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Die
Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Halbleiterbauelement
bzw. einem Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements
nach dem Oberbegriff der unabhängigen
Ansprüche.
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Halbleiterbauelemente,
insbesondere Membransensoren sowie Verfahren zur Herstellung von Membransensoren
auf der Basis von Halbleiterträgern,
zum Beispiel von Siliziumwafern sind bereits bekannt. Dabei wird
beispielsweise auf einem Halbleiterträger ein flächiger poröser Membranbereich als Trägerschicht
für Sensorstrukturen
angeordnet und anschließend
durch Herauslösen
der porösen Schicht
(Opferschicht) unter der Membran ein Zwischenraum zur insbesonderen
thermischen Isolation der Membran erzeugt.
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Die
zur Zeit auf dem Markt befindlichen Membransensoren sind zumeist
als Dünnschichtmembransensoren
realisiert. Hierbei werden zunächst
Schichtsystemne mit Dicken zwischen einigen 10 nm und einigen μm auf einem
Trägersubstrat abgeschieden,
woraufhin anschließend
das Trägersubstrat
in vorgegebenen Bereichen entfernt wird, um freitragende Membranbereiche
zu erhalten. Im Membranzentrum können
dann Sensorstrukturelemente angeordnet werden.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur Freilegung der Membran ist die Oberflächenmikromechanik (OMM), bei
welcher im allgemeinen eine Opferschicht verwendet wird, die vor
der Membranabscheidung auf der Vorderseite eines Trägersubstrats
aufgebracht wird. Die Opferschicht wird später von der Vorderseite des
Sensors durch "Löseöffnungen" in der Membran entfernt,
wodurch eine freitragende Struktur entsteht. Diese oberflächenmikromechanischen
Verfahren sind aufgrund der Notwendigkeit von separaten Opferschichten
vergleichsweise aufwändig.
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Aus
der deutschen Patentanmeldung
DE 100 32 579 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung
eines Halbleiterbauelements sowie eines nach diesem Verfahren hergestellten
Halbleiterbauelements bekannt, bei welchem eine Schicht aus porösiziertem
Halbleiterträgermaterial über einer
Kavität
angeordnet wird. Zur Herstellung der Kavität werden dabei mittels entsprechender Ätzparameter
zwei Schichten unterschiedlicher Porosität hergestellt. Während die
erste Schicht eine geringere Porosität aufweist und sich bei einem
nachfolgenden ersten Temperschritt schließt, nimmt die Porosität der zweiten
Schicht während
des Temperschritts derart zu, dass eine Kavität bzw. eine Kaverne gebildet
wird. Auf der sich so aus der ersten porösen Schicht gebildeten ersten
Membranschicht wird in einem zweiten Prozessschritt bei einer höheren Tempertemperatur
eine verhältnismäßig dicke Epitaxieschicht
als zweite Membranschicht aufgewachsen.
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In
Erweiterung der
DE
100 32 579 A1 kann auch vorgesehen sein, während des
ersten Temperschritts eine dünne
Epitaxischicht aufzuwachsen, um sicherzustellen, dass sich die poröse erste
Schicht, die als Startschicht für
das Epitaxiewachstum der dicken Epitaxieschicht dient, vollständig schließt. Bevorzugt
wird dabei eine geringere Wachstumsrate bei einer niedrigeren Temperatur
gewählt
im Vergleich zu der anschließenden
Abscheidung der dicken Epitaxieschicht.
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Durch
die so geschilderten Maßnahmen kann
der Aufbau eines OMM-Halbleiterbauelements erheblich vereinfacht
werden, da eine zusätzlich
aufgebrachte Opferschicht nicht erforderlich ist und zudem die Membran
selbst bzw. ein wesentlicher Teil der Membran aus Halbleiterträgermaterial
erzeugt wird.
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Zur
Vermeidung einer Membranschädigung bei
der Herstellung oder bei regelmäßig auftretenden Anwendungsfällen wird
in der
DE 101 38 759
A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements
mit einem Halbleiterträger
vorgeschlagen, bei dem der Halbleiterträger im Bereich der porösen Membranschicht
eine zum Bereich der späteren
Kavität
unterschiedliche Dotierung erhält.
Nach der Dotierung wird das Halbleitermaterial der Membranschicht
porösiziert
und das Halbleitermaterial unter dem porösizierten Halbleitermaterial
zur Bereitstellung einer Kavität
wenigstens teilweise entfernt bzw. umgelagert.
