DE19503623A1

DE19503623A1 - Drehratensensor und Verfahren zur Herstellung eines Drehratensensors

Info

Publication number: DE19503623A1
Application number: DE1995103623
Authority: DE
Inventors: Erich Dr Ing Dr Zabler; Gerhard Dr Benz; Juergen Dr Schirmer; Franz Dr Laermer; Andrea Schilp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1995-02-03
Filing date: 1995-02-03
Publication date: 1996-08-08
Anticipated expiration: 2015-02-04
Also published as: DE19503623B4; GB2297618B; GB2297618A; GB9601992D0

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs 1 und von einem Verfahren zur Herstellung eines Drehratensensors nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs 4. Es ist aus der Offenlegungsschrift DE-40 32 559 bereits ein Drehratensensor bekannt, der eine schwingende Trägerstruktur aufweist, auf der ein auslenk barer Beschleunigungsaufnehmer angeordnet ist. Die Träger struktur wird durch Naßätzverfahren in heißer Kalilauge waferdick hergestellt und ist dadurch engen Randbedingungen hinsichtlich der Geometrie unterworfen. Der Beschleunigungs aufnehmer wird aus abgeschiedenem Polysilizium oder abge schiedenem monokristallinem Silizium aufgebaut.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Drehratensensor mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß der Drehratensensor aus einem Silicon-on-Isolator-Wafer her ausstrukturiert ist. Aus der oberen SOI-Schicht wird der auslenkbare kapazitive Beschleunigungssensor hergestellt. Da die SOI-Schicht besonders spannungsarm, sehr gut hinsicht lich sensormechanischer Eigenschaften definiert und frei von Spannungsgradienten ist, wird ein sehr genauer Beschleuni gungssensor mit hoher Nachweisempfindlichkeit erreicht. Zu dem ist die elektrische Isolation der SOI-Schichtstrukturelemente gegeneinander und zum Substrat sehr gut.

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des unab hängigen Anspruchs 4 hat demgegenüber den Vorteil, daß auf eine einfache Weise eine Silicon-on-Isolator-Schicht erzeugt wird, die besonders spannungsgradientenarm ist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unab hängigen Anspruch 1 angegebenen Drehratensensors und des im unabhängigen Anspruch 4 angegebenen Verfahrens möglich. Be sonders vorteilhaft ist es, die Auswerteelektronik der Meß signale im Beschleunigungssensor zu integrieren. Dadurch wird eine besonders kompakte Bauform des Drehratensensors erreicht.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er läutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Drehratensensor,

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Beschleunigungsaufnehmer,

Fig. 3 eine erste Struktur eines Beschleunigungsaufnehmers,

Fig. 4 eine zweite Struktur eines Beschleunigungsaufnehmers und

Fig. 5 Verfahrensschritte zur Herstellung einer Silicon-on-Isolator-Schicht.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt schematisch eine Drehratensensorstruktur 18, die aus Silizium herausstrukturiert ist und die einen umlau fenden Rahmen 19 aufweist, wobei im Rahmen 19 zwei als Schwingmassen auslenkbare Schwingstrukturen 1 angeordnet sind. Die Schwingstrukturen 1 sind über Biegebalken 6 unter einander und mit dem Rahmen 19 verbunden. Die Schwingstruk turen 1 stellen Schwingmassen in Form von Platten dar, wobei die Platten parallel nebeneinander angeordnet sind. Die Auf hängungen der Schwingstrukturen 1 sind so ausgebildet, daß die Schwingstrukturen 1 exakt gegenphasig in Schwingungen versetzbar sind. Auf den Schwingstrukturen 1 ist jeweils ein Beschleunigungaufnehmer 2, 3 auslenkbar angeordnet. In Fig. 1 sind die Beschleunigungsaufnehmer 2, 3 nur schematisch eingezeichnet. Auf dem Rahmen 19 sind eine Steuer- und Aus werteeinheit 7 angeordnet. Die Steuer- und Auswerteeinheit 7 ist über eine Meßsignalleitung 20 mit den Beschleunigungs aufnehmern 2, 3 verbunden. Zudem führt von der Steuer- und Auswerteeinheit 7 eine Antriebsleitung 21 zu den Schwing strukturen 1. Der Rahmen 19 befindet sich in einem Magnet feld, das von zwei Dauermagneten 4 erzeugt wird.

