DE69713433T2 - Wandler mit piezoresistivem Dehnungsmessstreifen und Herstellungsverfahren dazu - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wandler mit Dehnungsmessstreifen, der den piezoresistiven Effekt benutzt. Sie betrifft ebenso das Herstellungsverfahren für einen solchen Wandler und eine Verwendung als Detektorelement eines Hydrophons.
• Ein Dehnungsmessstreifen ist ein Element eines Wandlers einer mechanischen Größe, bei dem die durch das mechanische Phänomen, dessen Größe man messen will, erzeugte Deformation eine Veränderung seines elektrischen Widerstandes bewirkt. Aus dieser Veränderung des elektrischen Widerstandes schließt man auf den Wert der ausgeübten mechanischen Spannung. Die Halbleiter-Dehnungsmessstreifen, die auf dem piezoresistiven Effekt beruhen, haben aufgrund ihrer deutlich besseren Empfindlichkeit die metallischen Dehnungsmessstreifen ersetzt.
• Gegenwärtig werden die durch Mikrotechnik gefertigten Wandler aus Silicium mehr und mehr verwendet aufgrund ihres niedrigen Preises und ihrer hohen Leistungsdaten. Unter den verschiedenen Wandlertypen sind diejenigen, die eine Detektion auf Basis von Dehnungsmessstreifen aus einkristallinem Silicium verwenden, ohne Zweifel die am weitesten entwickelten, da sie die am besten bekannten sind. Es ist möglich, sie in zwei Kategorien einzuteilen:
• - eine erste Kategorie umfasst die Wandler, deren Dehnungsmessstreifen vom Substrat durch einen p-n-Übergang auf inverse Art isoliert sind und durch Diffusion oder Ionenirnplantation in dem halbleitenden Substrat hergestellt sind,
• - eine zweite Kategorie umfasst die Wandler, deren Dehnungsmessstreifen von dem halbleitenden Substrat, auf welchem er hergestellt ist, durch eine dielektrische Schicht isoliert ist. Das verwendete Substrat kann ein SOI-Substrat (Silicium auf Isolator) vom Typ SIMOX, SDB oder ZMR sein, wobei die dielektrische Schicht aus Siliciumdioxid ist.
• Die Patente US-A-4 456 901, US-A-4 739 298 und US-A-4 510 671 geben die Herstellung von Wandlern dieser zweiten Kategorie bekannt. Das Dokument US-A 4 739 298 gibt einen Druckwandler bekannt, bei dem die Membran und ihr Trägerrahmen aus Silicium hergestellt sind. Die Membran wird überragt von einer dicken Schicht von Glas, die dazu dient, eine anodische Klebung zu bewirken. Der Wandler wird durch einen Zusammenbau von Platten hergestellt. Der Dehnungsmessstreifen ist aus stark p-dotiertem Silicium hergestellt, eine Wahl, die an die Verwendung eines Schritts selektiver chemischer Ätzung gebunden ist.
• Die Wandler der ersten Kategorie haben den Vorteil, billig zu sein, während die der zweiten Kategorie den Vorteil haben, leistungsfähiger und bei höherer Temperatur verwendbar zu sein. In beiden Fällen ist die kristallographische Orientierung des Dehnungsmessstreifens zwingend mit der des Substrats identisch.
• Die Erfinder der vorliegenden Erfindung gelangten zu dem Schluss, dass diese im Übrigen leistungsfähigen Wandler nicht auf optimale Weise hergestellt werden. In der Tat variiert der Koeffizient des Piezowiderstandes entsprechend der Orientierung der Substratebene, entsprechend der Richtung in dieser Ebene und entsprechend dem Dotierungstyp des halbleitenden Materials. Andererseits ist die anisotrope chemische Bearbeitung des Substrats, um die mechanische Struktur des Wandlers herzustellen, ebenfalls von dessen kristallographischer Orientierung abhängig. Es gibt also eine enge gegenseitige Abhängigkeit zwischen dem Trägerelement und dem Detektionselement des Wandlers. Für eine gegebene kristallographische Orientierung des Substrats ist es möglich, eine spezielle Geometrie für die bearbeitete mechanische Struktur und eine spezielle Richtung für die empfindliche Achse des Dehnungsmessstreifens auf dieser Struktur zu erhalten, was aus diesem Umstand die Optimierung des fertigen Bauelements begrenzt.
• Als Literaturstelle für das Verhalten und die Abhängigkeit der Piezoresistivität des Siliciums von seiner Kristallorientierung kann man den Artikel von Y. Kanda mit dem Titel: "A Graphical Representation of the Piezoresistance Coefficients in Silicon", erschienen in IEEE Transactions on Electron Devices, Bd. ED-29, Nr. 1, Januar 1982, nennen. Die anisotrope chemische Ätzung des Siliciums ist beschrieben in dem Artikel: "Anisotropic Etching of Silicon" von K. E. Bean, erschienen in IEEE Transactions on Electron Devices, Bd. ED-25, Nr. 10, Oktober 1978.
• Um der unzureichenden Optimierung des Bauelements nach dem Stand der Technik abzuhelfen, wird nach der vorliegenden Erfindung ein Wandler vorgeschlagen, dessen mechanische Struktur unabhängig von dem Dehnungsmessstreifen gewählt werden kann. Dies erlaubt, die Wirksamkeit des Wandlers zu verbessern. Diese Wirksamkeit kann durch die Wahl der kristallographischen Orientierungen für die Bearbeitung des Dehnungsmessstreifens und der Struktur, die ihm als Träger dient, optimal gemacht werden.
• Die Erfindung hat daher zum Gegenstand einen Wandler mit piezoresistivem Dehnungsmessstreifen, umfassend eine Struktur, die als Träger für mindestens einen aus halbleitendem Material hergestellten Dehnungsmessstreifen dient, wobei die Struktur ein Substrat aus einkristallinem Material umfasst und der Dehnungsmessstreifen durch Verbindungsmittel auf der Struktur derart fixiert ist, dass der genannte Wandler erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Dehnungsmessstreifen auf dem Substrat der Struktur durch lnteratombindungen fixiert ist, wobei der Dehnungsmessstreifen aus halbleitendem Material von frei gewähltem Dotierungstyp und entsprechend einer kristallographischen Ebene ausgeführt ist, die festgelegt ist, um seinen Piezoresistivitätskoeffizienten zu fördern, und das Substrat der Struktur ein entsprechend einer kristallographischen Ebene, die festgelegt ist, um seine Ätzung zu fördern, geätztes Element ist.
