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Die
Erfindung betrifft einen Beschleunigungssensor, der folgendes aufweist:
ein
Substrat, das eine Hauptfläche
aufweist;
ein Beschleunigungssensorelement und einen dieses
umgebenden Rahmenbereich,
wobei das Beschleunigungssensorelement
und der Rahmenbereich auf der Hauptfläche des Substrats angeordnet
sind;
eine Zwischenschicht, die auf dem Rahmenbereich gebildet
ist; und
einen Abdeckungsbereich, der mit der Zwischenschicht
verbunden ist, so daß das
Beschleunigungssensorelement dadurch eingekapselt ist.
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Ein
derartiger Beschleunigungssensor ist aus der
US 5 121 180 bekannt, wobei es um
die Problematik geht, ein Beschleunigungssensorelement anzugeben,
das sich insbesondere durch einen robusten Aufbau auszeichnet, so
daß es
beim Herstellungsprozeß,
beim Versand oder beim Einbau möglichst
widerstandsfähig
gegenüber
Beschädigungen ist.
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Zu
diesem Zweck ist bei dem herkömmlichen Beschleunigungssensor
eine Vielzahl von Stützelementen
zwischen dem Rahmenbereich und dem Beschleunigungssensorelement
vorgesehen, die dazu dienen, das Beschleunigungssensorelement vor Kräften zu
schützen,
die dann auftreten, wenn der Beschleunigungssensor beispielsweise
herunterfällt. Bei
dem herkömmlichen
Beschleunigungssensor ist allerdings nicht berücksichtigt, daß sich die
Charakteristika eines Beschleunigungssensorelementes auch infolge
von Restspannungen in den zum Einsatz kommenden Materialien verändern können.
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Weiterhin
ist im Stand der Technik ein Beschleunigungssensor gemäß der
US 6 441 450 bekannt, wobei
ein Beschleunigungssensorelement und ein dieses Beschleunigungssensorelement
umgebender Rahmenbereich auf einem Halbleitersubstrat aufgebracht
sind und das Beschleunigungssensorelement dicht eingeschlossen ist.
Zu diesem Zweck ist eine Abdeckung mit dem Rahmenbereich verbunden.
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Da
jedoch sowohl das Beschleunigungssensorelement als auch der Rahmenbereich
auf dem Halbleitersubstrat gebildet sind, kann es im Fall der Entstehung
eines Risses an einem Verbindungsbereich zwischen der Abdeckung
und dem Rahmenbereich aufgrund einer externen Kraft oder des Vorhandenseins
einer Restspannung an dem Verbindungsbereich aufgrund einer Differenz
bei den Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen der Abdeckung und dem Rahmenbereich, die aus unterschiedlichen
Materialien gebildet sind, leicht dazu kommen, daß sich ein
solcher Riß oder
Spannungen ausbreiten oder fortschreiten und das Beschleunigungssensorelement
erreichen können.
Dies kann eine Änderung
der charakteristischen Eigenschaften bzw. der Charakteristik des
Beschleunigungssensors hervorrufen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Beschleunigungssensor
der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß sich die Charakteristika
des Beschleunigungssensors auch nicht aufgrund einer gegebenenfalls
vorhandenen Restspannung im verwendeten Material verändern, um
auf diese Weise einen zuverlässigen
Betrieb zu gewährleisten.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Beschleunigungssensor mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors
sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor
ist vorgesehen, daß der
Beschleunigungssensor zumindest eine durchgehende Nut aufweist,
die in dem Rahmenbereich und/oder in der Zwischenschicht gebildet
ist und das Beschleunigungssensorelement vollständig umgibt.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor
wird die Aufgabe in zufriedenstellender Weise gelöst. Mit
dem Vorsehen der zumindest einen durchgehenden Nut wird nämlich in
wirkungsvoller Weise erreicht, daß die Entstehung von Rissen
an der oder den Grenzflächen
zwischen dem Halbleitersubstrat und dem Rahmenbereich einerseits
sowie zwischen dem Rahmenbereich und der polykristallinen Siliziumschicht
andererseits verhindert werden kann.
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Aufgrund
der vorhandenen durchgehenden Nut wird beim erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor
in vorteilhafter Weise erreicht, daß ein Riß, der durch eine externe Kraft
an einem Übergangsbereich
bzw. Verbindungsbereich und dem Rahmen bereich entstehen kann, an
der Nut gestoppt und an einer weiteren Ausbreitung gehindert wird.
Auf diese Weise bleibt die Kapselung des Beschleunigungssensorelementes
erhalten, so daß verhindert
wird, daß sich
charakteristische Eigenschaften des Beschleunigungssensorelementes
in unerwünschter Weise
verändern.
