DE2921184A1

DE2921184A1 - Wandler und verfahren zur herstellung

Info

Publication number: DE2921184A1
Application number: DE19792921184
Authority: DE
Inventors: John Christopher Greenwood
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: ITT Inc
Priority date: 1978-05-30
Filing date: 1979-05-25
Publication date: 1979-12-06
Also published as: US4229979A; NL7904004A; JPS6232415B2; GB1588669A; JPS5526487A; US4293373A; CA1125049A

Description

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Wandler und Verfahren zur Herstellung

Die Priorität der Anmeldung Nr. 24186/7 8 vom 30. Mai 1978 in Großbritannien wird beansprucht.

Die Erfindung betrifft elektrische Halbleiterwandler des akustischen Typs und ein Verfahren zu deren Herstellung.

Das Grundprinzip der Wandlerfunktionen entspricht der spannungsbedingten Änderung der Resonanzfrequenz einer gespannten Seite. Die Resonanzfrequenz eines derartigen Wandlers ist eine direkte Punktion der einwirkenden Kraft, wobei Temperaturänderungen vernachlässigbar sind. Das elektrische Ausgangssignal des Wandlers stellt eine Form dar, die insbesondere zur Signalverarbeitung durch logische Schaltkreise oder einen Mikroprozessor geeignet ist. Änderungen im Diaphragmaaufbau verursachen bei einem derartigen Wandler Veränderungen in der Spannung der Fäden oder Bänder und damit Veränderungen in deren natürlichen Schwingungsfrequenz .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen derartigen Wandler zu schaffen. Die Aufgabe wird durch die im Anspruch angegebene Ausbildungsform gelöst. Des weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Wandlers angegeben.

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■ Mit Bezug auf die Zeichnung wird die Erfindung nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt

Fig» 1 die Dreiviertelansicht eines Halbleiterwandlers

mit Resonanzbändern,

Fig« 2 den Grundriss des Wandlers nach Fig. 1,

Pig« 3 den Querschnitt durch den Wandler längs eines

der Resonanzbänder, und

Fig» 4 ein Diagramm der in Verbindung mit dem Wandler '

verwendeten Oszillatorantriebschaltung. 15

Der Wandler 11 in den Fig. 1 und 2 wird durch selektive Ätzung einer bordotierten Siliciumscheibe hergestellt. In Pig» 2 sind die Teile der ursprünglichen Siliciumoberfläche su erkennen, die nach dem Ätzprozess noch vorhanden sind. Die Herstellung von selektiv geätzten Siliciumbauelementen beruht auf dem Phänomen der Verhinderung des Ätzens von Silicium bei bestimmten Ätzvorgängen durch Bor, wobei die Konzentration der Dotierung dabei höher als

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₂c 4 χ 10 Atome/ccm ist. Es besteht ein schlagartiger Abfall in der Ätzgeschwindigkeit vom üblichen Wert für undatiertes Silicium auf nahezu Null bei dem genannten Borniveau^ so daß sich die Dicke des nicht geätzten Bereiches genau starch 'die Bordiffusionstiefe festlegen läßt» Der . Prozess ist ausführlich in der englischen Patentanmeldung 1 211 4S>6 beschrieben. Die Halbleiterscheibe wird dabei unter Suhilfenahme einer Maske mit Bor in den Bereichen dotiert, —in~deae&-4exL~Äts^orgaüg- nicht- sfe-at-t-findeti seil. fifischieBenci wird clann die Halbleiterscheibe mit einer Mischung aus

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Catechol, Äthylendiamin und Wasser unter Ausbildung der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Wandlerstruktur geätzt.

Der Wandler 11 enthält zwei Mesa 12, die von dem Siliciumdiaphragma 13 emporragen, das in einen rechteckigen Siliciumrahmen 10 gehalten wird. Die beiden Mesas sind durch zwei Streifen 14 verbunden, die integrale Bestandteile derselben sind. Das die Mesa tragende Siliciumdiaphragma 10 wird durch Ätzen des Substrats von der Rückseite 15 her bis zu einer durch Bordiffusion festgelegten Stärke gebildet, so daß das Diaphragma hinreichend elastisch ist, um bei Einwirkung von Druck eine Dehnung der Streifen 14 zu bewirken. Bei der praktischen Anwendung befinden sich selbstverständlxch eine Vielzahl derartiger Bauelemente auf einer Siliciumscheibe.

