DE102008041254B4 - Acceleration sensor and method for manufacturing an acceleration sensor - Google Patents
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Abstract
Beschleunigungssensor (101, 102, 103, 104)mit einem Substrat, das ein Trägersubstrat (110), eine erste Oxidebene (120), eine Leiterbahnebene (130), eine zweite Oxidebene (140) und eine epitaktische Funktionsebene (150) umfasst,einem beweglichen Element (160, 165, 260, 265), das eine seismische Masse (161, 166, 261) umfasst und durch ein Federelement (170, 270, 275) beweglich mit dem Substrat verbunden ist,sowie einer unteren Gegenelektrode (200, 210, 300, 310), wobei dasFederelement (170, 270, 275) in der Leiterbahnebene (130),die seismische Masse (161, 166, 261) in der epitaktischen Funktionsebene (150)und die untere Gegenelektrode (200, 210, 300, 310) im Trägersubstrat (110) vorgesehen ist.Acceleration sensor (101, 102, 103, 104) with a substrate comprising a carrier substrate (110), a first oxide level (120), a conductor track level (130), a second oxide level (140) and an epitaxial functional level (150), a movable element (160, 165, 260, 265), which comprises a seismic mass (161, 166, 261) and is movably connected to the substrate by a spring element (170, 270, 275), and a lower counter-electrode (200, 210 , 300, 310), wherein the spring element (170, 270, 275) in the interconnect level (130), the seismic mass (161, 166, 261) in the epitaxial functional level (150) and the lower counter-electrode (200, 210, 300, 310) is provided in the carrier substrate (110).
Description
Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungssensor und ein Verfahren zur Herstellung eines Beschleunigungssensors.The invention relates to an acceleration sensor and a method for producing an acceleration sensor.
Stand der TechnikState of the art
Im Stand der Technik sind mikromechanische Beschleunigungssensoren zur kapazitiven Detektion von senkrecht zu einer Waferebene (z-Richtung) des Beschleunigungssensor wirkenden Beschleunigung bekannt. Solche Beschleunigungssensoren basieren auf einem Feder-Masse-Prinzip. Der Beschleunigungssensor weist eine über Federn beweglich aufgehängte seismische Masse auf. Die seismische Masse bildet einen Plattenkondensator mit einer oder mehreren auf dem Substrat des Beschleunigungssensors fixierten Gegenelektroden. Eine an der seismischen Masse angreifende Beschleunigung bewirkt eine Auslenkung oder Verkippung der seismischen Masse, wodurch sich der Abstand zwischen der seismischen Masse und den auf dem Substrat fixierten Gegenelektroden ändert, was zu einer messbaren Änderung der Kapazität des durch die seismische Masse und die Gegenelektroden gebildeten Plattenkondensators führt.Micromechanical acceleration sensors for the capacitive detection of acceleration acting perpendicular to a wafer plane (z-direction) of the acceleration sensor are known in the prior art. Such acceleration sensors are based on a spring-mass principle. The acceleration sensor has a seismic mass that is movably suspended via springs. The seismic mass forms a plate capacitor with one or more counter-electrodes fixed on the substrate of the acceleration sensor. An acceleration acting on the seismic mass causes a deflection or tilting of the seismic mass, which changes the distance between the seismic mass and the counter electrodes fixed on the substrate, which leads to a measurable change in the capacitance of the plate capacitor formed by the seismic mass and the counter electrodes leads.
Es ist bekannt, die seismische Masse und die Federn eines Beschleunigungssensors aus einer epitaktisch aufgewachsenen Siliziumschicht und die Gegenelektroden in einer in z-Richtung darunter liegenden Leiterbahnebene aus vergrabenem Polysilizium zu erzeugen. Da die Federn und die seismische Masse dieser Beschleunigungssensoren aus derselben Schicht hergestellt werden, weisen sie dieselbe Dicke auf. Wegen Begrenzungen der lateralen Ausdehnung von Federn und seismischer Masse ist es schwierig, weiche Federn mit einer großen seismischen Masse zu kombinieren. Dadurch ist die Empfindlichkeit dieser Beschleunigungssensoren begrenzt. Zudem wird die Auslenkung oder Verkippung der seismischen Masse lediglich über in der unterhalb der seismischen Masse angeordneten Leiterbahnebene vorgesehene Gegenelektroden detektiert, während oberhalb des Feder-Masse-Systems keine Detektionsmittel vorgesehen sind.It is known to produce the seismic mass and the springs of an acceleration sensor from an epitaxially grown silicon layer and to produce the counter-electrodes in a buried polysilicon conductor track level lying underneath in the z-direction. Because the springs and seismic mass of these accelerometers are made from the same layer, they have the same thickness. Because of spring and seismic mass lateral extension limitations, it is difficult to combine soft springs with a large seismic mass. This limits the sensitivity of these acceleration sensors. In addition, the deflection or tilting of the seismic mass is only detected via counter-electrodes provided in the printed conductor plane arranged below the seismic mass, while no detection means are provided above the spring-mass system.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen verbesserten Beschleunigungssensor bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch einen Beschleunigungssensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.The object of the invention is to provide an improved acceleration sensor. This object is achieved by an acceleration sensor having the features of claim 1 and by a method having the features of claim 15.