• Die Struktur kann aus halbleitendem Material oder aus Quarz sein.
• Vorteilhaft können der Dehnungsmessstreifen und/oder sein Träger bedeckt sein von einer Schicht von Dielektrikum, das so die halbleitenden Teile dieser beiden Elemente voneinander isoliert. Die derart hergestellten Wandler weisen verbesserte Signal/Rausch-Leistungsdaten auf und sind bei hoher Temperatur verwendbar.
• Vorteilhaft sind der Dehnungsmessstreifen und sein Träger aus Silicium. Wenn man in diesem Fall eine Schicht von Dielektrikum verwendet, ist sie aus Siliciumoxid SiO&sub2;.
• Die Erfindung hat auch ein Verfahren zur Herstellung mindestens eines Wandlers mit piezoresistivem Dehnungsmessstreifen zum Gegenstand, umfassend die folgenden Schritte:
• - Ätzen eines ersten Substrats aus halbleitendem Material gegebener Dotierung, um eine Struktur zu bilden, die als Träger für den genannten Dehnungsmessstreifen dient,
• - Herstellen des Dehnungsmessstreifens aus halbleitendem Material,
• - Fixieren des Dehnungsmessstreifens auf der Struktur, um den genannten Wandler zu erhalten,
• dadurch gekennzeichnet, dass:
• - das erste Substrat entsprechend einer kristallographischen Ebene geätzt wird, die festgelegt ist, um seine Ätzung zu fördern,
• - der Dehnungsmessstreifen aus halbleitendem Material von frei gewähltem Dotierungstyp und entsprechend einer kristallographischen Ebene hergestellt wird, die festgelegt ist, um seinen Piezoresistivitätskoeffizienten zu fördern,
• - die Fixierung des Dehnungsmessstreifens auf der Struktur durch Interatombindungen hergestellt wird.
• Nach einer bevorzugten Herstellungsvariante wird der Dehnungsmessstreifen hergestellt aus einem zweiten, eine ebene, in Abhängigkeit von der genannten, für den Dehnungsmessstreifen bestimmten kristallographischen Ebene gewählte Oberfläche aufweisenden Substrat aus einkristallinem halbleitendem Material von frei gewähltem Dotierungstyp, wobei die ebene Oberfläche einer Ionenimplantation unterzogen wird, die im Volumen des zweiten Substrats und auf einer Tiefe nahe der Eindringtiefe der Ionen eine Schicht gasförmiger Mikroblasen erzeugt, die auf der Seite der ebenen Oberfläche eine dünne Schicht begrenzt, die Ionen unter den Ionen von Edelgasen oder von Wasserstoffgas gewählt sind und die Temperatur des zweiten Substrats unterhalb der Temperatur gehalten wird, bei welcher das von den implantierten Ionen erzeugte Gas durch Diffusion von dem zweiten Substrat entweichen kann. Dann wird das zweite Substrat durch Interatombindungen auf der Struktur fixiert, wobei die ebene Oberfläche des zweiten Substrats an dem Teil der Struktur anliegt, der als Träger für den Dehnungsmessstreifen dient. Anschließend wird das zweite Substrat einer Temperatur ausgesetzt, die ausreicht, um durch die Wirkung von Kristallumordnung und Druck der Mikroblasen eine Trennung zwischen der dünnen Schicht und dem Rest des zweiten Substrats zu bewirken. Schließlich wird die dünne Schicht geätzt, um ihr die gewünschte Form zu verleihen.
• Die Erfindung wird besser verstanden werden und andere Details und Besonderheiten werden hervortreten bei der Lektüre der nun folgenden Beschreibung, die als nicht begrenzendes Beispiel gegeben wird. Sie wird begleitet von den beigefügten Zeichnungen, unter denen:
• - die Fig. 1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B, 4 und 5 Strukturen aus einkristallinem halbleitendem Material darstellen, die als Träger für einen Dehnungsmessstreifen gemäß der vorliegenden Erfindung dienen können,
• - die Fig. 6A und 6B Ansichten - von unten bzw. von der Seite im Schnitt - eines Druckwandlers für ein Hydrophon nach der vorliegenden Erfindung sind,
• - die Fig. 7 bis 21 ein Herstellungsverfahren des in den Fig. 6A und 6B dargestellten Druckwandlers nach der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
• In der Folge der Beschreibung wird der Dehnungsmessstreifen aus einem dünnen Film von halbleitendem Material hergestellt, der aus einer oder mehreren Schichten homogener und kontrollierter Dicke besteht und der in innigen Kontakt mit einem Träger gebracht ist, den man in Abhängigkeit von seinen eigenen Eigenschaften bearbeitet. Der dünne Film kann von anderer Natur als der Träger sein und frei auf diesem orientiert sein. Die Befestigung des Dehnungsmessstreifens auf dem Träger kann vorteilhaft erfolgen durch Herstellung eines innigen Kontakts des dünnen Films auf seinem Träger gemäß dem in dem Dokument FR-A-2 681 472 beschriebenen Verfahren. Jedoch liegt es ebenso im Rahmen der vorliegenden Erfindung, andere Methoden zu benutzen, um den Dehnungsmessstreifen (oder gegebenenfalls die Dehnungsmessstreifen) auf seinem (bzw. ihrem) Träger zu befestigen.
• Das Herstellungsverfahrens eines dünnen halbleitenden Films und seine Befestigung auf einem Träger nach dem Dokument FR-A-2 681 472 besteht darin, eine Platte des gewünschten halbleitenden Materials, das eine ebene Oberfläche aufweist, den folgenden Schritten zu unterziehen:
