DE60034791T2 - Mikrobauelement und dessen herstellungsverfahren - Google Patents

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine Mikrovorrichtung, die in einem Trägheitskraftsensor, optischen Schalter oder dergleichen verwendet wird, und insbesondere eine Mikrovorrichtung, die ein isolierendes Substrat und eine balkenähnliche Konstruktion bzw. Struktur aus Silicium aufweist, die an dem isolierenden Substrat gebildet ist, und ein Verfahren zum Herstellen derselben.
  • Stand der Technik
  • Seit einiger Zeit ist es möglich, Silicium mit Hilfe einer reaktiven Ionenätztechnologie (RIE-Technologie) unter Verwendung von induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) als die Aktivierungsenergiequelle bis zu einer Tiefe von 100 μm zu ätzen (nachstehend als ICP-RIE-Verfahren bezeichnet). Diese Technik wird auf dem Gebiet der Vorrichtungsentwicklung durch Mikrobearbeitung als eine viel versprechende neue Technik zur Herstellung von Siliciumstrukturen mit hohen Seitenverhältnissen mit einer ausreichend hohen Atzrate angesehen. In der Vergangenheit war das Nassverfahren unter Einsatz einer Alkalilösung als das Verfahren zum Tiefätzen von Silciumsubstraten vorherrschend. Es ist jedoch schwierig, mit dem Nassverfahren eine gewünschte Struktur herzustellen, da in dem Nassverfahren die Ätzrichtung von der Kristallorientierung von Silicium abhängt. Dagegen unterliegt das ICP-RIE-Verfahren nicht der Anisotropie des Atzens, da es ein Trockenverfahren ist. Das ICP-RIE-Verfahren hat also gegenüber dem Nassverfahren den Vorteil, dass ein weit höherer Freiheitsgrad beim Entwurf der Strukturkonfiguration erzielt werden kann als im Fall des Nassverfahrens.
  • Bei der Trockenätzbearbeitung eines Silciumsubstrats, auf dem durch Fotolithografie oder dergleichen eine Maskierungsschicht mit einer gewünschten Struktur gebildet worden ist, tritt jedoch das Problem auf, dass ein breiterer Bereich (der durch eine breitere Öffnung hindurch freiliegt) mit einer höheren Rate als ein schmalerer Bereich geätzt wird. Dies wird durch den Mikrobelastungseffekt verursacht, der ein wohl bekanntes Phänomen auf dem Gebiet von Halbleiterherstellungsverfahren ist. Dieses Phänomen hat auf die Mikrovorrichtungen, die vom Umfang der vorliegenden Erfindung umfasst sind, nämlich auf Mikrovorrichtungen, die ein isolierendes Substrat und eine an dem isolierenden Substrat gebildete balkenähnliche Struktur aus Silicium aufweisen, die nachstehend beschriebene nachteilige Auswirkung.
  • 15 und 16 zeigen den Aufbau eines Trägheitskraftsensors als ein Beispiel für den Grundaufbau einer Mikrovorrichtung 100 nach dem Stand der Technik. 15 ist eine schematische Draufsicht, und 16 ist eine Schnittansicht entlang der Linie XVI-XVI' von 15. Der Trägheitskraftsensor 100 weist ein isolierendes Substrat 101, in dessen Oberfläche eine Ausnehmung gebildet ist, und eine balkenähnliche Struktur 104 aus Silicium auf, so dass die Ausnehmung an der Oberfläche des isolierenden Substrats 101 zwischengefügt ist. Die balkenähnliche Struktur 104 weist ferner zwei Elektroden 105, 105 auf. Die Elektrode 105 weist einen Stützabschnitt 106 und eine Vielzahl von freitragenden Elementen 107 auf. Die freitragenden Elemente 107 sind so angeordnet, dass sie einander über einen sehr kleinen Zwischenraum gegenüberliegen.
  • Die 17A bis 17G sind Schnittansichten, die das Verfahren zur Herstellung des Trägheitssensors zeigen, der in 15 gemäß dem Stand der Technik dargestellt ist. Bin ähnliches Herstellungsverfahren wird beispielsweise von Z. Xiao et al. in Proc. of Transducers '99, Seiten 1518-1521, und von S. Kobayashi et al. in Proc. of Transducers '99, Seiten 910-913, vorgeschlagen.
  • Bin Siliciumsubstrat 103 wird in dem Schritt von 17A bereitgestellt, und ein Glassubstrat 101 wird in dem Schritt von 17B bereitgestellt. In dem Schritt von 17C wird durch das Fotolithografieverfahren eine Maskierungsschicht 108 an der Oberfläche des Glassubstrats 101 gebildet, und in dem Schritt von 17D wird durch Ätzen der Oberfläche des Glassubstrats 101 bis zu einer Tiefe in einem Bereich von mehreren Mikrometern bis zu mehreren zehn Mikrometern mit Hilfe einer verdünnten Flusssäurelösung eine Ausnehmung 102 gebildet. In dem Schritt von 17E wird das Siliciumsubstrat 103 durch ein Anodenbondverfahren an die Oberfläche des Glassubstrats 101 gebondet. In dem Schritt von 17F wird durch Fotolithografie eine Maskierungsschicht 109 gebildet, die eine Struktur hat, die der planaren Konfiguration der in 15 gezeigten balkenähnlichen Struktur 104 entspricht. In dem Schritt von 17G wird das Siliciumsubstrat 103 mit dem ICP-RIE-Verfahren durchgeätzt, so dass ein freitragendes Element 107 gebildet wird. Dann wird das an der Oberfläche des Siliciumsubstrats verbliebene Resist entfernt.
  • Der Schritt von 17G bringt ein Problem mit sich. Die Maskierungsschicht 109 in dem Schritt von 17F hat im Allgemeinen sowohl breite Öffnungen als auch schmale Öffnungen. Wenn also bei dem Siliciumsubstrat 103, das die Maskierungsschicht 109 hat, ein Trockenätzverfahren wie etwa das ICP-RIE-Verfahren angewandt wird, wird infolge des Mikrobelastungseffekts das Siliciumsubstrat in einem Bereich, der durch die breitere Öffnung hindurch freiliegt, mit einer höheren Rate geätzt als in einem Bereich, der durch die schmalere Öffnung hindurch freiliegt. Dadurch wird in dem Siliciumsubstrat 103 der bereitere Bereich früher durchgeätzt als der schmalere Bereich. Dabei tritt Ätzgas in den Zwischenraum zwischen der Ausnehmung 102 des Glassubstrats 101 und der rückwärtigen Oberfläche des Siliciumsubstrats 103 durch das Loch ein, das vorher aus dem Siliciumsubstrat 103 herausgeätzt worden ist. Das eingetretene Ätzgas erodiert die rückwärtige Oberfläche des Siliciumsubstrats 103, bis der schmalste Bereich vollständig herausgeätzt ist. Die Seitenwand des Stützabschnitts 106 und die untere Oberfläche oder die Seitenwand des freitragenden Elements 107 werden also erodiert. Dadurch weichen Dimensionen der balkenähnlichen Struktur 104 erheblich von den Designwerten ab, so dass es unmöglich ist, die Zieleigenschaften der Vorrichtung zu erhalten.
  • Die Erosion des Stützabschnitts und des freitragenden Elements infolge des Mikrobelastungseffekts kann begrenzt werden, indem man beim Entwerfen die Größen sämtlicher Öffnungen vergleichbar macht. Diese Vorgehensweise engt jedoch die Freiheit beim Entwerfen der Vorrichtungsstruktur erheblich ein. Auch wenn die Dimensionen von Öffnungen hinsichtlich der Ausbildung gleich vorgegeben sind, ist es schwierig, die Erosion des Stützabschnitts und des freitragenden Elements im tatsächlichen Verfahren vollständig zu verhindern. Der Grund dafür ist, dass es üblich ist, in gewissem Umfang ein Überätzen anzuwenden, um zuverlässig durchzuätzen.
