DE69531580T2

DE69531580T2 - Fabrikationsmethode von aufhängungsteilen für mikrogefertigte sensoren

Info

Publication number: DE69531580T2
Application number: DE69531580T
Authority: DE
Inventors: K. Raymond ERICKSON
Original assignee: I/O Sensors Inc Austin; I/O Sensors Inc
Current assignee: I/O Sensors Inc Austin; I/O Sensors Inc
Priority date: 1994-03-28
Filing date: 1995-03-16
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2015-03-17
Also published as: JP3741723B2; HK1004876A1; JP4267611B2; AU2102195A; DE69531580D1; EP0700580A1; WO1995026567A1; EP0700580A4; US5484073A; CA2159642A1; JPH08511379A; EP0700580B1; CA2159642C; JP2006116693A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Fertigung eines Sensors, und im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung ein Blocksilizium-Mikro-Materialbearbeitungsverfahren zur Fertigung eines Sensors mit einer Masse, die an Präzisions-Aufhängungsringen an einem Trägerrahmen hängt.
BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
Silizium ist ein Material mit besonders wünschenswerten mechanischen Eigenschaften. Einkristallsilizium ist härter als die meisten Metalle und unglaublich widerstandsfähig in Bezug auf mechanische Belastungen. Sowohl unter Spannung als auch Kompression weist Silizium eine höhere Elastizitätsgrenze auf als Stahl und bleibt auch nach wiederholten Zyklen der Spannung und Kompression unterhalb der eigenen Elastizitätsgrenze. Sogenannte Verfahren der Mikro-Materialbearbeitung ermöglichen es, dass aus Silizium mechanische Vorrichtung von außerordentlich kleiner Größe hergestellt werden können, was eine Miniaturisierung derartiger Vorrichtungen größtenteils auf die gleiche Art und Weise wie die Miniaturisierung elektronischer Vorrichtungen wie etwa von Computerchips etc. ermöglicht. Verfahren der Mikro-Materialbearbeitung ermöglichen die gleichzeitige Fertigung einer Vielzahl von Vorrichtungen, so dass die Kosten pro Vorrichtung niedrig sind, wenn zahlreiche Vorrichtungen gefertigt werden. Mittels Mikro-Materialbearbeitung gefertigte Vorrichtungen weisen eine einheitliche Qualität auf, da die gleichen Verarbeitungsschritte, die an einer Vorrichtung auf einer Seite einer Siliziumscheibe ausgeführt werden mit denen an anderen Teilen der Siliziumscheibe übereinstimmen.
Bei der Mikro-Materialbearbeitung kommen für gewöhnlich chemische Ätztechniken zur Bildung von dreidimensionalen Formen zum Einsatz, wie etwa von Vertiefungen, Löchern, Gräben oder Wänden. Die Mikro-Materialbearbeitung beginnt für gewöhnlich mit der Photolithographie, einer photographischen Technik, die für die Übertragung von Kopien eines Haupt- bzw. Mastermusters auf die Oberfläche einer Siliziumscheibe verwendet wird. In dem ersten Schritt erfolgt ein Aufwachsen einer dünnen Oxidschicht auf der Waferoberfläche durch Erhitzung dieser in einer Dampfatmosphäre auf eine Temperatur zwischen 800°C und 1200°C. Danach wird ein Photoresist, eine dünne Schicht eines in Bezug auf ultraviolette Strahlung empfindliches organisches Polymer auf die Oxidoberfläche abgeschieden, exponiert und entwickelt. Ein Muster aus blankem und mit Photoresist beschichtetem Oxid wird auf der Waferoberfläche ausgebildet. Nach einer folgenden Behandlung mit Säure wird das Oxid weggeätzt, während das mit Photoresist überzogene Oxid verbleibt. Das Endergebnis ist ein Oxidmuster auf der Waferoberfläche, welches das Photoresist-Muster dupliziert.
Das Oxidmuster kann als eine Maske während der Dotierung des Wafers mit Unreinheiten wie etwa Bor oder Phosphor dienen. Das Oxidmuster wird auch als Maske während chemischem oder anisotropen Ätzen mit das Silizium angreifendem Ätzmaterial verwendet. Anisotrope Ätzmittel, die auch als ausrichtungsabhängig bekannt sind, ätzen mit verschiedenen Raten in verschiedene Richtungen in dem Siliziumkristallgitter und können gut definierte Foren mit scharfen Ecken und Kanten bilden.
Beispiele für durch die Mikro-Materialbearbeitung gefertigten Vorrichtungen sind Beschleunigungssensoren, Bewegungssensoren und Drucksensoren. Darüber hinaus gibt es zahlreiche weitere Beispiele. Beispiele für mithilfe der Mikro-Materialbearbeitung gefertigte Beschleunigungssensoren sind unter anderem piezoelektrische und kapazitive Sensoren.
Sensoren können ein zentrales Sensormassenelement aufweisen, das in einem äußeren Trägerrahmen für eine relative Bewegung durch ein oder mehrere Aufhängungselemente getragen, die sich zwischen dem Massenelement und dem äußeren Trägerrahmen erstrecken. Aufhängungselemente haben bislang Aufhängungsfedern, Träger, Gelenke oder Membrane umfasst, um das Sensormassenelement im Verhältnis zu dem äußeren Trägerrahmen zu tragen. Derartige Aufhängungselemente wurden bislang zum Beispiel unter Verwendung einer nassen, anisotropen Ätztechnik durch Mikro-Materialbearbeitung hergestellt. Diesbezüglich wird etwa auf das dem Stand der Technik entsprechende Dokument JP-A-1 301181 verwiesen, in dem die Fertigung von Halbleiter-Beschleunigungssensoren beschrieben ist.
