Titel

Mikroelektromechanisches Mikrofon Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein mikroelektromechanisches Mikrofon mit einer Substratplatte und einer über der Substratplatte angeordneten piezoelektrischen Membran. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines solchen mik- roelektromechanischen Mikrofons.

Mikroelektromechanische Mikrofone stellen besonders sensitive Drucksensoren dar, welche in verschiedenen technischen Anwendungen zum Einsatz kommen. Sie bestehen typischerweise aus wenigstens einer der Umgebung exponierten freistehenden Struktur, welche sich gemäß den Schwankungen des darauf auftreffenden Schaldrucks bewegt. Durch Auswertung dieser Bewegung kann mithil- fe eines solchen Mikrofons selbst kleinste Schaltdruckschwankungen detektiert werden. Die meisten der im Konsumbereich verwendeten MEMS-Mikrofone sind kapazitiver Bauart. Bei diesen Mikrofontyp wird die Bewegung einer Membran detektiert, indem die elektrische Kapazität zwischen der Membran und einer vor oder hinter der Membran angeordneten perforierten Gegenelektrode gemessen wird. Durch die in unmittelbarer Nähe zur Membran angeordnete Gegenelektrode werden die Bewegung der Membran und damit der dynamische Messbereich des Mikrofons limitiert. Ferner stellt die Gegenelektrode einen nicht unwesentlichen Luftströmungswiderstand dar, welcher sich in einem erhöhten Rauschen des

Mikrofons bemerkbar macht. Aufgrund der genannten Nachteile wäre es wünschenswert MEMS-Mikrofone vorzusehen, welche ohne die Gegenelektrode auskommen. Eine Alternative zur kapazitiven Schallpegeldetektion stellen piezoelektrische MEMS-Mikrofone dar. Hierbei kommen mikroelektromechanische Strukturen zum Einsatz, welche sich unter dem Einfluss des darauf einwirkenden Schalldrucks verbiegen. Die damit einhergehenden mechanischen Spannungen oder Dehnun- gen innerhalb der piezoelektrischen Schichten erzeugen elektrische Ladung in unterschiedlichen Bereich der piezoelektrischen Strukturen. Die Ladungsverschiebungen lassen sich dann als eine Ausgangsspannung detektieren. Piezoelektrische Mikrofone in der MEMS-Bauweise werden typischerweise in Form von Cantilevern ausgebildet. Hierbei handelt es sich um freischwingende Kragträger, welche typischerweise mehrschichtig aus piezoelektrischen Materialien und

Elektrodenmaterialien gefertigt werden. Die beim Abscheiden piezoelektrischer Materialen typischerweise im Material inhärent verbleibenden mechanischen Spannungen können zu Versteifungen der Mikrostrukturen führen, was mit einer reduzierten Sensitivität einhergeht. Diese Nachteile treten insbesondere bei Membranen auf, welche konstruktionsbedingt entlang ihres Umfangs am Substrat eingespannt sind. Zwar kann durch eine Optimierung der Parameter des Abscheideprozesses eine gewisse Reduktion der internen mechanischen Spannungen innerhalb der piezoelektrischen Schichten erreicht werden. Allerdings reichen diese Maßnahmen nicht aus, um die piezoelektrischen Membran zu er- zielen, welche brauchbar für Mikrofonanwendungen wären.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Mikrofon in MEMS-Bauweise bereit zu stellen, welches die genannten Nachteile überwindet und eine besonders hohe Sensitivität aufweist. Diese Aufgabe wird durch ein mikroelektromechanisches Mikrofon gemäß Anspruch 1 gelöst. Ferner wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Gemäß der Erfindung ist ein elektromechanisches Mikrofon vorgesehen, welches eine Substratplatte mit einer Öffnung, einer über der Öffnung angeordneten piezoelektrischen Membran und eine mit der Substratplatte mechanisch verbundene elastische Trägereinrichtung, welche die piezoelektrische Membran in einer inaktiven Position beabstandet zu der Substratplatte hält. Ferner umfasst das mikroelektromechanische Mikrofon auch eine Aktuatoreinrichtung zum Bewegen der piezoelektrischen Membran von der inaktiven Position in eine aktive Position, in welcher wenigstens ein Randbereich der piezoelektrischen Membran sich in mechanischen Kontakt mit einer der Substratplatte zugeordneten Anschlagfläche befindet. In dem die piezoelektrische Membran freischwebend über der Substratplatte erzeugt wird können sich die im piezoelektrischen Material intrinsisch vor- handenen mechanischen Spannungen nach dem Herstellungsprozess durch out- of-plane Bewegungen der piezoelektrischen Membran entspannen. Die derart hergestellte piezoelektrische Membran ist somit weitgehend frei von mechanischen Spannungen, welche die Mikrofonsensitivität negativ beeinflussen. Mit Hilfe der Aktuatoreinrichtung lässt die piezoelektrische Membran dabei für den Mik- rofonbetrieb an die Substratplatte anlegen, so dass dadurch ein besonders leistungsfähiges mikroelektromechanisches Mikrofon entsteht. Insbesondere weist das mikroelektromechanische Mikrofon eine hohe Sensitivität über einen großen dynamischen Bereich bei einer gleichzeitig deutlich reduzierten Anfälligkeit für Rauschen auf.

