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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Mikroträgheitssensors gemäß Anspruch 1, bei dem insbesondere eine dicke Siliziumschicht (Bulk-Siliziumschicht), die mit einem Glassubstrat verbunden ist, mit einem hohen Schnittverhältnis verarbeitet wird.
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Es hat in der jüngsten Zeit eine intensive Forschungs- und Entwicklungstätigkeit auf dem Gebiet der elektrostatischen kapazitiven Mikroträgheitssensoren gegeben. Es wurden bereits Beschleunigungssensoren auf den Markt gebracht und es wurden Gyroskope entwickelt und in Anfängen vermarktet. Die gegenwärtige Forschungs- und Entwicklungstätigkeit bei Trägheitssensoren ist dabei darauf gerichtet, die Zuverlässigkeit und die Leistung zu erhöhen und die Kosten herabzusetzen. Um das zu erreichen, muss der Messbereich des Trägheitssensors groß sein und muss der Trägheitssensor aufgrund einer hohen Steifigkeit seiner Feinstruktur eine hohe Festigkeit haben. Das Verfahren zur Herstellung eines derartigen Trägheitssensors muss darüberhinaus einfach sein.
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Ein Verfahren, das bis heute in dieser Hinsicht verwandt wird, besteht darin, Trägheitssensoren unter Verwendung einer Siliziumschicht herzustellen, die mit einem Glassubstrat verbunden ist, wie es in den
1A,
1B und
1C der zugehörigen Zeichnungen dargestellt ist. Dieses Verfahren ist in der
US 5 492 596 A dargestellt und wird im Folgenden anhand der
1A bis
3B beschrieben.
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Wie in 1A dargestellt ist, wird zunächst ein mit dem Glassubstrat zu verbindendes Siliziumplättchen 100 um etwa 2µm geätzt, um eine Vertiefung oder einen Raum 102 zu bilden. Wie in 1B dargestellt ist, wird dann Bor in starkem Maße in die Oberfläche des Siliziumplättchens 100 diffundiert. Wie in 1C dargestellt ist, wird anschließend die mit Bor dotierte Siliziumoberfläche 104 durch reaktives Ionenätzen (RIE) geätzt. Dabei muss die Ätztiefe etwas größer als die Dicke der mit Bor dotierten Siliziumoberfläche 104 sein.
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Wie in den 2A bis 2C dargestellt ist, werden in der Zwischenzeit Metallelektroden 212 und 220 am Glassubstrat ausgebildet.
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Wie in 3A dargestellt ist, wird dann das Glassubstrat mit daran befindlichen Elektroden mit dem mit Bor dotierten Silizium verbunden. Wie in 3B dargestellt ist, wird anschließend die Siliziumoberfläche 100, die nicht mit Bor dotiert ist, mit einem Ätzmittel mit einer anderen Ätzgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Borkonzentration, wie beispielsweise EDP, geätzt, so dass nur die mit Bor dotierte Oberfläche zurückbleibt.
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Dieses Herstellungsverfahren ist kompliziert und die Tiefe, bis zu der eine starke Bordotierung möglich ist, ist begrenzt. Es ist daher schwierig einen Aufbau mit großer Dicke von beispielsweise etwa 10µm herzustellen und es werden aufgrund der Unterschiede in der Bordotierungskonzentration Spannungen erzeugt. Da weiterhin das Glassubstrat mit dem Silizium sehr eng verbunden wird, kommt das Silizium auch in der Vertiefung 102 durch die beim Verbinden anliegenden elektrischen Spannungen mit dem Glas in Berührung.
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Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Verfahren gibt es auch ein Verfahren, mit dem in relativ einfacher Weise Sensoren hergestellt werden können, indem nur einkristallines Silizium verwandt wird, wie in den
4A bis
4F dargestellt ist. Dieses Verfahren, das allgemein als einkristallines reaktives Ätz- und Metallisierungsverfahren (SCREAM) bezeichnet wird, ist in der
US 5 198 390 A beschrieben.
