DE4203833C2 - Verfahren zur Herstellung von Siliziumhalbleiter-Beschleunigungsmesser-Bauelementen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Siliziumhalbleiter-Beschleunigungsmesser-BauelementenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Siliziumhalbleiter-Beschleunigungsmesser-Bauelementen
gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
Halbleiter-Beschleunigungsmesser sind so ausgelegt, daß sie
beispielsweise auf eine Siliziumschicht Beschleunigungskräfte
mit irgendwelchen Mitteln aufbringen und die Durchbiegung
der Siliziumschicht, die durch das Aufbringen der Beschleunigungskräfte
erzeugt wird, in Form von Änderungen des
Widerstandswerts eines in der Siliziumschicht gebildeten
Meßwiderstands aufnehmen.
Konventionelle Halbleiter-Beschleunigungsmesser
der angegebenen Art haben einen einseitig
befestigten Halbleiter-Beschleunigungssensor, wie er in den
Fig. 4 und 5 gezeigt ist.
Bei einem derartigen Halbleiter-Beschleunigungsmesser werden Beschleunigungskräfte
durch die Masse eines Federpendels 1 erzeugt.
Infolgedessen unterliegt der Bereich eines Tragteils 2 des
Federpendels 1 einer Drehkraft, wodurch sich der Widerstandswert
eines in den Tragteil 2 eingebetteten Diffusionsmeßwiderstands
ändert. Diese Widerstandsänderungen werden als
Strom- oder Spannungsänderungssignal aufgenommen.
Der so aufgebaute konventionelle Siliziumhalbleiter-Beschleunigungsmesser
wird wie folgt hergestellt.
Zuerst wird ein Siliziumeinkristall-Wafer 4 mit der Kristallebene
(100) unter Bildung einer Oxidschicht oxidiert.
Dann wird die Oxidschicht, die um einen dem Federpendel 1
zugewandten Teil herum gebildet ist, mittels Photolithographie
unter Bildung eines U-förmigen
Teils 5 U-förmig entfernt.
Dann erfolgt das Ätzen des Siliziums, wobei die Oxidschicht 6
als Ätzmaske dient. Die Tiefe einer Ätzvertiefung 7 liegt im
allgemeinen zwischen 10 µm und 80 µm. Nach erneuter Oxidierung
wird im Bereich des Tragteils 2, an dem kein Ätzen erfolgt
ist, eine p⁺-Diffusionsschicht 8 zur Bildung
eines Aluminiumkontakts gebildet. Dann werden durch Ioneninjektion
vier Diffusionsmeßwiderstände 3 als Brücke gebildet.
Schließlich werden Aluminiumleiter 10 von einem Kontaktteil 9
der Diffusionsmeßwiderstände 3 zur Bildung der
Leiter für eine Stromversorgung und einen Ausgang herangeführt. Gleichzeitig
wird eine Bondinsel 11 zum Drahtbonden am Außenrand
eines Beschleunigungsmesserchips gebildet. Danach wird eine
Passivierung mit einer Nitrid- oder Oxidschicht 12 durchgeführt,
um die Aluminiumleiter zu schützen, und dann wird der
Teil, der dem Federpendel zugewandt ist, von der Rückseite
des Beschleunigungsmesserchips her durch anisotropes Alkaliätzen
dünn gemacht. Wie Fig. 6 zeigt, verläuft eine Ätzfläche
13 allmählich in Richtung der im U-förmigen Teil 5 gebildeten
Ätzvertiefung 7 und erreicht diese schließlich. Zu diesem
Zeitpunkt wird der Ätzvorgang abgebrochen, wodurch das einseitig
befestigte Federpendel gebildet ist. Der auf die beschriebene
Weise gebildete Beschleunigungsmesser-Wafer mit
eingebautem Federpendel wird zu Einzelchips in solcher Weise
zerschnitten, daß die Federpendel 1 nicht brechen, so daß
Halbleiter-Beschleunigungsmesserchips erhalten werden.
