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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Sensoranordnung nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Solche
Sensoranordnungen sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus
der Druckschrift
DE 43
18 466 A1 eine mikromechanischer Sensor bestehend aus einem
Träger aus Silizium, einer auf den Träger aufgebrachten
Epitaxieschicht aus Silizium, wobei durch einen Ätzprozess
ein Teil der Epitaxieschicht als wenigstens ein mikromechanisches Auslenkteil
freigelegt ist, das wenigstens einseitig an einem Abstützbereich
mit dem Siliziumsubstrat verbunden ist und das bei einer Krafteinwirkung
auf den Sensor gegenüber der übrigen Sensorstruktur
auslenkbar ist und mit Mitteln zur Auswertung der Auslenkung, bekannt.
Eine Kaverne im Abstützbereich, welche zwischen dem Abstützbereich
und dem Siliziumsubstrat angeordnet ist, ist nicht vorgesehen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Sensoranordnung und das erfindungsgemäße
Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung gemäß den
nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem
Stand der Technik den Vorteil, dass mittels des beweglichen Elements
sowohl eine Beschleunigung senkrecht zur Haupterstreckungsebene,
als auch parallel zur Haupterstreckungsebene detektierbar ist. Besonders vorteilhaft
ist somit mit nur einer einzigen seismischen Masse in Form des beweglichen
Elements ein Beschleunigungssensor in einer vergleichsweise einfachen,
platzsparenden und kostengünstig herstellbaren Weise realisierbar,
welcher gleichzeitig in x-Richtung, y-Richtung und z-Richtung sensitiv
ist. Dies wird dadurch erreicht, dass im Bereich des bewegliche
Elements eine Kaverne zwischen der Zwischenschicht, welche zur alleinigen
Befestigung des bewegliche Elements vorgesehen ist, und dem Substrat
ausgebildet ist, so dass die Zwischenschicht in diesem Bereich eine
vergleichsweise hohe Beweglichkeit gegenüber dem Substrat
aufweist und dadurch eine Bewegung des beweglichen Elements senkrecht
zur Haupterstreckungsebene (in z-Richtung), als auch parallel zur
Haupterstreckungsebene (in x-/y-Richtung) ermöglicht wird.
Bei einer Bewegung senkrecht zur Haupterstreckungsebene bewegt sich
die Zwischenschicht im Elastizitätsbereich auf das Substrat
zu oder von dem Substrat weg, während sich die Zwischenschicht
bei einer Bewegung des beweglichen Elements parallel zur Haupterstreckungsebene
im Elastizitätsbereich um eine zur Haupterstreckungsebene
parallel Torsionsachse dreht, so dass das bewegliche Element um
diese Achse verkippt wird. Durch die Befestigung des bewegliche
Elements allein an der Zwischenschicht, welche ”unterhalb” (d.
h. in Richtung des Substrats) angeordnet ist, wird ein Ausbildung
der übrigen Bereiche der mikromechanischen Funktionsschicht
um das bewegliche Element herum als Elektroden ermöglicht.
Eine Auslenkung des beweglichen Elements aus seiner Ruhelage in
Folge einer auf das bewegliche Element wirkenden Beschleunigungskraft ist
somit kapazitiv über die umliegenden Elektroden messbar,
wobei das bewegliche Element insbesondere als gemeinsame Gegenelektrode
für die Elektroden fungiert. Besonders vorteilhaft ist
darüberhinaus, dass die Sensoranordnung mit Standardherstellungsprozessen
der Halbleitertechnologie herstellbar ist, so dass einerseits vergleichsweise
niedrige Herstellungskosten und andererseits eine vergleichsweise
einfache Adaption an bestehende Sensorsysteme und bestehende Auswertesysteme
ermöglicht wird.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen,
sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das bewegliche Element
in einem Anbindungsbereich mit der Zwischenschicht verbunden ist,
wobei bevorzugt der Anbindungsbereich in einer Ebene parallel zur
Haupterstreckungsebene im Wesentlichen mittig in Bezug auf die Kaverne
angeordnet ist. Besonders vorteilhaft wird somit eine maximale Beweglichkeit
des beweglichen Elements sowohl senkrecht, als auch parallel zur
Haupterstreckungsebene erzeugt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Zwischenschicht
im Bereich des Anbindungsbereichs in einer Richtung senkrecht zur
Haupterstreckungsebene bewegbar und um eine Torsionsachse parallel
zur Haupterstreckungsebene drehbar ausgebildet ist, so dass auch eine
entsprechende Relativbewegung des beweglichen Elements zum Substrat
ermöglicht wird und somit in vorteilhafter Weise mittels
des beweglichen Elements ein dreikanaliger Beschleunigungssensor (in
x-, y- und z-Richtung) realisiert wird. Besonders vorteilhaft ist
durch eine entsprechende Dimensionierung der Zwischenschicht die
Beweglichkeit der beweglichen Masse einstellbar, wobei insbesondere über