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Wie in 4A dargestellt ist, wird zunächst eine thermische Oxidschicht 314 auf einkristallinem Silizium 312 ausgebildet und wird ein Fotolackmuster vorgesehen. Wie in 4B dargestellt ist, wird dann der sich ergebende Aufbau durch reaktives Ionenätzen (RIE) geätzt.
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Wie in 4C dargestellt ist, wird anschließend eine Siliziumoxidschicht 332 auf den Seitenflächen 324 und den Bodenflächen 326 ausgebildet. Wie in 4D dargestellt ist, wird dann eine Metallschicht 334 niedergeschlagen und wird ein Fotolackmuster 338 auf dem sich ergebenden Aufbau ausgebildet. Wie in 4E dargestellt ist, werden somit die Metallschicht 334 und die Oxidschicht 332 teilweise entfernt. Dabei werden die Oxidschicht und die Metallschicht auf den Bodenflächen der durch die erste RIE Ätzung geätzten Löcher vollständig entfernt.
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Wie in 4F dargestellt ist, wird danach das Silizium unter dem Aufbau 354 unter Verwendung eines typischen isotropen Siliziumätzmittels weggeätzt, wodurch ein Aufbau gebildet wird, der über dem Boden schwebt.
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Dieses Verfahren ist relativ einfach, da nur ein einkristallines Plättchen verwandt wird, es macht allerdings die Verwendung von zwei Masken erforderlich. Bei diesem Verfahren müssen darüber hinaus eine Metallschicht und eine Oxidschicht auf der Seitenfläche und der Bodenfläche einer schmalen und tiefen Rille oder Nut ausgebildet werden und muss darauf erneut ein Muster vorgesehen werden, so dass das Schnittverhältnis der geätzten Nut begrenzt ist. Es ist daher schwierig einen Aufbau herzustellen, der eine schmale und tiefe Nut hat. Die Verwendung eines einkristallinen Plättchens erhöht darüberhinaus die parasitäre Kapazität bei der Messung und das Fehlen einer Ätzstoppschicht nach dem RIE Ätzen macht es schwierig, bis auf eine genaue Stärke herunter zu ätzen. Die Stärke des Aufbaus ist somit nicht vollständig gleichmäßig. Der Boden 354 einer Schwelle wird durch das anisotrope Siliziumätzen gleichfalls geätzt, was es schwierig macht, die Dicke der Schwelle gleichmäßig zu halten. Wenn auf der oberen Seitenwand 324 des Aufbaus eine Oxidschicht niedergeschlagen wird, kann auch das Silizium am oberen Teil 354' geätzt werden, während das Silizium am Bodenteil durch das isotrope Siliziumätzmittel über eine lange Zeitdauer geätzt wird.
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Ferner ist aus der
US 5 629 918 A die Herstellung eines oberflächenmikrobearbeiteten und mikromagnetischen Aktuators, der mit einer Klappe vorgesehen ist, bekannt.
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Darüber hinaus ist aus der
US 5 554 304 A ein Verfahren zum Herstellen einer mechanischen Mikrobewegungsstruktur bekannt.
