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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung und eine mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung.
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Die Integration von piezoelektrischen mikromechanischen Ultraschallwandlern (engl.: piezoelectric micromachined ultrasonic transducers, PMUT) direkt auf komplementären Metall-Oxid-Halbleiter Schaltkreisen (engl.: complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS) ermöglicht eine kostengünstige Darstellung von bildgebenden Ultraschallsystemen für Anwendungen wie Fingerabdrucksensoren oder Anwendungen in der Medizin oder der Schadensanalyse. CMOS-Bauelemente können beispielsweise kombinierte p-Kanal und n-Kanal Feldeffekttransistoren aufweisen. Herkömmlicherweise werden integrierte PMUT-Bauelemente durch Waferbonden oder Modifizieren vorhandener CMOS-Schichten hergestellt. Beim Waferbonden werden die Schaltkreise jedoch hohen Temperaturen und Drücken ausgesetzt, was zu Ausbeuteverlusten und komplexen Designs für die Verdrahtung führt. Das Modifizieren von CMOS-Schichten schränkt außerdem die Wahl optimaler Schichteigenschaften auf im Schaltungsprozess vorhandene Materialien und Schichtdicken ein.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung anzugeben und eine verbesserte mikroelektroakustische Wandlervorrichtung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen einer mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung und eine mikroelektroakustische Wandlervorrichtung mit den Merkmalen der jeweils unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein Verfahren zum Herstellen einer mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung umfasst folgende Verfahrensschritte: Ein Opferschichtmaterial wird an einer Oberseite eines Substrats angeordnet und strukturiert, wodurch eine Opferschichtstruktur erzeugt wird. Es wird eine Piezowandlervorrichtung über der Opferschichtstruktur angeordnet. Ein Membranmaterial wird über der Opferschichtstruktur angeordnet. Die Opferschichtstruktur wird freigelegt. Die freigelegte Opferschichtstruktur wird entfernt, wodurch über der Oberseite des Substrats eine mit der Piezowandlervorrichtung verbundene Membran freigestellt wird. Das Substrat und die Membran schließen eine Kavität ein.
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Durch das Verfahren wird eine freischwebende und über dem Substrat aufgehängte Membran bereitgestellt, die durch piezoelektrische Anregung zur Schwingung anregbar ist, um Schall, beispielsweise Ultraschall, zu erzeugen. Die Membran ist jedoch auch mittels Schalls zu Schwingungen anregbar, wodurch Schallwellen detektierbar sind. Das Verfahren bietet einen hohen Freiheitsgrad hinsichtlich der Materialwahl und Schichtdicken der auf dem Substrat angeordneten Elemente. Dadurch kann eine Performance der mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung optimiert werden.
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Als Opferschichtmaterial sollte ein Material gewählt werden, das derart temperaturstabil ist, dass Verfahrensschritte, die nach dem Anordnen und Strukturieren des Opferschichtmaterials erfolgen, die Opferschichtstruktur und insbesondere ihre geometrische Form nicht beeinflussen. Als Opferschichtmaterial kann beispielsweise Siliziumgermanium verwendet werden. Das Opferschichtmaterial kann beispielsweise mittels chemischer Niedrigdruck-Gasphasenabscheidung (engl.: low pressure chemical vapour deposition, LPCVD) an der Oberseite des Substrats angeordnet bzw. abgeschieden werden.
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Das Membranmaterial weist beispielsweise eines der folgenden Materialien auf: Silizium, Siliziumoxid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid und Aluminiumoxid. Dadurch ist die Membran gegenüber einem Opferschichtätzmittel zum Entfernen der freigelegten Opferschichtstruktur stabil. Das Piezomaterial der Piezowandlervorrichtung kann beispielsweise Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), ein Alkaliniobat (KNN), ein Erdalkalititanat (BST), eine Aluminiumnitrid-Scandium Legierung (ScAlN) oder Zinkoxid (ZnO) aufweisen, da diese Materialien große Piezokoeffizienten aufweisen und hohe Signalpegel ermöglichen.