In einer Ausführungsform ist dabei vorgesehen, die elastische Trägereinrichtung in Form eines elastischen Kragträgers auszubilden. Der elastische Kragträger weist dabei einen mit einer auf der Substratplatte angeordneten Ankerstruktur verbundenen substratseitigen Endabschnitt und einen mit der piezoelektrischen Membran verbundenen membranseitigen Endabschnitt auf. Ein entsprechend flexibel ausgebildeter Kragträger ermöglicht eine sehr gute Abkoppelung der piezoelektrischen Membran von der Substratplatte, da die Substratplatte lediglich in einem kleinen Abschnitt Ihres Umfangs am Kragträger befestigt ist. Gleichzeitig erlaubt ein elastischer Kragträger durch seine Flexibilität ein schnelles und effizi- entes Heranführen der piezoelektrischen Membran an die Substratplatte für den

Mikrofonbetrieb.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Ankerstruktur wenigstens eine Durchkontaktierung aufweist, mit deren Hilfe eine der piezoelektri- sehen Membran zugeordnete elektrische Leitungsstruktur elektrisch mit einer entsprechenden Leitungsstruktur auf der Substratplatte verbunden wird. Solche Durchkontaktierungen lassen sich in einem fotolithografischen Herstellungsprozess relativ einfach herstellen und bieten gleichzeitig eine sichere elektrische Verbindung der auf der piezoelektrischen Membran und der elastischen Trä- gerstruktur angeordneten Elektroden. ln einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die elastische Trägerstruktur membranseitig zwei auseinanderlaufende Trägerstrukturen aufweist, welche mit der piezoelektrischen Membran an zwei entlang ihres Außenumfangs voneinander beabstandeten Befestigungspunkten befestigt sind. Durch diese spezielle Gestaltung wird eine stabilere Befestigung der piezoelektrischen Membran an der elastischen Trägerstruktur erreicht. Gleichzeitig ermöglicht diese Ausführungsform auch weiterhin eine gute out-of-plane Auslenkung der piezoelektrischen Membran zur Reduktion mechanischer Spannung.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die elastische Trägereinrichtung mehrere unterhalb der piezoelektrischen Membran angeordnete und sich jeweils von der Substratplatte zu einem zentralen Bereich der Öffnung hineinerstreckende Balkenstrukturen umfasst, welche mit einem an der Unterseite der piezoelektrischen Membran angeordneten Haltezapfen verbunden sind. Diese Ausführungsform ermöglicht eine besonders gute mechanische Abkopplung der Membran von der Substratplatte, was sich in einem besonders effizienten Abbau intrinsischer Spannungszustände innerhalb der piezoelektrischen Membran bemerkbar macht. Ferner wird durch die zentrale Aufhängung erreicht, dass der Abbau intrinsischer Spannungszustände zu einer im Wesentlichen symmetrischen Verformung der piezoelektrischen Membran durch out-of-plane Bewegung führt. Dadurch wird eine weitgehend symmetrische und damit auch effiziente Kontaktierung der Randbereiche der piezoelektrischen Membran mit der Substratplatte erreicht. Eine zentrale Aufhängung resultiert je nach Ausführung auch in einer etwas steiferen Membran, welche für höhere Druckschwankungen geeignet ist.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Aktuatoreinrichtung wenigstens eine in einen Randbereich der piezoelektrischen Membran angeord- nete membranseitige Aktuatorelektrode umfasst, welche elektrisch mit der Substratplatte oder einer auf der Substratplatte angeordneten substratseitigen Aktuatorelektrode zusammenwirkt. Hiermit wird eine besonders einfache elektrostatische Aktuatoreinrichtung erzeugt, welche die piezoelektrische Membran beim Anlegen einer entsprechenden Potentialdifferenz aus der inaktiven in die aktive Position überführt. ln einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Aktuatoreinrichtung wenigstens einen piezoelektrischen Aktuator umfasst, wobei der piezoelektrische Aktuator ausgebildet ist, die piezoelektrische Membran beim Anlegen der ent- sprechenden Aktuatorspannung in Richtung der Substratplatte auszulenken. Der piezoelektrische Aktuator ermöglicht dabei eine besonders präzise Auslenkung der piezoelektrischen Membran und erlaubt damit eine sehr genaue Bestimmung der Kontaktkraft zwischen der Membran und der Substratplatte. Der piezoelektrische Aktuator lässt sich dabei im selben Prozess erzeugen wie die piezoelektri- sehe Membran, wobei der aus piezoelektrischem Material bestehende elastische