JP 6307643 betrifft die Bildung eines flexiblen Teilstücks mit äußerst präziser Dicke durch ein Verfahren, wobei eine p<+> Schicht mit einer vorgeschriebener Tiefe durch Bordiffusion in einem Si-Substratbereich gebildet, um in ein flexibles Teilstück umgewandelt zu werden, und ein vorgeschriebener Bereich auf dem Si-Substrat wird einem Ätzen mit der P<+> Schicht ausgesetzt, die als Ätzbegrenzungsschicht in einem Verfahren der Bildung des flexiblen Teilstücks und eines Gewichtsteilstücks dient. Ein Si-Substrat wird einer Verarbeitung ausgesetzt, wobei ein mit einem Piezowiderstand ausgestattetes flexibles Teilstück und ein frei an dem flexiblen Teilstück aufgehängtes Gewichtsteilstück gebildet werden, zur Fertigung eines Halbleiter-Beschleunigungssensors mit dieser Bauweise. Für die Konstruktion des flexiblen Teilstücks und des Gewichtsteilstücks wird eine P<+> Schicht mit einer vorgeschriebenen Tiefe durch Bordiffusion in dem Bereich gebildet wird, zur Umsetzung in das flexible Teilstück an dem Si-Substrat, und wobei ein vorgeschriebener Bereich in dem Si-Substrat einem Ätzprozess ausgesetzt wird, wobei eine heiße Alkalilösung verwendet wird und die P<+> Schicht dient als eine Ätzbegrenzungsschicht. Der genannte Piezowiderstand wird zum Beispiel durch Phosphordiffusion in die Oberfläche der genannten P<+> Schicht gebildet, und das genannte Ätzen wird durch einen SiO₂-Film erriecht, der als Maske eines vorbestimmten Musters dient, das auf dem Si-Substrat gebildet wird.
Das U.S. Patent US-A-4.922.756 vom 8. Mai 1990 zeigt einen aus Silizium durch Mikro-Materialbearbeitung hergestellten Beschleunigungsmesser unter Verwendung von Batch-Photolithographischen Techniken aus einem Einkristall-Wafer. Der Beschleunigungsmesser weist E-förmige Blattfedern aus, die aus Siliziumdioxid gefertigt werden. Die obere Siliziumfederoberflächen der E-förmigen Federn auf jeder Seite des Wafers sind maskiert, und Siliziumdioxid wird auf Oberflächen aufgewachsen, die später mit Mustern versehen und durch chemisches Ätzen weggeätzt werden. Eine dünne Photoresist- oder Abgrenzungsschicht wird gebildet. Danach wird eine dünne Oxidschicht durch Diffusion einer genauen Menge Sauerstoff in das Silizium aufgewachsen, so dass eine präzise Dicke Siliziumdioxid auf dem Wafer gebildet wird. Als nächstes werden die entgegengesetzten Oberflächen des Wafers maskiert, wobei ausgesuchte Bereiche maskiert werden, die bis auf die Siliziumoberflächen herunter geätzt werden. Danach wird eine dünne Siliziumdioxidschicht aufgewachsen, maskiert und das exponierte Siliziumdioxid wird bis auf die Siliziumoberfläche herunter geätzt, welche dem Siliziumätzmittel ausgesetzt ist. Danach erfolgt ein chemisches Ätzen des Siliziummaterials, das durch die Öffnungen des Siliziumdioxids wirkt, so dass Siliziummaterial weggeätzt wird, während die Schenkel der E-förmigen Federn unterschnitten werden. Steife geätzte Begrenzungsschichten verbleiben für die Basen der Federn und die entgegengesetzten Seiten der aufgehängten Masse und Trägerstrukturen. Kraft und die Messung leitende Bereiche werden danach auf entgegengesetzten Seiten des aufgehängten Massenelements und auf komplementäre Kraft und Messung leitende Bereiche der entgegengesetzten Trägerstrukturen abgeschieden. Somit werden dreidimensionale E-förmige Federn vorgesehen, wobei die Länge jedes Schenkels und dessen Dicke präzise geregelt werden, um die Federkonstante des Sensor- bzw. Fühlerelements zu regeln.
Das U.S. Patent US-A-4.144.516 vom 13. März 1979 betrifft einen Blattfedersensor oder Messwandler, der durch Batch-Photololithographie-Ätztechniken aus einem Einkristall-Siliziummaterial gefertigt wird. Es werden zwei separate Wafer mit einer darin angeordneten Anordnung von Federstrukturen gebildet. Jeder Wafer weist eine elektrische Schaltkreisanordnung auf einer oberen Oberfläche auf, wobei die untere Oberfläche mit einen anisotropen Ätzmittel geätzt wird, um eine E-förmige Blattfederstruktur sowie eine umgebende Trägerstruktur zu definieren. Danach werden die beiden Wafer etwa durch einen Klebstoff, Löten oder Hartlöten zusammengeführt, so dass ein doppelter Federsensor oder Messwandler gebildet wird. Danach werden aus den verbundenen Wafern einzelne Messwandler gelöst und in der Folge an einer geeigneten Trägerstruktur angebracht.
Beide vorstehend beschriebenen Federsysteme weisen E-förmige Federn auf. Die dem Stand der Technik entsprechende Mikro-Materialbearbeitung von Halbleitern umfasst Feder- und Aufhängungselemente mit geraden Linien bzw. Leitungen, die für das chemische Ätzverfahren entlang kristallographischer Ebenen von kubischem Diamantmaterial wie etwa Silizium kennzeichnend sind.