• - einem ersten Schritt der Implantation durch Beschuss der ebenen Oberfläche des genannten Materials mit Ionen, die im Volumen der Platte und in einer Tiefe im Bereich der Eindringtiefe der genannten Ionen eine Schicht von gasförmigen Mikroblasen erzeugen, die die Platte in einen unteren Bereich, der die Masse des Substrats bildet, und einen oberen Bereich, der den dünnen Film bildet, trennt, wobei die Ionen gewählt sind unter den Ionen der Edelgase oder des Wasserstoffgases und die Temperatur der Platte unterhalb der Temperatur gehalten wird, bei welcher das durch die implantierten Ionen erzeugte Gas aus dem Halbleiter durch Diffusion entweichen kann;
• - einem zweiten Schritt der Herstellung eines innigen Kontakts der ebenen Oberfläche der Platte mit einem Träger, der aus wenigstens einer Schicht von steifem Material besteht, wobei dieser innige Kontakt beispielsweise hergestellt werden kann mittels einer Haft-Substanz durch die Wirkung einer vorherigen Präparation der Oberflächen und einer thermischen oder/und elektrostatischen Behandlung, um die Interatombindungen zwischen dem Träger und der Platte zu fördern;
• - einem dritten Schritt der thermischen Behandlung des Ganzen aus Platte und Träger bei einer Temperatur über der Temperatur, bei der die Implantation ausgeführt wurde, und ausreichend, um durch die Wirkung von Kristallumordnung in der Platte und von Mikroblasendruck eine Trennung zwischen dem dünnen Film und der Masse des Substrats zu erzeugen.
• In der Folge dieser Schritte verfügt man über einen Träger, der beispielsweise aus einem Siliciumsubstrat von spezieller Orientierung und Dotierung entsprechend der zukünftigen Anwendung bestehen kann, und über einen aus einem anderen Material bestehenden dünnen Film, der auch aus einkristallinem Silicium sein kann, aber eine Kristallorientierung besitzt, die verschieden sein kann, wobei dieser Film in Abhängigkeit von einer optimalen Verwendung entsprechend einer beliebigen Richtung frei geklebt wurde. Darüber hinaus kann dieser Film von dem Träger durch eine Schicht von isolierendem Material beispielsweise (SiO&sub2;), die auf dem Film oder auf dem Träger oder auf beiden vorhanden ist, getrennt sein.
• In dem Fall, wo der innige Kontakt zwischen dem dünnen Film und dem Träger durch lnteratombindung hergestellt wird, ist ein ergänzender Schritt der thermischen Behandlung bei hoher Temperatur (beispielsweise 2 Stunden bei 1100ºC) erforderlich, um eine endgültige Siegelung sicher zu stellen. Diese Technik, allgemein direkte Siegelung (SDB) genannt, ist in zahlreichen Veröffentlichungen beschrieben, unter welchen man nennen kann: "Silicon-to-silicon direct bonding method", M. Shimbo et al., J. Appl. Phys., Bd. 60 (8), 15. Oktober 1986, und "Ultra-stable, High-temperature Pressure Sensors Using Silicon Fusion Bonding", K. Petersen et al., Sensors and Actuators, A21-A23 (1990), 96- 101.
• Die anisotrope chemische Ätzung des einkristallinen Siliciums, heute laufend für die Herstellung von Mikrostrukturen verwendet, ergibt sich aus einer Differenz der Angriffsgeschwindigkeit zwischen seinen kristallographischen Ebenen. In einer Lösung zur anisotropen Ätzung wie KOH, EDP, TMAH, .... nimmt diese Geschwindigkeit im Allgemeinen in der Reihenfolge (100)> (110)> (111) ab. Die in Silicium hergestellten Hohlräume oder Strukturen werden daher durch Einfassungen begrenzt, die die schnellsten und die langsamsten Angriffsebenen des Kristalls darstellen. Es ist daher sehr interessant, entsprechend der gewünschten geometrischen Endform der Struktur die Kristallorientierung des Substrats frei wählen zu können.
• Als Beispiel zeigen die Fig. 1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B, 4 und 5 verschiedene im Rahmen der vorliegenden Erfindung mögliche Träger.
• In Fig. 1A wurde ein Balken 11 in ein Substrat 12 der Indizes (100) mit einer entsprechend < 110> orientierten Ätzmaske geätzt. In diesem Fall wird, wenn der Balken mit dem einen seiner Enden eingespannt ist, die privilegierte Deformation in z-Richtung erfolgen, wie es Fig. 1 B angibt, wo man besser den Querschnitt des Balkens 11 sieht, der die Form eines symmetrischen Trapezes hat.
• In Fig. 2A wurde ein Balken 21 in ein Substrat 22 der Indizes (100) mit einer entsprechend < 010> orientierten Ätzmaske geätzt. Diesmal wird die privilegierte Achse x sein, aber die seitliche Überätzung wird gleich der geätzten Tiefe sein.
• In Fig. 3A wurde ein Balken 31 in ein Substrat 32 der Indizes (110) mit einer entsprechend < 111> orientierten Ätzmaske geätzt, in diesem Fall ohne seitliche Überätzung. Die empfindliche Deformationsachse des Balkens 31 ist in der gleichen Richtung wie vorher, aber auf einem Substrat 32 verschiedener Orientierung.
• Fig. 4 zeigt die Form eines Hohlraums in einem Substrat 41 der Indizes (100) mit einer gemäß < 110> orientierten Ätzmaske.
• Fig. 5 zeigt die Form eines Hohlraums in einem Substrat 51 der Indizes (110) mit einer gemäß < 111> orientierten Ätzmaske.