Kragträger gleichzeitig als piezoelektrischer Aktuator dient. Hierdurch wird der Aufbau deutlich vereinfacht.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass wenigstens eine Druckaustauschöffnung innerhalb der piezoelektrischen Membran oder in einem Kontaktbereich zwischen der piezoelektrischen Membran und der Substratplatte vorgesehen ist, welche einen definierten akustischen Leckagepfad zwischen einem Gasvolumen oberhalb der piezoelektrischen Membran und einem Gasvolumen unterhalb der piezoelektrischen Membran bildet. Die Druckaustauschöffnung bildet dabei einen definierten Kanal zum Austausch des Umgebungsgases. Hierdurch wird wirksam verhindert, dass unterschiedlicher Luftdruck auf der Ober- und Unterseite der Membran zu unerwünschten mechanischen Spannungen führt, welche die Mikrofonsensitivität negativ beeinflussen könnten. Dabei weist ein im Bereich der Kontaktfläche zwischen der Membran und der Substratplatte ausgebildeter akustischer Leckagepfad den Vorteil auf, dass in der Membran keine zusätzlichen Öffnungen erzeugt werden müssen. Dadurch verbleibt die Membran kontinuierlich, was mit einer homogeneren Verteilung des mechanischen Stresses und besseren mechanischen Eigenschaften einhergeht.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die piezoelektrische Membran in Form einer kreisförmigen Scheibe ausgebildet ist und dass auf der Oberseite und/oder der Unterseite der piezoelektrischen Membran wenigstens eine ringförmige Leiterstruktur angeordnet ist, welcher als Detektorelektrode zum Auslesen einer durch mechanischer Verformung in der piezoelektrischen Membran erzeugten elektrischen Spannungsdifferenz und/oder als Aktuatorelektrode zum Auslenken der piezoelektrischen Membran in Richtung der Substratplatte dient. Die runde Form der piezoelektrischen Membran ermöglicht dabei eine gute Kompensation mechanischer Spannungen innerhalb der piezoelektrischen Membran. Hingegen erlaubt die ringförmige Gestalt der Elektroden eine optimale Verteilung auf der kreisförmigen Membran.