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In
Weiterbildung des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors
ist vorgesehen, daß sich die
Nut vollständig
durch den Rahmenbereich und/oder die Zwischenschicht erstrecken.
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Bei
einer speziellen Bauform ist vorgesehen, daß die Zwischenschicht den Verbindungsbereich zwischen
dem Rahmenbereich und dem Abdeckungsbereich bildet und daß die Nut
zwischen dem Verbindungsbereich und dem Beschleunigungssensorelement
liegt.
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In
Weiterbildung des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors
ist vorgesehen, daß eine Vielzahl
von durchgehenden Nuten vorgesehen ist, die jeweils in dem Rahmenbereich
und/oder in der Zwischenschicht gebildet sind und in Bezug auf die Hauptflächenrichtung
des Substrats im wesentlichen den gleichen Abstand zum Beschleunigungssensorelement
aufweisen.
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Bei
einer speziellen Bauform des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors
ist vorgesehen, daß der
Rahmenbereich einen Bereich aufweist, der sich von einem Verbindungsbereich
zwischen der Zwischenschicht und dem Abdeckungsbereich weiter in
Richtung auf das Beschleunigungssensorelement erstreckt, wobei dieser
Bereich mit einer Nut in Form eines das Beschleunigungssensorelement
umgebenden Rahmens versehen ist.
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All
diese Maßnahmen
tragen in vorteilhafter Weise dazu bei, das Beschleunigungssensorelement vor
Beschädigungen
zu schützen,
weil sich etwaige Restspannungen von außen nicht in unerwünschter Weise
nach innen ausbreiten.
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Die
Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden
anhand der zeichnerischen Darstellungen mehrere Ausführungsbeispiele noch
näher erläutert. In
den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Schnittdarstellung zur Erläuterung
eines ersten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors;
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2 eine
Draufsicht auf den Basisbereich der 1;
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3A eine
Draufsicht auf das Beschleunigungssensorelement der 1;
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3B eine
Seitenansicht des Beschleunigungssensorelements, gesehen aus der
Richtung IIIb in 3A;
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4 eine
vergrößerte fragmentarische Schnittdarstellung
zur Erläuterung
eines zweiten Ausführungsbeispiels
gemäß der vorliegende
Erfindung;
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5 eine
vergrößerte fragmentarische Schnittdarstellung
zur Erläuterung
eines dritten Ausführungsbeispiels
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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6 eine
Schnittdarstellung zur Erläuterung
eines vierten Ausführungsbeispiels
des Beschleunigungssensors gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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7 eine
Draufsicht auf den Basisbereich der 6;
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8 eine
vergrößerte fragmentarische Schnittdarstellung
zur Erläuterung
eines fünften
Ausführungsbeispiels
des Beschleunigungssensors gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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9 eine
vergrößerte fragmentarische Schnittdarstellung
zur Erläuterung
eines sechsten Ausführungsbeispiels
des Beschleunigungssensors gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Im
folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
erläutert.
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Erstes Ausführungsbeispiel
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In 1 ist
ein Beschleunigungssensor dargestellt, bei dem es sich um ein erstes
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung handelt. Der Sensor, der allgemein mit
dem Bezugszeichen 2 bezeichnet ist, beinhaltet einen Basisbereich 4,
auf dem sich ein Beschleunigungssensorelement 3 befindet, sowie
einen Abdeckungsbereich 5, der mit dem Basisbereich verbunden
ist, um das Sensorelement 3 dicht einzuschließen bzw.
einzukapseln.
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Wie
unter Bezugnahme auch auf 2 zu sehen
ist, beinhaltet der Basisbereich 4 ein Silizium-Halbleitersubstrat 6 (das
im folgenden auch kurz als Substrat bezeichnet wird) in Form eines
Rechtecks. Das Sensorelement 3 und ein das Sensorelement 3 umgebender
Rahmenbereich 8 sind auf einer Hauptfläche des Halbleitersubstrats 6 gebildet.
Obwohl der Rahmenbereich 8 typischerweise rechteckig ist,
ist der Rahmenbereich 8 gemäß der Erfindung nicht auf diese
Formgebung begrenzt.
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Das
Sensorelement 3 und der Rahmenbereich 8 werden
zum Beispiel gebildet durch Aufbringen einer polykristallinen Siliziumschicht,
dotiert mit Phosphor als Fremdstoff, auf das Halbleitersubstrat 6 sowie
anschließendes
selektives Entfernen der polykristallinen Siliziumschicht beispielsweise
unter Verwendung einer Ätztechnik.
