DE4222472C2 - Beschleunigungssensor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Beschleunigungssensor nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der EP 0 369 352 sind bereits Beschleunigungssensoren bekannt, bei denen dünne dielektrische Schichten aus Siliziumoxid für die Verbindung von Siliziumwafern genutzt werden. Diese Siliziumoxidschichten sind durch ganzflächige Oxidation von Silizium und nachfolgende Strukturierung hergestellt.

Vorteile der Erfindung

Dem unabhängigen Patentanspruch 1 liegt die Aufgabe zugrunde einen Beschleunigungssensor mit verbessertem Verhältnis von Nutz- zu Streukapazität anzugeben. Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen dieses Beschleunigungssensors möglich. Besonders einfach kann die durch lokale Oxidation erzeugte Siliziumoxidschicht mit einer ganzflächig erzeugten Siliziumoxidschicht verbunden werden. Durch die Verbindung mit zwei durch lokale Oxidation erzeugten Siliziumoxidschichten wird das Verhältnis von Nutzkapazität zu Streukapazität weiter verbessert, insbesondere wenn die Dicke einer der beiden Siliziumoxidschichten durch eine Bearbeitung nach der Oxidation verringert ist. Besonders einfach erfolgt diese Bearbeitung mechanisch oder durch Anwendung entsprechender Ätztechniken.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Sensor Anschläge aufweist.

Als weiterer Vorteil ist es anzusehen, wenn alle Prozesse auf der Mittelplatte erfolgen, und somit die Prozesse für die Herstellung der Mittelplatte auch für die Erzeugung der Anschläge benutzt werden.

Die Sensoren können auch durch Ober- oder Unterplatte verschlossen werden die aufgrund ihres geschlossenen dielektrischen Filmes nicht relativ zur Mittelplatte justiert werden müssen.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Fig. 3-9 dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die

Fig. 1 dient der Erläuterung des prinzipiellen Aufbaus und Funktion eines Beschleunigungssensors, die

Fig. 2 dient der Erläuterung eines Beschleunigungssensors mit Anschlägen. Es zeigen Fig. 1 die Herstellung eines Beschleunigungssensors mit geschlossener dielektrischer Schicht auf der Ober- und Unterplatte, Fig. 2 einen Beschleunigungssensor mit Anschlägen, die

Fig. 3 und 4 die lokale Oxidation von Silizium,

Fig. 5 eine nachbearbeitete lokale Oxidationsstelle,

Fig. 6a eine Verbindungsstelle von zwei strukturierten ganzflächig aufgebrachten dielektrischen Schichten,

Fig. 6b eine Verbindungsstelle mit einer lokalen Oxidation und einem ganzflächigen dielektrischen Film,

Fig.7 eine Verbindungsstelle von zwei lokalen Oxidationen,

Fig. 8 eine Verbindungsstelle von zwei lokalen Oxidationen von denen eine nachbearbeitet ist und