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Durch die Erfindung soll im Hinblick auf den vorgenannten Stand der Technik ein Verfahren zum Herstellen von Mikroträgheitssensoren geschaffen werden, bei dem eine dicke Siliziumschicht (Bulk-Siliziumschicht), die mit einem Glassubstrat verbunden ist, mit einem hohen Schnittverhältnis verarbeitet wird, um den Flächenbereich und die Dicke für die Messung zu erhöhen, so dass die Zuverlässigkeit und die Leistung der Sensoren verbessert werden, wobei die Verwendung von Glas, das dielektrisch ist, an Stelle von Silizium als Substrat eine parasitäre Kapazität ausschließt, die im Allgemeinen bei einem Siliziumsubstrat auftritt, und der einfache Arbeitsvorgang mit nur einer Maske die Herstellungskosten herabsetzt.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 2 bis 11.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung besteht im Schritt (a) das Glassubstrat aus einem Borsilikatglas, wie es beispielsweise unter der Bezeichnung "Pyrex" auf dem Markt erhältlich ist, ist die dicke Siliziumschicht eine Schicht aus n+ oder p+ dotiertem Silizium und ist das Glassubstrat mit der dicken Siliziumschicht anodisch verbunden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass das anisotrope Ätzen im Schritt (c) ein reaktives Ionenätzen (RIE) ist, bei dem ein Fotolackmuster verwandt wird, das auf der polierten dicken Siliziumschicht ausgebildet ist. Das reaktive Ionenätzen (RIE) erfolgt vorzugsweise mit einer Ätztrennschärfe des Glassubstrates zur dicken Siliziumschicht, die bei etwa 1:100 bis 1:300 liegt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist gleichfalls bevorzugt, dass im Schritt (d) eine Fluorwasserstofflösung (HF) verwandt wird. Im Folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnungen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.
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Es zeigen
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1A bis 1C, 2A bis 2C und 3A und 3B in Querschnittsansichten die Schritte eines herkömmlichen Verfahrens der Herstellung von Mikroträgheitssensoren,
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4A bis 4F in Querschnittsansicht die Schritte eines weiteren herkömmlichen Verfahrens zum Herstellen von Mikroträgheitssensoren,
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5A bis 5F in Querschnittsansicht die Schritte eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen von Mikroträgheitssensoren,
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6 in einer perspektivischen Ansicht ein Mikrogyroskop im Einzelnen, das nach dem Verfahren zum Herstellen von Mikroträgheitssensoren hergestellt wurde, das in den 5A bis 5F dargestellt ist,
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7 eine Draufsicht auf das Mikrogyroskop von 6,
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8 eine fotografische Aufnahme des Querschnittes eines Beschleunigungssensors, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen von Mikroträgheitssensoren hergestellt wurde,
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9 eine fotografische Aufnahme eines Teils einer Draufsicht des in den 6 und 7 dargestellten Mikrogyroskops, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen von Mikroträgheitssensoren hergestellt wurde, und
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10 eine fotografische Aufnahme der Draufsicht auf einen Beschleunigungssensor, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen von Mikroträgheitssensoren hergestellt wurde.
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Wie in den 5A bis 5F dargestellt ist, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Mikroträgheitssensors 1) Silizium mit einem Glassubstrat verbunden, 2) das verbundene Silizium auf eine gewünschte Stärke poliert, 3) eine Struktur gebildet, indem das polierte Silizium durch reaktives Ionenätzen geätzt wird, und 4) eine Siliziumstruktur vom Glasboden dadurch isoliert, dass selektiv das Glas unter dem Silizium über eine Rille im geätzten Silizium weggeätzt wird und werden 5) Metallelektroden niedergeschlagen.
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Wie im Einzelnen in 5A dargestellt ist, wird zunächst eine dicke Siliziumschicht (Bulk-Siliziumschicht) 111 mit einem Glassubstrat 112 verbunden. Das heißt, dass ein n+ oder p+ Siliziumsubstrat 111 mit niedrigem Widerstand mit einem Borsilikatglas 112, das beispielsweise unter der Bezeichnung „Pyrex“ von Corning unter der Nr. 7740 vertrieben wird, anodisch verbunden wird.
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Wie in 5B dargestellt ist, wird dann das Silizium 111 auf die gewünschte Stärke poliert. Dabei wird die Oberfläche des Siliziums durch mechanisches oder chemisches Polieren soweit poliert, dass es eine Stärke von etwa 40µm hat.