  • Weitere Informationen zum Stand der Technik finden sich in "A micromachined vibrating rate gyroscope with independent beams for the drive and detection modes", Y. Mochida et al., 12th IEEE International Workshop an Micro Electro Mechanical Systems (MEMS-99), Orlando, FL, USA, 17. bis 21. Jan. 1999, XP002323981; dieser Artikel scheint in dem Sinn interpretierbar zu sein, dass er ein mikrobearbeitetes Vibrationsratengyroskop, d. h. eine Mikrovorrichtung, beschreibt, welches die im Oberbegriff von Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Deshalb ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Mikrovorrichtung bereitzustellen, die eine balkenähnliche Struktur hat, die einen ausreichenden Freiheitsgrad beim Entwurf der Vorrichtungsstruktur an ermöglicht, indem die Erosion des Stützabschnitts und des freitragenden Elements infolge des Mikrobelastungseffekts begrenzt wird, sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben anzugeben.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Mikrovorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Mikrovorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 4 bereit. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Die beanspruchte Erfindung ergibt sich im Einzelnen aus den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen. Im Allgemeinen beschreiben die angegebenen Ausführungsformen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Der aufmerksame Leser bemerkt jedoch, dass einige Aspekte der beschriebenen Ausführungsformen über den Umfang der Ansprüche hinaus gehen. Insofern, als die beschriebenen Ausführungsformen tatsächlich über den Umfang der Ansprüche hinausgehen, sind sie als zusätzliche Hintergrundinformation anzusehen und stellen nicht Definitionen der Erfindung per se dar. Dies gilt auch für die nachstehende "Kurze Beschreibung der Zeichnungen" sowie für die "Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen".
  • Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben gefunden, dass das vorstehend beschriebene Problem durch eine Mikrovorrichtung gelöst werden kann, die eine elektrisch leitfähige Schicht hat, die an einer mit Ausnehmung versehenen Oberfläche mindestens in einem Bereich unmittelbar unter einem freitragenden Element eines isolierenden Substrats gebildet und mit einem Stützabschnitt elektrisch verbunden ist.
  • Insbesondere weist die Mikrovorrichtung einer bevorzugten Ausführungsform Folgendes auf: ein isolierendes Substrat, an dessen Oberfläche eine Ausnehmung gebildet ist, und eine balkenähnliche Konstruktion bzw. Struktur aus Silicium, die an der vorderen Oberfläche des isolierenden Substrats so gebildet ist, dass sie die Ausnehmung umgibt, wobei die balkenähnliche Struktur aufweist: mindestens einen Funktionsabschnitt, der einen Stützabschnitt hat, der an das isolierende Substrat gebondet ist, und mindestens ein freitragendes Element, das mit dem Stützabschnitt integral geformt ist und sich über die Ausnehmung erstreckt.
  • Die Mikrovorrichtung einer bevorzugten Ausführungsform hat die folgenden Merkmale.
  • Die Erosion des Stützabschnitts aus Silicium und des freitragenden Elements wird, wie vorstehend beschrieben, durch das Ätzgas bewirkt, das in den Zwischenraum zwischen der Ausnehmung des isolierenden Substrats und der rückwärtigen Oberfläche des Siliciumsubstrats eintritt, die vorher während des Trockenätzverfahrens durchgeätzt worden ist. Das Siliciumsubstrat wird in einem Trockenätzvorgang geätzt, da aktivierte Ionen, die eine positive Ladung haben, durch eine negative Vorspannung, die unmittelbar über dem Siliciumsubstrat gebildet wird, beschleunigt werden, so dass sie mit ausreichender Energie mit dem Siliciumsubstrat kollidieren. Bei dem ICP-RIE-Verfahren ist das aktivierte Ätzgas gewöhnlich ein Schwefelfluoridion (SFx+). Das Ion wird durch Reaktion mit Silicium zu Siliciumfluorid (SiFx) und wird nach außen abgegeben. Die negative Vorspannung wird über dem Siliciumsubstrat gebildet durch Anlegen einer Hochfrequenz an einen Substrathalter, der auch als Kathode dient und an dem das Siliciumsubstrat angeordnet ist.
  • Deshalb wird davon ausgegangen, dass die Erosion der rückwärtigen Oberfläche des Siliciumsubstrats erfolgt, da das SFx+, das in den Zwischenraum zwischen der rückwärtigen Oberfläche des Siliciumsubstrats und der Ausnehmung des isolierenden Substrats eingetreten ist, von der Oberfläche des isolierenden Substrats abgestoßen wird und mit der rückwärtigen Oberfläche des Siliciumsubstrats kollidiert. Die Abstoßung des SFx+ an der Oberfläche des isolierenden Substrats kann auch durch eine elektrische Abstoßungskraft sowie durch kinematische Streuung bewirkt werden. Die elektrische Abstoßungskraft wird nachstehend unter Bezugnahme auf 13 und 14 beschrieben.
  • 13 ist eine schematische Schnittansicht eines Siliciumsubstrats 45, das an die Oberfläche eines isolierenden Substrats 41, das eine Ausnehmung hat, die Ausnehmung 42 umgebend gebondet ist, und zwar in einem Zustand, in dem das Siliciumsubstrat 45 trockengeätzt wird. Das Siliciumsubstrat 45 hat eine Maskierungsschicht 50, die an seiner Oberfläche gebildet ist, um einen Funktionsabschnitt zu bilden. Das Siliciumsubstrat 45 ist durch Trockenätzen zu einem Stützabschnitt 46 und einer Vielzahl von freitragenden Elementen 47 geformt.
  • Während des Trockenätzverfahrens wird die Oberfläche der Ausnehmung 42 des isolierenden Substrats 41 durch das Ätzgas, beispielsweise SFx+ 51, das eine Reihe von Malen darauf auftrifft, mit positiver Ladung 52 geladen. Die Oberfläche der mit der positiven Ladung geladenen Ausnehmung 42 stößt das SFx+ 51, das als Nächstes kommt, ab. Das abgestoßene SFx+ 51 ändert seine Richtung, bevor es die Ausnehmung 42 erreicht und trifft stattdessen auf die rückwärtige Oberfläche des Siliciumsubstrats 45 auf. Ferner kann es sein, dass das SFx+ 51, das zwangsläufig unter einem rechten Winkel auf das isolierende Substrat 41 auftrifft, durch die Ausnehmung 42, die positiv geladen ist, von der Bewegungsbahn abkommt und auf die Seitenwand des Stützabschnitts 46 auftrifft.
  • Um also die Erosion der rückwärtigen Oberfläche des Siliciumsubstrats 45 oder des Stützabschnitts 46 zu begrenzen, wird wirksam verhindert, dass die Oberfläche der Ausnehmung 42 des isolierenden Substrats 41 positiv geladen wird.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform, die in 14 gezeigt ist, ist die elektrisch leitfähige Schicht 43 an der Oberfläche der Ausnehmung 42 des isolierenden Substrats 41 gebildet, und es wird verhindert, dass die Oberfläche der Ausnehmung 42 des isolierenden Substrats 41 positiv geladen wird, indem die elektrisch leitfähige Schicht 43 und der Stützabschnitt 46 elektrisch miteinander verbunden werden. Wenn in diesem Fall das Ätzgas mit der elektrisch leitfähigen Schicht 43 kollidiert, wird die Ladung des Ätzgases durch den Stützabschnitt 46 abgegeben, so dass das Ätzgas deaktiviert wird. Da das Siliciumsubstrat 45 das gleiche Potential wie der Substrathalter hat, der während des Trockenätzens auf einem negativen Potential gehalten wird, wird die Ladung des Ätzgases bei Kollision mit der elektrisch leitfähigen Schicht 43 neutralisiert, so dass die Deaktivierung beschleunigt wird.
  • Es genügt zwar, die bei bevorzugten Ausführungsformen verwendete elektrisch leitfähige Schicht an der Oberfläche der Ausnehmung mindestens in einem Bereich unmittelbar unter dem freitragenden Element zu bilden, es wird jedoch die Verwendung einer elektrisch leitfähigen Schicht bevorzugt, die über die gesamte Oberfläche der Ausnehmung gebildet ist, wodurch es möglich ist, das Laden der gesamten Oberfläche der Ausnehmung zu verhindern, so dass die Erosion der rückwärtigen Oberfläche des Siliciumsubstrats effektiver begrenzt wird.