Das U.S. Patent US-A-5.006.487 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines elektrostatischen Silizium-Beschleunigungsmessers mit einem Verfahren zur Fertigung von Verbindungselementen oder "Flexuren" zum Aufhängen eines Pendelmassenelements an einem Trägerrahmen. Das Verfahren verwendet chemisches (nasses bzw. feuchtes) Ätzen einer Siliziumschicht zur Bildung geradliniger Öffnungen gemäß einem Muster.
Die Erstellung von Federgeometrien durch chemisches Ätzen von Siliziummaterial ist somit gemäß den Formen von Feder- und Aufhängungselementen begrenzt, die mikro-materialbearbeitet werden können.
AUFGABEN DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Fertigung eines Sensors vorzusehen, bei dem die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise abgeschwächt werden können.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Vorgesehen ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Fertigung eines Sensors, wobei der genannte Sensor ein Rahmenelement mit Seitenwänden, ein mit räumlichem Abstand zu den genannten Seitenwänden des genannten Rahmenelements in dem Rahmenelement platziertes Massenelement und Aufhängungselemente aufweist, die zwischen dem genannten Rahmenelement und dem genannten Massenelement verbunden sind, wobei das genannte Verfahren folgendes umfasst:

(a) Verarbeiten einer Siliziumscheibe, so dass ein verarbeiteter Wafer erzeugt wird, der eine Schicht aus Blocksilizium und eine Schicht aus epitaxial gewachsenem Silizium aufweist, die durch eine Ätzbegrenzungsschicht voneinander getrennt sind;
(b) chemisches Ätzen der genannten Schicht des Blocksiliziums von der Seite des Blocksiliziums des genannten verarbeiteten Wafers, so dass eine Dicke gemäß einem Muster verbleibt, das den Zwischenraum zwischen den genannten Seitenwänden des genannten Rahmenelements und dem genannten Massenelement definiert, wobei das genannte Ätzen an der genannten Ätzbegrenzungsschicht endet;
(c) Entfernen mindestens eines Teilstücks der genannten Ätzbegrenzungsschicht aus dem genannten Zwischenraum zwischen den genannten Seitenwänden des genannten Rahmenelements und dem genannten Massenelement, in dem Zwischenraum zwischen den Seitenwänden des Rahmenelements und der aufgehängten Masse; und
(d) Trockenätzen von der genannten epitaxial gewachsenen Siliziumseite des genannten verarbeiteten Wafers gemäß einem Aufhängungselementmuster, so dass das epitaxial gewachsene Siliziummaterial in dem genannten Zwischenraum entfernt wird, wodurch die genannten Aufhängungselemente verbleiben, welche die genannte Masse von dem genannten Rahmenelement aufhängen.

Vorzugsweise umfasst der Schritt des Trockenätzens das Plasmaätzen, so dass die genannten Aufhängungselemente in einer allgemeinen L-Form gebildet werden, die sich um die Ecken eines rechteckförmigen Massenelements erstrecken.
In geeigneter Weise wird der genannte Schritt des chemischen Ätzens über einen geregelten Zeitraum durchgeführt wird, um nicht nur die genannte Ätzbegrenzungsschicht zu entfernen, sondern auch um ein Teilstück der genannten Schicht des epitaxial gewachsenen Siliziums angrenzend an den genannten Zwischenraum zwischen den genannten Seitenwänden des genannten Rahmenelements und dem genannten aufgehängten Massenelement zu entfernen, so dass die Dicke des verbleibenden Epitaxial-Siliziums geregelt wird.
Vorzugsweise sind genannten Schritte (a), (b) und (c) für eine zweite Siliziumscheibe wiederholt, wobei darauf folgendes folgt:
Bondieren der genannten Wafer aneinander, so dass das genannte Massenelement und das genannte Rahmenelement definiert werden, so dass sich die epitaxialen Schichten auf den äußeren Oberflächen der bondierten Wafer befinden; und
wobei der genannte Schritt des Trockenätzen auf beiden Oberflächen der bondierten Wafer in dem Zwischenraum zwischen dem Massenelement und über die Bereiche der entfernten Ätzbegrenzungsschicht angewandt wird, so dass obere und untere Paare L-förmiger Aufhängungselemente zwischen dem Massenelement und dem Rahmenelement gebildet werden.
Vorzugsweise umfasst der Schritt (c) des Entfernens zumindest eines Teilstücks der genannten Ätzbegrenzungsschicht nach Schritt (b) den Schritt des späteren chemischen Ätzens von der genannten Blocksiliziumseite des genannten Wafers, so dass die genannte Ätzbegrenzungsschicht in dem genannten Zwischenraum entfernt wird, wodurch das genannte Aufhängungselement ausschließlich aus epitaxial gewachsenem Siliziummaterial gebildet wird.
