DE4402085A1 - Kapazitiver, an seiner Oberfläche mikrobearbeiteter Differenzdrucksensor und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
Kapazitiver, an seiner Oberfläche mikrobearbeiteter Differenzdrucksensor und Verfahren zu dessen HerstellungInfo
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Description
Zum Aufbau von Mikrostrukturen muß zuerst eine Opferschicht
auf ein Substrat aufgebracht und dann eine strukturelle Kom
ponente oder Schicht auf die Opferschicht aufgebracht wer
den. Die Opferschicht wird dann unter Belassung eines Sub
strates entfernt, wobei eine strukturelle Komponente am Sub
strat anhaftet, sich jedoch in einem Abstand von diesem be
findet. Zwei Arten von Verfahren werden gegenwärtig zum Ent
fernen der Opferschicht verwendet. Die eine Verfahrensart
ist das Naßtrennverfahren und die andere das Trockentrennver
fahren. Bei jedem Verfahren gibt es jedoch Schwierigkeiten.
Bei einem typischen Naßtrennverfahren wird eine Ätzlösung
oder ein Ätzmittel zwischen dem Substrat und der strukturel
len Schicht zum Entfernen der Opferschicht aufgebracht. Dann
wird die Opferschicht mit einer Spüllösung weggespült. Wäh
rend die Ätz- und die Spüllösung aus dem kleinen Raum zwi
schen der strukturellen Schicht und dem Substrat verdampfen,
werden zwischen diesen beiden starke Kapillarkräfte erzeugt.
Da das Volumen der unter der strukturellen Schicht einge
schlossenen Flüssigkeit durch die Verdampfung abnimmt, wer
den die Kapillarkräfte größer. Als Ergebnis dieser Kräfte be
ginnt eine Durchbiegung der strukturellen Schicht in Rich
tung auf die Oberfläche des Substrats. Falls die Kapillar
kräfte ausreichend stark sind und die strukturelle Schicht
ausreichend schwach ist, verformt sich diese bis zu dem
Punkt, an dem sie das Substrat berührt. An diesem Punkt sind
die zwischen den Flächen wirkenden Kräfte am größten, und
die strukturelle Schicht kann für immer am Substrat haften.
Deshalb besteht ein Bedarf an einem Verfahren, das die de
struktiven Auswirkungen der mit den Naßätztechniken verbunde
nen Kapillarkräfte vermeidet.
Zum Überwinden der destruktiven Auswirkungen der Kapillar
kräfte sind Trockentrennverfahren entwickelt worden. Obwohl
die Trockentrennverfahren zum Entfernen der Opferschichten
nicht durch Kapillarkräfte gestört werden, haben sie ihre ei
genen typischen Nachteile. Zum Beispiel verlangt das Trocken
trennverfahren von Saiki in der US-Patentschrift 3 846 166
das Aufbringen einer strukturellen Schicht auf einer Opfer
harzschicht. Da die Harzschicht jedoch bei niedrigen Tempera
turen (zum Beispiel 300 bis 400°C) schmilzt oder sich zer
setzt, können viele für den Aufbau der strukturellen Schicht
erwünschte Werkstoffe, die höhere Aufbringtemperaturen ver
langen, nicht auf die zerbrechliche Opferharzschicht aufge
bracht werden. Zum Beispiel verlangt polykristallines Sili
zium, ein für Mikrostrukturen bevorzugter Werkstoff, für das
Aufbringen eine Temperatur von etwa 600°C.
Ähnlich lehrt Bly in der US-Patentschrift 4 849 070 ein Troc
kentrennverfahren zum Entfernen einer Opferschicht, bei dem
die strukturelle Schicht auf der Oberseite einer massiven
Schicht aufgebaut wird, die später zur Freigabe der struktu
rellen Schicht sublimiert werden kann. Die Wahl der Werkstof
fe für die strukturelle Schicht ist wieder auf Werkstoffe
mit niedrigen Temperaturen beschränkt, da Werkstoffe mit hö
heren Temperaturen ein Verschwinden der sublimierbaren
Schicht vor dem Auftragen auf diese bewirken. Zusätzlich
lehrt Bly die Herstellung von bleibenden Stielen, die die
strukturelle Schicht oberhalb des Substrats abstützen und ei
nen Teil der fertigen Mikrostruktur bilden. Bei vielen Anwen
dungen besteht jedoch ein Bedarf an Mikrostrukturen ohne sol
che bleibenden Stiele.
Andere im Stand der Technik bekannte Trockentrennverfahren
schließen Verfahren mit dem Gefrieren von Flüssigkeiten und
einer Sublimation und Verfahren mit Fotoresistauffüllung und
Plasma-Ätzen ein. Unter bestimmten Umständen haben diese Ver
fahren auch ihre eigenen Nachteile und Beschränkungen. Ver
fahren mit Gefrieren von Flüssigkeiten und Sublimation kön
nen unzuverlässig und schwer zu steuern sein. Das Gefrieren
der Flüssigkeit zwischen der strukturellen Schicht und dem
Substrat kann zu einer die Mikrostruktur brechenden Volumen
erhöhung führen. Das Verfahren mit dem Auffüllen von Fotore
sist und Plasma-Ätzen ist schwer durchzuführen. In erster Li
nie liegt dies daran, daß Zeit und ein kostspieliges Mischen
der Lösung verlangt werden.
In der US-Patentschrift 4 744 863 lehren Guckel und andere
die Verwendung eines piezoresistiven Sensors in Verbindung
mit einer Hohlraumstruktur, die durch Auftragen einer
Schicht aus polykristallinem Silizium auf einen großen Stiel
aus Siliziumdioxid oder ein Gitter gebildet wird, das von
der zentralen Fläche zu den Seitenkanten nach außen führende
kleinere Rippen aufweist. Die Schicht aus polykristallinem
Silizium wird abgedeckt und zum Freilegen der Seitenkanten
der Rippen geätzt, und dann wird die gesamte Struktur in ein
Ätzmittel, das die Rippen und den Stiel, aber nicht das Sub
strat entfernt, eingetaucht. Der Hohlraum wird dann durch
Dampfauftrag von polykristallinem Silizium oder Siliziumni
trid versiegelt. In Spalte 6 wird das Konzept der Verwendung
einer kapazitiven Verformungsmessung als eine Alternative er
wähnt, aber nicht gelehrt.
Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung liegt damit in
der Ausbildung eines kapazitiven Differenzdrucksensors, der
nach einem Trockentrennverfahren zur Herstellung von Opfermi
krostrukturen gebaut wird, der die möglichen destruktiven
Auswirkungen der als Ergebnis der Naßätztechniken erzeugten
Kapillarkräfte vermeidet und eine Opferschicht verwendet,
auf der verschiedene Werkstoffe für strukturelle Schichten
aufgebracht werden können.
Das Trockentrennverfahren der vorliegenden Erfindung erzeugt
temporäre Stiele oder Säulen, die die strukturelle Schicht
während des Naßätzens der Opferschicht abstützen. Vorzugswei
se aus einem Polymer hergestellt verhindern die Stiele oder
Säulen, daß die strukturelle Schicht durch die Kapillarkräf
te vom Substrat weggezogen werden, während die Ätz- und Spül
lösungen verdampfen. Ein Verformen der strukturellen Schicht
und ein ungewünschtes bleibendes Anhaften der strukturellen
Schicht am Substrat werden vermieden. Die temporären Stiele
oder Säulen verlaufen während der Naßätzstufe vom Substrat
zur strukturellen Schicht und werden selbst nach dem Entfer
nen der Opferschicht durch Trockenätzen mit Plasma unter Er
zeugen einer Mikrostruktur, die keine Stiele oder Säulen ent
hält, entfernt. Diese Stufe des Trockenätzens des Plasmas er
fordert keine Flüssigkeiten. Kapillarkräfte treten daher
nicht auf, und zusätzliche Stützen werden während dieser Stu
fe nicht benötigt.
Das Verfahren zum Herstellen des mikrobearbeiteten Differenz
drucksensors auf einem Halbleitersubstrat schließt die Stu
fen des selektiven Implantierens eines Dotierungsstoffs in
das Substrat zum Ausbilden einer ersten Ätzschutzschicht
ein. Eine Oberflächenschicht aus dem Halbleitermaterial wird
dann auf das Substrat aufgebracht, deckt die erste Ätzschutz
schicht ab und bildet dadurch eine Membranfläche. Eine passi
vierende leitende Schicht wird unter Ausbildung einer Mem
branelektrode auf die Membranfläche aufgebracht. Eine Opfer
schicht wird selektiv auf die Membranfläche aufgebracht. Ei
ne leitende strukturelle Schicht wird an der Oberflächen
schicht so verankert, daß die Opferschicht unter Ausbildung
einer zweiten Elektrode zwischen dem Substrat und der struk
turellen Schicht liegt. Das Substrat wird von der der struk
turellen Schicht gegenüberliegenden Seite selektiv wegge
ätzt, so daß auf der Rückseite eine Öffnung ausgebildet
wird, die an der ersten Ätzeschutzschicht endet. Die erste
Ätzschutzschicht wird dann entfernt, so daß die rückseitige
Öffnung an die Membranschicht ankuppelt. Mindestens ein tem
porärer Stiel wird zum Verlauf von der strukturellen Schicht
in Richtung auf die Oberflächenschicht zum Vermeiden der Aus
biegung zwischen diesen ausgebildet. Die Opferschicht wird
entfernt, und dann werden die temporären Stiele entfernt.
Der sich ergebende Differenzdrucksensor erzeugt eine Ände
rung in der Ausgangskapazität, wenn ein Druck durch die rück
seitige Öffnung ausgeübt wird und eine Ausbiegung der Mem
bran und eine entsprechende Änderung in der Kapazität zwi
schen der ersten und der zweiten Elektrode bewirkt. Auf dem
Substrat am Drucksensor wird auch ein ohne eine Membran auf
gebauter Referenzkondensator ausgebildet.
Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus ei
nem Studium der geschriebenen Beschreibung und der Zeichnun
gen. In diesen ist
Fig. 1 ein Querschnitt durch das Substrat entlang der
Schnittlinie 1-1 in Fig. 2 mit Darstellung der
Druck- und Referenz-Sensorelemente,
Fig. 2 eine Aufsicht auf den Differenzdrucksensor,
Fig. 3 ein Schaubild mit Darstellung der Optimierung der
Konstruktionsvariablen für den Differenzdrucksensor,
Fig. 4A bis 4O je ein Querschnitt durch den erfindungsgemä
ßen Drucksensor und
Fig. 5 eine Darstellung der Sensortransferfunktion.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen zur Messung
von Flüssigkeits- und Gasdrücken geeigneten, an seiner Ober
fläche mikrobearbeiteten kapazitiven Sensor, der sich ohne
Anwendung von Halbleiterscheiben-Bondierungstechniken her
stellen läßt.
Der vorliegende Drucksensor wird auf die Messung von Diffe
renzdrücken von Flüssigkeiten, wie zum Beispiel Motor-, Auf
hängungs- und Getriebeölen, optimiert. Gemäß der Darstellung
in Fig. 1 besteht diese Konstruktion aus einem Kondensator
mit zwei Platten und einem Luft-Dielektrikum. Eine Platte
ist eine Membran, die durch den den Spalt verengenden und ih
re Kapazität verändernden Druck mechanisch verformt wird.
