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Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Verfahren
zur Herstellung von Silizium-Mikrosensoren. Insbesondere
betrifft die Erfindung die Herstellung einer dünnen Silizium-
Membran oder eines Siliziumbalkens, die zur Verwendung in
einem Mikrobeschleunigungsmeßgerät oder einem Drucksensor
geeignet sind, wobei selektives epitaxiales Wachstum,
epitaxiales seitliches Aufwachsen und
Mikromaterialbearbeitungsverfahren verwendet werden, wie im Oberbegriff von Anspruch
1 angeführt und beispielsweise in der US-A-4,670,969
offenbart.
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Ein Beschleunigungsmeßgerät ist einer der wichtigsten
Sensoren, die in Navigationssystemen, insbesondere in Trägheits-
Navigationssystemen, und internen
Sicherheits-Steuereinrichtungen in Kraftfahrzeugen verwendet werden. Beispiele der
Anwendung van Beschleunigungsmeßgeräten im
Kraftfahrzeugbereich umfassen verschiedene Anti-Blockier-Bremssysteme,
aktive Federungssysteme und Verschlußsysteme für
Sicherheitsgurte.
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Allgemein ist ein Beschleunigungsmeßgerät ein Gerät, das die
Beschleunigung mißt, und insbesondere mißt ein
Beschleunigungsmeßgerät die Kraft, die erzeugt wird, wenn ein sich
bewegender Körper seine Geschwindigkeit ändert. Der sich
bewegende Körper besitzt eine Trägheit, die den Körper
veranlaßt, der Geschwindigkeitsänderung Widerstand zu leisten. Es
ist dieser Widerstand gegen eine plötzliche
Geschwindigkeitsänderung, der die Ursache der Kraft ist, die von dem Körper
ausgeübt wird, wenn er beschleunigt wird. Diese Kraft ist
proportional zur Komponente der Beschleunigung in
Bewegungsrichtung und kann daher durch ein Beschleunigungsmeßgerät
ermittelt werden.
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In einem typischen Beschleunigungsmeßgerät ist eine Masse
mittels zweier Federn aufgehängt, die an entgegengesetzten
Seiten der Masse angebracht sind. Die Masse wird solange in
einer Gleichgewichtsposition gehalten, wie das System in
Ruhe ist oder sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt.
Wenn das System eine Geschwindigkeitsänderung in Richtung
der Achse der Federn oder senkrecht zur Achse der Federn
erfährt, und deshalb in einer bestimmten Richtung beschleunigt
wird, wird sich die federnd angeordnete Masse aufgrund ihrer
Trägheit zunächst der Bewegung entlang dieser Achse
widersetzen. Dieser Widerstand gegen die Bewegung oder diese
Verzögerung der Bewegung wird die Federn zwingen, zeitweilig
entweder gedehnt oder zusammengedrückt zu sein. Die Zug- oder
Druckkraft, die auf jede Feder wirkt, hängt mit dem Produkt
aus dem Gewicht der Masse und der Beschleunigung der Masse
zusammen. Die Beschleunigung wird dann entsprechend durch
die Änderung der Geschwindigkeit bestimmt, welche die Masse
erfährt.
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Beschleunigungsmeßgeräte mit integrierten Schaltungen, die
eine Prüfmasse aufweisen, die mittels Paaren von
Mikrobrükken aufgehängt sind, sind ebenfalls bekannt. Ein
anschauliches Beispiel für diese Art Beschleunigungsmeßgerät ist in
dem US-Patent Nr. 4,901,570 offenbart. Bei einem
Mikrobeschleunigungsmeßgerät dieser Art ist die Prüfmasse mittels
mindestens zweier Paare von Mikrobrücken aufgehängt. Jedes
Paar von Mikrobrücken ist an entgegengesetzten Enden der
Prüfmasse längs einer gemeinsamen Achse angebracht. Die
Beschleunigung der Masse wird durch die Kraftänderung
bestimmt, die auf jede Mikrobrücke wirkt. Diese Art von
Resonanz-Mikrobeschleunigungsmeßgerät ist interessant für
Präzisionsmessungen, weil die Frequenz eines mikromechanischen
Resonanzaufbaus sehr empfindlich gegenüber physikalischen
oder chemischen Signalen gemacht werden kann.