Anstelle von Phosphor können
auch andere Dotierstoffe, wie z. B. Gallium, Bor oder Arsen verwendet
werden.
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Die 3A und 3B zeigen
das Beschleunigungssensorelement 3 in vergrößerter Form. Bei
dem Element 3 handelt es sich um eine kapazitives Beschleunigungssensorelement,
das ein Gewicht 10 beinhaltet, das durch eine externe Kraft
verlagert werden kann. Das Gewicht 10 weist eine bewegliche
Elektrode 12 im allgemeinen mit der Form eines Rechtecks
auf, die von der Hauptfläche
des Halbleitersubstrats 6 weg beabstandet ist. In der Darstellung
der 3A weist die bewegliche Elektrode 12 breite
Seiten in der horizontalen Richtung und schmale Seiten in der vertikalen
Richtung auf.
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Die
bewegliche Elektrode 12 ist mit Abstützungen 18L und 18R verbunden,
die auf der Hauptfläche
des Halbleitersubstrats 6 fixiert sind, wobei diese Verbindung über Verlängerungen 14L und 14R,
die sich in bezug auf 3A in der horizontalen Richtung
von der jeweiligen schmalen Seite der Elektrode 12 weg
erstrecken, sowie über
Träger 16L und 16R erfolgt,
die sich in bezug auf 3A jeweils in der vertikalen
Richtung erstrecken. Jeder der Träger 16L und 16R besitzt
eine Länge
(oder Breite) in der horizontalen Richtung der 3A,
die kürzer
ist als die entsprechende Dimension in der vertikalen Richtung der 3A,
so daß er
in der horizontalen Richtung geringfügig dehnbar ist.
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Eine
in der horizontalen Richtung auf den Beschleunigungssensor 2 wirkende
externe Kraft bewirkt somit eine Verlagerung der beweglichen Elektrode 12 in
dieser Richtung. Die bewegliche Elektrode 12 ist mit Nuten 20U und 20D ausgebildet,
die jeweils eine bestimmte Größe haben
und sich von einem zentralen Bereich der breiten Seite der Elektrode 12 in
bezug auf 3A in vertikaler Richtung erstrecken.
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Elektroden 22U und 22D sind
auf der Hauptfläche
des Halbleitersubstrats 6 fixiert und in den Nuten 20U bzw. 20D angeordnet.
Eine auf den Beschleunigungssensor 2 wirkende externe Kraft
verursacht eine Änderung
bei dem Spalt zwischen der feststehenden Elektrode 22U und
der Innenwandung der Nut 20U der beweglichen Elektrode 12 sowie dem
Spalt zwischen der feststehenden Elektrode 22D und der
Innenwandung der Nut 20D der beweglichen Elektrode 12.
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Infolgedessen ändert sich
die Kapazität
zwischen der beweglichen Elektrode 12 und der jeweiligen
feststehenden Elektrode 22U und 22D. Es ist darauf
hinzuweisen, daß polykristallines
Silizium, bei dem es sich um das Material der Elektroden 12, 22U und 22D handelt,
mit Phosphor dotiert ist, wie dies vorstehend beschrieben worden
ist, um eine elektrische Leitung zu erzielen. Die Änderung
der Kapazität wird
in Form eines elektrischen Signals an eine nicht gezeigte, externe
Schaltung ausgegeben, um die Kapazität zu bestimmen.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die spezielle Konstruktion des
Beschleunigungssensorelements 3 begrenzt, wie diese vorstehend
beschrieben wurde. Zum Beispiel kann die bewegliche Elektrode auch
in einer zu der Hauptfläche
des Halbleitersubstrats 6 rechtwinkligen Richtung verlagert
werden. Ferner kann anstelle des kapazitiven Erfassungselements
auch ein piezoresistives Element verwendet werden.
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Wie
aus den 1 und 2 ersichtlich,
ist eine nicht dotierte polykristalline Siliziumschicht 24 auf
dem Rahmenbereich 8 gebildet. Bei der Schicht 24 aus
polykristallinem Silizium handelt es sich z. B. um eine Siliziumoxidschicht,
die unter Verwendung herkömmlicher
Techniken, beispielsweise durch CVD bzw. chemische Abscheidung aus
der Dampfphase, gebildet ist.
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Die
polykristalline Siliziumschicht 24 weist eine Dicke auf,
die dazu ausgebildet ist zu verhindern, daß in dem polykristallinen Silizium
des Rahmenbereichs 8 enthaltender Phosphor eine Verbindungsgrenzfläche zwischen
der polykristallinen Siliziumschicht 24 und dem Abdeckungsbereich 5 erreicht und
an der Grenzfläche
abgeschieden wird. Die polykristalline Siliziumschicht 24 bildet
eine Zwischenschicht zwischen dem Rahmenbereich 8 und dem Abdeckungsbereich 5.