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Eine
Erweiterung der
DE
101 38 759 A1 stellt das Verfahren in der nicht vorveröffentlichten
Schrift
DE 103 58
859 A1 dar. In dieser Schrift wird eine poröse Schicht
unter Bereichen aus nicht porösiziertem Halbleitermaterial
erzeugt. Anschließend
wird ein Epitaxieschritt durchgeführt, bei dem eine Epitaxieschicht,
die die spätere
Membran bildet, ausgehend von den nicht porösizierten Bereichen die Oberfläche schließt. Abschließend wird
aus der porösen Schicht
mittels einer thermischen Behandlung eine Kaverne erzeugt.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung beschreibt ein mikromechanisches Halbleiterbauelement
bzw. ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Halbleiterbauelements,
wobei als Halbleiterbauelement insbesondere ein Drucksensor vorgesehen
ist. Dabei ist vorgesehen, dass zur Herstellung in einem Halbleitersubstrat
eine lokal begrenzte, vergrabene wenigstens teilweise oxidierte
poröse
Schicht erzeugt wird. Die Herstellung dieser porösen Oxidschicht erfolgt dabei
durch ein Erzeugen einer porösen
ersten Schicht auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats mit anschließender wenigstens
teilweiser Oxidation der porösen
ersten Schicht. In einem weiteren Verfahrensschritt wird auf die
poröse
erste Schicht eine Epitaxieschicht aufgebracht, wobei vorgesehen
ist, dass die Epitaxieschicht ebenfalls wenigstens auf einen Teil
des Halbleitersubstrats, der an die poröse erste Schicht angrenzt,
abgeschieden wird. Um ein entsprechendes Aufwachsen der Epitaxieschicht
auf der porösen
ersten Schicht zu ermöglichen
ist vorgesehen, die Oxidation an der Oberfläche der ersten porösen Schicht
zu entfernen. Vorteilhafterweise wird anschließend mittels eines Trenchätzprozesses
von der Rückseite
direkt unterhalb der porösen
ersten Schicht eine Kaverne in dem Halbleitersutbstrat erzeugt.
Der Kern der Erfindung besteht nun darin, dass die poröse erste
Schicht als Stopschicht für
das Trenchen dient. Somit können dünne Membranen
mit geringer Dickentoleranz zur Differenzdruckmessung erzeugt werden.
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Besonders
vorteilhaft ist die Erzeugung der Kaverne durch den Trenchätzprozess
ausgehend von der Rückseite
des Halbleitersubstrats. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein,
dass die vergrabene oxidierte poröse Schicht als Ätzstoppschicht für den Trenchätzprozess
verwendet werden kann. Durch die Verwendung der oxidierten porösen ersten Schicht
als Membranschicht bzw. als Teil der Membranschicht kann ein Herauslösen der Ätzstoppschicht vermieden
werden. Dadurch ergibt sich neben einer Kostenreduktion auch eine
Vereinfachung des Herstellungsprozesses, da auf Verfahrensschritte
zum Herauslösen
des Ätzstoppmaterials
verzichtet werden können.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Efindung ist vorgesehen, dass die
lateraler Ausdehnung der porösen
ersten Schicht größer als
die laterale Ausdehnung der Kaverne ist. Somit kann ein Durchätzen des
Halbleitersubstrats aufgrund Trenchätzprozess vermieden werden.
Dies äußert sich
in einer stabilen Membraneinspannung. Die lateralen Toleranzen beim
Trenchätzen
können
aufgefangen werden.
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Vorteilhafterweise
wird der Trenchätzprozess
ausgehend von der Rückseite
des Halbleitersubstrats derart gesteuert, dass die Flanken der Kaverne
vorzugsweise einen negativen Flankenwinkel aufweisen. Dadurch wird
eine Mikropassivierung, beispielsweise durch Sauerstoffpräzipitate,
verhindert.
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Zur
Stabilisierung der porösen
ersten Schicht z.B. gegenüber
Feuchtigkeit bzw. zum Schutz der Membranrückseite vor aggressiven Medien
kann optional auf die Kavernenflanken, die (oxidierte) poröse erste
Schicht und/oder auf die Rückseite
des Halbleitersubstrats eine weitere Schicht aufgebracht werden.
Dabei kann es sich beispielsweise um eine Nitridschicht handeln,
die die Oberfläche
versiegelt bzw. passiert.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird auf der Vorderseite
des Halbleitersubstrats wenigstens ein Piezowiderstand und/oder
ein Teil einer Auswerteschaltung erzeugt. Dabei ist insbesondere
vorgesehen, dass der Piezowiderstand und/oder ein Teil der Auswerteschaltungen
aus bzw. in der Epitaxieschicht erzeugt wird.