Der Druck der Flüssigkeit wird über eine Drucköffnung auf
die Rückseite der Membran ausgeübt. Ein Abgleichkondensator
wird zur ratiometrischen Messung der Durchbiegung der Mem
bran am Übertrager aufgebaut. Für die sich bewegende Elektro
de verwendet diese Konstruktion eine Einkristall-Silizium-
Membran und für die ortsfeste Elektrode polykristallines Si
lizium. Diese Konstruktion nutzt die hohe Güte und Reprodu
zierbarkeit der mechanischen Eigenschaften von Einkristall-
Silizium für die analoge Membran und die Vielseitigkeit der
Mikrobearbeitung von polykristallinem Silizium für die Her
stellung der aufgehängten Teile aus. Der sich durch den
Spalt ergebende Abstand beträgt weniger als ein Mikrometer.
Diese Kapazität ist groß genug für die Messung durch außer
halb des Chips angeordnete Schaltungen.
Gemäß der Darstellung in Fig. 2 sind vier Bondierungsfelder
a, b, c und d für die Elektroden zum leichten Anschluß an
die Detektionsschaltung auf der gleichen Seite des Chips an
geordnet. Diese Vorrichtungen lassen sich ohne Eichung mit
einem Fehler von ±10% in ihrer Kapazität-Druck-Abhängigkeit
herstellen. Diese Herstellungsgenauigkeit und -reproduzier
barkeit senkt die Sensorkosten beträchtlich.
Zum Zwecke der Erläuterung wird die Konstruktion für diese
Vorrichtung in einer Anwendung als Motoröl-Drucksensor ge
zeigt. Es gibt vier hauptsächliche Konstruktionsveränderli
che: die Membranbreite w, ihre Stärke t, den Elektrodenab
stand d und die Stärke s der ortsfesten Elektrode. Der Sen
sor muß mehrere Konstruktionskriterien erfüllen: a) Die Kapa
zität des Sensors muß über einem vorgegebenen Minimum Cmin
liegen; b) die Vorrichtung muß einen vollen Druckbereich von
Pr aufweisen, und sie muß dem Überdruck Pov standhalten kön
nen; c) die Einziehspannung der oberen Polysiliziumplatte
muß größer als Vpmin sein; und d) die Veränderlichkeit der
Lastdurchbiegungskurve aufgrund von Prozeßschwankungen muß
unter einem Schwellwert εo liegen. Weiter müssen die Fläche
und die Kosten zum Herabdrücken der Herstellungskosten auf
ein Minimum auf einem Minimum gehalten werden.
Die Druckkonstruktionsprobleme können als ein Optimierungs
problem mit Einschränkungen bezüglich Gleichheit und Un
gleichheit behandelt werden. Bei Nichtbeachtung der Restspan
nungen wird die Gleichung, die die Kurve zm der mittleren
Lastdurchbiegung der Membran angibt, über die Gleichungen
(11) und (12) (siehe unten) gegeben.
wobei D die Biegesteifheit der Platte ist. Zur Verhinderung
eines Anhaftens der Membran an der oberen Elektrode wird der
Luftspalt d so gewählt, daß die Membran beim vollen Druckbe
reich die Elektrode kaum berührt. Daraus ergibt sich d = zm
(Pr) oder
Die maximale Belastung in der Membran erfolgt an vier in der
Mitte gelegenen Punkten ihrer Kanten. Diese muß kleiner als
die Bruchspannung ∫ beim Überdruck Pov sein, was zu einer
Begrenzung in dem Verhältnis der Membran
führt, wobei β annähernd gleich 0,31 und für Einkristall-Si
lizium σ∫ annähernd gleich 600 MPa als ein sicherer Wert
ist. Die Kapazität des Sensors ist
Die Einziehspannung des Kondensators ist die Spannung, an
der die elektrische Kraft zwischen den Platten stark genug
ist, um den Kondensator zusammenfallen zu lassen. Bei dieser
Struktur ist die obere Elektrode nachgiebiger als die Mem
bran, so daß sie diese Spannung bestimmt. Es kann gezeigt
werden, daß für die Einziehspannung für eine eingeklemmte
elastische Platte der Stärke s gilt
Unter Verwendung der Gleichungen (13) bis (16) (siehe unten)
beträgt der gesamte relative Fehler der maximalen Durchbie
gung
Die Minimierung der Fläche der Vorrichtung ist der ihrer Ko
sten äquivalent. Diese Fläche ist verantwortlich für die Mem
branfläche wie auch für den diese umschließenden Rand. Die
gesamte Chipfläche des Sensors plus Referenzkondensator ist
Ac = (√tw + 2r + c + ω) (tw/√ + 3r + c + 2ω) (7)
wobei tw die Stärke der Halbleiterscheibe, r der Außenrand
des Chips und c die Schneidklingenstärke ist. Die tatsächli
che Optimierung wird am besten numerisch durchgeführt. Es
ist jedoch instruktiv, in einer grafischen Weise durch sie
durchzugehen. Die Gleichung (2) eliminiert eine der Konstruk
tionsvariablen und beläßt nur drei. Auch die Gleichung (5)
zeigt an, daß die ortsfeste Elektrode zum Maximieren der Ein
ziehspannung so stark wie möglich gemacht werden sollte. Da
mit verbleiben nur zwei Konstruktionsvariable, die Membran
breite w und deren Stärke t. Der mögliche Konstruktionsraum
kann in der w-t-Ebene von Fig. 3 durch Auftragen der durch
die verschiedenen Einschränkungen in dieser Ebene bestimmten
Kurven aufgetragen werden.