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Eine Schwierigkeit besteht in Bezug auf die Herstellung
dieser und anderer Arten von Mikrobeschleunigungsmeßgeräten.
Die Mikrobrücken werden typischerweise von extrem dünnen
Materialschichten, im allgemeinen aus Silizium gebildet, die
über den Siliziumträger aufgehängt sind. Diese dünnen
Schichten oder Balken sind schwierig herzustellen. Ebenso ist eine
andere Art von Sensor, ein Drucksensor, durch ein festes
dünnes Diaphragma gekennzeichnet, bei welchem die gleichen
Schwierigkeiten bei dem Versuch auftreten, das dünne
Diaphragma zu erhalten. Viele Verfahren wurden benutzt, um
diese Komponenten mikromaschinell zu bearbeiten, jedoch sind
mit diesen früheren Verfahren Nachteile verbunden.
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Ein übliches Verfahren war die Verwendung eines Ätzmittels,
um das Siliziumsubstrat zu ätzen und die für die Membran
oder die Mikrobrücken benötigten dünnen Schichten zu bilden,
wobei die Ätzrate von der Dotierungskonzentration des
Siliziums abhängt. Bei diesem Verfahren fungiert eine P+
dotierte Schicht, die unter einer epitaxialen Schicht des N-Typs
angeordnet ist, als Ätzstop, wenn der Siliziumwafer von der
Rückseite her geätzt wird. Jedoch ist dieses Verfahren
problematisch, da eine relativ dicke Schicht epitaxialen N-Typ-
Siliziums über der P+ dotierten Schicht erforderlich ist, um
sicherzustellen, daß dem Gegenstand eine ausreichend große
qualitative Epitaxieschicht nach dem Ätzen verbleibt. Diese
verhältnismäßige dicke epitaktische Schicht wirkt sich
direkt auf die Dicke und somit auf die Empfindlichkeit der
Silizium-Mikrostruktur aus. Es wäre wünschenswert, ein
Verfahren zur mikromäschinellen Bearbeitung des Siliziums
anzugeben, welches den P+ Ätzstop vermeidet, wodurch die
korrespondierende Einschränkung der Dicke der
Silizium-Mikrostruktur beseitigt würde, die durch die Qualität der
darüberliegenden epitaxialen Schicht bedingt wird.
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Ein anderes benutztes Verfahren zur mikromaschinellen
Bearbeitung von Silizium-Mikrobeschleunigungsmeßgeräten besteht
darin, ein elektrochemisches Ätzverfahren mit Vorspannung zu
verwenden, bei welchem eine unter Vorspannung stehende
Verbindung als der Ätzstop wirkt. Eine vorgespannte Verbindung
wird an der Grenzfläche zwischen einem Siliziumsubstrat des
P-Typs und einer darüberliegenden epitaxialen Schicht des
N-Typs gebildet. Die vorgespannte Verbindung dient als ein
Ätzstop, wenn das Siliziumsubstrat von der Rückseite her
geätzt wird, da die epitaxiale Schicht des N-Typs passiviert
wird, wenn sie der Siliziumätzung ausgesetzt wird. Dieses
Verfahren erfordert es jedoch, daß zu jedem Siliziumwafer
während des Ätzens des Siliziums ein elektrischer Kontakt
hergestellt wird. Typischerweise werden viele dieser
Silizium-Mikrosensoren auf dem Siliziumsubstrat gebildet, wobei
es erforderlich ist, daß zu jedem einzelnen Mikrosensor ein
dauerhafter elektrischer Kontakt besteht. Es ist überflüssig
zu sagen, daß es schwierig ist, diese einzelnen Kontakte in
der rauhen Silizium-Ätzumgebung aufrechtzuerhalten. Deshalb
wäre es wünschenswert, ein Verfahren zur mikromaschinellen
Bearbeitung der Siliziumwafer anzugeben, welches die
Herstellung elektrischer Kontakte nicht erfordert.
