JPH06349806A - センサを製造する方法およびセンサ - Google Patents

センサを製造する方法およびセンサ

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JPH06349806A
JPH06349806A JP6094545A JP9454594A JPH06349806A JP H06349806 A JPH06349806 A JP H06349806A JP 6094545 A JP6094545 A JP 6094545A JP 9454594 A JP9454594 A JP 9454594A JP H06349806 A JPH06349806 A JP H06349806A
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silicon
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ベンツ ゲルハルト
Jiri Marek
マレク イリ
Frank Bantien
バンティーン フランク
Horst Muenzel
ミュンツェル ホルスト
Franz Laermer
レルマー フランツ
Michael Offenberg
オッフェンベルク ミヒャエル
Andrea Schilp
シルプ アンドレア
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 製造プロセスにおけるエッチング工程を一層
正確に制御し、高い寸法精度を得る。 【構成】 層プレート５を形成し、この場合、単結晶シ
リコンから成る上側の層１と下側の層２との間にエッチ
ング層３を配置し、エッチング層３にまで達する溝４を
加工成形することによって上側の層１に所定の構造を形
成し、該構造の少なくとも一部の下側に位置するエッチ
ング層３を除去する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、単結晶シリコンから成
る複数の層を備えたプレートに溝をエッチングすること
によってセンサ、特に加速度センサを製造する方法に関
する。
【０００２】さらに本発明は、単結晶シリコンから成る
運動可能なセンサエレメントを備えたセンサであって、
センサエレメントが、単結晶シリコンから成るプレート
状の基板に固定されている形式のものに関する。
【０００３】
【従来の技術】ドイツ連邦共和国特許第４０００９０３
号明細書に基づき、加速度センサを製造する方法は既に
公知である。このような方法においては、エッチング溝
が単結晶シリコンから成る２層のプレートに加工成形さ
れる。これらの溝によって、上側の層から成る、支承部
に懸吊されたたわみ舌片と対向電極とを有する加速度セ
ンサが構造化される。たわみ舌片と対向電極とは共に、
プレート状の基板を形成する第２の層に固定される。ｐ
ｎ接合によって、たわみ舌片と対向電極とは、このプレ
ート状の基板に対して絶縁される。たわみ舌片の下側に
位置するプレート状の基板をエッチングすることによっ
て、たわみ舌片の運動性が得られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、冒頭
で述べた形式のセンサを製造する方法を改良して、製造
プロセスにおけるエッチング工程を一層正確に制御し、
センサの寸法精度を高くすることである。
【０００５】さらに本発明の課題は、冒頭で述べた形式
のセンサを改良して、個々の構成部分が互いに良好に絶
縁され、しかも特に簡単な測定構造を有するようなセン
サを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明の方法では、層プレートを形成し、この場合、
単結晶シリコンから成る上側の層と下側の層との間にエ
ッチング層を配置し、エッチング層にまで達する溝を加
工成形することによって上側の層に所定の構造を形成
し、該構造の少なくとも一部の下側に位置するエッチン
グ層を除去するようにした。
【０００７】さらに上記課題を解決するために本発明の
構成では、運動可能なセンサエレメントと基板との間
に、特に酸化ケイ素または窒化ケイ素から成る絶縁性の
層が配置されているようにした。
【０００８】
【発明の効果】本発明による方法は次のような利点を有
する。すなわち、両シリコンプレートの間のエッチング
層を使用することによって、エッチング工程が特に正確
に制御されるような製造プロセスが得られる。エッチン
グ工程の良好な制御可能性によって、プロセスが簡単か
つ問題なく行われるとともに、センサの製造時における
高い寸法精度が得られる。さらに、本発明によるセンサ
により、個々のセンサ構成部分の互いに良好な絶縁が得
られ、たわみ舌片と対向電極との間の容量を測定するた