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Eine Membrandicke kann beispielsweise 1µm bis 10µm betragen, während eine Dicke des Piezomaterials der Piezowandlervorrichtung beispielsweise 1 µm bis 4µm betragen kann, wobei die angegebenen Wertebereiche jeweils lediglich beispielhafte Angaben darstellen und die Dicke der Membran und die Dicke des Piezomaterials nicht hierauf beschränkt sind. Aus einem Verhältnis der Dicken und mechanischen Materialkonstanten lässt sich die mikroelektroakustische Wandlervorrichtung auf eine gewünschte Zielspezifikation, beispielsweise hinsichtlich einer Frequenz, eines Schallpegels und/oder einer Steuerspannung auslegen. Eine Kavitätshöhe kann beispielsweise 0,5µm bis 5µm betragen, um einen genügenden Freiraum für eine Schwingung der Membran mit einer maximale Schwingungsamplitude zu ermöglichen und die Quetschfilmdämpfung möglichst gering zu halten. Auch der angegebene Wertebereich für die Höhe der Kavität ist lediglich beispielhaft und die Höhe ist nicht hierauf beschränkt.
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In einer Ausführungsform wird das Membranmaterial auf der Opferschichtstruktur und die Piezowandlervorrichtung auf dem Membranmaterial angeordnet. Das Membranmaterial wird derart angeordnet, dass es die Opferschichtstruktur vollständig bedeckt. In einer anderen Ausführungsform wird die Piezowandlervorrichtung auf der Opferschichtstruktur und das Membranmaterial auf der Piezowandlervorrichtung angeordnet. Das Membranmaterial wird derart angeordnet, dass es die Opferschichtstruktur und die Piezowandlervorrichtung vollständig bedeckt.
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In einer Ausführungsform wird das Opferschichtmaterial derart strukturiert, dass als Opferschichtstruktur eine Mesastruktur auf der Oberseite des Substrats verbleibt. Die Membran kann in diesem Fall auch als Mesamembran bezeichnet werden. In einer Ausführungsform wird die Mesastruktur mittels eines Ätzprozesses, insbesondere mittels eines isotropen Ätzprozesses, erzeugt, wodurch die Membran über flache Erhebungsflanken mit dem Substrat verbunden ist. Vorteilhafterweise weist die mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung eine höhere Robustheit durch flache Erhebungsflanken auf. Durch einen flachen Flankenwinkel ergeben sich bei mechanischer Kontaktbelastung im Anwendungsfall geringere Stressspitzen in der Membran, was die Lebensdauer der mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung erhöht. Eine flache Erhebungsflanke kann auch eine elektrische Kontaktierung der mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung vereinfachen. Die Erhebungsflanke kann beispielsweise einen Flankenwinkel von weniger als 70° aufweisen, der Flankenwinkel ist jedoch nicht auf den angegebenen Wertebereich beschränkt.
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In einer Ausführungsform wird das Membranmaterial derart strukturiert, dass es an einer der Piezowandlervorrichtung abgewandten Seite Korrugationen aufweist. Die Korrugationen können eine Steifigkeit der Membran beeinflussen. Vorteilhafterweise können dadurch unerwünschte Schwingungsmoden der Membran unterdrückt bzw. erwünschte Moden gefördert werden. Die Korrugationen können beispielsweise durch Strukturieren der Opferschichtstruktur erzeugt werden, wenn das Membranmaterial auf der Opferschichtstruktur angeordnet wird. Wird das Membranmaterial auf der Piezowandlervorrichtung angeordnet, kann statt der Opferschichtstruktur das Membranmaterial strukturiert werden, um die Korrugationen in der Membran zu erzeugen.
