DE60213257T2

DE60213257T2 - Mikrostruktur mit beweglicher masse

Info

Publication number: DE60213257T2
Application number: DE60213257T
Authority: DE
Inventors: c/o Tokyo Electron Limited Hiroyuki Amagasaki-shi HASHIMOTO; c/o Tokyo Electron Limited Takahiko Amagasaki-shi OOASA; c/o Tokyo Electron Limited Naoki Amagasaki-shi IKEUCHI; c/o Tokyo Electron Limited Muneo Amagasaki-shi HARADA
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2001-09-04
Filing date: 2002-09-02
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2022-09-03
Also published as: EP1423714A1; NO20031998D0; CN1551985A; CN100335905C; NO20031998L; ATE333651T1; DK1423714T3; EP1423714B1; WO2003023414A1; US6931928B2; TW569460B; KR20040041158A; US20050016271A1; KR100638928B1; DE60213257D1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mikrostruktur mit einer beweglichen Masse (oder sich bewegenden Masse) nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Eine derartige Mikrostruktur ist aus der DE 88 05 846 U bekannt. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen Beschleunigungsmesser, der die physikalische Bewegung einer Masse erfaßt.
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Mikrostruktur mit einer beweglichen Masse (oder sich bewegenden Masse). Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen Beschleunigungsmesser, der die physikalische Bewegung einer Masse erfaßt.
STAND DER TECHNIK
Es gibt eine Vielzahl von Sensoren, die eine bewegliche Masse (sich bewegende Masse) verwenden. Dazu gehört beispielsweise ein Trägheitssensor, wie beispielsweise ein Beschleunigungsmesser oder ein Winkelbeschleunigungsmesser (Vibrationsgyroskop).
Ein Beschleunigungsmesser, der eine Beschleunigung eines Fahrzeugs erfaßt, benutzt im Allgemeinen einen piezoresistiven Effekt. Gemäß einem solchen Sensor ist beispielsweise eine Kastenform (Box Shape) einer seismischen Masse (d. h. sich bewegenden Masse) in einem Hohlraum eines Silizium-Grundelements (fester Rahmen) enthalten. Die bewegliche Masse ist an Trägern aufgehängt, an denen ein Piezowiderstand gebildet ist, so daß in Abhängigkeit von einer Bewegung der Masse eine Belastung auf den Piezowiderstand ausgeübt wird. Die Veränderung der auf den Piezowiderstand ausgeübten Belastung wird als eine Veränderung des Widerstands erfaßt. Eine derartige Technologie kann zur Geschwindigkeitsregelung von Fahrzeugen verwendet werden.
Es ist erforderlich, daß sich die oben beschriebene Masse frei bewegt, wenn sich die Masse jedoch überbewegt, kann der Sensor zerstört oder beschädigt werden. Gemäß einer Erfindung, die in der japanischen Patentveröffentlichung Kokoku H5-71448 gezeigt ist, wird ein Glasstopper verwendet, um eine Überbewegung der Masse zu verhindern.
Ein Glasstopper ist jedoch über der Masse angeordnet, so daß die Dicke des Sensors erhöht ist. Desweiteren sind die Herstellungsschritte kompliziert und die Herstellungskosten höher.
Zudem kann eine Belastung, die zwischen einem Glas- und einem Siliziumelement erzeugt wird, die Eigenschaften des Sensors negativ beeinflussen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Folglich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Mikrostruktur anzugeben, bei der eine Überbewegung der Masse verhindert werden kann, ohne daß die Dicke wesentlich erhöht ist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Mikrostruktur anzugeben, bei der ein Mechanismus zum Verhindern einer Überbewegung realisiert ist, ohne daß die Eigenschaften der Mikrostruktur negativ beeinflußt werden und die Herstellung komplizierter und teurer wird.
Zusätzliche Aufgaben, Vorteile und neuartige Merkmale der vorliegenden Erfindung werden teils in der folgenden Beschreibung erörtert und teils einem Fachmann beim Lesen derselben ersichtlich oder können durch Umsetzen der Erfindung deutlich werden. Die Aufgaben und Vorteile der Erfindung können mit Hilfe der Mittel und Kombinationen, die besonders in den beigefügten Ansprüchen erwähnt sind, realisiert und erzielt werden.
Die vorliegende Erfindung gibt eine Mikrostruktur mit einer beweglichen Masse nach Anspruch 1 an.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Mikrostruktur eine Masse; ein Grundelement, in dem die Masse beweglich enthalten ist. Die Masse weist eine obere Oberfläche auf, die im Grundelement freiliegt, und einen Stopperdraht, der über der Oberfläche der Masse angeordnet ist, um eine Überbewegung der Masse zu verhindern. Enden des Stopperdrahts sind an Positionen angebracht, die im Verhältnis zur Oberfläche der Masse niedriger sind. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Technologie, die einen Glasstopper verwendet, kann die Mikrostruktur der vorliegenden Erfindung so hergestellt werden, daß sie eine geringere Dicke hat. Wenn Stopperdrähte befestigt sind, wird keine Belastung auf das Grundelement und die Masse ausgeübt. Folglich werden die Eigenschaften der Mikrostruktur, beispielsweise eines Beschleunigungsmessers, nicht negativ beeinflußt. Zudem können die Stopperdrähte durch ein Draht-Bond-Verfahren befestigt werden, so daß ein komplizierter Herstellungsprozeß vermieden und folglich Herstellungskosten minimiert werden können. Insbesondere können die Stopperdrähte bei einem Beschleunigungsmesser zur selben Zeit gebildet werden, zu der Elektrodenanschlußfelder eines Sensorchips und Leiteranschlußfelder eines Packages zur elektrischen Verbindung drahtgebondet werden.
Gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Package-Struktur, welche die oben beschriebene Mikrostruktur enthält, wenigstens ein Leiteranschlußfeld zur elektri schen Verbindung mit der Mikrostruktur. Wenigstens ein Ende des Stopperdrahts ist mit dem Leiteranschlußfeld verbunden. Die Stopperdrähte können frei angeordnet sein und ihr Design kann leicht verändert werden. Wenn ein Ende des Stopperdrahts mit einem Elektrodenanschlußfeld des Grundelements verbunden ist und das andere Ende mit einem Leiteranschlußfeld des Packages verbunden ist, kann der Stopperdraht nicht nur zum mechanischen Schutz, sondern auch zur elektrischen Verbindung verwendet werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt der Stopperdraht Enden, die an Position anzubringen sind, deren Niveau im Verhältnis zur oberen Oberfläche der Masse niedriger ist. Die Anordnung eines Bonddrahts mit einer Höhe oder einem Zwischenraum ist schwierig. Wenn der Zwischenraum eines Bonddrahts weniger als 100 μm beträgt, wird der Zwischenraum ungleichmäßig. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Abstand oder Zwischenraum zwischen einer oberen Oberfläche einer Masse und einem Stopperdraht verringert werden, ohne den Abstand in vertikaler Richtung zwischen Enden und Oberseite des Drahts zu verringern. Folglich kann die Dicke einer Mikrostruktur verringert werden, ohne daß die Ungleichmäßigkeit des Zwischenraums oder der Höhe von Stopperdrähten vergrößert wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Beschleunigungsmessers, der zur Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung nützlich ist.
2 ist eine Draufsicht, die den in 1 gezeigten Beschleunigungsmesser zeigt, bei der kleine Elemente, wie eine Metallverbindung, weggelassen sind.
3 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie I-I in 1.
4 ist eine Querschnittsansicht, die einen Teil des in 1 gezeigten Beschleunigungsmessers zeigt.
5 ist eine Draufsicht, die eine weitere Anordnung von Stopperdrähten für einen Beschleunigungsmesser zeigt.
6 ist eine Draufsicht, die eine weitere Anordnung von Stopperdrähten für einen Beschleunigungsmesser zeigt.
7 ist eine Querschnittsansicht, die gemäß einem weiteren veranschaulichenden Beispiel eine Package-Struktur zeigt, die einen Beschleunigungsmesser enthält.
8 ist eine Draufsicht, die eine Anordnung von Stopperdrähten für einen Beschleunigungsmesser gemäß dem Beispiel von 7 zeigt.
9–12 sind Draufsichten, die weitere Anordnungen von Stopperdrähten für das in 7 gezeigte Beispiel zeigen.
13 ist eine Querschnittsansicht, die gemäß einem weiteren veranschaulichenden Beispiel eine Package-Struktur zeigt, die einen Beschleunigungsmesser enthält.
14 ist eine Draufsicht, die eine Anordnung von Stopperdrähten für einen Beschleunigungsmesser gemäß dem Beispiel von 13 zeigt.
15 ist eine Draufsicht, die eine weitere Anordnung von Stopperdrähten für einen Beschleunigungsmesser gemäß dem Beispiel von 13 zeigt.
16 ist eine Querschnittsansicht, die einen Beschleunigungsmesser gemäß einem weiteren Beispiel zeigt.
17 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Beschleunigungsmesser gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
18 ist eine Draufsicht, die eine Anordnung von Stopperdrähten für einen Beschleunigungsmesser gemäß der Ausführung von 17 zeigt.
19 ist eine Querschnittsansicht, die einen Beschleunigungsmesser gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
20A–20D sind Querschnittsansichten, die ein Beispiel für Herstellungsschritte des Beschleunigungsmessers gemäß der in 19 gezeigten Ausführung zeigen.
21A–21G sind Querschnittsansichten, die ein weiteres Beispiel für Herstellungsschritte des Beschleunigungsmessers gemäß der in 19 gezeigten Ausführung zeigen.
22A–22F sind Querschnittsansichten, die ein weiteres Beispiel für Herstellungsschritte des Beschleunigungsmessers gemäß der in 19 gezeigten Ausführung zeigen.
23 ist eine Querschnittsansicht, die einen Beschleunigungsmesser gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
24A–24E sind Querschnittsansichten, die ein Beispiel für Herstellungsschritte des Beschleunigungsmessers gemäß der in 23 gezeigten Ausführung zeigen.
25 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Beschleunigungsmesser gemäß einem weiteren veranschaulichenden Beispiel zeigt.
26 ist eine Querschnittsansicht, die einen Beschleunigungsmesser gemäß dem in 25 gezeigten Beispiel zeigt.
BESTE AUSFÜHRUNGSMODEN DER ERFINDUNG
In der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungen wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil dieser Beschreibung bilden und in denen spezielle bevorzugte Ausführungen veranschaulichend gezeigt sind, in denen die Erfindung umgesetzt sein kann. Diese bevorzugten Ausführungen sind so detailliert beschrieben, daß ein Fachmann in der Lage ist, diese umzusetzen, und es ist ersichtlich, daß andere bevorzugte Ausführungen verwendet werden können und logische, mechanische und elektrische Veränderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Gedanken und dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende detaillierte Beschreibung soll daher nicht als einschränkend aufgefaßt werden, und der Umfang der vorliegenden Erfindung wird nur durch die beiliegenden Ansprüche definiert.
Jetzt folgt die Beschreibung der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung kann für eine Vielzahl von Trägheitssensoren, wie beispielsweise Beschleunigungsmesser oder Winkelbeschleunigungsmesser (Vibrationsgyroskope), angewandt werden. Die vorliegende Erfindung kann ferner für jegliche Art von Mikrostruktur (MEMS) mit beweglichem Element, wie beispielsweise einem Aktor oder Stellelement, angewandt werden.