In geeigneter Weise weist das genannte Massenelement vier Hauptelement-Seitenwände auf, die im Verhältnis zu entsprechenden Seitenwänden des genannten Rahmenelements mit räumlichem Zwischenabstand angeordnet sind, und wobei jedes Aufhängungselement zwei sich schneidende Schenkel aufweist, die in einem Winkel von neunzig Grad zu der Befestigung eines Schenkels an einer Rahmenelement-Seitenwand angebracht sind, und wobei sie in einem Winkel von neunzig Grad zu dem anderen Schenkel an einer Massenelement-Seitenwand angebracht sind, die in einem rechten Winkel zu der genannten Rahmenelement-Seitenwand angeordnet ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft im Besonderen ein Verfahren zur Fertigung einer äußeren Oberfläche des aufgehängten Massenelements und der Federn in willkürlichen planaren Formen sowie zur Fertigung von Federn mit willkürlichen Dicken. In ihrer allgemeinsten Ausführung betrifft die vorliegende Erfindung die Fertigung einer einzelnen Siliziumscheibe zur Erzeugung derartiger willkürlicher Formen der äußeren Oberfläche des aufgehängten Massenelements und der Federn.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst das hierin offenbarte Verfahren das Vorsehen von zwei identischen Siliziumscheiben, wobei ein Wafer nach der Verarbeitung die obere Hälfte des aufgehängten Massenelements und des umgebenden Trägerrahmens bildet, und wobei der andere Wafer die untere Hälfte des aufgehängten Massenelements und des umgebenden Trägerrahmens bildet. Jeder Wafer weist eine Blocksiliziumschicht auf, die auf ihrer oberen Oberfläche eine Ätzbegrenzungsschicht unter einer oberen epitaxialen (EPI) Schicht aufweist, die oben auf die eingebettete Ätzbegrenzungsschicht aufgewachsen ist. Die Ätzbegrenzungsschicht ist vorzugsweise eine P++ Schicht. (Bei der Ätzbegrenzungsschicht kann es sich auch um eine eingebettete Oxid-SiO₂-Schicht handeln). Eine P++ Schicht ist eine dünne Siliziumschicht, wobei P-dotierte Unreinheiten wie etwa Bor hinzugefügt werden, so dass der Halbeiter durch eine übermäßige mobile Öffnungskonzentration gekennzeichnet ist, die sehr, sehr groß ist. Eine photosensitive Oxidschicht wird auf der unteren Siliziumoberfläche jedes Wafers vorgesehen. Im Sinne der vorliegenden Anmeldung handelt es sich bei einer "photosensitiven Oxidschicht" um eine Oxidschicht, auf der ein Photoresist-Material angeordnet worden ist.
Als nächstes wird ein Muster der zentralen Masse und des äußeren Trägerrahmens auf der photosensitiven Oxidschicht auf der unteren Oberfläche jedes der Wafer exponiert. Das Oxidschichtmuster des Rahmens und des Aufhängungsmassenelements verbleibt, nachdem der exponierte Bereich zwischen dem Rahmen und dem Massenelement entfernt worden ist. Ein chemisches Ätzmittel wird danach auf die untere Oberfläche jedes Wafers aufgetragen. Das chemische Ätzmittel ätzt durch das Muster, das den Raum zwischen dem gewünschten Rahmen und dem aufgehängten Massenelement darstellt. Das Ätzen der Siliziumschicht endet an der P++ oder eingebetteten Oxid-Ätzbegrenzungsschicht. Das Ätzen für die Siliziumschicht wird unter Verwendung eines nassen Ätzmittels, eines anisotropen Ätzmittels wie etwa von wässrigem Kaliumhydroxid (KOH) oder wässrigem Natriumhydroxid (NaOH) erreicht. Wenn das anisotrope Ätzmittel ordnungsgemäß angewandt wird, unterschneidet es die Oxidschicht nicht und bildet eindeutig definierte Seitenwände.
Die exponierte P++ Schicht wird danach mit einem nassen Ätzmittel in den Bereichen weggeätzt, welche die Federn zwischen der Masse und dem äußeren Trägerrahmen begrenzen. Die Dicke der Federn wird durch Regelung der Dicke des verbleibenden EPI-Materials geregelt. Als nächstes werden die beiden Wafer oder Waferhälften aneinander gebondet, so dass die epitaxialen (EPI) Schichten sich auf den oberen und unteren Oberflächen oder Seiten der gebondeten Wafer befinden. Die EPI-Schichten sind die einzigen Schichten, die in dem Bereich für die Federn zwischen dem Massenelement und dem äußeren Trägerrahmen für das Massenelement verbleiben. Die Federform, welche den äußeren Rahmen und das aufgehängte Massenelement verbindet, ist auf den oberen und unteren EPI-Oberflächen mit Mustern versehen. Die Federform wird über Muster der EPI-Oberflächen durch trockenes Plasmaätzen gebildet.
Somit wird eine willkürliche Form der Feder durch Trockenätzen gemäß dem Muster gebildet, das auf die oberen und unteren Hälften der EPI-Schichten aufgetragen ist. Nach der Fertigung des zentralen Massenelements und des äußeren Trägerrahmens aus den beiden gebondeten Wafern, werden obere und untere Abdeckplatten oder Abdeckungen aus separaten Wafern gefertigt. Derartige Abdeckplatten werden danach mit dem äußeren Trägerrahmen gebondet, wobei geeignete komplementäre Elektroden einen gemeinsamen Mess-/Leitungsbereich oder separate Mess- und Leitungsbereiche an der zentralen Masse und den oberen und unteren Abdeckplatten bilden, wie dies in dem U.S. Patent US-A-4.922.756 veranschaulicht ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Aufgaben, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus den anhängigen Zeichnungen deutlich, in denen übereinstimmende Bestandteile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, und welche ein veranschaulichendes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen. Es zeigen.