• Diese Strukturen, in optimaler Weise unter Berücksichtigung der verlangten mechanischen Anforderungen entworfen und dimensioniert, können als Träger für Detektionselemente oder Dehnungsmessstreifen dienen. Der Vorteil der Erfindung kommt von der Möglichkeit, diese Detektionselemente entsprechend der gewünschten Richtung zu anzuordnen, die in Abhängigkeit der Deformation der Struktur gewählt werden wird, und deren Kristallorientierung und Dotierungstyp ihrerseits auch bestmöglich angepasst sein werden. Diese Elemente werden in dem dünnen Film hergestellt werden, der vor der anisotropen chemischen Ätzung des den Träger bildenden Siliciums angesetzt wird und dessen Orientierung auf dem Träger im Zeitpunkt der Herstellung des Substrats gewählt werden wird.
• Die Siegelung des dünnen Films auf dem Träger wird in vorteilhafter Weise verstärkt durch den Einsatz einer "Wafer bonding" genannten Technik, die eine perfekte Interatombindung garantiert. Dieser Schritt wird nach der Phase der Trennung des dünnen Films von der Silicium platte durch eine geeignete thermische Behandlung, im Allgemeinen 2 Stunden bei ungefähr 1100ºC, ausgeführt. Die Tatsache, dass man über einen dünnen Film verfügt, zeigt dann ihren ganzen Vorteil gegenüber der Standardtechnik des "Wafer bonding", die zwei dicke Siliciumplatten verwendet. Da das Silicium einen anisotropen, d. h. einen entsprechend der Orientierung und Richtung veränderlichen Dilatationskoeffizienten besitzt, werden unter Berücksichtigung der hohen Temperatur bedeutende differentielle Dilatationsspannungen übertragen, wenn die kristallographische Paarung der Platten nicht perfekt ist. Im Fall der vorliegenden Erfindung wird der dünne Film während der dritten Phase, d. h. bei einer Temperatur von der Größenordnung 500ºC, auf den Träger geklebt und aufgrund seiner geringen Dicke wird er sich in Abhängigkeit von der Dilatation des Trägers bei dem Schritt der Hochtemperatur-Wärmebehandlung verformen können, um nach Rückkehr zur Umgebungstemperatur nur wenig oder keine Restspannungen zu übertragen.
• Die Beschreibung wird fortgesetzt mit einem genauen Beispiel, das sich auf die Herstellung eines Druckwandlers für ein Hydrophon bezieht.
• Die Verwendung eines Substrats aus Silicium der Orientierung (100) ist unter wirtschaftlichem und technologischem Gesichtspunkt sehr interessant. In der Tat ist diese Orientierung die meistverwendete in der Mikroelektronik, sie ermöglicht minimale Kosten pro Platte. Andererseits bilden die Richtungen der Ebenen des Angriffs mit langsamer Geschwindigkeit (111) auf der Oberfläche des Substrats untereinander Winkel von 90º, die im Allgemeinen für die Beschreibung mechanischer Strukturen günstig sind. Die in einem derartigen Substrat hergestellten Strukturen werden daher Geometrien haben, die zu mechanischen Spannungen führen, die bevorzugt nach den Richtungen < 110> orientiert sind.
• Wenn man sich auf den Koeffizienten des Piezowiderstandes bezieht, kann man feststellen, dass allein eine Dotierung vom p-Typ den Spannungen in diesen Richtungen angepasst ist. Dies erklärt, weshalb bis heute allein Dehnungsmessstreifen vom p-Typ auf einem Substrat (100) verwendet wurden. Jedoch kann es interessant sein, über Dehnungsmessstreifen vom n-Typ zu verfügen, aus Gründen der Kontaktierung oder des Temperaturverhaltens oder des Absolutwerts des Koeffizienten des Piezowiderstands. In diesem Fall ist die privilegierte Richtung, um einen maximalen Koeffizienten zu erhalten, < 100> , d. h. unter 45º zur Standardrichtung < 110> eines Substrats (100).
• Die vorliegende Erfindung bietet daher den bemerkenswerten Vorteil, die Gewinnung eines dünnen Films von Silicium entsprechend einer beliebigen Orientierung auf einem Substrat zu erlauben, wobei insbesondere, wenn man die Richtung < 100> des dünnen Films zusammen mit der Richtung < 110> des Substrats ausrichtet, beide eine Kristallorientierung (100) besitzen.
• Der gemäß der vorliegenden Erfindung herstellbare Druckwandler für ein Hydrophon wird durch die Fig. 6A und 6B veranschaulicht. Er ist zusammengesetzt aus drei verbundenen Teilen: einer mechanischen Struktur 1 aus halbleitendem Material, die als Träger für vier schematisch unter der Bezeichnung 2 dargestellte Dehnungsmessstreifen dient, wobei die Struktur 1 selbst auf einem Träger 3 montiert ist. Die mechanische Struktur umfasst einen dicken zentralen Höcker 4, der praktisch nicht deformierbar ist und durch Balken 6, deren Anzahl hier 2 ist, die aber zahlreicher sein können, mit einem Rahmen 5 verbunden ist. Die Dicke und die Länge der Balken werden bestmöglich in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung eingestellt, was im Aufgabenbereich des Fachmanns liegt. Die verbleibende Oberfläche zwischen dem Höcker 4 und dem Rahmen 5 besteht aus einer dünnen Membran 7, deren einzige Aufgabe es ist, die Dichtigkeit zwischen der Oberseite (oder Vorderseite) und Unterseite (oder Rückseite) des Sensors, wie sie in Fig. 6B zu sehen sind, sicher zu stellen. In einem Siliciumsubstrat der Orientierung (100) ausgebildet, finden sich die Balken 6 natürlich entsprechend der Richtung < 110> orientiert. Die Unterseite der Struktur weist eine zentrale Vertiefung 8 auf, um das korrekte Ausfedern des Höckers 4 zu gestatten. Der Träger 3, beispielsweise aus Glas vom Pyrex®-Typ, ist an der Struktur 1 fixiert. Er besitzt ein zentrales Loch 9, das auf den Höcker 4 ausgerichtet ist.