Bei dem beschriebenen Verfahren zur Herstellung von Siliziumhalbleiter-
Beschleunigungsmessern muß ein Wafer 4, auf
dem die Federpendel 1 gebildet sind, sehr sorgfältig gehandhabt
werden, sonst könnten die Federpendel 1 beschädigt werden
und nicht funktionsfähig sein. Die nach dem Zerschneiden
nicht zerbrochenen Federpendel 1 können auch in dem anschließenden
Montageschritt zerbrochen werden. Die Rate der Federpendel
1, die nach der Eigenschaftsprüfung unzerbrochen
bleiben, ist sehr niedrig. Der Beschleunigungsmesser mit
eingebautem Federpendel ist daher zwar klein, aber sehr
teuer.
In der Zusammenfassung der JP 2-10 163 (A) ist ein Halbleiter-
Beschleunigungssensor beschrieben, der eine verbesserte Temperaturcharakteristik
aufweist. Bei dem Verfahren zur Herstellung
des Sensors wird eine Diffusionsschicht auf einem
Siliziumsubstrat und eine SiO₂-Schicht auf der Diffusionsschicht
gebildet. Die SiO₂-Schicht mit einem unterschiedlichen
Ausdehnungskoeffizienten wird dann entfernt, so daß eine
mechanische Verzerrung verhindert und die Temperaturcharakteristik
verbessert wird.
Bei dem in der JP-Zusammenfasung 2-28 565 (A) beschriebenen
Halbleiter-Beschleunigungssensor wird gegenüber dem vorgenannt
beschriebenen Halbleiter-Beschleunigungssensor zusätzlich
ein weiterer Halbleiter auf der Substratoberfläche aufgebracht,
um die Zuverlässigkeit des Sensors und dessen Temperaturcharakteristik
weiter zu verbessern.
Aus der EP 03 68 446 A2 ist ein selbstkalibrierender Beschleunnigungsmesser
bekannt. Dieser umfaßt eine Erfassungsmasse,
die relativ zu einem Rahmen durch eine Vielzahl von
Balken mit integrierten Widerständen gehalten wird. Die Erfassungsmasse
erfährt je nach Beschleunigung des Rahmens eine
Verschiebung relativ zu diesem. Je nach Stärke der Verschiebung
erzeugt eine Wheatstone-Brücke ein entsprechendes Ausgangssignal.
Dabei weist zumindest ein Arm der Wheatstone-
Brücke einen veränderbaren Widerstand auf, über den der Beschleunigungsmesser
justierbar und kalibrierbar ist, so daß
Temperatureffekte und Herstellungstoleranzen kompensierbar
sind.
Aus der DE 37 41 036 A1 ist ein mikromechanischer Beschleunigungsmeser
bekannt, mit dem Bewegungsänderungen in den drei
Raumachsen gemessen werden können. Dabei werden drei jeweils
für die Beschleunigung in einer ausgewählten Richtung empfindliche
mikromechanische Sensoren monolithisch in einem
Kristall integriert. Die Sensoren bestehen aus drei Torsionsbalken
mit exzentrisch angeordneten Massen, die bei Bewegungsänderungen
Drehmomente ausüben, die mit Hilfe integierter
Piezo-Widerstände gemessen werden.
Bei keiner der vorgenannten Vorrichtungen ist eine Maßnahme
zum Verhindern der Beschädigung eines im Sensor vorgesehenen
Federpendels bei dessen Herstellung angegeben, so daß - wie
vorgenannt erwähnt - eine hohe Ausfallrate bei der Herstellung
der Sensoren auftreten kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, das eingangs genannte Verfahren
zur Herstellung von Siliziumhalbleiter-Beschleunigungsmesser-
Bauelementen dahingehend weiterzuentwickeln, daß eine
Beschädigung des Siliziumhalbleiter-Beschleunigungsmesser-
Bauelements beim Herstellungsprozeß ausgeschlossen werden
kann.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale
gelöst.
