DE19961578A1

DE19961578A1 - Sensor mit zumindest einer mikromechanischen Struktur und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE19961578A1
Application number: DE19961578A
Authority: DE
Inventors: Frank Reichenbach; Stefan Pinter; Frank Henning; Hans Artmann; Helmut Baumann; Franz Laermer; Michael Offenberg; Georg Bischopink
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-12-21
Filing date: 1999-12-21
Publication date: 2001-06-28
Also published as: WO2001046066A3; US20050230708A1; US7273764B2; US20040065932A1; US6936902B2; WO2001046066A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor mit zumindest einer mikromechanischen Struktur auf Siliziumbasis, die in einem Sensorraum eines Grundwafers integriert ist, und zumindest einer den Grundwafer im Bereich des Sensorraumes abdeckenden Abdeckung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass beim erfindungsgemäßen Sensor die Abdeckung (13) aus einer für ein Ätzmedium und die Reaktionsprodukte transparenten ersten Schicht (32) (Abscheideschicht) und einer darüber liegenden hermetisch dichtenden zweiten Schicht (34) (Abdichtungsschicht) besteht und dass beim erfindungsgemäßen Verfahren zumindest der im Grundwafer (11) nach Etablierung der Struktur (26) vorhandene Sensorraum (28) mit einem Oxid (30), insbesondere CVD-Oxid oder porösen Oxid, gefüllt wird, der Sensorraum (28) mit einer für ein Ätzmedium und die Reaktionsprodukte transparenten oder nachträglich transparent gemachten ersten Schicht (32) (Abscheideschicht), insbesondere aus Polysilizium, bedeckt wird, das Oxid (30) in dem Sensorraum (28) durch die Abscheideschicht (32) hindurch mit dem Ätzmedium entfernt wird und anschließend eine zweite Schicht (34) (Abdichtungsschicht), insbesondere aus Metall oder einem Isolator, auf die Abscheideschicht (32) aufgebracht wird, die den Sensorraum (28) hermetisch abdichtet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor mit zumindest ei ner mikromechanischen Struktur auf Siliziumbasis mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkma len und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sensors mit den im Oberbegriff des Anspruchs 18 ge nannten Merkmalen.

Stand der Technik

Sensoren, die mikromechanische Strukturen auf Sili ziumbasis besitzen, sind bekannt. Handelt es sich bei der mikromechanischen Struktur um ein bewegliches Element (Sensorelement), können derartige Sensoren beispielsweise als Beschleunigungssensoren, Dreh beschleunigungssensoren, Neigungssensoren, resonante Magnetfeldsensoren oder Drehratensensoren eingesetzt werden. Üblicherweise bestehen diese Sensoren aus ei nem Grundwafer, der zumeist ebenfalls aus silizium haltigen Materialien geformt ist, in dem die Struktur in einem sogenannten Sensorraum seiner Oberfläche in tegriert ist. Zum Schutz der Strukturen und der im Sensorraum herrschenden Atmosphäre wird der Grundwa fer mit einem Kappenwafer mit einer jeweils zumindest den Sensorraum abdeckenden Abdeckung belegt. Dieser Kappenwafer weist aufgrund seiner mikromechanischen Vorstrukturierung eine Vielzahl von Einzelkappen im Verbund auf, von denen jede Einzelkappe jeweils exakt über den Sensorräumen zu liegen kommt, mit diesem hermetisch dicht verlötet wird und dadurch die darun ter liegende Sensorstruktur hermetisch gegen die Um welt abschirmt.

Aus der DE 195 37 814 A1 ist die Herstellung derarti ger Sensoren bekannt. Ausgehend von einem Silizium substrat werden dabei abwechselnd Isolationsschichten und Leitungsschichten (als Elektroden oder elektri sche Verbindungen) mit den herkömmlichen, in der Halbleitertechnik bekannten Verfahrensschritten auf gebracht. Mittels ebenfalls bekannter Maskierungs- und Bearbeitungsverfahren kann eine Strukturierung derartiger Schichten, beispielsweise über Lithografie oder Ätzprozesse, erfolgen. In einem sich anschlie ßenden Prozessschritt wird eine polykristalline Sili ziumschicht (Epipolysilizium) mit einer Schichtdicke von wenigen Nanometern bis zu einigen 10 µm, vorzugs weise 10 bis 20 µm, erzeugt. Aus dieser Silizium schicht werden letztendlich die benötigten Strukturen geätzt und durch ein Unterätzen frei beweglich ge macht. Die zuvor aufgebrachte und strukturiert ver grabene Leitungsschicht erlaubt es, elektrische Ver bindungen zwischen Elementen des Sensors und mit der "Außenwelt" in Form sogenannter Anschlussbereiche herzustellen. Diese Anschlussbereiche, die über die Leitschicht mit Sensorelementen in Verbindung stehen, tragen an ihrer Oberfläche eine Metallisierung. Der Anschlussbereich mit der darauf aufgebrachten Me tallisierung dient zum Befestigen von Bonddrähten, mit denen dann ein elektrischer Kontakt zu den Struk turen im Sensorraum (Sensorstruktur) hergestellt wer den soll. Die in der DE 195 37 814 A1 genannte Sen sorstruktur zeichnet sich dadurch aus, dass sie einen beweglichen (frei stehenden) Bereich mit Messkapazi täten besitzt, wobei Veränderungen der Messkapazität bei einer Auslenkung als Messgröße genutzt werden.

Die insgesamt hier exemplarisch angeführten Bestand teile des Sensors werden aus Gründen der Vereinfa chung des Weiteren als Grundwafer bezeichnet. Der Grundwafer muss in einem letzten Bearbeitungsschritt mit dem Kappenwafer hermetisch dicht verbunden wer den. Dazu ist beim Stand der Technik vorgesehen, mit tels einer Glaslotschicht auf dem Kappenwafer jeweils einen Deckel oberhalb jedes Sensorraumes auf der Oberfläche des Grundwafers zu befestigen (Seal-Glas lotprozess). Nachteilig hierbei ist, dass diese Tech nik relativ kostspielig ist. So muss die Glaslot schicht mittels Siebdruckverfahren auf dem mikro mechanisch strukturierten Kappenwafer aufgebracht werden. Der Kappenwafer muss bereits beidseitig strukturiert sein, um anschließend die Verdeckelung und die Kontaktierung des Sensors zu ermöglichen, das heißt, der Kappenwafer selbst ist bereits in sich kostspielig. Darüber hinaus weist diese Verkappungs technik einen relativ hohen Platzbedarf auf, bei dem bis zu zirka 75% der Einzelelementfläche für die Verankerung der Kappe auf dem Sensorchip benötigt werden. Die sich ergebende Bauhöhe und beschränkten Strukturierungsmöglichkeiten schließen die Verwendung bestimmter besonders kostengünstiger Gehäuse für den Sensor aus.

Häufig sind die durch die Kappen des Kappenwafers überdeckten frei stehenden Bereiche relativ groß. Sensorstrukturen weisen häufig Kantenlängen von meh reren 100 µm auf. Wird ein solcher Sensor mit einer mechanischen Überlast beaufschlagt, so kann im Ex tremfall ein Durchbiegen der Deckschicht nicht nur zu einer Störung der sensorischen Eigenschaften, sondern letztendlich auch zu einer übermäßigen Auslenkung der Sensorstruktur bis zu einer irreversiblen Schädigung führen.