• Für eine Hydrophon-Anwendung ist es nötig, die kontinuierliche Komponente des Druckes zu entfernen. Dazu muss man eine Verbindung zwischen der oberen und unteren Fläche der Struktur 1 vorsehen. Die Geometrie dieser Verbindung, die den Belastungsverlust bei der Verwendung bestimmt, kann vom Fachmann in Abhängigkeit von dem Fluid, welches das Hydrophon anfüllen soll, und den gewünschten Eigenschaften, insbesondere dem unteren Übertragungsbereich, berechnet werden. Für eine Standardverwendung ist die vorteilhafte untere Beschneidungsfrequenz von der Größenordnung 1 Hz, was zu einem Kanal 10 von ungefähr 50 um mittlerer Breite für eine Länge von 400 um führt. Es ist sehr leicht, durch anisotrope chemische Ätzung des Siliciums eine Dreiecksform mit einer guten Dimensionskontrolle zu erhalten, dank der Blockierung des Angriffs, wenn die langsamen Angriffsebenen sich treffen.
• Unter der Wirkung einer Druckdifferenz zwischen den beiden Oberflächen wird sich die Struktur 1 mittels der Balken 6 verformen, wobei der dicke zentrale Höcker praktisch eben bleibt. Da die Balken 6 starr an den Enden eingespannt sind, werden die maximalen induzierten Spannungen daher nahe diesen Einspannungen lokalisiert sein. In diesen Zonen sind die Dehnungsmessstreifen 2 in der Richtung des Balkens (< 110> für das Substrat) angeordnet, aber wenn sie vom n-Typ sind, besitzen sie eine eigene Richtung < 100> .
• Es werden nun die verschiedenen Schritte eines Herstellungsverfahrens für einen derartigen Wandler beschrieben. Diese Herstellung erfolgt auf kollektive Weise, obwohl die folgenden Figuren sich nur auf die Herstellung eines einzigen Wandlers beziehen.
• Das Verfahren beginnt mit der Herstellung der Struktur 1 in Übereinstimmung mit der Lehre des Dokuments FR-A-2 681 472. Dazu ist es nötig, auf zwei Substraten zu arbeiten: einem ersten Substrat, das die mechanische Struktur des Druckwandlers bildet, und einem zweiten Substrat, das die Dehnungsmessstreifen liefert.
• Fig. 7 veranschaulicht das erste Substrat. Dieses erste Substrat, das die Bezeichnung 100 trägt, ist aus einkristallinem Silicium der Orientierung (100). Es weist eine Oberseite 101 und eine Unterseite 102 auf, die poliert sind, und besitzt eine gegebene Dicke, beispielsweise 450 um. Es wird, wenigstens auf einer der oberen und der unteren Seite, mit einer Schicht von thermischem Oxid oder von einer anderen Verbindung bedeckt. So ist die Fläche 101 mit einer durch Abscheidung oder Aufwachsung von Oxid erhaltenen Schicht von Oxid SiO&sub2; 103 bedeckt, die ungefähr 0,5 um Dicke und eine freie Fläche 104 hat.
• Fig. 8 veranschaulicht das zweite Substrat. Dieses zweite Substrat, das die Bezeichnung 200 trägt, ist aus einkristallinem Silicium der Orientierung (100) und hat den ersten Schritt (Schritt der Ionenimplantation) des in dem Dokument FR-A-2 681 472 beschriebenen und weiter oben zusammengefassten Verfahrens durchlaufen. Als Folge dieses Schritts der Ionenimplantation begrenzt eine Schicht von gasförmigen Mikroblasen 201 im Volumen des Substrats 200 einen dünnen Film 202 gegenüber dem Rest 203 des Substrats. Die Dicke dieses dünnen Films ist ungefähr 0,2 um.
• Nach geeigneter Behandlung der Flächen 104 und 204 der Substrate 100 und 200 für direkte Siegelung werden diese Seiten entsprechend dem zweiten Schritt des in dem Dokument FR-A 2 681 472 beschriebenen Verfahren in Kontakt gebracht, wobei man, wenn man n-Dehnungsmessstreifen gebraucht, dafür Sorge trägt, die Richtungen < 110> der beiden Substrate entsprechend einem Winkel von 45º auszurichten.
• Der dritte Schritt dieses Verfahrens erlaubt, den dünnen Film 202 von dem Substrat 200 zu trennen, wenn man ihn dabei auf die Fläche 104 der Oxidschicht des Substrats 100 klebt. Wenn der Rest 203 des Substrats 200 abgezogen wird, erhält man die in Fig. 9 dargestellte Struktur. Eine ergänzende Behandlung dieser Struktur bei 1100ºC während ungefähr 2 Stunden garantiert eine dauernde Verbindung zwischen dem dünnen Film 202 und dem Substrat 100, das mit seiner Oxidschicht 103 bedeckt ist. Falls erforderlich, kann auf diese thermische Behandlung eine Operation des Polierens und der n-Typ-Dotierung (durch Ionenimplantation oder Diffusion) des dünnen Siliciumfilms folgen. In der Tat ist die thermische Behandlung imstande, die anfängliche Dotierung des Dehnungsmessstreifens zu modifizieren.
• Die Fig. 10 bis 14 erläutern die Gewinnung der Dehnungsmessstreifen. Der Klarheit halber wurde nur der Teil der Struktur dargestellt, der den in Fig. 6B am weitesten links gelegenen Dehnungsmessstreifen umfasst.
• Die Dehnungsmessstreifen werden in den dünnen Siliciumfilm (den Film 202 der Fig. 9) durch in der Mikroelektronik verwendete konventionelle Techniken der Photolithographie geätzt. Vier Dehnungsmessstreifen werden die Herstellung einer wheatstoneschen Brücke erlauben. Die Abscheidung eines lichtempfindlichen Harzes und danach seine Isolierung durch eine Maske hindurch, die die gewünschte Geometrie definiert, gefolgt von einer Ätzung des dünnen Siliciumfilms (vorteilhaft eine reaktive Ionenätzung mittels eines fluorhaltigen Gases, beispielsweise SF&sub6;) liefern an den gewünschten Stellen die Dehnungsmessstreifen. Fig. 10 zeigt einen dieser Dehnungsmessstreifen 2.
• Eine Passivierungsschicht 105, beispielsweise aus SiO&sub2; oder aus Si&sub3;N&sub4;, von ungefähr 0,3 um Dicke wird anschließend auf dem Substrat 100 neben dem Dehnungsmessstreifen durch eine Technik der plasmaunterstützten Gaszersetzung (PECVD) abgeschieden. Für eine Kontaktierung werden auf der Höhe der Enden der Dehnungsmessstreifen 2 in die Schicht 105 Öffnungen eingearbeitet, wiederum mittels einer photolithographischen Ätzung (siehe Fig. 11).