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Der
Rahmenbereich 8 und die polykristalline Siliziumschicht 24 sind
jeweils mit Durchgangsöffnungen
in Form eines Rahmens in im wesentlichen identischen Positionen
in bezug auf die Hauptflächenrichtung
ausgebildet. Diese Durchgangsöffnungen
bilden in ihrer Gesamtheit eine Nut 25 in Form eines Rahmens.
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Der
Abdeckungsbereich 5 beinhaltet eine Abdeckung oder einen
Körper 27 mit
einem konkaven Teil, der zum Beispiel durch Ansenken eines rechteckigen
Halbleitersubstrats gebildet ist. Eine Metallschicht 28 ist
auf einer den konkaven Teil 26 bildenden Hauptfläche der
Abdeckung 27 gebildet.
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Die
Metallschicht 28 ist zum Beispiel durch Dampfabscheidung
oder Aufsputtern einer Titanschicht und sodann einer Nickelschicht
gebildet. Die Titanschicht und die Nickelschicht haben geeigneterweise
eine Dicke von einigen Zehn Nanometern bzw. einigen Hundert Nanometern,
und zwar in Anbetracht der Verbindungsfestigkeit zwischen der Metallschicht 28 und
der polykristallinen Siliziumschicht 24 sowie der durch
den Vorgang zum Bilden der Metallschicht 28 bedingten Restspannung.
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Bei
dem Herstellungsvorgang für
den Beschleunigungssensor 2 werden dann, wenn die Metallschicht 28 des
Abdeckungsbereichs 5 über
der polykristallinen Siliziumschicht 24 des Basisbereichs 4 angeordnet
ist, der Basisbereich 4 und der Abdeckungsbereich 5 in
einem Ofen unter einem Vakuum oder einem Inertgas erwärmt.
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Die
Erwärmungstemperatur
kann etwa 400°C
betragen, und die Erwärmungsdauer
kann im Bereich von einigen Zehn Minuten und mehreren Stunden liegen.
Die Erwärmung
führt dazu,
daß das polykristalline
Silizium in der polykristallinen Siliziumschicht 24 und
das Nickel in der Metallschicht 28 eine eutektische Legierung
bilden, so daß der
Basisbereich 4 und der Abdeckungsbereich 5 miteinander verbunden
werden.
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Da
sich bei diesem Schritt die undotierte polykristalline Siliziumschicht 24 zwischen
dem dotierten Rahmenbereich 8 des Basisbereichs 4 und
der Metallschicht 28 befindet, kann selbst dann, wenn in dem
polykristallinen Silizium des Rahmenbereichs 8 enthaltener
Phosphor in die undotierte polykristalline Schicht 24 diffundiert,
dieser eine Verbindungsgrenzfläche
zwischen der polykristallinen Siliziumsschicht 24 und der
Metallschicht 28 nicht erreichen und nicht dort abgeschieden
werden. Infolgedessen kann ein Versagen der Verbindung zwischen
dem Basisbereich 4 und dem Abdekkungsbereich 5 verhindert werden.
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Da
der Beschleunigungssensor 2 eine mehrlagige Ausbildung
an einem Verbindungsbereich zwischen dem Basisbereich 4 und
dem Abdeckungsbereich 5 aufweist, ist er leicht verschiedenen
externen Kräften
ausgesetzt. Zum Beispiel, wenn der Beschleunigungssensor 2 in
einem Chip-Bondverbindungsverfahren erwärmt wird, so daß er mit
einem nicht gezeigten Metallrahmen verbunden wird, kann eine Restspannung
aufgrund einer Differenz bei dem Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen dem Silizium-Halbleitersubstrat 6 und dem Metallrahmen
entstehen, mit dem das Substrat 6 verbunden worden ist.
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Bei
einem Kapselungsvorgang, in dem Komponenten, wie der Beschleunigungssensor 2,
nach dem Chip-Bondverbindungsvorgang in Harzmaterial eingekapselt
werden, wird Druck aufgebracht, wenn das Harzmaterial in eine Form
eingespritzt wird. Nach der Herstellung einer Vorrichtung mit dem
darin integrierten Beschleunigungssensor 2 kann eine Spannungsänderung
aufgrund einer Beeinträchtigung
der Form oder der mit dem Chip verbundenen Bereiche bedingt durch
Einflüsse
aus der Umgebung (z. B. thermische Hysterese oder Feuchtigkeit)
auftreten, der der Beschleunigungssensor ausgesetzt ist.