  • Der Trägheitskraftsensor einer bevorzugten Ausführungsform weist Folgendes auf: ein isolierendes Subtsrat, an dessen Oberfläche eine Ausnehmung gebildet ist, und eine balkenähnliche Struktur aus Silicium, die an der vorderen Oberfläche des isolierenden Substrats so gebildet ist, dass die Ausnehmung dazwischen liegt, wobei die balkenähnliche Struktur aufweist: eine bewegbare Elektrode und eine feststehende Elektrode, wobei die bewegbare Elektrode und die feststehende Elektrode jeweils einen Stützabschnitt haben, der an das isolierende Substrat gebondet ist, und eine kammförmige Elektrode, die eine Vielzahl von freitragenden Elektroden aufweist, die mit dem Stützabschnitt integral geformt sind und sich über die Ausnehmung erstrecken. Die freitragenden Elemente der bewegbaren Elektrode und der feststehenden Elektrode sind so angeordnet, dass sie einander über einen sehr kleinen Zwischenraum gegenüberliegen. Bei dem Trägheitskraftsensor, der eine solche Ausbildung hat, ist eine elektrisch leitfähige Schicht, die mit dem Stützabschnitt elektrisch verbunden ist, an der Oberfläche der Ausnehmung mindestens in einem Bereich unmittelbar unter dem freitragenden Element gebildet.
  • Der Trägheitskraftsensor einer bevorzugten Ausführungsform hat die elektrisch leitfähige Schicht, die an der Oberfläche der Ausnehmung gebildet ist, mindestens in einem Bereich unmittelbar unter dem freiliegenden Element, um das Laden der Oberfläche zu verhindern, und ist mit dem Stützabschnitt elektrisch verbunden. Wenn also das freiliegende Element durch Trockenätzen gebildet wird, unterliegen der Stützabschnitt und das freiliegende Element keiner Erosion, da das Ätzgas, das eine positive Ladung hat, die Ladung bei Kollision mit der elektrisch leitfähigen Schicht verliert und neutralisiert wird. Da keine Änderung des Abstands zwischen den freitragenden Elementen, welche die bewegbare Elektrode und die kammförmige Elektrode der feststehenden Elektrode bilden, auftritt, kann infolgedessen ein Trägheitskraftsensor bereitgestellt werden, da eine Verschlechterung der Empfindlichkeit und eine Änderung der Eigenschaften unterdrückt werden.
  • Die Mikrovorrichtung einer bevorzugten Ausführungsform weist Folgendes auf: ein isolierendes Substrat, an dessen Oberfläche eine Ausnehmung gebildet ist, eine balkenähnliche Struktur aus Silicium, die an der vorderen Oberfläche des isolierenden Substrats so gebildet ist, dass die Ausnehmung dazwischen liegt, einen Lichtleiterhalter, der an der balkenähnlichen Struktur befestigt ist und eine Vielzahl von Lichtleitern hält, die mit einem vorbestimmten Abstand angeordnet sind, und eine elektromagnetische Anziehungseinrichtung, die so befestigt ist, dass sie der rückwärtigen Oberfläche des isolierenden Substrats und der balkenähnlichen Struktur gegenüberliegt. Die balkenähnliche Struktur weist einen Stützabschnitt, der eine Öffnung hat, und freitragende Elemente auf, die mit dem Stützabschnitt integral geformt sind. Der Stützabschnitt ist an das isolierende Substrat gebondet und hat einen feststehenden Spiegel, der an dem einen Ende der Innenwand der Öffnung vorgesehen ist, wogegen das freitragende Element so ausgebildet ist, dass es von dem anderen Ende der Innenwand der Öffnung überhängt, wobei ein bewegbarer Spiegel so vorgesehen ist, dass er sich an der Oberfläche an dem Kopfende des freitragenden Elements aufgerichtet, um dem feststehenden Spiegel gegenüberzuliegen. Eine Magnetschicht, die mit der elektromagnetischen Anziehungseinrichtung reagiert, ist an der rückwärtigen Oberfläche des freitragenden Elements gebildet, so dass die elektromagnetische Anziehungseinrichtung die rückwärtige Oberfläche des Kopfendes des freitragenden Elements durch die Magnetschicht an die Ausnehmung des isolierenden Substrats anzieht, wodurch der Spiegel, der das von dem Lichtleiter einfallende Licht reflektiert, von dem bewegbaren Spiegel zu dem feststehenden Spiegel reflektiert wird, so dass der optische Weg umgeschaltet und die Verwendung als ein optischer Schalter ermöglicht wird.
  • Der oben beschriebene optische Schalter hat eine elektrisch leitfähige Schicht, die an der Oberfläche einer Ausnehmung in einem Bereich mindestens unmittelbar unter dem freitragenden Element des isolierenden Substrats gebildet und mit dem Stützabschnitt elektrisch verbunden ist. Wenn also das Siliciumsubstrat durch reaktives Ätzen bearbeitet wird, um das freitragende Element zu bilden, kollidiert das Ätzgas, das eine positive Ladung hat, mit der elektrisch leitfähigen Schicht und verliert die Ladung, so dass es deaktiviert wird, und deshalb erodiert das Ätzgas die rückwärtige Oberfläche des freitragenden Elements nicht. Da also das freitragende Element mit hoher Profilgenauigkeit gebildet wird, kann ein optischer Schalter bereitgestellt werden, bei dem eine Verschlechterung der Ansprecheigenschaft beim Umschalten des optischen Wegs und eine Änderung der Eigenschaften unterdrückt werden.
  • Das Verfahren zum Herstellen einer Mikrovorrichtung einer bevorzugten Ausführungsform, die Folgendes aufweist: das isolierende Substrat, an dessen Oberfläche die Ausnehmung gebildet ist, und die balkenähnliche Struktur aus Silicium, die an der vorderen Oberfläche des isolierenden Substrats so gebildet ist, dass die Ausnehmung dazwischen liegt, wobei die balkenähnliche Struktur aufweist: mindestens einen Funktionsabschnitt, der den Stützabschnitt hat, der an das isolierende Substrat gebondet ist, und mindestens ein freitragendes Element, das mit dem Stützabschnitt integral geformt ist und sich über die Ausnehmung erstreckt, weist die folgenden Schritte auf: Bilden der elektrisch leitfähigen Schicht an der Oberfläche der Ausnehmung mindestens in einem Bereich unmittelbar unter dem freitragenden Element des isolierenden Substrats und Verlängern der elektrisch leitfähigen Schicht über die Oberfläche um die Ausnehmung herum, um dadurch mit einem Stützabschnitt eine durchgehende elektrische Verbindung herzustellen; Bilden einer ersten Maskierungsschicht, die der Konfiguration des Stützabschnitts an der Oberfläche des Siliciumsubstrats entspricht; Bilden des Stützabschnitts durch Ätzen der Oberfläche des Siliciumsubstrats, an dem die Maskierungsschicht gebildet worden ist; Bonden des Siliciumsubstrats, das den Stützabschnitt hat, und des isolierenden Substrats, das die elektrisch leitfähige Schicht hat, so dass ihre Oberflächen einander gegenüberliegen; Bilden einer zweiten Maskierungsschicht, die der Konfiguration des freitragenden Elements an der rückwärtigen Oberfläche des Siliciumsubstrats entspricht, das gebondet worden ist; und Ätzen der rückwärtigen Oberfläche des Siliciumsubstrats, an der die zweite Maskierungsschicht gebildet ist, durch Trockenätzen, um das Siliciumsubstrat zu durchdringen und dadurch das freitragende Element einer gewünschten Struktur zu formen, das sich über die Ausnehmung erstreckt.