めの特に簡単な測定構造が使用できる。
【０００９】本発明の有利な手段によれば、エッチング
層のために絶縁性の材料を使用することにより、このよ
うな層を、センサ構成部分を絶縁するために利用するこ
とができる。さらに、絶縁性の材料を、シリコンに対し
て特に選択性良好にエッチングすることができる。溝ま
たは拡散区域を加工成形することによって個々の領域は
特に良好に、しかも簡単な手段で互いに絶縁される。こ
の層プレートの製造は僅かな装置上の手間で、２つのシ
リコンプレートを結合することにより行われる。異種原
子を埋め込むことにより、層プレートの製造が唯１つの
シリコンプレートを使用するだけで行われる。構造のサ
イドエッチング(Unteraetzung)が溝を通して行われる
と、層プレートに必要とされる加工は一方の側だけです
む。下側のシリコン層に形成されたエッチング開口を通
してエッチング層をエッチングすると、上面に構造を配
置することができる。このような構造は、上面からエッ
チングすると損傷を受けることがある。
【００１０】
【実施例】次に本発明の実施例を図面につき詳しく説明
する。
【００１１】図１および図２には層プレート５のための
製造方法が示されている。図１に示されているように、
異種原子がシリコンプレート２３に埋め込まれる。異種
原子の埋め込み(Implantation)は、矢印により示したよ
うに、加速された異種原子の噴射により行われる。この
異種原子噴射のエネルギに関連して、シリコンプレート
２３には異種原子層２４が形成される。このような埋め
込みプロセスのためには、例えば酸素が適している。こ
の酸素は、２００ｋｅＶのエネルギで、シリコンプレー
ト２３に埋め込まれる。熱処理プロセスによって、異種
原子とシリコンプレート２３のシリコンとの反応が助長
される。埋め込まれた異種原子層２４とシリコンとの反
応によって、図２に示したようなエッチング層３が形成
される。酸素が埋め込まれると、例えば１２００°Ｃを
超える、数時間にわたる熱処理によって酸化ケイ素層が
形成される。このような酸化ケイ素層は、エッチング層
３として適しており、単結晶の２つのシリコン層１，２
の間に埋め込まれている。このように構成された層プレ
ート５は例えば図２に示されている。両シリコン層１，
２は単結晶シリコンから成っており、これら両シリコン
層の間には、酸化ケイ素から成るエッチング層３が配置
されている。シリコン層２はシリコンプレート２３の残
りの厚さによって形成されており、両層つまりシリコン
層１およびエッチング層３と対比して特に厚い。酸素を
シリコンウェハーに埋め込むことによって形成されたシ
リコン層１およびエッチング層３のための典型的な層厚
さは、１マイクロメータより小さい寸法にある。シリコ
ン層１の厚さはエピタキシャル成長プロセスにより増大
することができる。
【００１２】図３〜図５には、層プレート５の別の製造
方法が示されている。この製造方法は、図３に示したよ
うに、２つのシリコンプレート２０，２１から出発す
る。これらの両シリコンプレート２０，２１は、ボンデ
ィングプロセスにより互いに結合される。このようなボ
ンディングプロセスは、２つのシリコンプレートの平滑
な両表面が、場合によっては結合面の化学的な前処理を
行ったのちに互いに上下に重ねられ、次いで、熱処理に
よって解離不能に互いに結合されることにある。シリコ
ンウェハーの結合面は、シリコンからは成っていない補
助層を備えていてもよい。適当な補助層は、例えば酸化
ケイ素、窒化ケイ素またはガラスから成っている。これ
らの補助層は一方の結合面にのみ設けられても、両結合
面に設けられてもよい。図３においては、シリコンプレ
ート２１は酸化ケイ素層２２を備えている。両シリコン
プレート２０，２１は、図３で矢印によって示したよう
に互いに上下に重ねられる。熱処理プロセス、例えば４
００°Ｃを超える、数時間にわたる熱処理によって、図
４に示したように、シリコンプレート２０，２１は互い
に結合される。これら両シリコンプレート２０，２１
は、酸化ケイ素層２２によって互いに固く結合される。
次いで後加工によって、図４に示したプレートの積み重
ねから層プレート５が形成される。このような層プレー
ト５は、図５に示されている。層プレート５の上側のシ
リコンプレート１の厚さを規定して調節するために、こ
のような後加工プロセス時に、上側のシリコンプレート
２０の厚さが減じられる。このシリコンプレート２０の
厚さを減じることは、機械的な表面加工によって行われ
る。この場合、まず研削によって厚さの大部分を除去
し、次いで研磨プロセスによって、場合によっては化学
的な研磨プロセスによっても、上側のシリコン層１の厚
さおよび表面品質が調節される。さらに、シリコンプレ
ート２０の厚さ減小は、化学的なエッチング方法によっ
て行なうこともできる。シリコン層１の厚さは、シリコ