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Ohne
die Nut 25 könnten
solche externen Kräfte
zur Entstehung eines Risses an der oder den Grenzflächen zwischen
den Schichten des Verbindungsbereichs (d. h. den Grenzflächen zwischen dem
Halbleitersubstrat 6 und dem Rahmenbereich 8 sowie
zwischen dem Rahmenbereich 8 und der polykristallinen Siliziumschicht 24)
führen.
Dies könnte
zu einem Aufbrechen der Einkapselung des Beschleunigungssensors 2 führen, woraus
eine Änderung
der charakteristischen Eigenschaften des Beschleunigungssensorelements 3 resultiert.
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Selbst
wenn kein Riß entsteht,
könnten
sich Spannungen über
den Rahmenbereich 8 und/oder das Halbleitersubstrat 6 hinaus
auf das Beschleunigungssensorelement 3 ausbreiten und damit
eine Änderung
von dessen Charakteristik hervorrufen.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß der vorliegenden
Erfindung dagegen wird selbst bei Entstehung eines Risses aufgrund
einer externer Kraft dieser an der Nut 25 gestoppt, so
daß er
nicht über diese
hinaus fortschreitet. Dadurch bleibt die Einkapselung des Sensors 2 erhalten,
so daß eine Änderung
der Charakteristik des Sensorelements 3 verhindert wird.
Da sich ferner Spannungen nicht über die
Nut 25 hinaus fortpflanzen, bleibt die Charakteristik des
Sensorelements 3 wiederum unverändert. Die Nut 25 ermöglicht somit
die Schaffung eines zuverlässigen
Beschleunigungssensors.
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Da
ferner bei dem Ausführungsbeispiel
die Rahmennut in dem Rahmenbereich 8 und die Rahmennut
in der polykristallinen Siliziumschicht 24 in einander überlappender
Weise vorgesehen sind, kann die Größe des Beschleunigungssensors 2 in bezug
auf die Hauptflächenrichtung
des Halbleitersubstrats 6 reduziert werden.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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Unter
Bezugnahme auf 4 wird nun ein zweites Ausführungsbeispiel
des Beschleunigungssensors gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben. In der nachfolgenden Beschreibung sind Komponenten,
die mit denen des ersten Ausführungsbeispiels
iden tisch sind oder diesen entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen
bezeichnet, denen gegebenenfalls Zusätze hinzugefügt sind.
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Der
Beschleunigungssensor 30 dieses Ausführungsbeispiels beinhaltet
eine Isolierschicht 32 auf der Hauptfläche des Halbleitersubstrats 6.
Die Isolierschicht 32 wird zum Beispiel dadurch gebildet, daß auf dem
Halbleitersubstrat 6 z. B. eine Siliziumoxidschicht und
sodann eine Siliziumnitridschicht unter Verwendung herkömmlicher
Techniken, beispielsweise CVD, aufgebracht werden. Das Beschleunigungssensorelement 3 und
der Rahmenbereich 8 sind auf der Isolierschicht 32 derart
gebildet, daß sie elektrisch
voneinander isoliert sind.
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Eine
Diffusion verhindernde Schicht, die aus einer Isolierschicht 34 und
einer undotierten polykristallinen Siliziumschicht 36 besteht,
ist zwischen der Metallschicht 28 und dem Rahmenbereich 8 gebildet, und
zwar anstatt der Zwischenanordnung der polykristallinen Siliziumschicht 24 mit
einer vorbestimmten Dicke dazwischen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel.
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Die
Schichten 34 und 36 bilden eine Zwischenschicht
zwischen dem Rahmenbereich 8 und dem Abdeckungsbereich 5.
Zu diesem Zweck wird bei der Herstellung des Basisbereichs 4A die
Isolierschicht 34 auf dem Rahmenbereich 8 beispielsweise unter
Verwendung einer CVD-Technik gebildet, woraufhin die polykristalline
Siliziumschicht 36 beispielsweise unter Verwendung einer
Sputter-Technik aufgebracht wird.
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Wenn
die Metallschicht 28 des Abdeckungsbereichs 5 über der
polykristallinen Schicht 36 des Basisbereichs 4A plaziert
ist, werden der Basisbereich 4A und der Abdeckungsbereich 5 dann
wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel
erwärmt,
so daß das
polykristalline Silizium in der polykristallinen Siliziumschicht 36 und
das Nickel in der Metallschicht 28 eine eutektische Legierung
bilden, um den Abdeckungsbereich 5 mit dem Basisbereich 4A zu
verbinden.