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In einer Ausführungsform weist das Substrat eine integrierte komplementäre Metalloxid-Halbleiterschaltung auf. Vor dem Anordnen des Opferschichtmaterials wird eine Schaltungspassivierung auf der Oberseite des Substrats angeordnet wird. Durch die Verwendung eines Substrats mit einer integrierten komplementären Metalloxid-Halbleiterschaltung (CMOS-Schaltung) wird ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines Post-CMOS integrierten PMUT-Bauelements realisiert, wobei keine Waferbondtechnik erforderlich ist, bei der das Substrat einer hohen Temperatur und einem hohen Druck ausgesetzt wird. Vorteilhafterweise schützt die Schaltungspassivierung die CMOS-Schaltung zusätzlich. Das Anordnen der Schaltungspassivierung bzw. die Schaltungspassivierung sind jedoch nicht zwingend erforderlich und können auch entfallen. Außerdem ist das Modifizieren von CMOS-Schichten nicht erforderlich, was die Wahl optimaler Schichteigenschaften auf im Schaltungsprozess vorhandene Materialien und Schichtdicken einschränken würde.
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In einer Ausführungsform wird eine Passivierungsschicht auf der Piezowandlervorrichtung und/oder auf der Opferschichtstruktur angeordnet. Vorteilhafterweise kann die Piezowandlervorrichtung dadurch geschützt und elektrisch isoliert werden. Beispielsweise kann eine Elektrode der Piezowandlervorrichtung dadurch elektrisch von einer weiteren Elektrode oder auch von der Membran entkoppelt werden.
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In einer Ausführungsform werden nach dem Entfernen der Opferschichtstruktur an der Oberseite des Substrats angeordnete Elemente in eine Abdeckung eingebettet. Die Abdeckung kann beispielsweise ein Polyimid aufweisen und dient neben einer Passivierung vorteilhafterweise auch einer besseren akustische Anbindung/Kopplung der mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung an eine Umgebung.
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Eine mikroelektroakustische Wandlervorrichtung weist ein Substrat, zumindest eine freigestellte Membran und eine mit der Membran verbundenen Piezowandlervorrichtung auf. Das Substrat weist eine integrierte komplementäre Metalloxid-Halbleiterschaltung auf. Die Membran ist gegenüber einer Oberseite des Substrats erhaben. Die Membran ist über flache Erhebungsflanken mit dem Substrat verbunden.
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In einer Ausführungsform bilden die Membran und die mit der Membran verbundene Piezowandlervorrichtung ein Wandlerelement. Die mikroelektroakustische Wandlervorrichtung weist eine Mehrzahl von an der Oberseite des Substrats angeordneten Wanderelementen auf. Insbesondere für bildgebende Verfahren ist eine Anordnung mehrerer Membranen in einem Raster sinnvoll. In dieser Anordnung kann über eine individuelle, phasenmodulierte Ansteuerung der Wandlerelemente, die auch als Pixel bezeichnet werden können, auch eine Strahlformung und -steuerung realisiert werden. Die Wandlerelemente können beispielsweise einzeln über Zeilen- und Spaltenleitungen angesprochen werden, wobei durch eine Zeilenleitung und eine Spaltenleitung beispielsweise unterschiedliche Elektroden der Wandlerelemente ansteuerbar sind.
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Das Verfahren zum Herstellen einer mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung und die mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung werden im Folgenden im Zusammenhang mit schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 bis 7: Verfahrensschritte eines Verfahrens zum Herstellen einer mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 8: eine mikroelektroakustische Wandlervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 9: eine mikroelektroakustische Wandlervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform und
- 10: eine mikroelektroakustische Wandlervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform.
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1 bis 7 zeigen schematisch unterschiedliche Zustände im Rahmen eines Verfahrens zum Herstellen einer mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung, wobei jeweils eine Querschnittsansicht und eine Draufsicht gezeigt ist. Die Querschnittsansichten sind in den jeweiligen Draufsichten mittels gestrichelter Linien angedeutet, die sich jeweils zwischen einem Mittelpunkt M der mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung und zwei weiteren Punkten A, B erstrecken, wodurch die Querschnittsansichten jeweils einen Aufbau von Elementen der mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung entlang eines rechten Winkels zeigen. In den 1 bis 7 werden für dieselben Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt schematisch einen ersten Zustand nach dem Durchführen eines ersten Verfahrensschritts. Im ersten Verfahrensschritt wurde ein Opferschichtmaterial 1 an einer Oberseite 2 eines Substrats 3 angeordnet und strukturiert, um eine Opferschichtstruktur 4 zu erzeugen.