ンプレート２０を予めドーピングすることによって調節
することもできる。この場合、例えばエッチングストッ
プ層がシリコンプレート２０に加工成形される。
【００１３】層プレート５を埋め込みにより製造する場
合には、唯１つのシリコンプレートしか加工されない。
したがってこの方法は、僅かな出発材料しか必要としな
い。例えば酸素のような異種原子を埋め込むための適当
な装置は、通常の半導体製造においては使用されず、し
たがって、このプロセスのために特別に調達されなけれ
ばならない。ボンディングプロセスによって互いに結合
された２つのシリコンプレートを使用すると、埋め込み
のためのこのような装置は不要となるが、しかし２つの
シリコンプレートを使用しなければならない。
【００１４】図６には、エッチング層３と溝４もしくは
絶縁分散部１４とによって互いに絶縁された領域１０，
１１，１２に分割された層プレート５が示されている。
酸化ケイ素から成るエッチング層３によって、上側のシ
リコン層１は下側のシリコン層２に対して絶縁されてい
る。例えばバイポーラ技術に基づき公知のように、１つ
または複数の溝４または絶縁分散部１４を加工成形する
ことにより、上側のシリコン層１を互いに絶縁された個
々の領域１０，１１，１２に分割することができる。こ
のような形式の絶縁は、個々の構成部分が特に良好に互
いに絶縁されているようなセンサの製造を可能にする。
【００１５】図７には、本発明によるセンサの製造方法
が示されており、図８および図９には、本発明による製
造方法により製造されたセンサの第１実施例が示されて
いる。上側のシリコン層１と下側のシリコン層２と、こ
れらのシリコン層の間に設けられた酸化ケイ素から成る
エッチング層３とから形成された層プレート５が示され
ている。上側のシリコン層１には溝４が加工成形されて
おり、この溝はエッチング層３にまで延びている。図８
には加速度センサの横断面図が示されている。この加速
度センサは図７に示した層プレート５から製造されてい
る。この加速度センサは、支承部３２に固定されたたわ
み舌片３０を有している。この支承部３２は、絶縁性の
層３４を介して基板３３に固定されている。さらに、こ
の加速度センサはフレーム３５を有している。このフレ
ームは、溝４によって支承部３２とたわみ舌片３０とか
ら分離されている。フレーム３５は、やはり絶縁性の層
３４によって基板３３に固定されている。図９には、図
８に示された加速度センサが上から見た状態で示されて
いる。Ｉ−Ｉ線は、図８に相当する加速度センサの横断
面を示している。この図９からは、支承部３２とこの支
承部に懸吊されたたわみ舌片３０との他に、さらに２つ
の対向電極３１が設けられているのが判る。これらの対
向電極は、たわみ舌片３０の両側に配置され、やはり絶
縁性の層３４（図示せず）を介して、基板３３に固定さ
れている。さらにこの図９からは、溝４のジオメトリッ
クな形状が判る。すなわち、この溝は上側のシリコン層
１に加工成形され、これにより、フレーム３５と支承部
３２とたわみ舌片３０と対向電極３１とを上側のシリコ
ン層１から形成している。
【００１６】この加速度センサを製造するための製造工
程は、図７および図８で特に明らかに示されている。ま
ず、図７に示されているように、図２または図５に示し
た層プレートに溝４が加工成形される。これらの溝４に
よって、支承部３２とたわみ舌片３０と対向電極３１と
フレーム３５とが上側のシリコン層１から構造化され
る。これらの溝は酸化ケイ素層３にまで延びているの
で、これら個々のセンサ構成部分は電気的に互いに絶縁
されている。さらに続くエッチング工程では、たわみ舌
片３０の下側に位置する酸化ケイ素層が取り除かれる。
図８から判るように、このようなエッチング工程では、
酸化ケイ素層３から、個々の絶縁性の層３４が支承部３
２の下側またはフレーム３５の下側に形成される。対向
電極３１はやはり絶縁性の層によって基板３３に固定さ
れる。たわみ舌片３０が基板３３の表面に対して平行な
軸線において最も小さなたわみ剛性を有するように、こ
のたわみ舌片３０は構成されている。したがってこのた
わみ舌片３０は、図９で矢印によって示された軸線にお
ける加速度によって特に容易に曲げられる。このような
曲げはたわみ舌片３０と対向電極３１との間の電気的な
容量の変化に関連している。したがって、このたわみ舌
片３０と対向電極３１との間の容量を測定することによ
り、加速度を測定することができる。溝４のエッチング
加工は、できる限り直角な縁部を形成するエッチングプ
ロセスによって行われる。このことは、例えば反応性の
イオンエッチングのような、例えば異方性のプラズマエ
ッチングプロセスによって行うことができる。これとは
別に、例えばＫＯＨ水溶液のような液状エッチング溶液
に対するシリコンの異方性のエッチング特性を利用する