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Ebenso wäre es wünschenswert, ein Verfahren zur Bearbeitung
des Siliziums anzugeben, welches eine gleichmäßigere
Steuerung der Abmessungen bei der Ausformung der dünnen
Siliziumschichten ermöglicht als bei Silizium-Ätztechniken, die
vergleichsweise schwer zu steuern sind. Dies ist insbesondere
wünschenswert beim Einsatz im Automobilbereich, wo eine
extrem große Zahl von Sensoren zu produzieren wären mit dem
Erfordernis, daß sie alle von ihren Abmessungen her
übereinstimmen. Ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1
ist in der US-A 4,670,969 offenbart.
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Daher wird ein Verfahren zur Herstellung dünner
Silizium-Membranen und -balken benötigt, die für den Einsatz in einem
Mikrobeschleunigungsmeßgerät oder einem Drucksensor geeignet
sind, welches Verfahren die oben genannten Nachteile
überwindet. Insbesondere wird ein Verfahren benötigt, daß eine
Ätzstoptechnik benutzt, die die Abmessungseigenschaften des
Mikrobeschleunigungsmeßgeräts oder Drucksensors nicht über
Gebühr beeinflußt.
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Ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen Silizium-Membran
gemäß der vorliegenden Erfindung ist gegenüber der
Druckschrift US-A-4,670,969 durch die im Kennzeichnungsteil des
Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gekennzeichnet. Es ist eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur
Herstellung dünner Silizium-Membranen und -balken anzugeben.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, daß
ein solches Verfahren epitaxiales Wachstum und
mikromaschinelle Bearbeitungstechniken benutzt, die Anisotropie und
einen Silizumoxid-Ätzstop verwenden.
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Es ist noch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, daß ein
solches Verfahren zur Herstellung dünner Silizium-Membranen
und -balken geeignet sein soll zur Herstellung eines
Mikrobeschleunigungsmeßgeräts, welches eine mittels dünnen
Silizium-Mikrobrücken aufgehängte Prüfmasse aufweist, oder zur
Herstellung eines Drucksensors, der eine große, dünne
Membran besitzt.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden
diese und andere Aufgaben und Vorteile wie folgt erreicht.
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Es wird ein Verfahren offenbart zur Herstellung dünner,
aufgehängter Membranen oder Schichten aus einkristallinem
Silizium, geeignet zur Verwendung als Mikrobrücken und
Diaphragmen
in Mikrobeschleunigungsmeßgeräten und Drucksensoren.
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Eine Schicht aus Siliziumoxid wird zunächst auf einem
Siliziumsubstrat gebildet und dann gestaltet. In den Bereichen,
in denen die Diaphragmen und Mikrobrücken gewünscht sind,
wird das Siliziumoxid so gestaltet, daß ebene, schmale
Streifen aus Siliziumoxid gebildet werden. Die Balken haben eine
vorbestimmte Dicke oder Höhe. Der Zwischenraum oder Abstand
zwischen benachbarten Siliziumoxid-Streifen ist bevorzugt
kleiner oder gleich dem etwa 1,4-fachen der Dicke des
Siliziumoxid-Streifens, dies ist jedoch nicht wesentlich. Das
darunterliegende Siliziumsubstrat ist in diesen Zwischenräumen
der Siliziumoxidschicht freigelegt, wodurch die
Zwischenräume ein Keimloch für das nachfolgende epitaxiale Wachstum aus
dem Siliziumsubstrat heraus zur Verfügung stellen.