Vorteile der Erfindung

Erfindungsgemäß werden durch den Sensor und das Ver fahren zur Herstellung des Sensors mit den in den An sprüchen 1 und 18 genannten Merkmalen die Nachteile des Standes der Technik überwunden. Dadurch, dass die Abdeckung aus einer für ein Ätzmedium und die Reak tionsprodukte transparenten ersten Schicht (Abschei deschicht) und einer darüber liegenden hermetisch dichtenden zweiten Schicht (Abdichtungsschicht) be steht, kann prozesstechnisch auf den teuren Kappen wafer, die herkömmlichen Siebdruck- und Lötverfahren und auf die großen Flächenvorhalte der Glaslöttechnik verzichtet werden und damit die Prozessierung insge samt wesentlich kostengünstiger vollzogen werden. In dem

a) zumindest der im Grundwafer nach Etablierung der Struktur vorhandene Sensorraum mit einem Oxid, insbesondere einem CVD-Oxid oder porösem Oxid, gefüllt wird,
b) der Sensorraum mit einer für ein Ätzmedium und die Reaktionsprodukte transparenten oder nach träglich transparent gemachten ersten Schicht, insbesondere aus Polysilizium, bedeckt wird,
c) das Oxid in dem Sensorraum durch die erste Schicht (Abscheideschicht) hindurch mit dem Ätzmedium entfernt wird und
d) anschließend eine zweite Schicht (Abdichtungs schicht), insbesondere aus Metall oder einem Isolator, auf die erste Schicht aufgebracht wird, die den Sensorraum hermetisch abdichtet,

ist es möglich, eine Strukturierung der Abdeckung nachträglich über die in der Halbleitertechnik be kannten Maskierungs- und Bearbeitungsverfahren zu er möglichen.

Nach den Sehritten (a) und/oder (b) kann eine Plana risierung der Waferoberfläche durchgeführt werden (zum Beispiel CMP = chemo mechanical polishing). Hierdurch werden insbesondere die bestehenden Pro zessprobleme aufgrund von Topografien, beispielsweise die Aufbringung und Strukturierung der Bondpads (Metallisierung), umgangen. Gegenüber dem etablierten Kappenprozess resultieren aus der vereinfachten Pro zessführung auch deutlich geminderte Herstellungs kosten. Die Erfindung schafft somit einen Zugang zu einem Sensor der gattungsgemäßen Art und zeigt ein Verfahren zur Herstellung des Sensors auf, mittels dem es erstmalig möglich ist, eine Verkappung mit deutlich geringerer Bauhöhe zum hermetischen Abdich ten von Sensorräumen bei mikromechanischen Strukturen zu verwenden, so dass ein Einbau in die bereits er wähnten, besonders kostengünstigen Gehäuse nunmehr möglich wird.

Die Permeabilität der Abscheideschicht für das benö tigte Ätzmedium und die während der Ätzung entstehen den Reaktionsprodukte kann auf zweierlei Weise er zwungen werden. Zum einen können durch anisotropes Ätzen Ätzöffnungen in die Abscheideschicht einge bracht werden, wie es beispielsweise durch das in der DE 42 41 045 patentierte Silizium-Tiefenätzverfahren beschrieben wird. Größe und Lage derartiger Ätzöff nungen können durch eine Maskierung fotolithografisch sehr gezielt definiert werden, so dass es unter ande rem möglich ist, eine spätere Exposition des Sensorraumes mit dem die Abdichtungsschicht bilden den, hermetisch dichtenden Material möglichst gering zu halten. Es können Ätzöffnungen erzeugt werden, die einen Durchmesser von Bruchteilen von Mikrometern bis zu einigen Mikrometern haben und die in noch zu er läuternder Weise in relativ kurzer Zeit abgedichtet werden können. Dies wird beispielsweise durch ein hohes Aspektverhältnis - einem Verhältnis zwischen Tiefe und Durchmesser der Ätzöffnungen - erreicht.

Zum anderen können für die Abdeckung permeable Mate rialien eingesetzt werden, zum Beispiel Silizium, Po lysilizium oder Epipolysilizium, welches aufgrund der Abscheidebedingungen bereits permeabel ist oder durch nachfolgende Prozessierung zumindest in Bereichen permeabel gemacht wird.

Ein vorteilhaftes Verfahren, um die Transparenz der Abdeckung zu erzwingen, ist die Anwendung elektro chemischer Ätzvorgänge. Eine derartige Modifikation der Abscheideschicht erfolgt in einem geeigneten Elektrolyten, beispielsweise einem Flusssäure-Etha nol-Gemisch. Dabei wird das dem Ätzvorgang ausge setzte Silizium der Abdeckung in poröses Silizium um gewandelt, also porosifiziert. Nicht zu porosifizie rende Bereiche der Abscheideschicht können in bekann ter Weise durch Maskierschichten oder entsprechende Dotierung (zum Beispiel n^-) geschützt werden. Ein elektrischer Anschluss durch Anlegen eines anodischen Potentials kann sowohl über die Oberseite als auch von der Unterseite der Abscheideschicht erfolgen. Im letzteren Fall wird das anodische Potential an die unterhalb der Abscheideschicht liegende Schicht aus Epipolysilizium, die sowohl das Material der Sensor strukturen als auch des Bondrahmens des Grundwafers bildet, gelegt. Hierbei ist vorteilhaft, dass der Bondrahmen direkt elektrisch mit dem Grundwafer ver bunden werden kann. Eine zusätzliche elektrische Ver bindung zwischen Grundwafer und Abdeckung besteht in Form von Stützelementen, welche zur mechanischen Stabilisierung der Abdeckung vorgesehen werden kön nen. Damit ist es in einfacher Weise möglich, die elektrische Kontaktierung der Abscheideschicht über den Grundwafer von der Rückseite des Grundwafers vor zunehmen (Rückseitenkontakt).

Der Ätzvorgang kann zusätzlich durch Bestrahlung in einem Wellenlängenbereich von 100 nm bis 1000 nm, insbesondere zwischen 350 nm bis 800 nm, unterstützt werden. Auf diese Weise kann die Bearbeitung der Ab scheideschicht besonders homogen erfolgen. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, mittels gezielter Dotie rung der Abscheideschicht die Porosität und damit die Permeabilität des porösen Siliziums zu beeinflussen. So wird eine p-Dotierung zur Erzeugung mesoporöser Poren genutzt, während eine n-Dotierung zur Erzeugung von Ätzöffnungen mit einem Durchmesser von einigen Nanometern bis zu mehreren Mikrometern genutzt werden kann.

Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Permeabilität der Abscheideschicht durch ein eben falls nachträglich eingesetztes modifiziertes Stain-Etch-Verfahren zu erzwingen, bei dem eine Mischung aus Flusssäure, Salpetersäure und Wasser eingesetzt wird. Über eine Einstellung der Mischverhältnisse und Expositionszeiten kann die Porosität und Tiefe der Ätzung eingestellt werden.

Als besonders vorteilhaft hat es sich auch erwiesen, die Permeabilität der Abscheideschicht mittels eines galvanischen Verfahrens, bei dem eine Metallschicht in dem nicht zu verändernden Bereich der Abdeckung aufgebracht wird, zu erzeugen. Die metallische Schicht übernimmt dabei gleichzeitig die Funktion ei ner Maskierungsschicht und braucht vor der Aufbrin gung der späteren Abdichtungsschicht nicht notwendi gerweise entfernt zu werden. Sie besteht aus einem Metall, das edler ist als Silizium, insbesondere aus Edelmetallen wie Platin und Gold. Die Porosität des während des galvanischen Prozesses erzeugten porösen (Poly-)Siliziums kann in Abhängigkeit von einer Stromdichte und der Elektrolytzusammensetzung, insbe sondere über das Flächenverhältnis Metall/Silizium, beeinflusst werden, da dies das galvanische Element, also die Stromquelle darstellt.

Es hat sich ferner als vorteilhaft erwiesen, dass an der Unterseite der Abscheideschicht Stützelemente vorgesehen sind, die eine mechanisch stabile Verbin dung zwischen dem Grundwafer und der Abdeckung dar stellen. Sind die einzelnen Stützelemente oder auch Stützstreben einige Mikrometer bis einige 10 Mikrome ter voneinander beabstandet, so ist einerseits ein übermäßiges Durchbiegen der Deckplatte bei Beauf schlagung mit einer Überlast verhindert und anderer seits ist insgesamt die Stabilität wesentlich erhöht.

Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, auch die Abdichtungsschicht durch ein maskiertes Ätzverfahren zu strukturieren. Dabei kann das verwendete Ätzver fahren auch eine Strukturierung der Abscheideschicht und gegebenenfalls sogar darüber hinaus eine obere Schicht des Grundwafers, insbesondere aus Epipolysi lizium, umfassen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann über die Druckbedingungen, die wäh rend der Deposition der Abdichtungsschicht herrschen, der Druck innerhalb des Sensorraumes eingestellt wer den. Der während der Deposition der Abdichtungs schicht herrschende Prozessdruck wird sich automa tisch auch im Sensorraum einstellen und dort einge siegelt werden, während die Abdichtungsschicht auf wächst. Als Abscheideprozesse für die Abdichtungs schicht kommen Sputterprozesse (für Metallschichten) oder PECVD-Prozesse (für SiN, SiO, SiC, etc.) in Frage. Soll der eingeschlossene Druck nicht identisch zum Abscheidedruck sein, bestehen zusätzliche Optio nen. Vorteilhafterweise wird dazu vor oder während der Deposition der Sensor mit einem zusätzlich in die Depositionskammer eingebrachten Inertgas, insbeson dere Helium, bei einer vorgegebenen Temperatur beauf schlagt. Aufgrund der Permeabilität der Abscheide schicht kann ein verzögerter Druckausgleich erfolgen, wobei die zugrunde liegenden Diffusionsvorgänge empi risch ermittelt werden können. Da die Unterbindung des Druckausgleiches durch Aufbringung der Abdich tungsschicht bereits bei Schichtdicken von wenigen Mikrometern oder darunter gegeben ist, kann die Ver siegelung innerhalb relativ kurzer Zeiten erfolgen.

Über die genannten erfindungsgemäßen Verfahrens schritte lassen sich außerdem in besonders einfacher Weise kapazitive Drucksensoren herstellen. Als ge meinsames Merkmal weisen derartige Drucksensoren eine Differentialkondensatoranordnung auf, die direkt oder über ein Kupplungselement mit der Abdeckung verbunden ist, so dass eine Durchbiegung der Abdeckung zu einer Änderung der Kapazitäten in der Differentialkondensa toranordnung führt, welche wiederum als Messgröße dient.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung er geben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispie len anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläu tert. Es zeigen:

Fig. 1 bis 13 das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren in einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 14 bis 16 ein alternatives Herstellungsverfahren, beginnend nach der Deposition einer Ab scheideschicht gemäß Fig. 8;

Fig. 17 und 18 eine weitere Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens zur Erzeugung eines oberflächenmikromechanischen kapazitiven Drucksensors mit einer Torsionswippe;

Fig. 19 und 20 eine weitere alternative Ausführungsform eines kapazitiven Drucksensors;

Fig. 21 bis 23 eine alternative Vorgehensweise zur Beeinflussung der Permeabilität der Abscheide schicht mittels eines elektrochemischen Ätzvorganges;

Fig. 24 bis 27 alternative Maskierungsstrukturen von Metallschichten, die bei einem galvani schen Verfahren zur Permeabilitätsein stellung der Abscheideschicht verwendbar sind;

Fig. 28 eine Abdeckung mit Stützelementen;

Fig. 29 eine Abdeckung mit Stützelementen und Ätzöffnungen;

Fig. 30 eine Abdeckung mit Stützelementen und einem Kontaktierungsbereich für Bondpads;

Fig. 31 eine alternative Ausführungsform der Stützelemente;

Fig. 32 bis 34 eine weitere Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens zur Erzeugung einer me tallischen Versiegelung und eines metal lischen Kontaktpads und

Fig. 34' eine alternative Ausführungsform mit einem Dielektrikum als Versiegelung und einem metallischen Kontaktpad.

Die Fig. 1 bis 13 illustrieren das erfindungsge mäße Herstellungsverfahren für Sensoren, wie Be schleunigungssensoren oder Drehratensensoren und ins besondere auch kapazitive Drucksensoren. Dabei sind die in den Fig. 1 bis 4 skizzierten Verfahrens schritte bereits aus der DE 195 37 814 A1 bekannt und werden daher im Folgenden nur verkürzt wiedergegeben.

Definitionsgemäß ist im Weiteren eine Einteilung des Sensors in einen Grundwafer 11 und eine Dünnschicht- Sensorverkappung in Form einer Abdeckung 13 vorgenom men worden. Der Grundwafer 11 umfasst dabei alle zur Funktionalität des Sensors notwendigen Bauelemente, insbesondere noch näher zu erläuternde Kontaktberei che, mikromechanische Strukturen und Elektroden. Die Abdeckung 13 erstreckt sich definitionsgemäß begin nend von einer Abscheideschicht bis inklusive zu ei ner Abdichtungsschicht und dient der hermetischen Versiegelung eines Sensorraumes, in dem sich die mikromechanischen Strukturen befinden.

Auf einem Siliziumsubstrat 10 ist in bekannter Weise eine Isolationsschicht 12, die eine leitende Schicht 14 umschließt, aufgebracht. Eine Strukturierung der beiden Schichten 12 und 14 kann mittels bekannter, in der Halbleitertechnik verwendeter Verfahrensschritte, beispielsweise durch Lithografie und Ätzprozesse und folgende Ätzschritte, erfolgen. Des Weiteren wird ei ne polykristalline Siliziumschicht 16 mit gewünschter Schichtdicke aufgebracht, die die Isolationsschicht 12 abdeckt. Die Siliziumschicht 16 besteht üblicher weise aus Epipolysilizium, während die leitende Schicht 14 aus einem gegebenenfalls sehr hoch do tierten Polysilizium geformt ist (Fig. 1).

Durch Aufbringung einer Maskierungsschicht 18 wird ein Bereich 20 definiert, in dem in späteren Verfah rensschritten die mikromechanische Struktur erzeugt werden soll. Zunächst wird der Bereich durch einen Vorätzschritt vertieft (Vertiefung 20; Fig. 2).

In einem sich anschließenden Lithografieschritt ( Fig. 3) wird der derart vorstrukturierte Grundwafer 11 in der Vertiefung 20 mit einer Fotolackmaske 22 über zogen, die die zu erzeugenden Sensorstrukturen, bei spielsweise kapazitive Kammstrukturen, Federn, An schläge, Elektrodenflächen, Perforationen einer seis mischen Masse, vorgibt. Wesentlich ist es dabei, die eigentlichen Sensorstrukturen mit einem ausreichend großem Abstand von den Kanten der zuvor eingebrachten Vertiefung 20 auszuführen, da dort die Lithograliege nauigkeit und Auflösung durch die Topografieunter schiede sonst beeinträchtigt ist.

Wie aus der Fig. 4 ersichtlich, werden in den nicht durch den Fotolack 22 abgedeckten Bereichen durch be kannte, geeignete Ätzverfahren, zum Beispiel nach Art der DE 42 41 045, Trenchgräben 24, die sich bis zur Isolationsschicht 12 erstrecken, eingebracht. Auf diese Weise werden aus der Siliziumschicht 16 ein zelne Strukturen 26 isoliert. Auf das Design der artiger Strukturen 26 soll - da bekannt - im Zusam menhang mit dieser Beschreibung nicht näher ein gegangen werden.

Anschließend erfolgt eine Opferschichtätzung über die Trenchgräben 24 im Bereich der Isolationsschicht 12 und es wird ein Hohlraum 26 erzeugt (Fig. 5). Der Hohlraum 26 und die Trenchgräben 24 bilden zusammen gefasst einen Sensorraum 28, in dem die Strukturen 26 untergebracht sind. Die Opferschichtätzung kann bei spielsweise über einen HF-Dampfätzprozess oder aber auch trockene Opferschichtätzung mit Silizium als Opferschicht in Verbindung mit einem modifizierten Schichtsystem erfolgen. Die Lackmaske 22 wurde vor Abschluss der Opferschichtätzung entfernt. Im Falle einer trockenen Opferschichtätzung mit Silizium als Opferschicht wird die Maskierungsschicht 18 nach Ab schluss der Opferschichtätzung entfernt.

