DE4315012A1 - Verfahren zur Herstellung von Sensoren und Sensor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung von Sensoren nach der Gattung des Hauptanspruchs und einem Sensor nach der Gattung des Anspruchs 8.

Aus dem deutschen Patent DE 40 00 903 ist bereits ein Verfahren zur Herstellung von Beschleunigungssensoren bekannt, bei dem Ätzgräben in eine zweischichtige Platte aus einkristallinem Silizium einge­ bracht werden. Durch die Gräben wird ein Beschleunigungssensor mit einer an einem Lager aufgehängten Biegezunge und einer Gegen­ elektrode aus der oberen Schicht heraus strukturiert. Die Biegezunge und die Gegenelektrode sind beide auf der zweiten Schicht, die ein plattenförmiges Substrat bildet, befestigt. Durch einen pn-Übergang sind die Biegezunge und die Gegenelektrode gegen dieses platten­ förmige Substrat isoliert. Durch Ätzung des plattenförmigen Substrats unterhalb der Biegezunge wird die Beweglichkeit der Biegezunge erreicht.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die Ver­ wendung einer Ätzschicht zwischen den beiden Siliziumplatten ein Herstellungsprozeß geschaffen wird, dessen Ätzschritte besonders exakt kontrolliert werden können. Durch die gute Kontrollierbarkeit der Ätzschritte können trotz einfacher und unproblematischer Prozeßführung hohe Dimensionsgenauigkeiten bei der Fertigung von Sensoren erzielt werden. Der erfindungsgemäße Sensor nach dem An­ spruch 8 weist eine besonders gute Isolation der einzelnen Sensor­ bestandteile gegeneinander auf und erlaubt so die Verwendung eines besonders einfachen Meßaufbaus zur Messung der Kapazität zwischen Biegezunge und Gegenelektrode.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich. Durch die Verwendung von iso­ lierenden Materialien für die Ätzschicht kann diese Schicht zur Iso­ lation von Sensorbestandteilen herangezogen werden. Weiterhin können isolierende Materialien besonders gut selektiv zu Silizium geätzt werden. Durch das Einbringen von Gräben oder Diffusionszonen können einzelne Bereiche besonders gut und mit einfachen Mitteln gegen­ einander isoliert werden. Die Herstellung der Schichtplatte erfolgt mit geringem apparativem Aufwand durch das Verbinden zweier Siliziumplatten. Durch die Implantation von Fremdatomen kann die Herstellung der Schichtplatte unter Verwendung nur einer Siliziumplatte erfolgen. Wenn die Unterätzung der Struktur durch die Gräben erfolgt, so ist nur eine einseitige Bearbeitung der Schicht­ platte notwendig. Bei einer Ätzung der Ätzschicht durch eine Ätz­ öffnung in der unteren Siliziumschicht können auf der Oberseite Strukturen angeordnet sein, die bei einer Ätzung von der Oberseite in Mitleidenschaft gezogen wurden.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Siliziumplatte mit implantierten Fremdatomen und