Diese Kurven stellen die Grenzen des möglichen Konstruktions
gebietes dar. Die Gleichung (3) begrenzt das mögliche Gebiet
auf die Punkte in dem Quadranten unter der Geraden A. Die Ka
pazitätseinschränkung der Gleichung (4) kombiniert mit der
Gleichung (2) führt zu der Kurve
dargestellt durch die Kurve B. Die Einziehspannung der Glei
chungen (5) und (2) führt zur Kurve C
Schließlich ist die Kurve D die Kontur der Gleichung (6) mit
εzm = εo. Zusätzliche den minimal erlaubten Spalt ddmin begrenzende Einschränkungen werden von der Kurve E aufer legt, da aus der Gleichung (4) und damit
εzm = εo. Zusätzliche den minimal erlaubten Spalt ddmin begrenzende Einschränkungen werden von der Kurve E aufer legt, da aus der Gleichung (4) und damit
Die schraffierte Fläche ist das mögliche Konstruktionsge
biet, und der Punkt P minimiert die Gesamtbreite (und die Ko
sten) der Vorrichtung, während sämtliche Einschränkungen er
füllt werden. Man beachte, daß nicht sämtliche Einschränkun
gen aktiv sind, da die Einschränkungen für einige bestimmte
Konstruktionsparameter außerhalb der Grenzen des möglichen
Gebietes landen können.
Für diese besonderen Vorrichtungen ist die Membran bei einem
Spalt von 0,7 µm 530 µm breit und 19 µm stark. Die sich erge
bende Kapazität beträgt annähernd 3,5 pF pro Vorrichtung bei
einer vollen Skalenbreite von 0,8 pF und kann Drücke bis zu
100 PSI messen. Jede Vorrichtung nimmt mit einem Abgleichkon
densator 2,6 mm2 Fläche ein und ergibt für jede 100 mm Halb
leiterscheibe annähernd 3000 Vorrichtungen. Dieses Konstruk
tionsverfahren kann für andere Druckbereiche dupliziert wer
den.
Fig. 4 zeigt den Herstellungsablauf der bevorzugten Ausfüh
rungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren beginnt
in Fig. 4A mit einer Silizium-Halbleiterscheibe 10 vom p-Typ
mit einer 100 Kristallgitterorientierung und mit einer Kon
zentration von Bor von 1015 cm-3. Zuerst wird das Silizium
unter Verwendung eines SF6 Plasma auf eine Tiefe von etwa 1 µm
geätzt. Nach dem Entfernen des Resist 12 und Reinigen der
Probe in einer Piranha-Lösung wird die Halbleiterscheibe zum
Ausbilden der p+ Ätzschutzfläche 20 wieder strukturiert. Ei
ne große Dosis an Bor 2×1016 cm mit einer Energie von
100 KeV wird auf die frei liegenden Flächen 20 ionen-implan
tiert und die Halbleiterscheiben werden dann mit Piranha ge
reinigt. Die Proben werden dann zur Wiederherstellung der
kristallinen Struktur der ionen-implantierten Gebiete wäh
rend 30 Minuten einer kurzen Vergütung bei 900°C in einer
trockenen Sauerstoffatmosphäre unterzogen. Das dünne Oxid
wird dann gemäß der Darstellung in Fig. 4B mit 10 : 1 HF ent
fernt.
In der nächsten Stufe wird eine 19 µm starke Schicht 30 aus
Silizium bei einer Temperatur von 1150°C etwa fünf Minuten
epitaxial zum Wachsen gebracht. Die Gleichförmigkeit des
epi-Wachstums ist besser als 1%. Diese Schicht wird in situ
p-Typ-dotiert mit einer Borkonzentration von 1015 cm-3. Als
nächstes wird die Passivierungsschicht 32 für die obere Elek
trode zum Wachsen gebracht. Eine Schicht 34 aus 3 µm LPCVD-
Niedrigtemperatur-Oxid (LTO) wird zum Wachsen gebracht und
gemäß der Darstellung in Fig. 4C strukturiert. Das LTO wird
in einer 5 : 1 BHF-Ätzlösung bis zum Erreichen der Silizium
oberfläche geätzt. Unter Ausbilden der rückwärtigen Elektro
de 40 werden die Proben als nächstes mit 5×1015 cm-2 Arsen
implantiert.
Nach dem Entfernen des Fotoresist und dem Reinigen mit Piran
ha wird eine dünne 100 nm Schicht 42 aus LPCVD-Siliziumni
trid mit niedriger Restspannung gemäß der Darstellung in
Fig. 4D auf den oberen Oberflächen zum Wachsen gebracht. Der
Sinn dieser Schicht liegt im Schutz der Oxidpassivierung vor
der sich anschließenden Opferätzung und zum Ausbilden einer
Maskenschicht für die rückseitige Öffnungsätzung. Eine 0,5 µm
starke Schicht 50 aus LTO wird dann zum Wachsen gebracht
und in der Plattenfläche,, strukturiert. Diese Oxidschicht
wirkt wie eine Maske für die Nitridätzung. Eine Schicht 46
aus Fotoresist wird auch auf die Rückseite zu ihrem Schutz
vor der LTO-Ätzung aufgezogen. Das LTO wird dann mit 5 : 1 BHF
geätzt, und die Proben werden dann gereinigt. Das darunter
liegende Nitrid wird dann in einer heißen H3PO4-Lösung bei
150°C geätzt. Als nächstes werden die Proben zum Entfernen
der LTO-Maske in eine 5 : 1 BHF-Lösung getaucht.
Nach dem Reinigen der Halbleiterscheibe wird eine 0,7 µm
starke Schicht 50 aus LTO für den Zwischenelektroden-Opfer
oxidabstandhalter zum Wachsen gebracht. Nach dem Durchführen
der Oxidlithographie wird das Ergebnis zum Erzielen der in
Fig. 4E gezeigten Struktur mit 5 : 1 BHF strukturiert. Nach
dem Entfernen des Resist werden die Proben in einer Piranha-
Lösung gereinigt, und eine zweite 100 nm-Schicht 52 aus Ni
trid mit niedriger Spannung wird zum Wachsen gebracht. Diese
Schicht ist ein dielektrischer Abstandhalter, der bei einem
Überdruck den elektrischen Kontakt der Kondensatorelektroden
verhindert.
