DE3727142C2 - Verfahren zur Herstellung von Mikrosensoren mit integrierter Signalverarbeitung - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Mikrosensoren mit integrierter SignalverarbeitungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Mikrosensoren mit integrierter Signalverarbeitung gemäß dem
Patentanspruch 1.
Zur Herstellung von Mikrosensoren ist
es bekannt, Methoden der Halbleitertechnik und der anisotropen
Siliziumätztechnik miteinander zu kombinieren, um in einer
Fertigungsfolge die elektronischen Schaltkreise und die damit
gekoppelten Sensorstrukturen auf einem Siliziumwafer herzu
stellen. Eine derartige Vorgehensweise zur Herstellung eines
kapazitiven Beschleunigungssensors ist in K. E. Petersen, A.
Shartel and N.F. Raley "Micromechanical Accelerometer Inte
grated with MOS Detection Circuitry", IEEE Transactions on
Electron Devices, Vol. ED-29, No. 1, January 1982, pp. 23 to
27, beschrieben und dargestellt. Gemäß Fig. 1 dieser Veröf
fentlichung wird zunächst als Elektrode und Ätzstoppschicht
eine strukturierte p-dotierte Schicht in der Oberfläche eines
Si-Wafers erzeugt. Sodann wird epitaktisch Silizium in einer
dem Elektrodenabstand entsprechenden Dicke abgeschieden und
eine strukturierte Siliziumoxidschicht erzeugt. Durch die Öff
nung in der Siliziumoxidschicht wird mittels anisotroper Ätz
technik ein Kontaktloch durch die epitaktische Siliziumschicht
zur vergrabenen Elektrode hergestellt. Durch Dotieren werden
Source- und Drainbereich und die elektrische Verbindung im
Kontaktloch erzeugt. Danach wird das Gateoxid erzeugt und ein
Ätzfenster in der Siliziumoxidschicht zur späteren Bildung der
Sensorstruktur in Form einer Zunge freigelegt. Sodann werden
die elektrischen Verbindungen erzeugt und der Zungenbereich
metallisiert. Als letzter Schritt wird durch anisotropes Sili
ziumätzen eine Grube zwischen der vergrabenen Elektrode und
dem Siliziumoxid gebildet, wodurch eine schwingfähige Zunge
aus metallisiertem Siliziumoxid entsteht.
Nachteilig bei dieser Fertigungsfolge wirkt sich aus, daß
Standardhalbleiterprozesse wie z. B. das Oxidieren und das Do
tieren in wechselnder Folge mit anisotropen Siliziumätzprozes
sen angewendet werden. Dies führt zu Problemen bei der Serien
fertigung, da durch die Verwendung alkalischer Ätzmittel beim
anisotropen Ätzen die Gefahr besteht, daß die Eigenschaften
der elektronischen Schaltkreise in unerwünschter Weise verän
dert werden.
Eine ähnliche Methode ist aus IEEE Transactions on Electron
Devices, Vol. ED-14, No. 3, March 1967, PP. 117 bis 133 be
kannt. Dabei wird nach der Fertigung der elektronischen
Schaltkreise die gesamte Oberfläche des Substrats mit einer
metallischen Schicht belegt. Für den Aufbau des Mikrosensors
sind mehrere Zwischen- und Nachbehandlungsschritte, u. a. auch
unterschiedliche Ätzprozesse, erforderlich.
Die Herstellung von Mikrostrukturen auf röntgenlithographi
schem Wege (LIGA-Verfahren) ist in dem Bericht KfK 3995, Nov.
1985, des Kernforschungszentrums Karlsruhe, auf den verwiesen
wird, beschrieben und dargestellt.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung
von Mikrosensoren zur Verfügung zu
stellen, bei dem die Herstellungsschritte für die Sensorstruk
turen keine negativen Auswirkungen auf die damit gekoppelten
elektronischen Schaltkreise haben.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden die im An
spruch 1 enthaltenen Verfahrensschritte vorgeschlagen. Der
hierauf bezogene Unteranspruch 2 beinhaltet eine vorteilhafte
Ausgestaltung dieser Lösung.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß die Her
stellung der Sensorstrukturen unabhängig von der Herstellung
der elektronischen Schaltkreise ist und letztere nicht beein
flußt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand
der Zeichnungen erläutert:
Fig. 1 bis 3 zeigen die Herstellung eines induktiven Ab
standssensors nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
Fig. 4 bis 11 zeigen die Herstellung eines kapazitiven Be
schleunigungssensors für die Messung sehr kleiner Beschleuni
gungen.