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Wie in 5C dargestellt ist, wird dann das polierte Silizium 111 anisotrop insbesondere durch reaktives Ionenätzen (RIE) geätzt, wodurch eine Trägheitssenorstruktur gebildet wird. Dieser Arbeitsvorgang wird dadurch ausgeführt, dass Fotolackmusterschichten auf dem polierten Silizium 111 ausgebildet werden. Bei einem üblichen reaktiven Ionenätzen wird die Oberfläche des Glases 112 kaum geätzt, da die Ätztrennschärfe von Glas 112 zum Silizium 111 bei etwa 1:100 bis 1:300 liegt. Wenn jedoch eine kürzlich entwickelte ICP RIE Vorrichtung als Trockenätzvorrichtung benutzt wird, kann ein Ätzen mit hohem Schnittverhältnis erreicht werden, so dass eine Nut 113 gebildet wird, die eine Breite von 2µm und eine Tiefe von 40 bis 60 µm hat.
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Wie in 5D dargestellt ist, wird die sich daraus ergebende Struktur anschließend in einzelne Chips geschnitten und wird das Glas unter der Unterfläche des Siliziums der Trägheitssensorstruktur geätzt, wodurch ein Zwischenraum gebildet wird, in dem die Trägheitssensorstruktur schwingen kann. Das heißt, dass das geätzte Plättchen in einzelne Chips mit einer Schneidmaschine geschnitten wird. Die aufgeschnittenen einzelnen Chips werden in eine Fluorwasserstofflösung HF getaucht, so dass die Fluorwasserstofflösung in die Seitenfläche des Glassubstrates und der Nut 113 fließt und das Glas 112 unter der Bodenfläche 114 (5C) des Siliziums der Trägheitssensorstruktur und das Glas 115 an der Seitenfläche eines Chips geätzt werden. In dieser Weise wird eine zentrale bewegliche Struktur mit schmalen Zwischenräumen 113 vom Glas an der Unterseite isoliert, während breite Teile 116 auf beiden Seiten der zentralen beweglichen Struktur weiterhin mit dem Glas in Kontakt stehen und in dieser Weise die zentrale Siliziumstruktur halten.
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Wie in 5E dargestellt ist, wird dann Elektrodenmetall 118 auf die gesamte Oberfläche der geätzten Chips mit einer Zerstäubungseinrichtung niedergeschlagen. Obwohl Metall auf die gesamte Oberfläche der Chips niedergeschlagen wird, ist der Kontaktbereich 117 der Siliziumstruktur und das Glas 112 gegenüber der äußeren Seitenfläche des Siliziums der Trägheitssensorstruktur hinterschnitten, so dass Metall am Kontaktbereich 117 nicht niedergeschlagen wird. Der Metallfilm, der auf der äußeren Seitenfläche des Siliziums der Trägheitssensorstruktur niedergeschlagen ist, ist daher elektrisch gegenüber dem Metallfilm isoliert, der auf der äußeren Seitenfläche des Glases niedergeschlagen ist.
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Wie in 5F dargestellt ist, werden abschließend die einzelnen Chips mit einem äußeren Gehäuse verdrahtet wodurch die Herstellung des Mikroträgheitssensors abgeschlossen wird.
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Das oben beschriebene Verfahren zum Herstellen eines Mikroträgheitssensors ist sehr einfach, da es mit nur einer Maske und in fünf Schritten ausgeführt wird, wenn der Verpackungs- und Verdrahtungsschritt bei dem gesamten Herstellungsvorgang nicht mitgezählt wird, da dieser kein wesentlicher Herstellungsschritt ist. Da weiterhin eine Unterfläche aus Glas vorgesehen ist, die somit vollständig als Ätzstoppschicht wirkt, wenn eine Siliziumstruktur durch reaktives Ionenätzen ausgebildet wird, kann die Dicke der gesamten Struktur gleichmäßig gehalten werden. Da eine Siliziumstruktur auf dem Glas ausgebildet ist, das ein Isolator ist, ist jeder funktionelle Teil der Siliziumstruktur elektrisch von jedem anderen Teil durch das Glas isoliert. Es muss daher kein Isolierfilm auf der Oberfläche und den Seitenflächen der Siliziumstruktur ausgebildet werden und eine Ableitung einer parasitären Kapazität über das Substrat wird vermieden. Die Fluorwasserstofflösung, die ein selektives Glasätzmittel ist, reagiert weiterhin im Allgemeinen nicht mit Silizium, so dass das Silizium nicht geätzt wird, während das Glas über ein langes Zeitintervall geätzt wird.