Als nächstes wird eine 2 µm-Schicht 60 aus geringfügig
streckbarem, undotiertem polykristallinen Silizium, die etwa
eine Hälfte der Stärke der oberen Elektrode darstellt, aufge
bracht. Die Proben werden dann mit Phosphor mit einer Dosis
von 1016cm-2 ionen-implantiert, um damit das polykristalline
Silizium leitend zu machen. Nach dem Reinigen der Proben in
Piranha werden die verbleibenden 2 µm der oberen Elektroden
schicht 60 gemäß der Darstellung in Fig. 4F zum Wachsen ge
bracht. Die Halbleiterscheibe wird dann zum Aktivieren des
Borimplantates 30 Minuten bei 900°C geglüht.
Als nächstes wird die Lithographie der Elektrode aus dem polykristallinen
Silizium durchgeführt. Das 4 µm starke poly
kristalline Silizium wird in einer 64 : 33 : 3 HNO3:H2O:NH4F-Lö
sung bis zum Erreichen der Nitridschicht feucht geätzt. Nach
dieser Stufe werden die Halbleiterscheiben gereinigt, und ei
ne 1 µm starke LTO-Schicht 66 wird zum Wachsen gebracht. Als
nächstes wird gemäß der Darstellung in Fig. 4G die Lithogra
phie des Kontaktloches der rückwärtigen Elektrode durchge
führt und das Substrat geätzt. Die LTO-Schicht schützt die
vorderseitige Elektrode vor der rückseitigen Membranätzung.
Im Anschluß an diese Stufe wird die Vorderseite der Halblei
terscheibe mit einer Doppellage des Fotoresist abgedeckt.
Das LTO auf der Rückseite wird dann in einer 5 : 1 BHF-Lösung
entfernt. Als nächstes wird die rückseitige Lithographie
durchgeführt, und das rückseitige Nitrid 70 wird dann in ei
nem SF6-Plasma bis zum Silizium geätzt. Dadurch wird die
rückseitige Öffnung 72 freigelegt. Das Fotoresist wird dann
entfernt und die Proben mit Piranha gereinigt.
Die Halbleiterscheiben werden dann in eine 2 Gew.-% TMAWH an
isotrope Siliziumätzlösung (oder eine andere, wie EDP, KOH)
getaucht und etwa 20 Stunden auf 80°C erwärmt. Diese Ätzung
hält unter Ausbildung der in Fig. 4H gezeigten rückseitigen
Öffnung 76 an der vergrabenen p+ Schicht 20 an. Nach dem Spü
len werden die Proben etwa fünfzehn Minuten in eine 1 : 3 : 8
HNO3:HF:CH3COOH-Lösung getaucht. Dies greift die p+ Schicht
20 an. Die Entfernung der p+ Schicht 20 erzeugt eine Ausspa
rungskerbe oder eine hinterschnittene Fläche 76a. Diese er
laubt eine genauere Steuerung der Abmessungen und des Verhal
tens der Membran. Nach dem Reinigen mit Piranha und dem Spü
len werden die Proben gemäß der Darstellung in Fig. 4I zum
Entfernen des Nitrids 20 im Kontaktloch und auf der Rücksei
te in ein heißes H3PO4-Bad getaucht. Dann werden die Proben
zum Entfernen der LTO-Schutzschicht in 5 : 1 BHF getaucht. Die
Halbleiterscheiben werden dann gereinigt und zum Entfernen
irgendwelcher in der Membran verbliebener Spannungen 30 Minu
ten in N2 bei 1000°C geglüht.
Als nächstes wird die Lithographie der geätzten Plattenlö
cher 80 durchgeführt. Diese Löcher 80 werden zum Verkürzen
der Opferätzzeit der Platte und zum Ausbilden von "Füßen" be
nutzt, die die Platte in ihrer Lage gegen den während der Op
ferätzung entwickelten Kapillardruck halten. Die Elektroden
löcher 80 werden dann in einem SF6:C2C1F5-Plasmareaktor bis
zur Nitridschicht 52 geätzt. Diese wird dann gemäß der Dar
stellung in Fig. 4J bis zum Erreichen des Oxids 50 in einem
SF6-Plasma geätzt. Als nächstes wird der Fotoresist ent
fernt, und die Lithographie für die Stützfüße wird durchge
führt. Bei dieser Stufe werden einige der Elektrodenlöcher
80a mit dem Resist abgedeckt. Diese sind Zugangslöcher für
die Opferätzung. Die freiliegenden Löcher 80b werden für die
Konstruktion der Füße benutzt. Die Proben werden dann in 5 : 1
BHF getaucht, die Opfer-LTO wird geätzt und ein kurzes Stück
unter Bildung der Struktur von Fig. 4K hinterschnitten. Nach
dieser Stufe werden die Proben piranhagereinigt, und die Fü
ße werden dadurch gebildet, daß zuerst eine 5 µm-Schicht aus
Parylen-C84 ausgebildet wird. Parylen ist ein Polymer, das
aus der Gasphase abgesetzt wird. Dieses Polymer 84 füllt un
ter Ausbildung des polymeren Abstandhalters 86 unter der
Platte die Hinterschneidung aus. Nach dem Auftrag wird eine
dünne, 100 nm starke Schicht aus AlSi auf die Proben aufge
dampft. Das Aluminium wird dann gemäß der Darstellung in
Fig. 4L strukturiert und geätzt.
Die Halbleiterscheibe wird dann für etwa 45 Minuten einem
Sauerstoffplasma bei 450 W ausgesetzt. Das dünne Aluminium
dient als Maske 88 für die O2-Ätzung. Nach dem Ätzen werden
die Proben in ein Aluminiumätzmittel eingetaucht, und das un
geschützte Aluminium wird entfernt. Die sich ergebende Struk
tur wird in Fig. 4M gezeigt. Man beachte, daß sie aus einer
Platte 88 auf der Oberseite einer Oxidschicht 60 besteht.
