DE3335772C2

DE3335772C2 - Meßwandler und Verfahren zum Herstellen eines Meßwandlers, der auf Piezo-Widerstandsbasis arbeitet

Info

Publication number: DE3335772C2
Application number: DE3335772A
Authority: DE
Inventors: Leslie Bruce Palo Alto Calif. Wilner
Original assignee: Becton Dickinson and Co
Current assignee: Meggitt Orange County Inc
Priority date: 1982-10-04
Filing date: 1983-10-01
Publication date: 1987-04-23
Also published as: GB2128404B; JPH0471343B2; FR2534022A1; DE3335772A1; FR2534022B1; US4498229A; JPS59132173A; GB8326485D0; GB2128404A

Abstract

Verfügbar gemacht werden ein elektromechanischer Meßgrößen-Umformer und ein Verfahren zu dessen Herstellung, der ein Piezowiderstands-Element bzw. eine Meßlehre benutzt, das bzw. die kristallin gleichartig sind mit dem Grundmaterial oder dem Substrat, das als Träger dafür dient. Die erfindungsgemäße Meßlehre ist eine Kraft-Meßlehre und aus ihrem Substrat durch Ätzen in einer Reihe von Schritten abgeleitet, die schließlich eine Meßlehre mit beträchtlich verminderten Erfordernissen in bezug auf die Spannungsenergie liefern, da das Meßlehren-Volumen nur etwa 3 x 10-10 cm3 des gespannten Materials zu betragen braucht. In der besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Element oder die Meßlehre von seinem Substrat freigeätzt, so daß es in seiner Wirkung eine "schwimmende Meßlehre" darstellt. Dies wird dadurch erreicht, daß die Meßlehre in ihrem Substrat oder in einem starr mit ihrem Substrat verbundenen Material definiert wird, das unmittelbar benachbarte Material weggeätzt wird und die Meßlehre frei im Raum zurückgelassen wird, während sie an den beiden Enden von dem Substrat gehalten wird.