Die gesamte Struktur wird in dem gemäß der Fig. 6 skizzierten Verfahrensschritt mit einem Oxid 30 auf Siliziumbasis, insbesondere einem CVD-Oxid oder einem porösen Oxid, aufgefüllt. Das vorzugsweise hochporöse Oxid 30 muss sich mit extrem hoher Ätzrate durch flusssäurehaltige Medien wieder entfernen lassen. Die Abscheidebedingungen für das Oxid 30 sind also so zu wählen, dass ein minderwertiges Oxid 30 mit hoher Po rosität entsteht. Dies sind gleichzeitig die Abschei debedingungen, unter denen mit möglichst hoher Rate abgeschieden wird, was den Vorteil kurzer Oxid-Depo sitionszeiten mit sich bringt. Die Parameter zur Ge staltung der Abscheidebedingungen derartiger minder wertiger Oxide mit hoher Porosität sind aus dem Stand der Technik bekannt. So lässt sich beispielsweise durch hohe Plasmaleistungen während der Deposition, während hoher Prozessdrücke und niedriger Substrat temperaturen (beispielsweise 200°C bis 300°C) die gewünschte Oxidschicht 30 abscheiden.

Der nächste Verfahrensschritt umfasst ein Rückdünnen des Oxids 30 auf die Höhe der Siliziumschicht 16 (Fig. 7), was beispielsweise durch Schleifen (CMP - chemo mechanical polishing) oder ein einschlägig be kanntes Rückätzverfahren erfolgen kann. Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird das Oxid 30 bis zur Höhe der Schicht 16 abgetragen.

Nachfolgend wird eine Abscheideschicht 32, insbeson dere aus Polysilizium, ganzflächig als eine Abschei deschicht abgeschieden (Fig. 8). Zur Vermeidung ei ner Verdichtung des hochporösen Oxids 30 ist es vor teilhaft, die Temperaturen bei dieser Deposition mög lichst gering zu halten. Bei den für die Polysili ziumabscheidung üblichen Temperaturen von beispiels weise 600°C bis 650°C tritt noch keine wesentliche Verdichtung des Oxids 30 ein. Alternativ dazu ist es möglich, ein kurzes Erhitzen des Grundwafers 11 auf Temperaturen von über 1000°C durchzuführen, ohne das Oxid 30 zu verdichten, wenn dieses Erhitzen nur kurz geschieht (beispielsweise bei weniger als 10 min Dauer). Das Tempern der Abscheideschicht 32 kann vor teilhaft mit Hilfe eines RTP- oder RTA-Reaktors (RTP = rapid thermal processing/RTA = rapid thermal annealing) durchgeführt werden. Wird Epipolysilizium als Abscheideschicht 32 abgeschieden, so kann diese Abscheidung in einem Epitaxiereaktor mit hoher Ab scheiderate von bis zu 1 µm/min durchgeführt werden, um die Abscheidezeiten kurz zu halten. Durch eine solche kurzzeitige hohe Temperaturbehandlung des Polysiliziums kann zum Beispiel erreicht werden, dass die Schicht 32 eine sehr hohe intrinsische Zugspan nung von beispielsweise über 200 MPa/µm bis 1 GPa/µm Schichtdicke enthält, was für die Applikation der Schicht 32 als Abdeckung 13 sehr vorteilhaft ist. Infolge dieser hohen Zugspannung kann die Schicht 32 auch einem von außen angelegten hohen Druck stand halten, ohne sich stark nach innen zu verwölben.

In einem sich anschließenden optionalen Prozess schritt kann die Abscheideschicht 32, beispielsweise durch Ätzung, strukturiert werden (Fig. 9). Letzt endlich werden dann nur noch die Bereiche des Grund wafers 11 von der Abscheideschicht 32 bedeckt, unter denen sich später die mikromechanischen Strukturen 26 innerhalb des Sensorraumes 28 befinden sollen. Es ist auch möglich, die Abdeckung 13 unstrukturiert zu ver wenden. In diesem Fall bedeckt die Abdeckung 13 die gesamte Waferoberfläche. Der Vorteil dabei ist, dass eine planare Oberfläche des Wafers erhalten bleibt.

Durch selektive Ätzung des Oxids 30 unterhalb der Ab scheideschicht 32 ist es möglich, die Strukturen 26 wieder freizulegen (Fig. 10). Notwendigerweise muss dazu die Abscheideschicht 32 durchlässig, permeabel für das verwendete Ätzmedium als auch für die während der Reaktion entstehenden Produkte sein. Beispiels weise kann dazu das Polysilizium der Abscheideschicht 32 mit kleinen Ätzöffnungen durch gezielte Ätzung in später noch näher zu erläuternder Art und Weise ver sehen werden. Je nach Art des verwendeten Ätzprozes ses können dabei Ätzöffnungen mit Durchmessern von zirka 0,1 µm bis 5 µm erzeugt werden. Alternativ hierzu kann die Abscheideschicht 32 aus einem perme ablen Polysilizium oder einem nachträglich durch Porosifizierung permeabel gemachten Polysilizium be stehen, das den Durchtritt des Ätzmediums beziehungs weise der Reaktionsprodukte ermöglicht. Im Zusammen hang mit Flusssäuredampfätzverfahren hat sich diese Variante als besonders vorteilhaft erwiesen, da der Flusssäuredampf besonders leicht Polysilizium durch dringen kann und Diffusionsvorgänge für die beteilig ten Spezies durch das Polysilizium hindurch speziell bei erhöhten Temperaturen beschleunigt ablaufen. Die in-situ Permeabilität des Polysiliziums ist insbeson dere bei niedrigen Dotierstoffkonzentrationen hoch, so lange eine langandauernde Hochtemperaturbehandlung (Tempern) vermieden wird. Es ist auch möglich eine Kombination aus HF-Flüssigphasenätzen und HF-Dampfät zen für die Entfernung der Opferschicht einzusetzen. Dabei wird in der Nassätzphase (HF-Lösung) zuerst der Großteil des Oxids 30 entfernt. In der anschließenden Dampfätzung wird ohne Stickingrisiko der Rest des Oxids 30 entfernt, so dass man einen insgesamt schnelleren Prozess erhält.

Nach dem Abschluss des Opferschicht-Ätzprozesses wird die Abscheideschicht 32 durch Abscheidung einer Ab dichtungsschicht 34 hermetisch verschlossen (Fig. 11). Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei er wiesen, eine Siliziumnitridschicht als Abdichtungs schicht 34 aufzubringen, da diese bereits bei relativ niedrigen Temperaturen von 300°C bis 400°C in PECVD-Prozessen abgeschieden werden können. Alterna tiv hierzu kann die Versiegelung auch durch Abschei dung von Metallen, wie beispielsweise Aluminium, er folgen, wofür sich insbesondere Sputterprozesse eig nen.

In Abhängigkeit von dem für die Abdichtungsschicht 34 gewählten Material kann anschließend eine Strukturie rung der Abdeckung 13, beispielsweise mit Hilfe foto lithografischer Prozesse, erfolgen. Ist das gewählte Material ein Metall (Fig. 12), so können durch diese Strukturierungen gleichzeitig die Kontaktpads 36 ge bildet werden. Im Falle eines dielektrischen Materi als muss die Abdichtungsschicht 34 außerhalb des Ver kappungsbereiches vollständig entfernt werden und die Kontaktpads 36 werden in einem gesonderten Verfah rensschritt auf der Siliziumschicht 16 beziehungswei se der Abscheideschicht 32 (falls diese ganzflächig unstrukturiert verwendet wird) aufgebracht (Fig. 13). Die gewählte Schichtdicke der Abdichtungsschicht 34 hängt im Wesentlichen von der Permeabilität, Poro sität beziehungsweise von dem Durchmesser der Ätzöff nungen der Abscheideschicht 32 ab und selbstverständ lich wird zum Verschließen der Ätzöffnungen eine dickere Abdichtungsschicht 34 benötigt.

Die Fig. 14 bis 16 zeigen eine alternative Pro zessführung, beginnend mit der in der Fig. 8 gezeig ten Deposition der Abscheideschicht 32. Zunächst wird in bereits erläuterter Weise das Oxid 30 durch die Abscheideschicht 32 weggeätzt (Fig. 14). Anschlie ßend wird mittels der Abdichtungsschicht 34 der Sen sorraum 28 hermetisch versiegelt (Fig. 15). Auch hier muss die Schichtdicke entsprechend den für den Durchtritt des Ätzmediums beziehungsweise der Reak tionsprodukte eingestellten Eigenschaften der Ab scheideschicht 32 gewählt werden. Anschließend wird gemäß der Fig. 16 durch ein maskiertes Ätzverfahren sowohl die Abscheideschicht 32 als auch die Abdich tungsschicht 34 entfernt und die Kontaktpads 36 in bekannter Weise auf die Siliziumschicht 16 aufge bracht. Insgesamt kann damit eine Maskenebene einge spart werden, da die beiden Schichten 32, 34 mit ein und derselben Maske strukturiert werden. Im Falle der Verwendung von permeablen Polysilizium als Abscheide schicht 32 muss nach der Strukturierung noch ein aus reichender Überstand gewährleistet sein, damit eine Diffusion von Gasen über die Randbereiche unterbunden werden kann. In der Praxis hat es sich als ausrei chend gezeigt, wenn die permeable Polysiliziumschicht mit der Epipolysiliziumschicht 16 um mindestens 50 µm überlappt.