1 und 2 zeigen einen Beschleunigungsmesser 10, der zur Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung nützlich ist. In 2 sind kleine Teile, wie eine Metallverbindung, zum besseren Verständnis des gesamten Beschleunigungsmessers 10 nicht gezeigt. 3 zeigt eine Innenstruktur des Beschleunigungsmessers 10. Der Beschleunigungsmesser 10 umfaßt ein Silizium-Grundelement 12 und eine bewegliche Masse 14, die in einem Hohlraum des Silizium-Grundelements 12 enthalten ist. Die Masse 14 ist so vorgesehen, daß sie sich nach oben und unten und von rechts nach links bewegen kann, nämlich in dreidimensionale Richtung. Das Silizium-Grundelement 12 ist in der Mitte mit einem quadratischen Hohlraum versehen, in dem die Masse 14 enthalten ist. Die bewegliche Masse 14 hat die Form eines Kleeblatts mit vier quadratischen Bereichen, die in der Mitte verbunden sind, um die Trägheits kraft zu erhöhen. Eine obere Oberfläche der beweglichen Masse 14 und eine obere Oberfläche des Grundelements 12 sind auf gleicher Ebene angeordnet.
Der Beschleunigungsmesser 10 umfaßt ferner vier Träger 16, welche die Masse 14 und das Grundelement 12 miteinander verbinden, und acht Piezowiderstandselemente 18. Die Piezowiderstandselemente 18 sind an den Grenzen zwischen der Masse 14 und den Trägern 16 und zwischen dem Grundelement 12 und den Trägern 16 angeordnet. Jeder Träger 16 ist an einem Spalt angeordnet, der zwischen zwei benachbarten quadratischen Teilen der Masse 14 gebildet ist. Das Silizium-Grundelement 12 ist an der oberen Oberfläche mit Elektrodenanschlußfeldern versehen, die mit einer Metallverbindung (nicht gezeigt) mit den Piezowiderstandselementen 18 verbunden sind.
Elektrodenanschlußfelder 20, die nicht mit den Piezowiderstandselementen 18 verbunden sind, sind mit Enden der Stopperdrähte 22 verbunden. Vier der Drähte 22 sind über allen Ecken der beweglichen Masse 14 angeordnet. Jeder Draht 22 ist so angeordnet, daß er sich über eine Ecke der beweglichen Masse 14 erstreckt. Die Enden des Drahts 22 sind durch ein herkömmliches Draht-Bond-Verfahren an den Elektrodenanschlußfeldern 20 befestigt.
Wie es in 3 gezeigt ist, ist das Silizium-Grundelement 12 auf einer Chip-Bond-Oberfläche 24 (Die-Bond-Oberfläche) befestigt. Eine nach unten gerichtete Überbewegung der beweglichen Masse 14 wird durch die Chip-Bond-Oberfläche 24 verhindert. Eine horizontale Überbewegung der Masse 14 wird durch Innenwände des Silizium-Grundelements 12 verhindert. Eine nach oben gerichtete Überbewegung der Masse 14 wird durch die Drähte 22 verhindert. Der Zwischenraum zwischen der Masse 14 und den Drähten 22 kann durch Steuern der Drahtbondeinrichtung eingestellt werden. Der Begriff „Überbewegung" bezeichnet eine Bewegung, die dazu führt, daß der Beschleunigungsmesser 10 nicht funktioniert. Wenn sich die Masse 14 beispielsweise überbewegt, würde der Beschleunigungsmesser 10 zerstört werden oder ein Signal bei einem Pegel über seinem als maximal eingestuften Pegel ausgeben.
4 zeigt eine Struktur um ein Ende des Drahts 22 herum, das mit dem Anschlußfeld 20 verbunden ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung können Verbindungsbereiche zwischen dem Draht 22 und dem Elektrodenanschlußfeld 20 mit einem Harz 28 bedeckt sein. Folglich würde die Zuverlässigkeit der Verbindung zwischen dem Draht 22 und dem Anschlußfeld 20 verbessert werden.
Bei der Herstellung des oben beschriebenen Beschleunigungsmessers 10 wird ein SOI-Wafer aus einer Siliziumschicht (Si), einer vergrabenen Oxidschicht (SiO₂) und einem Si-Substrat gebildet. Eine Brückenschaltung wird auf dem SOI-Wafer unter Verwendung von Halbleiter technologie gebildet, um Piezowiderstandselemente 18, ein Metallschaltungsmuster und Elektrodenanschlußfelder 20 zu bilden. Danach wird die Oberfläche mit Ausnahme der Elektrodenanschlußfelder 20 mit einem Passivierungsfilm, wie beispielsweise einer SiN-Schicht, bedeckt. Als nächstes werden Träger 16 mittels eines Si-Tief-RIE-Verfahrens (RIE = Reactive Ion Etching = reaktives Ionenätzen) gebildet. Danach wird die bewegliche Masse 14 mittels eines Si-Tief-RIE-Verfahrens gebildet, das von dem Si-Substrat aus durchgeführt wird. Als nächstes wird die bewegliche Masse 14 in einem Ätzprozeß an der vergrabenen Oxidschicht von dem Substrat gelöst. Danach wird das Substrat geschnitten, um in einem Vereinzelungsprozeß einzelne Sensorchips zu bilden. Als nächstes wird der Sensorchip in einem Package gebondet und die Elektrodenanschlußfelder 20 des Sensorchips 10 und die Leiteranschlußfelder des Packages werden zur elektrischen Verbindung drahtgebondet. Zur gleichen Zeit werden die Drähte 22 über dem Sensorchip 10 gebildet.
5 und 6 zeigen ein Beispiel einer Anordnung der Stopperdrähte 22. Gemäß 5 sind zwei der Drähte 122 parallel zu den Seiten des Silizium-Grundelements 12 angeordnet. Diese beiden Drähte 122 haben die gleiche Länge. Gemäß 6 sind drei der Drähte 222a und 222b parallel zu einer diagonalen Linie des Silizium-Grundelements 12 angeordnet. Ein längerer Draht 222a erstreckt sich entlang einer diagonalen Linie des Silizium-Grundelements 12. Kürzere Drähte 222b erstrecken sich so über Ecken der beweglichen Masse 14, wie es in 1 gezeigt ist. In 6 können die kürzeren Drähte 222b weggelassen werden, da der längere Draht 222a in der Lage ist, eine Überbewegung der Masse 14 bei guter Balance in der Ebene zu verhindern.