Erfindungsgemäß weist ein Beschleunigungssensor ein Substrat auf, das ein Trägersubstrat, eine erste Oxidebene, eine Leiterbahnebene, eine zweite Oxidebene und eine epitaktische Funktionsebene umfasst. Der Beschleunigungssensor weist weiter ein bewegliches Element auf, das eine seismische Masse umfasst und durch ein Federelement beweglich mit dem Substrat verbunden ist. Außerdem weist der Beschleunigungssensor eine untere Gegenelektrode auf. Dabei sind das Federelement in der Leiterbahnebene, die seismische Masse in der epitaktischen Funktionsebene und die untere Gegenelektrode im Trägersubstrat vorgesehen.According to the invention, an acceleration sensor has a substrate that includes a carrier substrate, a first oxide level, a conductor track level, a second oxide level and an epitaxial functional level. The acceleration sensor also has a movable element, which includes a seismic mass and is movably connected to the substrate by a spring element. In addition, the acceleration sensor has a lower counter-electrode. The spring element is provided in the interconnect level, the seismic mass in the epitaxial functional level and the lower counter-electrode in the carrier substrate.
Dieser Beschleunigungssensor ermöglicht es, ein dünnes Federelement mit einer dicken seismischen Masse zu kombinieren. Dies erlaubt die Realisierung eines hochsensiblen Beschleunigungssensors auf kleiner Fläche.This accelerometer makes it possible to combine a thin spring element with a thick seismic mass. This allows the realization of a highly sensitive acceleration sensor on a small area.
In einer Ausführungsform wird die untere Gegenelektrode durch einen n-dotierten Bereich des Trägersubstrats gebildet, der von einem p-dotierten Bereich des Trägersubstrats umschlossen ist, der wiederum von einem n-dotierten Bereich des Trägersubstrats umschlossen ist.In one embodiment, the lower counter-electrode is formed by an n-doped area of the carrier substrate, which is enclosed by a p-doped area of the carrier substrate, which in turn is enclosed by an n-doped area of the carrier substrate.
In einer anderen Ausführungsform wird die untere Gegenelektrode durch einen p-dotierten Bereich des Trägersubstrats gebildet, der von einem n-dotierten Bereich des Trägersubstrats umschlossen ist, der wiederum von einem p-dotierten Bereich des Trägersubstrats umschlossen ist.In another embodiment, the lower counter-electrode is formed by a p-doped region of the carrier substrate, which is surrounded by an n-doped region of the carrier substrate, which in turn is surrounded by a p-doped region of the carrier substrate.
In einer weiteren Ausführungsform wird die untere Gegenelektrode durch einen Abschnitt des Trägersubstrats gebildet, der durch einen oder mehrere Isolationsgräben vom übrigen Trägersubstrat isoliert ist.In a further embodiment, the lower counter-electrode is formed by a section of the carrier substrate which is insulated from the rest of the carrier substrate by one or more isolation trenches.
Dabei wird die untere Gegenelektrode bevorzugt über eine Durchkontaktierung auf der Rückseite des Trägersubstrats kontaktiert.In this case, contact is preferably made with the lower counter-electrode via a plated-through hole on the rear side of the carrier substrate.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die untere Gegenelektrode über einen Kontakt zur Leiterbahnebene kontaktiert.In a further embodiment of the invention, contact is made with the lower counter-electrode via a contact to the conductor track level.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist in der epitaktischen Funktionsebene eine obere Gegenelektrode vorgesehen. Dadurch werden bei vorgegebener lateraler Ausdehnung des Beschleunigungssensors größere Kapazitäten der durch das bewegliche Element und die Gegenelektroden gebildeten Kondensatoren ermöglicht, wodurch sich die Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors erhöht.In a development of the invention, an upper counter-electrode is provided in the epitaxial functional level. As a result, for a given lateral extent of the acceleration sensor, greater capacitances of the capacitors formed by the movable element and the counter-electrodes are made possible, which increases the sensitivity of the acceleration sensor.
Bevorzugt sind die untere Gegenelektrode und die obere Gegenelektrode derart mit einer Auswertelektronik verbunden, dass eine differentielle Detektion einer Auslenkung des beweglichen Elements ermöglicht wird. Dadurch lässt sich die Genauigkeit des Beschleunigungssensors erhöhen.The lower counter-electrode and the upper counter-electrode are preferably connected to evaluation electronics in such a way that a differential detection of a deflection of the movable Ele ment is made possible. This increases the accuracy of the acceleration sensor.
In einer Weiterbildung sind mehrere obere Gegenelektroden vorgesehen. In einer anderen Weiterbildung sind mehrere untere Gegenelektroden vorgesehen.In a further development, several upper counter-electrodes are provided. In another development, several lower counter-electrodes are provided.
Gemäß einer Ausführungsform des Beschleunigungssensors ist das Federelement eine in eine Richtung senkrecht zum Trägersubstrat dehnbare Biegefeder, die eine translatorische Auslenkung des beweglichen Elements ermöglicht.According to one embodiment of the acceleration sensor, the spring element is a bending spring that can be stretched in a direction perpendicular to the carrier substrate and that enables a translatory deflection of the movable element.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Beschleunigungssensors ist das Federelement eine Torsionsfeder, die ein Verkippen des beweglichen Elements ermöglicht.According to another embodiment of the acceleration sensor, the spring element is a torsion spring, which allows the movable element to tilt.