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Beispielhaft zeigt 1, dass das Opferschichtmaterial 1 derart strukturiert wurde, dass als Opferschichtstruktur 4 eine quadratische Mesastruktur auf der Oberseite 2 des Substrats 3 verblieben ist. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Das Opferschichtmaterial 1 kann auch derart strukturiert werden, dass verschieden geformte Opferschichtstrukturen 4 erzeugt werden können. Das Opferschichtmaterial 1 kann beispielsweise mittels eines Ätzprozesses strukturiert werden. Um die Mesastruktur als Opferschichtstruktur 4 zu erzeugen, kann insbesondere ein isotroper Ätzprozess verwendet werden. Dadurch weist die Opferschichtstruktur 4 flache Erhebungsflanken 5 auf. Als flache Erhebungsflanken 5 werden solche Erhebungsflanken 5 bezeichnet, deren Flankenwinkel kleiner als 90° beträgt. Die Erhebungsflanken 5 können beispielsweise einen Winkel von kleiner als 70° mit der Oberseite 2 des Substrats 3 einschließen. Es ist jedoch nicht zwingend erforderlich, dass die Opferschichtstruktur 4 flache Erhebungsflanken 5 aufweist.
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Das Substrat 3 weist beispielhaft Silizium auf, es kann jedoch alternativ oder zusätzlich auch ein anderes Material aufweisen. Das Substrat 3 weist in der beispielhaften Ausführungsform eine integrierte komplementäre Metalloxid-Halbleiterschaltung (CMOS-Schaltung) auf, die in 1 der Einfachheit halber nicht detailliert gezeigt ist. Vor dem Anordnen und Strukturieren des Opferschichtmaterials 1 wurde aus diesem Grund eine Schaltungspassivierung 6 auf der Oberseite 2 des Substrats 3 angeordnet. Die Schaltungspassivierung 6 kann beispielsweise Siliziumoxid oder ein anderes Material, etwa Siliziumnitrid, aufweisen. Die Schaltungspassivierung 6 kann jedoch auch entfallen. Die CMOS-Schaltung des Substrats 3 ist ebenso lediglich optional und kann deswegen ebenso entfallen. Weist das Substrat 3 jedoch die CMOS-Schaltung auf, so ist es zweckdienlich, diese im Rahmen der Herstellung der mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung zu schützen. Sie kann beispielsweise durch die Schaltungspassivierung 6 geschützt werden. Das hier vorgestellte Verfahren bietet jedoch den Vorteil, dass die mikroelektroakustische Wandlervorrichtung ohne Waferbondtechniken hergestellt werden kann, was die CMOS-Schaltung bei der Herstellung besonders schont. Außerdem müssen keine Komponenten bzw. Ebenen der CMOS-Schaltung modifiziert werden.
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2 zeigt schematisch einen der 1 zeitlich nachfolgenden Zustand nach dem Durchführen eines weiteren Verfahrensschritts. Es wurde ein Membranmaterial 7 über der Opferschichtstruktur 4 angeordnet. In der beispielhaften Ausführungsform wurde das Membranmaterial 7 unmittelbar auf der Opferschichtstruktur 4 und in einem die Opferschichtstruktur 4 lateral umgebenden Bereich an der Oberfläche 2 des Substrates 3 bzw. auf der Schaltungspassivierung 6 angeordnet. Das Membranmaterial 7 wird also derart angeordnet, dass es die Opferschichtstruktur 4 bedeckt. Es können auch Zwischenschichten zwischen der Opferschichtstruktur 4 und dem Membranmaterial 7 vorgesehen sein. Das Membranmaterial 7 wurde derart angeordnet, dass es die Opferschichtstruktur 4 vollständig bedeckt. Dadurch, dass die Opferschichtstruktur 4 flache Erhebungsflanken 5 aufweist, weist auch das Membranmaterial 7 flache Erhebungsflanken 8 auf.
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3 zeigt schematisch einen der 2 zeitlich nachfolgenden Zustand nach dem Durchführen eines weiteren Verfahrensschritts. Es wurde eine Piezowandlervorrichtung 9 über der Opferschichtstruktur 4 angeordnet.