Ferner ist gemäß der Erfindung ein Verfahren zum Herstellen des mikroelektro- mechanischen Mikrofons vorgesehen, bei welchem in einem ersten Verfahrensschritt eine Substratplatte mit einem Öffnungsbereich bereit gestellt wird und anschließend eine Ankerstruktur durch Abscheiden eines ersten Materials auf der Oberseite der Substratplatte in einem an dem Öffnungsbereich angrenzenden Randbereich erzeugt wird. Anschließend wird eine Opferschicht durch Abscheiden eines zweiten Materials auf der Oberseite der Substratplatte erzeugt, so dass die Opferschicht die Substratplatte im Öffnungsbereich vollständig bedeckt während die Ankerstruktur von der Opferschicht nicht bedeckt ist. Im Anschluss daran wird eine piezoelektrische Membran durch Abscheiden eines piezoelektrischen Materials auf der Opferschicht im Öffnungsbereich und im Bereich der An kerstruktur erzeugt. In einem darauf folgenden Schritt wird eine Öffnung im Öffnungsbereich die Substratplatte durch selektives Ätzen der Substratplatte von ih rer Unterseite erzeugt. Schließlich wird die Opferschicht unterhalb der piezoelektrischen Membran entfernt, so dass die piezoelektrische Membran auf der An kerstruktur aufliegt und sich im Öffnungsbereich freitragend über der Öffnung erstreckt. Durch die Verwendung der Opferschicht lässt sich eine freitragende Membran besonders leicht erzeugen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein MEMS-Mikrofon mit einer über eine elastische Trägereinrichtung am Substrat befestigte piezoelektrische Membran;

Fig. 2 einen Querschnitt durch das MEMS-Mikrofon aus Fig. 1 in einer inaktiven Position, in der die piezoelektrische Membran beabstandet zu der Substratplatte gehalten wird; Fig. 3 das mikroelektromechanische Mikrofon aus Fig. 2 in einer aktiven Position, bei der die piezoelektrische Membran an der Substratplatte anliegt;

Fig. 4 eine mögliche Ausführungsform des MEMS-Mikrofon mit definierten An- Schlagstrukturen zwischen der piezoelektrischen Membran und der Substratplatte sowie dazwischen ausgebildeten akustischen Leckagepfaden;

Fig. 5 eine Draufsicht auf das MEMS-Mikrofon aus Figur 4; Fig. 6 bis 12 verschiedene Verfahrensschritte eines möglichen Herstellungsverfahrens für das MEMS-Mikrofon;

Fig. 13 eine Draufsicht auf eine quadratisch geformte piezoelektrische Membran; Fig. 14 eine weitere Ausführungsform der piezoelektrischen Membran mit einer verbesserten elastischen Trägereinrichtung;

Fig. 15 eine alternative Ausführungsform des MEMS-Mikrofons in einem zentralen Bereich aufgehängten piezoelektrischen Membran; und

Fig. 16 eine Draufsicht auf das MEMS-Mikrofon aus Fig. 15.

Die Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Mikrofon 100 in MEMS-Bauweise mit einer über einer Substratplatte 110 angeordneten Membran 160 aus einem pie- zoelektrischen Material. Die Membran 160 ist dabei über eine stegförmige elastische Trägereinrichtung 130 an einer Ankerstruktur 150 befestigt, welche sich auf der Oberseite der Substratplatte 1 10 befindet. Wie ferner aus Figur 1 ersichtlich ist, ist die im vorliegendem Ausführungsbeispiel kreisförmig ausgebildete Membran 160 oberhalb einer ebenfalls kreisförmig ausgebildeten Öffnung 1 13 der Substratplatte 1 10 angeordnet, welche mittels einer gestrichelten Linie gezeichnet ist. Ferner ist auf der Unterseite der Membran 160 eine ringförmige Elektrodenstruktur 141 angeordnet. Die Figur 2 zeigt eine Schnittdarstellung des Mikrofons 100 auf der Figur 1 entlang der Linie 200. Das Mikrofon 100 umfasst dabei eine Substratplatte 110 aus einem geeigneten Material, wie zum Beispiel Silizi- um, in welcher eine durchgehende Öffnung 1 13 ausgebildet ist. Oberhalb der Substratplatte 1 10 ist eine die Öffnung 113 abdeckende Membran 160 angeordnet, welche mittels einer der Oberseite der Substratplatte 1 10 befestigten Ankerstruktur 1 15 mechanisch mit der Substratplatte 1 10 gekoppelt ist. Die Membran 160 besteht aus einem geeigneten piezoelektrischen Material, wie z. B. AIN (Aluminiumnitrid) oder PZT (Blei-Zirkonat-Titanat), welches vorzugsweise in mehreren Schichten abgeschieden wurde. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel um- fasst die Membran 160 zwei piezoelektrische Schichten 164, 166, zwischen denen eine elektrisch leitfähige Schicht 165 angeordnet ist. Die piezoelektrischen Membran 160 umfasst auf ihrer Ober- und Unterseite ferner wenigstens eine obere und untere Detektorelektrode 163, 167, welche ebenfalls aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet sind. Die Detektorelektroden 163, 165, 167 ermöglichen die Detektion elektrischer Spannungen, welche bei einem mechanischen Verbiegen der Membran 160 infolge akustischer Luftdruckschwankungen zwischen den Ober- und Unterseiten piezoelektrischen Schichten 164, 166 er- zeugt werden. Die Detektorelektroden 163, 165, 167 sind dabei vorzugsweise ringförmig ausgebildet, so dass sie sich auf Bereiche beschränken, welche bei regulärer Auslenkung der Membran 160 im Wesentlichen die gleichen Spannungsdifferenzen liefern. Der elektrische Anschluss der Aktuatorelektrode 141 sowie der Detektorelektroden 163, 165, 167 erfolgt dabei mithilfe entsprechender Leiterstrukturen 171 , welche sich entlang der elastischen Trägereinrichtung 130 erstrecken und im Bereich der Ankerstruktur 150 mit entsprechenden Leiterstrukturen 126 auf der Oberseite der Substratplatte 1 10 elektrisch leitend verbunden sind. Die Verbindung kann beispielsweise mit elektrischer Durchkontaktierungen durch die Ankerstruktur 150 erfolgen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist ledig- lieh der elektrische Anschluss der mittleren Detektorelektrode 165 mittels einer