Fig. 2 eine daraus gebildete Schichtplatte,

Fig. 3, 4 und 5 die Herstellung einer Schichtplatte aus zwei Siliziumplatten,

Fig. 6 die Isolation von einzelnen Bereichen,

Fig. 7 ein Herstellungsver­ fahren für einen Sensor,

Fig. 8 und 9 einen Querschnitt und eine Aufsicht auf eigen Sensor und

Fig. 10 einen Querschnitt durch einen weiteren Sensor.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In den Fig. 1 und 2 wird ein Herstellungsverfahren für eine Schichtplatte 5 beschrieben. Dazu werden, wie in der Fig. 1 ge­ zeigt, Fremdatome in eine Siliziumplatte 23 implantiert. Die Implantation der Fremdatome erfolgt durch einen Strahl von be­ schleunigten Fremdatomen, wie durch die Pfeile dargestellt. In Ab­ hängigkeit von der Energie dieses Fremdatomstrahls bildet sich in der Siliziumplatte 23 eine Fremdatomschicht 24 aus. Für einen sol­ chen Implantationsprozeß ist beispielsweise Sauerstoff geeignet, welcher mit einer Energie von 200 keV in die Siliziumplatte 23 ein­ gelagert wird. Durch einen Temperprozeß wird die Reaktion der Fremd­ atome mit dem Silizium der Platte 23 unterstützt. Durch die Reaktion der implantierten Schicht 24 mit dem Silizium wird so eine Ätz­ schicht 3 gebildet, die in der Fig. 2 dargestellt ist. Bei der Implantation von Sauerstoff wird beispielsweise durch eine mehr­ stündige Temperaturbehandlung über 1200°C eine Siliziumoxidschicht gebildet. Diese Siliziumoxidschicht ist als Ätzschicht 3 geeignet und zwischen zwei einkristallinen Siliziumschichten 1, 2 einge­ bettet. Eine derartig aufgebaute Schichtplatte 5 wird beispielsweise in der Fig. 2 gezeigt. Die beiden Siliziumschichten 1, 2 bestehen aus einkristallinem Silizium und zwischen diesen beiden Schichten ist eine Ätzschicht 3, die aus Siliziumoxid besteht, angeordnet. Die Siliziumschicht 2 wird durch die Restdicke der Siliziumplatte 23 gebildet und ist im Vergleich zu den beiden Schichten 1, 3 besonders groß. Typische Schichtdicken für die Schichten 1 und 3, die durch Implantation von Sauerstoff in einen Silizumwafer gebildet sind, liegen in der Größenordnung von weniger als 1 Mikrometer. Die Dicke der Schicht 1 kann durch einen epitaktischen Aufwachsprozeß vergrößert werden.

In den Fig. 3 bis 5 wird ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Schichtplatte 5 gezeigt. Dieses Verfahren geht aus von zwei Siliziumplatten 20, 21, wie sie in der Fig. 3 gezeigt werden. Die beiden Siliziumplatten 20, 21 werden durch einen sogenannten Bond­ prozeß miteinander verbunden. Ein solcher Bondprozeß besteht darin, daß zwei Siliziumplatten mit glatten Oberflächen nach einer evtl. chemischen Vorbehandlung der Verbindungsflächen aufeinandergelegt werden und dann durch eine Temperaturbehandlung unlöslich mit­ einander verbunden werden. Die Verbindungsflächen der Siliziumwafer können dabei auch mit einer Hilfsschicht, die nicht aus Silizium besteht, versehen sein. Geeignete Hilfsschichten bestehen bei­ spielsweise aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Glas. Diese Hilfs­ schichten können dabei nur auf einer oder auf beiden Verbindungs­ flächen vorgesehen sein. In der Fig. 3 ist die Siliziumplatte 21 mit einer Siliziumoxidschicht 22 versehen. Die beiden Silizium­ platten 21 und 22 werden aufeinandergelegt, wie durch die Pfeile in der Fig. 3 angedeutet. Durch einen Temperprozeß, beispielsweise Erwärmen über 400°C für mehrere Stunden, werden die Siliziumplatten 20 und 21 miteinander verbunden, wie dies in der Fig. 4 gezeigt wird. Die Siliziumplatten 20 und 21 sind durch die Siliziumoxid­ schicht 22 fest miteinander verbunden. Durch Nachbearbeitung wird nun aus dem in der Fig. 4 gezeigten Plattenstapel die Schichtplatte 5 gebildet. Diese Schichtplatte 5 wird in der Fig. 5 gezeigt. Bei diesem Nachbe­ arbeitungsprozeß wird die Dicke der oberen Siliziumplatte 20 ver­ ringert, um so die Dicke der oberen Siliziumschicht 1 der Schicht­ platte 5 definiert einzustellen. Die Verringerung der Dicke der Siliziumplatte 20 kann durch mechanische Oberflächenbearbeitung er­ folgen. Dabei wird zunächst durch Schleifen ein Großteil der Dicke abgetragen und dann durch einen Polierprozeß, evtl. auch durch einen chemischen Polierprozeß, die Dicke und Oberflächengüte der oberen Siliziumschicht 1 eingestellt. Weiterhin kann die Dickenverringerung der Siliziumplatte 20 auch durch chemische Ätzverfahren erfolgen, wobei die Dicke der Siliziumschicht 1 auch durch eine vorherige Dotierung der Siliziumplatte 20 eingestellt werden kann, beispiels­ weise, indem eine Ätzstoppschicht in die Siliziumplatte 20 einge­ bracht wird.