Zweckmäßig sind dabei zwei untere Gegenelektroden und zwei obere Gegenelektroden vorgesehen, wobei je eine untere Gegenelektrode mit je einer oberen Gegenelektrode elektrisch verbunden ist. Dies führt zu hohen Kapazitäten der durch das bewegliche Element und die Gegenelektroden gebildeten Kondensatoren, was die Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors erhöht, und ermöglicht eine differentielle Detektion einer Verkippung des beweglichen Elements.Two lower counter-electrodes and two upper counter-electrodes are expediently provided, with each lower counter-electrode being electrically connected to each upper counter-electrode. This leads to high capacitances in the capacitors formed by the movable element and the counter-electrodes, which increases the sensitivity of the acceleration sensor and enables differential detection of a tilting of the movable element.
In einer alternativen Ausgestaltung ist das Torsionsfederelement in der Leiterbahnebene und in der epitaktischen Funktionsebene vorgesehen. Dies erhöht die Biegesteifigkeit des Federelements und führt zu einer geringeren Störanfälligkeit des Beschleunigungssensors.In an alternative configuration, the torsion spring element is provided in the conductor track level and in the epitaxial functional level. This increases the flexural rigidity of the spring element and leads to a lower susceptibility to failure of the acceleration sensor.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Beschleunigungssensors umfasst erfindungsgemäß Schritte zum Bereitstellen eines Trägersubstrats, zum Erzeugen einer unteren Gegenelektrode im Trägersubstrat, zum Abscheiden einer ersten Oxidebene auf dem Trägersubstrat, zum Abscheiden einer Leiterbahnebene auf der ersten Oxidebene, zum Strukturieren der Leiterbahnebene, um ein Federelement und einen unteren Massenteil festzulegen, zum Abscheiden einer zweiten Oxidebene auf der Leiterbahnebene, zum Strukturieren der zweiten Oxidebene, um den unteren Massenteil teilweise freizulegen, zum Abscheiden einer epitaktischen Funktionsebene auf der zweiten Oxidebene, zum Strukturieren der epitaktischen Funktionsebene, um vertikale Gräben zu erzeugen und zum teilweisen Herauslösen der ersten Oxidebene und der zweiten Oxidebene, um einen unteren Hohlraum zwischen dem Trägersubstrat und dem unteren Massenteil und einen oberen Hohlraum zwischen dem unteren Massenteil und der epitaktischen Funktionsebene zu erzeugen.According to the invention, a method for producing an acceleration sensor comprises steps for providing a carrier substrate, for producing a lower counter-electrode in the carrier substrate, for depositing a first oxide level on the carrier substrate, for depositing a conductor track level on the first oxide level, for structuring the conductor track level to form a spring element and a lower bulk portion, depositing a second oxide level on the trace level, patterning the second oxide level to partially expose the lower bulk portion, depositing an epitaxial functional level on the second oxide level, patterning the epitaxial functional level to create vertical trenches and partially Bleaching the first oxide level and the second oxide level to create a lower cavity between the support substrate and the lower bulk portion and an upper cavity between the lower bulk portion and the epitaxial functional level n.
Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, nach dem Abscheiden der ersten Oxidebene einen weiteren Verfahrensschritt zum Strukturieren der ersten Oxidebene auszuführen, um die untere Gegenelektrode teilweise freizulegen.A further development of the method provides for carrying out a further method step for structuring the first oxide level after the deposition of the first oxide level in order to partially uncover the lower counter-electrode.
Eine andere Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass zum Erzeugen der unteren Gegenelektrode im Trägersubstrat ein von einem p-dotierten Bereich umgebener n-dotierter Bereich im Trägersubstrat erzeugt wird.Another development of the method provides that, in order to produce the lower counter-electrode in the carrier substrate, an n-doped region surrounded by a p-doped region is produced in the carrier substrate.
Eine alternative Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass zum Erzeugen der unteren Gegenelektrode im Trägersubstrat ein von einem n-dotierten Bereich umgebener p-dotierter Bereich im Trägersubstrat erzeugt wird.An alternative development of the method provides that a p-doped region surrounded by an n-doped region is produced in the carrier substrate in order to produce the lower counter-electrode in the carrier substrate.
Eine weitere alternative Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass zum Erzeugen der unteren Gegenelektrode im Trägersubstrat ein Bereich des Trägersubstrats durch einen oder mehrere Isolationsgräben von einem übrigen Bereich des Trägersubstrats elektrisch isoliert wird.A further alternative embodiment of the method provides that, in order to produce the lower counter-electrode in the carrier substrate, a region of the carrier substrate is electrically insulated from a remaining region of the carrier substrate by one or more isolation trenches.
Bevorzugt wird hierbei nach dem Erzeugen der unteren Gegenelektrode eine Durchkontaktierung auf der Rückseite des Trägersubstrats erzeugt.In this case, after the production of the lower counter-electrode, a plated-through hole is preferably produced on the rear side of the carrier substrate.