Fig. 9 einen Beschleunigungssensor mit dielektrischen Schichten unterschiedlicher Dicke auf der Mittelplatte.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 werden mit 5 drei Siliziumwafer bezeichnet. Diese sind in Fig. 1 in einer auseinandergezogenen Darstellung gezeigt, um den Herstellungsprozeß eines Beschleunigungssensors zu verdeutlichen. Wie durch die Pfeile angedeutet, werden die Wafer 5 miteinander ver­ bunden um Beschleunigungssensoren herzustellen. Die Sensoren werden durch Zerteilen entlang der Linien 31 vereinzelt, um einen einzelnen Sensor mit einer Oberplatte 1, einer Mittelplatte 2 und einer Unter­ platte 3 zu bilden. Aus der Mittelplatte 2 wird eine bewegliche Elektrode 4 herausstrukturiert, die aus einer Biegefeder 32 und einer seismischen Masse 33 bestehen kann. Durch die Verbindungs­ schichten 20, 19 wird erreicht, daß die seismische Masse 33 einen gewissen Abstand zur Oberplatte 1 und Unterplatte einhält. Biege­ feder 32 und seismische Masse 33 sind so ausgelegt, daß die seis­ mische Masse 33 durch eine Beschleunigung aus ihrer Ruhelage ausge­ lenkt wird. Durch einen elektrischen Anschluß der Oberplatte 1, Mittelplatte 2, Unterplatte 3 und eine entsprechende, hier nicht gezeigte, Elektronik wird die Kapazität zwischen der Mittelplatte 2 und jeweils der Oberplatte 1 und der Unterplatte 3 gemessen. Die Veränderung dieser Kapazitäten ist dann ein Maß für die Beschleuni­ gung. Parallel zu diesen Meßkapazitäten sind jedoch Streukapazitäten geschaltet, die ihren Wert nicht in Abhängigkeit von der Beschleuni­ gung verändern. Um eine gute Meßbarkeit der Beschleunigung sicher­ zustellen sollte die Nutzkapazität, das heißt die Kapazität, die sich mit der Beschleunigung ändert, dabei groß sein gegenüber der Streukapazität. Ein wesentlicher Schritt der Herstellung der Beschleunigungssensoren ist das Verbinden der Wafer und somit das Verschließen des Hohlraumes 6. Vorzugsweise wird im Hohlraum 6 ein Unterdruck bzw. ein Vakuum eingeschlossen, um die Bewegung der be­ weglichen Elektrode 4 nicht durch Dämpfung der Bewegung an Luft zu behindern. Da die Oberflächen der Wafer 5 sehr glatt sind und durch eine chemische Vorbehandlung aktiviert sind, bildet sich sobald die Wafer 5 auf­ einandergelegt werden, durch Adhäsion eine so feste Verbindung, daß ein nachträgliches Verschieben der aufeinandergelegten Wafer 5 nicht möglich ist. Durch die Verwendung einer Oberplatte 1 oder einer Unterplatte 3 mit einer geschlossenen dielektrischen Schicht 10 wird somit der Herstellungsprozeß vereinfacht, da keine Justierung der Oberplatte 1 oder Unterplatte 3 relativ zur Mittelplatte 2 mehr not­ wendig ist. Die ebenfalls zur Verbindung vorgesehenen Schichten der Mittelplatte können dabei ganzflächig ausgeführt sein wie die Schicht 20 oder aber nur in einem kleinen Bereich vorhanden sein, wie die Schicht 19. Das eigentliche Verbinden der Wafer 5 bzw. der Oberplatte 1, Mittelplatte 2, Unterplatte 3 erfolgt durch Auf­ einanderlegen und nachfolgende Temperaturbehandlung. Vor dem Auf­ einanderlegen werden die Oberflächen der Wafer chemisch aktiviert, beispielsweise durch Eintauchen der Wafer in Ammoniaklösungen oder Salpetersäure. Als Materialien für die dielektrischen Schichten können dabei neben Siliziumoxidschichten auch Siliziumnitrid oder Siliziumoxinitrid verwendet werden.

In Fig. 2 wird ein Beschleunigungssensor mit einer Oberplatte 1, einer Mittelplatte 2 und einer Unterplatte 3 aus einkristallinem Silizium gezeigt. Aus der Mittelplatte ist eine bewegliche Elektrode 4 herausstrukturiert. Die drei Platten 1, 2, 3 sind wieder in einer auseinandergezogenen Darstellung gezeichnet. Die Verbindung zwischen Oberplatte 1, Mittelplatte 2 und Unterplatte 3 wird durch dielektri­ sche Schichten 11 hergestellt. Im Hohlraum 6 ist wieder ein Unter­ druck vorzugsweise ein Vakuum eingeschlossen. Der hier dargestellte Sensor entspricht in seiner Funktionsweise dem Sensor wie er in Fig. 1 beschrieben wurde. Im Unterschied zum Sensor nach Fig. 1 weist der hier gezeigte Sensor jedoch noch Anschläge 7 auf. Durch die Anschläge 7 wird die Bewegung der beweglichen Elektrode 4 bzw. der seismischen Masse 33 begrenzt, insbesondere wird durch die An­ schläge 7 verhindert, daß sich die seismische Masse 33 flächig an die Oberplatte 1 oder Unter­ platte 3 anlegen kann. Die Anschläge 7 sind so ausgestaltet, daß es nur zu einer geringen Kontaktfläche zwischen der seismischen Masse 33 und der Ober- bzw. Unterplatte kommen kann. Dabei ist es unerheb­ lich, ob die Anschläge 7 auf der seismischen Masse 33 oder auf der Oberplatte 1 oder der Unterplatte 3 angeordnet sind. Problematisch ist ein Kontakt zwischen seismischer Masse 33 und den Platten 1 und 2 insbesondere während der Verbindung der Platten, da in diesem Prozeßschritt die Oberflächen der Platten 1, 2, 3 und der seis­ mischen Masse 33 chemisch aktiviert sind, und es bei Kontakt daher zu sehr starken Adhäsionskräften kommt.