Epitaxiales Silizium wird durch die Keimlöcher gezüchtet und danach
seitlich über die Siliziumoxidstreifen wachsen gelassen, um
eine durchgehende Schicht aus epitaxialem Silizium über den
Siliziumoxidstreifen zu bilden. Die Rückseite des
Siliziumsubstrats, d. h. die Oberfläche, welche der Oberfläche mit
den Siliziumoxidstreifen abgewandt ist, wird dann maskiert,
um das gewünschte Diaphragma- oder Mikrobrückenmuster
darzustellen. Das Silizium wird dann in herkömmlicher Weise von
der Rückseite her geätzt.
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Ein erfinderisches Merkmal dieses Verfahrens besteht darin,
daß die Siliziumoxid-Streifen als Ätzstops fungieren, um ein
weiteres Ätzen des epitaxialen Siliziums zu verhindern,
wodurch die durchgehende Schicht epitaxialen Siliziums
geschützt wird, die über den Siliziumoxid-Streifen liegt.
Zusätzlich wird anisotropes Ätzen des Siliziums innerhalb des
Zwischenraumbereichs automatisch innerhalb des Zwischenraums
auf oder unterhalb des Niveaus der oberen Oberfläche des
Siliziumoxids beendet, wenn die Breite des Zwischenraums
kleiner oder gleich dem etwa 1,4-fachen der Dicke der
Siliziumoxid-Streifen
ist. Das Silizium wird durch das anisotrope
Ätzen beseitigt, das an sich kreuzenden kristallographischen
Ebenen innerhalb des Zwischenraums beendet wird. Wenn die
Breite des Zwischenraums größer als das etwa 1,4-fache der
Dicke der Siliziumoxid-Streifen ist, wird der Ätzprozess
nicht automatisch auf dem Niveau der oberen Oberfläche des
Siliziumoxids beendet und erfordert eine exakte Steuerung,
um nicht die darüberliegende dünne, durchgehende Schicht aus
epitaxialem Silizium anzugreifen.
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Mit diesem Verfahren werden aufgehängte Bereiche aus
einkristallinem Silizium geschaffen. Die aufgehängten Bereiche
sind gekennzeichnet durch eine durchgehende Schicht aus
epitaxialem Silizium, die über den Siliziumoxid-Streifen liegt.
Die aufgehängten Bereiche sind geeignet zur Verwendung als
Mikrobrücken oder Diaphragmen in einem
Mikrobeschleunigungsmeßgerät oder einem Drucksensor.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter
Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es
zeigen
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Figuren 1 bis 7 Querschnittsansichten, welche die
verschiedenen Schritte darstellen,
die an einem bevorzugten
erfindungsgemäßen Verfahren zur Ausbildung
aufgehängter Bereich aus Silizium
beteiligt sind,
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Figuren 8 bis 10 Querschnittsansichten, die ein
alternatives erfindungsgemäßes Verfahren
zur Ausbildung von aufgehängten
Bereichen aus Silizium beschreiben,
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Figuren 11 und 11 eine Querschnittsansicht bzw.
Draufsicht
eines
Mikrobeschleunigungsmeßgeräts mit aufgehängten Bereichen
aus Silizium, welches nach dem
bevorzugten Verfahren der vorliegenden
Erfindung hergestellt wurde.
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Dünne aufgehängte Membranen aus epitaxialem Silizium werden
unter Anwendung der in den Zeichnungen dargestellten
Verfahren hergestellt. Diese dünnen aufgehängten Schichten sind
geeignet, um als Mikrobrücke oder Diaphragma in einem
Mikrobeschleunigungsmeßgerät oder einem Drucksensor verwendet zu
werden.
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Wie in Figur 1 dargestellt, wird zunächst eine Schicht aus
Siliziumoxid auf einem Siliziumsubstrat 10 hergestellt und
dann so ausgestaltet, daß ebene, schmale Streifen 12 in den
Bereichen hergestellt werden, in denen ein Diaphragma oder
eine Mikrobrücke gewünscht sind. Die Siliziumoxid-Streifen
12 haben eine vorbestimmte Dicke oder Höhe. Der Zwischenraum
14 oder Abstand zwischen benachbarten Streifen 12 ist
bevorzugt kleiner oder gleich dem etwa 1,4-fachen der Dicke des
Siliziumoxid-Streifens 12, jedoch ist dies nicht wesentlich.