Figurenlistecharacter list
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Beschleunigungssensors;1 shows a schematic representation of a first embodiment of an acceleration sensor; -
2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Beschleunigungssensors;2 shows a schematic representation of a second embodiment of an acceleration sensor; -
3 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines Beschleunigungssensors;3 shows a schematic representation of a third embodiment of an acceleration sensor; -
4 zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines Beschleunigungssensors;4 shows a schematic representation of a fourth embodiment of an acceleration sensor; -
5a zeigt eine schematische Darstellung eines beweglichen Elements in einer ersten Ausführungsform;5a shows a schematic representation of a movable element in a first embodiment; -
5b zeigt eine schematische Darstellung eines beweglichen Elements in einer zweiten Ausführungsform;5b shows a schematic representation of a movable element in a second embodiment; -
6 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines beweglichen Elements;6 shows a schematic representation of a third embodiment of a movable element; -
7a bis7k zeigen in schematischer Darstellung unterschiedliche Prozessschritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Beschleunigungssensors.7a until7k show a schematic representation of different process steps of a method for producing an acceleration sensor.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Der Beschleunigungssensor 101 ist aus einem Substrat gefertigt, das in einer z-Richtung aufeinanderfolgend ein Trägersubstrat 110, eine erste Oxidebene 120, eine Leiterbahnebene 130, eine zweite Oxidebene 140 und eine epitaktische Funktionsebene 150 umfasst. Das Trägersubstrat 110 kann beispielsweise ein Siliziumsubstrat sein. Die erste Oxidebene 120 kann beispielsweise aus einem Siliziumoxid oder einem anderen Material bestehen, das selektiv herausgeätzt werden kann. Die erste Oxidebene 120 kann beispielsweise epitaktisch auf dem Trägersubstrat 110 abgeschieden worden sein. Die Leiterbahnebene 130 besteht aus einem leitfähigen Material, beispielsweise aus polykristallinem Silizium (Polysilizium). Die Leiterbahnebene 130 kann beispielsweise epitaktisch auf der ersten Oxidebene 120 abgeschieden worden sein. Die zweite Oxidebene 140 kann beispielsweise aus einem Siliziumoxid oder einem anderen Material, das sich selektiv herauslösen lässt, bestehen. Die zweite Oxidebene 140 kann beispielsweise epitaktisch auf der Leiterbahnebene 130 abgeschieden worden sein. Die zweite Oxidebene 140 kann aus dem gleichen Material wie die erste Oxidebene 120 oder aus einem anderen material bestehen. Die erste Oxidebene 120 und die zweite Oxidebene 140 können in z-Richtung eine vergleichbare Dicke aufweisen. Die epitaktische Funktionsebene 150 kann beispielsweise aus Silizium bestehen. Die epitaktische Funktionsebene 150 kann beispielsweise epitaktisch auf der zweiten Oxidebene 140 abgeschieden worden sein. Die Leiterbahnebene 130 kann in z-Richtung eine geringere Dicke als die epitaktische Funktionsebene 150 aufweisen.
Der Beschleunigungssensor 101 der
Das bewegliche Element 160 umfasst einen unteren Massenteil 162, ein Verbindungsstück 163 und eine seismische Masse 161. Der untere Massenteil 162 ist in z-Richtung in der Leiterbahnebene 130 angeordnet und besteht aus dem gleichen Material wie die Leiterbahnebene 130. Das Verbindungsstück 163 ist in z-Richtung in der Ebene der zweiten Oxidebene 140 angeordnet und besteht aus dem gleichen Material wie die epitaktische Funktionsebene 150. Die seismische Masse 161 ist in z-Richtung in der Ebene der epitaktischen Funktionsebene 150 angeordnet und besteht aus dem gleichen Material wie die epitaktische Funktionsebene 150.The
In z-Richtung unterhalb des unteren Massenteils 162 des beweglichen Elements 160 ist ein Teil der ersten Oxidebene 120 entfernt worden, so dass ein unterer Hohlraum 240 gebildet ist. In lateraler Richtung neben dem unteren Massenteil 162 ist ein Teil der Leiterbahnebene 130 entfernt worden, um den unteren Massenteil 162 und zwei Federelemente 170 zu erzeugen. Der untere Massenteil 162 ist lediglich über die beiden Federelemente 170 mit dem übrigen Bereich der Leiterbahnebene 130 verbunden. Es können aber auch mehr als zwei Federelemente 170 vorgesehen sein. Die Federelemente 170 sind als in der Ebene der Leiterbahnebene 130 liegende Biegefedern ausgebildet, die in z-Richtung dehnbar, in lateraler Richtung jedoch steif sind. Die Federelemente 170 können beispielsweise aus in der Ebene der Leiterbahnebene 130 verlaufenden Balken aus dem gleichen Material wie die Leiterbahnebene 130 bestehen.In the z-direction below the