Durchkontaktierung 151 gezeigt. Auch alternative Kontaktierungskonzepte, wie zum Beispiel die Verwendung von Bonddrähten, sind grundsätzlich zur Kontak- tierung der membranseitigen Elektroden 141 , 163, 165, 167 möglich. Wie in der Figur 2 gezeigt ist, wird die Membran 160 von der Ankerstruktur 150 in einem de- finierten Abstand zu der Substratplatte 110 gehalten. In dieser inaktiven Position können intrinsische Spannungen, welche sich im Herstellungsprozess beim Abscheiden des piezoelektrischen Materials in der Membran 160 gebildet haben, durch eine entsprechende Auslenkung bzw. Verformung der Membran aus der Membranebene abbauen. Infolge dessen befindet sich die Membran mechanisch im Wesentlichen in einem spannungslosen Zustand, so dass auch keine die Empfindlichkeit des Mikrofons betreffenden Versteifungen der Membranstruktur mehr vorhanden sind.

Für den Betrieb des Mikrofons 100 wird die Membran 160 mittels einer Aktua- toreinrichtung 140 aus der inaktiven Position in eine aktive Position überführt, in welcher die Membran 100 an der Substratplatte 110 anliegt. Die Aktuatoreinrich- tung 140 ist im folgenden Ausführungsbeispiel elektrostatisch ausgebildet und umfasst die membranseitige Aktuatorelektrode 141 , eine entsprechend substrat- seitige Aktuatorelektrode 142 und eine Einrichtung 144 zum Anlegen einer defi- nierten elektrischen Spannung zwischen den beiden Aktuatorelektroden 141 ,

142. Durch elektrostatische Anziehungskräfte zwischen der Membran und der Substratplatte wird die elastisch aufgehängte Membran 160 nach dem Anlegen der elektrischen Spannung an die Aktuatorelektroden in Richtung der Substratplatte 1 10 herangezogen. Wie in der Figur 3 gezeigt ist, liegt die Membran 160 in dieser aktiven Position mit dem Außenbereich einer Unterseite an einer Anschlagfläche auf der Oberseite der Substratplatte 1 10 auf. In der aktiven Position ist die piezoelektrische Membran durch den durch elektrostatische Anziehkräfte vermittelten Kontakt zur Substratplatte 110 ausreichend fixiert, so dass sich akustische Luftdruckschwankungen in einer für Membranmikrofone typischen Verbiegung der Membran 160 äußern. Die im Mikrofonbetrieb auftretenden Auslenkungen der Membran 160 erzeugen typische Spannungsschwankungen zwischen der Ober- und Unterseiten der piezoelektrischen Schichten 164, 166, welche mittels der Detektorelektroden 163, 165, 167 erfasst und mithilfe entsprechender Elektronik ausgewertet werden. Um Kurzschlüsse zwischen den Aktua- torelektrode 141 bzw. der unteren Detektorelektrode 167 und dem Substrat 1 10 zu verhindern, ist auf der Oberseite der Substratplatte 1 10 vorzugsweise eine die dielektrische Schicht 118 ausgebildet.