In einer weiteren, bereits erwähnten vorteilhaften Ausführungsform unterbleibt die Strukturierung der Abscheideschicht 32 und der Abdeckschicht 34 bis zur beziehungsweise bis unmittelbar vor Abscheidung und Strukturierung der Metallpads 36 (siehe Fig. 32 bis 34, 34'). Erst unmittelbar vor Abscheidung der Metallisierung 36 wird eine Ätzung der Abdichtungs schicht 34 unmittelbar im Bereich der Bondpads und um diese herum vorgenommen, um die Bondbereiche frei von isolierenden Schichten zu machen. In besonders vor teilhafter Ausführungsform dient die Metallschicht 36 für die Bondpads gleichzeitig auch als Abdichtungs schicht 34. Im letzteren Fall muss folglich die Ab dichtungsschicht 34 nach deren ganzflächiger Abschei dung um die Bondpads herum geöffnet werden, um dort ein Durchätzen der Abscheideschicht 32 und damit die Erzeugung elektrisch isolierter Kontaktpads 36 zu er möglichen.

In einer weiteren Variante ist auch die Epipolysili ziumschicht 16 im Bereich der Kontaktpads 36 zunächst noch nicht durchgeätzt, sondern dort noch ganzflächig vorhanden. Bei der Herstellung der Sensorstrukturen 26 durch anisotropes Tiefenätzen werden also die Bondbereiche zunächst ausgespart. Erst beim Freiätzen der Kontaktpads 36, dass heißt auch Durchätzen der Abscheideschicht 32 und der Abdichtungsschicht 34, falls diese nicht identisch zur Metallisierungs schicht der Kontaktpads 36 ist, wird die Epipoly siliziumschicht 16 um die Bondpads herum bis zum vergrabenen Oxid 12 durchgeätzt. Dabei kann derselbe Tiefenätzprozess sowohl für die Siliziumschicht 32 als auch für die Epipolysiliziumschicht 16 verwendet werden. Es findet also ein "Doppeltrench"-Prozess statt, bei dem ein erster Tieftrench für die Sensorstrukturen 26 selbst und ein zweiter Tieftrench für die Bondpadbereiche später im Prozessfluss durch geführt wird. In beiden Varianten erfolgt der elek trische Anschluss der Sensorstrukturen 26 über die Kontaktpads 36 durch die Abscheideschicht 32 und die Schicht 16 hindurch. Die Abscheideschicht 32 muss also eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit auf weisen, um den flächigen elektrischen Kontakt zu er möglichen, was aber in der Praxis mittels einer aus reichenden Dotierung selbst bei dickeren Abscheide schichten 32 kein Problem darstellt. Die vorgenannten Varianten lassen sich zur Verdeutlichung den Zeich nungen 32 bis 34, bei der ein Metall als Versiegelung und Bondpad eingesetzt wird, beziehungsweise der Zeichnung 34', bei der ein Dielektrikum als Versiege lung und Metall als Bondpad verwendet wird, ent nehmen.

Die in den Fig. 15 beziehungsweise 11 skizzierten Prozessschritte, in denen die Abdichtungsschicht 34 aufgebracht wird, lassen sich besonders vorteilhaft zur Einstellung eines gewünschten Innendruckes inner halb des Sensorraumes 28 nutzen. Der einstellbare Druckbereich liegt dabei bei Drücken von wenigen Mi krobar bis zu Atmosphärendruck. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Verfahren kann durch das sehr rasche Versiegeln die Toleranz bei der Druckeinstellung re lativ gering gehalten werden. Zur Einstellung des Druckes kann wie folgt verfahren werden:
In einer Ausführungsform mit permeabler Abscheide schicht 32 (in-situ permeabel oder nachträglich porös gemacht, um Permeabilität zu erzeugen) wird nach dem Einbringen des bis zum Aufbringen der Abdichtungs schicht 34 bereits fertig prozessierten Grundwafers 11 in eine Prozesskammer zur Deposition der Abdich tungsschicht 34 zunächst auf eine Temperatur zwischen 300°C bis 450°C erhitzt und gleichzeitig anstelle von Prozessgasen ein Inertgas unter einem gegebenen Druck der Prozesskammer zugeführt. Als Inertgas eig net sich beispielsweise Helium, da dies besonders rasch durch die in-situ permeabel oder durch Porosi fizierung permeabel gemachte Abscheideschicht 32 dif fundieren kann, damit eine schnelle Gleichgewichts einstellung (Innendruck Außendruck) sensorseitig möglich ist. Erst anschließend werden die für die De position der Abdichtungsschicht 34 notwendigen Pro zessgase zugeführt und das Depositionsplasma gezün det. Bei Verwendung permeablen Polysiliziums (in-situ permeabel oder durch Porosifizierung permeabel ge macht) vergehen in der Zeit zwischen dem Verlassen des gewünschten abzuschließenden Druckes in der Pro zesskammer und der Deposition einer ausreichend dicken Abdichtungsschicht 34 nur wenige Sekunden.

Bei bekannter Schichtdicke und Permeabilität der Abscheideschicht 32 ist die in dieser Zeit zu er wartende Druckänderung berechenbar, so dass ent sprechende Vorhalte eingeplant werden können. Es ist außerdem möglich, den Depositionsdruck zunächst beim für die Verkappung gewünschten eingeschlossenen Druck zu belassen und den Depositionsprozess bereits früh zeitig noch in Gegenwart des Inertgases zu starten. Erst nach Initiierung des Depositionsprozesses wird der Kammerdruck in den für die Deposition eigentlich optimalen Druckbereich nachgeregelt. Dadurch verläuft der Depositionsprozess zwar über einige Sekunden nicht optimal und gelangt erst nach der erfolgten Druckanpassung in seinen günstigsten Arbeitsbereich, andererseits wird bei dieser Vorgehensweise aber die Zeit zwischen dem Verlassen des Verkappungsdruckes und der erfolgten hermetischen Abdichtung des Sensorelementes verkürzt. Zur experimentellen Bestim mung des eingeschlossenen Druckes und zur Verfahrens kontrolle kann die Membranverwölbung, beispielsweise interferometrisch, ausgewertet werden oder Gütepara meter der eingeschlossen Strukturen 26 durch reso nante Anregung ermittelt werden. Eine Qualitätskon trolle für das Verfahren ist somit in einfacher Weise möglich.

Als besonders günstig hat es sich erwiesen, diese Prozessführung für die Herstellung oberflächenmikro mechanischer kapazitiver Drucksensoren zu nutzen. So zeigen die Fig. 17 und 18 beziehungsweise 19 und 20 zwei mögliche Ausführungsformen derartiger Druck sensoren. Zunächst wird gemäß den Fig. 17 und 19 wieder eine permeable oder nachträglich durch Ätzen permeabel gemachte Schicht 32 - gegebenenfalls struk turiert - oberhalb des mit dem Oxid 30 gefüllten Sen sorraumes 28 abgeschieden. Anschließendes Ausätzen des Oxids 30 und Versiegeln mit der Abdichtungs schicht 34 führt zu den in den Fig. 18 und 20 ge zeigten Applikationsformen.

