, 545 können rund sein und einen Kreis oder ein Oval umfassen oder eckig sein und ein Rechteck oder ein Quadrat umfassen. Die erste Polymerschicht 530 kann eine erste, an die Öffnung 525 angrenzende Öffnung 535 umfassen. In verschiedenen Ausführungsformen ist die erste Öffnung 535 größer als die Öffnung 525. In anderen Ausführungsformen ist die erste Öffnung 535 kleiner als die Öffnung 525 oder gleich groß. Die ersten Öffnungen 535 können einen Durchmesser von ungefähr 0,5 mm bis ungefähr 1,5 mm umfassen, und die Öffnung 525 kann einen Durchmesser von ungefähr 50 µm bis ungefähr 100 µm umfassen. Die erste Öffnung 535 kann an der Grenzfläche (zum Beispiel Oberseite) zwischen dem Substrat 520 und der ersten Polymerschicht 530 angeordnet sein.
Die erste Polymerschicht 530 kann weiterhin kleine erste Öffnungen 537 in der Unterseite umfassen. Die kleinen ersten Öffnungen 537 können zusammen mit dem Rest der ersten Polymerschicht 530 eine erste Schutzregion 538 bilden. Die erste Schutzregion 538 kann eine erste perforierte Polymerschichtregion umfassen. Die erste Schutzregion 538 ist so konfiguriert, dass sie die MEMS-Struktur 500 gegen zum Beispiel ankommende Partikel 549 schützt.
Die zweite Polymerschicht 540 kann eine zweite, an die erste Öffnung 535 angrenzende Öffnung 545 umfassen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die zweite Öffnung 545 größer als die Öffnung 525 und/oder die erste Öffnung 535 oder gleich groß sein. In einigen Ausführungsformen ist die zweite Öffnung 545 kleiner als die Öffnung 525 und/oder die erste Öffnung 535. Die Öffnungen 535, 545 können einen Durchmesser von ungefähr 0,5 mm bis ungefähr 1,5 mm (+/–25 µm bis 100 µm) umfassen, und die Öffnung 425 kann einen Durchmesser von ungefähr 50 µm bis ungefähr 100 µm umfassen. Die zweite Öffnung 545 kann an der Grenzfläche (zum Beispiel Oberseite) zwischen der ersten Polymerschicht 530 und der zweiten Polymerschicht 540 angeordnet sein.
Die zweite Polymerschicht 540 kann weiterhin kleine zweite Öffnungen 547 in der Unterseite umfassen. Die kleinen zweiten Öffnungen 547 können zusammen mit dem Rest der zweiten Polymerschicht 540 eine zweite Schutzregion 548 bilden. Die zweite Schutzregion 548 kann eine perforierte Polymerschichtregion umfassen. Die zweite Schutzregion 548 ist so konfiguriert, dass sie die MEMS-Struktur 510 gegen zum Beispiel ankommende Partikel 549 schützt.
In einigen Ausführungsformen können die Kammer 535, 537 und die Kammer 545, 547 zwei in Reihe geschaltete Hoch-/Tiefpassfilter mit derselben Grenzfrequenz bilden (und einen Effekt zweiter Ordnung liefern). In alternativen Ausführungsformen bilden die Kammern 535, 537, 545, 547 zwei Tiefpassfilter mit unterschiedlichen Grenzfrequenzen.
Die Ausführungsform in 5b zeigt ein System, ein Modul oder eine gehauste MEMS-Vorrichtung 550. Das System oder die gehauste MEMS-Vorrichtung 550 umfasst einen Komponententräger 560, eine Apertur 565, einen integrierten Schaltkreis (IC) 570, eine MEMS-Vorrichtung 500 und eine Kappe, Abdeckung, ein Gehäuse, eine Ummantelung oder Verkapselung 580. Die gehauste MEMS-Vorrichtung 550 kann ähnliche oder die gleichen Elemente, Materialien und Dimensionen wie die Ausführungsform der MEMS-Vorrichtungen 350 oder 450 umfassen. In einer Ausführungsform wird die MEMS-Vorrichtung 500 auf der Apertur 565 derartig platziert, dass die zweite Schutzregion 548 der zweiten Polymerschicht 540 direkt auf der Oberseite der Apertur 465 angeordnet ist.