In lateraler Richtung neben dem Verbindungsstück 163 ist ein Teil der zweiten Oxidebene 140 entfernt worden, um einen oberen Hohlraum 241 zu bilden. Der obere Hohlraum 241 umgibt das Verbindungsstück 163. Die seismische Masse 161 ist über ein oder mehrere in z-Richtung durch die epitaktische Funktionsebene 150 verlaufende vertikale Gräben 242 von der umgebenden epitaktischen Funktionsebene 150 getrennt. Durch den unteren Hohlraum 240, den oberen Hohlraum 241 und die vertikalen Gräben 242 ist das bewegliche Element 160 vom umgebenden Substrat des Beschleunigungssensors 101 getrennt und lediglich über die Federelemente 170 mit dem umgebenden Substrat des Beschleunigungssensors 101 verbunden.Laterally adjacent to the
In z-Richtung unterhalb des beweglichen Elements 160 ist im Trägersubstrat 110 eine Gegenelektrode 200 vorgesehen. Die Gegenelektrode 200 ist als pn-Wanne ausgebildet. Unterhalb der dem unteren Hohlraum 240 zugewandten Oberfläche des Trägersubstrats 110 ist das Trägersubstrat 110 stark n-dotiert und bildet einen n-dotierten Bereich 182. In z-Richtung nach unten und in lateraler Richtung zur Seite hin ist der n-dotierte Bereich 182 von einem p-dotierten Bereich 181 des Trägersubstrats 110 umgeben. Der p-dotierte Bereich 181 ist wiederum in z-Richtung nach unten und in lateraler Richtung zur Seite hin von einem n-dotierten Bereich 180 des Trägersubstrats 110 umgeben. Insgesamt bildet der p-dotierte Bereich 181 eine von dem n-dotierten Bereich 180 umgebene Wanne im Trägersubstrat 110. Der n-dotierte Bereich 182 bildet eine durch den p-dotierten Bereich 181 umgebene Wanne im Trägersubstrat 110 und grenzt an den unteren Hohlraum 240 an. Der n-dotierte Bereich 180 bildet die leitfähige Gegenelektrode 200. In einer alternativen Ausführungsform können der Bereich 180 als p-dotierter Bereich, der Bereich 181 als n-dotierter Bereich und der Bereich 182 als p-dotierter Bereich ausgeführt werden.A counter-electrode 200 is provided in the
In lateraler Richtung neben dem beweglichen Element 160 und dem unteren Hohlraum 240 ist ein Kontakt 190 vorgesehen, der eine elektrische Verbindung zwischen der Leiterbahnebene 130 und der Gegenelektrode 200 herstellt. Der Kontakt 190 besteht aus dem gleichen Material wie die Leiterbahnebene 130 und erstreckt sich von der Leiterbahnebene 130 durch die erste 0-xidebene 120 bis zur Gegenelektrode 200 im Trägersubstrat 110. Über den Kontakt 190 ist die Gegenelektrode 200 elektrisch mit einer in der Leiterbahnebene 130 verlaufenden Leiterbahn verbunden.A
Das bewegliche Element 160 und die Gegenelektrode 200 bilden einen Kondensator, dessen Kapazität vom Abstand des beweglichen Elements 160 von der Gegenelektrode 200 abhängt. Eine in z-Richtung auf den Beschleunigungssensor 101 wirkende Beschleunigung führt zu einer in z-Richtung an der seismischen Masse 161 angreifenden Kraft. Dadurch werden die Federelemente 170 in z-Richtung gedehnt und das bewegliche Element 160 in z-Richtung ausgelenkt. Hierdurch ändert sich der Abstand zwischen dem beweglichen Element 160 und der Gegenelektrode 200, wodurch die Kapazität des von beweglichem Element 160 und Gegenelektrode 200 gebildeten Kondensators sich ändert. Diese Kapazitätsänderung ist umso größer, je größer die auf den Beschleunigungssensor 101 wirkende Beschleunigung ist. Die Kapazitätsänderung lässt sich mit einer mit dem Beschleunigungssensor 101 verbundenen Auswertelektronik erfassen.The
Die Gegenelektrode 210 kann über eine Durchkontaktierung 211 auf der dem unteren Hohlraum 240 abgewandten Rückseite des Trägersubstrats 110 kontaktiert werden. Ein möglicher Aufbau der Durchkontaktierung 211 ist dem Fachmann beispielsweise aus der
Der übrige Aufbau des Beschleunigungssensors 102 aus
Das bewegliche Element 165 umfasst einen unteren Massenteil 162, der in z-Richtung in der Ebene der Leiterbahnebene 130 angeordnet ist, aus dem gleichen Material wie die Leiterbahnebene 130 besteht und über die Federelemente 170 mit den umgebenden Bereichen der Leiterbahnebene 130 verbunden ist. In z-Richtung oberhalb des unteren Massenteils 162 weist das bewegliche Element 165 ein Verbindungsstück 167 auf, das in z-Richtung in der Ebene der zweiten Oxidebene 140 angeordnet ist und aus dem gleichen Material wie die epitaktische Funktionsebene 150 besteht. Das Verbindungsstück 167 weist in lateraler Richtung eine geringere Ausdehnung als der untere Massenteil 162 auf. In z-Richtung oberhalb des Verbindungsstücks 167 weist das bewegliche Element 165 eine seismische Masse 166 auf, die in z-Richtung in der Ebene der epitaktischen Funktionsebene 150 angeordnet ist und aus dem gleichen Material wie die epitaktische Funktionsebene 150 besteht.The