Fig. 1a zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Substrats in
Form eines Siliziumwafers 1, auf dem ein elektronischer
Schaltkreis, symbolisiert durch eine MOSFET-Struktur 2 und ei
nige Leiterbahnen 3, nach bekannten Methoden der Halbleiter
technik aufgebracht wurde.
Der gesamte Wafer mit darauf befindlichen Schaltkreisen wird
mit einer isolierenden Schutzschicht 4 aus Siliziumnitrid
überzogen, in die unter Anwendung bekannter lithographischer
und ätztechnischer Methoden der Halbleiterfertigung über den
entsprechenden Stellen der Schaltkreise Kontaktöffnungen 5, 6
für die Anschlußflächen der herzustellenden Sensorstruktur und
für die externen Kontakte der Schaltkreise erzeugt wurden.
Gemäß Fig. 1b wird auf diese Schutzschicht 4 eine leitfähige
Schicht aus Kupfer aufgesputtert und mittels lithographischer
und ätztechnischer Methoden so strukturiert, daß nach Maßgabe
des Grundrisses der herzustellenden Sensorstrukturen sowie der
erforderlichen Leiterbahnen und Anschlüsse eine flächenhaft
strukturierte Galvanikelektrode 7 entsteht.
Sodann wird der gesamte Wafer 1 mit Ausnahme des verkupferten
ringförmigen Randes 7a mit einer 300 µm dicken Schicht 8 eines
Positiv-Röntgenresists (PMMA) beschichtet.
Über eine Röntgenmaske 9 wird die Resistschicht mit der
Röntgenstrahlung eines Synchrotrons partiell bestrahlt
(s. Pfeile in Fig. 1c). Nach dem Herauslösen der bestrahlten
Bereiche 8a entstehen Negative 10, 11 der Sensorstrukturen und
der Anschlußpunkte (Fig. 1d). Hierzu muß die Röntgenmaske 9
so justiert werden, daß die entstehenden Negative 10, 11 kon
gruent zur zuvor strukturierten Galvanikelektrode 7 sind.
Hierauf wird in die Negative 10, 11 galvanisch Kupfer abge
schieden, wobei die Galvanikelektrode 7 über dem freige
haltenen ringförmigen Rand 7a kontaktiert wird. Nach überfrä
sen des Resists mit den darin eingebetteten Kupferstrukturen
12, 13 (Fig. 1e) auf eine Solldicke von 250 µm wird das Sub
strat in einzelne Sensorchips zersägt.
In der Fig. 2 ist in der Draufsicht ein Ausschnitt aus der
strukturierten Galvanikelektrode 7 auf dem beschichteten Wafer
1, 4 gezeigt. Die dem Grundriß der Sensorstrukturen entspre
chenden spiralförmigen Teile 7c der Elektrode 7 sind über Bah
nen 7d zeilenweise mit dem ringförmigen Rand 7a der Galvanik
elektrode verbunden, während die den äußeren Kontakten ent
sprechenden Teile 7b mit der jeweils nächsten Bahn verbunden
sind. Beim Aufteilen in die einzelnen Chips wird die über die
Bahnen 7d und die hierzu senkrecht verlaufenden Stege 7e be
stehende elektrische Kurzschlußverbindung zwischen den äußeren
Anschlüssen der Schaltung unterbrochen (s. Schnittlinie 14).
Die Fig. 3 zeigt in perspektivischer Ansicht und teilweise
aufgerissen schematisch den so hergestellten Abstandssensor
mit der spiralförmigen Tellerspule 12 als Sensorstruktur, der
strukturierten Galvanikelektrode 7 und die von der Isolier
schicht 4 überdeckten elektronischen Schaltkreise 2 auf dem
Siliziumwafer 1. Von der Tellerspule 12 mit 50 Windungen mit
einer Windungsbreite und einem Windungsabstand von je 25 µm
und einer Höhe von 250 µm sind aus darstellungstechnischen
Gründen nur wenige Windungen nicht maßstabsgemäß gezeigt. Die
externe Kontaktierung erfolgt über die Säulenstrukturen 13.