ことも可能である。例えばシリコンプレートに、１１０
−表面配向によって直角の壁をエッチング加工すること
ができる。これと同様に、たわみ舌片３０の下側に位置
するエッチング層３のエッチングも、エッチング液によ
って行われる。エッチング液としては、例えばフッ化水
素酸が適している。このフッ化水素酸は、シリコン構造
に作用することなく酸化ケイ素をエッチングする。
【００１７】以上に述べた製造方法は、図９に示した加
速度センサの製造に限定されるものではない。同様に、
加速度センサのための他のジオメトリや、例えば圧力セ
ンサ、力センサ、またはこれに類似のセンサのような他
のセンサも実現することができる。
【００１８】図１０には、加速度センサの第２実施例が
示されている。この加速度センサは、支承部３２に懸吊
されたたわみ舌片３０から成っている。溝４によってた
わみ舌片３０と支承部３２とがフレーム３５から分離さ
れている。このセンサの、上から見た状態は、やはり図
９に示された加速度センサに相当する。フレーム３５と
支承部３２とは、絶縁性の層３４を介して基板３３に結
合されている。たわみ舌片３０の下側には、基板３３に
エッチング開口６が加工成形されている。このセンサの
製造は、図７に示されているような層プレート５から出
発する。支承部３２とたわみ舌片３０と対向電極３１と
が上側のシリコン層１から構造化されるように、溝４が
上側のシリコン層１を構造化する。さらに続くエッチン
グ工程ではたわみ舌片３０の下側で、エッチング開口６
が下側のシリコン層２に加工成形される。このエッチン
グ開口６がたわみ舌片３０の下側に直接にしか位置しな
いように、エッチング開口６は構成されている。さらに
続くエッチング工程では、エッチング開口６を通して下
面から、たわみ舌片３０の下側に位置するエッチング層
３が除去される。エッチング開口６をたわみ舌片３０の
下側に直接位置する領域に制限することにより、酸化ケ
イ素層による支承部３２と対向電極３１との機械的な結
合が損なわれることはない。
【００１９】これら両製造プロセスは、それぞれ個別の
利点を有している。溝４を通して上方からエッチング層
３をエッチングすることにより、下側のシリコン層２の
構造化を行わずにすむ。これによりシリコンプレートの
２つの面の加工が不要になる。このことは製造コストを
低廉にする。一方、下側のシリコン層２に加工成形され
たエッチング開口６を通して下面を起点としてエッチン
グ層３をエッチングすることにより、極めて大きな面積
の構造の下側に位置するエッチング層３をも除去でき
る。この場合、例えば支承部３２のような保持領域がサ
イドエッチングによって損なわれることはない。このよ
うな製造プロセスは、たわみ舌片が空間的に大きなサイ
ズミック質量を備えることを可能にする。このサイズミ
ック質量によって、センサの感度が増大される。さらに
このようなエッチングプロセスにおいて、上側のシリコ
ン層１における回路は、エッチング層３のためのエッチ
ング媒体の作用をより良好に防止される。これらの回路
は、例えば、センサ信号の第１の評価のために使用でき
る。このセンサ信号がセンサに対して空間的に極めて近
くに位置していることに基づき、場合によっては生じる
妨害信号は特に僅かである。
【図面の簡単な説明】
【図１】埋め込まれた異種原子を有するシリコンプレー
トを示した図である。
【図２】図１に示したシリコンプレートから形成された
層プレートを示した図である。
【図３】２つのシリコンプレートから層プレートを製造
する方法の第１段階を示した図である。
【図４】２つのシリコンプレートから層プレートを製造
する方法の第２段階を示した図である。
【図５】２つのシリコンプレートから層プレートを製造
する方法の第３段階を示した図である。
【図６】層プレートの個々の領域を絶縁した状態を示し
た図である。
【図７】本発明によるセンサのための製造方法である。
【図８】本発明によるセンサの第１実施例の横断面図で
ある。
【図９】図８のセンサを上から見た状態で示した図であ
る。
【図１０】本発明によるセンサの第２実施例の横断面図
である。
【符号の説明】
１，２ シリコン層、 ３ エッチング層、 ４ 溝、
５ 層プレート、６ エッチング開口、 １０，１
１，１２ 領域、 １４ 絶縁拡散部、 ２０，２１
シリコンプレート、 ２２ 酸化ケイ素層、 ２３ シ
リコンプレート、 ２４ 異種原子層、 ３０ たわみ
舌片、 ３１ 対向電極、 ３２ 支承部、 ３３ 基