Die obere Elektrode weist Zugangslöcher 80a für die Opferät
zung zum Entfernen des darunterliegenden LTO 60 auf. Zusätz
lich weist die Platte Parylen-Abstandhalter 85 auf, um sie
während der Ätzung in ihrer Lage zu halten. Nach dieser Stu
fe werden die Proben zum Entfernen der Opfer-LTO-Schicht für
fünf bis zehn Minuten in eine konzentrierte HF-Lösung einge
taucht. Die Parylenfüße verhindern, daß die obere Elektrode
die Membran berührt.
Als nächstes wird eine 1 µm-AlSi-Schicht 90 auf die Proben
gesputtert, und die Metallisierungslithographie wird durchge
führt. Das Metall wird in einem Aluminiumätzmittel unter Be
lassung der AlSi-Flächen geätzt. Nach dem Entfernen des Foto
resist in Aceton wird die endgültige Struktur von Fig. 4N er
zielt.
Als nächstes werden die Proben gespalten und die Chips in
Würfel geschnitten. Nach der Montage werden die zu Paketen
zusammengefaßten Vorrichtungen zum Ätzen der Parylenfüße für
etwa eine bis zwei Stunden bei 450 W in einen Sauerstoff-
Plasma-Reaktor eingesetzt. Damit wird die obere Elektrode
freigegeben. Die fertige Vorrichtung wird in Fig. 4O ge
zeigt. Eine typische Transferfunktion wird in Fig. 5 ge
zeigt.
Die Opferschicht wird aus einer Gruppe von Opferschichtwerk
stoffen, die sich mit nassen Ätztechniken entfernen lassen,
ausgewählt. Die Opferschicht muß weiter mit der auf ihr abzu
scheidenden strukturellen Schicht kompatibel sein und muß
den für das Abscheiden der strukturellen Schicht erforderli
chen Temperaturen widerstehen. Ebenso darf die Opferschicht
an oder unter der für das Abscheiden der strukturellen
Schicht erforderlichen Temperatur nicht sublimieren. Erläu
ternd für Opferschichtwerkstoffe ist der bevorzugte Werk
stoff Siliziumdioxid.
Die strukturelle Schicht wird auf der Opferschicht in sol
cher Weise abgeschieden, daß sie mindestens ein Ankerbein
aufweist, wie zum Beispiel die Ecke einer Kante, wobei das
Ankerbein durch eine Öffnung in der Opferschicht an der Sub
stratoberfläche verankert ist.
Die Schutzschicht, die gegenüber dem Opferschichtätzmittel
beständig ist, zum Beispiel ein schützendes Polymer, wie ein
Fotoresistpolymer, wird so auf die Oberfläche der strukturel
len Schicht aufgetragen, daß sie mindestens ein der in die
ser befindlichen Löcher abdeckt, während sie mindestens ein
Loch unbedeckt läßt. Die Schutzschicht kann so mit bekannten
Auftragetechniken aufgebracht werden, während mindestens ein
Loch mit der lithographischen oder anderen im Stand der Tech
nik bekannten Techniken unbedeckt bleibt. Die strukturelle
Schicht wird dann vorzugsweise in eine Opferschicht-Ätzmit
tellösung eingetaucht. Damit werden Teile der Opferschicht
dort entfernt, wo diese durch das unbedeckte Loch der struk
turellen Schicht freiliegt. Das partielle Ätzen der Opfer
schicht durch die Löcher erstreckt sich vorzugsweise bis zum
Substrat, um fehlerhafte Flächen auszumerzen, die später un
ter Bildung von Stielen oder Säulen gefüllt werden können.
Vorzugsweise schließen die fehlerhaften Flächen hinterschnit
tene Flächen in der Opferschicht ein. Die Schutzschicht wird
dann mit für den besonderen gewählten Schutzschichtwerkstoff
bekannten Verfahren, zum Beispiel durch Auftragen eines Ätz
mittels, entfernt.
Im allgemeinen kann die die Säule bildende Schicht aus einem
Werkstoff hergestellt werden, der sich mit einem Trocken
trennverfahren entfernen läßt. Vorzugsweise ist die die Säu
le bildende Schicht das konforme Polymer, Xylen, das sich
zum wesentlichen Ausfüllen der hinterschnittenen Fläche als
Dampf niederschlagen läßt. Eine die Säule bildende Schicht
wird in die fehlerhafte Fläche und die hinterschnittene Flä
che eingebracht und bildet polymere Stiele oder Säulen, die
in die Opferschicht eingebettet sind und später während des
Naßätzens verbleibenden Opferschicht eine Stütze für die
strukturelle Schicht bilden. Die fehlerhafte Fläche kann mit
oder ohne die bevorzugte hinterschnittene Fläche ausgebildet
werden. Bei Fehlen der hinterschnittenen Flächen erzeugen
die fehlerhaften Flächen Stiele oder Säulen, die nur die
Oberseite der strukturellen Schicht überlappen und diese
durch Adhäsion an ihr abstützen. In dieser Beziehung kann
die Fläche, auf der eine Überlappung stattfindet, zum Ausbil
den einer größeren oder kleineren Oberfläche für die Adhä
sion geändert werden. Dies hängt von der für das Abstützen
der strukturellen Schicht erforderlichen Adhäsionskraft ab.
Die fehlerhaften Flächen können in der Opferschicht bis auf
eine Tiefe unter der Tiefe zwischen der strukturellen
Schicht und dem Substrat geätzt werden. Die Stiele oder Säu
len, die von der strukturellen Schicht bis kurz vor das Sub
strat verlaufen, können dadurch gebildet werden. Während des
Verdampfens der Ätz- und der Spüllösung wird sich die struk
turelle Schicht etwas verbiegen. Vor der Berührung des Sub
strats wird sie jedoch durch die Stiele oder Säulen angehal
ten. Kürzere Stiele werden nicht bevorzugt, da der Abstand
zwischen den Stielen jedoch enger sein muß, was mehr Löcher
in der strukturellen Schicht verlangt und auf dieser zu ei
ner geringeren für eine Anwendung verfügbaren freien Oberflä
che führt.