6a zeigt eine Ausführungsform einer MEMS-Vorrichtung 600, und 6b zeigt ein integriertes MEMS-System oder eine gehauste MEMS-Vorrichtung 650.
Die MEMS-Vorrichtung 600 umfasst eine MEMS-Struktur (zum Beispiel einen Stapel) 610, ein Substrat 620 und eine Polymerschicht 630. Das Substrat 620 kann ein Halbleitermaterial, zum Beispiel Silizium oder Germanium, oder einen Verbindungshalbleiter, zum Beispiel SiGe, GaAs, InP, GaN oder SiC, umfassen. Alternativ kann das Substrat 620 organische Materialien, zum Beispiel Glas oder Keramik, umfassen. Das Substrat 620 kann eine Dicke von 100 µm bis 200 µm oder 100 µm bis 300 µm umfassen.
Die MEMS-Struktur 610 kann ein MEMS-Stapel sein. Die MEMS-Struktur 610 kann eine Struktur zum Erfassen eines empirischen Signals umfassen. Der MEMS-Stapel 610 kann zum Beispiel eine Membran 611, eine Rückplatte 612 und Abstandshalter 613 zwischen der Membran 611 und der Rückplatte 613 umfassen. In einer Ausführungsform umfasst der MEMS-Stapel 610 eine Rückplatte 611 als eine oberste Schicht. Alternativ umfasst der MEMS-Stapel 610 eine Rückplatte als eine oberste Schicht. Der MEMS-Stapel 610 kann andere oder zusätzliche Materialschichten umfassen.
Der Polymerfilm 630 kann ein photostrukturierbarer Polymerfilm sein. In einer Ausführungsform kann der Polymerfilm 630 ein negativer Fotolack auf Epoxidbasis sein. Der Polymerfilm 630 kann zum Beispiel SU-8-Lack sein. Der SU-8-Lack umfasst einen chemisch verstärkten negativen Lack auf Epoxidbasis, der optisch transparent und abbildungsfähig für nahes UV (zum Beispiel 365 nm) ist. Ausgehärtete SU-8-Lackfilme oder Mikrostrukturen sind sehr beständig gegen Lösungsmittel, Säuren und Basen und verfügen über eine ausgezeichnete thermische und mechanische Stabilität. Der Polymerfilm 630 kann eine Dicke von ungefähr 50 µm bis ungefähr 100 µm, eine Dicke von ungefähr 100 µm bis ungefähr 200 µm oder eine Dicke von ungefähr 50 µm bis ungefähr 300 µm umfassen.
Das Substrat 620 umfasst eine Öffnung 625, und die Polymerschicht 630 umfasst eine Öffnung 635. Das Substrat 620 kann eine an den MEMS-Stapel 610 angrenzende Öffnung 625 oder mehrere an den MEMS-Stapel 610 angrenzende Öffnungen umfassen. Die Öffnungen 625, 635 können rund sein und einen Kreis oder ein Oval umfassen oder eckig sein und ein Rechteck oder ein Quadrat umfassen. Die Polymerschicht 630 kann eine an die Öffnung 625 angrenzende Öffnung 635 umfassen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Öffnung 635 größer als die Öffnung 625 sein. In anderen Ausführungsformen kann die Öffnung 635 kleiner als die Öffnung 625 oder gleich groß sein. Die Öffnung 635 kann beliebige geometrische Abmessungen umfassen. Die Öffnung 635 kann eine Höhe von ungefähr 50 µm bis ungefähr 200 µm umfassen. Die Polymerschicht 630 in der MEMS-Vorrichtung 600 kann eine Breite von ungefähr 100 µm bis ungefähr 200 µm umfassen. Die Öffnung 635 kann an der Grenzfläche (zum Beispiel Oberseite) zwischen dem Substrat 620 und der Polymerschicht 630 angeordnet sein.