• Eine angepasste Metallisierung wird auf der Schicht 105 abgeschieden und geätzt, um die Dehnungsmessstreifen brückenförmig zu verbinden. Es kann sich um eine Kombination Ti/TiN/Al handeln, abgeschieden durch Kathodenzerstäubung. Die Ätzung der metallischen Schichten kann ausgeführt werden durch Angriff in geeigneten chemischen Lösungen. Man erhält so elektrische Leiter 106 (siehe Fig. 12).
• Die Fläche 102 des Substrats 100 wird durch photolithographische Ätzung auf einer der Membran 7 und dem zentralen Höcker 4 entsprechenden Oberfläche behandelt, um die Vertiefung 8 herzustellen. Die Ätzung kann eine reaktive Ionenätzung sein, ausgeführt auf eine Tiefe von 2 bis 3 um (siehe Fig. 13).
• Man scheidet anschließend auf jeder Hauptoberfläche der erhaltenen Struktur eine Schutzschicht 107, 108 ab (siehe Fig. 14). Die Schichten 107, 108 sind vorteilhaft aus Si&sub3;N&sub4; und können eine Dicke von ungefähr 0,5 um haben. Die Technik der Abscheidung kann eine PECVD-Technik sein.
• Die Schutzschicht 108 wird anschließend durch photolithographische Ätzung in zwei Schritten auf ungefähr die Hälfte ihrer Dicke entsprechend den verschiedenen Geometrien maskiert und geätzt. Das erhaltene Ergebnis ist durch Fig. 15 veranschaulicht, die die Gesamtheit der Struktur zeigt. Die unter der Schutzschicht 107 gelegene Gesamtheit der Schichten der Vorderseite der Struktur, bezeichnet 103, 2, 105 und 106 in Fig. 14, ist der Einfachheit halber durch eine nicht detaillierte Schicht 109 dargestellt.
• Die Rückseite der Struktur (den Dehnungsmessstreifen entgegengesetzte Seite) erhält dann eine erste anisotrope chemische Ätzung des durch die Ätzung der Schutzschicht 108 freigelegten Siliciums. Diese Ätzung des Siliciums kann mit einer heißen basischen Lösung erfolgen, beispielsweise einer Lösung von KOH oder Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) bei ungefähr 80ºC. Die Tiefe der Ätzung wird in Abhängigkeit von der für die fertige Struktur gewünschten Steifigkeit bestimmt. Beispielsweise kann für einen Balken der Enddicke 150 um und für eine Membran der Dicke 20 um die bei dieser ersten chemischen Ätzung des Siliciums ausgeführte Ätztiefe 170 um sein. Das erhaltene Ergebnis wird durch Fig. 16 veranschaulicht.
• Anschließend wird eine Photolithographie der Schutzschicht 107, die die Vorderseite der Struktur bedeckt, ausgeführt, um die Geometrie der Elemente der Balken und des zentralen Höckers zu definieren. Sie wird gefolgt von einer reaktiven Ionenätzung der Schutzschicht 107 und der mit 109 bezeichneten Gesamtheit an den nicht geschützten Stellen. Das erhaltene Ergebnis wird durch die Fig. 17 veranschaulicht.
• Dann wird eine zweite anisotrope chemische Ätzung des Siliciums vorgenommen, diesmal mit doppelseitigem Angriff, wobei die Dicke, die ausgehend von jeder Fläche zu ätzen bleibt, 130 um ist, um eine Membrandicke von 20 um zu erhalten. Da die Herstellung des Kanals 10 vorgesehen ist (siehe die Fig. 6A und 6B), wird diese zweite Ätzung in dem Augenblick beendet, wenn man jede Fläche auf eine Tiefe von 80 um geätzt hat, falls die für den Kanal vorgesehene Tiefe 50 um beträgt. Das erhaltene Ergebnis wird durch Fig. 18 veranschaulicht. Die Balken sind in dieser Figur und den folgenden nicht sichtbar. Der diesen Figuren entsprechende Schnitt wurde gewählt, um die Ätzung der Vorderseite zu zeigen.
• Die Begrenzung dieses Kanals wird in diesem Zeitpunkt auf der Rückseite des Rahmens (bezeichnet 5 in den Fig. 6A und 6B) durch eine Ätzung der bereits teilweise geätzten Schutzschicht 108 ausgeführt. Diese Operation erfolgt ohne Maskierung, indem man die Schutzschicht 108 der Rückseite bis zum Verschwinden der gewünschten Zonen angreift, d. h. auf ungefähr die Hälfte der Dicke dieser Schicht. Das erhaltene Ergebnis wird durch Fig. 19 veranschaulicht.
• Eine dritte anisotrope Ätzung des Siliciums wird schließlich auf eine Tiefe von 50 um ausgehend von jeder Oberfläche vorgenommen, um zu dem in Fig. 20 gezeigten Ergebnis zu führen. Man verfügt daher über eine mechanische Struktur aus Silicium, die aus einem zentralen Höcker 4 von ungefähr 450 um Dicke besteht, gehalten auf einem Rahmen 5 von gleicher Dicke durch Balken von 150 um Höhe und eine Membran 7 von 20 um Dicke. Das gewonnene Ergebnis wird durch Fig. 20 veranschaulicht, auf welcher die Balken nicht erscheinen.
• Nach Abnahme der verbliebenen Teile der Schutzschichten 107 und 108 durch reaktive Ionenätzung wird die Struktur auf den mit dem Loch 9 versehenen Träger 3 gesiegelt, indem man dieses Loch auf den zentralen Höcker 4 hin ausrichtet. Wenn der Träger 3 aus Glas vom Pyrex®-Typ ist, kann die Siegelung vom anodischen Typ sein, d. h. ausgeführt bei einer Temperatur von ungefähr 400ºC in Gegenwart eines elektrischen Feldes, wie es beschrieben ist in dem Artikel "Field Assisted Glass-Metal Sealing" von G. Wallis und D.I. Pomerants, erschienen in der Zeitschrift Journal of Applied Physics, Bd. 40, Nr. 10, September 1969. Das erhaltene Ergebnis wird durch Fig. 21 veranschaulicht.
• Der abschließende Schritt besteht im individuellen Zuschneiden der Wandler, da ihre Herstellung gemeinsam erfolgte. Das Zuschneiden erfolgt auf der Höhe des Kanals, um die Bindung zwischen dem Innern des Hohlraums (Rückseite) und der Umgebung der Vorderseite zu erlauben. Sie liefert individualisierte Wandler, bei denen man die Struktur 1 wiederfindet, die als Träger für die Dehnungsmessstreifen dient.