1 eine Schnittansicht eines Paars identischer Siliziumscheiben zur Bildung oberer und unterer Hälften eines zentralen Massenelements und äußeren Trägerrahmens;
2 eine Draufsicht auf ein Muster für die Masse und den äußeren Trägerrahmen, das fotografisch auf photosensitiven Oxidschichten der oberen und unteren Hälften aus 1 aufgetragen wird;
3 eine Schnittansicht eines weiteren Schrittes des Fertigungsprozesses, wobei ein nasses chemisches Ätzmittel durch Muster entfernter Oxidschichten aufgetragen wird, um durch die Siliziumschicht jedes Wafers zu einer Ätzbegrenzungsschicht zu ätzen;
4 einen weiteren Schritt des Fertigungsverfahrens, wobei eine Ätzbegrenzungsschicht jedes Wafers, wo Federn gebildet werden sollen, mit einem nassen chemischen Ätzmittel weggeätzt wird, wobei eine obere epitaxiale (EPI) Schicht mit geregelter Dicke auf der Oberseite jedes der Wafer verbleibt;
5 den nächsten Schritt des Fertigungsverfahrens, wobei die beiden Wafer aneinander gebondet werden, so dass die zentrale Masse und der umgebende Trägerrahmen gebildet werden, wobei jeder Wafer eine äußere epitaxiale Schicht darauf aufweist, mit der Ätzbegrenzungsschicht in dem Bereich, der für die Federn weggeätzt worden ist;
6 den nächsten Schritt des Fertigungsverfahrens, wobei trockene Plasmaätzverfahren verwendet werden, um durch ein Muster der oberen und unteren epitaxialen Schichten der Wafer in den Bereichen zu ätzen, in denen die Ätzbegrenzungsschicht entfernt worden ist, um die Form der Federn zwischen der zentralen Masse und dem äußeren Trägerrahmen für das zentrale Massenelement zu bilden; und
7 eine Draufsicht von oben einer zentralen Masse und eines äußeren Trägerrahmens mit dazwischen vorgesehenen, verbindenden Federelementen, die gemäß dem Fertigungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet werden.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Das Verfahren zur Fertigung eines Sensors oder Beschleunigungsmessers durch stapelweise Ätztechniken aus einem Einkristall-Siliziummaterial ist durch die sequentiellen Schritte veranschaulicht, die in den Zeichnungen ausgeführt sind. Der Fertigungsprozess der Mikro-Materialbearbeitung verwendet chemische Ätztechniken, gefolgt von trockenem Plasmaätzen zur Bildung willkürlicher dreidimensionaler Formen für Federn oder Verbindungselemente, die sich zwischen einem zentralen Massenelement und einem äußeren Trägerrahmen des Sensors erstrecken. Der durch die vorliegende Erfindung gebildete Sensor betrifft im Besonderen eine mikrogefertigte Struktur, die in Bezug auf Beschleunigung empfindlich ist, die aus Silizium durch Batch-Photolithographie-Techniken gefertigt wird. Der Sensor wird vorzugsweise aus vier separaten Wafern gebildet, wobei zwei Wafer aneinander gebondet werden, um das zentrale Massenelement und die umgebende äußere Trägerstruktur zu bilden, während die verbleibenden beiden Wafer äußere Platten oder Abdeckungen definieren, die mit dem umgebenden Trägerrahmen gebondet werden. Alternativ können das zentrale Massenelement und die Federn umgebende äußere Trägerstruktur aus einem einzigen Wafer gefertigt werden.
In Bezug auf das bevorzugte Verfahrensausführungsbeispiel der Erfindung aus den Abbildungen der 1 bis 6 und beginnend mit der Abbildung aus 1 sind zwei identische Wafer dargestellt, die allgemein mit den Bezugsziffern 10 und 12 bezeichnet sind. Der Wafer 10 sieht das verarbeitete Konstruktionsmaterial zur Bildung der oberen Hälfte eines zentralen Massenelements und der umgebenden Trägerstruktur vor, während der Wafer 12 das verarbeitete Konstruktionsmaterial zur Bildung der unteren Hälfte des zentralen Massenelements und des umgebenden Trägerrahmens vorsieht. Die oberen und unteren Hälften sind identisch und können zum Beispiel eine Dicke von etwa 500 Mikron aufweisen. Jeder Wafer 10, 12 weist eine unter 14 dargestellte Siliziumschicht auf und auf der oberen Oberfläche vorzugsweise eine P++ (alternativ auch eingebettetes Oxid) Ätzbegrenzungsschicht 16, die zum Beispiel eine Dicke von 14 Mikron aufweisen kann. Eine derartige Ätzbegrenzungsschicht wurde verarbeitet, um eine satte Schicht aus Borunreinheiten diffundiert in Silizium zu bilden. Eine obere epitaxiale (EPI) Schicht 18 wird auf der Oberseite der abgedeckten Ätzbegrenzungsschicht 16 aufgewachsen. Eine untere photosensitive Oxidschicht (durch thermische Oxidation gebildet) ist unter 20 auf der unteren Oberfläche jedes Wafers 10, 12 vorgesehen. Der hierin verwendete Begriff "photosensitive Oxidschicht" 20 betrifft eine dünne Schicht aus Siliziumoxid 25, auf die Photoresist aufgetragen worden ist.
Als nächstes wird ein Muster eines zentralen Massenelements und eines äußeren Trägerrahmens vor der Exposition maskiert, wie dies allgemein in der Abbildung aus 2 dargestellt ist, wobei das zentrale Massenelement unter 21A dargestellt ist, und wobei der äußere Trägerrahmen unter 23A abgebildet ist. Das in der Abbildung aus 2 dargestellt Muster wird exponiert und auf den mit Photoresist abgedeckten Oxidschichten 20 des oberen Wafers 10 und des unteren Wafers 12 entwickelt. Die Ecken des Massenelementmusters (wie veranschaulicht) und des Trägerrahmens (nicht abgebildet) können kompensiert werden, der mit einer kurzen geraden Kante von einer Seite zu der anderen versehen ist, um ein folgendes Überätzen in scharfen Ecken zu verhindern. Das Photoresist-Material des Zwischenraums 22A zwischen der Masse 21A und dem Rahmen 23A wird durch geeignetes Ätzen entfernt, wie etwa 6 : 1 BOE Ätzen. Der Bereich des Massenelements 21A und der Rahmenbereich 23A sind durch nicht exponiertes Photoresist geschützt.