Bei der Herstellung von Schichtplatten 5 durch Implantation wird nur eine einzige Siliziumplatte bearbeitet. Dieses Verfahren benötigt somit wenig Ausgangsmaterial. Geeignete Geräte zur Implantation von Fremdatomen, wie beispielsweise Sauerstoff, werden in der normalen Halbleiterfertigung nicht verwendet und müssen daher extra für diesen Prozeß angeschafft werden. Bei der Verwendung von zwei Siliziumplatten, die durch einen Bondprozeß miteinander verbunden werden, entfällt der Bedarf für ein solches Gerät zum Implantieren, dafür müssen jedoch zwei Siliziumplatten verwendet werden.

In der Fig. 6 ist eine Schichtplatte 5 gezeigt, die durch die Ätz­ schicht 3 und einem Graben 4 bzw. einer Isolationsdiffusion 14 in gegeneinander isolierte Bereiche 10, 11 und 12 unterteilt worden ist. Durch die Ätzschicht 3 aus Siliziumoxid ist die obere Silizium­ schicht 1 gegen die untere Siliziumschicht 2 isoliert. Durch Ein­ bringen eines oder mehrerer Graben 4 oder einer Isolationsdiffusion 14, wie sie beispielsweise aus der Bipolar­ technik bekannt ist, kann die obere Schicht 1 in einzelne Bereiche 10, 11, 12 unterteilt werden, die gegeneinander isoliert sind. Diese Art der Isolation erlaubt die Herstellung von Sensoren, bei denen einzelne Bestandteile besonders gut gegeneinander isoliert sind.

In der Fig. 7 wird die Herstellung und in den Fig. 8 und 9 ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Sensor nach dem erfindungsge­ mäßen Verfahren gezeigt. In der Fig. 7 wird eine Schichtplatte 5 gezeigt, die aus einer oberen Siliziumschicht 1, einer unteren Siliziumschicht 2 und einer dazwischenliegenden Ätzschicht 3 aus Siliziumoxid besteht. In die obere Siliziumschicht 1 sind Gräben 4 eingebracht, die bis zur Ätzschicht 3 reichen. In der Fig. 8 ist ein Querschnitt durch einen Beschleunigungssensor gezeigt, der aus der Schichtplatte 5 der Fig. 7 hergestellt ist. Der Sensor weist eine Biegezunge 30 auf, die an einem Lager 32 befestigt ist. Das Lager 32 ist über eine Isolationsschicht 34 auf dem Substrat 33 be­ festigt. Weiterhin weist der Sensor einen Rahmen 35 auf, der durch einen Graben 4 vom Lager 32 und der Biegezunge 30 getrennt ist. Der Rahmen 35 ist ebenfalls durch eine isolierende Schicht 34 auf dem Substrat 33 verankert. In der Fig. 9 wird eine Aufsicht auf den Sensor nach Fig. 8 gezeigt. Die Linie I-I zeigt dabei einen Quer­ schnitt durch den Sensor, der der Fig. 8 entspricht. In der Auf­ sicht sind neben dem Lager 32 und der daran aufgehängten Biegezunge 30 noch zwei Gegenelektroden 31 zu erkennen. Diese sind zu beiden Seiten der Biegezunge 30 angeordnet und ebenfalls über isolierende Schichten 34, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind, mit dem Substrat 33 verankert. Weiterhin ist in der Aufsicht die geo­ metrische Form der Gräben 4 zu erkennen, die in die obere Silizium­ schicht 1 eingebracht sind und so den Rahmen 35, das Lager 32, die Biegezunge 30 und die Gegenelektroden 31 aus der oberen Silizium­ schicht 1 herausbilden.