Erfindungsgemäß sind die in dem Silizium-Wafer geformten Beschleunigungsmesser-
Chips mit eingebautem Federpendel so aufgebaut,
daß die Federpendelteile verstärkt sind. Die Waferbearbeitung
wird in einem Zustand vervollständigt, in dem die
Federpendelteile halbfertig sind. Sie sind dabei immer noch
verstärkt, so daß sie während des anschließenden Trennvorgangs
und der Montageschritte nicht beschädigt werden. Im
letzten Schritt des Montageablaufs wird das Verstärkungsmaterial
entweder mechanisch zerbrochen oder unter Anwendung eines
Laserstrahls geschmolzen, so daß das Federpendel beweglich
wird. Somit kann eine Beschädigung des Silizium-Halbleiter-
Beschleunigungsmesser-Bauelementes beim Herstellungsverfahren
wirksam verhindert werden.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen
in
Fig. 1 einen seitlichen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel
eines Silizium-Halbleiter-Beschleunigungsmesser-
Bauelements nach der Erfindung, wobei der
Zustand gezeigt ist, in dem ein Federpendel fest
gelegt ist;
Fig. 2 eine Draufsicht auf das Siliziumhalbleiter-
Beschleunigungsmesser-Bauelement von Fig. 1;
Fig. 3 einen seitlichen Querschnitt durch das Silizium
halbleiter-Beschleunigungsmesser-Bauelement, wobei
der Zustand gezeigt ist, in dem die Festlegung des
Federpendels aufgehoben ist;
Fig. 4 einen seitlichen Querschnitt durch ein konventio
nelles Siliziumhalbleiter-Beschleunigungsmesser-
Bauelement;
Fig. 5 eine Draufsicht auf das Siliziumhalbleiter-Be
schleunigungsmesser-Bauelement von Fig. 4; und
Fig. 6 einen seitlichen Querschnitt durch das konventio
nelle Siliziumhalbleiter-Beschleunigungsmesser-
Bauelement, wobei der Zustand gezeigt ist, in dem
anisotropes Ätzen noch nicht durchgeführt ist.
In den Fig. 1-3 sind für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen
verwendet.
Zuerst wird ein Siliziumeinkristall-Wafer 4 mit der Kristall
ebene (100) und einem spezifischen Widerstand von mehreren
Ohm·cm vorbereitet, und die Gesamtoberfläche des Wafers 4
wird bis zu einer Tiefe von ca. 1 µm thermisch oxidiert unter
Bildung einer thermischen Oxidschicht 6A. Dann wird die Oxid
schicht um den Teil herum, der zum Federpendel 1 werden soll,
durch Ätzen unter Anwendung photolithographischer Techniken
U-förmig entfernt unter Bildung des U-förmigen Teils 5 mit
einer Breite von 250-300 µm. Danach wird das in U-Form frei
liegende Silizium entfernt unter Verwendung der verbliebenen
Oxidschicht als Ätzmaske und Einsatz eines Gemischs aus
Fluorwasserstoff-, Salpeter- und Essigsäure. Die Ätztiefe
liegt zwischen 50 und 60 µm.
Danach wird die Oxidschicht vollständig entfernt, und eine
erneute Oxidierung wird mit einer Dicke von 7000 Å durch
geführt. Anschließend werden hochkonzentrierte Borionen
injiziert und diffundieren in den Kontaktteil 9 der Diffu
sionsmeßwiderstände 3, die in dem Tragteil 2 liegen, der den
Teil trägt, der zum Federpendel 1 werden soll; dabei werden
die bekannte photolithographische Technik und die Diffusions
technik zur Bildung der P⁺-Diffusionsschicht 8 angewandt. Da
nach werden die vier Diffusionsmeßwiderstände 3 durch Photo
lithographie und Injektion von Borionen in einer Brücke ge
bildet. Dann wird die auf dem Kontaktteil 9 der Diffusions
meßwiderstände 3 gebildete Oxidschicht 6A zur Bildung eines
Fensters geöffnet, und eine metallische Dünnschicht, z. B.