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Vorteilhafterweise
ist als Halbleitersubstrat ein Siliziumsubstrat vorgesehen. Weiterhin
ist denkbar, die Epitaxieschicht durch eine einkristalline Halbleiterschicht
zu realisieren. In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung
wird die poröse
erste Schicht durch eine Anodisierung erzeugt, wobei die Oxidation
der ersten porösen
Schicht vorteilhafterweise durch eine thermische Oxidation erfolgt.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw.
aus den abhängigen
Patentansprüchen.
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Zeichnungen
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1 zeigt
schematisch einen Differenzdrucksensor, wie er aus dem Stand der
Technik bekannt ist. In den 2a bis 2d ist
der Herstellungsprozess des erfindungsgemäßen Drucksensors dargestellt.
Eine spezielle Ausführungsform
eines Drucksensors, welcher mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren
hergestellt werden kann, ist in 3 abgebildet,
wohingegen 4 einen konkreten Aufbau eines
komplett prozessierten Drucksensors zeigt. In den 5a bis
c ist eine weitere Möglichkeit
dargestellt, einen erfindungsgemäßen Drucksensor
herzustellen.
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Ausführungsbeispiel
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In 1 ist
ein mikromechanischer Drucksensor dargestellt, wie er aus dem Stand
der Technik bekannt ist. Auf einem Halbleitersubstrat 100 ist
eine Epitaxieschicht 110 aufgebracht, die oberhalb eines Hohlraums 120 eine
Membran bildet. Auf der Epitaxieschicht 110 sind piezosensitive
Widerstände 140 aufgebracht,
die die Bewegung der Membran bei einem auftretenden Druckunterschied
zwischen dem Medium im Hohlraum 120 und dem Aussenraum
in eine erfassbare Druckgröße umsetzten.
Darüber
hinaus kann auf der Epitaxieschicht 110 wenigstens ein Teil
einer Auswerteschaltung 150 zur Verarbeitung der Druckgröße untergebracht
sein. Üblicherweise wird
ein Teil des Hohlraums 120 durch eine poröse Schicht
erzeugt, die im weiteren Herstellungsverfahren durch eine entsprechende
Zugangsöffnung 130 von
der Vorderseite des Drucksensors herausgelöst wird. Bei einem derartigen
Herstellungsverfahren kommt es bei der anschliessenden Trenchöffnung von
der Rückseite
des Substrats zu einem umlaufenden Spalt 170 in Höhe der ursprünglichen
porösen Schicht,
wie er im Bereich 150 der 1 dargestellt ist.
Bei der Anwendung eines solchen Drucksensors können Partikel, die im Medium
enthalten sind, in den Spalt (Bereich 160) gelangen und
sich darin festsetzen. Eine Folge davon ist beispielsweise die (negative)
Beeinflussung des Sensorsignals.
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Eine
Möglichkeit,
den umlaufenden Spalt 170 zu vermeiden, besteht darin,
die laterale Ausdehnung der Trenchöffnung größer als die als Ätzstoppschicht
verwendete oxidierte poröse
Schicht zu gestalten. Dabei muss jedoch darauf geachtet werden, dass
der Trenchprozess nach einer definierten Zeit beendet wird, um zu
verhindern, dass das Substrat, bestehend aus Halbleitersubstrat 100 und
Epitaxieschicht 220 durchgeätzt wird. Um den Hohlraum zu
erzeugen, ist anschließend
vorgesehen, die Stoppschicht aufzulösen und zu entfernen. Bei diesem
Herstellungsverfahren muss die Dicke der Stoppschicht ausreichend
sein, um die Inhomogenität
des Trenchprozesses abzupuffern. Eine solche dicke Oxidschicht (typ.
30 μm) ist
jedoch problematisch bei der Epitaxie.
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In
den 2a bis 2d wird
demgegenüber
ein Herstellungsverfahren eines Differenzdrucksensors mit einer
dünnen
(typ. 1 μm)
oxidierten porösen
Schicht als Trenchstopp beschrieben, wobei diese Schicht nicht aufgelöst werden
muss. Mittels dieses Herstellungsverfahrens ist es dann möglich, schmale
Spalte in der Nähe
der Membraneinfassung (Bereich 160) zu vermeiden. Die Membrangröße wird darüber hinaus
nicht mehr durch die Abmessung der Stoppschicht definiert, sondern über die
Trenchöffnung
auf der Rückseite.
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Beispielhaft
wird in 2a in einem Siliziumsubstrat 200 mittels
einer entsprechenden Maske auf der Vorderseite 280 des
Siliziumsubstrats 200 ein Bereich 210 lokal anodisiert.
