DE10114036A1 - Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Sensoren und damit hergestellte Sensoren - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Sensoren und damit hergestellte SensorenInfo
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Sensoren und damit hergestellte Sensoren vorgeschlagen, bei denen in ein Halbleitersubstrat (1) Öffnungen (2) eingebracht werden. Nach dem Einbringen der Öffnungen (2) in das Halbleitersubstrat (1) erfolgt eine Temperaturnachbehandlung, bei der die Öffnungen (2) zu Hohlräumen in der Tiefe des Substrats (1) umgewandelt werden.
Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung
von mikromechanischen Sensoren bzw. von damit hergestellten
mikromechanischen Sensoren nach der Gattung der unabhängigen
Patentansprüche. Aus einem Artikel von Mizushima et al.
Applied Physics Letter, Vol. 77, Nr. 20, 13. November 2000,
Seite 3290 ff. ist bereits ein Verfahren bekannt, bei dem
durch Einbringen von Öffnungen und einer nachfolgenden
Temperaturbehandlung Hohlräume im Halbleitersubstrat erzeugt
werden. Diese Strukturen sollen jedoch nur zur Verwendung
von integrierten Schaltungen Verwendung finden. Für die
Herstellung von Sensoren sind eine Vielzahl von anderen
Herstellungsprozessen, insbesondere die sogenannte
Opferschichttechnik bekannt. Dabei wird eine Siliziumschicht
auf einer Opferschicht erzeugt. Die Opferschicht wird dann
nach einer Strukturierung der Siliziumschicht wieder
entfernt.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des
unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil,
dass ein besonders einfaches Verfahren zur Herstellung
mikromechanischer Sensoren angegeben wird. Die
mikromechanischen Sensoren bilden dabei Sensorelemente, die
aus einkristallinem Silizium ausgebildet sind. Weiterhin ist
das Verfahren zur Integration von Schaltungselementen
geeignet.
Weitere Vorteile und Verbesserungen ergeben sich durch die
Merkmale der abhängigen Patentansprüche. Um die sichere
Erzeugung eines Hohlraums zu gewährleisten, sollten die
eingebrachten Öffnungen tiefer sein als der Durchmesser,
vorzugsweise einen Durchmesser von weniger als 1 µm
aufweisen und tiefer als 2 µm sein. Durch ausreichend hohe
Temperaturen wird eine ausreichende Beweglichkeit der
Siliziumatome auf dem Substrat gewährleistet. Durch weitere
Bearbeitungsschritte werden dann die eigentlichen
Sensorelemente gebildet. Vorteilhaft ist dabei insbesondere
das Abscheiden einer Epitaxieschicht und das Einbringen von
Dotierstoffen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Zeichnungen
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen
die Fig. 1 bis 4 eine erste Prozeßfolge und
die Fig. 5 bis 8 eine weitere Prozeßfolge zur Erzeugung
von Hohlräumen,
Fig. 9 ein erstes Beispiel für einen erfindungsgemäßen
Sensor,
Fig. 10 bis 12 weitere Prozeßschritte zur Erzeugung eines
zweiten Beispiels eines erfindungsgemäßen Sensors,
Fig. 13 ein weiteres Beispiel für einen erfindungsgemäßen
Sensor und
Fig. 14 einen weiteren erfindungsgemäßen Sensor.
In den Fig. 1 bis 4 wird eine Prozeßabfolge gezeigt, die
das erfindungsgemäße Verfahren verdeutlicht. In der Fig. 1
wird ein Querschnitt durch ein Siliziumsubstrat 1 gezeigt,
in das eine Öffnung 2 eingebracht ist. Die Öffnung 2 ist als
langes dünnes Sackloch ausgebildet, welches typischerweise
einen Durchmesser von weniger als 1 µm hat und sich mehr als
1 µm in die Tiefe des Siliziumsubstrats 1 hinein erstreckt.
Bei dem Siliziumsubstrat 1 handelt es sich insbesondere um
ein einkristallines Siliziumsubstrat. Derartige Öffnungen 2
können durch reaktives Ionenätzen, d. h. Bestrahlen der
Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 mit Ionen eines Gases,
die eine gasförmige chemische Verbindung mit dem
Siliziummaterial eingehen, hergestellt werden. Üblicherweise
wird dabei der Teil der Oberfläche des Siliziumsubstrats 1,
der nicht geätzt werden soll, durch eine Maskierung
beispielsweise aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Metallen
oder Glasschichten geschützt. Alternativ können auch rein
abtragende Plasmaätzverfahren verwendet werden.
Das Siliziumsubstrat 1, wie es in der Fig. 1 im Querschnitt
gezeigt wird, wird dann einer Temperaturbehandlung
unterzogen. Dabei werden Temperaturen gewählt, bei denen es
zu einer Umlagerung von Siliziumatomen kommen kann, d. h.