板、 ３４ 絶縁性の層、 ３５ フレーム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 イリ マレク ドイツ連邦共和国 ロイトリンゲン ライ プルシュトラーセ 10−１ (72)発明者 フランク バンティーン ドイツ連邦共和国 ディッツィンゲン ヘ ルターシュトラーセ 70 (72)発明者 ホルスト ミュンツェル ドイツ連邦共和国 ロイトリンゲン グル オバッハシュトラーセ 60 (72)発明者 フランツ レルマー ドイツ連邦共和国 シュツットガルト ヴ ィティコヴェーク ９ (72)発明者 ミヒャエル オッフェンベルク ドイツ連邦共和国 テュービンゲン オプ デル グラーフェンハルデ 17 (72)発明者 アンドレア シルプ ドイツ連邦共和国 シュヴェービシュ グ ミュント ゼーレンバッハヴェーク 15

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 単結晶シリコンから成る複数の層を備え
    たプレートに溝をエッチングすることによってセンサを
    製造する方法において、層プレート（５）を形成し、こ
    の場合、単結晶シリコンから成る上側の層（１）と下側
    の層（２）との間にエッチング層（３）を配置し、エッ
    チング層（３）にまで達する溝（４）を加工成形するこ
    とによって上側の層（１）に所定の構造を形成し、該構
    造の少なくとも一部の下側に位置するエッチング層
    （３）を除去することを特徴とする、センサを製造する
    方法。
  2. 【請求項２】 エッチング層（３）を、絶縁性の材料か
    ら形成する、請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 上側の層（１）の少なくとも２つの部分
    （１０，１１，１２）を、エッチング層（３）にまで達
    する溝（４）または拡散区域（１４）を加工成形するこ
    とによって、互いに絶縁する、請求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】 層プレート（５）を形成するために、２
    つのプレート（２０，２１）を互いに結合し、この場
    合、該両プレート（２０，２１）のうちの少なくとも１
    つが結合面に、エッチング層の材料から成る層（２２）
    を有するようにし、両シリコンプレート（２０，２１）
    を結合したのちに、該シリコンプレート（２０，２１）
    のうちの１つの厚さを減じ、これにより上側のシリコン
    層（１）の厚さを調節する、請求項１から３までのいず
    れか１項記載の方法。
  5. 【請求項５】 層プレート（５）を形成するために、所
    定の深さの埋め込みによりシリコンプレート（２３）に
    異種原子を導入し、熱処理により、該異種原子とシリコ
    ンプレート（２３）との反応を促進し、このようにして
    生じた、シリコンと異種原子との反応生成物をエッチン
    グ層（３）として形成する、請求項１から３までのいず
    れか１項記載の方法。
  6. 【請求項６】 構造の一部の下側に位置するエッチング
    層（３）をエッチングするために、溝（４）を通してエ
    ッチング媒体をエッチング層（３）に導入する、請求項
    １から５までのいずれか１項記載の方法。
  7. 【請求項７】 構造の一部の下側に位置するエッチング
    層（３）をエッチングするために、下側のシリコン層
    （２）にエッチング開口（６）を加工成形し、該エッチ
    ング開口（６）を通してエッチング媒体をエッチング層
    （３）に導入する、請求項１から３までのいずれか１項
    記載の方法。
  8. 【請求項８】 単結晶シリコンから成る運動可能なセン
    サエレメントを備えたセンサであって、センサエレメン
    トが、単結晶シリコンから成るプレート状の基板（３
    ３）に固定されている形式のものにおいて、運動可能な
    センサエレメントと基板（３３）との間に絶縁性の層が
    配置されていることを特徴とする、センサ。
  9. 【請求項９】 運動可能なセンサエレメントがたわみ舌
    片（３０）として形成されており、該たわみ舌片（３
    ０）が、対向電極（３１）に向かい合って配置されてお
    り、たわみ舌片（３０）が支承部（３２）に懸吊されて
    おり、該支承部（３２）と対向電極（３１）とが、単結
    晶シリコンから成るプレート状の基板（３３）に固定さ
    れていて、たわみ舌片（３０）の最も小さいたわみ剛性
    を有する軸線が、基板（３３）の表面に対して平行に延
    びており、加速度が、たわみ舌片（３０）と対向電極
    （３１）との間の容量によって測定可能であり、支承部
    （３２）もしくは対向電極（３１）と基板（３３）との
    間に、絶縁性の層が配置されている、請求項８記載のセ
    ンサ。
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