Das Beispiel zeigt, daß das erfindungsgemäße Verfahren zur
Massenfertigung von Sensoren mit induktiv arbeitenden Elemen
ten und mit integrierter Signalverarbeitung geeignet ist. Da
die Geometrie der Sensorstruktur in lateraler Richtung frei
wählbar ist, lassen sich auch erheblich kompliziertere Sen
sorstrukturen als in diesem Beispiel realisieren. Durch die
Kombination von charakteristischen Abmessungen im Mikrometer
bereich mit einer großen Strukturhöhe, die bei der Fertigung
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren für die Sensorstrukturen
erreicht wird, können die Sensorstrukturen entweder bei glei
chen Leistungsdaten miniaturisiert oder bei gleicher Geometrie
in ihren Leistungsdaten (z. B. der Strombelastbarkeit) verbes
sert werden. Da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine hohe
Präzision der Geometrie der Sensorstrukturen erreicht wird und
durch den integrierten Aufbau die mit den Anschlußkabeln ver
bundene Problematik entfällt, können die aufwendigen Ab
gleichs- und Justierarbeiten entfallen, und das Sensorelement
kann bei Defekten mit geringem Aufwand ausgetauscht werden.
Im folgenden wird die Herstellung eines kapazitiven Beschleu
nigungssensors beschrieben, der besonders gut für die Messung
kleiner Beschleunigungen geeignet ist. Die Herstellung geht
gemäß Fig. 4 aus von einem mit einem elektronischen Schalt
kreis versehenen Substrat 80. Als Verbindungsglied zwischen
diesem Schaltkreis und der zu fertigenden mikromechanischen
Sensorstruktur dient ein MOS-Transistor, der schematisch mit
Source 80a, Drain 80b und Gate einschließlich Gateoxid 80c ge
zeichnet ist. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit sind
die weiteren Elemente des Schaltkreises und die Anschlußkon
takte weggelassen. Auf das Substrat 80 wird eine Polyimid
schicht 81 aufgebracht, die später als wieder entfernbare
Zwischenschicht zwischen einem Teil der herzustellenden Sen
sorstrukturen und dem Substrat dient. Diese Schicht 81 wird
mit lithographischen und ätztechnischen Methoden so struktu
riert, daß über dem Gate 80c des MOS-Transistors und in einem
sich daran anschließenden Bereich ein T-förmiger Durchbruch 90
entsteht (Fig. 5). Weitere Durchbrüche 91, 92 sind so
strukturiert, daß sie dem Grundriß der kammförmigen Gegenelek
troden der aufzubauenden Sensorstruktur entsprechen.
Hierauf erfolgt eine Metallisierung der Oberfläche mit an
schließender lithographischer und ätztechnischer Strukturie
rung in der Weise, daß eine als Galvanikelektrode verwendbare
Struktur verbleibt, die zum einen dem Grundriß 111 der Sen
sorstruktur entspricht und zum anderen eine elektrisch lei
tende Verbindung 112 zum Gate 80c des MOS-Transistors her
stellt (Fig. 6a, 6b). Nun wird auf die Oberfläche eine dicke
Schicht 120 (Fig. 7) eines Positiv-Röntgenresists auf
gebracht, der so über eine Röntgenmaske in Teilbereichen mit
Synchrotronstrahlung bestrahlt wird, daß nach dem Weglösen der
bestrahlten Bereiche ein Negativ 121 der Sensorstrukturen ent
steht, wobei die herausgelösten Bereiche dem Grundriß 111 der
Sensorstrukturen entsprechen (Fig. 8).
Dabei wird die in Fig. 4 dargestellte Polyimidzwischenschicht
81 noch nicht weggelöst.
Die so geschaffenen Vertiefungen über dem Grundriß 111 werden
sodann galvanisch mit Nickel aufgefüllt, wodurch die in den
Resist eingebettete Sensorstruktur in Form kammförmig ineinan
der greifender Elektroden 130, 131 gebildet wird (Fig. 9).
Als nächster Schritt wird, ggf. nach vorhergehendem Einebnen
der Oberfläche, das Substrat, auf dem gleichzeitig eine Viel
zahl derartiger Sensorstrukturen aufgebaut werden, in ein
zelne Chips aufgeteilt. Sodann werden der restliche Resist 120
(Fig. 7) weggelöst und die Polyimidzwischenschicht 81 mittels
eines Sauerstoff-Niederdruckplasmas chemisch entfernt.