7 ist eine Querschnittsansicht, die gemäß einem weiteren veranschaulichenden Beispiel eine Package-Struktur zeigt, die einen Beschleunigungsmesser 10 enthält. In 7 sind gleiche oder entsprechende Elemente wie in dem ersten veranschaulichenden Beispiel mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und deren Beschreibung wird für diese Ausführung nicht wiederholt. Gemäß dem zweiten veranschaulichenden Beispiel sind beide Enden des Stopperdrahts 22 auf Leiteranschlußfeldern 32 eines Packages 30 befestigt. Im Vergleich zum ersten veranschaulichenden Beispiel kann der Draht 22 sehr frei angeordnet werden.
8–12 sind Draufsichten, die Anordnungsbeispiele von Stopperdrähten 22 für das in 7 gezeigte veranschaulichende Beispiel zeigen. Gemäß einem in 8 gezeigten Fall sind zwei der Drähte 22 so angeordnet, daß sie sich parallel zu den Seiten des Beschleunigungsmessers 10 erstrecken. Gemäß einem in 9 gezeigten Fall sind vier der Drähte 22 so angeordnet, daß sie sich über die Ecken des Beschleunigungsmessers 10 erstrecken, wobei keiner der Drähte den anderen kreuzt. Gemäß einem in 10 gezeigten Fall sind vier der Drähte 22 so angeordnet, das sie die Form eines „#" über dem Beschleunigungsmesser 10 bilden. Gemäß einem in 11 gezeigten Fall sind zwei kürzere Drähte 22 und zwei längere Drähte 22 so angeordnet, daß sie sich parallel zu einer diagonalen Linie des Beschleunigungsmessers 10 erstrecken. Gemäß einem in 12 gezeigten Fall sind vier der Drähte 22 rautenförmig angeordnet, wobei sich jeder Draht 22 über eine Ecke des Beschleunigungsmessers 10 erstreckt.
13 ist eine Querschnittsansicht, die gemäß einem weiteren veranschaulichenden Beispiel eine Package-Struktur zeigt, die einen Beschleunigungsmesser 10 enthält. In 13 sind gleiche oder entsprechende Elemente wie in dem ersten und zweiten veranschaulichenden Beispiel mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und deren Beschreibung wird für diese Ausführung nicht wiederholt.
Gemäß diesem Beispiel ist ein Ende eines Stopperdrahts 22 auf ein Leiteranschlußfeld 32 eines Packages 30 und das andere Ende auf ein Elektrodenanschlußfeld 20 eines Beschleunigungsmessers 10 gebondet. Die Stopperdrähte 22 können zur elektrischen Verbindung zwischen dem Package 30 und dem Sensor 10 verwendet werden. Das Leiteranschlußfeld 32 und das Elektrodenanschlußfeld 20 können ausschließlich zur Verwendung für die Stopperdrähte 22 gebildet sein, so daß die Stopperdrähte 22 elektrisch von dem Sensor 10 isoliert werden können. Folglich kann die Anordnung der Stopperdrähte 22 erfolgen, ohne ein Verdrahtungsdesign des Sensors 10 zu berücksichtigen.
14 und 15 sind Draufsichten, die Anordnungsbeispiele der Stopperdrähte 22 für den Beschleunigungsmesser 10 gemäß diesem Beispiel zeigen. Bei einem in 14 gezeigten praktischen Beispiel sind vier der Drähte 22 so angeordnet, das sie die Form eines „#" über dem Beschleunigungsmesser 10 bilden. Bei einem in 15 gezeigten praktischen Beispiel sind vier der Drähte 22 rautenförmig angeordnet, wobei sich jeder Draht 22 über eine Ecke des Beschleunigungsmessers 10 erstreckt.
16 ist eine Querschnittsansicht, die einen Beschleunigungsmesser gemäß einem weiteren Beispiel zeigt. In 16 sind gleiche oder entsprechende Elemente wie in dem ersten bis dritten veranschaulichenden Beispiel mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und deren Beschreibung wird für diese Ausführung nicht wiederholt. Ein Merkmal dieses Beispiels ist es, daß die Stopperdrähte 22 so vorgesehen sind, daß sie dasselbe elektrische Potentialniveau haben wie ein SOI-Wafer 50, so daß die Drähte 22 nicht als Antenne fungieren, was sich negativ auf die Eigenschaften des Beschleunigungsmessers 10 auswirken würde.
Bei der Herstellung des oben beschriebenen Beschleunigungsmessers 10 wird ein SOI-Wafer aus einer Siliziumschicht (Si), einer vergrabenen Oxidschicht (SiO₂) und einem Si-Substrat gebildet. Eine Brückenschaltung wird durch Ionenimplantieren oder Thermodiffusion auf dem SOI-Wafer gebildet, um Piezowiderstandselemente 18 zu bilden. Danach wird eine Isolierschicht 52 durch Thermooxidation gebildet. Als nächstes werden Kontaktlöcher ausgebildet, so daß ein Elektrodenanschlußfeld 20, das mit dem Draht 22 verbunden ist, dasselbe elektrische Potentialniveau hat wie die Siliziumschicht (Si). Danach werden ein Metallschaltungsmuster und Elektrodenanschlußfelder 20 gebildet, und die Oberfläche wird mit Ausnahme der Elektrodenanschlußfelder 20 mit einem Passivierungsfilm 54, wie beispielsweise einer SiN-Schicht, bedeckt.
