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Stand der
Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Vorrichtung, einem Drucksensor und
einem Verfahren nach der Gattung der nebengeordneten Ansprüche. Zur Herstellung
von Membranen in der Mikromechanik werden bereits verschiedene Verfahren
verwendet. Dazu gehört
das nasschemische Ätzen
mit Substanzen wie beispielsweise KOH, wobei ein solcher Ätzvorgang
anisotrop verläuft
und bestimmte Kristallrichtungen bzw. entlang bestimmter Kristallrichtungen
selektiv ätzt.
Daneben gibt es Ätzverfahren,
wie beispielsweise Gasphasenätzen,
bei dem an lithographisch definierten Stellen senkrechte, tiefe Ätzlöcher erzeugt
werden. Durch Tempern bei hohen Temperaturen unter Vakuum erfolgt
eine Umlagerung des Siliziums dermaßen, dass sich die Löcher oberflächlich schließen und
eine Kaverne im Inneren verbleibt. Durch eine zweidimensionale Anordnung
lassen sich auf diese Weise ebenfalls Membranen aus einkristallinem
Silizium erzeugen. Ein solches Material wird auch als silicon on
nothing oder als SON-Material bezeichnet.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung,
der erfindungsgemäße Drucksensor
und das erfindungsgemäße Verfahren
mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche haben dem gegenüber den
Vorteil, dass siliziumbasierte Membranen einfach und kostengünstig herzustellen
sind und insbesondere für
spezielle Einsatzzwecke optimiert werden können. Diese Membranen können beispielsweise
für die
Drucksensierung eingesetzt werden. Erfindungsgemäß ist es möglich, solche Drucksensoren
sehr kostengünstig,
beispielsweise in Fingerabdrucksensoren, intelligenten Robotergreifern
und anderen Einsatzbereichen zu verwenden. Auch für mikroelektronische
low power-Anwendungen sind solche Struktu ren interessant, da sie
eine dünne
einkristalline Siliziumschicht direkt über einem elektrischen Isolator
liefern. Als elektrischer Isolator wird hierbei das eingeschlossene
Vakuum in dem Hohlraum bzw. in der Kaverne bezeichnet, womit sich
eine solche einkristalline Siliziumschicht direkt über der
Kaverne auch als silicon on insulator-Struktur (SOI-Struktur) darstellen lässt. Erfindungsgemäß ist es
vorteilhaft möglich,
beliebige Membrangrößen herzustellen.
Weiterhin ist es möglich,
beliebige laterale Membrangeometrien herzustellen. Weiterhin ist
es erfindungsgemäß auch möglich, beliebige
vertikale Membrangeometrien herzustellen, wie beispielsweise eine
Ambossmembran oder eine Brückenmembran.
Das Verfahren zeichnet sich durch eine gute Reproduzierbarkeit aus.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß möglich, beliebige
Membrandicken herzustellen und beliebige Kavernenhöhen herzustellen.
Da es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
um einen oberflächenmikromechanischen
Prozess handelt, weist dieses daher, insbesondere gegenüber Bulkmikromechanikprozessen
verkürzte Ätzzeiten
auf, da nicht durch den ganzen Wafer geätzt werden muss. Die Membran
besteht erfindungsgemäß insbesondere
aus einkristallinem Silizium, wobei dieses entsprechend den Erfordernissen
der Anwendung, z.B. noch oxidiert oder strukturiert werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren
ist insbesondere Mikroelektronik-kompartibel ausgebildet, so dass
auf ein und demselben Substrat gleichzeitig das erfindungsgemäße Verfahren
angewendet werden kann und mikroelektronische Schaltkreise hergestellt
werden können.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den
nebengeordneten Ansprüchen
angegebenen Vorrichtung, des Drucksensors und des Verfahrens möglich. Besonders
vorteilhaft ist, dass die Membran in einer speziellen erfindungsgemäßen Ausführungsform
einkristallin vorgesehen ist. Dadurch können beispielsweise die Kristallstruktur
des einkristallinen Siliziums benötigende Strukturen, wie beispielsweise
Piezosensoren, auf der Membran vorgesehen sein. Weiterhin ist es
von Vorteil, dass die Membran in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
in einem Teilbereich oxidiert vorgesehen ist. Dadurch ist es möglich, eine
sogenannte Ambossmembran zu erzeugen. Weiterhin ist von Vorteil,
dass die Membran im ersten Membranbereich unterhalb des oxidierten
Bereichs einkristallin vorgesehen ist. Dadurch ist es möglich, eine
thermisch gut isolierte Membran bzw. einen thermisch gut isolierten
mittleren Bereich der Membran mit homogener Temperaturverteilung
zu erhalten. Weiterhin ist es von Vorteil, dass die Membran in einer
weiteren erfindungsgemäßen Ausführung in
einem seitlichen Teilbereich oxidiert vorgesehen ist. Dadurch ist
es möglich,
sowohl eine gute thermische Isolation des mittleren Bereichs der Membran
und eine einkristalline Struktur der Membran in der Mitte der Membran
vorzusehen.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine erste Vorstufe der
erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 eine zweite Vorstufe der
erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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3 eine erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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4 eine zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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5 eine dritte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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6 eine vierte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und
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7 eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist eine erste Vorstufe
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
dargestellt. Auf einem Substrat 10, welches erfindungsgemäß insbesondere
als Siliziumsubstrat vorgesehen ist, werden negativ dotierte Bereiche 20 vorgesehen.