Da im Gegensatz zur herkömmlichen Herstellung von Halbleiterbauelementen die beiden Hauptflächen der Halbleiterscheibe geätzt werden, muß durch eine entsprechende Vorrichtung dafür Sorge getragen werden, daß die Scheibe nur an ihren Randbereichen erfaßt wird. Deshalb müssen die auf der Scheibe hergestellten Wandler zur Mitte zu liegen und den Rand frei lassen.

In der Ätzvorrichtung wird deshalb die Siliciumscheibe an ihrem Rande auf einem Glasträger befestigt und dann mittels eines O-Ringes gegen eine Schulter an dem einen Ende eines Rohres eingedichtet. Ein Spannring mit verkehrten umlaufenden Gewinde an dem Rohr sichert die Halbleiterscheibe in ihrer Stellung. In den so gebildeten Becher kann dann die Ätzlösung eingegossen werden, die dann nur auf der einen Seite der Scheibe angreift. Bei bestimmten Anwendungsformen kann der Glasträger durch eine Vakuumeinspannvorrichtung ersetzt werden.

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Bei einem typischen Herstellungsverfahren wird die Siliciumscheibe mit Flußsäure, Caroscher Säure und Wasser gereinigt und dann von beiden Seiten der Bordiffusion ausgesetzt. Die Vorderseite der Scheibe wird mit einer aufgedampften Aluminiumschicht maskiert, während die Rückseite zur Festlegung der Oberfläche das Diaphragma maskiert wird und mit Phosphorsäure geätzt wird.. Auf der Aluminiumbeschichtung befindet sich eine Photolackmaske, die mit einer Mischung aus -Phosphorsäure und Salpetersäure geätzt wird. Das Silicium selbst wird einer Plasmaätzung unterworfen, die Ätztiefe ist tiefer als wie es die durch die Bordiffusion festgelegte Tiefe für die selektive Ätzung ist. Dies geschieht auf beiden Seiten der Scheibe, die dann selektiv zur Festlegung der ersten Konfiguration des Bauelementes geätzt wird.

Die unterschiedlichen Ätztechniken sind dem Fachmann bekannt, die folgenden Anmerkungen sollten jedoch beachtet werden:

1. die Ätzrate von Catechol-Diamin-Wasser ist merklich geringer in der kristallographischen<111} Richtung als in jede andere. Als erste Annäherung kann die Geschwindigkeit in der genannten Richtung

als Null angesehen werden.
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2. Eine konkave Fläche kann zu einer Aushöhlung geöffnet werden, begrenzt durch die am langsamsten zu ätzenden (octrahedralen Flächen)<111>_; so ergibt ein Pinhole in dem Schutzoxid, daß eine Scheibe mit 0 1 ^Orientierung überzieht, eine quadratische, pyramidenförmige Grube.

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3. Eine convexe Fläche gibt einen Körper, der durch die am schnellsten zu ätzenden Flächen begrenzt wird, welche die 24^331^ Flächen sind.

4. Durch schlechte Maskierung verursachte Unregelmäßigkeit in einer<111>Fläche läßt sich beseitigen, während dies bei der gleichen Unregelmäßigkeit in einer schnell zu ätzenden Fläche nicht der Fall ist.

5. Die am sauberstens schnell zu ätzenden<(331^ Flächen erhält man, wenn nur eine Kante zu einer anderen schnell zu ätzenden Fläche benachbart liegt, während die anderen Kanten an unlösliches Material

^J oder Ebenen mit der011>Orientierung stoßen. Un

regelmäßige Formen ergeben sich aus anderen Ausrichtungen, obgleich nicht jede Kombination von aneinanderstoßenden Flächen untersucht wurde.

6. Auf Scheiben mit der Orientierung{1OQ) läßt sich eine Vielzahl von unterschiedlich ausgeführten Ecken durch aufsetzen von Kompensationsspitzen auf der Maske herstellen. Der Winkel der Spitzen

scheint nicht kritisch zu sein, obgleich ein Stei-

gungsverhältnis von 1 zu 3 gute Ergebnisse bringt.