Die Schwingstrukturen 1 werden durch ein Plasmaätzverfahren aus dem Bulksubstrat eines SOI-Wafers bzw. aus einer zuvor naßchemisch gedünnten Schicht des Bulksubstrats des SOI-Wafers hergestellt. Dieses Verfahren ist in der Patent schrift DE 42 41 045 detailliert beschrieben und erlaubt die Herstellung sehr tiefer Silizium-Strukturen mit frei wähl baren Geometrien. Die Schwingstrukturen 1 werden somit frei von prozeßtechnischen oder kristallographischen Randbedin gungen so hergestellt, wie es für ein möglichst optimales gegenphasiges Schwingverhalten erforderlich ist.

Der Drehratensensor nach Fig. 1 funktioniert wie folgt: Steuer- und Auswerteeinheit 7 erzeugt durch die von der An triebsleitung 21 gebildete Stromschleife über die im Magnet feld wirkende Lorenzkraft eine Schwingung der Schwingstruk turen 1 in der Ebene des Rahmens 19, wie in der Fig. 1 schematisch durch einen Pfeil mit dem Buchstaben V darge stellt ist. Die Ansteuerung der Antriebsleitung 21 erfolgt so, daß die zwei Schwingstrukturen 1 exakt gegenphasig schwingen. Wird nun der Rahmen 19 zusammen mit dem Magnet feld um eine Drehachse gedreht, die senkrecht zur Schwin gungsrichtung der Schwingstrukturen 1 und senkrecht zur Sen sormeßrichtung der Beschleunigungsaufnehmer 2, 3 ausgerich tet ist, so wirken Corioliskräfte auf den ersten und zweiten Beschleuniguungsaufnehmer 2, 3 in Sensormeßrichtung. Die Corioliskraft berechnet sich nach folgender Formel: a_c = 2V × ω, wobei ω die Winkelgeschwindigkeit um die Drehachse und V die Momentangeschwindigkeit der gegenphasig schwingenden Schwingstrukturen 1 darstellt.

Die Corioliskräfte sind schematisch in Fig. 1 in Form von Pfeilen dargestellt und mit dem Buchstaben ac bezeichnet. Die Funktionsweise von Drehratensensoren ist hinreichend be kannt und z. B. in der Druckschrift DE-OS 40 32 559 beschrie ben.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Schwingstruktur 1 und einen Beschleunigungsaufnehmer 2, 3 der senkrecht zur Oberfläche der Schwingstruktur 1 auslenkbar ist. Auf der Schwingstruktur 1, die aus Silizium besteht, ist eine erste Siliziumoxidschicht 8 aufgebracht, wobei in die erste Sili ziumoxidschicht 8 eine Ausnehmung 22 eingebracht ist. Auf der ersten Siliziumoxidschicht 8 ist eine erste Silicon-on-Isolator-Schicht (SOI) 10 aufgebracht. Auf der ersten SOI-Schicht 10 ist eine zweite Siliziumoxidschicht 12 aufgebracht, in der eine zweite Ausnehmung 23 eingebracht ist. Die erste und zweite Ausnehmung 22, 23 sind übereinan der angeordnet. Auf der zweiten Siliziumoxidschicht 12 ist z. B. eine zweite SOI-Schicht 13 aufgebracht. Die erste und die zweite SOI-Schicht 10, 12 sind mit einer Siliziumnitrid schicht 11 als zusätzliche Passivierung abgedeckt. Die Sili ziumnitridschicht ist jedoch nicht unbedingt erforderlich. Unter der Ausnehmung 22 ist in die Schwingstruktur 1 eine hoch dotierte Siliziumzone 9 eingebracht. Die hoch dotierte Siliziumzone 9, die erste SOI-Schicht 10 und die zweite SOI-Schicht 13 bilden einen Kondensator. Die erste SOI-Schicht 10 ist so strukturiert, daß bei Einwirken einer Corioliskraft eine Auslenkung in Richtung auf die zweite SOI-Schicht 13 oder in Richtung auf die hoch dotierte Sili ziumzone 9 erfolgt. Einfache Drehratensensoren weisen einen Kondensatoraufbau auf, der nur aus der hoch dotierten Sili ziumzone 9 und der strukturierten ersten SOI-Schicht 10 be steht. Die zweite SOI-Schicht 13 erhöht die Genauigkeit der Messung, ist jedoch nicht unbedingt erforderlich.