Das darunterliegende Siliziumsubstrat 10 ist in diesen
Zwischenräumen 14 der Siliziumoxidschicht 12 freigelegt, und
jeder dieser Zwischenräume 14 bildet ein Keimloch für das
folgende epitaxiale Wachstum aus dem Siliziumsubstrat 10
heraus.
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Wie in Figur 2 gezeigt, wird epitaxiales Silizium 16 von dem
darunterliegenden Substrat 10 aus durch die Keimlöcher in
jedem Zwischenraum 14 zwischen den Siliziumoxid-Streifen 12
gezüchtet. Bevorzugt ist das darunterliegende
Siliziumsubstrat 16 ein Einkristall, der längs seiner
kristallographischen < 100> -Ebene orientiert ist, um nachfolgend optimale
Ätz- und Verfahrensergebnisse zu erhalten, obowhl auch
taugliche
Ergebnisse erhalten werden, wenn das darunterliegende
Siliziumsubstrat 10 längs seiner kristallographischen
< 110> -Ebene orientiert ist.
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Wie in Figur 3 gezeigt, wird das epitaxiale Silizium 16
innerhalb des Zwischenraums 14 kontinuierlich seitlich über
die Siliziumoxid-Streifen 12 gezüchtet, um eine Schicht 18
aus epitaxialem Silizium über den Siliziumoxidstreifen 12 zu
bilden. Wie in Figur 4 gezeigt, wird eine durchgehende
Schicht 20 des epitaxialen Siliziums gebildet, indem ein
Andauern des seitlichen Wachstums des epitaxialen Siliziums
bis zu dessen Zusammenschluß zugelassen wird.
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Um die durchgehende Schicht 20 aus epitaxialem Silizium zu
erhalten, wird das epitaxiale einkristalline Silizium vom
darunterliegenden Substrat 10 aus durch das Keimloch bei
jedem Zwischenraum 14 und dann seitlich über die
Siliziumoxidstreifen 12 gezüchtet. Die bevorzugten epitaxialen
Wachstumsbedingungen sind wie folgt eine geeignete Mischung aus
Dichlorsilan und Hydrochlorgasen in einem Wasserstoffträgergas
bei einer Temperatur, die zwischen etwa 900ºC und etwa 950ºC
variieren kann, und ein niedriger Druck, d. h., weniger als
ungefähr 19.998 Pa (150 Torr), entweder in einem Tank oder
in einem scheibenförmigen Epitaxiereaktor. Die bevorzugte
Gasmischung zur Herstellung von epitaxialem Silizium des
N-Typs ist gekennzeichnet durch ein Massenflußverhältnis des
Dichlorsilans zu Hydrochlor zu fließendem Wasserstoff von
etwa 1 zu 3 zu 100; ein typisches Beispiel ist ein
Dichlorsilan-Massenfluß von etwa 0,22 Standardlitern pro Minute
(slm), ein Hydrochlor-Massenfluß von ungefähr 0,59 slm und
Wasserstoff, der mit etwa 60 slm bei einer Temperatur von
etwa 920ºC bis etwa 950ºC fließt. Diese beispielhaften
Verfahrensparameter ergeben eine Wachstumsrate des epitaxialen
Siliziums des N-Typs von etwa 0,1 um pro Minute. Das
epitaxiale Silizium des N-Typs wird bevorzugt, weil es zu den am
den am besten gesteuerten Abmessungen während der
nachfolgenden Bearbeitung und Ätzung des Siliziums führt, jedoch
können andere Dotierspezies in das epitaxiale Silizium mit
zufriedenstellenden Ergebnissen eingebracht werden, wenn dies
gewünscht wird.