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Herstellen eines Meßwandlers, der auf Piezo-Widerstandsbasis arbeitet, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, und einem entsprechenden Meßwandler nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
In Meßwandlern, die auf piezo-resistiver Basis arbeiten, auf die die vorliegende Erfindung gerichtet ist, wird ein Umformer-Element zum Nachweis der Relativverschiebung zweier Teile und zur Entwicklung eines ensprechenden elektrischen Signals eingesetzt. Im allgemeinen wurden in der Vergangenheit und werden solche Relativverschiebungen mit Hilfe verschiedenartiger Spannungsmeßgeräte gemessen. Diese tendieren jedoch zu einem erheblichen Gewicht, wobei einige von ihnen einen großen Raumbedarf haben und andere nicht mehr empfindlich sind. Diejenigen, die wiederum empfindlich sind, haben eine komplizierte Bauweise und sind sehr teuer. Wie oben dargelegt, richtet sich die vorliegende Erfindung auf einen Meßwandler des auf eine Kraft entsprechenden Typs; dieser Meßwandler ist zwischen zwei Teilen befestigt, zwischen denen eine Kraft angelegt wird. Demgemäß wird der Meßwandler in einem Maße gespannt, das von der betreffenden Kraft abhängt. Sie ist wesentlich kleiner als die Kraft-Meßgeräte gemäß dem Stand der Technik, von relativ einfachem Aufbau, leicht zu fertigen und infolgedessen weniger kostspielig.
Im Zuge der Entwicklungen der Anwendungen solcher Meßwandler mit Piezowiderstand im Laufe der Jahre hat sich ein immer stärkerer Bedarf nach extrem kleinen Meßwandlern mit hoher Empfindlichkeit und geringem Raumbedarf herausgebildet. Bei der Entwicklung von Kraft-Meßwandlern extrem geringer Größe ergeben sich jedoch Schwierigkeiten in bezug auf ihre Handhabung bei der Befestigung auf einem Substrat, sobald sie fertiggestellt sind. Sie sind nicht nur wegen ihrer geringen Größe, sondern auch wegen ihrer Zerbrechlichkeit schwierig zu handhaben.
Einer der Hauptvorteile von Kraft-Meßwandlern liegt in der Tatsache, daß die Verschiebung zwischen den Auflagen an jedem ihrer Enden, die durch die Relativverschiebung der beiden Teile erzeugt wird, an denen diese Auflagen angebracht sind, konzentriert wird in dem sozusagen "aufgehängten" Teil des Kraft-Meßwandlers, der die zu erfühlende oder zu messende Spannung mechanisch zu vervielfachen vermag. Weiterhin ist die Widerstandsänderung des Elements bezogen auf die Einheit der Verschiebung am größten, wenn die Länge des Elements vermindert wird. Durch Einsatz von sowohl geringen Längen der Widerstandsbahn als auch geeigneter Hebelverhältnisse können aus kleinen Verschiebungen sehr große Widerstandsänderungen resultieren. Diese Änderung des Widerstandes wird bestimmt mittels eines elektrischen Stromes, der durch das Element hindurch von einer Auflage zu der anderen fließt, und Messung der Änderungen der Spannung oder anderer elektrischer Eigenschaften, die von den Änderungen des Widerstandes herrühren. Wenn jedoch Versuche unternommen werden, solche Kraft--Meßwandler immer kleiner zu machen, dann treten, wie obenerwähnt, oft Schwierigkeiten in bezug auf ihre Handhabbarkeit bei der Befestigung auf ihren Substraten sowie andere Probleme, die gewöhnlich beim Umgang mit sehr kleinen Gegenständen entstehen.
US-PS 33 51 880 beschreibt einen elektromechanischen Meßwandler mit einem piezoresistiven Element, das eine brückenförmige Verbindung zweier Trägereinrichtungen darstellt, wobei das piezoresistive Element durch ein Bindemittel oder Lot auf der Trägereinrichtung fixiert ist.
US-PS 40 93 833 beschreibt die Verwendung eines piezoresistiven Elements entsprechend US-PS 33 51 888 in einer Druck-Meßwandlervorrichtung.
D. Schubert in "Feingeräte-Technik", 29, 1980, Heft 7, Seiten 306 bis 308 beschreibt die Dotierung der Widerstände für integrierte piezoresistive Wandler durch Implantationsverfahren sowie die Änderung der Kenndaten im Vergleich zu piezoresistiven Wandlern, die durch Diffusionsverfahren erzeugt werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen eines Meßwandlers, der auf piezoelektrischer Basis arbeitet und aus einkristallinem Silizium besteht, zu schaffen, der trotz äußerst geringer Größe keine Schwierigkeiten in bezug auf seine Handhabung bei der Befestigung auf einem Träger bereitet.
Dazu werden durch die vorliegende Erfindung Meßwandler, die auf piezoresistiver Basis arbeiten und aus einkristallinem Silizium bestehen, verfügbar gemacht, die sich von dem Substrat ableiten, von dem sie anschließend beim Einsatz gehalten werden. Das heißt, die Widerstandsbahnen werden auf dem Substrat festgelegt oder darauf markiert und anschließend direkt aus dem Material des Substrats geätzt. In einer Form der Widerstandsbahn gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Lehre so geätzt, daß man eine kleine tragende Fläche darunter beläßt, wobei die Widerstandsbahn durch diesen kleinen Teil des Substrats noch mit dem Substrat richtig verbunden gehalten wird. In ihrer bevorzugten Ausführungsform richtet sich die vorliegende Erfindung auf einen Meßwandler dessen von ihrem Substrat über ihre Länge hinweg freigeätzt ist, mit ihm jedoch an ihren enden kontinuierlich verbunden ist. Auf diese Weise sind die Widerstandsbahnen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einkristallin mit ihrem Träger hergestellt.