Die seismische Masse 166 ist in lateraler Richtung von einer oder mehreren oberen Gegenelektroden 230 umgeben. Die oberen Gegenelektroden 230 sind in z-Richtung in der Ebene der epitaktischen Funktionsebene 150 angeordnet und bestehen aus dem gleichen Material wie die epitaktische Funktionsebene 150. Die eine oder mehreren oberen Gegenelektroden 230 sind in z-Richtung oberhalb eines überstehenden Bereichs des unteren Massenteils 162 angeordnet und von diesem durch den oberen Hohlraum 241 getrennt. Die eine oder mehreren oberen Gegenelektroden 230 können beispielsweise durch einen oder mehrere Kontakte auf der dem oberen Hohlraum 241 abgewandten Oberfläche der epitaktischen Funktionsebene 150 kontaktiert werden.The
Die eine oder mehreren oberen Gegenelektroden 230 bilden zusammen mit dem unteren Massenteil 162 des beweglichen Elements 165 einen ersten Kondensator, dessen Kapazität vom Abstand des unteren Massenteils 162 von den oberen Gegenelektroden 230 abhängt. Die im Trägersubstrat 110 angeordnete Gegenelektrode 210 bildet zusammen mit dem unteren Massenteil 162 des beweglichen Elements 165 einen zweiten Kondensator, dessen Kapazität vom Abstand des unteren Massenteils 162 von der Gegenelektrode 210 abhängt. Bei einer durch eine in z-Richtung wirkende Beschleunigung verursachten Auslenkung des beweglichen Elements 165 in z-Richtung ändern sich die Kapazitäten des ersten und des zweiten Kondensators mit entgegengesetztem Vorzeichen. Entfernt sich das bewegliche Element 165 beispielsweise vom Trägersubstrat 110, so nimmt die Kapazität des ersten Kondensators zu, die des zweiten Kondensators ab. Die Kapazitätsänderungen sind umso größer, je größer die Auslenkung des beweglichen Elements 165 ist. Die Kapazitätsänderungen lassen sich mittels einer mit dem Beschleunigungssensor 103 verbundenen Auswertelektronik differentiell auswerten. Die differentielle Auswertung ermöglicht eine Unterdrückung von Nullpunktabweichungen und erhöht damit die Genauigkeit des Beschleunigungssensors 103.The one or more
Die untere Gegenelektrode 210 des in
Der Beschleunigungssensor 104 weist ein bewegliches Element 260 auf.
Einer der außen liegenden T-förmigen Flügel des unteren Massenteils 262 ist mit einer seismischen Masse 261 verbunden. Die seismische Masse ist in z-Richtung in der Ebene der zweiten Oxidebene 140 und der epitaktischen Funktionsebene 150 angeordnet und besteht aus dem gleichen Material wie die epitaktische Funktionsebene 150. Die seismische Masse 261 ist über dem Querbalken des T-förmigen Flügels angeordnet. Der untere Massenteil 262 und die seismische Masse 261 bilden gemeinsam das bewegliche Element 260, das über die Befestigungspunkte 271 befestigt ist. Die seismische Masse 261 bewirkt eine Ungleichverteilung der Masse des beweglichen Elements 260 in Bezug auf die Torsionsachse 280.One of the outboard T-shaped wings of the
Im Trägersubstrat 110 des Beschleunigungssensors 104 der
In der epitaktischen Funktionsebene 150 sind eine erste obere Gegenelektrode 320 und eine zweite obere Gegenelektrode 330 angeordnet und elektrisch von den umgebenden Bereichen der epitaktischen Funktionsebene 150 isoliert. Die erste obere Gegenelektrode 320 und die zweite obere Gegenelektrode 330 sind zu beiden Seiten einer gedachten, in z-Richtung durch die Torsionsachse 280 verlaufenden Ebene angeordnet. Die erste obere Gegenelektrode 320 ist oberhalb des Teils des beweglichen Elements 260 mit der geringeren Masse angeordnet und liegt damit in z-Richtung oberhalb der ersten unteren Gegenelektrode 300. Die zweite obere Gegenelektrode 330 ist oberhalb des Teils des beweglichen Elements 260 mit der größeren Masse angeordnet und liegt dadurch in z-Richtung oberhalb der zweiten unteren Gegenelektrode 310.A first
Der untere Massenteil 262 des beweglichen Elements 260 bildet mit der ersten unteren Gegenelektrode 300, der zweiten unteren Gegenelektrode 310, der ersten oberen Gegenelektrode 320 und der zweiten oberen Gegenelektrode 330 jeweils Kondensatoren, deren Kapazität vom Abstand des unteren Massenteils 262 von der jeweiligen Gegenelektrode 300, 310, 320, 330 abhängt. Eine auf den Beschleunigungssensor 104 in z-Richtung wirkende Beschleunigung ruft eine in z-Richtung an der seismischen Masse 261 angreifende Kraft hervor, die ein Drehmoment um die Torsionsachse 280 erzeugt. Da das Federelement 270 um die Torsionsachse 280 tordierbar ist, bewirkt das Drehmoment ein Verkippen des beweglichen Elements 260 um die Torsionsachse 280. Dadurch ändern sich die Abstände zwischen dem unteren Massenteil 262 des beweglichen Elements 260 und den vier Gegenelektroden 300, 310, 320, 330. Dadurch ändern sich die Kapazitäten der durch diese Gegenelektroden und den unteren Massenteil 262 gebildeten Kondensatoren, was ein Maß für die Größe der auf den Beschleunigungssensor 104 wirkenden Beschleunigung darstellt.The lower