Im ersteren Fall wird in dem Drucksensor eine Torsi onswippe 39, die über ein Kupplungselement 42 mit der Abdeckung 13 verbunden ist, implementiert. Dabei ist eine seismische Masse 38 symmetrisch über Torsionsfe dern 40 mittig zu beiden Seiten aufgehängt - analog einer Hebelwaage. Die Masse 32 ist für die Durchfüh rung der Opferschichtätzung perforiert, wobei die Perforation hier nicht eingezeichnet ist. Nach der Abscheidung und Planarisierung des Oxids 30 wird etwas außerhalb der Mitte der Torsionswippe 39 ein Loch in das Oxid 30 eingebracht mittels Fototechnik und Ätzen des Oxids 30. Darüber kann zum Beispiel einfach die Abscheideschicht 32 vorteilhaft als permeable Polysiliziumschicht abgeschieden und/oder nachträglich durch Ätzprozesse, zum Beispiel Poro sifizierung, permeabel gemacht werden, welche im zu vor angelegten "Kontaktloch" im Oxid 30 das Silizium der Wippe 39 direkt mechanisch und elektrisch kontak tiert. Wird später eine elektrische Isolation der Sensormembran von der Torsionswippe 39 gewünscht, beispielsweise aus Gründen der elektrischen Abschir mung gegenüber der Umgebung, so kann vor der Polysi liziumabscheidung eine isolierende Schicht abgeschie den werden, welche von der nachfolgend zur Opferoxid ätzung eingesetzten HF-Dampfchemie nicht angegriffen wird. Hierzu eignet sich beispielsweise eine Schicht von amorphen Siliziumkarbid, welches resistent gegen über flusssäurehaltigen Medien und auch HF-Dampf ist. Diese Schicht kann nach der konformen Abscheidung über dem Kontaktloch im Oxid entweder durch einen maskierten Ätzprozess so strukturiert werden, dass nur das Kupplungselement 42 übrig bleibt, oder aber derart bearbeitet werden, dass nach einem Schleif prozess das Kupplungselement 42 eingeschlossen vom Oxid 30 erhalten bleibt. Selbstverständlich kann in diesem Fall die Prozessreihenfolge auch reversiert werden, das heißt zuerst Anlegen des Kupplungs elementes 42 (beispielsweise aus amorphen Silizium karbid), dann Abscheiden und Planarisieren des Füll oxids und dann Abscheiden und Planarisierung der ge samten Abdeckung 13 unter Berücksichtigung der vorab gemachten Druckeinstellungsprozessparameter.

Durch die beiden Herstellungsvarianten des Kupplungs elementes 42 - der einfachen Polysiliziumabscheidung mit mechanischer Verbindung über das Polysilizium, welches selbstständig das Kontaktloch im Oxid 30 auf füllt und so den Kraftschluss mit der Wippe 39 her stellt, oder der expliziten Abscheidung und Herstel lung eines elektrisch isolierten Kupplungselementes 42 mittels einer Zusatzschicht - wird eine mechani sche Verbindung geschaffen zwischen der Abdeckung 13 und der Torsionswippe 39.

Aufgrund der Biegeform der druckbeaufschlagten Ab deckung 13 ist es vorteilhaft, das Kupplungselement 42 zwischen Torsionsachse und Deckplattenmitte zu plazieren, also zum Beispiel - wie in den Abb. 17, 18 erkennbar - rechts von der Torsionsachse der Wippe 39 und links von der Membranmitte. Wird die Membran nämlich druckbeaufschlagt, stellt sich eine Biegelinie als Doppel-S-Form ein, welche die rechte Hälfte der Wippe 39 nach unten drückt, entsprechend kommt die linke Hälfte der Wippe 39 nach oben. Bei Vorliegen zweier Gegenelektroden (aus der Leitschicht 14 strukturiert) unterhalb der Wippe 39 kann die Ka pazitätsänderung als Differenzkapazität mittels einer geeigneten Auswerteelektronik verarbeitet werden. Die elektrische Verdrahtung des Sensorbauteiles geschieht in der unteren Ebene durch die dort vergrabene lei tende Schicht 14. Ein solcher Sensor nach dem be schriebenen Aufbau weist aufgrund seiner Symmetrie und der kapazitiven Auswertung durch Differentialkon densatoranordnung eine vorteilhaft geringe Tempera turdrift auf, so dass ein teurer Abgleich und Tempe raturkompensation entfallen können.

Wird auf die explizite Differentialkondensatoranord nung verzichtet, bietet sich ein einfacher Prozess und ein Design nach Art der Fig. 19 und 20 an. Die seismische Masse 44 ist direkt an die Abscheide schicht 32 gebunden. Ebenfalls kann über die vorste hend beschriebene Art und Weise ein Referenzdruck, bevorzugterweise mittels Heliumgas, im Sensorraum 28 eingeschlossen und die Struktur durch Abscheidung der Abdichtungsschicht 34 hermetisch versiegelt werden.

Wird die Struktur druckbeaufschlagt, wird die Masse 44 nach unten gedrückt, so dass sich der Abstand zu der darunter liegenden leitenden Schicht 14, die als Gegenelektrode fungiert, verkleinert und dementspre chend tritt eine Kapazitätsänderung ein. Der elektri sche Anschluss und die Ausführung der Gegenelektrode kann wiederum über die Schicht 14 erfolgen und nach außen geführt werden. Man erhält somit einen einfa chen, robusten, kapazitiven Drucksensor in Oberflä chenmikromechanik. Die standardmäßig für Beschleuni gungssensoren entwickelte Auswerteelektronik kann weiter verwendet werden, wenn eine Differentialkon densatoranordnung durch einen der Messkapazität ex tern zugeschalteten Festwertkondensator realisiert wird.

Die Durchlässigkeit, das heißt Permeabilität der Abscheideschicht 32 für das Ätzmedium und die entstehenden Reaktionsprodukte kann auch nach Deposi tion der Schicht 32 im Nachhinein erzwungen werden. Ein erstes Verfahren dieser Art ist in den Fig. 21 bis 23 skizziert, bei denen ein elektrochemischer Ätzvorgang zur Umwandlung von Silizium in (perme ables) poröses Silizium im Vordergrund steht. Zu nächst wird - wie bereits beschrieben - bis ein schließlich der Deposition der Abscheideschicht 32 verfahren. Anschließend wird eine geeignete Maskier schicht 46 aufgebracht (Fig. 21) und in bekannter Weise, beispielsweise durch einen zusätzlichen Litho grafieschritt strukturiert, so dass ein Bereich 48, in dem die Eigenschaften der Schicht 32 geändert wer den sollen, zugänglich ist (Fig. 22).

Der eigentliche elektrochemische Ätzvorgang wird in Gegenwart eines HF-Elektrolyten, beispielsweise einem Flusssäure-Ethanol-Gemisch, durchgeführt und führt zur Bildung poröser Strukturen beziehungsweise Ätz öffnungen in den dem Elektrolyten ausgesetzten Berei chen 48 der Schicht 32.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, bei den elektrochemischen Ätzvorgängen der gezeigten Art zusätzlich eine Bestrahlung der Oberfläche in einem Wellenlängenbereich von 100 nm bis 1000 nm, insbeson dere bei 350 nm bis 800 nm, durchzuführen, da dadurch die Homogenität des Prozesses verbessert wird. Ein elektrischer Anschluss durch Anlegen eines anodischen Potentials kann zum einen über die Oberseite der Schicht 32 und zum anderen von der Epipolysilizium schicht 16 beziehungsweise dem Grundwafer 11 (Rück seitenkontakt) aus über die Unterseite der Schicht 32 erfolgen. Der großflächige Rückseitenkontakt über den Grundwafer 11 hat den Vorteil, dass damit eine de finiertere und homogenere Stromdichteverteilung des Anodisierungsstroms erreicht wird, da der Strom ins gesamt nur maximal die Dicke des Grundwafers 11 über winden muss, um in den zu behandelnden Bereich 48 zu gelangen. Zweckmäßigerweise ist eine hohe n-Dotierung der Schichten des Grundwafers 11 - vor allem der Waferunterseite des Substrates (10) - vorgesehen (n⁺⁺), was besonders einfach durch POCL-Deposition und anschließendes Eintreiben von Phosphor ins Sili zium, aber auch durch Ionenimplantation von Phosphor, Arsen oder Antimon ermöglicht wird. Die n⁺⁺-Dotierung der Waferrückseite des Grundwafers 11 reduziert die im Kontaktbereich Elektrolyt/Silizium vorliegende Schottky-Barriere. Eine angepasste Dotierung der Schicht 32 in dem zu verändernden Bereich 48 kann zur Prozesssteuerung genutzt werden. So hat es sich ge zeigt, dass eine p-Dotierung zur Bildung mesoporöser Poren führt, während eine n-Dotierung zu Ätzöffnungen von einigen 10 nm bis Mikrometern führt.

