DE4000903C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Sensor zur Schwingungsmessung nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Aus der DE-OS 38 14 952 sind schon Beschleunigungssensoren auf der Basis der Siliziummikromechanik bekannt, bei denen eine Zunge, die an einem oder mehreren Stegen aufgehängt ist, senkrecht zur Chip­ oberfläche ausgelenkt wird. Die Dehnung der Stege wird mit Hilfe von in einer Wheatstone'schen Brücke angeordneten Piezowiderständen bestimmt. Die seismische Masse piezoresistiv arbeitender Sensoren er­ fordert eine relativ große Chipoberfläche. Aufgrund der als Zunge aus­ gebildeten seismischen Masse und deren Schwingungsrichtung senkrecht zur Chipoberfläche ist häufig eine Kapselung des Sensors und eine Druckerniedrigung innerhalb des Sensors notwendig, da die Zungen­ schwingung sonst zu stark gedämpft wird. Außerdem weisen piezoresistiv arbeitende Sensoren eine starke Temperaturempfindlichkeit auf.

Aus der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung P 39 27 163 ist bekannt, daß in Halbleiterwafern Strukturen herausätzbar sind.

In der US-PS 45 07 705 und der DE-PS 36 11 969 werden Vorrichtungen zur Schwingungsmessung beschrieben, bei denen die Kapazitätsänderung eines aus einer feststehenden und einer schwingungsfähigen Elektrode bestehenden mikromechanischen Kondensators erfaßt wird. Das Sensor­ element wird aus einem Halbleitersubstrat gebildet, dessen Oberfläche oder eine auf die Oberfläche aufgebrachte leitfähige Schicht als fest­ stehende Elektrode dient. Die schwingungsfähige Elektrode ist in Form einer parallel zur Substratoberfläche orientierten Zunge ausgebildet und senkrecht zur Substratoberfläche auslenkbar. Die Zunge wird als zusätzliche Materialschicht auf der Waferoberfläche abgeschieden und anschließend unterätzt. Bei diesem Verfahren können bei der Verwendung von Silizium nur Polysiliziumzungen gefertigt werden, die schlechte Elastizitätseigenschaften aufweisen. In diesem Fall werden sockel­ artige Hilfsschichten auf die Waferoberfläche aufgebracht, die den Abstand zwischen der Zunge und der Waferoberfläche definieren. Über diesen Hilfsschichtensockel wird das Silizium abgeschieden. Beim Weg­ ätzen der Hilfsschichten wird dann eine schwingungsfähige Zunge, die über einen Basissockel mit der Waferoberfläche verbunden ist, frei­ gelegt. Bei der Verwendung von anderen Materialien zur Herstellung der Zunge, wie z. B. Siliziumoxid, sind zwar keine Hilfsschichten erfor­ derlich, da die Unterätzung der Zunge in die Oberfläche des Wafers hinein erfolgt, dafür können Spannungen in der Struktur auftreten auf­ grund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der Materialien.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mikromechanischen Sen­ sor zur Schwingungsmessung, insbesondere zur Beschleunigungs­ messung, aus einem Träger aus monokristallinem Material zu schaffen, der gegenüber äußeren Einflüssen und Belastungen unempfindlich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1.

Der erfindungsgemäße Sensor mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß sich durch die spezielle Anordnung der Zungen Sensoren mit sehr geringer Chip­ oberfläche realisieren lassen. Diese Anordnung ermöglicht auch das Be­ treiben des Sensors bei Normaldruck. Als vorteilhaft erweist sich auch, daß die Zungen in der Chipebene schwingen und so durch den Chip selbst bei Überlast geschützt werden. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß die kapazitive Auswertung der Sensorsignale nur Zungen geringer Stärke erfordert, da dort keine Piezowiderstände integriert werden müssen. Bei Realisierung der Sensorstruktur in einem monokristallinen Träger können die Elastizitätseigenschaften des Materials vorteilhaft ausge­ nutzt werden. Auch bei Langzeitbetrieb eines solchen Sensors treten keine Materialermüdungserscheinungen auf. Durch die in den Unter­ ansprüchen 2-7 aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen Sensors möglich. Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Sensors und die nähere Ausgestaltung solch eines Verfahrens sind Gegenstand der Ansprüche 8-10.