Alternativ oder zusätzlich zu einem elektrostatischen Aktuator kann die Aktua- toreinrichtung 140 beispielsweise auch als piezoelektrische Aktuatoreinrichtung ausgebildet werden. In diesem Fall umfasst die Aktuatoreinrichtung 143 wenigstens einen piezoelektrischen Aktuator 143, welcher durch Anlegen einer externen elektrischen Spannung an entsprechende Aktuatorelektroden der piezoelektrischen Schichten im Bereich der elastischen Trägereinrichtung 130 eine entspre- chende Verbiegung der elastischen Trägereinrichtung 130 bewirkt. Hierdurch wird die piezoelektrische Membran 160 in gewünschter Weise gegen die Substratplatte 1 10 gedrückt. Die hierfür notwendigen Aktuatorelektroden im Bereich der elastischen Trägereinrichtung 130 sind in den Figuren 2 und 3 nicht gezeigt.

Um einen definierten Kontakt zwischen der piezoelektrischen Membran 160 der Substratplatte 1 10 sicherzustellen, können auf der Oberseite der Substratplatte 1 10 spezielle Anschlagstrukturen ersehen sein. Wie die Figur 4 beispielhaft zeigt, können diese Anschlagstrukturen in Form von entlang des Außenumfangs der Öffnung 113 angeordneten zapfenförmigen Erhebungen 116 ausgebildet sein. In dieser Ausführungsform bilden die Lücken zwischen den einzelnen zapfenförmigen Erhebungen dabei jeweils akustische Leckagepfade 125, über welche ein Druckausgleich zwischen dem Innengasvolumen 181 unterhalb der Membran 160 und dem Außengasvolumen 180 oberhalb der Membran 160 bei Änderungen des statischen Luftdrucks erfolgen kann. Grundsätzlich lassen sich solche Leckagepfade auch auf andere Weise herstellen, zum Beispiel durch Strukturieren der Membran im Bereich der Kontaktfläche zu der Substratplatte oder durch Vorsehen einer Öffnung in einem mittleren Bereich der piezoelektrischen Membran 160. Die Figur 5 zeigt eine Draufsicht auf das MEMS-Mikrofon 100 aus Figur 4. We hier ersichtlich ist, bilden die zapfenförmigen Erhebungen 116 entlang der Öffnung 113 angeordnete Ringsegmente, zwischen denen dabei jeweils relativ schmale Gasaustauschöffnungen 124 ausgebildet sind. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht eine besonders gute Auflagefläche für die piezoelektrische Membran 160.