eine Aluminiumdünnschicht 14, wird für die Leiter durch
Aufsputtern mit einer Dicke von 5-10 µm gebildet. Zu diesem
Zeitpunkt beläßt man die auf den U-förmigen Teil 5 aufge
brachte Aluminiumdünnschicht 14 in einer Breite, die gering
fügig größer als die Breite des U-förmigen Teils 5 ist. Dann
wird die Nitrid- oder Oxidschicht 12 durch chemisches Bedamp
fen zum Schutz der Aluminiumleiter 10 aufgebracht.
Schließlich wird die Rückseite des Wafers 4 durch Läppen bis
zu einer vorbestimmten Dicke von ca. 300 µm poliert, und
darauf wird die Nitrid- oder Oxidschicht 12 aufgebracht.
Nachdem die Nitrid- oder Oxidschicht 12 auf dem Teil, der zum
Federpendel 1 werden soll, entfernt und ein Fenster geöffnet
ist, wird das Silizium an der Rückseite des Wafers 4 unter
Einsatz eines anisotropen Alkaliätzmittels wie KOH geätzt. Zu
diesem Zeitpunkt ist die entgegengesetzte Oberfläche des
Wafers, auf der die Diffusionsmeßwiderstände 3 und der Alumi
niumleiter 10 gebildet sind, mit einem Oberflächenschutz wie
etwa Wachs versehen, so daß während des anisotropen Alkali
ätzvorgangs keine Beschädigung erfolgt.
Wenn das anisotrope Alkaliätzen den Boden des U-förmigen
Teils 5 erreicht, wird es unterbrochen. Zu diesem Zeitpunkt
sind die auf den Boden 15 des U-förmigen Teils 5 aufgebrachte
Oxidschicht 12 und die Aluminiumdünnschicht 14 durch das
Alkaliätzmittel teilweise entfernt. Die Aluminiumdünnschicht
14 ist jedoch ausreichend dick und stellt kein Problem dar.
Danach wird der Wafer 4 mit reinem Wasser oder einem organi
schen Lösungsmittel gründlich gewaschen unter Erhalt des Be
schleunigungsmesser-Wafers mit eingebautem Federpendel, wobei
die Federpendel 1 jeweils durch die Beschleunigungsmesser-
Chipkörper und die Aluminiumdünnschichten 14 verstärkt sind.
In diesem Zustand ist das durch anisotropes Alkaliätzen her
gestellte Federpendel 1 an dem Beschleunigungsmesser-Chipkör
per über die Aluminiumdünnschicht 14 festgelegt, so daß der
Chip ein Halbfabrikat ist, das noch nicht als Beschleuni
gungsmesser-Bauelement funktioniert. Danach wird der Be
schleunigungsmesser-Wafer zu Einzelchips zerschnitten.
Bei dem konventionellen Herstellungsverfahren für den Halb
leiter-Beschleunigungsmesser-Wafer kann das Federpendel, da
es beweglich ist, durch den hydraulischen Druck des Schneid
wassers während des Trennschritts beschädigt werden. Bei dem
hier angegebenen Herstellungsverfahren jedoch ist das Feder
pendel 1 an dem Beschleunigungsmesser-Chipkörper befestigt
und durch die Aluminiumdünnschicht 14 verstärkt. Daher kann
das Zertrennen ebenso einfach und unproblematisch wie bei
einem normalen Siliziumhalbleiter-Wafer durchgeführt werden.