Ein besonderer Vor­ teil des erfindungsgemäßen Sensors besteht darin, daß der pn- bzw. np-Übergang zwischen der oberen Schicht und der unteren Schicht nicht nur zur Isolation der Zunge und der Elektrode gegenüber der unteren Schicht dient, sondern auch als Ätzstopgrenze bei elektrochemischer Unterätzung der Zunge von der Trägeroberfläche aus oder für die Rück­ seitenätzung wirken kann, der der Isolation der beweglichen Zunge ge­ genüber der feststehenden Elektrode dient. Vorteilhaft ist, daß die Ruhekapazität des Sensors besonders einfach durch Parallelschaltung mehrerer durch jeweils eine Zunge und eine feststehende Elektrode ge­ bildeter Kapazitäten erhöht werden kann. Ein weiterer Vorteil ist die Erhöhung der Sensorempfindlichkeit durch das Auswerten der Kapazitäts­ differenz zweier Zunge/Elektrode-Anordnungen, die bei Beschleunigung aufgrund der Stellung der jeweiligen beweglichen Zungen bezüglich ihrer feststehenden Elektroden mit einander entgegengesetzter Kapazitätsänderung reagieren.

Ein weiterer Vorteil ist, daß der Sensor mit Standardmethoden der Ätztechnik hergestellt werden kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Aufsicht auf einen Sensor,

Fig. 2 einen Schnitt des Sensors nach Fig. 1 in der A--Ebene und

Fig. 3 und Fig. 4 jeweils die Aufsicht auf einen weiteren Sensor nach Fig. 1.

In Fig. 1 ist mit 10 ein Träger aus monokristallinem Material bezeichnet, für den zum Beispiel ein Siliziumwafer verwendet wird. Geeignet ist jedoch auch ein Wafer aus jedem anderen Halbleiter­ material, zum Beispiel Galliumarsenid oder Germanium. Der Träger besteht aus einer unteren Schicht 21 und einer oberen Schicht 20, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Üblicherweise handelt es sich bei der unteren Schicht 21 um ein p-typ dotiertes Substrat und bei der oberen Schicht 20 um eine auf dieses aufgebrachte n-typ dotierte Epitaxieschicht. Genauso möglich ist eine umgekehrte Dotierung der einzelnen Schichten, da sowohl ein pn- als auch ein np-Übergang bei Schaltung in Sperrichtung isolierend wirkt. Ein Ätzgraben 11, der durch anisotrope oder andere geeignete Ätzverfahren, die senkrechte Gräben erzeugen, in die Trägeroberfläche 16 eingeätzt wird, durch­ dringt die obere Schicht 20 vollständig und führt zu zwei voneinan­ der elektrisch isolierten Gebieten. Das eine Gebiet umfaßt einen Zungensockel 14 mit einer in der Trägerebene schwingungsfähigen Zunge 12 und das andere Gebiet umfaßt einen Elektrodensockel 15 mit der unbeweglichen Elektrode 13. Die Zunge 12 ist zum Beispiel 5 µm breit, 1 bis 2 mm lang und 10 bis 15 µm hoch. Die Längs­ seite der Zunge 12 steht der Längsseite der Elektrode 13 zum Bei­ spiel in einem Abstand von 2 µm gegenüber, wobei sich dieser Abstand bei der Schwingung der Zunge 12 verändert. Der Zungensockel 14 und der Elektrodensockel 15 dienen als elektrische Anschlüsse der durch Zunge 12 und Elektrode 13 gebildeten Kapazität. Fig. 2 zeigt, daß die Zunge 12 durch eine Unterätzung 22 freigelegt ist. Eine Unterätzung der Zunge 12 kann zum Beispiel durch eine Rückseiten­ ätzung oder eine laterale Unterätzung von der Vorderseite aus erfolgen. Es ist auch möglich, mehrere Zungen und mehrere Elektroden mit Sockel aus einer Trägeroberfläche 16 herauszuätzen und zu einer Parallelschaltung von kapazitiv arbeitenden Sensoren zusammen­ zufassen, wie zum Beispiel die obere Hälfte der Fig. 3 zeigt. Hier gehen von einem Zungensockel 141 zwei in der Trägerebene schwin­ gungsfähige Zungen 121 senkrecht aus und bilden zusammen mit den beiden gegenüberliegenden unbeweglichen Elektroden 131, die von einem Elektrodensockel 15 ausgehen, zwei parallelgeschaltete Kapazitäten.