  • Nach dem Herstellungsverfahren einer bevorzugten Ausführungsform wird die elektrisch leitfähige Schicht an der Oberfläche der Ausnehmung des isolierenden Substrats gebildet, um zu verhindern, dass die Oberfläche geladen wird. Dabei wird ein Teil der elektrisch leitfähigen Schicht über die Oberfläche um die Ausnehmung herum verlängert, um eine elektrische Leitung zu dem Stützabschnitt zu bilden. Da die elektrisch leitfähige Schicht mit dem Stützabschnitt elektrisch verbunden ist, wird die elektrisch leitfähige Schicht auf dem gleichen Potential gehalten wie der Substrathalter, der mit dem Stützabschnitt elektrisch verbunden ist, und unterliegt einer negativen Vorspannung. Wenn also die rückwärtige Oberfläche des Siliciumsubstrats, an der die zweite Maskierungsschicht gebildet ist, durch Trockenätzen geätzt wird, um das Siliciumsubstrat zu durchdringen, kollidiert das Ätzgas, das eine positive Ladung hat, mit der elektrisch leitfähigen Schicht und verliert die Ladung, so dass es deaktiviert wird, und deshalb erodiert das Ätzgas die rückwärtige Oberfläche des freitragenden Elements nicht. Da die Seitenwand des Stützabschnitts und die untere Oberfläche oder die Seitenwand des freitragenden Elements nicht erodiert werden, ist es infolgedessen nicht erforderlich, die Öffnungen der Maskierungsschicht so auszubilden, dass sie gleiche Dimensionen haben. Die vorliegende Erfindung kann also ein Verfahren zur Herstellung der Mikrovorrichtung bereitstellen, die eine hochpräzise balkenähnliche Struktur aus Silicium und einen hohen Entwurfsfreiheitsgrad hat.
  • Für den Trockenätzvorgang zur Bildung des freitragenden Elements ist es erwünscht, das ICP-RIE-Verfahren anzuwenden, das es ermöglicht, die balkenähnliche Struktur aus Silicium mit einem hohen Seitenverhältnis in kürzerer Zeit zu bilden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die obigen und weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich im Einzelnen aus der nachstehenden Beschreibung ihrer bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Teile durchweg mit den gleichen Bezugszeichnen versehen sind und die zeigen:
  • 1 eine auseinandergezogene Perspektivansicht, welche schematisch die Gesamtstruktur des Beschleunigungssensors nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 2 eine Draufsicht, welche die Struktur des Beschleunigungssensors nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei hauptsächlich die balkenähnliche Struktur zu sehen ist;
  • 3 eine Draufsicht, welche die Struktur des Beschleunigungssensors nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei hauptsächlich das untere Glassubstrat und die elektrisch leitfähige Schicht zu sehen sind;
  • 4 eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV' von 2, welche die Struktur des Beschleunigungssensors nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 5 eine auseinandergezogene Perspektivansicht, welche schematisch die Gesamtstruktur des optischen Schalters nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 6 eine Schnittansicht entlang der Linie VI-VI' von 5, welche die Struktur des optischen Schalters nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 7A–7H eine Schnittansicht (Teil 1), welche schematisch das Herstellungsverfahren nach der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Herstellung des Beschleunigungssensors der ersten Ausführungsform zeigt;
  • 8I–8R eine Schnittansicht (Teil 2), welche schematisch das Verfahren zur Herstellung des Beschleunigungssensors der ersten Ausführungsform zeigt;
  • 9A–9C den Aufbau der balkenähnlichen Struktur, die an das isolierende Substrat gebondet ist, nach einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung der Mikrovorrichtung der vorliegenden Erfindung, wobei (9A) eine Schnittansicht ist, welche schematisch die Struktur nach dem Ätzen mit dem ICP-RIE-Verfahren zeigt, (9B) eine vergrößerte Perspektivansicht eines Stoßschutzanschlags nach dem Ätzen ist und (9C) eine vergrößerte Perspektivansicht des freitragenden Elements nach dem Ätzen ist;
  • 10A–10C in einem ersten Vergleichsbeispiel den Aufbau der balkenähnlichen Struktur, die an das isolierende Substrat gebondet ist, wobei (10A) eine Schnittansicht ist, welche schematisch die Struktur nach dem Ätzen mit dem ICP-RIE-Verfahren zeigt, (10B) eine vergrößerte Perspektivansicht ist, welche die Struktur des Stoßschutzanschlags nach dem Ätzen zeigt und (10C) eine vergrößerte Perspektivansicht ist, welche die Struktur des freitragenden Elements nach dem Ätzen zeigt;
  • 11A–11C in einem zweiten Vergleichsbeispiel den Aufbau der balkenähnlichen Struktur, die an das isolierende Substrat gebondet ist, wobei (11A) eine Schnittansicht ist, welche schematisch die Struktur nach dem Ätzen mit dem ICP-RIE-Verfahren zeigt, (11B) eine vergrößerte Perspektivansicht ist, welche die Struktur des Stoßschutzanschlags nach dem Ätzen zeigt, und (11C) eine vergrößerte Perspektivansicht ist, welche die Struktur des freitragenden Elements nach dem Ätzen zeigt;
  • 12A–12C in einem dritten Vergleichsbeispiel den Aufbau der balkenähnlichen Struktur, die an das isolierende Substrat gebondet ist, wobei (12A) eine Schnittansicht ist, welche schematisch die Struktur nach dem Ätzen mit dem ICP-RIE-Verfahren zeigt, (12B) eine vergrößerte Perspektivansicht ist, welche die Struktur des Stoßschutzanschlags nach dem Ätzen zeigt, und (12C) eine vergrößerte Perspektivansicht ist, welche die Struktur des freitragenden Elements nach dem Ätzen zeigt;
  • 13 eine Zeichnung (Teil 1), die das Funktionsprinzip der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 14 eine Zeichnung (Teil 2), die das Funktionsprinzip der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 15 den Aufbau der Mikrovorrichtung des Stands der Technik in einer Draufsicht auf die balkenähnliche Struktur, welche die Grundstruktur hat;
  • 16 den Aufbau der Mikrovorrichtung des Stands der Technik in einer Schnittansicht entlang der Linie XVI-XVI' von 15; und
  • 17A bis 17G eine Schnittansicht, welche schematisch das Verfahren zum Herstellen der in 15 gezeigten Mikrovorrichtung zeigt.
  • GENAUE BECHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Ausführungsform 1
  • Als ein Beispiel der Mikrovorrichtung der vorliegenden Erfindung wird nachstehend eine Anwendung derselben bei einem Beschleunigungssensor beschrieben. 1 ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht des Beschleunigungssensors, 2 ist eine Draufsicht auf den Beschleunigungssensor, wobei hauptsächlich die balkenähnliche Struktur aus Silicium zu sehen ist, 3 ist eine Draufsicht auf den Beschleunigungssensor, wobei hauptsächlich das untere Glassubstrat und die elektrisch leitfähige Schicht zu sehen sind, und 4 ist eine Schnittansicht des Beschleunigungssensors entlang der Linie IV-IV'.
  • Wie die Perspektivansicht von 1 zeigt, weist der Beschleunigungssensor 1 auf: eine balkenähnliche Struktur 21 aus Silicium, ein unteres Glassubstrat 2, in dessen Oberfläche eine Ausnehmung 3 gebildet ist, und ein oberes Glassubstrat 6, in dessen Oberfläche eine Ausnehmung 7 gebildet ist. Der Beschleunigungssensor 1 hat einen Aufbau, bei dem die balkenähnliche Struktur 21 so gebondet ist, dass sie zwischen dem unteren Glassubstrat 2 und dem oberen Glassubstrat 6 liegt, so dass die Ausnehmung 3 und die Ausnehmung 7 einander gegenüberliegen, wobei die Innenseite des Sensors hermetisch dicht ist. Das obere Glassubstrat 6 hat Elektrodenleitungen 9, 10, die das Substrat zum Anschluss an äußere Schaltkreise durchdringen, wobei die Elektrodenleitungen 9, 10 mit der balkenähnlichen Struktur 21 einen durchgehende elektrischen Kontakt herstellen.
  • Wie 1 zeigt, weist die balkenähnliche Struktur 21 zwei Funktionsabschnitte, nämlich eine bewegbare Elektrode 22 und feststehende Elektroden 23, 23, und einen dicht verschlossenen Abschnitt 24 auf. Wie ferner 2 zeigt, weist die bewegbare Elektrode 22 auf: eine kammförmige Elektrode 25, die aus einer Vielzahl von freitragenden Elementen 26, welche sich über die Ausnehmung erstrecken, und einem Basisbereich 27 besteht, Stoßschutzanschläge 28, 28, die an beiden Seiten der kammförmigen Elektrode 25 vorgesehen sind und die Vertikalverlagerung der kammförmigen Elektrode 25 begrenzen, zwei Balken 29, 29, die mit den Stoßschutzanschlägen 28, 28 verbunden sind und die kammförmige Elektrode 25 und die Stoßschutzanschläge 28, 28 im Raum abstützen, und Stützabschnitte 30, 30, die an das untere Glassubstrat 2 gebondet sind, um die Balken 29, 29 abzustützen. Der Stoßschutzanschlag 28 hat ferner die Wirkung, die Balken 29, 29 und die kammförmige Elektrode 25 vor Beschädigungen durch einen starken Stoß zu schützen. Die bewegbare Elektrode 22 ist integral ausgebildet.