Die erste untere Gegenelektrode 300 und die zweite obere Gegenelektrode 330 können elektrisch miteinander verbunden werden, so dass die erste untere Gegenelektrode 300 und die zweite obere Gegenelektrode 330 gemeinsam einen ersten Kondensator mit dem unteren Massenteil 262 bilden. Die zweite untere Gegenelektrode 310 und die erste obere Gegenelektrode 320 können elektrisch miteinander verbunden werden, so dass die zweite untere Gegenelektrode 310 und die erste obere Gegenelektrode 320 mit dem unteren Massenteil 262 gemeinsam einen zweiten Kondensator bilden. Bei einer Verkippung des beweglichen Elements 260 um die Torsionsachse 280 ändern sich die Kapazitäten des ersten und des zweiten Kondensators mit umgekehrtem Vorzeichen. Dies ermöglicht eine differentielle Auswertung der Kapazitätsänderungen, wodurch sich Nullpunktsfehler herausheben und die Genauigkeit des Beschleunigungssensors 104 zunimmt.The first
Der zentrale Balken des unteren Massenteils 262 des beweglichen Elements 265 stellt ein Federelement 275 dar, das über einen rückwärtigen Befestigungspunkt 276 mit einem das bewegliche Element 265 umgebenden Bereich der Leiterbahnebene 130 verbunden ist. Das Federelement 275 ist um die innerhalb des Federelements 275 liegende Torsionsachse 280 tordierbar. Im Unterschied zum beweglichen Element 260 der
Wie in
Im nächsten Verfahrensschritt wird die erste Oxidebene 120 auf das Trägersubstrat 110 aufgebracht. Die erste Oxidebene 120 kann beispielsweise aus Siliziumoxid bestehen und durch thermische Oxidation oder mit einem anderen Abscheideverfahren auf dem Trägersubstrat 110 abgeschieden werden. Das Ergebnis dieses Verarbeitungsschritts ist in
Als nächstes wird die erste Oxidebene 120 strukturiert. In lateralen Bereichen, an denen sich später ein Kontakt 190 zur Kontaktierung der Gegenelektrode 200 befinden soll, wird die erste Oxidebene 120 lokal entfernt. Hierfür sind dem Fachmann verschiedene Möglichkeiten, beispielsweise Ätztechniken, geläufig. Wie
Im folgenden Bearbeitungsschritt wird die Leiterbahnebene 130 auf die erste Oxidebene 120 aufgebracht. Die Leiterbahnebene 130 kann beispielsweise aus polykristallinem Silizium (Polysilizium) oder aus einem anderen leitfähigen Material bestehen. Die erste Leiterbahnebene 130 wird mit einem der gängigen Abscheideverfahren auf der ersten Oxidebene 120 aufgebracht. In lateralen Abschnitten, in denen die erste Oxidebene 120 im vorhergehenden Prozessschritt entfernt wurde, entsteht ein elektrischer Kontakt 190 zwischen der Gegenelektrode 200 und der Leiterbahnebene 130. Dies ist schematisch in
Im nächsten Arbeitsschritt wird die Leiterbahnebene 130 strukturiert. Die Strukturierung kann beispielsweise durch lithographische Techniken und Ätzen erfolgen. Dabei werden Teile der Leiterbahnebene 130 entfernt, um den unteren Massenteil 162, die Federelemente 170 und beliebige Leiterbahnen zu erzeugen. Der untere Massenteil 162 kann beispielsweise eine rechteckige oder runde Grundform aufweisen. Der untere Massenteil 162 wird in lateraler Richtung so vollständig von den übrigen Bereichen der Leiterbahnebene 130 getrennt, dass er lediglich über die Federelemente 170 mit den übrigen Bereichen der Leiterbahnebene 130 in Kontakt steht. Das Ergebnis der Bearbeitung ist schematisch in
Anschließend wird die zweite Oxidebene 140 auf die Leiterbahnebene 130 aufgebracht. Die zweite Oxidebene 140 kann aus demselben Material wie die erste Oxidebene 120 oder aus einem anderen Material bestehen. In lateralen Bereichen, in denen die Leiterbahnebene 130 selektiv entfernt worden ist, steht die zweite Oxidebene 140 in direktem Kontakt mit der ersten Oxidebene 130. Die zweite Oxidebene 140 kann nach dem Abscheiden planarisiert werden. Das Ergebnis dieses Prozessschrittes ist schematisch in
Alsdann wird die zweite Oxidebene 140 strukturiert. Dazu wird ein Teil der zweiten Oxidebene 140 selektiv entfernt, um in z-Richtung oberhalb des unteren Massenteils 162 in der Leiterbahnebene 130 eine Öffnung in der zweiten Oxidebene 140 zu erzeugen. Die Strukturierung der zweiten Oxidebene 140 kann nach einem der gängigen Verfahren erfolgen.