Die Polymerschicht 630 kann weiterhin Stopfen 637 in der Unterseite umfassen. Die Stopfen 637 können kleine Stopfen 637 sein. Die Stopfen 637 können ein Polymermaterial umfassen oder einfach auf die Leiterplatte aufgeklebt werden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Polymerschicht 630 eine erste Polymerschicht und eine zweite Polymerschicht mit den gleichen oder unterschiedlichen, miteinander verbundenen Öffnungen umfassen.
Die Ausführungsform in 6b zeigt ein System, ein Modul oder eine gehauste MEMS-Vorrichtung 650. Das System oder die gehauste MEMS-Vorrichtung 650 umfasst einen Komponententräger 660, eine Apertur 665, einen integrierten Schaltkreis (IC) 670, eine MEMS-Vorrichtung 600 und eine Kappe, Abdeckung, ein Gehäuse, eine Ummantelung oder Verkapselung 680. Der Komponententräger 660 kann eine Keramik, ein Laminat oder eine Leiterplatte sein. Der IC 670 kann eine Einzelvorrichtung oder ein integrierter Schaltkreis sein, der so konfiguriert ist, dass er eine einzelne Funktionalität oder mehrere Funktionalitäten bereitstellt. Der IC 670 kann zum Beispiel ein A/D-Wandler sein. Alternativ kann der IC 670 eine Steuereinheit sein. Die MEMS-Vorrichtung 600 und der IC 670 sind auf dem Komponententräger 660 angeordnet.
Die Kappe 680 kann eine Formmasse, ein Laminat oder eine Ummantelung wie zum Beispiel eine Metalldeckelummantelung oder eine Plastikdeckelummantelung sein. Die Kappe 680 kann den Komponententräger 660 teilweise abdecken und die MEMS-Vorrichtung 600 und den IC 670 vollständig abdecken. Die Kappe 680 kann die Drähte und/oder die leitfähigen Klemmen, die den IC 670 mit dem Komponententräger 660 und der MEMS-Vorrichtung 600 verbinden, vollständig oder teilweise abdecken. Die Kappe 680 umfasst eine Öffnung, einen Hohlraum oder eine Kammer 690.
Die Kappe 680 kann duroplastische Materialien, wie zum Beispiel eine Epoxid-, eine Polyimid-, eine Polyurethan- oder eine Polyacrylatverbindung, oder ein Metall enthalten. Alternativ kann die Kappe 680 thermoplastische Materialien, zum Beispiel Polysulfone, Polyphenylensulfide oder Polyetherimide, enthalten. In einer Ausführungsform kann das Kappenmaterial ein Laminat, wie zum Beispiel ein Prepreg, sein.
Die Kappe 680 umfasst eine Apertur 665. Die Apertur 665 kann ein Schallloch oder ein anderer, für den Empfang ankommender Signale konfigurierter Port sein. Die ankommenden Signale können empirische Signale, wie zum Beispiel Schall, sein. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Apertur 665 auf der Oberseite der Kappe 680 angeordnet. In anderen Ausführungsformen ist die Apertur 665 an Seitenwänden der Kappe 680 angeordnet.
Die 7a und 7b zeigen eine Ausführungsform einer MEMS-Vorrichtung 700. 7a ist eine Querschnittsansicht der MEMS-Vorrichtung 700 entlang Linie A-A in 7b, und 7b ist eine Querschnittsansicht der MEMS-Vorrichtung 700 entlang Linie B-B in 7a. 7a zeigt eine MEMS-Vorrichtung 700 mit einer MEMS-Struktur 710, einem Substrat 720 und einer Polymerschicht 730. Die MEMS-Struktur 710 ist auf einer ersten Hauptfläche 721 des Substrats 720 angeordnet. In verschiedenen Ausführungsformen ist die MEMS-Vorrichtung 700 ein Silizium-Mikrofon. In alternativen Ausführungsformen ist die MEMS-Vorrichtung 700 ein Sensor oder ein Wandler.