In Fig. 3 und 4 wird die lokale Oxidation von Silizium dargestellt. Ein Siliziumsubstrat 41 wird dazu mit einer ca. 150 Nanometer dicken Siliziumnitridschicht 43 bedeckt. Zur Verbesserung der Haftung des Siliziumnitrids kann noch eine dünne, ca. 50 Nanometer dicke Siliziumoxidschicht 42 zwischen dem Silizium 41 und dem Silizium­ nitrid 43 gelegen sein. An den Stellen, an denen lokal Siliziumoxid erzeugt werden soll, weist die Siliziumnitridschicht 43 eine Öffnung auf. Durch Aufheizen des Wafers auf eine Temperatur von über 800 Grad in sauerstoffhaltiger Atmosphäre wird die bloßliegende Ober­ fläche des Siliziums 41 oxidiert. Das dabei entstehende lokale Siliziumoxid wächst dabei teilweise in die Oberfläche des Siliziums 41 herein und steht teilweise aus der Oberfläche des Siliziums 41 heraus. Dies liegt daran, daß das Siliziumoxid in etwa das doppelte Volumen aufweist wie die zu seiner Herstellung notwendige Menge Silizium. Das lokale Siliziumoxid 44 erstreckt sich zu ca. 55% über der ursprünglichen Oberfläche des Siliziums 41 und zu ca. 45% in das Silizium 41 herein. Die Dicke des lokalen Siliziumoxids beträgt beispielsweise ca. 1 Mikrometer.

In Fig. 5 wird ein Stück Silizium 41 mit einer nachbearbeiteten lokalen Oxidation 44 gezeigt. Durch die Nachbearbeitung wurde der Teil des lokalen Siliziums 44 der über die Oberfläche des Siliziums 41 heraussteht, entfernt. Diese Bearbeitung erfolgt entweder durch mechanische Mittel, chemische Ätzung oder einer Kombination beider Methoden. Die entsprechenden Prozesse sind von der Waferherstellung bekannt.

Die Verwendung von lokalem Siliziumozid zur Verbesserung des Ver­ hältnisses von Nutz- zu Streukapazitäten wird in Fig. 6a und Fig. 6b verdeutlicht. In den Fig. 6a und b werden als Ausschnitte zwei Siliziumwafer 5 gezeigt, die miteinander verbunden sind. In der Fig. 6a werden die beiden Wafer 5 durch dielektrische Schichten 45 verbunden, die durch ganzflächiges Aufbringen der dielektrischen Schichten und nachfolgende Strukturierung erzeugt wurden. Dies ent­ spricht beispielsweise Beschleunigungssensoren wie sie in Fig. 1 bzw. Fig. 2 gezeigt wurden. Die Streukapazität und die Nutz­ kapazität werden jeweils durch Plattenkondensatoren gebildet. Die Kapazität in einem Plattenkondensator ist umgekehrt proportional zum Abstand der Kondensatorplatten, das heißt je weiter die Konden­ satorplatten auseinander sind, umso kleiner ist die Kapazität. Ange­ strebt wird die Nutzkapazität zu vergrößern und die Streukapazität zu verringern. Durch den Pfeil 47 wird der Abstand der Kondensator­ platten der Streukapazität gezeigt. Der Pfeil 48 zeigt den Abstand der Kondensatorplatten für die Nutzkapazität. Wie aus der Fig. 6a zu erkennen ist, ist der Abstand der Streukapazität gleich dem Ab­ stand der Nutzkapazität, wenn die Wafer 5 durch die hier gezeigten Schichten 45 verbunden werden. In der Fig. 6b wird die Verbindung von zwei Wafern 5 über zwei dielektrische Schichten 12 und 13 ge­ zeigt. Die dielektrische Schicht 12 ist dabei durch lokale Oxidation von Silizium hergestellt worden. Wie aus der Fig. 6b zu erkennen ist, wurde durch die Verwendung des lokalen Oxids 12 der relative Abstand der Streukapazität 47 gegenüber dem Abstand der Nutz­ kapazität 48 verbessert. Das Verhältnis ist nicht mehr 1 zu 1 wie in Fig. 6a, sondern ca. 1 zu 1,5. Bei gleichbleibender Verbindungs­ fläche zwischen den beiden Wafern 5 wurde somit das Verhältnis von Nutzkapazität zu Streukapaziät verbessert.

In Fig. 7 wird die Verbindung von zwei Siliziumwafern 5 mit zwei lokalen Oxidationen von Silizium 14 und 15 gezeigt. Der relative Abstand von Nutzkapazität 48 zur Streukapazität 47 hat sich in diesem Fall auf ca. 1 zu 2 verbessert, das heißt bei gleicher Ver­ bindungsfläche wurde die Streukapazität abermals verringert.

Fig. 8 zeigt zwei Siliziumwafer 5, die durch eine lokale Oxidation 15 und eine nachbearbeitete lokale Oxidation 16 verbunden werden. In diesem Fall hat sich das Verhältnis des relativen Abstandes der Nutzkapazität 48 zur Streukapazität 47 abermals zugunsten der Nutz­ kapazität auf 1 zu 3 verschoben.