Der in Fig. 3 dargestellte Sensor besteht wieder aus dem zwei­ schichtigen Träger 10, dessen obere Schicht 20 mehrere durch einen Ätzgraben 11 elektrisch voneinander isolierte kammförmige Gebiete aufweist. Ein balkenartiger Zungensockel 141 mit zwei in der Träger­ ebene schwingungsfähigen Zungen 121, die zum Zungensockel 141 senk­ recht stehen, ist parallel zu einem gleichartig strukturierten Zungensockel 142 mit ebenfalls zwei in der Trägerebene schwingungs­ fähigen Zungen 122 angeordnet, so daß die Zungen 121 und 122 einander gegenüberliegen. Dazwischen befindet sich parallel zu den beiden Zungensockeln 141 und 142 der Elektrodensockel 15, von dem sowohl zwei unbewegliche Elektroden 131 in Richtung des Zungen­ sockels 141 als auch zwei unbewegliche Elektroden 132 in Richtung des Zungensockels 142 ausgehen. Die Zahl der Zungen und Elektroden ist beliebig variierbar. Der Abstand des Zungensockels 141 zum Elektrodensockel 15 und der des Elektrodensockel 15 zum Zungen­ sockel 142 sowie die Länge der Zungen und Elektroden sind so ge­ wählt, daß den Längsseiten der Elektroden 131 die Längsseiten der Zungen 121 in einem Abstand von zum Beispiel 2 µm und den Längs­ seiten der Elektroden 132 die Längsseiten der Zungen 122 in einem ähnlichen Abstand gegenüberliegen. Die beiden Zungen 121 bilden mit den beiden Elektroden 131 zwei parallelgeschaltete Kapazitäten, die den beiden ebenfalls parallelgeschalteten Kapazitäten gegenüber­ liegen, die von den beiden Zungen 122 in Verbindung mit den beiden Elektroden 132 gebildet werden. Außerdem ist die Anordnung der Zungen 121 bezüglich ihrer Elektroden 131 der der Zungen 122 bezüg­ lich deren Elektroden 132 entgegengesetzt, damit eine die Zungen auslenkende Beschleunigung bei den gegenüberliegenden Kapazitäten entgegengesetzte Abstandsveränderungen zwischen Zungen und Elektrode hervorruft. Bei dieser Anordnung wird die Ruhekapazität des Sensors durch die Parallelschaltung von mehreren Kapazitäten beeinflußt; und durch die Auswertung der Differenz von sich entgegengesetzt ändern­ den Kapazitäten die Empfindlichkeit erhöht. In Fig. 3 ist mit 30 der untere Rand eines Ätzfensters 30 der Rückseitenätzung bezeich­ net. Seine Position muß so gewählt werden, daß die Zungen zwar starr mit dem Zungensockel verbunden bleiben, aber deren Spitzen frei schwingen können. Die Elektroden hingegen sollen nicht nur starr mit dem Elektrodensockel verbunden sein, sondern zusätzlich auch an mindestens einer weiteren Stelle mit der unteren Schicht 21 ver­ bunden sein.

In Fig. 4 ist ein Sensor dargestellt, der aus einem zweischichtigen Träger 10 mit einer unteren Schicht 21 und einer oberen Schicht 20 herausgeätzt wurde, wobei die beiden Schichten aufgrund ihrer unterschiedlichen Dotierungen einen pn- bzw. einen np-Übergang bilden, der bei Schaltung in Sperrichtung die obere Schicht 20 gegen die untere Schicht 21 isoliert. Durch zwei U-förmige Ätzgräben 11, die die obere Schicht 20 vollständig durchdringen, in Verbindung mit jeweils einer lateralen Unterätzung 22 sind in der oberen Schicht zwei von einem Zungensockel 14 ausgehende Zungen 12 entstanden, die in der Trägerebene schwingen können. Eine solche Zunge 12 dient als bewegliche Elektrode eines Differential-Plattenkondensators mit zwei festen Elektroden 131 und 132, die durch diejenigen Teile der Umrandung der U-förmigen Ätzgräben 11 gebildet werden, die parallel zu den Zungen 12 stehengeblieben sind. Die Isolation der Zungen 12 und der Elektroden 131 und 132 gegeneinander erfolgt in der oberen Schicht 20 durch eine Isolationsdiffusion 23, die die obere Schicht 20 vollständig durchdringt. Dabei handelt es sich entweder um eine p-Diffusion, wenn die obere Schicht 20 negativ dotiert ist, oder um eine n-Diffusion, wenn die obere Schicht 20 positiv dotiert ist. Die Zungen 12 und die Elektroden 131 und 132 sind also sowohl gegen­ einander als auch gegenüber der unteren Schicht 21 durch pn-Über­ gänge isoliert. Um die Kapazitätsänderungen der Differential-Plat­ tenkondensatoren bei Auslenkung der Zungen 12 mittels einer Schal­ tung auswerten zu können, befindet sich an den zungensockelseitigen Enden der Zungen 12 und der Elektroden 131 und 132 jeweils ein Metallanschluß 24 auf der Trägeroberfläche 16. Durch Auslenkung der Zungen 12 wird die Kapazität zwischen der Zunge 12 und der Elektrode 131 zum Beispiel erhöht, während die Kapazität zwischen der Zunge 12 und der Elektrode 132 erniedrigt wird. Bei der Parallelschaltung mehrerer solcher Differential-Plattenkondensatoren müssen benach­ barte feste Elektroden 131 und 132 gegeneinander isoliert werden, um die Kapazitätserhöhung auf einer Seite nicht durch die Kapazitäts­ erniedrigung auf der anderen Seite zu kompensieren. Im dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt dies mittels einer Isolationsdiffusion 23, die die obere Schicht 20 vollständig durchdringt. Ebenfalls geeignet ist ein Isolationstrench wie in Fig. 1 und 3 dargestellt.