Dieser Bereich 210 definiert die spätere maximale Ausdehnung der
Membran. Durch die Anodisierung wird der Bereich 210 porös geätzt, wodurch
eine poröse
Schicht entsteht. Anschließend
wird das Silizium wenigstens teilweise oxidiert, vorzugsweise mittels
einer thermischen Oxidation. Um im nachfolgenden Epitaxieschritt
ein Aufwachsen von einkristallinem Silizium sowohl auf der Oberfläche des
unbehandelten Suliziumsubstrats 200 als auch auf der porösen oxidierten
Siliziumschicht 210 zu ermöglichen, wird die Oberfläche der oxidierten
porösen
Schicht 210 leicht angeätzt,
beispielsweise mit Flusssäure
(HF). Durch eine derartige Behandlung wird das Oxid an der Oberfläche der oxidierten
porösen
Schicht 210 geätzt.
Da nun einkristallines poröses
Silizium frei liegt, kann eine einkristalline Epitaxieschicht 220 auf
dem Siliziumsubstrat 200 aufgewachsen werden. Diese einkristalline Epitaxieschicht 220 bildet
zusammen mit wenigstens einem Teil der porösen Schicht 210 die
spätere
Membran. Darauf folgend können
durch entsprechende Halbleiterprozesse piezosensitive Widerstände 230 und
optional Teile der Auswerteschaltung bzw. die vollständige Auswerteschaltung 240 auf
bzw. in die Oberfläche
der Epitaxieschicht 220 aufgebracht werden. Nach Abschluss
des Halbleiterprozesses wird mittels eines Trenchprozesses von der
Rückseite 290 des
Siliziumsubstrats 200 eine Kaverne 250 erzeugt,
die den Zugang des Mediums zu der Membran ermöglicht. Das oxidierte poröse Silizium
dient dabei als Ätzstopp
und befindet sich auf der gesamten Membranunterseite, sowie in den
schmalen Spalten in der Nähe
der Membraneinfassung (siehe Bereich 270). Somit wird verhindert,
dass im Betrieb des Drucksensors Partikel eindringen und sich verkanten können. Eine
Beeinflussung der Sensorkennlinie ist damit ausgeschlossen.
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Die
lateralen Toleranzen beim Trenchätzen und
deren Maskierung bestimmen die Lage und Größe der Membran. So kann sichergestellt
werden, dass der Trenchprozess in der Membranebene stoppt. Ein Durchätzen neben
der porösen
Schicht 210 wird verhindert. Die Lage- und Größentoleranz der
Membran hat Einfluss auf die Lage der Piezowiderstände bzgl.
der Membrankante und somit auf die Empfindlichkeit und den Offset
des Ausgangssignals. Eine ausreichende Fläche bei der Planung der benötigten Dimensionen
muss dabei eventuell für
die Auswerteschaltung vorgehalten werden.
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Der
Flankenwinkel 260 ist beim Trenchätzprozess vorzugsweise leicht
negativ zu wählen.
Dadurch wird die Trenchöffnung
in Membrannähe
zwar leicht größer, jedoch
kann diese Verbreiterung durch eine entsprechende Maskierung vorgehalten
d.h. berücksichtigt
werden. Der Vorteil bei einem negativen Flankenwinkel liegt darin,
dass eine Mikropassivierung beim Trenchen verhindert wird. Kleinste
Defekte im Kristall z.B. Sauerstoffpräzipitate werden dadurch unterätzt, so
dass eine ebene Oberfläche
am „Trenchboden" bzw. auf der Membranrückseite
entsteht.
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3 zeigt
eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, bei der eine Schutzschicht 300 auf
der Membranrückseite
bzw. die poröse
Siliziumoxidschicht 210 aufgebracht wurde. Mit dieser Schutzschicht 300 kann
die Membranrückseite
gegen aggressive Medien passiviert werden. Weiterhin ist möglich, dass
die Schutzschicht 300 die oxidierte poröse Schicht 210 gegen Feuchtigkeit
schützt.
Optional können
neben der Membranrückseite
auch die Kavernenflanken 255 sowie die Substratrückseite 290 bedeckt
werden. Als besonders effektive Schutzschicht 300 hat sich
dabei eine Nitridschicht erwiesen, wobei auch Schutzschichten aus
Siliziumcarbid, Silan- oder Teflonschichten eingesetzt werden können. Darüber hinaus
ist auch die Verwendung von Hexamethyldisilalzan (HMOS-O) und Hexamethyldisiloxan
(HMOS-N) als Schutzschicht 300 denkbar. Eine Schutzschicht 300,
wie sie in 3 gezeigt wird, ist jedoch rein
optional, da durchaus auch Anwendungen des Differenzdrucksensor
in nicht aggressiven Medien denkbar sind.