die Dicke der Zwischenschicht die Federsteifigkeit und die Schwingungscharakteristik
der Aufhängung der beweglichen Masse einstellbar ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Mehrzahl
von Elektroden in der mikromechanischen Funktionsschicht ausgebildet
sind, welche parallel zur Haupterstreckungsebene zum beweglichen
Element jeweils beabstandet vorgesehen sind und welche bevorzugt das
bewegliche Element parallel zur Haupterstreckungsebene im Wesentlichen
vollständig umschließend angeordnet sind. In vorteilhafter
Weise fungiert die bewegliche Masse insbesondere als Gegenelektrode
für die Mehrzahl von Elektroden, so dass durch eine Kapazitätsänderung
zwischen einer bestimmten Elektrode und der Gegenelektrode eine
Auslenkung des beweglichen Elements aus der Ruhelage quantifizierbar
ist und aufgrund des Ortes der bestimmten Elektrode auch die Richtung
der Auslenkung erkennbar ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Substrat
Silizium, die Zwischenschicht Polysilizium, die Funktionsschicht
epitaktisches Polysilizium und/oder der Anbindungsbereich epitaktisches
Polysilizium umfasst. Besonders vorteilhaft ist die Sensoranordnung
somit in Standardherstellungsverfahren besonders kostengünstig
herstellbar und zu bereits bestehenden Sensorsystemen und Auswerteschaltungen
kompatibel.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist Verfahren zur
Herstellung einer Sensoranordnung, wobei in einem ersten Verfahrensschritt das
Sub strat bereitgestellt wird, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt
eine erste Opferschicht auf dem Substrat hergestellt wird, wobei
in einem dritten Verfahrensschritt auf der ersten Opferschicht die
Zwischenschicht angeordnet wird, wobei in einem vierten Verfahrensschritt
auf der Zwischenschicht eine zweite Opferschicht erzeugt wird, wobei
in einem fünften Verfahrensschritt auf der zweiten Opferschicht
die mikromechanische Funktionsschicht angeordnet wird, wobei in
einem sechsten Verfahrensschritt das bewegliche Element in der mikromechanischen
Funktionsschicht erzeugt wird und wobei in einem siebten Verfahrensschritt
die erste Opferschicht zur Bildung der Kaverne im Elastizitätsbereich
wieder entfernt wird. Besonders vorteilhaft ermöglicht
das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren eine
im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich kostengünstigere
Herstellung einer gleichzeitig in x-, y- und z-Richtung sensitiven
Sensoranordnung, da wie oben beschrieben nur eine einzige seismische
Masse in Form des beweglichen Elements benötigt wird. Durch
diese vergleichsweise bauraumkompakte Anordnung wird insbesondere
die Anwendungsvielfalt der Sensoranordnung erhöht und gleichzeitig
werden durch weniger benötigte Waferfläche die
Materialkosten reduziert. Die Maximalerstreckung der Zwischenschicht
im Elastizitätsbereich senkrecht zu Haupterstreckungsebene
umfasst bevorzugt 1 bis 5 µm, besonders bevorzugt 2 bis
4 µm und ganz besonders bevorzugt im Wesentlichen 3 µm.
In weitere Ausführungsformen ist optional vorgesehen, weitere
Leiterschichten und/oder weitere Isolationsschichten in weiteren
Verfahrensschritten einzufügen. Die erste Opferschicht
dient insbesondere auch mechanischen Anbindung und gleichzeitig
zur elektrischen Isolation zwischen dem Substrat und der Zwischenschicht
und die zweite Opferschicht entsprechend zur mechanischen Anbindung
und zur elektrischen Isolation zwischen der Zwischenschicht und
zumindest Teilen der mikromechanischen Funktionsschicht. Alternativ
ist vorgesehen, in weiteren Verfahrensschritten bevorzugt Nitridschichten
einzubringen, welche besonders bevorzugt zwischen der ersten Opferschicht
und der Zwischenschicht und/oder zwischen dem Substrat und der ersten
Opferschicht angeordnet werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Verfahren einen
LOCOS-Prozess umfasst. Da der LOCOS-Prozess (Local Oxidation Of
Silicon) ein Standardherstellungsprozess in der Halbleitertechnologie
ist, werden die Herstellungskosten durch die Verwendung dieses Prozesses
zur Herstellung der Sensoranordnung erheblich reduziert.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass im zweiten
Verfahrensschritt die erste Opferschicht derart auf dem Substrat erzeugt
wird, dass die erste Opferschicht senkrecht zur Haupterstreckungsebene
innerhalb des Elastizitätsbereichs dicker als außerhalb
des Elastizitätsbereich ist. Besonders vorteilhaft wird
somit im sechstens Verfahrensschritt eine Kaverne erzeugt, welche eine
vergleichsweise große Maximalausdehnung senkrecht zur Haupterstreckungsebene
aufweist und somit eine vergleichsweise hohe Beweglichkeit des beweglichen
Elements senkrecht zur Haupterstreckungsebene gewährleistet.