Die Herstellungsschritte zur Herstellung des Sensors werden besonders klar an den Fig. 7 und 8 verdeutlicht. Zunächst werden in eine Schichtplatte nach Fig. 2 oder Fig. 5 Gräben 4 einge­ bracht, wie dies in der Fig. 7 gezeigt wird. Durch die Gräben 4 werden das Lager 32, die Biegezunge 30, die Gegenelektroden 31 und der Rahmen 35 aus der oberen Siliziumschicht 1 herausstrukturiert. Da die Gräben bis zur Siliziumoxidschicht 3 reichen, sind die einzelnen Sensorbestandteile elektrisch gegeneinander isoliert. In einem weiteren Ätzschritt wird nun die Siliziumoxidschicht unter der Biegezunge 30 entfernt. Dieser Ätzschritt ist in der Fig. 8 zu er­ kennen, bei der aus der Siliziumoxidschicht 3 einzelne isolierende Schichten 34 unter dem Lager 32 oder unter dem Rahmen 35 zu erkennen sind. Die Gegenelektroden 31 sind ebenfalls durch isolierende Schichten auf dem Substrat 33 verankert. Die Biegezunge 30 ist dabei so gestaltet, daß sie ihre geringste Biegesteifigkeit in einer Achse, die parallel zur Oberfläche des Substrats 33 ist, aufweist. Die Biegezunge 30 wird somit durch Beschleunigungen in einer Achse, die durch den Pfeil in der Fig. 9 angedeutet ist, besonders einfach verbogen. Diese Verbiegung ist mit einer Änderung der elektrischen Kapazität zwischen der Biegezunge 30 und den Gegenelektroden 31 ver­ bunden. Durch Messung der Kapazität zwischen der Biegezunge 30 und den Gegenelektroden 31 kann somit die Beschleunigung gemessen werden. Das Einätzen der Gräben 4 erfolgt mit Ätzprozessen, die mög­ lichst senkrechte Kanten bildet. Dies kann beispielsweise durch einen anisotropen Plasmaätzprozeß, wie beispielsweise reaktives Ionenätzen erfolgen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die anisotropen Ätzeigenschaften von Silizium gegenüber flüssigen Ätz­ lösungen, wie beispielsweise wäßriger KOH-Lösungen zu nutzen. Bei­ spielsweise können in Siliziumplatten mit einer 110-Oberflächen­ orientierung senkrechte Wände eingeätzt werden. Ebenso kann die Ätzung der Ätzschicht 3 unter der Biegezunge 30 mit einer Ätzflüssigkeit erfolgen. Als Ätzflüssigkeit ist beispiels­ weise Flußsäure geeignet, die Siliziumoxid ätzt, ohne die Silizium­ strukturen anzugreifen.

Das hier vorgestellte Herstellungsverfahren ist nicht auf die Her­ stellung von Beschleunigungssensoren nach der Fig. 9 beschränkt. Ebensogut können andere Geometrien für Beschleunigungssensoren oder andere Sensoren, wie beispielsweise Druck-, Kraft- oder ähnliche Sensoren realisiert werden.

In der Fig. 10 ist ein weiteres Beispiel für einen Beschleunigungs­ sensor dargestellt. Dieser Sensor besteht aus einer Biegezunge 30, die an einem Lager 32 aufgehängt ist. Durch Gräben 4 sind die Biege­ zunge 30 und das Lager 32 vom Rahmen 35 getrennt. In der Aufsicht entspricht dieser Sensor wieder einem Beschleunigungssensor, wie er in der Fig. 9 gezeigt ist. Der Rahmen 35 und das Lager 32 sind wieder über isolierende Schichten 34 mit einem Substrat 33 ver­ bunden. Unter der Biegezunge 30 ist in das Substrat 33 eine Öffnung 6 eingebracht. Die Herstellung dieses Sensors geht von einer Schichtplatte 5 aus, wie sie in der Fig. 7 dargestellt ist. Die Gräben 4 strukturieren wieder die obere Siliziumschicht 1 derart, daß Lager 32, Biegezunge 30 und Gegenelektroden 31 aus der oberen Siliziumschicht 1 heraus strukturiert sind. In einem weiteren Ätz­ schritt wird dann unterhalb der Biegezunge 30 eine Ätzöffnung 6 in die untere Siliziumschicht 2 eingebracht. Die Ätzöffnung 6 wird dabei so ausgestaltet, daß sie nur unmittelbar unter der Biegezunge 60 zu liegen kommt. In einem weiteren Ätzschritt wird dann durch die Ätzöffnung 6 hindurch von der Unterseite her die Ätzschicht 3 unter­ halb die Biegezunge 30 entfernt. Durch die Beschränkung der Ätz­ öffnung 6 auf den unmittelbaren Bereich unter die Biegezunge 30 wird dabei die mechanische Verbindung des Lagers 32 und der Gegen­ elektroden 31 durch die Siliziumoxidschicht nicht beeinträchtigt.