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In der beispielhaften Ausführungsform wurde die Piezowandlervorrichtung 9 unmittelbar auf einer der Opferschichtstruktur 4 abgewandten Seite des Membranmaterials 7 angeordnet. Die Piezowandlervorrichtung 9 weist eine untere Elektrode 10, ein piezoelektrisches Material 11 und eine obere Elektrode 12 auf. Das Anordnen der Piezowandlervorrichtung 9 umfasst also ein sukzessives Anordnen der unteren Elektrode 10, des piezoelektrischen Materials 11 und der oberen Elektrode 12. In der beispielhaften Ausführungsform ist demnach die untere Elektrode 10 auf dem Membranmaterial 7 angeordnet, wodurch das Membranmaterial 7 mit der Piezowandlervorrichtung 9 verbunden ist. Die untere Elektrode 10 kann unmittelbar auf dem Membranmaterial 7 angeordnet sein, es können jedoch auch funktionelle Zwischenschichten vorgesehen sein. Dadurch können Kräfte von der Piezowandlervorrichtung 9 auf das Membranmaterial 7 übertragen und diese zum Schwingen gebracht werden. Umgekehrt kann ein schwingen des Membranmaterials 7 mittels der Piezowandlervorrichtung 9 detektiert werden. Die untere Elektrode 10 und die obere Elektrode 12, die auf einer der unteren Elektrode 10 abgewandten Seite des piezoelektrischen Materials 11 angeordnet ist, kreuzen einander in der Draufsicht, sind jedoch gemäß der Querschnittsdarstellung in unterschiedlichen Ebenen ausgebildet.
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4 zeigt schematisch einen der 3 zeitlich nachfolgenden Zustand nach dem Durchführen optionaler Verfahrensschritte. Es wurde eine Passivierungsschicht 13 auf der Piezowandlervorrichtung 9 angeordnet. Die Passivierungsschicht 13 kann beispielsweise Siliziumoxid oder Siliziumnitrid aufweisen. Außerdem wurden vier bis zur Oberseite 2 des Substrats 3 ragende Kontaktöffnungen 14 ausgebildet. Ferner wurden vier weitere Kontaktöffnungen 15, 16 ausgebildet.
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Zwei erste weitere Kontaktöffnung 15 ragen jeweils bis zur unteren Elektrode 10. Zwei zweite weitere Kontaktöffnung 16 ragen jeweils bis zur oberen Elektrode 12. Die ersten weiteren Kontaktöffnungen 15 wurden auf sich gegenüberliegenden Seiten der Opferschichtstruktur 4 ausgebildet. Die zweiten weiteren Kontaktöffnungen 16 wurden ebenso auf sich gegenüberliegenden Seiten der Opferschichtstruktur 4 ausgebildet. Jeweils eine Kontaktöffnung 14 wurde im Bereich einer weiteren Kontaktöffnung 15, 16 ausgebildet.
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5 zeigt schematisch einen der 4 zeitlich nachfolgenden Zustand nach dem Durchführen eines weiteren optionalen Verfahrensschritts. Es wurden zwei erste und zwei zweite elektrische Kontaktmetallisierung 17, 18 ausgebildet. Das Ausbilden der elektrischen Kontaktmetallisierungen 17, 18 umfasst beispielsweise ein Abscheiden und Strukturieren eines elektrisch leitenden Materials an der Oberseite 2 des Substrats 3. Das elektrisch leitende Material wird dabei in den bis zur Oberseite 2 des Substrats 3 ragenden Kontaktöffnungen 14 und den bis zu den Elektroden 11, 12 ragenden weiteren Kontaktöffnungen 15, 16 angeordnet. Darüber hinaus werden die Kontaktmetallisierungen 17, 18 derart ausgebildet, dass sie die Schaltung auf dem Substrat 3 und die Elektroden 10, 12 elektrisch miteinander verbinden. Zwei erste Kontaktmetallisierungen 17 kontaktieren die Schaltung auf dem Substrat 3 mit der unteren Elektrode 10 auf sich gegenüberliegenden Seiten der Opferschichtstruktur 4. Zwei zweite Kontaktmetallisierungen 18 kontaktieren die Schaltung auf dem Substrat 3 mit der oberen Elektrode 12 auf sich gegenüberliegenden Seiten der Opferschichtstruktur 4.