Anschließend werden die einzelnen Beschleunigungsmesserchips
unter Anwendung eines Silikongummis oder eines Lötmaterials
durch Chipbonden auf Sockeln oder Leiterrahmen befestigt. Zu
diesem Zeitpunkt kann eine aus Pyrex oder Silikon bestehende
Basis unter den Chip gelegt werden, um die durch das Chipbon
den erzeugten Spannungen zu vermindern. Nach dem Chipbonden
wird Drahtbonden unter Verwendung eines Golddrahts durchge
führt. Anschließend wird die Aluminiumdünnschicht 14, die auf
dem U-förmigen Teil 5 gebildet ist, um das Federpendel 1 fest
mit dem Beschleunigungsmesser-Chipkörper zu verbinden, abge
brochen, indem das Federpendel 1 mechanisch durchgebogen wird
(zur Bildung eines abgebrochenen Teils 16), wodurch das Fe
derpendel 1 beweglich gemacht wird (Fig. 3). Das Federpendel
1 kann auch dadurch beweglich gemacht werden, daß ein Laser
strahl über die Aluminiumdünnschicht 14 bewegt wird, um sie
zu schmelzen.
Nachdem das Federpendel 1 beweglich gemacht ist, wird eine
Abdeckung über dem Chip zu seinem Schutz angebracht, wodurch
ein Beschleunigungsmesser-Bauelement fertiggestellt ist. Wenn
ein Metallgehäuse wie etwa ein Montageblock verwendet wird,
kann ein als Dämpfungsmittel dienendes Öl gemeinsam mit dem
Chip in das Metallgehäuse eingebracht werden, um Schwingungen
des Federpendels 1 zu dämpfen.
Während des oben beschriebenen Montageablaufs wirken auf die
Federpendel 1 die verschiedensten Arten von Stößen und führen
zu Beschädigungen der Federpendel 1. Bei dem Beschleunigungs
messer, bei dem die Erfindung angewandt wird, wird jedoch
dadurch, daß das Federpendel 1 am Chipkörper durch die
Aluminiumdünnschicht 14 befestigt ist, das Federpendel durch
die verschiedenen aufgebrachten Stoßkräfte während der Mon
tage nicht beschädigt, so daß die Montagearbeiten vereinfacht
werden.
Nachdem der Siliziumeinkristall-Wafer 4 mit der Kristallebene
(100) und einem spezifischen Widerstand von einigen Ohm·cm in
gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel thermisch
oxidiert ist, werden auf dem Tragteil 2, der den in das Fe
derpendel 1 umzuwandelnden Teil trägt, die Diffusionsmeß
widerstände 3 unter Anwendung der bekannten Herstellungstech
nik für integrierte Bipolarschaltkreise gebildet. Bei dem
zweiten Ausführungsbeispiel wird zu diesem Zeitpunkt kein
Ätzen des Siliziums des U-förmigen Teils durchgeführt. Dann
wird durch Verlängern des Aluminiumleiters 10 von den Diffu
sionsmeßwiderständen 3 ausgehend die Ein/Ausgangsverdrahtung
vorgesehen, und am Außenrand des Chips wird die Bondinsel 11
aus Aluminium vorgesehen. In der Endphase des Prozesses für
die Wafer-Vorderseite bei Waferbearbeitung wird die Nitrid-
oder Oxidschicht 12 durch chemisches Bedampfen zum Schutz der
Aluminiumleiter 10 aufgebracht.
Danach wird die Rückseite des Wafers 4 auf eine vorbestimmte
Dicke von z. B. ca. 300 µm durch Läppen abgetragen und dann
poliert, und dann wird die Nitrid- oder Oxidschicht 12 aufge
bracht. Nachdem die gebildete Nitrid- oder Oxidschicht 12 auf
dem Teil, der zum Federpendel 1 zu machen ist, zum Öffnen
eines Fensters entfernt ist, wird das Ätzen von Silizium
unter Anwendung des anisotropen Alkaliätzmittels wie etwa KOH
durchgeführt, bis die vorbestimmte Dicke des Federpendels 1
erreicht ist. Auf diese Weise wird der Beschleunigungsmesser-
Wafer mit eingebautem Federpendel erhalten, in dem das Feder
pendel 1 durch den Beschleunigungsmesser-Chipkörper und den
Siliziumhalbleiter festgelegt und festgehalten ist.