Alternativ zu dem elektrochemischen Ätzverfahren kann, wie in den Fig. 24 bis 27 in exemplarischen Ausführungsformen dargestellt, verfahren werden. Zu nächst wird die noch nicht genügend durchlässige Schicht 32 aufgebracht und anschließend unter Verwen dung bekannter Maskierungsverfahren eine Metall schicht abgeschieden und strukturiert. Bei der an schließenden galvanischen Herstellung von porösem Polysilizium im Bereich 48 übernimmt die Metall schicht somit gleichzeitig die Funktion einer Maskierung der Silizium-Oberfläche der Schicht 32 in den Bereichen, die nicht elektrochemisch anodisiert wer den sollen, und einer Kathode in der galvanischen Zelle Silizium/Elektrolyt/Metall. Über die Zusammen setzung des HF-Elektrolyten und die auftretende Stromdichte in dieser galvanischen Zelle lassen sich die Prozesse steuern, die zur Bildung des porösen Polysiliziums führen. Die Stromdichten sind abhängig vom Flächenverhältnis Metall/Silizium. Je größer die Metallfläche, desto größer ist die Stromdichte. Übli che Metall-Silizium-Flächenverhältnisse liegen zwi schen 10 bis 20 zu 1. Der Vorteil dieser Technik ist es, dass keine elektrische Kontaktierung des Wafers notwendig ist.

Um diese Verhältnisse zu realisieren, können Teile der Metallfläche den zu porosifizierenden Bereich 48 der Abdeckung 13 mit einem Gitter überdecken. Hierbei ist darauf zu achten, dass die Breite der Metallbah nen größer ist als die Dicke der zu ätzenden Schicht 32, da sonst zu große Unterätzungen und Ablösungs erscheinungen des Metalls auftreten können. Eine Aus wahl möglicher Ausführungsformen ist den Draufsichten und Schnittbildern der Fig. 24 bis 27 zu ent nehmen.

Ferner ist denkbar, mit einem modifizierten Stain-Etch-Verfahren die zu porosifizierenden Bereiche 48 mit einem Gemisch aus Flusssäure, Salpetersäure und Wasser zu behandeln. Alle anderen Bereiche müssen mit einer geeigneten Maskierschicht, beispielsweise aus Siliziumnitrid, geschützt werden. Über die Zusammen setzung, insbesondere die Salpetersäurekonzentration, und die Expositionszeiten lassen sich Porosität und Schichtdicke des veränderten porösen Siliziumbereichs steuern. Darüber hinaus besteht ein empirisch erfass barer Einfluss von Dotierungen, so dass eine Steue rung des die Porosität erzeugenden Prozesses möglich ist.

Eine weitere alternative Ausführungsform der Dünn schicht-Sensorkappe, bei der an der Unterseite der Abscheideschicht 32 Stützelemente 50 vorhanden sind, ist den Fig. 28 bis 31 zu entnehmen. Bis zur Ab scheidung des Oxids 30, wie in der Fig. 6 darge stellt, kann auf das eingangs beschriebene Verfahren zurückgegriffen werden. Auf eine vollständige Plana risierung der Oxidschicht 30 bis auf die Höhe der Epipolysiliziumschicht 16 wird allerdings verzichtet. Anstelle dessen erfolgt eine strukturierte Abtragung, bei der in den Bereichen, die später die Stützele mente 50 ausbilden sollen, das Oxid 30 entfernt wird. Diese Bereiche liegen sinnvollerweise oberhalb der Bereiche der Epipolysiliziumschicht 16, die in den sich anschließenden Ätzverfahren nicht weiter ange griffen werden sollen.

Die einzelnen Stützelemente 50 sind üblicherweise um laufende Stützstreben oder Stützsäulen, die somit den Sensorraum 28, der von der Abdeckung 13 abgedeckt wird, begrenzen. Innerhalb des Sensorraumes 28 befin den sich die notwendigen mikromechanischen Strukturen 26. Gemäß der Fig. 28 können geringe Abstände der Stützelemente 50 und damit Spannweiten der Abdeckung 13 verwirklicht werden. So sind Spannweiten unterhalb von 10 µm realisierbar. Damit einhergehend ist aber auch eine geringere Durchbiegung bei der Beaufschla gung mit einem Überdruck verbunden und es kann ein Abstand der Abdeckung 13 und des Sensorelementes so weit verringert werden, dass ein Herausheben der Sen sorstruktur 26 bei mechanischer Überlastung verhin dert wird. Da der bei den herkömmlichen Sensoren not wendige Bondrahmen drastisch verkleinert werden kann, tritt zusätzlich eine erhebliche Flächenreduzierung auf, so dass mehr als doppelt so viele Beschleuni gungssensoren auf einen Grundwafer 11 prozessierbar sind. Die Fig. 31 zeigt hierzu eine weitere vorteil hafte Ausgestaltung mit T-förmigen Stützelementen 50, die zu besonders stabilen Strukturen führt.

Für den Fall, dass anstelle eines permeablen Poly siliziums als Abscheideschicht 32 nachträgliche Ätz öffnungen 52 eingebracht werden sollen, über die das Opferoxidätzen stattfindet, hat sich das in der Fig. 29 dargestellte Design als vorteilhaft erwiesen. Die Ätzöffnungen 52 sind dabei derart angeordnet, dass bei der Deposition der Abdichtungsschicht 34 allen falls die nicht funktionsbegründenden Strukturele mente 53 des Sensors dem Depositionsplasma ausgesetzt sind. Diese nicht funktionsbegründenden Struktur elemente 53 sind eben genau die Elemente, die mit den Stützelementen 50 verbunden sind. Gegebenenfalls kön nen über die Ätzöffnungen 52 nach der Opferätzung auch geeignete Antihaftschichten im Bereich der Strukturen 26 abgeschieden werden.

Ein Sensor entsprechend der Fig. 30 lässt sich mit Hilfe der vorab geschilderten Prozessschritte ver wirklichen. Neben der bereits in der Beschreibung der Fig. 15 und 16 beschriebenen Möglichkeit, die Ab scheideschicht 32 sowie die Schicht 34 gleichzeitig zu strukturieren beziehungsweise die Strukturierung der Abscheideschicht 32 zunächst zu unterlassen, diese zunächst ganzflächig zu belassen und erst zu letzt zur Anlage elektrisch isolierter Kontaktpads 36 zu ätzen, kann hierzu ergänzend auch die darunter liegende Epipolysiliziumschicht 16 bearbeitet werden, so dass sich die Öffnung 54, über die später eine Kontaktierung erfolgen kann, mit einem Prozessschritt erzeugen lässt. Bei einer elektrochemischen Ätzung erfolgt wiederum Kontaktierung über die Rückseite des Wafers. Hierbei sind die Schichten über die Stützele mente 50 elektrisch verbunden, so dass eine bevorzugt hohe Permeabilität im Bereich der Stützelemente 50 durch Bildung von porösem Silizium eingestellt wird. Diese elektrische Kontaktierung der Schicht 32 kann auch neben dem Sensorbereich 28 zum Substrat 10 hin erfolgen.

Claims

1. Sensor mit zumindest einer mikromechanischen Struktur auf Siliziumbasis, die in einem Sensorraum eines Grundwafers integriert ist, und zumindest einer den Grundwafer im Bereich des Sensorraumes abdecken den Abdeckung, dadurch gekennzeichnet, dass die Ab deckung (13) aus einer für ein Ätzmedium und die Reaktionsprodukte durchlässigen ersten Schicht (32) (Abscheideschicht) und einer darüber liegenden herme tisch dichtenden zweiten Schicht (34) (Abdichtungs schicht) besteht.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheideschicht (32) im Bereich des Sensor raumes (28) permeabel für das Ätzmedium und die Reak tionsprodukte ist.

3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheideschicht (32) im Bereich des Sensor raumes (28) Ätzöffnungen (52) aufweist.