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4 zeigt
ein konkretes Anwendungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors.
Dabei wird ein Halbleiterbauelement, bestehend aus dem endgefertigten
Halbleitersubstrat 200, der Epitaxieschicht 220 und
einer Schutzschicht 300 auf eine Halterung 420 aufgebracht.
Die Befestigung auf der Halterung erfolgt dabei vorzugsweise über einen
geeigneten Kleber 410. In der Halterung 420 ist eine Öffnung 430 vorgesehen,
durch die eine Zuführung
des Mediums zur Kaverne 250 des Halbleiterbauelements erfolgen
kann. Somit kann eine Druckdifferenz zwischen dem Medium in der
Kaverne und dem Medium außerhalb
des Halbleiterbauelements erfasst werden.
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Statt
einer einfachen Halterung 420 kann jedoch auch vorgesehen
sein, das Halbleiterbauelement in einer weiteren Variante der Aufbau-
und Verbindungstechnik anodisch auf eine gelochte Glasplatte zu
bonden. Dabei dient eine Bohrung als Öffnung zur Druckzuführung in
die Kaverne bzw, an die Membran. Die Glasplatte bzw. der Glassockel
kann dann mittels bekannter Techniken auf einen Metallsockel zur
weiteren Verarbeitung geklebt oder gelötet werden. Vorzugsweise ist
dabei vorgesehen, dass die Öffnung
im Glassockel mit einer Schicht aus einem speziellen Beschichtungsmaterial
bedeckt wird, um Mikrorisse, die die Berstfestigkeit des Sensors herabsetzen,
zu versiegeln.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
ist in den
5a–c dargestellt. Dabei wird
ausgehende von
2a, gemäß eines in der Schrift
DE 103 58 859 A1 beschriebenen
Verfahrens, das Silizium eines Siliziumsubstrats
500 im
Bereich einer gitterartigen n-Dotierung
520 auf
der Oberfläche
der Membran beim Anodisieren nicht porös geätzt. Durch die so erzeugte
gitterartige Struktur
520, die beispielsweise durch einen
ebenfalls n-dotierten, nicht porös
geätzten
Bereich
530 eingerahmt sein kann, kann der Aufbau bzw.
die in einem nachfolgenden Prozessschritt abgeschiedene Epitaxieschicht
540 mechanisch
stabilisiert werden. Bei der anschließenden thermischen Oxidation
wird die Substratoberfläche
und das poröse
Silizium
510 oxidiert. Um das Aufwachsen der Epitaxieschicht
540 bevorzugt
auf den n-dotierten Bereichen
520 bzw. auf dem Siliziumsubstrat
500 zu
ermöglichen,
wird in einem weiteren Prozessschritt das oxidierte poröse Silizium
oberflächlich
angeätzt,
um das Oxid an der Oberfläche
zu entfernen. Eine Möglichkeit,
ein derartiges oberflächliches
Abätzen
des Oxids zu erreichen besteht beispielsweise in einem kurzen Eintauchen
in Fluorsäure
(HF), dem sog. HF-Dip.
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Nach
diesem HF-Dip kann auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats 500 sowie
den n-dotierten Bereichen 520 in
einem Epitaxieschritt monokristallines Silizium als Epitaxieschicht 540 aufgewachsen werden.
Die kleinen Öffnungen
des „n-Gitters", in denen sich oxidiertes
poröses
Silizium befindet, werden überwachsen,
so dass eine einkristalline Epitaxieschicht 540 entsteht,
die später
die Membran des Sensors bildet.
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Schlussendlich
kann das so hergestellte Substrat, bestehend aus dem Siliziumsubstrat 500 sowie
der Epitaxieschicht 540 entsprechend der Beschreibung gemäß 2d mit
Piezoelementen 550 bzw. mit Schaltungselementen 560 ausgestattet
werden, bevor ein Trenchprozess von der Rückseite die Membran über einen
Zugangskanal 570 öffnet.
Wie bereits geschildert, stoppt der Trenchprozess an der oxidierten
porösen
Schicht, so dass Drucksensoren mit Membranen gleicher Dicke hergestellt
werden können.
Durch einen derartigen Herstellungsprozess lassen sich somit mehrere
Drucksensoren mit definierter Membrandicke simultan auf einem einzigen Wafer
herstellen.