Die Figuren 6 bis 12 zeigen ein mögliches Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Mikrofons in MEMS-Bauweise mit einer freischwebenden piezoelektrischen Membrane. Dabei wird gemäß Figur 6 zunächst eine Substratplatte 1 10 aus einem geeigneten Material, wie zum Beispiel Silizium, bereitgestellt. Auf der Oberseite der Substratplatte 1 10 wird dann eine dielektrische Schicht 1 18 erzeugt. Die dielektrische Schicht 118 besteht beispielsweise aus S1O2 oder SiN und dient als zur elektrischen Isolation der Substratplatte von den darüber angeordneten elektrisch leitfähigen Strukturen. Im Anschluss daran wird, wie in der Figur 7 dargestellt ist, eine definierte Ankerstruktur 150 auf der Oberfläche der Substratplatte 1 10 erzeugt. Dies erfolgt beispielsweise durch Abscheiden von S1O2 oder SiN auf der dielektrischen Sicht 1 18. Anschließend wird, wie in der Figur 8 dargestellt ist, die Substratplatte 1 10 durch Entfernen der dielektrischen Schicht 118 in einem Öffnungsbereich 119 freigelegt. In einem nachfolgenden Schritt wird dann auf der dielektrischen Schicht 1 18 und auf der im Öffnungsbereich 1 19 freiliegenden Substratplatte 1 10 eine Opferschicht 120 aufgebracht. Diese kann beispielsweise aus S1O2 oder einem Polymer bestehen. Wie in der Figur 9 gezeigt ist, verbleibt die Oberseite der Ankerstruktur 150 dabei frei von der Opferschicht 120. Falls notwendig, kann hierzu beispielsweise ein Planarisierungsschritt der Oberfläche nach dem Abscheiden der Opferschicht 120 erfolgen, beispielsweise mittels CMP (Chemisch- mechanisches-Polieren). Alternativ ist es möglich, die Opferschicht zuerst abzuscheiden und danach in einem in der Opferschicht angelegten Loch die An- kerstruktur zu formen. So ist es auch möglich, die Ankerstruktur zeitgleich mit dem im Folgenden beschriebenen Abscheideprozessen für den Schichtstapel der Membran aus denselben piezoelektrischen bzw. als Elektrode vorgesehenen Materialien herzustellen. In einem anschließenden Verfahrensschritt wird im Bereich der zuvor freigelegten Oberfläche der Substratplatte 110 auf der Opferschicht 120 ein piezoelektrisches Material (z. B. PZT oder AIN) abgeschieden, um eine piezoelektrische Membran 160 zu erzeugen. Dieser Prozess kann gegebenenfalls auch die Ab- scheidung einer geeigneten Startschicht (seed layer) für das piezoelektrische Material umfassen. Dabei wird vorzugsweise ein Schichtstapel mit wenigstens zwei übereinander angeordneten piezoelektrischen Schichten 164, 166 erzeugt. Zwischen den piezoelektrischen Schichten 164, 166 sowie auf der Ober- und der Unterseite des Schichtstapels werden ringförmige Detektorelektroden 163, 165, 167 durch Abscheiden eines Metalls oder eines anderen elektrisch leitfähigen Materials erzeugt. Auf der Unterseite des Schichtstapels wird ferner eine ringförmige Aktuatorelektrode 141 erzeugt. Die elastische Trägereinrichtung 130 wird dabei vorzugsweise gleichzeitig mit der Membran 160 durch abscheiden der Ma- terialen auf der Ankerstruktur 150 und auf der Opferschicht 120 in einem Bereich zwischen der Ankerstruktur 150 und der Membran 160 erzeugt. Dieser Verfah- renszustand ist in der Figur 10 dargestellt. Wie in der Figur 11 dargestellt ist, wird in einem weiteren Verfahrensschritt in der Substratplatte eine Öffnung 1 13 unterhalb der Membran 160 erzeugt. Das erfolgt vorzugsweise durch rückseitiges Ätzen der Substratplatte 1 10. Hierfür kann bei- spielsweise eine Maskenschicht 121 auf der Unterseite der Substratplatte 1 10 aufgebracht und anschließend im entsprechenden Bereich unterhalb der Membran 160 mittels eines fotolithografischen Prozesses strukturiert werden. Die dabei freigelegte Substratplatte 1 10 wird in einem darauf folgenden Verfahrensschritt von der Unterseite mittels eines vorzugsweise anisotropen Ätzprozesses bis zur Opferschicht 120 abgetragen, wodurch die Öffnung 1 13 erzeugt wird. Dies kann beispielsweise mittels reaktiven lonentiefenätzen (deep reactive ion etching, DRIE) oder Nassätzen mit KOH erfolgen.

In einem darauf folgenden Verfahrensschritt wird die Opferschicht 120 entfernt, was vorzugsweise mittels eines selektiven Ätzprozesses erfolgt. Hierzu eignet sich beispielsweise Gasphasenätzen mit HF oder XeF2 oder Nassätzen (z. B. mit HF). Nach dem Entfernen der Opferschicht 120 ist die Membran 160 nunmehr freitragend und ohne Kontakt zur Substratplatte 1 10 angeordnet. Die Membran 160 wird dabei über die elastische Trägereinrichtung 130 sowie die Ankerstruktur 150 in dieser freitragenden Position oberhalb der Substratplatte 110 gehalten. Da die Membran 160 in diesem Zustand mechanisch nicht eingespannt ist, können sich sämtliche bei der Abscheidung des piezoelektrischen Materials innerhalb der Membran 160 entstandenen mechanischen Spannungszustände relativ einfach durch out-of-plane Auslenkungen der betreffenden Bereiche der Membran ab- bauen. Eine derart erzeugte Membran 160 weist somit keine wesentlichen mechanischen Spannungen auf, welche die Empfindlichkeit im Mikrofonbetrieb negativ beeinflussen können.