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Die in 5 gezeigte elektrische Kontaktierung ist lediglich beispielhaft ausgebildet. Es ist beispielsweise möglich, dass die mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung eine andere Anzahl von Kontaktmetallisierungen 17, 18 und gegebenenfalls anders ausgebildete Kontaktierungen einzelner Elemente aufweist. Die Kontaktmetallisierungen 17, 18 können beispielsweise jeweils relativ zur Opferschichtstruktur 4 und relativ zueinander anders angeordnet werden, als dies in 5 gezeigt ist. Eine Anordnung der Kontaktmetallisierungen 17, 18 auf sich gegenüberliegenden Seiten und über Kreuz ist jedoch im beispielhaften Fall der quadratischen Mesastruktur, die als Opferschichtstruktur 4 erzeugt wurde, zweckmäßig.
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Die gezeigte elektrische Kontaktierung bietet auch den Vorteil, dass eine Mehrzahl von Piezowandlervorrichtungen 9 angesteuert werden kann. Beispielsweise kann eine Anordnung einer Mehrzahl von Piezowandlervorrichtungen 9 derart angesteuert werden, dass die Piezowandlervorrichtungen 9 mittels Zeilen- und Spaltenleitungen angesprochen werden. Beispielsweise können die ersten Kontaktmetallisierungen 17 dazu vorgesehen sein, eine Mehrzahl von in einer Spalte angeordneten Piezowandlervorrichtungen 9 anzusteuern, während die zweiten Kontaktmetallisierungen 18 dazu vorgesehen sein können, eine Mehrzahl von in einer Zeile angeordneten Piezowandlervorrichtungen 9 anzusteuern. Dabei sind jeweils in einer Zeile bzw. in einer Spalte angeordnete Piezowandlervorrichtungen 9, die unmittelbar benachbart sind, über jeweils eine Kontaktmetallisierung 17, 18 miteinander verbunden.
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6 zeigt schematisch einen der 5 zeitlich nachfolgenden Zustand nach dem Durchführen eines weiteren Verfahrensschritts. Die Opferschichtstruktur 4 wurde freigelegt. Beim Freilegen der Opferschichtstruktur 4 wird zumindest ein Teil des Membranmaterials 7 entfernt. Weist die mikroelektroakustische Wandlervorrichtung die Passivierungsschicht 13 auf, kann es sein, dass auch zumindest ein Teil der Passivierungsschicht 13 entfernt werden muss, um die Opferschichtstruktur 4 freizulegen. Es kann genügen, die Opferschichtstruktur 4 in lediglich einem Bereich freizulegen. 6 zeigt beispielhaft, dass die Opferschichtstruktur 4 insgesamt in vier Bereichen freigelegt wurde, was jedoch nicht zwingend erforderlich ist. Das Freilegen der Opferschichtstruktur 4 erfolgt in Bereichen außerhalb der Elektroden 10, 12, des piezoelektrischen Materials 11 und der Kontaktmetallisierungen 17, 18.
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7 zeigt schematisch einen der 6 zeitlich nachfolgenden Zustand nach dem Durchführen eines weiteren Verfahrensschritts. Die freigelegte Opferschichtstruktur 4 wurde entfernt, wodurch über der Oberseite 2 des Substrats 3 eine mit der Piezowandlervorrichtung 9 verbundene Membran 19 freigestellt wurde. Das Substrat 3 und die Membran 19 schließen eine Kavität 20 bzw. einen Hohlraum 20 ein. In diesem Zustand ist eine mikroelektroakustische Wandlervorrichtung 21 gemäß einer ersten Ausführungsform fertiggestellt.
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Die Opferschichtstruktur 4 kann beispielsweise mittels eines Ätzmittels nasschemisch entfernt werden. Je nachdem welches Opferschichtmaterial 1 verwendet wurde, kann ein entsprechendes Ätzmittel verwendet werden, um die Opferschichtstruktur 4 zu entfernen. Die Opferschichtstruktur 4 kann auch mittels eines geeigneten Lösungsmittels entfernt werden.