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Die
Diffusion verhindernde Schicht 34, die zwischen der polykristallinen
Siliziumschicht 26 und dem Rahmenbereich 8 angeordnet
ist, verhindert, daß in
dem polykristallinen Silizium des Rahmenbereichs 8 enthaltener
Phosphor in die undotierte polykristalline Schicht 36 diffundiert
und an einer Verbindungsgrenzfläche
zwischen der polykristallinen Siliziumschicht 36 und der
Metallschicht 28 abgeschieden wird.
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Die
Isolierschicht 32, der Rahmenbereich 8, die Isolierschicht 34 und
die polykristalline Siliziumschicht 26 sind jeweils mit
Durchgangsöffnungen
in Form eines Rahmen an im allgemeinen miteinander identischen Positionen
in bezug auf die Hauptflächenrichtung
ausgebildet. Diese Durchgangsöffnungen
bilden insgesamt eine Nut 38 in Form eines Rahmens.
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Der
auf diese Weise ausgebildete Beschleunigungssensor 30 hat
eine mehrlagige Ausbildung an einem Verbindungsbereich zwischen
dem Basisbereich 4A und dem Abdekkungsbereich 5,
und aus diesem Grund ist er leicht verschiedenen externen Kräften ausgesetzt.
Selbst bei Entstehung eines Risses aufgrund einer externen Kraft
wird dieser jedoch an der Nut 38 gestoppt, und er schreitet
nicht über diese
hinaus fort.
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Dadurch
bleibt die Einkapselung des Sensors 30 erhalten, so daß die Charakteristik
des Sensorelements 3 unverändert bleibt. Da sich ferner Spannungen
nicht über
die Nut 38 hinaus fortpflanzen, bleibt die Charakteristik
des Sensorelements 3 wiederum unverändert. Die Nut 38 ermöglicht somit die
Schaffung eines zuverlässigen
Beschleunigungssensors.
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Da
ferner bei dem Ausführungsbeispiel
die Rahmennuten in der Isolierschicht 32, dem Rahmenbereich 8,
der Isolierschicht 34 und der polykristallinen Siliziumschicht 36 in
einander überlappender Weise
vorgesehen sind, kann die Größe des Beschleunigungssensors 30 in
bezug auf die Hauptflächenrichtung
des Halbleitersubstrats 6 reduziert werden.
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Das
Halbleitersubstrat 6 kann mit einer Nut in Form eines Rahmens
ausgebildet sein, die sich in einer Position im allgemeinen identisch
mit den Nuten der Isolierschicht 32, des Rahmenbereichs 8,
der Isolierschicht 34 und der polykristallinen Siliziumschicht 36 in
bezug auf die Hauptflächenrichtung
befindet, so daß die
Rahmennut des Substrats 6 zusammen mit den Schichten 32, 8, 34 und 36 die
Rahmennut 38 bildet.
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Dies
führt zu
einer längeren
Spannungsausbreitungsdistanz als bei einer Konfiguration, bei der die
Nut 38 sich bis auf die Tiefe der Isolierschicht 32 fortsetzt.
Auf diese Weise läßt sich
die vorstehend beschriebene Spannungsausbreitung in effektiverer Weise
verhindern. Außerdem
kann das Fortschreiten eines Rissen bzw. das Ausbreiten von Spannungen, die
an einer Grenzfläche
zwischen der Isolierschicht 32 und dem Halbleitersubstrat 6 entstehen
können, verhindert
werden.
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Drittes Ausführungsbeispiel
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Wie
aus 5 ersichtlich, ist der Beschleunigungssensor 40 des
dritten Ausführungsbeispiels dem
Beschleunigungssensor 30 des zweiten Ausführungsbeispiels ähnlich,
und zwar mit der Ausnahme, daß eine
Nut 42 in Form eines Rahmens in dem Abdekkungskörper 27B an
einem Verbindungsbereich vorgesehen ist, und zwar anstatt der Ausbildung
der Nut 38 in der Isolierschicht 32B, dem Rahmenbereich 8B,
der Isolierschicht 34B und der polykristallinen Siliziumschicht 36B des
Basisbereichs 4B.
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Die
Nut 42 kann in dem gleichen Verfahrensschritt wie die Bildung
des konkaven Teils 26B (z. B. durch Ansenken bzw. Plansenken)
oder in einem anderen Verfahrensschritt (z. B. Ätzen) (vor der Bildung der
Metallschicht 28B auf der Hauptfläche der Abdeckung 27B)
gebildet werden.