Wie aus Fig. 9 zu ersehen ist, hat die eine Elektrode 130 der
Sensorstruktur die Gestalt eines Biegebalkens mit kammförmigen
Enden, wobei bei symmetrischem Aufbau der Biegebalken nur in
seinem mittleren Bereich 130a mit dem Substrat 80 fest
verbunden ist, während die übrigen Bereiche das Substrat nicht
berühren und daher in der Substratebene frei auslenkbar sind.
Die Gegenelektrode 131 hingegen ist fest mit dem Substrat 80
verbunden. Die Kämme greifen hierbei asymmetrisch ineinander.
Die beschriebene Sensoranordnung mit einem symmetrischen Biege
balken hat den Vorteil, daß sehr geringe Translationsbeschleu
nigungen unabhängig von überlagerten Winkelbeschleunigungen
gemessen werden können, wobei die Größe der Winkelbeschleuni
gung in gleicher Größenordnung wie die Linearbeschleunigung
liegen kann. Durch die gleichzeitige Herstellung zweier sol
cher Beschleunigungssensoren in senkrechtem Winkel zueinander
auf demselben Chip gemäß Fig. 10 ist damit eine winkelbe
schleunigungsfreie Messung der Linearbeschleunigung in zwei
Raumrichtungen möglich ohne zusätzliche Justierung.
Mit einer leicht modifizierten Ausführung gemäß Fig. 11 ist
darüber hinaus die gleichzeitige Messung von Linear- und
Winkelbeschleunigungen möglich, indem zwei Sensoranordnungen
parallel zueinander auf einem gemeinsamen Chip hergestellt
werden. Die asymmetrische Lage der Kämme zueinander ist hier
bei so getroffen, daß die Anordnung 150 nur auf
Linearbeschleunigungen anspricht und gegenüber Winkelbeschleu
nigungen unempfindlich ist. Bei der Anordnung 151 ist es umge
kehrt, d. h. Winkelbeschleunigungen werden angezeigt, während
bei Linearbeschleunigungen die Kapazitätsänderungen auf der
linken und der rechten Seite des Biegebalkens sich kompensie
ren, also zu keiner Anzeige führen.
Die Sensorstrukturen können nicht nur, wie vorstehend be
schrieben, auf der selben Seite wie die Schaltkreise, sondern
auch auf der anderen Seite des Substrats aufgebaut werden. Bei
komplexen Anordnungen können auch beide Seiten des Substrats
mit Sensoranordnungen versehen werden. Auch in diesen Fällen
wird die räumlich unmittelbar benachbarte Fertigung der Sen
sorstrukturen und der jeweils zugehörigen mit diesen gekoppel
ten Mikro-Schaltkreise zur integrierten Signalverarbeitung re
alisiert.
Das Resistmaterial kann vor oder nach dem Zerteilen des Sub
strats entfernt werden. Das Entfernen nach dem Zerteilen hat
den Vorteil, daß die empfindlichen Sensorstrukturen im Resist
material eingebettet und damit geschützt sind und das Zersägen
erleichtert wird.
Claims (2)
1. Verfahren zur Herstellung von Mikrosensoren mit integrier
ter Signalverarbeitung, bei dem die elektronischen Schalt
kreise für die Signalverarbeitung und die mit diesen gekop
pelten Sensorstrukturen auf einem gemeinsamen Substrat
räumlich unmittelbar benachbart gefertigt werden, das fol
gende Verfahrensschritte aufweist:
- a) Fertigung der elektronischen Schaltkreise auf dem Sub strat nach Methoden der Halbleitertechnik;
- b) Aufbringen einer leitfähigen Schicht auf dem Substrat, die so strukturiert wird, daß nach Maßgabe des Grundris ses der herzustellenden Sensorstrukturen sowie der er forderlichen Leiterbahnen und Anschlüsse für die Schalt kreise eine flächenhaft strukturierte Galvanikelektrode entsteht;
- c) Aufbringen einer Schicht eines Röntgenresists auf dem mit der Galvanikelektrode versehenen Substrat, wobei die Dicke der Schicht einer charakteristischen Höhe der Sen sorstrukturen entspricht;
- d) Herstellen von Negativen der Sensorstrukturen in dieser Schicht auf röntgenlithographischem Wege;
- e) galvanische Abscheidung eines Metalls oder einer Metal legierung in die Negative der Sensorstrukturen unter Verwendung der Galvanikelektrode;
- f) Aufteilen des Substrats mit den darauf aufgebrachten Sensorstrukturen in einzelne Funktionseinheiten (Chips).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
restliche Schicht des Röntgenresists nach dem Aufteilen des
Substrats entfernt wird.
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