Die Maximalerstreckung der Kaverne senkrecht zu Haupterstreckungsebene umfasst
bevorzugt 1 bis 4 µm, besonders bevorzugt 2 bis 3 µm
und ganz besonders bevorzugt im Wesentlichen 2,5 µm.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass im zweiten
Verfahrensschritt zunächst eine lokale thermische Oxidation
des Substrats im Elastizitätsbereich durchgeführt
wird und anschließend eine globale thermische Oxidation des
Substrats auch außerhalb des Elastizitätsbereichs
durchgeführt wird. Besonders bevorzugt wird somit im sechstens
Herstellungsschritt eine Kaverne erzeugt, welche ihre Maximalerstreckung
senkrecht zur Haupterstreckkungsebene im Wesentlichen mittig im
Elastizitätsbereich aufweist und nach Außen bzw.
außerhalb des Elastizitätsbereichs kontinuierlich
dünner wird.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass im sechsten
Verfahrensschritt, insbesondere mittels eines Trenchprozesses, Gräben
senkrecht zur Haupterstreckungsebene erzeugt werden, welche sich
durch die mikromechanischen Funktionsschicht, die erste Opferschicht,
die Zwischenschicht und/oder die zweite Opferschicht erstrecken.
Besonders bevorzugt wird somit einerseits das bewegliche Element
von der übrigen mikromechanischen Funktionsschicht mechanisch
getrennt, so dass das bewegliche Element elektrisch isoliert und
mechanisch bewegbar gegenüber den umliegenden Elektroden
in der mikromechanischen Funktionsschicht sind, und andererseits wird
somit ein Ätzzugang zum Ätzen der ersten und/oder
der zweiten Opferschicht im siebten Verfahrensschritt hergestellt.
Durch den Ätzzugang wird beispielsweise ein Gasphasenätzen
der ersten und/oder zweiten Opferschicht durchgeführt.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es
zeigen
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1 bis 5 schematische
Seitenansichten von ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Vorläuferstrukturen
zur Herstellung einer Sensoranordnung gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
und
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6 eine
schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung gemäß der
beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung
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In
den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit dem gleichen
Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils
nur einmal erwähnt bzw. genannt.
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In
den 1 bis 5 sind schematische Seitenansichten
von ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Vorläuferstrukturen 31, 32, 33, 34, 35 zur Herstellung
einer Sensoranordnung 1 gemäß einer beispielhaften
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt,
wobei anhand der in 1 dargestellten ersten Vorläuferstruktur 31 ein
erster Verfahrensschritt illustriert wird, wobei ein Substrat 2 mit einer
Haupterstreckungsebene 100 bereitgestellt wird, wobei in
einem zweiten Verfahrensschritt eine erste Opferschicht 20 in
Form einer Oxidschicht in einem LOCOS-Prozess auf dem Substrat 2 angeordnet
wird, wobei zunächst mittels lokaler thermischer Oxidation
eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 dickere erste
Oxidschicht 20 im Bereich der in einem späteren
Verfahrensschritt herzustellenden Kaverne 7 bzw. im Bereich
des Elastizitätsbereichs 6 erzeugt wird und anschließend
mittels thermischer Oxidation des gesamten Substrats 2 eine
dünnere erste Oxidschicht 20 im restlichen Bereich
der Sensoranordnung 1 erzeugt wird. In 2 ist
anhand der zweiten Vorläuferstruktur ein dritter und vierter
Verfahrensschritt illustriert, wobei im dritten Verfahrensschritt
auf der ersten Opferschicht 20 eine Zwischenschicht 4 in
Form einer vergrabenen Polysiliziumschicht abgeschieden wird, welche
vorzugsweise eine Dicke von im Wesentlichen 3 µm aufweist.