Die MEMS-Struktur 710 kann ein MEMS-Stapel sein. Die MEMS-Struktur 710 kann eine Struktur zum Erfassen eines empirischen Signals umfassen. Der MEMS-Stapel 710 umfasst zum Beispiel eine Membran 711, eine Rückplatte 712 und Abstandshalter 713 zwischen der Membran 711 und der Rückplatte 713. In einer Ausführungsform umfasst der MEMS-Stapel 710 eine Membran 711 als eine oberste Schicht. Alternativ umfasst der MEMS-Stapel 710 eine Rückplatte als eine oberste Schicht.
Die MEMS-Vorrichtung 700 kann ein Mikrofon oder ein Silizium-Mikrofon umfassen. Alternativ umfasst die MEMS-Vorrichtung 700 einen Wandler. Der Wandler kann ein Sensor sein, wie zum Beispiel ein Drucksensor, ein Beschleunigungsmesser oder ein HF-MEMS. Die MEMS-Vorrichtung 700 kann eine Einzelvorrichtung oder ein integrierter Schaltkreis (IC) sein. Der integrierte Schaltkreis kann einen Vorverstärker und Eingangs-/Ausgangsanschlüsse umfassen. Außerdem kann der integrierte Schaltkreis (IC) einen A/D-Wandler oder Transistoren usw. umfassen.
Das Substrat 720 kann ein Halbleitermaterial, zum Beispiel Silizium oder Germanium, oder einen Verbindungshalbleiter, zum Beispiel SiGe, GaAs, InP, GaN oder SiC, umfassen. Alternativ kann das Substrat 720 organische Materialien, zum Beispiel Glas oder Keramik, umfassen. Das Substrat kann eine Dicke von 100 µm bis 200 µm oder 100 µm bis 300 µm umfassen.
Der Polymerfilm 730 kann ein photostrukturierbarer Polymerfilm sein. In einer Ausführungsform kann der Polymerfilm 730 ein negativer Fotolack auf Epoxidbasis sein. Der Polymerfilm 730 kann zum Beispiel SU-8-Lack sein. Der SU-8-Lack umfasst einen chemisch verstärkten, negativen Lack auf Epoxidbasis, der optisch transparent und abbildungsfähig für nahes UV (zum Beispiel 365 nm) ist. Ausgehärtete SU-8-Lackfilme oder Mikrostrukturen sind sehr beständig gegen Lösungsmittel, Säuren und Basen und verfügen über eine ausgezeichnete thermische und mechanische Stabilität. Der Polymerfilm 730 kann eine Dicke von ungefähr 50 µm bis ungefähr 100 µm, eine Dicke von ungefähr 100 µm bis ungefähr 200 µm oder eine Dicke von ungefähr 50 µm bis ungefähr 300 µm umfassen.
Das Substrat 720 umfasst eine Öffnung, einen Hohlraum oder eine Kammer 725, und die Polymerschicht 730 umfasst eine Öffnung, einen Hohlraum oder eine Kammer 735. Das Substrat 720 kann eine an die MEMS-Struktur 710 angrenzende Öffnung 725 oder mehrere an die MEMS-Struktur 710 angrenzende Öffnungen 725 umfassen. Die Öffnungen 725, 735 können rund sein und einen Kreis oder ein Oval umfassen oder eckig sein und ein Rechteck oder ein Quadrat umfassen. Die Öffnung 735 der Polymerschicht 730 grenzt an die Öffnung 725. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Öffnung 735 größer als die Öffnung 725. In anderen Ausführungsformen ist die Öffnung 735 kleiner als die Öffnung 725 oder gleich groß.
Die MEMS-Vorrichtung 700 umfasst einen Belüftungskanal wie zum Beispiel einen akustischen Belüftungskanal 738. Der Belüftungskanal 738 ist in der Polymerschicht 730 angeordnet. Der Belüftungskanal 738 umfasst einen Auslass 739. Der Belüftungskanal 738 kann ganz oder teilweise um die Öffnung 735 herum angeordnet sein. Der Belüftungskanal 738 kann sich durch die Polymerschicht 730 schlängeln. In verschiedenen Ausführungsformen befindet sich der Auslass 739 an irgendeiner der Seitenwände 701–704, aber umfasst keinen direkten Zugang zu der Öffnung 735.