Claims (13)

1. Wandler mit piezoresistivem Dehnungsmessstreifen, umfassend eine Struktur (1), die als Träger für mindestens einen aus halbleitendem Material hergestellten Dehnungsmessstreifen (2) dient, wobei die Struktur (1) ein Substrat (100) aus einkristallinem Material umfasst und der Dehnungsmessstreifen (2) durch Verbindungsmittel auf der Struktur (1) derart fixiert ist, dass der genannte Wandler erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Dehnungsmessstreifen (2) auf dem Substrat (100) der Struktur durch Interatombindungen fixiert ist, wobei der Dehnungsmessstreifen aus halbleitendem Material von frei gewähltem Dotierungstyp und entsprechend einer kristallographischen Ebene ausgeführt ist, die festgelegt ist um seinen Piezoresistivitätskoeffizienten zu fördern, und das Substrat (100) der Struktur ein entsprechend einer kristallographischen Ebene, die festgelegt ist um seine Ätzung zu fördern, geätztes Element ist.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (100) aus halbleitendem Material gegebener Dotierung ist.

3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (100) aus Quarz ist.

4. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dehnungsmessstreifen (2) aus Silicium ist.

5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine von dem Substrat (100) und/oder von dem Dehnungsmessstreifen (2) getragene Schicht von Dielektrikum (103) den Dehnungsmessstreifen (2) von der den Träger bildenden Struktur (1) trennt.

6. Wandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (100) und der Dehnungsmessstreifen (2) aus Silicium sind.

7. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierung des Dehnungsmessstreifens (2) auf der Struktur (1) entsprechend einer Orientierung ausgeführt ist, die in Abhängigkeit von der Deformation, welche die Struktur (1) bei der Orientierung des Wandlers erfährt, gewählt ist.

8. Verfahren zur Herstellung mindestens eines Wandlers mit piezoresistivem Dehnungsmessstreifen, umfassend die folgenden Schritte:

- Ätzen eines ersten Substrats (100) aus halbleitendem Material gegebener Dotierung um eine Struktur (1) zu bilden, die als Träger für den genannten Dehnungsmessstreifen (2) dient,

- Herstellen des Dehnungsmessstreifens (2) aus halbleitendem Material,

- Fixieren des Dehnungsmessstreifens (2) auf der Struktur (1) um den genannten Wandler zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, dass:

- das erste Substrat (100) entsprechend einer kristallographischen Ebene geätzt wird, die festgelegt ist um seine Ätzung zu fördern,

- der Dehnungsmessstreifen (2) aus halbleitendem Material von frei gewähltem Dotierungstyp und entsprechend einer kristallographischen Ebene hergestellt wird, die festgelegt ist um seinen Piezoresistivitätskoeffizienten zu fördern,

- die Fixierung des Dehnungsmessstreifens (2) auf der Struktur (1) durch Interatombindungen hergestellt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstreifen (2) aus einem zweiten, eine ebene, in Abhängigkeit von der genannten, für den Messstreifen bestimmten kristallographischen Ebene gewählte Oberfläche (204) aufweisenden Substrat (200) aus einkristallinem halbleitendem Material von frei gewähltem Dotierungstyp hergestellt wird, wobei die ebene Oberfläche (204) einer Ionenimplantation unterzogen wird, die im Volumen des zweiten Substrats (200) und auf einer Tiefe nahe der Eindringtiefe der Ionen eine Schicht gasförmiger Mikroblasen (201) erzeugt, die auf der Seite der ebenen Oberfläche (204) eine dünne Schicht (202) begrenzt, die Ionen unter den Ionen von Edelgasen oder von Wasserstoffgas gewählt sind und die Temperatur des zweiten Substrats (200) unterhalb der Temperatur gehalten wird, bei welcher das von den implantierten Ionen erzeugte Gas durch Diffusion von dem zweiten Substrat entweichen kann, dass dann das zweite Substrat durch lnteratombindungen auf der Struktur fixiert wird, wobei die ebene Oberfläche des zweiten Substrats an dem Teil der Struktur anliegt, der als Träger für den Dehnungsmessstreifen (2) dient, dass anschließend das zweite Substrat (200) einer Temperatur ausgesetzt wird, die ausreicht um durch die Wirkung von Kristallumordnung und Druck der Mikroblasen eine Trennung zwischen der dünnen Schicht (202) und dem Rest (203) des zweiten Substrats zu bewirken, und dass schließlich die dünne Schicht (202) geätzt wird um ihr die gewünschte Form zu verleihen.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass es einen vorhergehenden Schritt der Herstellung einer Schicht von Dielektrikum (103) auf dem ersten Substrat (100) und/oder auf dem Dehnungsmessstreifen umfasst, wobei diese Schicht von Dielektrikumg dazu bestimmt ist, die genannte Struktur bei ihrer Fixierung von dem Dehnungsmessstreifen zu isolieren.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das halbleitende Material, das verwendet wird, um einen Dehnungsmessstreifen (2) und seinen Träger (1) herzustellen, einkristallines Silicium ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wenn dieser mit Anspruch 10 verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht von Dielektrikum aus Siliciumdioxid ist.

13. Verwendung des Wandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder hergestellt nach einem der Ansprüche 8 bis 12 als Detektorelement eines Hydrophons.