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Die
Erfindung geht aus von einem Drehratensensor nach der Gattung des
unabhängigen
Anspruchs 1. Es ist aus der Offenlegungsschrift
DE 40 32 559 A1 bereits
ein Drehratensensor bekannt, der eine schwingende Trägerstruktur
aufweist, auf der ein auslenkbarer Beschleunigungsaufnehmer angeordnet
ist. Die Trägerstruktur
wird durch Naßätzverfahren
in heißer
Kalilauge waferdick hergestellt und ist dadurch engen Randbedingungen
hinsichtlich der Geometrie unterworfen. Der Beschleunigungsaufnehmer
wird aus abgeschiedenem Polysilizium oder abgeschiedenem monokristallinem
Silizium aufgebaut.
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Aus
der europäischen
Patentanmeldung
EP 0618
450 A1 ist ein Beschleunigungssensor bekannt, bei dem auf
einem SOI-Substrat in einer Siliziumschicht ein Masseteil an Federn
als mikromechanische Komponenten ausgebildet sind und bei dem Mittel,
wie z.B. Piezowiderstände,
vorhanden sind, um einer Auslenkung des Masseteiles in Folge einer Beschleunigung
des Substrates detektieren und in einer elektronischen Schaltung
auswerten zu können.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 40 22 495 A1 ist ein Drehratensensor mit
einem Sensorelement bekannt, das aus einem monokristallinen Siliziumwafer
herausstrukturiert ist und mindestens einen Schwinger, vorzugsweise
mindestens ein Paar von Schwingern aufweist, die über einen
oder mehrere Stege mit einem festen Rahmen verbunden sind. Die Schwinger
sind in 2 aufeinander senkrecht stehenden Richtungen schwingungsfähig. Das
Sensorelement ist mit Mitteln zur Anregung der Schwinger in einer
ersten Schwingungsrichtung und mit kapazitiven Mitteln zur Erfassung
von Auslenkungen der Schwinger in der zweiten Schwingungsrichtung,
die senkrecht auf der ersten Schwingungsrichtung steht, ausgestattet.
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Vorteile der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Drehratensensor
mit den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs 1 hat demgegenüber
den Vorteil, daß der
Drehratensensor aus einem Silicon-on-insulator-Wafer herausstrukturiert
ist. Aus der oberen SOI-Schicht wird der auslenkbare kapazitive
Beschleunigungssensor hergestellt. Da die SOI-Schicht besonders
spannungsarm, sehr gut hinsichtlich sensormechanischer Eigenschaften
definiert und frei von Spannungsgradienten ist, wird ein sehr genauer
Beschleunigungssensor mit hoher Nachweisempfindlichkeit erreicht.
Zudem ist die elektrische Isolation der SOI-Schichtstrukturelemente
gegeneinander und zum Substrat sehr gut.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch
1 angegebenen Drehratensensors möglich. Besonders
vorteilhaft ist es, die Auswerteelektronik der Meßsignale
im Beschleunigungssensor zu integrieren. Dadurch wird eine besonders
kompakte Bauform des Drehratensensors erreicht.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen 1 einen Drehratensensor, 2 einen
Schnitt durch einen Beschleunigungsaufnehmer, 3 eine
erste Struktur eines Beschleunigungsaufnehmers, 4 eine
zweite Struktur eines Beschleunigungsaufnehmers und
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5 Verfahrensschritte
zur Herstellung einer Silicon-on-insulator-Schicht.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt
schematisch eine Drehratensensorstruktur 18, die aus Silizium
herausstrukturiert ist und die einen umlaufenden Rahmen 19 aufweist,
wobei im Rahmen 19 zwei als Schwingmassen auslenkbare Schwingstrukturen 1 angeordnet
sind. Die Schwingstrukturen 1 sind über Biegebalken 6 untereinander
und mit dem Rahmen 19 verbunden. Die Schwingstrukturen 1 stellen
Schwingmassen in Form von Platten dar, wobei die Platten parallel
nebeneinander angeordnet sind. Die Aufhängungen 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 1 sind die Beschleunigungsaufnehmer 2, 3 nur
schematisch eingezeichnet. Auf dem Rahmen 19 sind eine
Steuer- und Auswerteeinheit 7 angeordnet. Die Steuer- und
Auswerteeinheit 7 ist über
eine Meßsignalleitung 20 mit
den Beschleunigungsaufnehmern 2, 3 verbunden.
Zudem führt
von der Steuer- und Auswerteeinheit 7 eine Antriebsleitung 21 zu
den Schwingstrukturen 1. Der Rahmen 19 befindet
sich in einem Magnetfeld, das von zwei Dauermagneten 4 erzeugt
wird.
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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 Patentschrift
DE
42 41 045 51 detailliert beschrieben und erlaubt die Herstellung
sehr tiefer Silizium-Strukturen mit frei wählbaren Geometrien. Die Schwingstrukturen
1 werden
somit frei von prozeßtechnischen
oder kristallographischen Randbedingungen so hergestellt, wie es
für ein
möglichst
optimales gegenphasiges Schwingverhalten erforderlich ist.