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6 und 7 zeigen eine detaillierte perspektivische Ansicht und eine detaillierte Draufsicht jeweils eines Mikrogyroskops, das nach dem obigen erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Mikroträgheitssensors hergestellt wurde.
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Das Arbeitsprinzip des Mikrogyroskops besteht darin, dass eine Trägheitsmasse 8, die von einem Halteträger 12 gehalten ist, über eine Elektrode 7 an Masse gelegt wird. Die Summe einer Wechselspannung und einer Gleichspannung wird an die Trägheitsmasse 8 und an eine feste Elektrode 15 mit einer Kammstruktur 16 gelegt. Dabei wird die Trägheitsmasse 8 mit der Frequenz der Wechselspannung in der durch einen Pfeil x angegebenen Richtung durch eine elektrostatische Kraft in Schwingung versetzt. Um die Schwingungsweite in Richtung des Pfeiles x so groß wie möglich zu machen, wird die Frequenz der Wechselspannung so abgestimmt, dass sie mit der Resonanzfrequenz einer bestimmten Schwingungsmode des Aufbaus in x Richtung übereinstimmt. Diese Schwingungsweite wird unter Ausnutzung der Änderung in der Kapazität einer anderen Kammstruktur 20 überwacht.
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Wenn für eine Winkelgeschwindigkeit in Richtung des Pfeiles z durch eine äußere Quelle an der Trägheitsmasse 8 gesorgt wird, die eine Schwingung hervorruft, erfährt die Trägheitsmasse 8 eine Corioliskraft Fc in Richtung des Pfeiles y nach der folgenden Beziehung: Fc = 2mΩ·Vx, wobei m die Masse der Trägheitsmasse 8 bezeichnet, Ω die von außen anliegende Winkelgeschwindigkeit ist und Vx die Geschwindigkeit der Schwingung in Anregungsrichtung, d.h. in Richtung des Pfeiles x bezeichnet. Die Corioliskraft wird als sinusförmige Welle mit der gleichen Frequenz wie die Frequenz der Anregung ausgedrückt und versetzt die Trägheitsmasse 8 in eine Schwingung in Sensorrichtung d.h. in Richtung des Pfeiles y. Zu diesem Zeitpunkt ist die Schwingungsfrequenz die Schwingungsfrequenz der Corioliskraft. Die Schwingungsweite in Richtung des Pfeiles y ist somit am größten, wenn die Resonanzfrequenz einer bestimmten Schwingungsmode in Richtung des Pfeiles y gleich der Resonanzfrequenz einer Schwingungsmode in Richtung des Pfeiles x ist. Aus diesem Grunde muss die Resonanzfrequenz der Schwingung mit der des Sensorbetriebes bei einem Gyroskop konsistent sein.
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Die Schwingung in Sensorrichtung, d.h. in Richtung des Pfeiles y, ändert den Abstand zwischen den Fingern der Kammstruktur 20 in der Trägheitsmasse 8 und der festen Elektroden 3 und 4. Eine Änderung in der Kapazität zwischen zwei Fingern aufgrund einer Änderung in diesem Zwischenraum wird gemessen, um die Corioliskraft zu erfassen. Die Winkelgeschwindigkeit wird aus der erfassten Corioliskraft ermittelt. Dabei wird die Kapazität dadurch berechnet, dass die Änderung in der Kapazität differenziert wird, die von den Elektroden 3 und 4 erhalten wird. Ein Gyroskop kann durch eine Elektrode 21 kraftausgeglichen werden.