Das Siliziumsubstrat 10 selbst ist als positiv dotiertes
Substrat vorgesehen. In einem mit dem Bezugszeichen 30 versehenen
Bereich des Substrats 10 wird eine stärker positive Dotierung des
Materials in das Substratmaterial 10 eingebracht. Der mit
dem Bezugszeichen 30 versehene, stärker positiv dotierte Bereiche 30 kann
beliebig geformt werden. Insbesondere kann die stärkere positive
Dotierung des Bereichs 30 an manchen Stellen tiefer in
das Substratmaterial 10 eingebracht sein als an anderen
Stellen. Hierdurch ergeben sich erfindungsgemäß unterschiedliche Tiefen der
stärkeren
positiven Dotierung 30.
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In 2 ist eine zweite Vorstufe
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
dargestellt. Die 2 zeigt
die Situation der erfindungsgemäßen Vorrichtung
nach einem Ätzvorgang,
der zu einem porösen Siliziumbereich
in dem mit den Bezugszeichen 31, 41 bezeichneten
Substratbereichen führt.
Wieder ist wie in 1 das
Substrat mit dem Bezugszeichen 10 und die negativ dotierten
Bereiche mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet. Erfindungsgemäß ist es
vorgesehen, im mit dem Bezugszeichen 31 versehenen Substratbereich
poröses
Silizium mittels eines Anodisiervorgangs zu erzeugen, wobei der
Grad der Porösizität im mit
dem Bezugszeichen 31 bezeichneten Bereich geringer ist
als der Grad der Porösizität im mit
dem Bezugszeichen 41 bezeichneten Bereich. Die Porösizität im mit
dem Bezugszeichen 41 bezeichneten Bereich ist größer als
60% bzw. 80 % und kann nahezu 100 % erreichen. Zur Definition der
Bereiche, die elektrochemisch geätzt
werden und die zu einem porösen
Silizium in den mit dem Bezugszeichen 31, 41 bezeichneten
Bereichen führen,
ist es, wie in 1 und 2 dargestellt, zum einen möglich, implantierte
oder diffundierte Dotierschichten zu verwenden oder es ist möglich, Abdeckschichten
als Maske für
das elektrochemische Ätzen
(Anodisieren) zu verwenden. Die Verwendung von Masken ist jedoch
in den 1 und 2 nicht dargestellt. Weiterhin ist
es erfindungsgemäß auch möglich, als Ätzmaske deponierte
Isolatorschichten zu verwenden, was jedoch in den Zeichnungen ebenfalls
nicht dargestellt ist. Durch das elektrochemische Ätzen wird
der Wafer derart geätzt,
dass sich in Oberflächennähe der mit
dem Bezugszeichen 31 bezeichnete, niedrig poröse Bereich
und darunter der mit dem Bezugszeichen 41 versehene hochporöse Bereich
bildet. Nach dem Reinigen und dem Trocknen des Wafers, insbesondere
in reduzierender Umgebung, wird der Wafer in eine Vakuum-Apparatur
transferiert. Hier wird der Wafer entweder in einer reduzierenden
oder in einer inerten Atmosphäre
oder aber unter Ultrahochvakuum bis zu vergleichsweise hohen Temperaturen
von beispielsweise 800°C
bis 1300°C
aufgeheizt. Die reduzierende Atmosphäre umfasst beispielsweise Wasserstoff.
Die inerte Atmosphäre
umfasst beispielsweise Argon. Bei der Aufheizung kommt es zur Umlagerung
des porös
geätzten
Siliziums. Das Material der in 2 mit
dem Bezugszeichen 41 versehenen, tiefer liegenden Bereich,
welches höher
porös vorgesehen
ist, wird dabei derart umgelagert, dass an der Stelle des in 2 mit dem Bezugszeichen 41 bezeichneten
Bereichs ein in 3 mit
dem Bezugszeichen 42 versehener Hohlraum entsteht. Die
niedriger poröse
Schicht an der Oberfläche,
die in 2 mit dem Bezugszeichen 31 bezeichnet
ist, lagert sich ebenfalls um und bildet einen in 3 mit dem Bezugszeichen 32 versehenen
einkristallinen Siliziummembrankörper.
Die Dicke der Membran 32 lässt sich durch die Anodisierungsparameter
bzw. durch die Dotierstoffverteilung des in 1 mit dem Bezugszeichen 30 versehenen
Bereichs bestimmen. Hierdurch ist es möglich, dass die Membran 32 in
einem in 3 mit dem Bezugszeichen 100 versehenen
ersten Membranbereich eine größere Dicke
aufweist als in einem in 3 mit
dem Bezugszeichen 200 versehenen zweiten Membranbereich.