Das bedeutet, daß Widerstandsbahnen mit einem wesentlich geringeren spannungsbeaufschlagten Volumen dadurch erzeugt werden, daß die Widerstandsbahn in dem Substrat festgelegt wird und anschließend das unmittelbar benachbarte Material fortgeätzt wird, wodurch die Widerstandsbahn, nach Art der Widerstandsbahnen der Vergangenheit, frei im Raum zurückgelassen werden, jedoch gehaltert gegen unerwünschte Querbelastungen durch voneinander entfernte Teile des Substrats. Solche Widerstandsbahnen können ein unter mechanischer Spannung stehendes Volumen von 3 × 10^-10 cm³ haben, während die gegenwärtig im Handel erhältlichen Meßwandler Widerstandsbahnen aufweisen, bei denen das unter mechanischer Spannung stehende Volumen 5 × 10^-7 cm³ beträgt. Beide Widerstandsbahnen werden typischerweise zu 1&permil; gespannt. Somit ist die mittige mechanische Spannung für die kleinere Widerstandsbahn ein tausendfaches weniger.
In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß das Volumen der gemäß der vorliegenden Erfindung formulierten Widerstandsbahnen über einen weiteren Bereich hinweg variiert wird, je nach der vorgesehenen endgültigen Verwendung. Beispielsweise kann eine "derbe" Widerstandsbahn die Abmessungen 3 × 10^-4 cm × 8 × 10^-4 cm × 32 × 10^-4 cm oder etwa 10^-9 cm³ aufweisen. Andererseits kann eine empfindliche 0,3 × 10^-4 cm × 3 × 10^-4 cm × 12 × 10^-4 cm oder etwa 10^-11 cm³ aufweisen. Durch Einsatz der Elektronenstrahl-Lithographie kann ein Widerstandsbahn- Volumen von 10^-12 cm³ erzielt werden.
Betrachtet man die allgemeinen Bedingungen für die Durchführung des hier angegebenen Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zum Herstellen eines Meßwandlers, wird ein übliches Silizium-Kristall- Material ausgewählt, und der Umriß der Widerstandsbahn wird auf den ausgewählten Kristall, der das Substrat bildet, geätzt. Gewählt wird eine Ätzung, die sowohl anisotrop als auch Dotierungsmittel-selektiv ist. Ätzalkali-, Hydrazin- und Brenzkatechin-Ätzmittel können gewählt werden, je nach den angestrebten Ergebnissen. Sie greifen Silizium rasch in der [112]-Richtung, mäßig rasch in der [110]-Richtung und sehr langsam in der [111]-Richtung an. In der vorliegenden Erfindung ist die Substrat-Orientierung (110) in der Ebene und [111] längs der Widerstandsbahn, wodurch eine Rille definiert wird, über der sich die Widerstandsbahn ausdehnt. Bei einer solchen Orientierung wird eine Rille mit Wandungen, die nahezu senkrecht sind, und mit Böden, die nahezu waagerecht sind, gebildet.
Die gleichen Ätzmittel sind dahingehend selektiv in bezug auf das Dotierungsmittel, daß sie Silizium in das eine Bor-Konzentration von mehr als 5 × 10¹⁹/cm³ eingebracht ist, sehr langsam angreifen. Nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird die Widerstandsbahn festgelegt und ihre Anschlüsse werden ebenfalls definiert durch eine planare Diffusion oder Ionen-Implantation durch eine Oxid-Maske bis zu einer Bor-Konzentration von grob 10²⁰/cm³. Das Bor macht die Widerstandsbahn zu einer solchen des p-Typs, während das Substrat vom n-Typ ist. Die Diffusionsfläche ist von dem Substrat durch einen p-n-Übergang elektrisch isoliert. Während des anisotropen Ätzvorgangs, der die Rille bildet, wird die Widerstandsbahn dem Ätzmittel ausgesetzt, ist jedoch gegenüber diesem beständig. Es ist ausdrücklich darauf hinzuweisen und wird auch weiter unten näher erläutert, daß bei der Festlegung der Rille, über die sich die Widerstandsbahn erstreckt, auch eine Gelenkverbindung in dem Substrat festgelegt wird, um die sich das eine Ende des Substrats relativ zu dem anderen bewegt, um die Spannung zu übertragen, die von dem Meßwandler erfaßt wird. Außerdem schützt die Gelenkverbindung die Widerstandsbahn vor der Einwirkung von Belastungen in Querrichtung.
Es können auch zwei Substrat-Plättchen (Wafers) miteinander verbunden werden. Rillen können vor oder nach dem Vereinigen der Plättchen gebildet werden. Wenn die Rillen durch Ultraschallbohrung hergestellt werden, müssen sie vor dem Verbinden hergestellt werden. Die Widerstandsbahnen und ihre Anschlüsse müssen in dem Widerstandsbahnen-Plättchen durch Dotieren auf die erforderliche hohe Bor-Konzentration vor dem Verbinden festgelegt werden, und anschließend wird der gesamte undotierte Teil des Widerstandsbahnen-Plättchens anisotrop fortgeätzt. Alternativ hierzu kann die gesamte Bindungsfläche des Widerstandsbahnen-Plättchens mit Bor dotiert werden, so daß die Ätzung eine durchgehende Folie des Widerstandsbahnen-Materials hinterläßt, aus der Widerstandsbahnen mittels eines anschließenden photolithographischen Schrittes herausgeätzt werden können. Dieses Verfahren ähnelt dem Lösungsweg des verbundenen Plättchens, der durch die Anmelderin beschrieben und beansprucht wird in der gleichfalls anhängigen US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 2 33 728, eingereicht am 12. Februar 1981 (DE-A1 32 04 602).