Fig. 3 zeigt schematisch eine erste SOI-Schicht 10, die als Platte ausgebildet ist und über vier Stege 26 mit der ersten Siliziumoxidschicht 8 verbunden ist. Die vier Stege 26 sind an den vier Ecken der plattenförmigen ersten SOI-Schicht 10 angebracht, wobei jeweils zwei Stege parallel zueinander und im rechten Winkel zur Außenkante der plattenförmigen ersten SOI-Schicht 10 angeordnet sind. Die SOI-Schicht 10 dient als Schwingmasse.

Die erste und zweite Ausnehmung 22, 23 werden entweder vor dem Aufbringen der ersten bzw. zweiten SOI-Schicht 10, 13 mittels Ätzverfahren eingebracht, oder nach Aufbringen der ersten bzw. zweiten SOI-Schicht 10, 13 durch Unterätzen der strukturierten SOI-Schichten 10, 13 hergestellt. Das Unter ätzen der SOI-Schichten 10, 13 wird dadurch beschleunigt, daß in die SOI-Schichten 10, 13 Löcher geätzt werden und über diese Löcher die erste und die zweite Ausnehmung 22, 23 geätzt werden.

Fig. 4 zeigt eine weitere Struktur der ersten SOI-Schicht 10, die als Platte ausgebildet ist und über vier Stege 26 mit der ersten Siliziumoxidschicht 8 verbunden ist. Die An ordnung der Stege 26 ist in Fig. 4 so gewählt, daß jeder Steg entlang einer Außenkante geführt ist und an einem Eck punkt der quadratischen, ersten SOI-Schicht 10 befestigt ist. Auf diese Weise wird bei vorgegebenen Abmessungen 23 erreicht, daß die Stege 26 möglichst lang ausgebildet werden können.

Die erste SOI-Schicht 10 kann auch in Form von aufgehängten Kammstrukturen ausgebildet sein, so daß eine Auslenkung der ersten SOI-Schicht 10 lateral in der Ebene, d. h. parallel zur Oberfläche der Schwingstruktur 1 möglich ist.

Die erste SOI-Schicht 10 der Fig. 3 und der Fig. 4 weist durchgehend Löcher auf. Die durchgehenden Löcher werden in die erste SOI-Schicht 10 eingebracht, um das Unterätzen der ersten Ausnehmung 22 der ersten Siliziumoxidschicht 8 zu be schleunigen. Entsprechend wird auch bei der zweiten SOI-Schicht 13 und der zweiten Ausnehmung 23 verfahren. Da das Ätzmedium durch die Löcher gleichmäßig auf die erste Siliziumoxidschicht 8 zugreifen kann, wird der Ätzvorgang beim Ätzen der ersten Ausnehmung 22 beschleunigt.