Eine Maskenschicht, wie ein Film aus einem gegenüber einer
Plasma-Ätzung elastischen Werkstoff wird nach einem Schema
über Abschnitte der die Säule bildenden Schicht aufgetragen,
wobei diese Abschnitte die Löcher abdecken, durch die die
fehlerhaften und hinterschnittenen Flächen gefüllt wurden.
Dies wird durch Auftragen eines Filmes in im Stand der Tech
nik bekannter Weise durch Dampf oder Vakuum oder andere Auf
tragetechniken erreicht, und ein Schema wird durch lithogra
phische oder andere bekannte Verfahren ausgebildet. Vorzugs
weise ist die Maskenschicht ein Film aus Aluminium oder ei
nem anderen herkömmlichen Metall mit etwa 50 bis 100 Nanome
tern Stärke. Die Maskenschicht schützt jene Abschnitte der
ersten polymeren Schicht, die mit dem Schema abgedeckt sind,
vor einem Ätzen, und nach dem Auftragen werden die unge
schützten Abschnitte der die Säule bildenden Schicht durch
Trockenätzen, zum Beispiel durch Sauerstoff-Plasma-Ätzen,
oder andere bekannte Verfahren entfernt.
Obwohl bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung hier ge
zeigt und beschrieben wurden, leuchtet es ein, daß diese Aus
führungsformen nur als Beispiel gegeben wurden. Zahlreiche
Änderungen, Abwandlungen und Ergänzungen werden Fachleuten
ohne Abweichung vom Wesen der Erfindung einfallen. Es ist da
her beabsichtigt, daß die beifolgenden Patentansprüche alle
diese Abänderungen abdecken, so wie diese im Bereich und Rah
men der Erfindung liegen.
Claims (18)
1. Verfahren zum Herstellen eines mikrobearbeiteten kapazi
tiven Differenzdrucksensors auf einem Substrat mit den
Stufen:
- selektives Implantieren eines Dotierungsstoffs in
das Substrat zum Ausbilden einer ersten Ätzschutz
schicht,
Aufbringen einer Oberflächenschicht aus Halbleiterma terial auf das Substrat, um mindestens die erste Ätz schutzschicht zum Ausbilden einer Membran auf dieser ab zudecken,
Aufbringen einer passivierenden leitenden Schicht auf die Membran zum Ausbilden einer Membranelektrode,
selektives Auftragen einer Opferschicht auf die Mem bran und die auf dieser befindliche passivierende leiten de Schicht,
Verankern einer leitenden strukturellen Schicht an der Oberflächenschicht, so daß die Opferschicht zum Aus bilden einer zweiten Elektrode zwischen dem Substrat und der strukturellen Schicht angeordnet ist,
selektives Ätzen des Substrats von der Seite gegen über der strukturellen Schicht zum Ausbilden einer offe nen rückseitigen Öffnung, die an der ersten Ätzschutz schicht endet,
selektives Entfernen der ersten Ätzschutzschicht, so daß die rückseitige Öffnung an die Membran auf der Seite gegenüber der strukturellen Schicht ankoppelt,
Ausbilden mindestens eines durch die strukturelle Schicht zu der Oberflächenschicht zum Herabsetzen der zwischen diesen stattfindenden Ausbiegung verlaufenden temporären Stieles,
Entfernen der Opferschicht zum Ausbilden eines Mem branhohlraums, in den sich die Membran nach Maßgabe des zu messenden Druckes ausbiegen kann, und
Entfernen der temporären Stiele, so daß durch die rückseitige Öffnung ausgeübter Druck eine Ausbiegung der Membran und eine entsprechende Änderung der Kapazität zwischen der ersten und der zwei ten Elektrode bewirkt.
2. Verfahren zur Mikrostrukturherstellung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe des Ausbildens min
destens eines temporären Stiels die folgenden Stufen um
faßt:
- Ätzen mindestens eines Loches in der strukturellen
Schicht,
Aufbringen eines selektiven Ätzmittels durch minde stens ein Loch zum Ausbilden einer Leerstelle in der Op ferschicht,
Auftragen einer eine Säule bildenden Schicht, die ge genüber dem Opferschichtätzmittel durch mindestens eins der Löcher in der strukturellen Schicht widerstandsfähig ist, um die Leerstelle im wesentlichen auszufüllen und einen in die Opferschicht eingebetteten und durch minde stens ein Loch stützend an die strukturelle Schicht ange koppelten Stiel auszubilden, und dann die die Säule bil dende Schicht auf mindestens einen Abschnitt der struktu rellen Schicht aufzubringen, und
Entfernen der die Säule bildenden Schicht von der strukturellen Schicht ausgenommen dort, wo die die Säule bildende Schicht über mindestens einem Loch verläuft.
3. Verfahren zur Mikrostrukturherstellung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe des Entfernens der
die Säule bildenden Schicht von der strukturellen
Schicht die folgenden Stufen umfaßt:
- Aufbringen eines gegenüber dem Plasma-Ätzen beständi
gen Materialfilms in einem Schema über der Oberfläche
der die Säule bildenden Schicht, wobei das Schema über
jedes Loch zu liegen kommt, durch das die die Säule bil
dende Schicht aufgebracht wird, um die Leerstelle im we
sentlichen auszufüllen,
Entfernen der die Säule bildenden Schicht im allge meinen außerhalb des Schemas von der strukturellen Schicht durch Plasma-Ätzen und
anschließendes Entfernen des Materialfilms in dem Schema.
4. Verfahren zur Mikrostrukturherstellung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe des Aufbringens ei
nes Ätzmittels durch mindestens ein Loch das Ausbilden
einer Leerstelle einschließlich einer hinterschnittenen
Fläche in der Opferschicht einschließt.
5. Verfahren zur Mikrostrukturherstellung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe des Aufbringens ei
nes Ätzmittels durch mindestens ein Loch das Ausbilden
der Leerstelle ausgehend von dem Loch in der strukturel
len Schicht bis zum Substrat einschließt.