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8 zeigt schematisch eine mikroelektroakustische Wandlervorrichtung 22 gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer Querschnittsansicht gemäß 1. Die mikroelektroakustische Wandlervorrichtung 22 gemäß der zweiten Ausführungsform weist große Ähnlichkeiten zur mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung 21 gemäß der ersten Ausführungsform auf. Im Folgenden werden lediglich die Unterschiede erläutert.
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Die mikroelektroakustische Wandlervorrichtung 22 gemäß der zweiten Ausführungsform weist zusätzlich Durchkontaktierungen 25 auf. Die Durchkontaktierungen erstrecken sich von einer der Oberseite 2 des Substrats 3 gegenüberliegenden Unterseite 26 des Substrats 3 in das Substrat 3 hinein und sind dazu vorgesehen, die CMOS-Schaltung des Substrats 3 auf der Oberseite 2 elektrisch zu kontaktieren. An der Unterseite 26 des Substrats 3 und in Bereichen der Durchkontaktierungen 25 ist jeweils ein Lotmaterial 31 angeordnet. Dadurch ist die mikroelektroakustische Wandlervorrichtung 22 als oberflächenmontierbares Bauelement ausgebildet und kann beispielsweise auf einer Leiterplatte (engl.: printed circuit board, PCB) angeordnet werden. Die mikroelektroakustische Wandlervorrichtung 22 gemäß der zweiten Ausführungsform ferner eine weitere Schaltungspassivierung 27 auf, die auf der Unterseite 26 des Substrats 3 angeordnet und im Bereich der Durchkontaktierungen 25 entfernt wurde. Die weitere Schaltungspassivierung 27 kann jedoch auch entfallen, wenn anderweitig sichergestellt wurde, dass das Lotmaterial 31 elektrisch vom Substrat 3 isoliert ist.
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9 zeigt schematisch eine mikroelektroakustische Wandlervorrichtung 23 gemäß einer dritten Ausführungsform in einer Querschnittsansicht gemäß 1. Die mikroelektroakustische Wandlervorrichtung 23 gemäß der dritten Ausführungsform weist große Ähnlichkeiten zur mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung 21 gemäß der ersten Ausführungsform auf. Im Folgenden werden lediglich die Unterschiede erläutert.
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Bei der mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung 23 gemäß der dritten Ausführungsform wurde das Membranmaterial 7 derart strukturiert, dass es an einer der Piezowandlervorrichtung 9 abgewandten Seite Korrugationen 28 der Membran 19 aufweist. Hierzu wurde die Opferschichtstruktur 4 zusätzlich derart strukturiert, dass sie Vertiefungen 29 aufweist. Bei Anordnen des Membranmaterials 7 wurde ein Teil des Membranmaterials 7 in den Vertiefungen 29 angeordnet, wodurch die Korrugationen 28 des Membranmaterials 7 gebildet wurden, nachdem die Opferschichtstruktur 4 entfernt wurde. Die Korrugationen 28 sind dadurch an einer der Oberseite 2 des Substrats 3 zugewandten Seite der Membran 19 ausgebildet und in der Kavität 20 angeordnet. Die Membranen 19 der mikroelektroakustischen Wandlervorrichtungen 21, 22 gemäß 7 und 8 können ebenfalls Korrugationen 28 gemäß 9 aufweisen. Die Korrugationen 28 können jedoch auch entfallen.
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Bei der mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung 23 gemäß der dritten Ausführungsform sind ferner an der Oberseite 2 des Substrats 3 angeordnete Elemente in eine Abdeckung 30 eingebettet. Auch die an der Oberseite 2 des Substrats 3 angeordneten Elemente der mikroelektroakustischen Wandlervorrichtungen 21, 22 gemäß 7 und 8 können gemäß 9 in eine Abdeckung 30 eingebettet sein. Die Abdeckung 30 kann jedoch auch entfallen.