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Der
Drehratensensor nach 1 funktioniert wie folgt: Steuer-
und Auswerteeinheit 7 erzeugt durch die von der Antriebsleitung 21 gebildete
Stromschleife über
die im Magnetfeld wirkende Lorenzkraft eine Schwingung der Schwingstrukturen 1 in
der Ebene des Rahmens 19, wie in der 1 schematisch
durch einen Pfeil mit dem Buchstaben V dargestellt ist. Die Ansteuerung
der Antriebsleitung 21 erfolgt so, daß die zwei Schwingstrukturen 1 exakt
gegenphasig schwingen. Wird nun der Rahmen 19 zusammen
mit dem Magnetfeld um eine Drehachse gedreht, die senkrecht zur
Schwingungsrichtung der Schwingstrukturen 1 und senkrecht
zur Sensormeßrichtung
der Beschleunigungsaufnehmer 2, 3 ausgerichtet
ist, so wirken Corioliskräfte
auf den ersten und zweiten Beschleunigungsaufnehmer 2, 3 in
Sensormeßrichtung.
Die Corioliskraft berechnet sich nach folgender Formel: ac = 2V × ω, wobei ω die Winkelgeschwindigkeit
um die Drehachse und V die Momentangeschwindigkeit der gegenphasig
schwingenden Schwingstrukturen 1 darstellt.
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Die
Corioliskräfte
sind schematisch in
1 in Form von Pfeilen dargestellt
und mit dem Buchstaben ac bezeichnet. Die Funktionsweise von Drehratensensoren
ist hinreichend bekannt und z.B. in der Druckschrift
DE 40 32 559 A1 beschrieben.
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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 Siliziumoxidschicht 8 eine Ausnehmung 22 eingebracht
ist. Auf der ersten Siliziumoxidschicht 8 ist eine erste
Silicon-on-insulator-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 übereinander
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 Siliziumnitridschicht 11 als
zusätzliche
Passivierung abgedeckt. Die Siliziumnitridschicht 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 Siliziumzone 9 erfolgt.
Einfache Drehratensensoren weisen einen Kondensatoraufbau auf, der
nur aus der hoch dotierten Siliziumzone 9 und der strukturierten
ersten SOI-Schicht 10 besteht. Die zweite SOI-Schicht 13 erhöht die Genauigkeit
der Messung, ist jedoch nicht unbedingt erforderlich.
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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.
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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 Unterätzen
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.
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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 Anordnung der Stege 26 ist in 4 so
gewählt,
daß jeder
Steg entlang einer Außenkante
geführt
ist und an einem Eckpunkt 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.
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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.
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Die
erste SOI-Schicht 10 der 3 und der 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
beschleunigen. 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.
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5 zeigt
ein Verfahren zur Herstellung eines SOI-Waferaufbaus für einen
Drehratensensor. In 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 mittels thermischer Oxidation aufgebracht. Auf den
Siliziumwafer 14 wird ein Epiwafer 24 in der Weise
gebondet, daß die
Epischicht des Epiwafers 24 auf der ersten Siliziumoxidschicht 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 5.2 dargestellt.
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Anschließend wird
die Bulk-Siliziumschicht 17 selektiv bis zur hoch dotierten
p+-Ätzstoppschicht zurückgeätzt. Dies
ist in 5.3 dargestellt. Hierfür wird vorteilhaft
ein Gemisch 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 Siliziumschicht 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 5.4 dargestellt
ist.
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Dieses
Verfahren führt
zu sehr genau definierten Dicken der SOI-Schicht, die in diesem
Fall durch die Epischicht 25 dargestellt 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 Dickentoleranz der dünnen SOI-Schicht erreicht wird,
die besonders bei Out-of-Plane-Beschleunigungssensoren erforderlich
ist.
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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
anschließend
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
vorteilhaft bei lateral empfindlichen kapazitiven Beschleunigungssensoren
verwendet.
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Aus
dem in
5.4 dargestellten Silizium-Isolator-Silizium-Aufbau
wird mittels fotolithographischer Verfahren und einem Plasmaätzverfahren, wie
bei der Patentschrift
DE 42
41 045 51 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 Strukturierung der Schwingstrukturen
1 und der Biegebalken
6 er
folgt durch das angegebene Siliziumtieftrenchverfahren.
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In
einfachen Fällen
kann anstelle der zwei Schwingstrukturen 1 auch eine Schwingstruktur
verwendet werden. Jedoch ermöglicht
die Verwendung der zwei Schwingstrukturen 1, die gegenphasig
in Schwingung versetzt sind, eine gegenphasige Messung der Corioliskraft.
Durch eine elektrische Signaldifferenzbildung werden einwirkende
Storkräfte,
die im Bereich der Erdbeschleunigung g liegen, herausgefiltert,
was angesichts von Coriolisbeschleunigungswerten, die im Bereich
von 1 bis 10 mg liegen, die Meßgenauigkeit
erheblich verbessert.
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Die
hoch dotierte Silziumschicht 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.
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Anstelle
des in 5 dargestellten Verfahrens ist es auch möglich, bei
zwei über
eine Siliziumoxidschicht verbundenen Siliziumwafern einen Siliziumwafer
mittels Schleifstopptechniken auf eine vorgegebene Dicke abzuschleifen
und auf diese Weise die erste SOI-Schicht 10 herzustellen.
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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 werden. Durch die Verwendung von SOI-Wafern ist
es möglich,
Sensorstrukturen zu erhalten, die bis zu Dimensionen von Quadratmillimetern
absolut planar ausgebildet und verwölbungsfrei sind.