Auch in 3 ist wiederum
das Substrat 10 und die stark negativ dotierten Bereiche 20 dargestellt.
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Die
in 3 dargestellte erste
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
umfasst die Membran 32 in Form einer sog. Silizium-Amboss-Membran.
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In 5 ist eine, in ähnlicher
Weise ausgebildete, einkristalline Siliziummembran 32 einer
erfindungsgemäßen dritten
Ausführungsform
der Vorrichtung dargestellt, wobei die Membran der dritten Ausführungsform
der Erfindung in 5 als
sog. Siliziumbrückenmembran
bezeichnet wird. Diese weist ebenfalls einen ersten Membranbereich 100 und
einen zweiten Membranbereich 200 auf, wobei der erste Membranbereich
eine größere Dicke
aufweist als der zweite Membranbereich 200. Gegenüber der 3 ist jedoch bei der dritten
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
der erste Membranbereich 100 außen, d.h. seitlich an der Membran 32 vorgesehen
und der zweite Membranbereich 200 in der Mitte der Membran 32.
Bei der ersten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in 3 ist es umgekehrt,
der erste Membranbereich 100 ist in der Mitte vorgesehen
und der zweite Membranbereich 200 ist seitlich an der Membran 32 vorgesehen.
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In 4 ist eine Abwandlung der
ersten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt.
Hierbei ist ein Oberflächenbereich
der gesamten Vorrichtung oxidiert vorgesehen. Hierbei bilden der
Oberflächenbereich
der stark negativ dotierten Bereiche 20 eine Oxidschicht 24 und
der Oberflächenbereich
der Membran 32 bildet einen Teilbereich 34 der
Membran 32 aus, welcher ebenfalls oxidiert vorgesehen ist.
Die Oxidschicht 24, 34 ist insbesondere als thermische
Oxidschicht vorgesehen. Unterhalb des oxidierten Bereichs 34 der Membran 32 im
zweiten Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist ein einkristalliner Bereich 35 der Membran 32 vorgesehen.
Wiederum ist der erste Membranbereich 100 und der zweite Membranbereich 200 bei
der zweiten Ausführungsform
der Vorrichtung dargestellt. Die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann auch als Teiloxidation einer als Ambossmembran vorgesehene
Membran 32 bezeichnet werden. Der einkristalline und mit
dem Bezugszeichen 35 versehene Membranbereich wird auch
als einkristalliner Siliziumplug bezeichnet. Die Teiloxidation der
Membran 32 bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung in 4 bringt es mit sich, dass
durch die geringe thermische Leitfähigkeit des Silizium oxids der Innenbereich
der Membran eine besonders gute thermische Isolation von der Umgebung
erzielt werden kann (d.h. des Bereichs 35 der Membran 32). Gleichzeitig
sorgt der Si-Plug unterhalb der Membran für eine homogene Temperaturverteilung
im Innenbereich der Membran. Unter Verwendung einer Nitridmaske
können
hierbei wiederum selektiv Teile der Membran oxidiert werden oder
auch nicht. Dies ist in 6 dargestellt.
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In 6 ist die Membran 32 in
einem mittleren Bereich, welcher mit dem Bezugszeichen 36 vorgesehen
ist, als einkristalliner Siliziumbereich vorgesehen. Seitlich davon
sind oxidierte Bereiche 54 vorgesehen, welche selektiv
oxidiert wurden und zur thermischen Entkopplung des mit dem Bezugszeichen 36 versehenen
Bereichs der Membran 32 beitragen. Die oxidierten Bereiche 54 (therm.
Oxid) sind in ihren Teilen, die zur Membran 32 gehören, als „oxidierte
Teilbereiche 54'' der Membran 32 aufzufassen. Wiederum
ist der erste Membranbereich 100 und der zweite Membranbereich 200 dargestellt,
sowie das Substrat 10 und die stark negativ dotierten Bereiche 20 (n-Dotierung).
Mit dem Bezugszeichen 10 ist der p-Si-Wafer bezeichnet.
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Eine
weitere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist in 7 dargestellt. Dabei
wird ausgehend von der Vorrichtung nach 5 die Membran 32 stellenweise
oxidiert. Die so erreichte Teiloxidation findet dabei in den dickeren Bereichen 100 statt,
die den dünneren
Bereich 200 der Membran 32 einschließen. Daraus
resultiert eine Membran 32, die aus einem einkristallinen
Bereich 36 und diesen Bereich umgebende oxidierte Bereiche 34 besteht.
Im Gegenzug zur Vorrichtung nach 6 wird
die Oxidation jedoch nicht in die stark negativ dotierten Bereiche 20 ausgedehnt.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
wird insbesondere als Drucksensor verwendet. Hierbei ist es vorteilhaft,
dass in dem in den 3 bis 6 dargestellten und mit dem
Bezugszeichen 42 versehenen Hohlraum unterhalb der Membran 32 besonders
gut definierbar und reproduzierbar ein Referenzvolumen mit einem
bestimmten Referenzdruck erzeugt werden kann, so dass ein mit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
hergestellter Drucksensor ebenfalls eine besonders gute Reproduzierbarkeit
aufweist.