Als nächstes werden Träger 16 mittels eines Si-Tief-RIE-Verfahrens (RIE = Reactive Ion Etching = reaktives Ionenätzen) gebildet. Danach wird die bewegliche Masse 14 mittels eines Si-Tief-RIE-Verfahrens gebildet, das von dem Si-Substrat aus durchgeführt wird. Als nächstes wird die bewegliche Masse 14 in einem Ätzprozeß bis zu der vergrabenen Oxidschicht von dem Substrat gelöst. Danach wird das Substrat geschnitten, um in einem Vereinzelungsprozeß einzelne Sensorchips zu bilden. Als nächstes wird der Sensorchip 10 in einem Package gebondet und die Elektrodenanschlußfelder 20 des Sensorchips 10 und die Leiteranschlußfelder des Packages werden zur elektrischen Verbindung drahtgebondet. Zur gleichen Zeit werden die Drähte 22 über dem Sensorchip 10 gebildet.
17 und 18 zeigen einen Beschleunigungsmesser 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. In 18 sind kleine Teile, wie eine Metallverbindung, zum besseren Verständnis des Beschleunigungsmessers 10 insgesamt nicht gezeigt. 19 zeigt eine Innenstruktur des Beschleunigungsmessers 10. Der Beschleunigungsmesser 10 umfaßt ein Silizium-Grundelement 12 und eine bewegliche Masse 14, die in einem Hohlraum des Silizium-Grundelements 12 enthalten ist. Die Masse 14 ist so vorgesehen, daß sie sich nach oben und unten und von rechts nach links bewegen kann, nämlich in dreidimensionale Richtung. Das Silizium-Grundelement 12 ist in der Mitte mit einem quadratischen Hohlraum versehen, in dem die Masse 14 enthalten ist. Die bewegliche Masse 14 hat die Form eines Kleeblatts mit vier quadratischen Bereichen, die in der Mitte verbunden sind, um die Trägheitskraft zu erhöhen.
Ein vorstehendes Element 14a ist auf jedem der vier quadratischen Bereiche der Masse 14 gebildet, so daß eine obere Oberfläche des vorstehenden Elements 14a um „Δh" höher ist als eine obere Oberfläche des Silizium-Grundelements 12.
Der Beschleunigungsmesser 10 umfaßt ferner vier Träger 16, welche die Masse 14 und das Grundelement 12 miteinander verbinden, und acht Piezowiderstandselemente 18. Die Piezowiderstandselemente 18 sind an den Grenzen zwischen der Masse 14 und den Trägern 16 und zwischen dem Grundelement 12 und den Trägern 16 angeordnet. Jeder Träger 16 ist an einem Spalt angeordnet, der zwischen zwei benachbarten quadratischen Teilen der Masse 14 gebildet ist. Das Silizium-Grundelement 12 ist an der oberen Oberfläche mit Elektrodenanschlußfeldern versehen, die mittels einer Metallverbindung (nicht gezeigt) mit den Piezowiderstandselementen 18 verbunden sind.
Elektrodenanschlußfelder 20, die nicht mit den Piezowiderstandselementen 18 verbunden sind, sind mit Enden der Stopperdrähte 22 verbunden. Vier der Drähte 22 sind über allen Ecken der beweglichen Masse 14 angeordnet. Jeder Draht 22 ist so angeordnet, daß er sich über eine Ecke der beweglichen Masse 14 erstreckt. Die Enden des Drahts 22 sind durch ein herkömmliches Draht-Bond-Verfahren an den Elektrodenanschlußfeldern 20 befestigt.
Wie es in 19 gezeigt ist, ist das Silizium-Grundelement 12 auf einer Chip-Bond-Oberfläche 24 befestigt. Eine nach unten gerichtete Überbewegung der beweglichen Masse 14 wird durch die Chip-Bond-Oberfläche 24 verhindert. Eine horizontale Überbewegung der Masse 14 wird durch Innenwände des Silizium-Grundelements 12 verhindert. Eine nach oben gerichtete Überbewegung der Masse 14 wird durch die Drähte 22 verhindert. Der Zwischenraum zwischen der Masse 14 und den Drähten 22 kann durch Steuern der Drahtbondeinrichtung eingestellt werden.
Ein Abstand „H" zwischen der oberen Oberfläche des vorstehenden Elements 14a und dem Stopperdraht 22 kann mittels einer Drahtbondeinrichtung (nicht gezeigt) und des Höhenunterschieds „Δh" eingestellt werden. Gemäß dieser Ausführung kann ein Abstand „H" verringert werden, ohne einen Abstand „H+Δh" zu verringern. Folglich kann die Dicke des Beschleunigungsmessers 10 verringert werden, ohne daß eine Ungleichmäßigkeit eines Zwischenraums „H" der Stopperdrähte 22 vergrößert wird. Selbst wenn ein Abstand „H" etwa 80 μm beträgt, wird sich die Ungleichmäßigkeit des Zwischenraums „H" der Stopperdrähte 22 nicht wesentlich vergrößern.
20A–20D sind Querschnittsansichten, die ein Beispiel für Herstellungsschritte des Beschleunigungsmessers gemäß der in 19 gezeigten bevorzugten Ausführung zeigen. Bei der Herstellung des oben beschriebenen Beschleunigungsmessers 10 wird ein SOI-Wafer 31 aus einer Siliziumschicht (Si), einer vergrabenen Oxidschicht (SiO₂) und einem Si-Substrat gebildet. Eine Brückenschaltung wird in einem Halbleiterverfahren auf der Siliziumschicht gebildet, um Piezowiderstandselemente 18, ein Metallschaltungsmuster und Elektrodenanschlußfelder 20 zu bilden. Eine Sensorschaltung 33 wird gebildet, wie es in 20A gezeigt ist.
Als nächstes wird ein lichtempfindliches Polyimid oder Resist mittels Aufschleudern (Spin-Coating) auf der Sensorschaltung 33 gebildet und belichtet, entwickelt und gebacken, um ein vorstehendes Element 34 (14a) zu bilden, wie es in 20B gezeigt ist.