6. Verfahren zur Mikrostrukturherstellung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe des Aufbringens ei
ner gegenüber dem Opferschichtätzmittel beständigen, ei
ne Säule bildenden Schicht durch mindestens ein Loch die
Stufe des Einbringens eines Polymers durch Dampfauftrag
in die Leerstelle einschließt.
7. Verfahren zur Mikrostrukturherstellung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe des Aufbringens
der gegenüber dem Opferschichtätzmittel beständigen, ei
ne Säule bildenden Schicht die Stufe des Aufbringens ei
nes konformen Polymers einschließt.
8. Verfahren zur Mikrostrukturherstellung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Stufe des Ätzens mindestens eines Loches das Ät zen mehrerer Löcher in der strukturellen Schicht umfaßt und
das Verfahren weiter die folgenden Stufen umfaßt:
die Stufe des Ätzens mindestens eines Loches das Ät zen mehrerer Löcher in der strukturellen Schicht umfaßt und
das Verfahren weiter die folgenden Stufen umfaßt:
- Abdecken mindestens eines der zahlreichen Löcher
mit einer gegenüber dem Opferschichtätzmittel beständi
gen Schutzschicht und
Entfernen der Schutzschicht nach der Stufe des Aufbringens eines Ätzmittels durch mindestens ein Loch zum Ausbilden des Membranhohlraums.
9. Verfahren zur Mikrostrukturherstellung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Stufe des Aufbringens einer strukturellen Schicht das Aufbringen einer ein polykristallines Sili zium enthaltenden Schicht umfaßt und
die Stufe des Abdeckens mindestens eines der zahlrei chen Löcher mit einer Schutzschicht durch Aufbringen ei nes fotoresisten Polymers durchgeführt wird.
die Stufe des Aufbringens einer strukturellen Schicht das Aufbringen einer ein polykristallines Sili zium enthaltenden Schicht umfaßt und
die Stufe des Abdeckens mindestens eines der zahlrei chen Löcher mit einer Schutzschicht durch Aufbringen ei nes fotoresisten Polymers durchgeführt wird.
10. Verfahren zur Mikrostrukturherstellung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe des Entfernens der
temporären Stiele die Stufe des Ätzens der temporären
Stiele unter Verwendung eines Trockenätzverfahrens um
faßt.
11. Verfahren zur Mikrostrukturherstellung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe des Aufbringens
der Opferschicht die Stufe des Aufbringens einer hochtem
peraturbeständigen Opferschicht einschließt, die durch
Temperaturen von mindestens annähernd 600°C im wesentli
chen unbeeinflußt bleibt.
12. Verfahren zur Mikrostrukturherstellung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe des selektiven Im
plantierens des Dotierungsstoffs weiter die Stufe des
Bemessens der Ätzschutzschicht auf annähernd die Größe
der Membran, aber nicht größer als ein geschlossenes En
de der rückseitigen Öffnung einschließt, wodurch an der
Membran nach der Stufe des Ätzens der rückseitigen Öff
nung eine Aussparungskerbe ausgebildet wird.
13. Verfahren zur Mikrostrukturherstellung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stufen des Auftragens ei
ner Oberflächenschicht, des Auftragens einer passivieren
den leitenden Schicht, des selektiven Auftragens einer
Opferschicht, des Verankerns einer leitenden strukturel
len Schicht, des Ausbildens mindestens eines temporären
Stiels, des Entfernens der Opferschicht und dann des Ent
fernens der temporären Stiele jeweils weiter entsprechen
de Stufen zum Ausbilden eines Abgleichreferenzkondensa
tors auf dem Substrat an, aber in einem Abstand seitlich
von der rückseitigen Öffnung einschließen.
14. An seiner Oberfläche mikrobearbeiteter Differenzdrucksen
sor, hergestellt vorzugsweise nach einem Verfahren gemäß
einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, bestehend
aus:
- einem Substrat,
einer Oberflächenschicht auf einer Seite des Sub strats,
zwei ersten leitenden Flächen seitlich angrenzend an einander in der Oberflächenschicht,
zwei überbrückenden leitenden Schichten, die beide an das Substrat angekoppelt sind und sich über ihre ent sprechende erste leitende Fläche überbrücken, um so mit diesen einen Kondensator und dazwischen einen Membran hohlraum auszubilden,
einer rückseitigen Öffnung, die sich von der Seite des Substrats gegenüber der einen Seite öffnet und in das Substrat eintritt, um so eine flexible Membran schicht von verminderter Stärke gegenüber der ersten lei tenden Fläche auszubilden, so daß durch die rückseitige Öffnung ausgeübter Druck zu einer Verschiebung der flexiblen Membran mit ei ner Änderung nur in der Kapazität zwischen der überbrük kenden leitenden Schicht und der ersten leitenden Fläche gegenüber der rückseitigen Öffnung führt.
15. An seiner Oberfläche mikrobearbeiteter Differenzdrucksen
sor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß jede
überbrückende leitende Schicht mindestens zwei durch sie
durchtretende Öffnungen zur Verbindung mit dem dazwi
schen befindlichen Membranhohlraum einschließt.
16. An seiner Oberfläche mikrobearbeiteter Differenzdrucksen
sor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die
Oberflächenschicht polykristallines Silizium ist.
17. An seiner Oberfläche mikrobearbeiteter Differenzdrucksen
sor nach Anspruch 14, gekennzeichnet weiter durch
einen stützenden Stiel, der durch eine der Öffnungen
in den überbrückenden leitenden Schichten angekoppelt
ist und durch den Membranhohlraum zum effektiven Anschla
gen am Substrat nach Maßgabe einer Durchbiegung der über
brückenden leitenden Schicht verläuft.
18. An seiner Oberfläche mikrobearbeiteter Differenzdrucksen
sor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der
stützende Stiel aus einem durch Trockenätztechniken ent
fernbaren Polymer gebildet ist.
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