Fig. 5 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines SOI-Waferaufbaus für einen Drehratensensor. In Fig. 5.1 ist ein Siliziumwafer 14 dargestellt, auf dessen Oberseite die erste Siliziumoxidschicht 8 und auf dessen Unterseite eine dritte Siliziumoxidschicht 15 aufgebracht ist. Die erste und dritte Siliziumoxidschicht 8, 15 werden beispielsweise mit tels thermischer Oxidation aufgebracht. Auf den Silizium wafer 14 wird ein Epiwafer 24 in der Weise gebondet, daß die Epischicht des Epiwafers 24 auf der ersten Siliziumoxid schicht 8 aufliegt. Der Epiwafer 24 besteht aus einer Epischicht 25, die die gewünschte Dotierung aufweist und auf einer hoch dotierten p+-Siliziumschicht aufgebracht ist, die wiederum auf einem Siliziumbulksubstrat 17 aufgewachsen ist, wie in Fig. 5.2 dargestellt.

Anschließend wird die Bulk-Siliziumschicht 17 selektiv bis zur hoch dotierten p+-Ätzstoppschicht zurückgeätzt. Dies ist in Fig. 5.3 dargestellt. Hierfür wird vorteilhaft ein Ge misch aus 5% NH₃ in H₂O mit einem Promille H₂O₂ verwendet, das eine besonders hohe Selektivität gegenüber p+-dotiertem Silizium aufweist. Anschließend wird die hoch dotierte Sili ziumschicht ebenfalls selektiv mit einer Mischung aus HF/HNO₃ und CH₃COOH entfernt. Auf diese Weise wird eine erste SOI-Schicht 10 erhalten, die durch die Epischicht 25 der Fig. 5.4 dargestellt ist.

Dieses Verfahren führt zu sehr genau definierten Dicken der SOI-Schicht, die in diesem Fall durch die Epischicht 25 dar gestellt wird. Dies ist besonders bei einer niedrigen Schichtdicke zwischen 2 bis 5 µm vorteilhaft. Der höhere Herstellungsaufwand verglichen mit Schleifen und Polieren wird dadurch gerechtfertigt, daß eine sehr geringe Dickento leranz der dünnen SOI-Schicht erreicht wird, die besonders bei Out-of-Plane-Beschleunigungssensoren erforderlich ist.

Bei dickeren SOI-Schichten, die größer als 5 µm sind, genügt ein einfacheres Verfahren, bei dem ein Siliziumwafer, der bereits selbst die gewünschte Dotierung aufweist, gegen einen oxidierten Siliziumwafer gebondet wird und anschlie ßend mechanisch auf eine vorgegebene Dicke rückgeschliffen und poliert wird. Mit diesem einfachen Verfahren werden SOI-Schichten erzeugt, die eine Dickentoleranz von +/- 0,5 µm aufweisen. SOI-Schichten mit einer Dicke größer als 5 µm und einer Dickentoleranz von +/- 0,5 µm werden vor teilhaft bei lateral empfindlichen kapazitiven Beschleuni gungssensoren verwendet.

Aus dem in Fig. 5.4 dargestellten Silizi um-Isolator-Silizium-Aufbau wird mittels fotolithogra phischer Verfahren und einem Plasmaätzverfahren, wie bei der Patentschrift DE 42 41 045 beschrieben, eine Schwingstruktur 1 mit einem darauf befindlichen Beschleunigungsaufnehmer 2 herausstrukturiert. Der Beschleunigungsaufnehmer 2 besteht dabei aus der Epischicht 25 und die Schwingstruktur 1 wird aus dem Bulk-Siliziumwafer 14 herausstrukturiert. Die Struk turierung der Schwingstrukturen 1 und der Biegebalken 6 er folgt durch das angegebene Siliziumtieftrenchverfahren.

In einfachen Fällen kann anstelle der zwei Schwingstrukturen l auch eine Schwingstruktur verwendet werden. Jedoch ermög licht die Verwendung der zwei Schwingstrukturen 1, die gegenphasig in Schwingung versetzt sind, eine gegenphasige Messung der Corioliskraft. Durch eine elektrische Signaldif ferenzbildung werden einwirkende Störkräfte, die im Bereich der Erdbeschleunigung g liegen, herausgefiltert, was ange sichts von Coriolisbeschleunigungswerten, die im Bereich von 1 bis 10 mg liegen, die Meßgenauigkeit erheblich verbessert.