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Bei
dieser Konstruktion können
sich Spannungen, die sich durch den Abdeckungsbereich 5B fortpflanzen,
nicht über
die Nut 42 hinaus ausbreiten. Die Charakteristik des Sensorelements 3 wird
somit nicht beeinträchtigt,
so daß sich
ein zuverlässiger
Beschleunigungssensor schaffen läßt.
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Viertes Ausführungsbeispiel
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Wie
aus den 6 und 7 ersichtlich,
ist der Beschleunigungssensor 50 des vierten Ausführungsbeispiels ähnlich dem
Beschleunigungssensor 2 des ersten Ausführungsbeispiels ausgebildet,
mit der Ausnahme, daß anstelle
der Bildung der Nut 25 an einem Verbindungsbereich zwischen
dem Basisbereich und dem Abdeckungsbereich eine Nut 52 in Form
eines Rahmens an einem Teil des Rahmenbereichs 8C vorgesehen
ist, der von dem Verbindungsbereich weiter in Richtung auf das Beschleunigungssensorelement 3 ausgebildet
ist (d. h. an einem Teil, das sich zwischen dem Verbindungsbereich
und dem Beschleunigungssensorelement 3 befindet).
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Im
Hinblick auf die Verbindung zwischen dem Basisbereich 4C und
dem Abdeckungsbereich 5 ist eine Restspannung, die aufgrund
einer Differenz bei dem Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen den Materialien der polykristallinen Schicht 24 und der Metallschicht 28 (d.
h. Silizium und Nickel) entsteht, an einem Rand 54 der
Verbindungsgrenzfläche zwischen
der polykristallinen Siliziumschicht 24 und der Metallschicht 28 am
höchsten.
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Ohne
die Nut 52 könnte
sich somit eine Restspannung durch den Rahmenbereich 8C und
sodann durch das Halbleitersubstrat 6 zu dem Beschleunigungssensorelement 3 fortpflanzen
und damit eine Änderung
der Charakteristik von diesem hervorrufen. Da die Nut 52 jedoch
ein solches Fortschreiten von Spannungen über die Nut hinaus verhindern
kann, wird die Charakteristik des Sensorelements 3 nicht beeinträchtigt,
so daß ein
zuverlässiger
Beschleunigungssensor geschaffen wird.
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Das
Halbleitersubstrat 6 kann mit einer Nut in Form eines Rahmens
an einer Stelle ausgebildet sein, die im wesentlichen identisch
mit der Ausbildungsstelle der Rahmennut 52 des Rahmenbereichs 8B in
bezug auf die Hauptflächenrichtung
ist.
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Fünftes Ausführungsbeispiel
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Wie
aus 8 ersichtlich, ist der Beschleunigungssensor 60 des
fünften
Ausführungsbeispiels dem
Beschleunigungssensor 30 des zweiten Ausführungsbeispiels ähnlich,
und zwar mit der Ausnahme, daß anstelle
der Bildung der Nut 38 an einem Verbindungsbereich zwischen
dem Basisbereich und dem Abdeckungsbereich eine Nut 62 in
Form eines Rahmens in einem Teil des Rahmenbereichs 8D,
der von dem Verbindungsbereich weiter in Richtung auf das Beschleunigungssensorelement 3 ausgebildet
ist, sowie an dem entsprechenden Teil der Isolierschicht 32D vorgesehen
ist (d. h. die Nut 62 befindet sich zwischen dem Verbindungsbereich
und dem Beschleunigungssensorelement 3).
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Hinsichtlich
der Verbindung zwischen der Metallschicht 28 des Abdeckungsbereichs 5 und
der polykristallinen Siliziumschicht 36D des Basisbereichs 4D ist
eine Restspannung, die aufgrund einer Differenz bei dem Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen
dem Nickel und dem Silizium entsteht, an einem Rand 64 der
Verbindungsgrenzfläche
zwischen der Metallschicht 28 und der polykristallinen Siliziumschicht 36D am
höchsten.
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Ohne
die Nut 62 könnte
sich somit eine Restspannung durch die polykristalline Siliziumschicht 36D,
die Isolierschicht 34D, den Rahmenbereich 8D, die
Isolierschicht 32D und sodann durch das Halbleitersubstrat 6 zu
dem Beschleunigungssensorelement 3 fortpflanzen und damit
eine Änderung
der Charakteristik von diesem hervorrufen. Da die Nut 62 jedoch
ein solches Fortschreiten von Spannungen über die Nut hinaus verhindern
kann, wird die Charakteristik des Sensorelements 3 nicht
beeinträchtigt, so
daß ein
zuverlässiger
Beschleunigungssensor geschaffen wird.