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10 zeigt schematisch eine mikroelektroakustische Wandlervorrichtung 24 gemäß einer vierten Ausführungsform in einer Querschnittsansicht gemäß 1. Die mikroelektroakustische Wandlervorrichtung 24 gemäß der vierten Ausführungsform weist Ähnlichkeiten zur mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung 21 gemäß der ersten Ausführungsform auf. Im Folgenden werden lediglich die Unterschiede erläutert.
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Bei der mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung 24 gemäß der vierten Ausführungsform wurde das Membranmaterial 7 nicht wie bei der mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung 21 gemäß der ersten Ausführungsform auf der Opferschichtstruktur 4 und die Piezowandlervorrichtung 9 nicht auf dem Membranmaterial 9 angeordnet. Stattdessen wurde die Piezowandlervorrichtung 9 auf einer vom Substrat 3 abgewandten Seite der Opferschichtstruktur 4 und das Membranmaterial 7 auf einer von der Opferschichtstruktur 4 abgewandten Seite der Piezowandlervorrichtung 9 angeordnet. In diesem Fall wurde das Membranmaterial 7 derart angeordnet, dass es die Opferschichtstruktur 4 und die Piezowandlervorrichtung 9 vollständig bedeckt.
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Die an der Oberseite 2 des Substrats 3 angeordneten Elemente der mikroelektroakustischen Wandlervorrichtungen 24 gemäß 10 können gemäß 9 in eine Abdeckung 30 eingebettet sein. Die Membran 19 der mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung 24 gemäß der vierten Ausführungsform kann ebenfalls Korrugationen 28 aufweisen. Allerdings sollten die Korrugationen 28 bei der vieren Ausführungsform der mikroelektroakustischen Wandlervorrichtung 24 an einer der Oberseite 2 des Substrats 3 abgewandten Seite der Membran 19 ausgebildet werden. Die Korrugationen 28 können in diesem Fall durch Strukturieren des Membranmaterials 7 ausgebildet werden.
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Da die Piezowandlervorrichtung 9 auf der Opferschichtstruktur 4 angeordnet ist, kann es zweckdienlich sein, dass die Passivierungsschicht 13 auch auf der Opferschichtstruktur 4 angeordnet ist, wie dies 10 beispielhaft zeigt. In diesem Fall bettet die Passivierungsschicht 13 die Piezowandlervorrichtung 9 ein, was jedoch nicht zwingend erforderlich ist. Die Piezowandlervorrichtung 9 ist durch die Passivierungsschicht 13 nicht unmittelbar auf der Opferschichtstruktur 4 angeordnet. Auch die Membran 19 ist aufgrund der Passivierungsschicht 13 nicht unmittelbar auf der Piezowandlervorrichtung 9 angeordnet. Die Passivierungsschicht 13 kann jedoch auch entfallen, wodurch die Membran 19 unmittelbar auf der Piezowandlervorrichtung 9 angeordnet ist und die Piezowandlervorrichtung 9 unmittelbar auf der Opferschichtstruktur 4 angeordnet ist.
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Alle vorgestellten mikroelektroakustische Wandlervorrichtung 21, 22, 23, 24 können auch eine Mehrzahl von Membranen 19 aufweisen, die jeweils über dem Substrat 3 freigestellt, jeweils über Erhebungsflanken 8 mit dem Substrat 3 verbunden, jeweils gegenüber der Oberseite 2 des Substrats 3 erhaben und jeweils mit einer Piezowandlervorrichtung 9 verbunden sind. Jeweils eine Membran 19 und eine mit der Membran 19 verbundene Piezowandlervorrichtung 9 bilden ein Wandlerelement. Die mikroelektroakustische Wandlervorrichtung 21, 22, 23, 24 weist also eine Mehrzahl von an der Oberseite 2 des Substrats 3 angeordneten Wanderelementen auf. Die Wandlerelemente können gemäß den 7 bis 10 ausgebildet und beispielsweise in einer quadratischen Anordnung angeordnet sein. Für eine Membran 19 können auch mehrere Piezowandlervorrichtungen 9 vorgesehen sein, die mit der Membran 19 verbunden sind, indem sie auf dem Membranmaterial 7 bzw. das Membranmaterial 7 auf ihnen angeordnet wird.