In einer Ausführungsform umfasst die MEMS-Vorrichtung 700 Stopfen 737 in einer unteren Region der Polymerschicht 730. Alternativ umfasst die MEMS-Vorrichtung 700 Öffnungen 737 (zum Beispiel Schallloch) in der unteren Region der Polymerschicht 730.
Die 8a–8c zeigen eine Ausführungsform einer MEMS-Vorrichtung 800. 8b ist eine Querschnittsansicht entlang Linie B-B in 8a, und 8c ist eine Querschnittsansicht entlang Linie C-C in 8a. 8a zeigt eine Querschnittsansicht entlang den Linien A-A in den 8b und 8c. 8a zeigt eine MEMS-Vorrichtung 800 mit einer MEMS-Struktur 810, einem Substrat 820 und den Polymerschichten 830 und 840. Die MEMS-Struktur 810 ist auf einer ersten Hauptfläche 821 des Substrats 820 angeordnet. In verschiedenen Ausführungsformen ist die MEMS-Vorrichtung 800 ein Silizium-Mikrofon. In alternativen Ausführungsformen ist die MEMS-Vorrichtung 800 ein Sensor oder ein Wandler.
Die MEMS-Struktur 810 kann ein MEMS-Stapel sein. Die MEMS-Struktur 810 kann eine Struktur zum Erfassen eines empirischen Signals umfassen. Der MEMS-Stapel 810 umfasst eine Membran 811, eine Rückplatte 812 und Abstandshalter 813 zwischen der Membran 811 und der Rückplatte 812. In einer Ausführungsform umfasst der MEMS-Stapel 810 eine Membran 811 als eine oberste Schicht. Alternativ umfasst der MEMS-Stapel 810 eine Rückplatte als eine oberste Schicht.
Die MEMS-Vorrichtung 800 kann ein Mikrofon oder ein Silizium-Mikrofon umfassen. Alternativ kann die MEMS-Vorrichtung 800 einen Wandler umfassen. Der Wandler kann ein Sensor sein, wie zum Beispiel ein Drucksensor, ein Beschleunigungsmesser oder ein HF-MEMS. Die MEMS-Vorrichtung 800 kann eine Einzelvorrichtung oder ein integrierter Schaltkreis (IC) sein. Der integrierte Schaltkreis kann einen Vorverstärker und Eingangs-/Ausgangsanschlüsse umfassen. Außerdem kann der integrierte Schaltkreis (IC) einen A/D-Wandler oder Transistoren usw. umfassen.
Das Substrat 820 kann ein Halbleitermaterial, zum Beispiel Silizium oder Germanium, oder einen Verbindungshalbleiter, zum Beispiel SiGe, GaAs, InP, GaN oder SiC, umfassen. Alternativ kann das Substrat 820 organische Materialien, zum Beispiel Glas oder Keramik, umfassen. Das Substrat kann eine Dicke von 100 µm bis 200 µm oder 100 µm bis 300 µm umfassen.
Der erste Polymerfilm 830 kann ein photostrukturierbarer Polymerfilm sein. In einer Ausführungsform kann der Polymerfilm ein negativer Fotolack auf Epoxidbasis sein. Der Polymerfilm kann zum Beispiel SU-8-Lack sein. Der SU-8-Lack umfasst einen chemisch verstärkten, negativen Lack auf Epoxidbasis, der optisch transparent und abbildungsfähig für nahes UV (zum Beispiel 365 nm) ist. Ausgehärtete SU-8-Lackfilme oder Mikrostrukturen sind sehr beständig gegen Lösungsmittel, Säuren und Basen und verfügen über eine ausgezeichnete thermische und mechanische Stabilität. Der Polymerfilm kann eine Dicke von ungefähr 50 µm bis ungefähr 100 µm, eine Dicke von ungefähr 100 µm bis ungefähr 200 µm oder eine Dicke von ungefähr 50 µm bis ungefähr 300 µm umfassen.