  • Die feststehenden Elektroden 23, 23 weisen jeweils auf: eine kammförmige Elektrode 31, die aus einer Vielzahl von freitragenden Elementen 31A besteht, die so angeordnet sind, dass sie der Vielzahl von freitragenden Elementen 26 der kammförmigen Elektrode 25 der bewegbaren Elektrode 22, die sich über die Ausnehmung 3 erstrecken, über einen sehr kleinen Zwischenraum gegenüberliegen, und einen Stützabschnitt 32, der die kammförmige Elektrode 31 abstützt und an das untere Glassubstrat 2 gebondet ist. Die feststehenden Elektroden 23, 23 sind jeweils integral ausgebildet.
  • Wie 3 zeigt, ist die elektrisch leitfähige Schicht 4 über der gesamten Oberfläche der Ausnehmung 3 des unteren Glassubstrats 2 gebildet. Ein Teil der elektrisch leitfähigen Schicht 4 erstreckt sich über die Oberfläche um die Ausnehmung 3 herum und bildet eine elektrische Leitung 5, um mit dem Stützabschnitt 23 der bewegbaren Elektrode 22 eine durchgehende elektrische Verbindung herzustellen. Der Stützabschnitt 23 ist unmittelbar über der elektrischen Leitung 5 gebondet, wie 1 zeigt.
  • Bei dieser Ausführungsform liegt die elektrische Leitung 5 zwar unmittelbar unter dem Stützabschnitt 23 der bewegbaren Elektrode 22, es kann jedoch eine ähnliche Wirkung auch dadurch erzielt werden, dass die elektrische Leitung unmittelbar unter dem Stützabschnitt 32 der feststehenden Elektrode 23 gebildet wird.
  • Wie 4 zeigt, ist eine Metallschicht 8 in der Ausnehmung 7 des oberen Glassubstrats 6 gebildet. Die Metallschicht 8 ist vorgesehen, um beim Ausführen des Anodenbondens der balkenähnlichen Struktur 21 und des oberen Glassubstrats 6 zu verhindern, dass die bewegbare Elektrode, die vorher gebildet worden ist, an dem oberen Glassubstrat 6 haftet.
  • Der Beschleunigungssensor 1 der vorliegenden Erfindung erfasst die Horizontalbeschleunigung in der Ebene der balkenähnlichen Struktur 21 aus Silicium. Die kammförmigen Elektroden 25, 31, die von einer Vielzahl von freitragenden Elementen gebildet sind, tragen innerhalb einer begrenzten Fläche des Sensors zu der Maximierung der zugewandten Fläche der gegenüberliegenden Elektroden bei, die zu einer Änderung der elektrostatischen Kapazität proportional ist.
  • Die elektrisch leitfähige Schicht 4, die mit dem Stützabschnitt 23 elektrisch verbunden ist, verhindert, dass die Oberfläche der Ausnehmung positiv geladen wird, wenn die kammförmigen Elektroden 25, 31 mit dem ICP-RIE-Verfahren gebildet werden. Wenn dabei das Ätzgas, das eine positive Ladung hat, während des Trockenätzens mit der elektrisch leitfähigen Schicht 4 kollidiert, wird die positive Ladung durch den Stützabschnitt 23 abgegeben, und das Ätzgas wird durch das negative Potential des Stützabschnitts 23 deaktiviert. Da das Ätzgas, das eine positive Ladung hat, einer elektrischen Abstoßung durch die Ausnehmung 3 unterliegt und nicht auf die rückwärtige Oberfläche des Siliciumsubstrats auftritt, erodiert das Ätzgas die Seitenwände der kammförmigen Elektroden 25, 31, die Stoßschutzanschläge 28, 28 und die Stützabschnitte 30, 32 nicht. Dadurch ist es weniger wahrscheinlich, dass der Beschleunigungssensor der vorliegenden Erfindung eine Empfindlichkeitsverschlechterung und eine Leistungsänderung ubeinter Sensoren erleidet, da der Zwischenraum zwischen der Vielzahl von freitragenden Elementen der kammförmigen Elektrode mit hoher Präzision gebildet und das Gewicht der bewegbaren Elektrode und der feststehenden Elektrode auf einen gewünschten Wert einstellbar ist.
  • Die elektrisch leitfähige Schicht kann zwar aus verschiedenen elektrisch leitfähigen Materialen wie etwa Chrom, Aluminium, Nickel, Tantal, Platin und Gold bestehen, die Metalle sind, die durch Aufdampfen aufgebracht werden können; Chrom, das gut auf das Glassubstrat aufbringbar ist, wird jedoch bevorzugt. Die Dicke der elektrisch leitfähigen Schicht ist in einem Bereich von 10 nm bis 1 μm und bevorzugt von 200 nm bis 500 nm. Wenn die Dicke unter 10 nm ist, kann während des reaktiven Ätzverfahrens keine ausreichende Beständigkeit gewährleistet werden, und für das Bilden einer Schicht mit einer Dicke von mehr als 1 μm wird mehr Zeit benötigt.
  • Das isolierende Substrat kann zwar aus jedem isolierenden Material bestehen, vorausgesetzt, das Material kann zu einer gewünschten Gestalt bearbeitet werden, ein Glassubstrat wird jedoch bevorzugt.
  • Ausführungsform 2
  • Als ein Beispiel der Mikrovorrichtung der vorliegenden Erfindung wird nachstehend eine Anwendung bei einem optischen Schalter beschrieben. 5 ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht, die schematisch die Struktur eines optischen Schalters 60 zeigt, und 6 ist eine Schnittansicht des optischen Schalters 60 entlang der Linie VI-VI'. Der optische Schalter 60 der vorliegenden Erfindung weist auf: ein isolierendes Substrat 61, das eine Ausnehmung 62 hat, die an dessen Oberfläche gebildet ist, eine balkenähnliche Struktur 65 aus Silicium, die an der vorderen Oberfläche des isolierenden Substrats 61 so gebildet ist, dass die Ausnehmung 62 dazwischen liegt, einen Lichtleiterhalter 73, der an der balkenähnlichen Struktur 65 befestigt ist und eine Vielzahl von in einem vorbestimmten Abstand angeordneten Lichtleitern 74 hält, und eine elektromagnetische Anziehungseinrichtung 75, die nicht gezeigt und so befestigt ist, dass sie der rückwärtigen Oberfläche des isolierenden Substrats 61 und der balkenähnlichen Struktur 65 gegenüberliegt.
  • Die balkenähnliche Struktur 65, die einen Stützabschnitt 66 aufweist, der eine Öffnung 67 und ein freitragendes Element 68 aufweist, bildet einen Funktionsabschnitt. Die balkenähnliche Struktur 65 hat ferner einen feststehenden Spiegel 72, der an dem einen Ende der Innenwand der Öffnung 67 vorgesehen ist, wogegen das freitragende Element 68 so ausgebildet ist, dass es von dem anderen Ende der Innenwand der Öffnung 67 überhängt, wobei ein bewegbarer Spiegel 71 so vorgesehen ist, dass er sich an der Oberfläche an dem Kopfende 69 des freitragenden Elements 68 aufrichtet, um dem feststehenden Spiegel 72 gegenüberzuliegen. Eine Magnetschicht 70, die mit der elektromagnetischen Anziehungseinrichtung 75 reagiert, so dass sie davon angezogen wird, ist an der rückwärtigen Oberfläche des freitragenden Elements 68 gebildet. Eine elektrisch leitfähige Schicht 63 ist an der Oberfläche der Ausnehmung 62 des isolierenden Substrats in einem Bereich gebildet, der mindestens unmittelbar unter dem freitragenden Element 68 liegt, und ein Teil der elektrisch leitfähigen Schicht 63, der sich über die Oberfläche um die Ausnehmung 62 herum erstreckt, bildet eine elektrische Leitung 64, die mit dem Stützabschnitt 66 des Siliciumsubstrats durchgehend elektrisch verbunden ist. Die elektromagnetische Anziehungseinrichtung 75 weist auf: einen ersten Permanentmagneten 76, der an einem oberen Stützsubstrat 80 befestigt ist, einen zweiten Permanentmagneten 77, der an der rückwärtigen Oberfläche des isolierenden Substrats 61 so befestigt ist, dass das freitragende Element 68 dazwischen liegt, und einen Elektromagneten 79, der so befestigt ist, dass er den Permanentmagneten 77 umgibt, und auf den eine Spule 78 gewickelt ist.