In dieser Phase ist der Chip ein Halbfabrikat, das ebenso wie
bei dem ersten Ausführungsbeispiel nicht als Beschleunigungs
messer arbeitet. Dann wird der Wafer zu Einzelchips zer
trennt, die in den anschließenden Montageprozessen zu ein
zelnen Beschleunigungsmesser-Bauelementen gemacht werden.
Da hierbei das Federpendel 1 von dem Beschleunigungsmesser-
Chipkörper und dem Siliziumhalbleiter festgehalten ist, wird
es durch die während der Montagevorgänge aufgebrachten mecha
nischen Stöße nicht beschädigt. In der Endphase der Montage
werden der Beschleunigungsmesser-Chipkörper und das Feder
pendel 1 voneinander getrennt, indem ein Laserstrahl U-förmig
bewegt und dadurch der U-förmige Teil abgeschnitten wird.
Schließlich wird der Chip zu seinem Schutz mit einer Ab
deckung versehen, so daß das Beschleunigungsmesser-Bauelement
fertig ist.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß es bei
dem Verfahren zur Herstellung des Beschleunigungsmesser-
Bauelements möglich ist, eine Beschädigung des Federpendels
durch die Einwirkung von verschiedenen mechanischen Stößen
während der Montagevorgänge des Siliziumhalbleiter-Beschleu
nigungsmesser-Bauelements zu verhindern. Die Handhabung der
Chips während der Montagearbeiten kann somit vereinfacht und
die Produktausbeute erheblich verbessert werden. Dadurch wird
die Herstellung von kleinen und kostengünstigen Halbleiter-
Beschleunigungsmesser-Bauelementen ermöglicht. Wenn das
Federpendel durch das Silizium des Wafers festgelegt ist,
kann die Zahl der erforderlichen Arbeitstage verringert
werden.
Claims (5)
1. Verfahren zur Herstellung von Siliziumhalbleiter-
Beschleunigungsmesser-Bauelementen, mit den Schritten:
- - thermisches Oxidieren der Gesamtoberfläche eines Silizium- Wafers, der zu Beschleunigungsmesser-Bauelementen zu machen ist, unter Bildung einer thermischen Oxidschicht;
- - Entfernen der thermischen Oxidschicht und des unter ihr liegenden Siliziums in U-Form durch Ätzen zur Bildung von Teilen, die zu Federpendeln zu machen sind;
- - Bilden von Meßwiderständen auf einem Tragteil jedes der Teile, die zu Federpendeln zu machen sind;
- - Bilden einer Aussparung an der Rückseite des Silizium- Wafers durch Wegätzen des Siliziums zur Bildung des Federpendels; und
- - Zertrennen des Silizium-Wafers zu Einzelchips;
wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte:
- - Vorsehen einer metallischen Dünnschicht um den Teil herum, der zu dem Federpendel zu machen ist, vor der Bildung der Aussparung in der Rückseite des Silizium- Wafers;
- - Entfernen der metallischen Dünnschicht, die auf dem Chip zur Festlegung des Federpendels gebildet ist, um das Federpendel beweglich zu machen, nach dem Zertrennen des Silizium-Wafers zu Einzelchips.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die metallische Dünnschicht entfernt wird, indem das
Federpendel mechanisch umgebogen wird, um es beweglich zu
machen.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die metallische Dünnschicht mit einem daran entlanggeführten
Laserstrahl geschmolzen und dadurch entfernt wird, um
das Federpendel beweglich zu machen.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die metallische Dünnschicht eine Aluminiumdünnschicht
umfaßt.
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