Als nächstes werden Träger 16 mittels eines Si-Tief-RIE-Verfahrens (RIE = Reactive Ion Etching = reaktives Ionenätzen) gebildet. Danach wird die bewegliche Masse 14 mittels eines Si-Tief-RIE-Verfahrens gebildet, das von dem Si-Substrat 31 aus durchgeführt wird. Als nächstes wird die bewegliche Masse 14 in einem Ätzprozeß bis zu der vergrabenen Oxidschicht von dem Substrat 31 gelöst, wie es in 20C gezeigt ist. Danach wird das Substrat 31 geschnitten, um in einem Vereinzelungsprozeß einzelne Sensorchips zu bilden. Als nächstes wird der Sensorchip in einem Package gebondet und die Elektrodenanschlußfelder 20 des Sensorchips 10 und die Leiteranschlußfelder des Packages werden zur elektrischen Verbindung drahtgebondet. Zur gleichen Zeit werden die Drähte 22 über dem Sensorchip 10 gebildet.
21A–21G sind Querschnittsansichten, die ein weiteres Beispiel für Herstellungsschritte des Beschleunigungsmessers 10 gemäß der in 19 gezeigten bevorzugten Ausführung zeigen. Bei der Herstellung des oben beschriebenen Beschleunigungsmessers 10 wird ein SOI-Wafer 31 aus einer Siliziumschicht (Si), einer vergrabenen Oxidschicht (SiO₂) und einem Si-Substrat gebildet. Eine Brückenschaltung wird in einem Halbleiterverfahren auf der Siliziumschicht gebildet, um Piezowiderstandselemente 18, ein Metallschaltungsmuster und Elektrodenanschlußfelder 20 zu bilden. Eine Sensorschaltung 33 wird gebildet, wie es in 21A gezeigt ist.
Als nächstes wird eine Keimschicht 40 mittels Sputtern über dem SOI-Wafer 31 gebildet, wie es in 21B gezeigt ist. Die Keimschicht 40 kann aus Ni, Cu, Au, Pd, Ag, Sn, Co oder dergleichen bestehen. Als nächstes wird ein lichtempfindliches Polyimid oder Resist mittels Aufschleudern (Spin-Coating) auf der Keimschicht 40 gebildet und belichtet, entwickelt und gebacken, um ein Resistmuster 42 zu bilden, wie es in 21C gezeigt ist. Als nächstes wird aus der Keimschicht 40 eine Plattierungsschicht 40a gebildet, wie es in 21D gezeigt ist. Danach wird das Resistmuster 42 entfernt und die Keimschicht 40 wird mittels Ionendünnung (Ion Milling), Naßätzen oder RIE (Reactive Ion Etching) entfernt, um ein vorstehendes Element 44 zu bilden, wie es in 21E gezeigt ist.
Anschließend werden Träger 16 mittels eines Si-Tief-RIE-Verfahrens (RIE = Reactive Ion Etching = reaktives Ionenätzen) gebildet. Danach wird die bewegliche Masse 14 mittels eines Si-Tief-RIE-Verfahrens gebildet, das von dem Si-Substrat 31 aus durchgeführt wird. Als nächstes wird die bewegliche Masse 14 in einem Ätzprozeß bis zu der vergrabenen Oxidschicht von dem Substrat 31 gelöst, wie es in 21F gezeigt ist. Danach wird das Substrat 31 geschnitten, um in einem Vereinzelungsprozeß einzelne Sensorchips zu bilden. Als nächstes wird der Sensorchip in einem Package gebondet und die Elektrodenanschlußfelder 20 des Sensorchips 10 und die Leiteranschlußfelder des Packages werden zur elektrischen Verbindung drahtgebondet. Zur gleichen Zeit werden die Drähte 22 über dem Sensorchip 10 gebildet, wie es in 21G gezeigt ist.
22A–22F sind Querschnittsansichten, die ein weiteres Beispiel für Herstellungsschritte des Beschleunigungsmessers 10 gemäß der in 19 gezeigten bevorzugten Ausführung zeigen. Bei der Herstellung des oben beschriebenen Beschleunigungsmessers 10 wird ein SOI-Wafer 31 aus einer Siliziumschicht (Si), einer vergrabenen Oxidschicht (SiO₂) und einem Si-Substrat gebildet. Als nächstes wird eine Polysiliziumschicht 48 auf dem SOI-Wafer 31 gebildet, wie es in 22A gezeigt ist. Anschließend wird ein lichtempfindliches Polyimid oder Resist mittels Aufschleudern (Spin-Coating) auf der Polysiliziumschicht 48 gebildet und belichtet, entwickelt und gebacken, um ein Resistmuster 51 zu bilden, wie es in 22B gezeigt ist.
Als nächstes wird die Polysiliziumschicht 48 mittels eines RIE-Verfahrens geätzt, um ein vorstehendes Element 53 zu bilden, wie es in 22C gezeigt ist. Anschließend wird eine Brückenschaltung in einem Halbleiterverfahren gebildet, um Piezowiderstandselemente 18, ein Metallschaltungsmuster und Elektrodenanschlußfelder 20 zu bilden. Eine Sensorschaltung 33 wird über dem vorstehenden Element 53 gebildet, wie es in 22D gezeigt ist. Danach wird die Oberfläche mit Ausnahme der Elektrodenanschlußfelder 20 mit einem Passivierungsfilm, wie einer SiN-Schicht, bedeckt.
Anschließend werden Träger 16 mittels eines Si-Tief-RIE-Verfahrens (RIE = Reactive Ion Etching = reaktives Ionenätzen) gebildet. Danach wird die bewegliche Masse 14 mittels eines Si-Tief-RIE-Verfahrens gebildet, das von dem Si-Substrat 31 aus durchgeführt wird. Als nächstes wird die bewegliche Masse 14 in einem Ätzprozeß bis zu der vergrabenen Oxidschicht von dem Substrat 31 gelöst, wie es in 22E gezeigt ist. Danach wird das Substrat 31 geschnitten, um in einem Vereinzelungsprozeß einzelne Sensorchips zu bilden. Als nächstes wird der Sensorchip in einem Package gebondet und die Elektrodenanschlußfelder 20 des Sensorchips 10 und die Leiteranschlußfelder des Packages werden zur elektrischen Verbindung drahtgebondet. Zur gleichen Zeit werden die Drähte 22 über dem Sensorchip 10 gebildet, wie es in 22F gezeigt ist.