Beispielsweise ist das Widerstandsbahnen-Plättchen immer noch (110) [111] orientiert, während das Gelenkverbindungs-Plättchen zum Zwecke des leichten und präzisen Ätzens (100) [110] orientiert ist. Dies liefert eine geringere Differenz der Spannung an den Plättchen und der damit verbundenen Oberfläche der Gelenkverbindung als das quadratische Ätzmuster in (110). Wenn die beiden Plättchen einmal mit einander verbunden sind, wobei die Widerstandsbahnen über ihren entsprechenden Rillen oder Öffnungen angeordnet sind, die in den Plättchen festgelegt sind, dann werden die Widerstandsbahnen-Plättchen bis auf die Widerstandsbahnen und ihre Anschlüsse anisotrop weggeätzt werden. Dieses Verfahren ist in bezug auf seine Durchführung komplexer, aber es bietet eher eine dielektrische Isolierung der Widerstandsbahnen als eine Dioden-Isolierung. Außerdem ermöglicht es die Verwendung verschiedener Kristallorientierungen in dem Widerstandsbahnen-Plättchen und dem Substrat-Plättchen. Dieses Verfahren weicht allerdings von einem der vorrangigen Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung ab, nach dem die Widerstandsbahn und ihr Substrat-Träger die gleiche Kristallstruktur haben sollen.
Ein Meßwandler, der nach den im Vorstehenden angegebenen allgemeinen Verfahrensweisen entwickelt wurde, eignet sich besonders für Beschleunigungsmesser, Druck- Meßwander und Verschiebungs-Meßwandler. Die Länge jeder hiernach erzeugten Widerstandsbahn beträgt im allgemeinen etwa 25 µm, während die Breite etwa bei 6 µm liegt.
Die allgemeinen Schritte oder Arbeitsgänge, die zur Herstellung eines Meßwandler-Würfels, der auf piezo-resistiver Basis arbeitet, zum Einsatz in einem Beschleunigungsmeßgerät durchzuführen sind, umfassen zuerst die Auswahl eines Silizium-Plättchens, je nach der Form des oder der auszubildenden Sensoren für eine besondere Anwendungsform. Anschließend werden einzelne Sensoren, sobald sie mit ihren Widerstandsbahnen gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt worden sind, aus dem Plättchen würfelförmig herausgeschnitten. Das Plättchen wird stark oxydiert. Anschließend werden photolithographisch auf beide Seiten des Plättchens Markierungen aufgebracht, um die Muster auf jeder Seite des Plättchens auszurichten. Hier ist sicherzustellen, daß in bezug auf jeden auf einem Plättchen gebildeten Würfel Widerstandsbahnen auf einer Seite oder beiden Seiten des Plättchens ausgebildet werden können, was wiederum abhängt von der Form des in der Entwicklung für einen besonderen Anwendungszweck befindlichen Sensors.
Nach dem Aufbringen der Markierungen auf jede Seite mittels eines photolithographischen Mittels werden Öffnungen in der Oxid-Schicht freigelegt, die kräftig zu dotieren sind, um die Widerstandsbahnen und die Leiter für diese festzulegen. Nachdem dies getan ist, wird Bor auf die freigelegten Flächen auf beiden Seiten in einer Menge von 1,5 × 10¹⁶ Atome/cm² aufgebracht, die ausreicht, um eine Bor-Konzentration in einer Menge von wenigstens 5 × 10¹⁹ Atomen/cm³ und eine Tiefe innerhalb des Bereichs von etwa 0,1 bis 3 µm zu erhalten. Die Implantation sollte nahezu den gleichen Grad der Dotierung auf beiden Seiten liefern. Anschließend an das Implantieren des Bors wird das Silizium-Plättchen bei einer Temperatur von 920°C etwa 1 h getempert. In diesem Zusammenhang wird hinsichtlich einer ausfühlicheren Diskussion über die allgemeinen Verfahrensweisen, die hier zur Durchführung gelangen und erörtert werden, auf die obengenannte gleichzeitig anhängige US-Anmeldung mit dem Aktenzeichen 2 33 728 (DE-A 32 04 602.2) verwiesen. Die gleiche Bor-Dotierung kann durch planare Diffusion erreicht werden.
Nach dem Arbeitsgang des Temperns werden die Ätzmuster auf beiden Seiten photolithographisch freigelegt. Auf diese Weise wird das Plättchen für den Arbeitsgang des anisotropen Ätzens vorbereitet. Das Ätzen kann erfolgen mittels eines Kaliumhydroxyd-Wasser-Isopropylalkohol- Bades. Vorzugsweise wird jedoch ein Ethylendiamin- Brenzkatechin-Ätzmittel verwendet. In diesem Zusammenhang werden während dieses Ätzvorgangs Flächen, die durch Oxid geschützt sind, und Flächen, die stark mit Bor dotiert sind, nicht geätzt. Der Ätzvorgang dauert annähernd vier Stunden. Das Ätzen wird beispielsweise bis zu einer Tiefe von etwa 0,056 mm durchgeführt, wenn man ein Plättchen von 0,127 mm zugrundelegt, so daß eine zentrale Gelenkverbindung von 0,015 mm verbleibt. Die Tiefe sollte ausreichend sein, um eine im wesentlichen ebene Bodenoberfläche der Rille unterhalb der Widerstandsbahnen zu erreichen. Die Tiefe sollte ebenfalls ausreichend sein, daß die Restdicke am Boden der Rille, die als ein elastisches Scharniergelenk betrachtet wird, einen kleinen Bruchteil der Biegesteifigkeit in einem System repräsentiert, das aus dem gebildeten Scharniergelenk und seiner Widerstandsbahn besteht.
Sobald der Ätzvorgang stattgefunden hat, wird das gesamte vorher aufgebrachte Oxid entfernt, und eine dünne Oxid-Schicht wird auf das Plättchen aufgebracht, um alle p-n-Übergänge zu schützen. Danach wird Aluminium auf wenigstens einer oder beiden Seiten aufgebracht, um die metallischen Verbindungen für die einzelne Widerstandsbahn oder die Widerstandsbahnen anzubringen. In Verbindung hiermit werden nach dem Aufbringen des Aluminiums die Muster des Aluminiums für die Bildung der Kontaktflächen photolithographisch auf dem Plättchen definiert. Anschließend wird das Plättchen mit einer Diamantsäge in die einzelnen Würfel zerschnitten.