Im nächsten Prozessschritt wird die epitaktische Funktionsebene 150 auf der zweiten Oxidebene 140 abgeschieden. Die epitaktische Funktionsebene 150 kann beispielsweise aus Silizium bestehen. Die epitaktische Funktionsebene 150 kann beispielsweise epitaktisch auf der zweiten Oxidebene 140 aufgewachsen werden. In lateralen Bereichen, in denen die zweite Oxidebene 140 im vorgehenden Bearbeitungsschritt entfernt wurde, lagert sich die epitaktische Funktionsebene 150 direkt auf der Leiterbahnebene 130 ab. In der Öffnung oberhalb des unteren Massenteils 162 bildet sich dabei das Verbindungsstück 163. Nach dem Abscheiden kann die epitaktische Funktionsebene 150 noch planarisiert werden. Das Ergebnis dieses Prozessschrittes ist in
Nun wird die epitaktische Funktionsebene 150 strukturiert. Dazu werden ein oder mehrere vertikale Gräben 242 in der epitaktischen Funktionsebene 150 erzeugt, die unterschiedliche laterale Abschnitte der epitaktischen Funktionsebene 150 voneinander trennen. Die vertikalen Gräben 242 können beispielsweise durch einen anisotropen Ätzprozess erzeugt werden. In z-Richtung oberhalb des unteren Massenteils 162 wird ein Bereich der epitaktischen Funktionsebene 150 freigelegt, der die seismische Masse 166 des beweglichen Elements 165 darstellt. In lateraler Richtung neben der seismischen Masse 166 werden eine oder mehrere obere Gegenelektroden 230 erzeugt.
Im folgenden Bearbeitungsschritt werden Teile der ersten 0-xidebene 120 und der zweiten Oxidebene 140 selektiv entfernt. Die teilweise Entfernung der ersten Oxidebene 120 und der zweiten Oxidebene 140 kann beispielsweise durch Ätzen mit einem gasförmigen Ätzmedium erfolgen, wobei das Ätzmedium durch die vertikalen Gräben 242 an der zweiten Oxidebene 140 und der ersten Oxidebene 120 angreift. Durch die Entfernung der ersten Oxidebene 120 entsteht ein unterer Hohlraum 240 zwischen der Gegenelektrode 200 im Trägersubstrat 110 und dem unteren Massenteil 162 in der Leiterbahnebene 130. Durch die teilweise Entfernung der zweiten Oxidebene 140 entsteht ein oberer Hohlraum 241, der das bewegliche Element 165 freilegt. Das bewegliche Element 165 ist nun lediglich noch über die Federelemente 170 mit dem umgebenden Substrat verbunden. Das Ergebnis dieses Bearbeitungsschritts ist schematisch in
Bezugszeichenlistereference list
- 101101
- Beschleunigungssensoraccelerometer
- 102102
- Beschleunigungssensoraccelerometer
- 103103
- Beschleunigungssensoraccelerometer
- 104104
- Beschleunigungssensoraccelerometer
- 110110
- Trägersubstratcarrier substrate
- 120120
- erste Oxidebenefirst oxide level
- 130130
- Leiterbahnebenetrace level
- 140140
- zweite Oxidebenesecond oxide level
- 150150
- epitaktische Funktionsebeneepitaxial functional level
- 160160
- bewegliches Element (Trampolin; breit)moving element (trampoline; wide)
- 161161
- seismische Masse (EP; Trampolin; breit)seismic mass (EP; trampoline; wide)
- 162162
- unterer Massenteil (Trampolin)lower mass part (trampoline)
- 163163
- Verbindungsstückconnector
- 165165
- bewegliches Element (Trampolin; schmal)moving element (trampoline; narrow)
- 166166
- seismische Masse (EP; Trampolin; schmal)seismic mass (EP; trampoline; narrow)
- 167167
- Verbindungsstückconnector
- 170170
- Federelement (Biegefeder)spring element (bending spring)
- 180180
- n-dotierter Bereichn-doped area
- 181181
- p-dotierter Bereichp-doped region
- 182182
- n+-dotierter Bereichn + -doped region
- 190190
- KontaktContact
- 200200
- Gegenelektrode (Wannenmodell)counter electrode (tub model)
- 210210
- Gegenelektrode (Trenchmodell)Counter electrode (trench model)
- 211211
- Durchkontaktierungvia
- 220220
- Isolationsgrabenisolation trench
- 230230
- Obere GegenelektrodeUpper counter electrode
- 240240
- Unterer Hohlraumlower cavity
- 241241
- Oberer Hohlraumupper cavity
- 242242
- Vertikaler Grabenvertical trench
- 260260
- bewegliches Element (Wippe; dicke Feder; seitliche Aufhängung)moving element (rocker; thick spring; lateral suspension)
- 261261
- seismische Masse (EP; Wippe)seismic mass (EP; seesaw)
- 262262
- unterer Massenteil (Wippe)lower mass part (rocker)
- 263263
- bewegliches Element (Wippe; dicke Feder; zentrale Aufhängung)moving element (rocker; thick spring; central suspension)
- 265265
- bewegliches Element (Wippe; dünne Feder)moving element (rocker; thin spring)
- 270270
- Federelement (Torsionsfeder; VP+EP)Spring element (torsion spring; VP+EP)
- 271271
- Befestigungspunktattachment point
- 275275
- Federelement (Torsionsfeder; nur VP)Spring element (torsion spring; only VP)
- 276276
- Befestigungspunktattachment point
- 280280
- Torsionsachsetorsion axis
- 300300
- 1. untere Gegenelektrode1. lower counter electrode
- 310310
- 2. untere Gegenelektrode2. lower counter electrode
- 320320
- 1. obere Gegenelektrode1. upper counter electrode
- 330330
- 2. obere Gegenelektrode2. upper counter electrode
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