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Eine bevorzugte Dicke für das selektiv epitaxial gewachsene
Silizium ist etwa 1 um. Daher werden etwa 10 Minuten bei
diesen Prozeßbedingungen benötigt, um das epitaxiale Silizium
bis zu dieser bevorzugten Dicke innerhalb jedes
Zwischenraumbereichs 14 herzustellen, jedoch ist ein weiteres Aussetzen
unter diesen Prozeßbedingungen erforderlich, um die seitlich
gewachsene durchgehende Schicht 20 aus epitaxialem Silizium
zu bilden, die über dem Siliziumoxid-Streifen 12 liegt. Etwa
5um bis 10um Dicke werden bevorzugt, da eine Membran dieser
Dicke sehr empfindlich für Bewegung in einem
Mikrobeschleunigungsmesser oder Drucksensor sein wird und eine große
Reaktion hierauf ergibt, und doch auch relativ haltbar ist.
Theoretisch kann fast jede Membrandicke mit diesem Verfahren
hergestellt werden.
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Bei durchgehenden epitaxialen Siliziumfilmen 20, die auf
diese Art seitlich gezüchtet werden, erhält man ein
Längenverhältnis von 1:1. Es wird daher bevorzugt, daß die
Siliziumoxidstreifen 12 nicht breiter sind als das doppelte des
gewünschten Längenverhältnisses, so daß das seitlich
gezüchtete eptiaxiale Silizium 18 eine durchgehende Schicht 20
über den Siliziumoxidstreifen 12 bilden kann. Dies setzt
voraus, daß Keimlöcher in den Zwischenräumen 14 des
darunterliegenden Substrats 10 auf jeder Seite des
Siliziumoxidstreifens 12 in den Bereichen vorgesehen sind, wo eine
durchgehende Schicht 20 aus epitaxialem Silizium gewünscht wird.
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Wie in Figur 5 gezeigt, weist die Rückseite des
Siliziumsubstrats 10, d. h., die der Oberfläche mit den Siliziumoxid-
Streifen 12 und dem darüberliegenden epitaxialen Film 20
entgegengesetzte Seite, eine darauf gezüchtete Siliziumoxid-
Schicht 22 auf, die dann in herkömmlicher Weise maskiert und
gestaltet wird, um die Bereich darzustellen, in denen die
nachfolgend hergestellten aufgehängten Schichten aus
epitaxialem Silizium gewünscht werden. Wie in Figur 6 gezeigt,
wird das Siliziumsubstrat 10 in herkömmlicher Weise von der
Rückseite her geätzt, um das Material des Substrats 10 unter
den gewünschten aufgehängten Bereichen zu entfernen.
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Bevorzugt wird eine nasse Ätze wie Kaliumhydroxid (KOH) oder
Ethylendiamin-Pyrocatechin (EDP) zu Anfang benutzt, um das
Siliziumsubstrat 10 zu ätzen, bis die Siliziumoxid-Streifen
12 freigelegt sind, wie in Figur 6 und vergrößert in Figur 7
gezeigt ist. Wie in diesen Figuren gezeigt, ist die Breite
des Zwischenraums 14 zwischen den Siliziumoxidstreifen 12
kleiner als etwa die 1,4-fache Dicke der
Siliziumoxidstreifen 12, wodurch der Ätzvorgang innerhalb des
Zwischenraumbereichs 14 automatisch beendet wird. Ein zweiter Ätzschritt,
der entweder Plasma- oder reaktive Ionen-Ätzverfahren
benutzt, könnte verwendet werden, um die Balken von der
Vorderseite aus zu ätzen, da diese Verfahren zu einem
kontrollierteren Ätzprozess führen als die nasse elektrochemische
Ätzung, jedoch sind diese Verfahren auch sehr viel langsamer
und zeitaufwendiger als das Naß-Ätzverfahren und deshalb
nicht wünschenswert für den ersten Ätzschritt zur Entfernung
des größten Teils des Siliziumsubstrats 10.