Ausführungsbeispiele vorliegender Erfindung werden im folgenden in Verbindung mit den Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Meßwandlers auf piezoresistiver Basis und aus einkristallinem Silizium zur Veranschaulichung der Erfindung, in dem eine einzelne Widerstandsbahn auf einer Seite des betreffenden Substrats angeordnet ist.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines entsprechenden Meßwandlers zur Veranschaulichung der Erfindung, in dem zwei Widerstandsbahnen zur Kraftmessung auf einer Seite des Substrats angeordnet sind. Die
Fig. 3a bis 3j zeigen diagrammartige Schnittansichten der Abfolge der erfindungsgemäßen Verarbeitungsbedingungen bei der Bearbeitung der Plättchen gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, in der die Widerstandsbahnen auf einen überhängenden Träger geätzt sind.
Fig. 5 zeigt eine perspektivische Darstellung nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die eine Form der Erfindung veranschaulicht, in der die Widerstandsbahnen versetzt von der Haupt-Kristallrichtung anisotrop geätzt sind.
Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht einer von einer Trägereinrichtung unterstützten Widerstandsbahn, die eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
In den Zeichnungen bezeichnen in verschiedenen Darstellungen gleiche Bezugszahlen die gleichen Teile.
Fig. 1 zeigt einen die Erfindung veranschaulichenden Meßwandler 10 mit einem Substrat 24 mit einer darin festgelegten Rille 25, die die Widerstandsbahn 12 unterscheidet. Wie aus der Fig. 1 zu ersehen ist, erstreckt sich die Widerstandsbahn 12 über die Rille 25 hinweg zu den Auflageflächen 14, 16 an den jeweiligen Enden derselben. 18 ist eine Verbindung zwischen der Auflagefläche 14 der Widerstandsbahn und dem Ende 19 des Substrats 24, während 20 die entgegengesetzte Verbindung ist, die den Kontakt mit der Widerstandsbahn-Auflagefläche 16 aufrechterhält. 22 ist der Kontakt zu dem Substratende 28. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Rille 25 eine als Scharniergelenk wirkende Verbindung 30 zwischen dem festgehaltenen Substrat-Ende 28 und dem beweglichen Ende 26 definiert. Eine Kraft wird auf das bewegliche Ende 26 in Richtung der Pfeile 32 zur Einwirkung gebracht, wodurch das bewegliche Ende 26 sich um die Verbindung 30 relativ zu dem festen Substrat-Ende 28 bewegt und auf diese Weise in der Widerstandsbahn 12 eine Spannung erzeugt, die elektronisch gemessen wird.
Wenn die empfindlichen Elemente oder Widerstandsbahnen in der Weise der vorliegenden Erfindung formuliert sind, können sie in eine elektronische Schaltung zur Verbindung mit einem Aufzeichnungssystem eingebaut werden, je nach dem Endzweck dieser Schaltung. Beispielsweise können die Widerstandsbahnen für den Einsatz in einem Druck-Meßwandler-System in eine Wheatstone'sche Brückenschaltung in einen Druck-Sensor ähnlich dem in der US-PS 40 65 970 gezeigten eingebaut werden.
Fig. 2 zeigt einen Meßwandler 34 mit zwei Widerstandsbahnen 36, die auf der Oberseiten-Oberfläche 60 desselben mit Hilfe der allgemeinen oben erörterten Arbeitsweisen aufgebracht sind. Die beiden Widerstandsbahnen 36 enden auf der einen Seite in einer Auflagefläche 58, die auf dem beweglichen Ende 44 des Substrats 42 liegt, während die beiden Widerstandsbahnen 36 einzeln für sich getrennte Auflageflächen 56 aufweisen, die auf dem festen Ende 46 des Substrats 42 angeordnet sind. Die Auflageflächen 56 haben daraufliegende elektrische Kontaktanschlüsse 38, während die Auflage 58 die Fläche 40 trägt. Die metallische Fläche 40 wird gebildet, um den elektrischen Widerstand der Auflagefläche 58 und den benachbarten Enden der Widerstandsbahnen 36 zu erniedrigen. Sie ist für die gezeigte Konstruktion nicht zwingend erforderlich. Die Kontaktanschlüsse 38 und die Fläche 40 können im Sinne des oben Gesagten aus Aluminium bestehen.
Wie aus der Fig. 2 zu entnehmen ist, ist die als Scharniergelenk wirkende Verbindung 52 in der Mitte zwischen der Oberseite und der Unterseite des Substrats 42 angeordnet, was im Gegensatz zu der in Fig. 1 dargestellten Anordnung steht. Auf diese Weise werden eine obere Rille 48 und eine untere, rückwärtige Rille 50 gebildet, die das Scharniergelenk 52 festlegen. In Verbindung mit der Darstellung der Fig. 2 hat man sich vorzustellen, daß ein Muster der Widerstandsbahnen ähnlich dem auf der Oberseiten-Oberfläche 60 des Substrats 42 dargestellten auch auf der Unterseiten-Oberfläche desselben gebildet werden kann, wobei dieses Widerstandsbahnen- Muster nominell mit dem abgebildeten identisch ist. Die Widerstandsbahnenmuster werden von dem Substrat und voneinander durch p-n-Übergänge isoliert. Diese Anord, nung leitet sich aus den oben angegebenen allgemeinen Arbeitsbedingungen und -schritten ab.