Die beiden Herstellungsprozesse weisen jeweils spezifische Vorteile auf. Durch die Ätzung der Ätzschicht 3 von oben durch die Gräben 4 entfällt die Strukturierung der unteren Siliziumschicht 2. Es ist somit keine zweiseitige Bearbeitung von Siliziumplatten notwendig, was die Kosten für die Fertigung senkt. Durch die Ätzung der Ätz­ schicht 3 ausgehend von der Unterseite durch eine in die untere Siliziumschicht 2 eingebrachte Ätzöffnung 6 läßt sich die Ätzschicht 3 auch unterhalb sehr großflächigen Strukturen entfernen, ohne daß dabei eine Gefährdung von Haltebereichen, wie beispielsweise dem Lager 32, durch Unterätzung verbunden ist. Dies ermöglicht bei­ spielsweise die Biegezunge mit einer räumlich großen seismischen Masse zu versehen, durch die die Empfindlichkeit des Sensors ge­ steigert wird. Weiterhin können bei diesem Ätzprozeß Schaltkreise in der oberen Siliziumschicht 1 besser vor dem Angriff des Ätzmediums für die Ätzschicht 3 geschützt werden, die beispielsweise zu einer ersten Auswertung der Sensorsignale verwendet werden. Aufgrund ihrer großen räumlichen Nähe zum Sensor sind dabei eventuelle Störsignale besonders gering.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung von Sensoren, insbesondere von Be­ schleunigungssensoren, durch Ätzen von Gräben in eine Platte mit mehreren Schichten aus einkristallinem Silizium, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Schichtplatte (5) geschaffen wird, bei der zwischen einer oberen Schicht (1) und einer unteren Schicht (2) aus einkristallinem Silizium eine Ätzschicht (3) angeordnet ist, daß in die obere Schicht (1) durch Einbringen von Gräben (4), die bis zur Ätzschicht (3) reichen, eine Struktur ausgebildet wird, und daß die Ätzschicht (3) mindestens unter einem Teil der Struktur entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätz­ schicht (3) aus einem isolierenden Material, insbesondere Silizium­ oxid, Siliziumnitrid oder Glas, besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Teile (10, 11, 12) der oberen Schicht (1) durch Einbringen von Gräben (4) oder Diffusionszonen (14), die bis zur Ätzschicht (3) reichen, gegeneinander isoliert werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Schaffung der Schichtplatte (5) zwei Platten (20, 21) miteinander verbunden werden, wobei mindestens eine der Platten (20, 21) auf der Verbindungsfläche eine Schicht (22) aus dem Material der Ätzschicht aufweist, und daß nach dem Verbinden der Siliziumplatten (20, 21) eine der Siliziumplatten (20, 21) in ihrer Dicke verringert wird, um so die Dicke der oberen Siliziumschicht (1) einzustellen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Schaffung der Schichtplatte (5) in eine Silizium­ platte (23) durch Implantation in einer vorbestimmten Tiefe Fremd­ atome eingebracht werden, daß durch eine Temperbehandlung die Reaktion dieser Fremdatome mit der Siliziumplatte (23) gefördert wird und daß das so entstehende Reaktionsprodukt von Silizium und den Fremdatomen eine Ätzschicht (3) bildet.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Ätzung der Ätzschicht (3) unter einem Teil der Struktur durch die Gräben (4) ein Ätzmedium an die Ätzschicht (3) herangebracht wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Ätzung der Ätzschicht (3) unter einem Teil der Struktur eine Ätzöffnung (6) in die untere Siliziumschicht (2) ein­ gebracht wird, und daß durch die Ätzöffnung (6) ein Ätzmedium an die Ätzschicht (3) herangebracht wird.

8. Sensor mit einem beweglichen Sensorelement aus einkristallinem Silizium welches auf einem plattenförmigen Substrat (33) aus ein­ kristallinem Silizium befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem beweglichen Sensorelement und dem Substrat (33) eine isolierende Schicht, insbesondere aus Siliziumoxid oder Silizium­ nitrid angeordnet ist.

9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das beweg­ liche Element als Biegezunge (30) ausgebildet ist, daß die Biege­ zunge (30) gegenüber einer Gegenelektrode (31) angeordnet ist, daß die Biegezunge (30) an einem Lager (32) aufgehängt ist, daß das Lager (32) und die Gegenelektroden (31) auf einem plattenförmigen Substrat (33) aus einkristallinem Silizium befestigt sind und die Achse geringster Biegesteifigkeit der Biegezunge (30) parallel zur Oberfläche des Substrats (33) verläuft, daß die Beschleunigung an­ hand der Kapazität zwischen Biegezunge (30) und Gegenelektrode (31) meßbar ist, und daß zwischen dem Lager (32) bzw. der Gegenelektrode (31) und dem Substrat (33) eine isolierende Schicht, insbesondere aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid angeordnet ist.