In Fig. 9 wird ein Beschleunigungssensor bestehend aus einer Ober­ platte 1, einer Mittelplatte 2 und einer Unterplatte 3 aus ein­ kristallinem Silizium gezeigt. Aus der Mittelplatte 2 ist eine bewegliche Elektrode 4 herausstrukturiert. Der in Fig. 9 gezeigte Beschleuni­ gungssensor entspricht in seiner Wirkungsweise den in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Beschleunigungssensoren. Die Oberplatte 1 und die Unterplatte 3 weisen jeweils auf der der Mittelplatte 2 zugewandten Seite eine geschlossene dielektrische Schicht 10 auf, das heißt für das Zusammenfügen der Platten 1, 2 und 3 ist keine Justierung not­ wendig. Weiterhin weist die seismische Masse 33 lokale Oxidationen 17 auf, die als Anschläge verwendbar sind. Weiterhin weist die Mittelplatte 2 lokale Oxidationen 18 auf, die für die Verbindung der Mittelplatte 2 mit der Oberplatte 1 und Unterplatte 3 genutzt werden. Die lokalen Oxidationen 17 sind dünner als die lokalen Oxidationen 18. Dies wird im Herstellungsprozeß dadurch erreicht, daß die Öffnungen im Siliziumnitrid zunächst nur für die lokalen Oxidationen 18 vorhanden sind. Die lokale Oxidation wird dann nach einer übrigen Zeit abgebrochen und es werden weitere Öffnungen in die Siliziumnitridschicht eingebracht um die lokalen Oxidationen 17 zu erzeugen. Danach wird die Oxidation noch eine Weile weiterge­ führt. Durch den zeitlichen Vorsprung sind die lokalen Oxidationen 18 dicker als die lokalen Oxidationen 17. Der Sensor nach Fig. 9 ist somit ohne Justierung verschließbar, er weist Anschläge auf und das Verhältnis von Nutz- zu Streukapazität ist günstig.

Claims (9)

1. Beschleunigungssensor mit einer Ober- (1), Mittel- (2) und Unterplatte (3) aus einkristallinem Silizium, die durch oberflächliche dielektrische Schichten (12-16, 18) miteinander verbunden sind, mit einer durch eine Beschleunigung beweglichen Elektrode (4), die aus der Mittelplatte (2) herausstrukturiert ist, und bei dem die jeweilige Kapazität zwischen der Ober- (1) und Unterplatte (3) und der Mittelplatte (2) gemessen wird, wobei durch Strukturierung eines Teils oder aller dielektrischen Schichten (12-16, 18) ein gewisser Abstand zwischen der beweglichen Elektrode (4) und der Ober- (1) und Unterplatte (3) erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Schichten (12-16, 18) aus Siliziumoxid bestehen, und daß mindestens ein Teil des strukturierten Siliziumoxids durch lokale Oxidation von Silizium hergestellt ist.

2. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verbindung der Platten eine durch lokale Oxidation erzeugte Siliziumoxidschicht (12) mit einer ganzflächig erzeugten Siliziumoxidschicht (13) verbunden ist.

3. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verbindung der Platten zwei durch lokale Oxidation erzeugte Siliziumoxidschichten (14, 15, 16) miteinander verbunden sind.

4. Beschleunigungssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke einer der beiden Siliziumoxidschichten (15, 16) durch Bearbeiten nach der Oxidation verringert ist.

5. Beschleunigungssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung mechanisch erfolgt.

6. Beschleunigungssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung durch Ätzen erfolgt.

7. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelplatte (2) strukturierte dielektrische Schichten (17, 18) aufweist, daß ein Teil dieser Schichten (17) als Anschläge und ein anderer Teil (18) zum Verbinden mit der Ober- (1) und Unterplatte (3) verwendbar sind, und daß die Dicke der Schichten (18) für die Verbindung mit der Ober- (1) und der Unterplatte (3) größer ist als die Dicke der als Anschläge verwendbaren Schichten (17), wobei diese Schichten (17, 18) durch lokale Oxidation hergestellt sind.

8. Beschleunigungssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ober- (1) und Unterplatte (3) auf der der Mittelplatte (2) zugewandten Seite einen geschlossenen Siliziumoxidfilm aufweisen.

9. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (1, 2, 3) einen Hohlraum (6) einschließen, sich die bewegliche Elektrode (4) in diesem Hohlraum (6) befindet und in dem Hohlraum (6) ein definierter Druck, vorzugsweise ein Unterdruck, eingeschlossen ist.