Die Fig. 3a bis 3j zeigen eine Abfolge von Arbeitsgängen zur erfindungsgemäßen Herstellung einer Meßwandler- Anordnung mit einer einseitigen, freiliegenden oder aufgehängten Widerstandsbahn. Wie in der Fig. 3a dargestellt ist, besitzt ein Substrat 62 darauf ausgebildet eine oxydierte Schicht 64 auf der Oberseite und eine oxydierte Schicht 66 auf der Oberfläche der Unterseite. Nach dem Schritt des Oxydierens werden Indices für Bearbeitung sowohl der Schicht 64 als auch der Schicht 66 des Substrats koordiniert angebracht, indem die Koordinaten-Indices 68, 70 darin gebildet werden. Wie aus der Fig. 3c zu entnehmen ist, wird die Schicht 64 bei 72 für die Dotierung freigelegt. Danach wird Bor aus B₂O₃ in die freigelegten Öffnungen bis zu einer B-Atom-Konzentration von 10²⁰/cm³ eindiffundieren gelassen, wodurch beispielsweise ein Flächenwiderstand von 6 Ohm/cm² erzeugt werden kann. die Fig. 3d zeigt das in die offenen Flächen 72 und in das Index-Muster eindiffundierte Bor 74.
Nach dem Schritt der Bor-Diffusion werden beide Seiten des Substrats 62 mit einem Ätzmuster für den anschließenden Ätzvorgang festgelegt, wie dies in 76 bzw. 78 (Fig. 3e) gezeigt ist. Anschließend wird der Arbeitsgang des anisotropen Ätzens durchgeführt, vorzugsweise mit dem Ethylendiamin-Brenzkatechin-Ätzmittel, wie dies im Vorstehenden erörtert wurde. Das Ätzen findet bis zu einer Tiefe von 0,056 mm in Material von 0,127 mm statt, so daß die Widerstandsbahnen unterschnitten werden und zentrale Gelenkverbindungen von 0,015 mm verbleiben. Wie aus der Fig. 3f zu ersehen ist, bildet das Ätzen Rillen 48, 50, die an jeder Ätzstelle eine Gelenkverbindung 52 festlegen. Aus der Fig. 3f ist weiterhin zu entnehmen, daß die Koordinaten-Indices 68, 70 durch das Ätzen beeinflußt werden. In diesem Zusammenhang sind die ursprünglichen Index-Markierungen durch Bor-Dotierungen gegen das Ätzen immunisiert. Index- Bilder können dem Ätzen neue Index-Flächen öffnen oder auch nicht, wie dies gewünscht wird. Die gebildeten Widerstandsbahnen 84 erstrecken sich, wie der Fig. 3f zu entnehmen ist, über die Rillen 48 in ähnlicher Weise wie in der Darstellung der Fig. 2.
Anschließend wird das verwendete Oxid von dem Substrat 62 entfernt und ein dünner Oxid-Überzug auf beide Oberflächen 64, 66 aufgebracht, wodurch die in der Fig. 3g dargestellte Anordnung gebildet wird. Im Anschluß an das Aufbringen der dünnen Oxid-Schicht wird eine Metall-Schicht 80 auf die Oberfläche 64 des Substrats 62 aufgebracht, wie dies aus der Fig. 3h hervorgeht. Der Überzug aus Aluminium oder Metallschicht 80 wird dann mit einem Muster versehen, um die Kontakte oder Verbindungsglieder der an jedem Ende der Widerstandsbahnen gebildeten Auflageflächen festzulegen (Fig. 3i). Schließlich werden die einzelnen Würfel aus dem nach der oben beschriebenen Arbeitsweise bearbeiteten Plättchen herausgeschnitten, wobei ein einzelner Würfel eine Form ähnlich der in der Fig. 3j dargestellten Form 86 besitzt.
Als ein weiteres Merkmal gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere im Hinblick auf die kostengünstige Fertigung von Druck-Sensoren mit hoher Empfindlichkeit, wurde gefunden, daß die relative Unebenheit einer Widerstandsbahn auf ihrem eigenen Träger gegenüber einer vollständig freigelegten oder "schwimmenden" Widerstandsbahn zu bevorzugen ist. Die für eine solche durch eine Trägereinrichtung unterstützte Widerstandsbahn aufzuwendende Spannung beträgt etwa das Dreifache derjenigen, die für eine freiliegende Widerstandsbahn benötigt wird, jedoch macht ihre Beständigkeit gegenüber Beschädigungen bei der Handhabung sie erheblich billiger, worauf besonders hinzuweisen ist. Wenn das Ätzen in einer (100)-Kristalloberfläche vorgenommen wird, bilden die Wandungen der geätzten Hohlräume Winkel von 35° bis 45° mit der Senkrechten. Leitende Metall-Filme können aufwärts und abwärts dieser Hänge aufgebracht und mit Mustern versehen werden, die dann eine Widerstandsbahnen tragende Trägereinrichtung definieren. Beim Ätzen sind die Widerstandsbahnen in [110]-Richtung ausgerichtet, wie dies für den höchsten Widerstandsbahnen-Faktor erforderlich ist, und die Widerstandsbahnen werden nicht unterschnitten, wie oben beschrieben wurde, sondern sie verbleiben auf Trägereinrichtungen, wodurch Widerstandsbahnen mit relativer Unebenheit erhalten werden.
Die Fig. 6 veranschaulicht diese Form der vorliegenden Erfindung in einem Schnittbild, in dem die Widerstandsbahn 150 von ihrer zugehörigen Trägereinrichtung 152 oberhalb der Rillenebene 154 getragen wird. In dieser Form wird eine neutrale Biegeachse 156 in der Nähe der Rillen-Ebene 154 des Gelenks ausgebildet.
Auf der anderen Seite ist es vorzuziehen, daß die Widerstandsbahnen in durch Ätzen freigelegter Form in dieser Ebene vorliegen, falls sie "schlecht zentriert" sind; das Versetzen des einen Endes der Widerstandsbahn um wenigstens die Breite derselben ermöglicht, daß beim Ätzen die Widerstandsbahn unterschnitten wird. Eine gewisse zusätzliche Verdrehung der Widerstandsbahn kann erforderlich werden, um ein Glätten des Raumes, der die Rille unter der Widerstandsbahn definiert, durch das Ätzmittel zu ermöglichen. Die gewinkelte Widerstandsbahn besitzt eine Breite von etwa 7,5 µm, eine Länge von 37,5 µm, eine Tiefe von 15 µm und eine ebene Bodenbreite von etwa 15 µm.