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Das
Halbleitersubstrat 6 kann mit einer Nut in Form eines Rahmens
an einer Stelle ausgebildet sein, die im wesentlichen identisch
zu der Ausbildungsstelle der Rahmennuten der Isolierschicht 32D und
des Rahmenbereichs 8C in bezug auf die Hauptflächenrichtung
ist, so daß die
Rahmennut des Halbleitersubstrats 6 zusammen mit den Rahmennuten der
Isolierschicht 32D und des Rahmenbereichs 8D die
Rahmennut 62 bildet.
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Sechstes Ausführungsbeispiel
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Gemäß 9 weist
der Beschleunigungssensor 70 des sechsten Ausführungsbeispiels
Nuten 38E, 42E und 62E ähnlich den
Nuten 38, 42 und 62 des zweiten, dritten
und fünften
Ausführungsbeispiels
auf. Die Nut 38E in der Isolierschicht 32E, dem Rahmenbereich 8E,
der Isolierschicht 34E und der polykristallinen Siliziumschicht 36E in
dem Basisbereich 4E sowie die durch die Metallschicht 28E des Abdeckungsbereichs 5E gebildete
Nut 42E sind an Positionen gebildet, die in bezug auf die
Hauptflächenrichtung
des Halbleitersubstrats 6 im wesentlichen miteinander identisch
sind, so daß die
Größe des Beschleunigungssensors 70 in
bezug auf die Hauptflächenrichtung
reduziert ist.
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Es
ist zu erwähnen,
daß ohne
die Ausbildung der Nuten 38E und 42E die Nut 62E das
Ausbreiten von Spannung zu dem Beschleunigungssensorelement 3 verhindern
kann. Die Nuten 38E und 42E dienen in erster Linie
zum Verhindern, daß ein
möglicher Riß die Einkapselung
des Beschleunigungssensors 70 aufbricht.
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Vorstehend
sind zwar bevorzugte Ausführungsbeispiele
des Beschleunigungssensors gemäß der vorliegenden
Erfindung ausführlich
beschrieben worden, jedoch versteht es sich, daß verschiedene Modifikationen
im Umfang und Rahmen der Erfindung daran vorgenommen werden können.
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Zum
Beispiel können
die Rahmennuten, die in dem Rahmenbereich bzw. in der zwischen den Rahmenbereich
und dem Abdeckungsbereich befindlichen Zwischenschicht (z. B. der
polykristallen Siliziumschicht 24 bei dem ersten Ausführungsbeispiel
oder einer zumindest die Isolierschicht 34 beinhaltenden
Schicht bei dem zweiten Ausführungsbeispiel)
gebildet sind, möglicherweise
nicht miteinander in Verbindung stehen (d. h. bei der Rahmennut
in der Zwischenschicht handelt es sich um keine Durchgangsöffnung),
solange sie sich in im wesentlichen identischen Positionen in bezug
auf die Hauptflächenrichtung
des Halbleitersubstrats befinden.
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Die
in der Zwischenschicht gebildete Rahmennut ist jedoch vorzugsweise
offen zu einer Verbindungsgrenzfläche zwischen der Zwischenschicht und
dem Abdeckungsbereich ausgebildet, wenn man berücksichtigt, daß der Basisbereich
und der Abdekkungsbereich, die in unterschiedlichen Herstellungsprozessen
gebildet worden sind, miteinander verbunden werden und die zu der
Verbindungsgrenzfläche hin
offene Nut in einfacher Weise zu bilden ist.
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Zur
Bewältigung
einer Rißbildung
oder von Restspannungen, die zwischen einer Vielzahl von Verbindungsgrenzflächen an
einem Verbindungsbereich zwischen dem Basisbereich und dem Abdeckungsbereich
entstehen können,
handelt es sich bei den Nuten in dem Rahmenbereich und in der Zwischenschicht
vorzugsweise um Durchgangsöffnungen.
Dies ist deshalb von Vorteil, weil sich solche Nuten in einfacher
Weise bilden lassen.
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Ferner
ist bei dem zweiten und/oder sechsten Ausführungsbeispiel auch eine Konstruktion
im Umfang der vorliegenden Erfindung mitumfaßt, bei der keine Nut in der
direkt auf das Halbleitersubstrat aufgebrachten Isolierschicht ausgebildet
ist.
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Ferner
kann es sich bei der Rahmennut, die in einem Teil des Rahmenbereichs
innenseitig von einem Verbindungsbereich zwischen der Zwischenschicht
und dem Abdekkungsbereich gebildet ist, auch um eine nicht durchgehende Öffnung bzw.
Nut handeln.