Die hoch dotierte Siliziumschicht 16 ist positiv dotiert. Die Epischicht 25 ist positiv oder negativ in der gewünschten Dotierstoffkonzentration dotiert. Zudem ist es möglich, wenn auf eine Integration verzichtet werden soll, die Epischicht 25 in der gleichen Dotierkonzentration zu wählen, wie die Epischicht 16. Dann entfällt der HNA (CH₃COOHG, HF, HNO₃)-Ätzschritt.

Anstelle des in Fig. 5 dargestellten Verfahrens ist es auch möglich, bei zwei über eine Siliziumoxidschicht verbundenen Siliziumwafern einen Siliziumwafer mittels Schleifstopptech niken auf eine vorgegebene Dicke abzuschleifen und auf diese Weise die erste SOI-Schicht 10 herzustellen.

Die Auswerteelektronik kann direkt in der ersten SOI-Schicht 10 integriert werden, wodurch eine hohe Bauteildichte mit geringen Leckströmen und hoher Grenzfrequenz erhalten wird, die zudem für höhere Temperaturen geeignet ist. Anstelle der dargestellten kapazitiven Messung der Corioliskraft können selbstverständlich auch andere Nachweismethoden wie z. B. die piezoelektrische oder piezoresistive Messung verwendet wer den. Durch die Verwendung von SOI-Wafern ist es möglich, Sensorstrukturen zu erhalten, die bis zu Dimensionen von Quadratmillimetern absolut planar ausgebildet und verwöl bungsfrei sind.

Claims

1. Drehratensensor mit einer in Schwingung versetzbaren Trä gerstruktur (18), auf der ein auslenkbarer Beschleunigungs aufnehmer (2, 3) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehratensensor aus einem SOI-Wafer (Silizium auf Isolator-Wafer) herausstrukturiert ist, daß die in Schwin gung versetzbare Trägerstruktur (1) im wesentlichen aus dem Bulk-Material des SOI-Wafers herausstrukturiert ist, und daß aus der SOI-Schicht des SOI-Wafers ein auslenkbarer Be schleunigungsaufnehmer zur Aufnahme von Coriolisbeschleuni gungen herausstrukturiert ist.

2. Drehratensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerstruktur im wesentlichen aus Bulk-Silizium des SOI-Wafers herausstrukturiert ist.

3. Drehratensensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß in der den Beschleunigungsaufneh mer erzeugenden SOI-Schicht (2, 3) eine Auswerteelektronik integriert ist.

4. Verfahren zur Herstellung eines Drehratensensors nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein erster Siliziumwafer (14) mit einer ersten, dünnen, hoch positiv dotierten Sili ziumschicht (16) und einer darüber liegenden, zweiten, nied rig dotierten Epischicht (25) mit der Epischicht (25) gegen einen oxidierten, zweiten Siliziumwafer (14) gebondet wird, und anschließend der erste Siliziumwafer (24) bis zur ersten hoch positiv dotierten Siliziumschicht (16) selektiv geätzt wird und daraufhin die erste Siliziumschicht (16) mittels selektiver Ätzung entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Epischicht (25) als Beschleunigungsaufnehmer mittels fotolithographischer Verfahren und Ätzverfahren strukturiert wird, und daß aus dem zweiten Siliziumwafer (14) eine Schwingstruktur (1), die den Beschleunigungsaufnehmer (2, 3) trägt, mittels Plasmaätzen herausstrukturiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die Epischicht (25) durchgehende Löcher eingeätzt werden, und daß über die durchgehenden Löcher die darunter liegende erste Siliziumoxidschicht (8) in Form einer vorgegebenen Ausnehmung (23) herausgeätzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den zweiten Siliziumwafer (14) aufgebrachte Oxid schicht eine vorgegebene Ausnehmung vor dem Bonden mit dem ersten Siliziumwafer (24) mittels Ätzverfahren eingebracht wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß eine Auswerteelektronik in die Epischicht (25) integriert wird.