Die Konzession, die für die Winkelabweichung der Widerstandsbahn von der Haupt-Kristallrichtung [110] zu machen ist, liegt in einer Verminderung des Widerstandsbahnen-Faktors. Beispielsweise verringert ein Winkel von 13° zur Widerstandsbahn den Widerstandsbahnen-Faktor um 19%. Dies bedeutet eine relativ geringe Einbuße im Vergleich zu dem Gewinn an Empfindlichkeit aufgrund der Entfernung des darunterliegenden Materials. Die Fig. 5 ist repräsentativ für eine Ausführungsform der oben diskutierten Art, in der die Widerstandsbahnen 126 in einem Winkel relativ zu der Hauptachse 145 des Substrats 120 angeordnet sind. Wie aus der Fig. 5 zu entnehmen ist, wirkt die angelegte Kraft, wie durch die Pfeilrichtungen 142 angezeigt wird, auf das bewegliche Ende 122 des Substrats 120 an dem Gelenk 140 um das feste ende 124 des Substrats 120. Das Gelenk 140 wird durch die obere Rille 136 bzw. die untere Rille 138 festgelegt. In dieser besonderen geometrischen Form des Sensor-Elements enden die Widerstandsbahnen 126 in einer einzigen Auflagefläche 128 an ihrem einen Ende, während die Widerstandsbahnen 126 an ihrem anderen Ende in einzelne getrennte Auflageflächen 130 münden, Aluminium-Verbindungen 132, 134 sind auf diese Auflageflächen aufgebracht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein überhängender Meßwandler eingesetzt werden. Die Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein Überhang benutzt wird. In Fig. 4 ist ein Meßwandler 94 auf einem Grundblock 92 befestigt. Der Meßwandler 94 kann auf dem Grundblock 92 vermittels einer Klammer befestigt sein, oder die beiden Teile können mit Hilfe eines Klebstoffs miteinander verbunden sein. Der Meßwandler 94 besitzt ein festes Ende 100, das mit dem Grundblock 92 verbunden ist, während das bewegliche Ende 102 des Meßwandlers 94 einen Überhang bildet. Auf diese Weise reagiert das bewegliche Ende 102 auf Kräfte in der Richtung der Pfeile 104 um das Scharniergelenk 114, das durch eine obere Rille 116 bzw. eine untere Rille 118 festgelegt ist. Die Widerstandsbahnen 98 erleiden während dieser Bewegung in einer Richtung die Einwirkung einer Spannung, und das elektrische Signal in ihnen wird von den Kontakten 106, 112 aufgenommen, die auf die Auflageflächen 105 bzw. 107 an jedem Ende der Widerstandsbahnen 98 aufgebracht sind. Diese besondere Meßwandler-Form enthält identische Widerstandsbahnen, die auf der Bodenfläche des Meßwandlers 94 angebracht sind, um die Bewegung des Endes 102 in der umgekehrten Kraftrichtung 104 zu registrieren. Insofern erstrecken sich die Leitungen 108 von den Kontakten 106 her, während die Leitungen 110 von den Kontakten herkommen, die auf der Unterseite des Meßwandlers 94 angebracht sind und in Berührung mit den darauf befestigten Widerstandsbahnen stehen. Das in der Fig. 4 dargestellte Verbundelement kann beispielsweise als Beschleunigungs-Meßgerät eingesetzt werden, in dem die Trägheitskraft des Endes 102 diejenige Kraft ist, die von dem System gemessen wird.
Die vorstehende Diskussion macht deutlich, daß die hier beschriebene Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Meßwandlern, die auf piezoresistiver Basis arbeiten, und aus einkristallinem Silizium bestehen und diese als Produkt des Verfahrens verfügbar macht, die sich Meßwandler-Elemente mit solchen Widerstandsbahnen zunutze machen, die in situ auf ihren jeweiligen Substraten hergestellt sind. Dieses Verfahren und die dadurch erhaltenen Produkte machen es möglich, mit unter Spannung stehenden Material-Volumina zu arbeiten, die um einen Faktor von mehreren hundert kleiner sind als diejenigen unter Spannung stehenden Volumina, die zuvor für praktisch einsetzbar gehalten wurden. Diese gesteigerte Meßwandler-Empfindlichkeit kann bei verschiedenen Arten von Meßwandlern ausgenutzt werden, um sie mit stark verbesserter Leistungsfähigkeit auszustatten. Beschleunigungs-Meßgeräte, die sich des erfindungsgemäßen Meßwandlers bedienen, haben beispielsweise einen außerordentlich hohen Arbeitsbereich. Beispielsweise ist berechnet, daß ein herkömmlicher Beschleunigungsmesser eine Resonanzfrequenz von 161 kHz bei einer Empfindlichkeit von 1 µV/V besitzt. Im Gegensatz dazu besitzt eine Anordnung mit freigeätzter Widerstandsbahn gemäß der vorliegenden Erfindung bei der gleichen Empfindlichkeit eine Resonanzfrequenz von 1,28 MHz. Des weiteren sind Druck-Meßwandler mit einer wesentlich geringeren Größe entwickelt worden, die eine viel höhere Empfindlichkeit, Resonanzfrequenz und gute Linearität besitzen, da nur geringe Ablenkungen erforderlich sind.
Diese Meßwandler-Elemente gemäß der Erfindung können in einfacher Weise mittels Techniken der Massenproduktion hergestellt werden, weil sie in situ formuliert werden und auf diese Weise der Umfang der erforderlichen Handhabungsarbeiten vermindert wird, insbesondere im Hinblick auf die Montage der Widerstandsbahnen für diese auf den Trägersubstraten. Dies macht die Verfahren und das mittels dieser Verfahren hergestellte Produkt gemäß der vorliegenden Erfindung in hohem Maße vorteilhaft, zumal im Hinblick auf die beträchtliche Senkung des Materialbedarfs für das unter Spannung befindliche Volumen in den Meßwandlern.