  • Wenn kein Strom in dem Elektromagneten 79 fließt, ist das freitragende Element 68 von dem isolierenden Substrat 61 um einen vorbestimmten Abstand getrennt, und das Kopfende 69 wird an einer Position gehalten, in der es in Kontakt mit dem oberen Stützabschnitt 80 ist, so dass Licht von dem Lichtleiter 74 an dem bewegbaren Spiegel 71 reflektiert wird. Wenn ein Strom in dem Elektromagneten 79 fließt und eine Magnetisierung in der gleichen Richtung wie bei dem zweiten Permanentmagneten 77 stattfindet, wird die Magnetschicht 70 angezogen, so dass das freitragende Element 68 in einem Zustand verriegelt wird, in dem das Kopfende 69 an das isolierende Substrat 61 angezogen ist. Dabei wird der Spiegel, der das von dem Lichtleiter 74 einfallende Licht reflektiert, von dem bewegbaren Spiegel 71 auf den feststehenden Spiegel 72 umgeschaltet. Das von dem Lichtleiter 74 einfallende Licht wird also an dem feststehenden Spiegel 72 reflektiert, so dass der optische Weg umgeschaltet wird.
  • Da nach dieser Ausführungsform die elektrisch leitfähige Schicht 63, die mit dem Stützabschnitt 66 des Siliciumsubstrats durchgehend elektrisch verbunden ist, an der Oberfläche der Ausnehmung 62 des isolierenden Substrats 61 unmittelbar unter dem freitragenden Element 68 gebildet ist, wird verhindert, dass die Oberfläche der Ausnehmung geladen wird, wenn das freitragende Element 68 mit dem reaktiven Trockenätzverfahren gebildet wird. Das Ätzgas, das eine positive Ladung hat, unterliegt also keiner elektrischen Abstoßung durch die Ausnehmung 62 und trifft nicht auf die rückwärtige Oberfläche des Siliciumsubstrats auf, und deshalb erfolgt keine Erosion des freitragenden Elements 68. Da die balkenähnliche Struktur hinsichtlich der Gestalt, der Dimensionen und des Gewichts hochpräzise gebildet ist, kann infolgedessen eine Verschlechterung der Ansprecheigenschaft unterdrückt werden, wenn der optische Weg umgeschaltet wird, und der optische Schalter kann hoch zuverlässig sein.
  • Ausführungsform 3
  • Das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung wird nachstehend erläutert, wobei der Beschleunigungssensor als ein Beispiel der Mikrovorrichtung dient. Die 7A–H, 8I–8R sind Schnittansichten, die schematisch das Verfahren zur Herstellung des Beschleunigungssensor der ersten Ausführungsform zeigen.
  • In den Schritten der 7A–7D wird das Siliciumsubstrat an seiner Oberfläche bearbeitet, um den Stützabschnitt der balkenähnlichen Struktur zu bilden, und in den Schritten 7E–7H wird die elektrisch leitfähige Schicht an dem unteren Glassubstrat gebildet. In den Schritten 8I–8K werden das Siliciumsubstrat und das untere Glassubstrat aneinander gebondet, und das Siliciumsubstrat wird bearbeitet, um die kammförmige Elektrode der balkenähnlichen Struktur zu bilden. Das obere Glassubstrat, das in dem Schritt von 8P bearbeitet worden ist, wird in dem Schritt von 8Q an die balkenähnliche Struktur gebondet, und der Elektrodenleitungsbereich wird in dem Schritt von 8R an dem oberen Glassubstrat gebildet, wodurch der Beschleunigungssensor fertiggestellt wird, der die Struktur hat, die der Schnittansicht von 4 entspricht. Das Verfahren wird nachstehend für jeden Schritt im Einzelnen erläutert.
  • In dem Schritt von 7A wird ein Siliciumsubstrat 20 (400 μm dick), an dessen Oberfläche eine Thermooxidationsschicht 33 mit einer Dicke von 1 μm gebildet ist, bereitgestellt. In dem Schritt von 7B wird die Thermooxidationsschicht 33 des Siliciumsubstrats 20 unter Verwendung einer gepufferten Flusssäure entfernt. In dem Schritt von 7C wird die erste Maskierungsschicht 34 aus einem Resist entsprechend der Gestalt des Stützabschnitts durch Fotolitografie an der Oberfläche des Siliciumsubstrats 20 gebildet. In dem Schritt von 7D wird das Siliciumsubstrat 20, das die erste Maskierungsschicht 34 hat, mit dem ICP-RIE-Verfahren bis zu einer Tiefe von 250 μm geätzt. Dann wird das an der Oberfläche verbliebene Resist entfernt, und der Stützabschnitt 32, der Abdichtbereich 24 und der Stoßschutzanschlag 28 werden gebildet.
  • In dem Schritt von 7E wird das untere Glassubstrat 2 (400 μm dick) bereitgestellt. In dem Schritt von 7F wird die Maskierungsschicht 12 aus einem Resist zur Bildung einer Ausnehmung durch Fotolithografie an der Oberfläche des unteren Glassubstrats 2 gebildet. In dem Schritt von 7G wird die Oberfläche des unteren Glassubstrats 2 unter Verwendung einer 10 % wässrigen Flusssäurelösung bis zu einer Tiefe von 20 μm geätzt, wodurch die Ausnehmung 3 gebildet wird. In dem Schritt von 7H wird eine CR-Schicht über der gesamten Oberfläche der Ausnehmung 3 durch Fotolithografie so gebildet, dass sie sich teilweise über die Oberfläche um die Ausnehmung herum erstreckt, wodurch die elektrisch leitfähige Schicht 4 aus Cr gebildet wird. Die elektrisch leitfähige Schicht 4, die sich über einen Teil des Bereichs um die Ausnehmung 3 herum erstreckt, bildet die elektrische Leitung 5, die mit dem Siliciumsubstat 20 eine elektrische Verbindung herstellt.
  • In dem Schritt von 8I werden die Oberfläche des unteren Glassubstrats 2 und die Oberfläche des Siliciumsubstrats 20 durch ein Anodenbondverfahren aneinander gebondet. Dabei werden die elektrisch leitfähige Schicht 4 und das Siliciumsubstrat 20 durch die elektrische Leitung 5 miteinander verbunden. In dem Schritt von 8J wird eine zweite Maskierungsschicht 35 aus einem Resist durch Fotolithografiebearbeitung an der Oberfläche des Siliciumsubstrats 20 gebildet. Dann wird eine Thermooxidationsschichtmaske 33 durch ein Elektronzyklotronresonanz-reaktives Ionenätzverfahren (nachstehend als ECR-RIE-Verfahren bezeichnet) gebildet. In dem Schritt von 8K wird die rückwärtige Oberfläche des Siliciumsubstrats 20 mit dem ICP-RIE-Verfahren unter Verwendung der zweiten Maskierungsschicht 35 und der Thermooxidationsschicht 33 als die Masken bis zu einer Tiefe von mindestens 150 μm geätzt. Dies resultiert in der Bildung der kammförmigen Elektroden 25, 31, die das Siliciumsubstrat 20 durchdringen. In der Zeichnung ist nur das freitragende Element 26 der kammförmigen Elektrode 25 gezeigt. Dann wird die Thermooxidationsschicht 33, die an der rückwärtigen Oberfläche des Siliciumsubstrats 20 verblieben ist, mit dem ECR-RIE-Verfahren entfernt. Die Ätztiefe von 150 μm wird durch Subtraktion der Ätztiefe von 250 μm in dem Schritt von 7D von der Dicke des Siliciumsubstrats 20 von 400 μm bestimmt.