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Ein erfinderisches Merkmal dieser Erfindung besteht darin,
daß die Siliziumoxid-Streifen 12 als Ätzstop wirken, um eine
weiteres Ätzen des epitaxialen Siliziums 18 zu verhindern.
Zusätzlich wird, wie oben ausgeführt, das Ätzen des
epitaxialen Siliziums 18 innerhalb der Zwischenräume 14 zwischen den
Siliziumoxid-Streifen 12 automatisch innerhalb des
Zwischenraums 14 beendet, wenn die Breite des Zwischenraums 14
kleiner
ist als die 1,4-fache Dicke des Siliziumoxid-Streifens
12, wie in den Figuren 6 und 7 dargestellt. Dies ist so,
weil das epitaxiale Silizium anisotrop geätzt wird, was
längs der kristallographischen < 111> -Ebene beendet wird,
oder vereinfachend gesagt, das Silizium wird durch das
anisotrope Ätzen längs der kristallographischen Ebenen 24
entfernt, wie in Figur 6 und vergrößert in Figur 7 dargestellt.
Innerhalb des Zwischenraums 14 kreuzen sich diese
kristallographischen Ebenen 24 und verhindern dadurch ein
nachfolgendes Entfernen des epitaxialen Siliziums.
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Aufgehängte Bereiche 30 der durchgehenden Schicht 20 des
epitaxialen einkristallinen Siliziums werden mit diesem
Verfahren hergestellt, wie in Figur 6 gezeigt. Die aufgehängten
Bereiche 30 sind geeignet als dünne Membranen oder Diaphragmen
zur Verwendung in Mikrobeschleunigungsmeßgeräten oder
Drucksensoren.
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Wie in Figur 8 gezeigt, kann, wenn dies für ein
Mikrobeschleunigungsmeßgerät gewünscht wird, ein Zwischenraum 114
zwischen benachbarten Siliziumoxidstreifen 112 größer sein
als die doppelte Dicke der Siliziumoxidstreifen 112. Wenn
dies so ist, kann eine zweite Schicht aus Siliziumoxid 126
über eine epitaxial gewachsene durchgehende Schicht 120
abgelagert werden, bevor das Siliziumsubstrat 110 von der
Rückseite her durch eine maskierende Schicht 122 aus
Siliziumoxid geätzt wird, wie in der Querschnittsdarstellung von
Figur 8 gezeigt. Diese zweite darüberliegende Oxidschicht
126 wirkt als Ätzstop bei der Entfernung des eptiaxialen
Siliziums 120 innerhalb des Zwischenraumbereichs 114, wie in
Figur 9 gezeigt.
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Mit diesem alternativen Verfahren kann dann nachfolgend die
darüberliegende Schicht aus Siliziumoxid 126 entfernt
werden, wie in Figur 10 gezeigt, oder kann verbleiben, was von
den gewünschten endgültigen Eigenschaften der aufgehängten
Membran abhängt. Es wird darauf hingewiesen, daß in Figur 10
aufgehängte Bereiche 128 am Substrat 110 in Bereichen
angebracht sind, die in der speziellen Querschnittsansicht
dieser Darstellung nicht gezeigt sind.
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Mit diesem allgemeinen Verfahren werden aufgehängte Bereiche
aus epitaxialem, einkristallinem Silizium gebildet. Die
aufgehängten Bereiche sind durch eine durchgehende Schicht aus
epitaxialem Silizium gekennzeichent, die über den
Siliziumoxidstreifen liegt. Die aufgehängten Bereiche sind geeignet
zur Verwendung als Diaphragmen oder Mikrobrücken in einem
Mikrobeschleunigungsmeßgerät oder einem Drucksensor.