Claims (10)

1. Sensor zur Schwingungsmessung, insbesondere zur Beschleunigungs­ messung, der aus einem Träger (10) aus monokristallinem Material her­ gestellt ist, wobei der Träger (10) eine untere Schicht (21) und eine obere Schicht (20) aufweist und aus dem Träger (10) zumindest eine schwingungsfähige Zunge (12) herausgeätzt ist und Mittel zur Aus­ wertung der Auslenkung der zumindest einen Zunge (12) vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunge (12) so angeordnet ist, daß ihre Schwingungsebene parallel zur Trägeroberfläche (16) verläuft, daß der Zunge (12) gegenüber eine Elektrode (13) angeordnet ist, daß Zunge (12) und Elektrode (13) elektrisch voneinander isoliert sind und daß die kapazitive Änderung zwischen Zunge (12) und Elektrode (13) meßbar ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Schicht (21) und die obere Schicht (20) des Trägers (10) aufgrund ihrer negativen bzw. positiven Dotierung entweder einen pn- oder einen np-Übergang bilden und daß die Isolation der in der oberen Schicht (20) ausgebildeten Zunge (12) und der Elektrode (13) durch Ätzgräben (11) gebildet ist, die die obere Schicht (20) vollständig durchdringen.

3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Schicht (21) und die obere Schicht (20) des Trägers (10) aufgrund ihrer negativen bzw. positiven Dotierung entweder einen pn- oder einen np-Übergang bilden und daß die Isolation der in der oberen Schicht (20) ausgebildeten Zunge (12) und der Elektrode (13) durch Isolationsdiffusionen (23) erfolgt, die die obere Schicht (20) vollständig durchdringen.

4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Zungen jeweils einer zugehörigen Elektrode gegenüberstehen.

5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder Zunge (12) mit der zugehörigen Elektrode (13) eine weitere Zunge mit einer weiteren Elektrode zugeordnet ist, wobei die weitere Zunge bezüglich der weiteren Elektrode eine der Zunge (12) mit der zugehörigen Elektrode (13) entgegengesetzte Bewegungsrichtung hat.

6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Elektroden (131, 132) kammförmig von einem Elektrodensockel (15) ausgehen und daß die Zungen (121, 122) kamm­ förmig von mindestens einem Zungensockel (141, 142) ausgehen.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder Zunge (12) eine weitere Elektrode (132) zugeordnet ist, wobei die Zunge (12) bezüglich der weiteren Elektrode (132) eine der Bewegungsrichtung bezüglich der einen Elektrode (131) entgegengesetzte Bewegungsrichtung hat.

8. Verfahren zur Herstellung eines Sensors zur Schwingungsmessung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ätzgraben (11) des Sensors mit Hilfe der Photomaskierungs­ technik mit im wesentlichen vertikal zu den beiden Hauptoberflächen des Trägers (10) verlaufenden seitlichen Begrenzungsflächen und einer im wesentlich parallel zu den beiden Hauptoberflächen ver­ laufenden Bodenfläche von der Trägeroberfläche (16) aus durch anisotropes Ätzen, z. B. reaktives Ionenätzen oder naßchemisches Ätzen, in den Träger (10) eingeätzt wird, dergestalt, daß die obere Schicht (20) vollständig durchgeätzt wird und anschließend zur Ausbildung der mindestens einen Zunge (12) der Teil des Ätzgrabens (11), der die freizulegende Zunge umgibt, in der Nähe seiner Bodenfläche mit einer lateralen Unterätzung (22) versehen wird.

9. Verfahren zur Herstellung eines Sensors zur Schwingungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ätzgraben (11) des Sensors mit Hilfe der Photomaskierungstechnik mit im wesentlichen vertikal zu den beiden Hauptoberflächen des Trägers (10) verlaufenden seitlichen Begrenzungsflächen und einer im wesent­ lichen parallel zu den beiden Hauptoberflächen verlaufenden Boden­ fläche von der Trägeroberfläche (16) aus durch anisotropes reaktives Ionenätzen oder anisotropes naßchemisches Ätzen in den Träger (10) eingeätzt wird, dergestalt, daß die obere Schicht (20) vollständig durchgeätzt wird und die Freilegung der mindestens einen Zunge (12) durch eine Rückseitenätzung erfolgt, dermaßen, daß ausgehend von einem durch Photomaskierungstechnik erzeugten Ätzfenster (30) auf der noch nicht strukturierten Unterseite des Trägers (10) die untere Schicht (21) durch einen anisotropen Ätzprozeß vollständig durch­ geätzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ätzfenster so gewählt wird, daß die feststehenden Elektroden zumindest an ihren beiden Enden auf dem Trägermaterial ruhen.