Ein nasses chemisches Ätzmittel wie etwa Kaliumhydroxid (KOH) (33 Gewichtsprozent) wird danach auf die Oberfläche 22A der Schicht 20 jedes Wafers 10, 12 aufgetragen. Das Ätzen erfolgt durch die Siliziumschicht 14 auf die Ätzbegrenzungsschicht 16, die durch das P++ Ätzbegrenzungsmaterial gemäß der Abbildung aus 3 gebildet wird. In der Abbildung aus 3 ist nur der obere Wafer 10 abgebildet. Die untere Hälfte des Wafers 12 wird auf die gleiche Art und Weise gebildet. Das chemische Ätzmittel (KOH) entfernt das Silizium von der Schicht 14 in einem Zwischenraum 22 in einem Ausmaß, das vorzugsweise einer Tiefe von etwa 450 Mikron entspricht. Der Wafer wird in Wasser gespült. Danach wird das chemische Ätzen mit C₅OH Ätzmittel (60 Gewichtsprozent) fortgeführt, wodurch die Ätzbegrenzungsschicht 16 in den Bereichen exponiert wird, die für die Musterung der Federn unter der oberen epitaxialen (EPI) Schicht 18 vorgesehen sind. Das anisotrope Ätzen bildet gut definierte Seitenwände für die Zwischenräume 22, die zwischen der zentralen Masse und dem äußeren Trägerrahmen ausgebildet sind.
Als nächstes wird eine bevorzugte nasse Ätzmischung (vorzugsweise 8 : 3 : 1 CH₃COOH : HNO₃: HF) über einen geregelten kurzen Zeitraum an der exponierten P++ Schicht 16 in den Bereichen angewandt, welche die Federn zwischen dem zentralen Massenelement und dem äußeren Trägerrahmen bilden, wie dies im Besonderen in der Abbildung aus 4 dargestellt ist. Das Ausmaß der Entfernung der P++ Schicht und der darüber liegenden EPI Schicht regelt die Dicke der resultierenden Federn. Die dünne Oxidstreifenschicht 25 (3) wird mit einem geeigneten Ätzmittel (vorzugsweise 6 : 1 BOE) entfernt.
Als nächstes werden die Wafer 10 und 12 gemäß der Abbildung aus 5 zusammengeschmolzen, so dass die epitaxialen (EPI) Schichten 18 sich auf den oberen und unteren Oberflächen der gebondeten Wafer 10 und 12 befinden, welche die gebondeten Hälften des zentralen Massenelements und des umgebenden Trägerrahmens bilden. Somit sind die EPI-Schichten 18 die einzigen Schichten, die jetzt in dem Bereich für die Federn zwischen dem Massenelement und dem äußeren Trägerrahmen für das Massenelement verbleiben. Als nächstes werden die Oberflächen 18 mit 100 A Cr und 1000 A Au metallisiert und gehärtet. Das Muster für die Federn 24 wird danach mit Photoresist auf die oberen und unteren metallisierten Oberflächen 18' aufgetragen.
Wie dies in der Abbildung aus 6 dargestellt ist, werden elastische Verbindungselemente oder Federn 24 zwischen dem zentralen Massenelement und dem äußeren Trägerrahmen durch einen Schritt des trockenen Plasmaätzens von den oberen und unteren Oberflächen der gebondeten Hälften 10, 12 durch Muster gebildet, die auf metallisierten Oberflächen 18' der epitaxialen (EPI) Schichten 18 erzeugt werden. Das Trockenätzen wird an die oberen und unteren Oberflächen 18' mit einem Plasmaätzmittel vorgesehen, wie etwa mit einem Siliziumätzmittel SF₆ (380 m Torr. 175 Watt), um Silizium unterhalb des Musters zu entfernen, gefolgt von einem Sauerstoff-Plasmastreifen (300 Watt 400 m Torr.), um Photoresist zu entfernen. Das Plasmaätzen entfernt EPI-Material der Schicht 18 zwischen der Feder 24 und dem angrenzenden Rahmen 23 sowie dem angrenzenden Massenelement 21 etc.
Nach der Bildung der Federn 24 definieren die gebondeten Hälften gemäß der Abbildung aus 7 das an den Federn 24 aufgehängte zentrale Massenelement 21, wobei sich die Federn zwischen dem zentralen Massenelement 21 und dem äußeren Trägerrahmen 23 erstrecken. Die Federn 24 umfassen gemäß der Abbildung aus 7 überlagernde Paar L-förmiger Federn, die sich um die Ecken des allgemein rechteckigen Massenelements 21 erstrecken. Die oberen und unteren Oberflächen des Massenelements 21 weisen vorzugsweise eine quadratische oder rechteckige Form auf, wobei sie aber auch mehrseitig sein oder eine runde Form aufweisen können. Die inneren Enden 28 der Federn 24 sind an benachbarten Seiten des Massenelements 21 angebracht. Die entgegengesetzten äußeren Enden 30 der Federn 24 sind an benachbarten Seiten eines äußeren Trägerrahmens 23 angebracht. Die Seiten des Massenelements 21 werden an den Ecken zusammengeführt, die bei Bedarf auch abgerundet sein können.