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Als anschauliches Beispiel, wie die aufgehängten Bereiche
aus epitaxialem Silizium in einem Mikrosensor verwendet
werden können, wird ein Mikrobeschleunigungsmeßgerät mit dünnen
Bereichen aus aufgehängtem Silizium oder mit Mikrobrücken
beschrieben. Diese Erfindung kann auch dazu verwendet werden,
um ein dünnes einkristallines Siliziumdiaphragma in einem
Drucksensor zu bilden. Ein anschauliches Beispiel eines
Mikrobeschleunigungsmeßgeräts 200 mit einer aufgehängten
Prüfmasse in Form der Membran 230, die an einem Substrat 210
durch zwei Paare von Mikrobrücken 220 und 222 angebracht
ist, ist in Figur 11 gezeigt sowie im Querschnitt in Figur
12. Die Mikrobrücken 220 und 222 können mit diesem Verfahren
hergestellt werden.
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Das Mikrobeschleunigungsmeßgerät 200 mißt die Komponenten
der Beschleunigung in der Ebene des Siliziumsubstrats 210.
Bevorzugt weist das Silizium-Mikrobeschleunigungsmeßgerät
200 zwei Paare von Mikrobrücken 220 und 222 auf, die
senkrecht zur Silizium-Prüfmassenmembran 230 angebracht sind.
Um Temperatur- und Materialeinflüsse für eine Reaktion
erster Ordnung des Mikrobeschleunigungsmeßgeräts 200
auszuschließen,
sollten die Mikrobrückenelemente 220 und 222, die
auf entgegengesetzten Seiten der Prüfmassenmembran 230
angebracht sind, aufeinander abgestimmt sein, so daß sie
verschiedene axiale Belastungen während der Beschleunigung
erfahren. Die Trägheitskraft auf die Prüfmassenmembran 230
erzeugt infolge der Beschleunigung in der Ebene des
Substrats 210 die verschiedenen axialen Belastungen an den
entgegengesetzten Mikrobrücken in jedem Paar 220 und 222,
wodurch eine entsprechende Änderung in den in den Balken
gebildeten Piezowiderständen hervorgerufen wird.
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Das Verfahren zur Herstellung dünner einkristalliner
Silizium-Membranen, das hier offenbart wird, bietet mehrere
Vorteile. Die Dicke und Breite einer Membran kann bis zu sehr
kleinen Abmessungen gesteuert werden (wie beispielsweise
sogar kleiner als 1um), und deshalb ist die Empfindlichkeit
jeder daraus hervorgehenden Vorrichtung gesteigert.
Zusätzlich ist die Dicke der Membran einheitlich und vorhersagbar,
da die Dicke durch die kristalline Wachstumsrate bestimmt
wird, d. h. ungefähr 0,1um pro Minute, wodurch die
Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit jeder daraus hervorgehenden
Vorrichtung gesteigert wird. Schließlich besteht mit diesem
Verfahren eine große Flexibilität bezüglich der
Ausführungsparameter eines Beschleunigungsmeßgerätes oder Drucksensors
oder einer anderen Vorrichtung mit einem dünnen
Siliziumbereich, da die Abmessungen der aufgehängten Membranen oder
Mikrobrücken ziemlich einfach vergrößert oder verringert
werden können.
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Obwohl diese Erfindung ein bevorzugtes Verfahren zur
Herstellung aufgehängter Schichten aus epitaxialem Silizium
offenbart, die zur Verwendung in einem
Mikrobeschleunigungsmeßgerät oder einem Drucksensor geeignet sind, ist darauf
hinzuweisen, daß verschiedene Abwandlungen und Änderungen an den
Prozeßparametern, der Verwendung und Konstruktion
vorgenommen
werden können, ohne daß das Erfindungskonzept verlassen
wird, wie beispielsweise durch Variieren des Leitungstyps
des gezüchteten epitaxialen Siliziums und dementsprechend
der Gaszusammensetzung innerhalb des Epitaxie-Reaktors oder
durch Modifizieren der Prozeßparameter und -materialien
innerhalb des Bereichs fachmännischen Könnens. Aus diesem
Grund werden diese Variationen zurecht innerhalb des
Bereichs dieser Erfindung angesiedelt und dementsprechend ist
der Rahmen dieser Erfindung nur durch die nachfolgenden
Ansprüche beschränkt.