23 ist eine Querschnittsansicht, die einen Beschleunigungsmesser gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt. 24A–24E sind Querschnittsansichten, die eine Beispiel für Herstellungsschritte des Beschleunigungsmessers gemäß der in 23 gezeigten, weiteren bevorzugten Ausführung zeigen. In 23 und 24A–24E sind gleiche oder entsprechende Elemente wie bei der oben beschriebenen, vorhergehenden Ausführung mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und deren Beschreibung wird für diese Ausführung nicht wiederholt. Der Unterschied gegenüber der vorhergehenden Ausführung besteht in der Struktur einer beweglichen Masse 14 und eines Silizium-Grundelements 58. Bei dieser Ausführung ist die Masse 14 nicht mit einem vorstehenden Element (14a) versehen, sondern eine obere Oberfläche des Siliziumn-Grundelements 58 ist ausgeschnitten, um einen Höhenunter schied „Δh" zwischen der oberen Oberfläche des Grundelements 58 und einer oberen Oberfläche der Masse 14 zu bilden.
Bei der Herstellung des oben beschriebenen Beschleunigungsmessers wird ein SOI-Wafer 31 aus einer Siliziumschicht (Si), einer vergrabenen Oxidschicht (SiO₂) und einem Si-Substrat gebildet. Als nächstes wird ein Resist mittels Aufschleudern (Spin-Coating) auf dem SOI-Wafer 31 gebildet und belichtet, entwickelt und gebacken, um ein Resistmuster 60 zu bilden, wie es in 24A gezeigt ist. Danach wird der SOI-Wafer 31 mittels eines RIE-Verfalrens geätzt, um Vertiefungsabschnitte 31a zu bilden, die als Elektrodenanschlußfelder verwendet werden, wie es in 24B gezeigt ist.
Als nächstes wird eine Brückenschaltung in einem Halbleiterverfahren gebildet, um Piezowiderstandselemente 18, ein Metallschaltungsmuster und Elektrodenanschlußfelder 20 zu bilden. Eine Sensorschaltung 33 wird auf dem SOI-Wafer 31 gebildet, wie es in 24C gezeigt ist. Danach wird die Oberfläche des Substrats 31 mit Ausnahme der Elektrodenanschlußfelder 31a mit einem Passivierungsfilm, wie einer SiN-Schicht, bedeckt.
Anschließend werden Träger 16 mittels eines Si-Tief-RIE-Verfahrens (RIE = Reactive Ion Etching = reaktives Ionenätzen) gebildet. Danach wird die bewegliche Masse 14 mittels eines Si-Tief-RIE-Verfahrens gebildet, das von dem Si-Substrat 31 aus durchgeführt wird. Als nächstes wird die bewegliche Masse 14 in einem Ätzprozeß bis zu der vergrabenen Oxidschicht von dem Substrat 31 gelöst, wie es in 24D gezeigt ist. Danach wird das Substrat 31 geschnitten, um in einem Vereinzelungsprozeß einzelne Sensorchips zu bilden. Als nächstes wird der Sensorchip in einem Package gebondet und die Elektrodenanschlußfelder 31a des Sensorchips 10 und die Leiteranschlußfelder des Packages werden zur elektrischen Verbindung drahtgebondet. Zur gleichen Zeit werden die Drähte 22 über dem Sensorchip 10 gebildet, wie es in 24E gezeigt ist.
25 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Beschleunigungsmesser 74 gemäß einem weiteren veranschaulichen Beispiel zeigt. 26 ist eine Querschnittsansicht, die den Beschleunigungsmesser 74 zeigt, der in 25 dargestellt ist. In 25 und 26 sind gleiche oder entsprechende Elemente wie bei den oben beschriebenen Ausführungen mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und deren Beschreibung wird für diese Ausführung nicht wiederholt.
Der Beschleunigungsmesser 74 umfaßt ein Silizium-Grundelement 12 und eine bewegliche Masse 14, die in einem Hohlraum des Silizium-Grundelements 12 enthalten ist. Die Masse 14 ist so vorgesehen, daß sie sich nach oben und unten und von rechts nach links bewegen kann, nämlich in dreidimensionale Richtung. Das Silizium-Grundelement 12 ist in der Mitte mit einem quadratischen Hohlraum versehen, in dem die Masse 14 enthalten ist. Die bewegliche Masse 14 hat die Form eines Kleeblatts mit vier quadratischen Bereichen, die in der Mitte verbunden sind, um die Trägheitskraft zu erhöhen. Eine obere Oberfläche der beweglichen Masse 14 und eine obere Oberfläche des Grundelements 12 sind auf gleicher Ebene angeordnet.
Der Beschleunigungsmesser 74 umfaßt ferner vier Träger 16, welche die Masse 14 und das Grundelement 12 miteinander verbinden, und acht Piezowiderstandselemente 18. Die Piezowiderstandselemente 18 sind an den Abgrenzungen zwischen der Masse 14 und den Trägern 16 und zwischen dem Grundelement 12 und den Trägern 16 angeordnet. Jeder Träger 16 ist an einem Spalt angeordnet, der zwischen zwei benachbarten quadratischen Teilen der Masse 14 gebildet ist. Das Silizium-Grundelement 12 ist an der oberen Oberfläche mit Elektrodenanschlußfeldern 20 versehen, die mittels einer Metallverbindung (nicht gezeigt) mit den Piezowiderstandselementen 18 verbunden sind.