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Beim Gegenstand der Erfindung mit diesem Arbeitsprinzip ist der Halteträger 12 für die Trägheitsmasse 8 symmetrisch zur Schwingungsrichtung und zur Sensorrichtung beispielsweise unter 45° bezüglich der Achse x angeordnet, so dass eine Änderung in der Steifigkeit des Trägers aufgrund von Herstellungsfehlern tatsächlich einen Einfluss auf die Schwingungs- und Sensorseiten hat und somit eine Änderung auf der Schwingungsseite genauso groß wie die auf der Sensorseite ist. Die Frequenzen in beiden Richtungen sind bei Unterschieden in der wirksamen Masse immer konstant. Dieses Mikrogyroskop ist nur ein Beispiel einer Vorrichtung, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Trägheitssensors hergestellt werden kann. Andere Beispiele von Vorrichtungen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden können, werden im Folgenden beschrieben.
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8 zeigt die fotografische Aufnahme des Querschnittes eines Beschleunigungssensors, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Mikroträgheitssensors hergestellt wurde. Wie in 8 dargestellt ist, ist das Glas teilweise geätzt, so dass ein zentraler fester Siliziumteil 11 mit der Glasoberfläche 12 verbunden ist und eine sich bewegende Siliziumstruktur 13 in einem bestimmten Abstand über der Glasoberfläche schwebt.
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9 zeigt eine fotografische Aufnahme eines Teils einer Draufsicht des Mikrogyroskops von 6 und 7, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Mikroträgheitssensors hergestellt wurde. 10 zeigt eine fotografische Aufnahme der Draufsicht auf einen Beschleunigungssensor, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Mikroträgheitssensors hergestellt wurde.
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Wie oben beschrieben wurde, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Mikroträgheitssensors Silizium mit einem Glassubstrat verbunden, wird das verbundene Silizium auf eine gewünschte Stärke poliert, wird eine Siliziumstruktur durch Ätzen des polierten Siliziums durch reaktives Ionenätzen ausgebildet und wird die Siliziumstruktur vom Boden dadurch gelöst, dass selektiv das Glas unter der Siliziumstruktur durch Nuten im geätzten Silizium weggeätzt wird. Bei diesem Verfahren wird eine dicke Siliziumschicht (Bulk-Siliziumschicht), die mit dem Glas verbunden ist, mit einem hohen Schnittverhältnis verarbeitet, so dass der Flächenbereich und die Stärke der Siliziummessschicht erhöht sind, was die Zuverlässigkeit und die Leistung verbessert. Das im Vergleich zum Stand der Technik erfindungsgemäße einfache Verfahren, das nur eine Maske verwendet, kann weiterhin die Herstellungskosten eines Trägheitssensors herabsetzen. Die Glasbodenfläche wirkt darüberhinaus als Ätzstoppschicht während des reaktiven Ionenätzens, so dass die Stärke des gesamten Aufbaus gleichmäßig bleibt. Die Verwendung einer dicken und stabilen einkristallinen Siliziumschicht zur Bildung der Siliziumstruktur erhöht die Zuverlässigkeit des Sensors. Die Siliziumstruktur wird auf einem Glas ausgebildet, das ein Isolator ist, so dass die funktionellen Teile der Siliziumstruktur elektrisch gegeneinander isoliert sind. Es wird daher kein Isolationsfilm benötigt, der auf den Oberflächen und Seitenflächen der Siliziumstruktur ausgebildet wird, und eine Ableitung einer parasitären Kapazität über das Substrat wird vermieden. Eine Fluorwasserstofflösung, die ein selektives Glasätzmittel ist, reagiert darüberhinaus im Allgemeinen nicht mit Silizium, so dass das Silizium nicht geätzt wird, während das Glas über eine lange Zeitdauer geätzt wird.