Die MEMS-Vorrichtung 800 kann eine zweite, an die erste Polymerschicht 830 angrenzende Polymerschicht 840 umfassen. Die zusätzliche Polymerschicht 840 kann dieselben Eigenschaften und Abmessungen wie die erste Polymerschicht 830 umfassen, außer wie nachfolgend erörtert.
Das Substrat 820 umfasst eine Öffnung, einen Hohlraum oder eine Kammer 825, die erste Polymerschicht 830 umfasst eine Öffnung, einen Hohlraum oder eine Kammer 835, und die zweite Polymerschicht 840 umfasst eine Öffnung, einen Hohlraum oder eine Kammer 845. Die Öffnungen 825, 835, 845 können rund sein und einen Kreis oder ein Oval umfassen oder eckig wie zum Beispiel ein Rechteck oder ein Quadrat sein. In verschiedenen Ausführungsformen grenzt die Öffnung 835 der ersten Polymerschicht 830 an die Öffnung 825 an, und die Öffnung 845 der zweiten Polymerschicht 840 grenzt an die Öffnung 835 an. In verschiedenen Ausführungsformen sind die Öffnungen 835, 845 größer als die Öffnung 825. In einigen Ausführungsformen sind die Öffnungen 835, 845 kleiner als die Öffnung 825 oder gleich groß. In anderen Ausführungsformen unterscheiden sich die Öffnungen 835, 845 in der Größe voneinander.
Die MEMS-Vorrichtung 800 umfasst einen niederohmigen Belüftungskanal 848 wie zum Beispiel einen akustischen niederohmigen Belüftungskanal 848. Der niederohmige Belüftungskanal 848 ist in der Polymerschicht 840 angeordnet. Der niederohmige Belüftungskanal 848 umfasst einen Auslass 849. Der niederohmige Belüftungskanal 848 kann ganz oder teilweise um die Öffnung 845 herum angeordnet sein. Der niederohmige Belüftungskanal 848 kann sich durch die Polymerschicht 840 schlängeln. In einigen Ausführungsformen befindet sich der Auslass 849 an einer der Seitenwände 801–804, aber umfasst keinen direkten Zugang zu der Öffnung 845.
Die MEMS-Vorrichtung umfasst weiterhin einen hochohmigen Belüftungskanal 838. Der Zugang zu dem hochohmigen Belüftungskanal 838 erfolgt über eine Entlüftung oder ein Überdruckventil 839. In einer Ausführungsform öffnet sich das Überdruckventil 839 nur, wenn an der MEMS-Vorrichtung 800 ein hoher Druck anliegt.
Die Ausführungsformen in den 8a–8c können extreme Eingangstonsignale (Drücke) direkt in das Rückvolumen einer Kappe (wie in den Ausführungsformen in den 3b–5b dargestellt) umleiten. Eine derartige Konfiguration hat den Vorteil, dass die empfindliche MEMS-Struktur 810 der MEMS-Vorrichtung 800 nicht von diesen extremen Tonsignalen durchdrungen wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile ausführlich beschrieben wurden, versteht es sich, dass verschiedene Änderungen, Entsprechungen und Modifikationen hierbei werden können, ohne vom Wesen und Rahmen der Erfindung, wie vorgenommen durch die angefügten Ansprüche definiert, abzuweichen.
Außerdem ist nicht beabsichtigt, den Rahmen der vorliegenden Erfindung auf die speziellen, in der Beschreibung dargelegten Ausführungsformen von Prozess, Maschine, Herstellung, Zusammensetzung der Materie, Mitteln, Verfahren und Schritten zu beschränken. Wie dem Fachkundigen aus der Offenbarung der vorliegenden Erfindung leicht ersichtlich ist, können Prozesse, Maschinen, Herstellungsverfahren, Zusammensetzungen der Materie, Mittel, Verfahren oder Schritte, die zur Zeit vorliegen oder später entwickelt werden, die im Wesentlichen dieselbe Funktion ausführen oder im Wesentlichen dasselbe Ergebnis erzielen wie die entsprechenden, hierin beschriebenen Ausführungsformen, gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Dementsprechend sollen die angefügten Ansprüche in ihrem Umfang derartige Prozesse, Maschinen, Herstellungsverfahren, Zusammensetzungen der Materie, Mittel, Verfahren oder Schritte einschließen.