Zur Vollendung des Sensors sind an dem zentralen Massenelement 21 geeignete leitende Bereiche vorgesehen, die einen messenden/leitenden Bereich oder separate messende und leitende Bereiche (nicht abgebildet) bilden. Entgegengesetzte obere und untere Abdeckungen oder Platten (nicht abgebildet) werden an die oberen und unteren Oberflächen des Massenelements 21 und des äußeren Trägerrahmens 232 gebondet, wie dies allgemein bekannt ist. Für nähere Einzelheiten über die Bildung derartiger elektrischer Mess- und Leitungsbereiche sowie das Messen der Ablenkung oder Verzerrung in den Federn 24 bei einer relativen Bewegung des Massenelements 21 wird auf das bereits vorstehend im Text genannte U.S. Patent US-A-4.922.756 verwiesen. Bei Bedarf kann ein einziger leitender Bereich sowohl als messende als auch leitende Platte in Kombination mit einer Zeitmultiplexing-Schaltkreisanordnung verwendet werden.
Die nachstehende Tabelle I enthält bevorzugte Schritte für das Verfahren der Fertigung der leichten Federstruktur gemäß den Abbildungen der 1 bis 7. Zur Vollständigkeit werden Schritte in Bezug auf das Vorsehen von Ausrichtungslöchern in den oberen und unteren Wafern erwähnt. Ebenso werden Schritte zum Vorsehen eines elektrischen Kontakts auf Massenoberflächen über Federn erwähnt.
TABELLE I
Schritt

1 Vorsehen eines 4 Zoll 100 Siliziumwafers, beidseitig poliert: 500 Mikron dick.
2 Aufwachsen einer EPI-Schicht mit einer Oxiddicke von 500 Mikron.
3 Thermisches Oxidieren des Wafers wechselweise mit trockenen, nassen und trockenen Bedingungen, um eine Schicht von 0,3 Mikron vorzusehen.
4 Wafer auf EPI-Seite drehen. EPI-Seite auf Heizplatte Hardbaking.
5 Wafer auf Rückseite drehen. Rückseite auf Heizplatte Softbaking. (Wenn keine lateralen Entlüftungen gewünscht sind, gehe zu Schritt 12).
6 Rückseite lateralen Entlüftungen versehen; mit lateralen Entlüftungsmasken maskieren.
7 6 : 1 BOE Ätzen ausführen; danach Photoresist von Rückseite abziehen und RCA säubern.
8 Thermisches Oxidieren des Wafers wechselweise unter trocken, nassen und trockenen Bedingungen, um Schichten mit 3 Mikron vorzusehen.
9 Nitrid unter Verwendung von LPCVD-Nitrid bis auf eine Dicke von 0,15 Mikron abscheiden.
10 Wafer auf EPI-Seite drehen und auf Heizplatte Hardbaking.
11 Wafer auf Rückseite drehen und Softbaking.
12 Mit Photoresist Muster auf der Rückseite des Wafers unter Verwendung einer ODE Cavity Mask (gemäß 2) vorsehen.
13 Plasmaätzen; Nitridätzen 380 in Torr, 175 Watt, SF6.
14 Nassätzen; 6 : 1 BOE; Photoresist abziehen.
15 Nassätzen; K0H-Ätzen (33 Gewichtsprozent) auf eine Tiefe von 450 Mikron; Spülen mit entionisiertem Wasser (DI H₂O).
16 Nassätzen: C₅OH-Ätzen (60%) auf P++ Ätzbegrenzung; DI H₂O Spülen.
17 Bevorzugtes Ätzen von P++ (8 : 3 : 1 CH₃COOH : HNO₃: HF) mit Tropfer nur in Ausrichtungslöchern (die Ausrichtungslöcher sind in den Abbildungen nicht dargestellt; die Ausrichtungslöcher werden zur Ausrichtung der Wafer zur Schmelzverbindung der Massen verwendet.)
18 Nassätzen: K0H-Ätzen (33 Gewichtsprozent) bis Licht in Ausrichtungen sichtbar ist. DI H₂O Spülen.
19 Ganzen Wafer mit P++ Schicht nassätzen; (8 : 3 : 1 CH₃COOH : HNO₃: HF).
20 Braune Färbung entfernen (poröses Silizium) unter Verwendung von 97 : 3 HNO₃ : HF; DI H₂O Spülen.
21 Nitrit mit Rückseitenphosphor abziehen; Oxid in 6 : 1 BOE abziehen.
22 RCA säubern.
23 Massenabschnitt von zwei Wafern verschmelzen; ausrichten.
24 Mit feuchtem 0₂ zum Schließen von Entlüftungen oxidieren.
25 Nassätzen; BOE zum Entfernen von Oxid; DI H₂O Spülen; Spin-Trocknen.
26 Metallisieren mit 100 A Cr, 1000 A Au auf beiden Seiten.
27 Auf beide Seiten drehen; danach Softbaking.
28 Auf beiden Seiten mit Photoresist Muster vorsehen unter Verwendung von die Federform darstellenden Metallüberzügen
29 Au-Ätzen, Cr-Ätzen.
30 Auf beide Seiten drehen, Softbaking.
31 Photoresist-Muster auf Vorderseite mit Feder vorsehen und elektrischen Kontaktmasken; Hardbaking.
32 Plasmaätzen: Silizium-Plasmaätzen (380 in Torr., 175 Watt) auf beiden Seiten.
34 Plasmaätzen: O₂ Plasmastreifen (400 m Torr) beide Seiten.

Aus vorstehenden Ausführungen wird deutlich, dass Federn 24 mit einer vorbestimmten willkürlichen Form und Dicke durch das erfindungsgemäße Fertigungsverfahren durch Batch-Ätztechniken unter Verwendung von Einkristall-Siliziumwafern vorgesehen werden können. Die Federn 24 können gemäß der hier vorgesehenen Veranschaulichung eine allgemeine L-Form mit abgerundeten Ecken an den Stellen der Anbringung an dem Trägerrahmen 23 und dem Massenelement 21 aufweisen. Die Lförmigen Federn (diese Federform kann auch als eine Ellbogenform bezeichnet werden) passen um eine allgemein rechteckige (oder andere Form gemäß der vorstehenden Beschreibung) Masse, wobei diese Aufhängungselemente oder Fender in verschiedenen anderen Formen und Größen gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen werden können.