  • In dem Schritt von 8L wird das obere Glassubstrat 6 (400 μm dick) bereitgestellt. Die Maskierungsschicht 13 wird aus einem Resist zur Bildung der Ausnehmung 7 durch Fotolithografie an der Oberfläche des oberen Glassubstrats 6 gebildet. In dem Schritt von 8N wird die Oberfläche unter Verwendung einer 10 % wässrigen Flusssäurelösung bis zu einer Tiefe von 20 μm geätzt, wodurch die Ausnehmung 7 gebildet wird. In dem Schritt von 8O wird die Cr-Schicht an der Oberfläche der Ausnehmung 7 mit dem Fotolithografieverfahren gebildet, wodurch die Antihaftschicht 8 aus Cr gebildet wird. In dem Schritt von 8P wird das obere Glassubstrat 6 sandgestrahlt, um den Elektrodenleitungsbereich 10 zu bilden, der aus einem Durchgangsloch besteht.
  • In dem Schritt von 8Q werden die rückwärtige Oberfläche des Siliciumsubstrats 20 und die vordere Oberfläche des oberen Glassubstrats 6 durch Anodenbonden aneinander gebondet. Dann wird in dem Schritt von 8R eine Elektrodenschicht 11 aus Pt an dem Elektrodenleitungsbereich 10 gebildet, wodurch der Beschleunigungssensor 1 fertiggestellt wird.
  • Es kann zwar das Trockätzverfahren, das im Stand der Technik wohl bekannt ist, bei dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung angewandt werden; es wird jedoch bevorzugt, das ICP-RIE-Verfahren anzuwenden, das in kürzerer Zeit eine balkenähnliche Struktur mit hohem Seitenverhältnis bilden kann.
  • Nachstehend werden Experimente zum Verifizieren der Wirkungen des Herstellungsverfahrens der Erfindung beschrieben.
  • Die erste Ausführungsform, bei der die elektrisch leitfähige Schicht 4 aus Cr an der Oberfläche der Ausnehmung 3 des unteren Glassubstrats 2 gebildet wurde, die elektrische Leitung 5 unmittelbar unter dem Stützabschnitt 32 gebildet wurde und die balkenähnliche Struktur durch Ätzen des Siliciumsubstrats mit dem ICP-RIE-Verfahren gebildet wurde, entspricht der dritten Ausführungsform. In dem ersten Vergleichsbeispiel wurde die balkenähnliche Struktur mit einem Verfahren gebildet, das der dritten Ausführungsform ähnlich ist, mit der Ausnahme, dass die elektrisch leitfähige Schicht 4 nicht an der Oberfläche der Ausnehmung 3 des unteren Glassubstrats 2 gebildet wurde. In dem zweiten Vergleichsbeispiel wurde die balkenähnliche Struktur mit einem Verfahren gebildet, das der dritten Ausführungsform ähnlich ist, mit der Ausnahme, dass die Thermooxidationsschicht 33 als die Schutzschicht an der unteren Oberfläche des Stoßschutzanschlags 28 zurückgelassen wurde. In dem dritten Ausführungsbeispiel wurde die balkenähnliche Struktur mit einem Verfahren gebildet, das der dritten Ausführungsform ähnlich ist, mit der Ausnahme, dass die elektrisch leitfähige Schicht 4 nur an der Oberfläche der Ausnehmung 3 des unteren Glassubstrats 2 gebildet und keine elektrische Leitung 5 vorgesehen wurde.
  • Die Maskierungsstrukturen, die in den vier Experimenten verwendet wurden, haben Öffnungen mit einer Breite in einem Bereich von 5 μm bis 50 μm. Die kleinste Breite 5 μm ist der Abstand zwischen den freitragenden Elementen, welche die bewegbare Elektrode und die kammförmige Elektrode der feststehenden Elektrode bilden. Diese Werte sind als Designwerte einer solchen Mikrovorrichtung üblich. Die Siliciumätzrate mit dem ICP-RIE-Verfahren wurde vor den Experimenten geschätzt, mit dem Ergebnis von 2,0 μm/min in einem Bereich mit einer Öffnungsbreite von 5 μm und 3,3 μm/min in einem Bereich mit einer Öffnungsbreite von 50 μm. Diese Differenz ist durch den Mikrobelastungseffekt verursacht. Durch Dividieren von 150 μm durch 2,0 μm/min für einen Bereich unter einer Öffnung mit einer Breite von 5 μm wurde also die Ätzzeit von 75 min berechnet, und durch Dividieren von 150 μm durch 3,3 μm/min für einen Bereich unter einer Öffnung mit einer Breite von 5 μm wurde die Ätzzeit von 45 min berechnet. Dies bedeutet, dass die rückwärtige Oberfläche des Siliciumsubstrats dem Ätzgas für 30 min, erhalten durch 75 min minus 45 min, ausgesetzt wird, bis das Substrat vollständig durchgeätzt ist.
  • Nachstehend werden Ergebnisse dieser Experimente beschrieben. Die 9A–9C bis 12A–12C zeigen die Ergebnisse der Ausführungsform bzw. der Vergleichsbeispiele 1 bis 3. Die 9A–12A, 9B–12B und 9C–12C sind schematische Schnittansichten, welche die Strukturen des isolierenden Substrats und des Siliciumsubstrats nach dem Ätzen mit dem ICP-RIE-Verfahren zeigen, die 9B–12B sind eine vergrößerte Perspektivansicht des Stoßschutzanschlags nach dem Ätzen, und die 9C–12B sind eine vergrößerte Perspektivansicht des freitragenden Elements nach dem Ätzen. Die 9B–12C und die 9C–12C sind schematische Ansichten, die auf der Basis von Fotografien der rückwärtigen Oberfläche des Siliciumsubstrats erstellt wurden, die mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) erhalten wurden. Die alternierende Strich-Punkt-Linie in der Zeichnung bezeichnet das ursprüngliche Profil des Stoßschutzanschlags 28.
  • Im Fall der Ausführungsform wurde die untere Oberfläche des Stoßschutzanschlags 28 nicht erodiert. Das freitragende Element 26 blieb eine im Wesentlichen vertikale Seitenwand. Im Fall des ersten Vergleichsbeispiels wurde die untere Oberfläche des Stoßschutzanschlags 28 erheblich erodiert und zeigte ein Überätzen von 40 μm über dem Designwert. Das freitragende Element 26 wurde an der Seitenwand erodiert, was in einem verschmälerten Kopfende resultierte. Im Fall des zweiten Vergleichsbeispiels wurde die untere Oberfläche des Stoßschutzanschlags 28 in einer konischen Gestalt erodiert, wobei der Scheitel auf der Thermooxidationsschicht 33 lag. Die Thermooxidationsschicht 33 wird in dem ICP-RIE-Verfahren als eine Maske verwendet und wird mit einer Rate von nur ungefähr einem Hundertstel derjenigen von Silicium geätzt. Deshalb wird das Silicium in einem Bereich, der von der Thermooxidationsschicht 33 bedeckt ist, geschützt; mit zunehmender Entfernung von dem bedeckten Bereich wird jedoch umso mehr Silicium erodiert. Das freitragende Element 26 wurde an der Seitenwand erodiert, was ähnlich wie bei dem ersten Vergleichsbeispiel in einem verschmälerten Kopfende resultierte. Im Fall des dritten Vergleichsbeispiels wurden sowohl der Stoßschutzanschlag 28 als auch das freitragende Elemente 26 erodiert, ähnlich wie bei dem ersten Vergleichsbeispiel.
  • Die oben beschriebenen Ergebnisse zeigen, dass die Wirkungen der vorliegenden Erfindung nicht erzielt werden können, indem wie in dem dritten Vergleichsbeispiel einfach die elektrisch leitfähige Schicht 4 an der Oberfläche der Ausnehmung 3 des unteren Glassubstrats gebildet wird, wobei in diesem Fall nicht verhindert werden kann, dass das Ätzgas die rückwärtige Oberfläche des Siliciumsubstrats 20 erodiert. Wenn wie im Fall des ersten Vergleichsbeispiels und des dritten Vergleichsbeispiels die untere Oberfläche des Stoßschutzanschlags 28 erodiert wird, kann die Funktion des Stoßschutzanschlags nicht erzielt werden, da der Raum zwischen dem unteren Glassubstrat 2 und dem Siliciumsubstrat 20 vergrößert ist. Da ferner die Erosion des Stoßschutzanschlags 28 in einem Masseschwund der bewegbaren Elektrode resultiert, verschlechtert sich die Empfindlichkeit des Sensors, was auch für den Fall des zweiten Vergleichsbeispiels gilt. Da außerdem die Erosion des freitragenden Elements, die in dem ersten bis dritten Vergleichsbeispiel erfolgte, zu einem größeren Abstand zwischen den freitragenden Elementen führt, wird eine Verschlechterung der Empfindlichkeit des Sensors und eine Änderung der Eigenschaften bei den Vorrichtungen verursacht.