Claims

MEMS-Vorrichtung (300; 400; 500; 600; 700; 800), umfassend: eine erste Polymerschicht (330); ein auf der ersten Polymerschicht (330) angeordnetes MEMS-Substrat (320); eine von dem MEMS-Substrat (320) getragene MEMS-Struktur (310); eine im MEMS-Substrat (320) angeordnete erste Öffnung (325); und eine in der ersten Polymerschicht (330) angeordnete zweite Öffnung (335).
MEMS-Vorrichtung (300) nach Anspruch 1, wobei die erste Polymerschicht (330) weiterhin kleine Öffnungen (337) umfasst, wobei die kleinen Öffnungen kleiner als die zweite Öffnung (335) sind und die zweite Öffnung mit einer Oberfläche der ersten Polymerschicht (330) verbinden.
MEMS-Vorrichtung (600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Polymerschicht (630) weiterhin Stopfen (637) umfasst, wobei die Stopfen zwischen der zweiten Öffnung (635) und einer Oberfläche der ersten Polymerschicht (630) angeordnet sind.
MEMS-Vorrichtung (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Öffnung (335) größer als die erste Öffnung (325) ist.
MEMS-Vorrichtung (700) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiterhin umfasst einen in der ersten Polymerschicht (730) angeordneten ersten Belüftungsauslass (739); und einen Belüftungskanal (738), der die zweite Öffnung (735) mit dem ersten Belüftungsauslass verbindet.
MEMS-Vorrichtung (700) nach Anspruch 5, wobei der Belüftungskanal (738) um die zweite Öffnung (735) herum angeordnet ist.
MEMS-Vorrichtung (500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiterhin eine zweite Polymerschicht (540) umfasst, wobei die zweite Polymerschicht zwischen der ersten Polymerschicht (530) und dem MEMS-Substrat (520) angeordnet ist, wobei die zweite Polymerschicht (540) eine dritte Öffnung (545) umfasst, wobei die dritte Öffnung die erste Öffnung mit der zweiten Öffnung verbindet.
MEMS-Vorrichtung (800) nach Anspruch 7, wobei die zweite Polymerschicht (840) einen zweiten Belüftungsauslass (849) umfasst, wobei der zweite Belüftungsauslass über ein Überdruckventil (839) mit der ersten Öffnung (825) verbunden ist.
Verfahren (100) zum Herstellen einer MEMS-Vorrichtung, umfassend: Bilden (110) einer von einem Substrat (230) getragene MEMS-Struktur (240); Bilden (140) einer Polymerschicht (220) auf dem Substrat (230); Belichten (150) der Polymerschicht (220) mit einem ersten Licht, um ein erstes Muster zu bilden; und Belichten (160) der Polymerschicht (220) mit einem zweiten Licht, um ein zweites Muster zu bilden.
Verfahren (100) nach Anspruch 9, das weiterhin das Entfernen unbelichteter Teilbereiche der Polymerschicht (220) umfasst, wodurch eine erste Öffnung (535) in der Polymerschicht (220) gebildet wird.
Verfahren (100) nach Anspruch 10, das weiterhin das Ätzen des Substrats umfasst, wodurch eine Fläche unterhalb der MEMS-Struktur (240) geöffnet wird.
Verfahren (100) nach Anspruch 11, das weiterhin das Entwickeln und Backen (170) der Polymerschicht (220) umfasst.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, das weiterhin das Dünnen (130) des Substrats umfasst.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die MEMS-Struktur (240) ein MEMS-Stapel (310) ist, der eine Rückplatte (312) und eine Membran (311) umfasst, wobei das Verfahren weiterhin das Ätzen einer Opferschicht in dem MEMS-Stapel umfasst, wodurch die Membran im MEMS-Stapel gelöst wird und Abstandshalter in dem MEMS-Stapel (310) gebildet werden.