In Bezug auf das im Detail veranschaulichte bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind für den Fachmann mögliche Modifikationen und Abänderungen des bevorzugten Ausführungsbeispiels ersichtlich. Wie dies bereits vorstehend im Text erörtert worden ist, kann das hierin beschriebene erfinderische Verfahren zur Herstellung von Sensoren in verschiedenen Formen eingesetzt werden. Eingesetzt werden kann ein mit vier (oder auch zwei oder drei) Federn gefertigter Sensor mit einem einfachen Wafer.

Claims

Verfahren zur Fertigung eines Sensors, wobei der genannte Sensor ein Rahmenelement mit Seitenwänden, ein mit räumlichem Abstand zu den genannten Seitenwänden des genannten Rahmenelements in dem Rahmenelement platziertes Massenelement und Aufhängungselemente aufweist, die zwischen dem genannten Rahmenelement und dem genannten Massenelement verbunden sind, wobei das genannte Verfahren folgendes umfasst: (a) Verarbeiten einer Siliziumscheibe (10), so dass ein verarbeiteter Wafer erzeugt wird, der eine Schicht aus Blocksilizium (14) und eine Schicht aus epitaxial gewachsenem Silizium (18) aufweist, die durch eine Ätzbegrenzungsschicht (16) voneinander getrennt sind; (b) chemisches Ätzen der genannten Schicht des Blocksiliziums von der Seite des Blocksiliziums (14) des genannten verarbeiteten Wafers, so dass eine Dicke gemäß einem Muster verbleibt, das den Zwischenraum (22) zwischen den genannten Seitenwänden des genannten Rahmenelements (23) und dem genannten Massenelement (21) definiert, wobei das genannte Ätzen an der genannten Ätzbegrenzungsschicht (16) endet; (c) Entfernen mindestens eines Teilstücks der genannten Ätzbegrenzungsschicht (16) aus dem genannten Zwischenraum (22) zwischen den genannten Seitenwänden des genannten Rahmenelements (23) und dem genannten Massenelement, in dem Zwischenraum zwischen den Seitenwänden des Rahmenelements und der aufgehängten Masse; und (d) Trockenätzen von der genannten epitaxial gewachsenen Siliziumseite (18) des genannten verarbeiteten Wafers gemäß einem Aufhängungselementmuster, so dass das epitaxial gewachsene Siliziummaterial (18) in dem genannten Zwischenraum entfernt wird, wodurch die genannten Aufhängungselemente verbleiben, welche die genannte Masse (21) von dem genannten Rahmenelement (23) aufhängen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Trockenätzens folgendes umfasst: Plasmaätzen, so dass die genannten Aufhängungselemente in einer allgemeinen L-Form gebildet werden, die sich um die Ecken eines rechteckförmigen Massenelements erstrecken.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der genannte Schritt des chemischen Ätzens über einen geregelten Zeitraum durchgeführt wird, um nicht nur die genannte Ätzbegrenzungsschicht (16) zu entfernen, sondern auch um ein Teilstück der genannten Schicht (18) des epitaxial gewachsenen Siliziums angrenzend an den genannten Zwischenraum (22) zwischen den genannten Seitenwänden des genannten Rahmenelements (23) und dem genannten aufgehängten Massenelement zu entfernen, so dass die Dicke des verbleibenden Epitaxial-Siliziums (18) geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die genannten Schritte (a), (b) und (c) für eine zweite Siliziumscheibe (14) wiederholt werden, gefolgt von Bondieren der genannten Wafer (14) aneinander, so dass das genannte Massenelement und das genannte Rahmenelement (23) definiert werden, so dass sich die epitaxialen Schichten (18) auf den äußeren Oberflächen der bondierten Wafer (14) befinden; und wobei der genannte Schritt des Trockenätzen auf beiden Oberflächen der bondierten Wafer (14) in dem Zwischenraum zwischen dem Massenelement und über die Bereiche der entfernten Ätzbegrenzungsschicht angewandt wird, so dass obere und untere Paare L-förmiger Aufhängungselemente (14) zwischen dem Massenelement und dem Rahmenelement (23) gebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Schritt (c) des Entfernens zumindest eines Teilstücks der genannten Ätzbegrenzungsschicht (16) nach Schritt (b) den Schritt des späteren chemischen Ätzens von der genannten Blocksiliziumseite des genannten Wafers (14) umfasst, so dass die genannte Ätzbegrenzungsschicht (16) in dem genannten Zwischenraum (22) entfernt wird, wodurch das genannte Aufhängungselement ausschließlich aus epitaxial gewachsenem Siliziummaterial gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das genannte Massenelement vier Hauptelement-Seitenwände aufweist, die im Verhältnis zu entsprechenden Seitenwänden des genannten Rahmenelements (23) mit räumlichem Zwischenabstand angeordnet sind, und wobei jedes Aufhängungselement zwei sich schneidende Schenkel aufweist, die in einem Winkel von neunzig Grad zu der Befestigung eines Schenkels an einer Rahmenelement-Seitenwand angebracht sind, und wobei sie in einem Winkel von neunzig Grad zu dem anderen Schenkel an einer Massenelement-Seitenwand angebracht sind, die in einem rechten Winkel zu der genannten Rahmenelement-Seitenwand angeordnet ist.