Claims

1. Meßwandler, der auf piezoresistiver Basis arbeitet und aus einkristallinem Silizium besteht, gekennzeichnet durch

(a) ein quaderförmiges Substrat aus dem Siliziummaterial, das durch wenigstens eine im Wege des Ätzens gebildete, senkrecht zur Längsachse des Substrats verlaufende Rille in zwei Endteile getrennt ist, die durch einen Substratbereich in Art eines Scharniergelenks miteinander verbunden sind,

(b) wenigstens eine Widerstandsbahn, die sich über die Rille hinweg senkrecht zu dieser von einem Endteil des Substrats zum anderen Endteil parallel und zur Längsachse des Substrats erstreckt, die durch Dotierung mit Bor aus dem Siliziummaterial des Substrats vor der Ausbildung der Rille und durch anisotropes Ätzen in einheitlicher Form gebildet ist, und

(c) metallische Elektrodenflächen, die elektrisch mit den Endteilen der Widerstandsbahnen verbunden sind.

2. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsbahn ein Volumen von 3 × 10^-10 cm³ in dem brückenartigen Bereich besitzt.

3. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Mehrzahl von Widerstandsbahnen quer zu der Rille erstreckt und die Endteile der Widerstandsbahnen mittels der Elektrodenflächen elektrisch untereinander verbunden sind.

4. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Rillen vorgesehen sind, die sich vonder oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche des Substrats aufeinander zu erstrecken, um zwischen sich das Scharniergelenk zu bilden.

5. Meßwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Widerstandsbahnen quer über die Rillen auf der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche des Substrats ausgebildet sind und die Endteile der Widerstandsbahnen mittels der Elektrodenflächen elektrisch untereinander verbunden sind.

6. Meßwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsbahnen gegen die Mittelachse des Substrats seitlich versetzt sind und ein Ende jeder Widerstandsbahn gegen das andere Ende derselben in Richtung der Achse des Substrats um einen Betrag seitlich versetzt ist, der der Breite der Rille entspricht.

7. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsbahn im Bereich der Rille frei von dem Substrat geätzt ist.

8. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Trägereinrichtung sich zwischen der Unterseite jeder Widerstandsbahn und dem Substrat erstreckt und die Trägereinrichtung mit den Endteilen ihrer jeweiligen Widerstandsbahn und den betreffenden Oberflächen des Substrats, aus der die Trägereinrichtung aufliegt, eine Einheit bilden.

9. Verfahren zum Herstellen eines Meßwandlers, der auf Piezo-Widerstandsbasis arbeitet und aus einkristallinem Silizium besteht mit den folgenden Schritten:

(a) Aufbringen einer Oxid-Schicht in einem ersten Auslagerungsschritt auf beide Seiten eines in der (100)-Ebene orientierten Siliziumplättchens;

(b) photolithographisches Anbringen von Markierungen der Koordinatenindices auf beiden Seiten des in dem Auflagerungsschritt erhaltenen Plättchens;

dadurch gekennzeichnet, daß man

(c) auf wenigstens einer Seite des Plättchens in der Oxid-Schicht in einem ersten Schritt der Festlegung Widerstandsbahnen in der [111]-Richtung und Leiter für diese, die eine integrale Einheit mit dem Plättchen bilden, dadurch festlegt, daß man in dem aufgelagerten Oxid-Öffnungen freilegt, die den festgelegten Widerstandsbahnen und Leitungen entsprechen;

(d) Bor in einer Menge von 1,5 · 10¹⁶ Atome/cm² in einem zweiten Auflagerungsschritt in die Öffnungen aus dem ersten Schritt der Festlegung aufbringt;

(e) Eine Temperatur von 920°C während einer Zeitspanne im Bereich von 1 h auf das Plättchen einwirken läßt, um das Plättchen an den gemäß (c) freigelegten Flächen mit Bor zu dotieren;

(f) auf wenigstens einer Seite des Plättchens ein Ätzmuster freilegt, durch das in dem Plättchen wenigstens eine Rille festgelegt wird, über die sich brückenförmig die genannten festgelegten integralen Widerstandsbahnen nach ihrer Freilegung erstrecken und die Aufteilung des Elements in zwei Endteile festgelegt wird, die mittels eines zwischen ihnen liegenden integralen Bereichs, der als Scharniergelenk wirkt, miteinander verbunden sind;

(g) das Ätzmuster aus dem Freilegungsschritt durch Anwendung eines Ätzbades anisotrop ätzt, wodurch die festgelegten Widerstandsbahnen brückenförmig unterschnitten werden und wenigstens eine Rille gebildet wid, so daß die Widerstandsbahnen in diesem Bereich festgelegt sind;

(h) das gesamte restliche Oxid von dem Plättchen entfernt;

(i) in einem dritten Auflagerungschritt eine dünne Oxid-Schicht auf das Plättchen aufbringt, um alle p-n-Übergänge auf diesem zu schützen;

(j) in einem vierten Auflagerungsschritt eine metallische Schicht auf wenigstens eine Seite des Plättchens aufbringt;

(k) in einem zweiten Festlegungsschritt die Leiter für die Widerstandsbahnen in der metallischen Schicht festlegt; und

(l) das Plättchen in einzelne Meßwandler zerschneidet.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schritt der Festlegung der Freilegungsschritt und der vierte Auflagerungsschritt auf beiden Seiten des Siliziumplättchens durchgeführt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Auflagerungsschritt mit einer solchen Menge durchgeführt wird, die ausreicht, um Bor in einer Menge von wenigstens 5 × 10¹⁹ Atome/cm³ und einer Tiefe innerhalb des Bereichs zwischen etwa 0,1 und 3 µm durch Dotierung in das Siliziumplättchen einzubringen.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Auflagerungsschritt mit einer solchen Menge durchgeführt wird, die ausreicht, um diffundiertes Bor in einer Menge von wenigstens 10²⁰ Atomen/cm³ zu erhalten.

13. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Einwirkenlassens mittels Ionen- Implantation durchgeführt wird und das Plättchen 1 h einer Temperatur von 920°C ausgesetzt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des anisotropen Ätzens mit einem Bad durchgeführt wird, das Kaliumhydroxid, Wasser und Isopropylalkohol enthält.

15. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des anisotropen Ätzens mit einem Bad durchgeführt wird, das Ethylendiamin, Brenzkatechin und Wasser enthält.