Im vierten Verfahrensschritt wird eine zweite Op ferschicht 21 in
Form einer Oxidschicht auf der Zwischenschicht 4 erzeugt,
wobei die zweite Opferschicht 21 vorzugsweise mittels thermischer
Oxidation und/oder chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) hergestellt
wird und wobei die zweite Opferschicht 21 in einem weiteren
Verfahrensschritt, welcher anhand der in 3 dargestellten
dritten Vorläuferstruktur illustriert ist, strukturiert
wird. Im Rahmen der Strukturierung werden Öffnungen 30 in
der zweiten Opferschicht 21 hergestellt. In 4 ist
eine vierte Vorläuferstruktur zur Illustration des vierten
Verfahrensschrittes dargestellt, wobei auf der zweiten Opferschicht 21 zur
Bildung der mikromechanischen Funktionsschicht 3 ein Polysilizium
epitaktisch abgeschieden wird. Die Öffnungen 30 werden
dabei mit dem Polysilizium gefüllt, so dass im Elastizitätsbereich 6 ein
Anbindungsbereich 8 zwischen der Zwischenschicht 4 und
der mikromechanischen Funktionsschicht 3 entsteht. Anhand
einer in 5 dargestellten fünften
Vorläuferstruktur wird ein sechster Herstellungsschritt
illustriert, wobei in der mikromechanischen Funktionsschicht 3 ein
bewegliches Element 5 erzeugt wird und wobei insbesondere
die Projektion des beweglichen Elements 5 senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 den
Elastizitätsbereich 6 umfasst.
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In 5 ist
eine schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung 1 gemäß der
beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
dargestellt, wobei die Sensoranordnung 1 von der in 5 dargestellten
fünften Vorläuferstruktur ausgeht, wobei in einem
sechsten Verfahrensschritt eine Trenchprozess durchgeführt
wird, wobei in die mikromechanische Funktionsschicht 3 Gräben 13 geätzt
werden, welche sich senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 wenigstens über
die gesamte Dicke der mikromechanischen Funktionsschicht 3 erstrecken.
Vorzugsweise erstrecken sich die Gräben zusätzlich auch über
die Breite der zweiten Opferschicht 21 und der Zwischenschicht 4.
Die Gräben 13 umfassen somit Ätzzugänge
zum Ätzen der ersten und zweiten Opferschicht 20, 21 in
einem nachfolgenden siebten Verfahrensschritt, wobei im siebten
Verfahrensschritt die erste und die zweite Opferschicht 20, 21 zumindest
im Elastizitätsbereich 6 geätzt werden,
beispielsweise durch Gasphasenätzen. Unterhalb des beweglichen
Elements 5, d. h. in Richtung des Substrats 2,
wird somit zwischen der Zwischenschicht 4 und dem Substrat 2 eine
Kaverne 7 ausgebildet, so dass sich die Zwischenschicht 4 in
diesem Bereich elastisch verformen kann. Das bewegliche Element 5 ist über
den Anbindungsbereich 8 an der Zwischenschicht 4,
vorzugsweise parallel zur Haupterstreckungsebene 100 mittig
im Elastizitätsbe reich 6, befestigt, so dass das
bewegliche Element 5 relativ zur übrigen mikromechanischen
Funktionsschicht 3 und relativ zum Substrat 2 senkrecht
und parallel zur Haupterstreckungsebene 100 bewegbar und
durch Trägheitskräfte in Folge einer Beschleunigung
der Sensoranordnung 1 aus einer Ruhelage elastisch auslenkbar
ist. Die parallel zur Haupterstreckungsebene 100 das bewegliche
Element 5 umgebende übrige mikromechanische Funktionsschicht 3 sind durch
die Gräben 13 in voneinander elektrisch isolierte
Teilbereich unterteilt, welche als Elektroden 9, 9' fungieren,
wobei das bewegliche Element 5 eine entsprechende Gegenelektrode
umfasst. Durch eine Kapazitätsänderung zwischen
einer der Elektroden 9, 9' und der Gegenelektrode
ist die Auslenkung des beweglichen Elements 5 aus der Ruhelage
in z-Richtung (senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100) und
in x-/y-Richtung (parallel zur Haupterstreckungsebene 100)
messbar. Teilbereiche der Zwischenschicht 4 fungieren vorzugsweise
als vergrabene Leiterschichten zur elektrischen Kontaktierung der
Elektroden 9, 9'. Besonders bevorzugt ist vorgesehen,
in der Kaverne 7 einen bestimmte Innendruck zur Steuerung
des Dämpfungsverhaltens des Sensoranordnung 1 einzustellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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