  • Da, wie oben beschrieben, die Mikrovorrichtung einer bevorzugten Ausführungsform die elektrisch leitfähige Schicht hat, die mit dem Stützabschnitt elektrisch verbunden und an der Oberfläche der Ausnehmung des isolierenden Substrats mindestens in einem Bereich unmittelbar unter dem freitragenden Element gebildet ist, kann verhindert werden, dass das isolierende Substrat während des Trockenätzens geladen wird. Da die Erosion des freitragenden Elements und des Stützabschnitts verhindert werden kann, kann infolgedessen die balkenähnliche Struktur aus Silicium mit hoher Präzision hinsichtlich des Profils und der Dimensionen gebildet werden. Es werden also hohe Zuverlässigkeit und ein hoher Entwurfsfreiheitsgrad gewährleistet.
  • Da bei der Mikrovorrichtung einer bevorzugten Ausführungsform die elektrisch leitfähige Schicht über der gesamten Oberfläche der Ausnehmung gebildet ist, kann verhindert werden, dass die gesamte Oberfläche der Ausnehmung geladen wird, so dass es möglich ist, die Erosion des freitragenden Elements und des Stützabschnitts effektiver zu unterdrücken.
  • Da der Trägheitskraftsensor einer bevorzugten Ausführungsform die elektrisch leitfähige Schicht hat, die mit dem Stützabschnitt elektrisch verbunden und an der Oberfläche der Ausnehmung mindestens in einem Bereich unmittelbar unter dem freitragenden Element gebildet ist, das die kammförmige Elektrode bildet, kann verhindert werden, dass die kammförmige Elektrode und der Stützabschnitt während des Trockenätzens geladen werden. Infolgedessen können die kammförmige Elektrode und der Stützabschnitt mit hoher Präzision hinsichtlich des Profils und der Dimensionen gebildet und eine Verschlechterung der Empfindlichkeit des Sensors sowie eine Änderung der Eigenschaften bei den Vorrichtungen unterdrückt werden. Es kann also ein hoch zuverlässiger Beschleunigungssensor oder Winkelgeschwindigkeitssensor bereitgestellt werden.
  • Das Verfahren zum Herstellen der Mikrovorrichtung einer bevorzugten Ausführungsform weist einen Prozess zum Bilden der elektrisch leitfähigen Schicht auf, die verhindert, dass das isolierende Substrat während des Trockenätzens geladen wird, und deshalb kann die Mikrovorrichtung, die eine balkenähnliche Struktur aus Silicium hat, mit hoher Präzision hinsichtlich des Profils und der Dimensionen hergestellt werden. Da ferner das Herstellungsverfahren durch den Mikrobelastungseffekt nicht beeinflusst wird, kann der Entwurfsfreiheitsgrad der Mikrovorrichtung, welche die balkenähnliche Struktur hat, erheblich verbessert werden.
  • Das Herstellungsverfahren einer bevorzugten Ausführungsform kann die balkenähnliche Struktur mit einem hohen Seitenverhältnis in kürzerer Zeit durch Anwendung des ICP-RIE-Verfahrens zum Trockenätzen bilden.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen vollständig beschrieben worden ist, ist zu beachten, dass für den Fachmann verschiedene Änderungen und Modifikationen ersichtlich sind. Wenn solche Änderungen und Modifikationen nicht anderweitig vom Umfang der vorliegenden Erfindung abweichen, sollen sie als davon umfasst betrachtet werden.

Claims (5)

  1. Mikrovorrichtung, die Folgendes aufweist: ein isolierendes Substrat (2), an dessen Oberfläche eine Ausnehmung (3) gebildet ist; eine balkenähnliche Konstruktion (21) aus Silicium, die an der vorderen Oberfläche des isolierenden Substrats so gebildet ist, dass sie die Ausnehmung umgibt, wobei die balkenähnliche Konstruktion aufweist: mindestens einen Funktionsabschnitt (22), der einen Stützabschnitt (23) hat, der an das isolierende Substrat gebondet ist, und mindestens ein freitragendes Element (29), das mit dem Stützabschnitt integral geformt ist und sich über die Ausnehmung erstreckt, gekennzeichnet durch eine elektrisch leitfähige Schicht (4) an der Oberfläche der Ausnehmung in dem isolierenden Substrat mindestens in dem gesamten Bereich der Ausnehmung unmittelbar unter dem freitragenden Element, wobei sich die elektrisch leitfähige Schicht über die Oberfläche um die Ausnehmung herum erstreckt, um mit dem Stützabschnitt eine durchgehende elektrisch Verbindung herzustellen.
  2. Mikrovorrichtung nach Anspruch 1, wobei die elektrisch leitfähige Schicht über der gesamten Oberfläche der Ausnehmung gebildet ist.
  3. Mikrovorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, wobei die balkenähnliche Konstruktion aufweist: eine bewegbare Elektrode und eine feststehende Elektrode, wobei die bewegbare Elektrode und die feststehende Elektrode jeweils einen Stützabschnitt haben, der an das isolierende Substrat gebondet ist, und eine kammähnliche Elektrode, die eine Vielzahl von freitragenden Elektroden aufweist, die mit dem Stützabschnitt integral geformt sind und sich über die Ausnehmung erstrecken, wobei die freitragenden Elemente der bewegbaren Elektrode und der feststehenden Elektrode so angeordnet sind, dass sie einander über einen winzigen Zwischenraum gegenüberliegen.
  4. Verfahren zum Herstellen einer Mikrovorrichtung, die aufweist: ein isolierendes Substrat (2), an dessen Oberfläche eine Ausnehmung (3) gebildet ist, und eine balkenähnliche Konstruktion aus Silicium, die an der vorderen Oberfläche des isolierenden Substrats so gebildet ist, dass sie die Ausnehmung umgibt, wobei die balkenähnliche Konstruktion aufweist: mindestens einen Funktionsabschnitt (22), der den Stützabschnitt (23) hat, der an das isolierende Substrat gebondet ist, und mindestens ein freitragendes Element (29), das mit dem Stützabschnitt integral geformt ist und sich über die Ausnehmung erstreckt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bilden einer elektrisch leitfähigen Schicht an der Oberfläche der Ausnehmung in dem isolierenden Substrat mindestens in dem gesamten Bereich der Ausnehmung unmittelbar unter dem freitragenden Element und Verlängern der elektrisch leitfähigen Schicht über die Oberfläche um die Ausnehmung herum, um dadurch mit dem Stützabschnitt eine durchgehende elektrische Verbindung herzustellen; Bilden einer ersten Maskierungsschicht (34), die der Konfiguration des Stützabschnitts an der Oberfläche des Siliciumsubstrats entspricht; Bilden des Stützabschnitts durch Ätzen der Oberfläche des Siliciumsubstrats, an dem die Maskierungsschicht gebildet worden ist; Bonden des Siliciumsubstrats, das den Stützabschnitt hat, und des isolierenden Substrats, das die elektrisch leitfähige Schicht hat, so dass ihre Oberflächen einander gegenüberliegen; Bilden einer zweiten Maskierungsschicht (35), die der Konfiguration des freitragenden Elements an der rückwärtigen Oberfläche des Siliciumsubstrats entspricht, das gebondet worden ist; und Ätzen der rückwärtigen Oberfläche des Siliciumsubstrats, an der die zweite Maskierungsschicht gebildet ist, durch Trockenätzen, um das Siliciumsubstrat zu durchdringen und dadurch das freitragende Element einer gewünschten Struktur zu formen, das sich über die Ausnehmung erstreckt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei reaktives Ionenätzen unter Anwendung einer induktiv gekoppeltem Plasma-(ICP-RIE)-Methode für den Trockenätzprozess angewandt wird, um das freitragende Element zu formen.
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