Die Länge einer Spitze hängt von der Ätzzeit ab, die durch die Dicke der Scheibe bestimmt ist. Für gewöhnlich sollte die Ätzzeit größer gewählt werden als erforderlich ist, um gerade die andere Seite zu erreichen, so daß Unregelmäßigkeiten ausgeglichen werden. Ist die Ätzzeit 20% höher, dann erhält man eine nahezu quadratische Ecke, iniäem man die

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Länge der Spitze 20 % größer macht als die Stärke der Scheibe.Wird keine Spitze verwendet, so ist die Ecke abgeschrägt. In ihrer Ausbildungsform

zwischenliegende . Spitzen führen zu entsprechenden Ergebnissen.

7. Soll ein Teil der Oberfläche unterschnitten werden,

so muß man Sorge tragen, daß dieser Vorgang durch ^111) Flächen nicht unterbrochen wird. Soll z. B. eine

Brücke in eina:<100> orientierten Scheibe unterschnitten werden, so muß die Brücke in einem Winkel und möglichst nahe bei den^111) Flächen liegen.

In Fig. 3, die einen Querschnitt durch einen Teil des Randes darstellt, erkennt man einen der Resonanzstreifen 20, der in einem bestimmten Abstand zur Bodenfläche des Bauelementes liegt. Auf der Fläche 21 ist die Antriebselektrode 22, die Aufnehmereiektrode 23 und die dazwischenliegende Schutzelektrode 24 angeordnet.

Bei Verwendung ist der als Druckmesser wirkende Wandler mit seinem Rand oder Rahmen an der Quelle des zu messenden Druckes befestigt. Die Streifen werden z. B. durch die in Fig. 4 gezeigte Schaltung auf ihre Resonanzfrequenz gebracht und dies Frequenz wird durch die Druckdifferenz am Diaphragma bestimmt. Druckveränderungen bewirken entsprechende Veränderungen in der Dehnung der Streifen 14 und damit- in ihrer Resonanzfrequenz.

Für gewöhnlich wird der Wandler elektrostatisch erregt, da dies im wesentlichen keine Dämpfung bei den Streifen ergibt. Die Schaltung nach Fig. 4 wird zu diesem Zweck eingesetzt. ·

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Om die kapazitive Kopplung zwischen dem Eingang und Ausgang auf ein Minimum zu reduzieren^werden zwei Resonanz— streifen benutzt und in Antiphase betrieben, sie werden in den Fig. 1 und 2 gezeigt. Die Vorverstärkerfeldeffekttransistoren sind auf dem Wandler selbst befestigt. Die Schaltung nach Fig. 4 zeigt diese Verstärkerstufen, die eine GesamtverStärkung von ca. 1OO ergeben. Die zweite dieser Stufen stellt · eine automatische Verstärkerregelung dar und die dritte ist eine Verstärkerstufe mit entgegen— gesetzten Eingangssignalen und daraus resultierende Verstärkung in der Größe von 1. Die vierte Stufe ist eine beliebige Verstärkerstufe zur Erzielung eines Äusgangssignals mit vergrößerter Amplitude.

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Claims

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Patentansprüche

Wandler, gekennzeichnet durch ein in einem Rahmen des gleichen Materials gehaltenes Diaphragma, eine erste und zweite Mesa, die aus der Oberfläche des Diaphragma herausragen, und einer Vielzahl von Streifen, die sich zwischen den Mesas erstrecken und mit diesem aus einem Stück bestehen.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Silicium ist.
3. Verfahren zur Herstellung eines Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Siliciumscheibe auf beiden Flächen selektiv mit Bor dotiert wird, daß die eine Fläche der Scheibe unter Ausbildung einer Senke geätzt wird, daß die andere Fläche der Scheibe gegenüber der Senke ebenfalls selektiv geätzt wird und ein Siliciumdiaphragma ausgebildet wird, auf dem zwei Mesa befestigt sind, die eine Vielzahl dazwischengespannter Streifen tragen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ätzen mit einer Mischung aus Catechol, Äthylendiamin und Wasser bewirkt wird.

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