4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ätzöffnungen (52) einen Durchmesser von 0,1 bis 5 µm haben.

5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheideschicht (32) an ihrer Unterseite Stützelemente (50) aufweist, die eine Verbindung zwischen dem Grundwafer (11) und der Abdeckung (13) schaffen.

6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente (50) parallel zur Struktur (26) angeordnete Stützstreben sind, die den Sensor raum (28) umlaufen und deren Abstand in einem Bereich von 5 bis 1000 µm liegt.

7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente (50) umlaufende Stützstreben oder Stützsäulen sind.

8. Sensor nach den Ansprüchen 3 und 5, dadurch ge kennzeichnet, dass die Ätzöffnungen (52) im Bereich der Stützelemente (50) angeordnet sind, so dass eine direkte Exposition der Struktur (26) mit dem die Ab dichtungsschicht (34) bildenden Material bei dessen Deposition vermieden wird und die Stabilität der Ab scheideschicht (32) erhalten bleibt.

9. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheideschicht (32) aus Polysilizium ist.

10. Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheideschicht (32) in Bereiche hoher, niedriger oder fehlender Porosität unterteilt ist, wobei die Bereiche hoher Porosität weitestgehend oberhalb der Sensorräume (28) liegen.

11. Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Abscheideschicht (32) in Bereichen mit niedriger oder fehlender Porosität eine metallische Maskierungsschicht, insbesondere aus einem Metall, das edler als Silizium ist, aufgebracht ist.

12. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichtungsschicht (34) ein Isolator, insbesondere aus Siliziumnitrid oder Siliziumoxid, ist.

13. Sensor nach einem der Ansprüchen 1 bis 11, da durch gekennzeichnet, dass die Abdichtungsschicht (34) aus Metall, insbesondere aus Aluminium, besteht.

14. Sensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (26) im Sensorraum (28) mit einer Antihaftschicht bedeckt ist.

15. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Beschleu nigungssensor oder Drehratensensor ist.

16. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein kapaziti ver Drucksensor ist.

17. Sensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem kapazitiven Drucksensor eine seismische Masse (38, 44) direkt oder über ein Kupplungselement (42) an die Abdeckung (13) gebunden ist.

18. Verfahren zur Herstellung eines Sensors mit zu mindest einer mikromechanischen Struktur auf Sili ziumbasis, die in einem Sensorraum eines Grundwafers integriert ist, und einer den Grundwafer zumindest im Bereich des Sensorraumes abdeckenden Abdeckung, da durch gekennzeichnet, dass

a) zumindest der im Grundwafer (11) nach Etablie rung der Struktur (26) vorhandene Sensorraum (28) mit einem Oxid (30), insbesondere CVD-Oxid oder porösen Oxid, gefüllt wird,
b) der Sensorraum (28) mit einer für ein Ätzmedium und die Reaktionsprodukte transparenten oder nachträglich transparent gemachten ersten Schicht (32) (Abscheideschicht), insbesondere aus Polysilizium, bedeckt wird,
c) das Oxid (30) in dem Sensorraum (28) durch die Abscheideschicht (32) hindurch mit dem Ätzme dium entfernt wird und
d) anschließend eine zweite Schicht (34) (Abdich tungsschicht), insbesondere aus Metall oder ei nem Isolator, auf die Abscheideschicht (32) aufgebracht wird, die den Sensorraum (28) her metisch abdichtet.

19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich net, dass vor dem Aufbringen der Abscheideschicht (32) das Oxid (30) in Bereichen außerhalb des Sensor raumes (28) durch Ätzen oder Schleifen, insbesondere CMP-Schleifen, entfernt wird (Planarisierung der Oberfläche des Grundwafers).

20. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich net, dass vor dem Aufbringen der Abscheideschicht (32) das Oxid (30) in Bereichen außerhalb des Sensor raumes (28) durch maskiertes Ätzen strukturiert wird (Strukturieren der Oberfläche des Grundwafers).

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeich net, dass das Oxid (30) in Bereichen, in denen ein Stützelement (50) an der Unterseite des Kappenberei ches als Bindeglied zwischen Grundwafer (11) und Ab deckung (13) vorgesehen ist, entfernt wird.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, da durch gekennzeichnet, dass in die Abscheideschicht (32) durch Ätzen, insbesondere durch maskiertes Plas maätzen, Ätzöffnungen mit einem Durchmesser von 0,1 bis 5 µm eingebracht werden.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, da durch gekennzeichnet, dass die Permeabilität der Ab scheideschicht (32) durch einen elektrochemischen Ätzvorgang, indem beispielsweise als Elektrolyt ein Flusssäure-Ethanol-Gemisch dient, erzwungen wird.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeich net, dass die Oberseite der Abscheideschicht (32) mit einer Maskierschicht (46) bedeckt wird, die in den zu porosifizierenden Bereichen (48) entfernt wird.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer An schluss durch Anlegen eines anodisches Potentials an eine Oberseite der Abscheideschicht (32) erfolgt.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische An schluss durch Anlegen eines anodischen Potentials an eine Unterseite der Abscheideschicht (32) über eine tiefer liegende Schicht des Grundwafers (11) oder den Grundwafer (11) selbst erfolgt.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 26, da durch gekennzeichnet, dass über eine Dotierung der Abscheideschicht (32) die Permeabilität beeinflusst wird.

28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeich net, dass eine p-Dotierung der Abscheideschicht (32) zur Erzeugung mesoporöser Poren genutzt wird.

29. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeich net, dass eine n-Dotierung der Abscheideschicht (32) zur Erzeugung von Ätzöffnungen (52) mit einem Durch messer von einigen 10 Nanometern bis maximal 10 µm genutzt wird.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, da durch gekennzeichnet, dass die Permeabilität der Ab scheideschicht (32) durch ein maskiertes Stain-Etch-Verfahren erzwungen wird.

31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeich net, dass das Stain-Etch-Verfahren mittels einer Mi schung aus Flusssäure, Salpetersäure und Wasser er folgt und über die Mischverhältnisse und die Exposi tionszeiten die Porosität und die Ätztiefe der porö sen Schicht in die Abscheideschicht (32) eingestellt wird.

32. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, da durch gekennzeichnet, dass die Permeabilität der Ab scheideschicht (32) durch ein galvanisches Verfahren erreicht wird, indem eine Metallschicht in dem nicht zu verändernden Bereich aufgebracht wird (Maskie rung), und dass während des anschließenden galvani schen Prozesses an einer Grenzfläche zwischen HF-Elektrolyt und der unmaskierten Abscheideschicht (32) eine Ätzung erfolgt in Abhängigkeit von einer Strom dichte und/oder eines Flächenverhältnisses Me tall/Silizium und/oder einer Elektrolytzusammenset zung.

33. Verfahren nach einem der Ansprüche 23, 30 oder 32, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich während des Ätzvorganges eine Bestrahlung in einem Wellenlän genbereich von 100 nm bis 1000 nm, bevorzugt zwischen 350 nm bis 800 nm, stattfindet.

34. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 33, da durch gekennzeichnet, dass die Abdichtungsschicht (34) durch ein maskiertes Ätzverfahren strukturiert wird.

35. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeich net, dass das maskierte Ätzverfahren eine Strukturie rung der Abscheideschicht (32) umfasst.

36. Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeich net, dass das maskierte Ätzverfahren zusätzlich eine Strukturierung einer oberen Schicht des Grundwafers (11), insbesondere aus Epipolysilizium, umfasst.

37. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 36, da durch gekennzeichnet, dass über die Druckbedingungen während der Deposition der Abdichtungsschicht (34) der Druck innerhalb des Sensorraumes (28) eingestellt wird.

38. Verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeich net, dass vor der Deposition der Abdichtungsschicht (34) der Druck innerhalb des Sensorraumes (28) durch Beaufschlagung mit einem Inertgas, insbesondere He lium, bei einer vorgegebenen Temperatur eingestellt wird.

39. Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeich net, dass die Deposition der Abdichtungsschicht (34) bereits in einer inertgashaltigen Atmosphäre startet und allmählich die optimalen Betriebsparameter für ein Depositionsplasma eingestellt werden.