Grundsätzlich lässt sich das Mikrofon auch mit anders geformten Membranen und Aufhängungen zeugen. Hierzu zeigt die Figur 13 beispielhaft ein MEMS-

Mikrofon 100 mit einer im Wesentlichen quadratisch geformten Membran 160. Auch die Öffnung 113 ist in diesem Fall quadratisch geformt.

Je nach Anwendung lassen sich die Form der Membran sowie die Form und die Anordnung der elektrostatischen Aktuatorelektroden 141 auf der Membran 160 variieren. Das kann insbesondere im Hinblick auf eine optimale Konzentration des durch akustische Signale bewirkten mechanischen Stresses erfolgen, um das Ausgangsignal zu maximieren. Auch die Form der durch die elastische Trägereinrichtung 130 realisierten Membranaufhängung lässt sich im Hinblick auf ei- ne mögliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften variieren.

Die Figur 14 zeigt eine solche Variation des piezoelektrischen Mikrofons aus der Figur 1 , bei dem die balkenförmige Trägereinrichtung durch eine sich verzweigende elastische Trägereinrichtung 130 ersetzt wurde. Diese modifizierte Trä- gereinrichtung 130 weist zwei auseinander laufende Trägerstrukturen 133, 134 auf, welche die Membran 160 an zwei voneinander beabstandeten Befestigungspunkten 135, 136 entlang des Membranaußenumfangs kontaktieren. Die Trägerstrukturen 133, 134 laufen in einem substratseitigen Endabschnitt 131 zusammen. Die derart modifizierte Trägereinrichtung 103 weist eine verbesserte Stabilität gegenüber Torsionsbewegungen auf.

Die Figur 15 zeigt eine weitere Ausführungsform des piezoelektrischen Mikrofons 100 in MEMS-Bauweise, welches eine Membran 160 mit einer zentralen Aufhängung aufweist. Hierzu ist die elastische Trägereinrichtung 130 in Form von zwei oder mehreren Balkenstrukturen 137, 138, 139 ausgebildet, welche sich von der Seitenwand der Öffnung 1 13 zu einem in einem zentralen Bereich der Öffnung 113 angeordneten Haltezapfen 170 erstreckt. Der Haltezapfen 170 kontaktiert die Unterseite der Membran 160 in ihrem zentralen Bereich. Eine derartige Aufhängung ermöglicht der Membran 160 in ihrer abgesenkten aktiven Positio- nen besonders gleichmäßigen mechanischen Kontakt mit der darunter liegenden

Substratplatte 1 10.

Die Figur 16 zeigt eine Draufsicht auf die Anordnung aus Figur 15. Hierbei wird ersichtlich, dass die elastische Trägereinrichtung insgesamt drei Balkenstruktu- ren 137, 138, 139 aufweist, welche entlang des Umfangs der Öffnung 1 13 angeordnet sind. Hierdurch wird die Stabilität der Membranaufhängung verbessert. Je nach Anwendung kann die Anzahl der Balkenstruktur variieren, wobei eine geringere Anzahl typischerweise mit einer erhöhten Elastizität und gleichzeitig einer reduzierten Stabilität der Trägereinrichtung 130 einhergeht. Hingegen resultiert eine höhere Anzahl von Balkenstrukturen typischerweise in einer reduzierten Elastizität bei gleichzeitig erhöhter Stabilität der Trägereinrichtung 130.

Im Vergleich zu einer mittels eines Tragarms an einer Ankerstruktur befestigten Membran weist die in den Figuren 15 und 16 gezeigte Ausführungsvariante einen geringeren Platzbedarf auf. Aus diesem Grund lassen sich hiermit grundsätzlich kleinere piezoelektrische Mikrofone in MEMS-Bauweise realisieren.

Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist, ist sie keineswegs darauf beschränkt. Der Fachmann wird somit die beschriebenen Merkmale geeignet abändern und miteinander kombinieren können, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.