Der Beschleunigungsmesser 74 ist in einem Package 70 enthalten, wie es in 26 gezeigt ist. Das Package 70 umfaßt Vertiefungsabschnitte 75 und Leiteranschlußfelder 74, die auf den Vertiefungsabschnitten 75 gebildet sind. Die Vertiefungsabschnitte 75 und Leiteranschlußfelder 76 sind so ausgebildet, daß eine obere Oberfläche des Leiteranschlußfelds 76 um „Δh" niedriger ist als eine obere Oberfläche des Beschleungungsmessers (Sensors) 74. Zwei Leiteranschlußfelder, die an den entgegengesetzten Seiten des Beschleunigungsmessers 74 angeordnet sind, sind durch einen Stopperdraht 22 miteinander verbunden.
Gemäß den letzten drei Beispielen umfaßt der Stopperdraht 22 Enden, die an Position anzubringen sind, deren Niveau im Verhältnis zu der Oberfläche der Masse 14 niedriger ist. Ein Abstand „H" zwischen einer oberen Oberfläche der Masse 14 und dem Stopperdraht 22 kann verringert werden, ohne einen Abstand (H+Δh) in vertikaler Richtung zwischen Enden und Oberseite des Drahts 22 zu verringern. Folglich kann die Dicke einer Mikrostruktur verringert werden, ohne daß die Ungleichmäßigkeit des Zwischenraums oder der Höhe von Stopperdrähten 22 vergrößert wird.

Claims

Mikrostruktur mit einer beweglichen Masse, mit folgenden Merkmalen: eine Masse (14); ein Grundelement (12), in welchem die Masse (14) beweglich enthalten ist, wobei die Masse (14) eine obere Oberfläche aufweist, die im Grundelement freiliegt, und ein Stopperdraht (22), der über der Oberfläche der Masse (14) angeordnet ist, um eine Überbewegung der Masse zu verhindern, dadurch gekennzeichnet, daß der Stopperdraht (22) Enden aufweist, die bei Positionen angebracht sind, deren Niveau im Verhältnis zur Oberfläche der Masse (14) niedriger ist.
Mikrostruktur nach Anspruch 1, wobei der Stopperdraht (22) nur mit dem Grundelement (12), jedoch nicht mit der Masse (14) verbunden ist.
Mikrostruktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Stopperdraht (22) durch ein Draht-Bond-Verfahren befestigt ist.
Mikrostruktur nach Anspruch 3, wobei Enden des Stopperdrahtes (22), die mit dem Grundelement (12) verbunden sind, mit einem Harz bedeckt sind.
Mikrostruktur nach Anspruch 2, wobei das Grundelement (12) Anschlußfelder (32) aufweist, die mit dem Stopperdraht (22) verbunden sind.
Package-Struktur, welche eine Mikrostruktur gemäß Anspruch 1 enthält, wobei die Mikrostruktur ein Beschleunigungsmesser ist und das Grundelement der Mikrostruktur aus Silizium besteht, wobei die Package-Struktur folgende Merkmale aufweist: wenigstens ein Leiteranschlußfeld (32) zur elektrischen Verbindung mit der Mikrostruktur, wobei wenigstens ein Ende des Stopperdrahtes (22) mit dem Leiteranschlußfeld (32) verbunden ist.
Package-Struktur nach Anspruch 6, wobei beide Enden des Stopperdrahtes (22) mit den Leiteranschlußfeldern (32) verbunden sind.
Package-Struktur nach Anspruch 6, wobei ein Ende des Stopperdrahtes (22) mit dem Leiteranschlußfeld (32) verbunden ist und das andere Ende mit einem Elektrodenanschlußfeld (20) des Grundelementes (12) verbunden ist.
Mikrostruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein vorstehender Abschnitt (14a) auf der Oberfläche der Masse (14) gebildet ist.
Mikrostruktur nach Anspruch 9, wobei der verstehende Abschnitt (14a) eine Harzschicht ist, die auf der Oberfläche der Masse (14) ausgebildet ist.
Mikrostruktur nach Anspruch 9, wobei der vorstehende Abschnitt (14a) eine Plattierungsschicht ist, die auf der Oberfläche der Masse (14) ausgebildet ist.
Mikrostruktur nach Anspruch 9, wobei der vorstehende Abschnitt (14a) eine Polysiliziumschicht ist, die auf der Oberfläche der Masse (14) ausgebildet ist.
Mikrostruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Basiselement (12) Draht-Befestigungsbereiche aufweist, die mit den Enden des Stopperdrahtes (22) verbunden sind, wobei die Drahtbefestigungsbereiche Oberflächen haben, deren Niveau niedriger ist als die Oberfläche der Masse (14).
Mikrostruktur nach Anspruch 13, wobei die Drahtbefestigungsbereiche Stufenstrukturen auf dem Grundelement (12) vorsehen.
Mikrostruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 13 und 14, wobei die Mikrostruktur ein Beschleunigungsmesser ist, der ein Ausgangssignal abhängig von der Bewegung einer Masse (14) vorsieht, wobei die Mikrostruktur ferner ein Package (70) aufweist, das das Grundelement (12) mit der Masse (14) enthält, wobei das Grundelement (12) ein Silizium-Grundelement ist.
Mikrostruktur nach Anspruch 15, wobei das Package (70) wenigstens ein Leiteranschlußfeld (74) zur elektrischen Verbindung mit der Mikrostruktur aufweist, wobei wenigstens ein Ende des Stopperdrahtes (22) mit dem Leiteranschlußfeld (74) verbunden ist.
Mikrostruktur nach Anspruch 16, wobei beide Enden des Stopperdrahtes (22) mit den Leiteranschlußfeldern (74) verbunden sind.
Mikrostruktur nach Anspruch 16, wobei ein Ende des Stopperdrahtes (22) mit dem Leiteranschlußfeld (74) verbunden ist und das andere Ende mit einem Elektrodenanschlußfeld (20) des Grundelements (12) verbunden ist.