Temperaturen von mehr als 900°C. Besonders geeignet ist
beispielsweise eine Temperaturbehandlung von 1100°C.
Vorzugsweise wird eine derartige Temperaturbehandlung in
einer Wasserstoffatmosphäre durchgeführt, weil sich so
Oxide, die sich auf der Oberfläche des Siliziums 1 bilden,
von der Oberfläche des Siliziums 1 bzw. von den Wänden der
Öffnung 2 entfernen lassen. Durch die hohen Temperaturen
wird die Beweglichkeit der Siliziumatome erhöht, so dass
eine Umlagerung so erfolgt, dass die Oberfläche des
Siliziums verringert wird. Wie in der Fig. 2 zu erkennen
ist führt dies dazu, dass sich im oberen Bereich der Öffnung
2, d. h. in dem Bereich, der der Oberfläche des
Siliziumsubstrats 1 sehr nahe ist, eine Verringerung des
Durchmessers der Öffnung 2 ergibt und in einem unteren
Bereich der Öffnung 2 eine Ausbauchung. Wenn dieser Prozeß
eine Weile fortgeführt wird, so ergibt sich die Situation
wie sie in der Fig. 3 gezeigt wird, d. h. auf der Oberfläche
des Siliziumsubstrats 1 ist noch eine leichte Vertiefung
vorhanden, während im Inneren des Siliziumsubstrats 1 ein
Hohlraum 3 gebildet wird. Eine derartige Bildung eines
Hohlraums 3 erfolgt jedoch nur, wenn die Öffnung 2, wie sie
in der Fig. 1 gezeigt wird, ausreichend tief und
ausreichend eng ist. Andernfalls ist es zur Minimierung der
Oberflächenspannung energetisch günstiger, wenn sich nur
eine Vertiefung 4 bildet. Die Öffnung 2 muß somit
ausreichend tief sein und der Querschnitt muß ausreichend
gering sein. Mindestens ist es erforderlich, dass die Tiefe
der Öffnung 2 in das Siliziumsubstrat 1 hinein größer ist
als der Durchmesser der Öffnung 2 an der Oberfläche. In der
Fig. 3 ist bezüglich der Oberfläche noch nicht ein
minimaler Zustand erreicht. Die Oberfläche des
Siliziumsubstrats 1 weist immer noch eine Vertiefung 4 auf
und der Hohlraum 3 weist noch eine ovale Gestalt auf. Durch
Fortführung der Temperaturbehandlung wird dieser Zustand
jedoch noch weiter verändert und es bildet sich dann ein
nahezu kugelförmiger Hohlraum 3 aus über dem auch keine
Vertiefung 4 mehr angeordnet ist. Dieser Zustand wird in der
Fig. 4 gezeigt.
Es ist somit möglich, durch Einbringen einer Öffnung 2 und
einer nachfolgenden Temperaturbehandlung in einem
Siliziumsubstrat 1 einen Hohlraum 3 zu schaffen.
Der erfindungsbemäße Prozeß ist nicht nur auf
einkristallines Silizium beschränkt, sondern kann ebenso in
anderen Halbleitermaterialien wie z. Bsp. GaAs durchgeführt
werden. Weithin kann auch polykristallines
Halbleitermaterial verwendet werden. Halbleiter biten den
Vorteil, dass durch weitere Bearbeitungsschriite leitende
und nichtleitende Bereiche erzeugt werden können, wie dies
für die Herstellung von Sensoren erforderlich ist.
Wenn in dem Hohlraum ausschließlich Wassserstoff
eingeschlossen ist, so wird durch eine weitere
Temperaturbehandlung ein gutes Vakuum erzeugt, da der
Wasserstoff dann leicht durch das Silizium
herausdiffundiert. Dies ist insbesondere für Drucksensoren
interessant, da so ein Referenzvakuum geschaffen wird.
Weitere Temperaturbehandlungen ergeben sich z. Bsp. durch
das Einbringen und Tempern von Dotierstoffen.
In den Fig. 5 bis 8 wird gezeigt, wie mit diesem
Verfahren eine Membran erzeugt werden kann, die über einem
Hohlraum angeordnet ist. In der Fig. 5 wird ein Querschnitt
durch ein Siliziumsubstrat 1 gezeigt, in dem eine Vielzahl
von Öffnungen 2, die als enge tiefe Sacklöcher ausgebildet
sind, eingebracht sind. In der Fig. 7 wird eine Aufsicht
auf das Substrat nach der Fig. 5 gezeigt. Wie in der Fig.
7 zu erkennen ist, sind eine Vielzahl von Öffnungen 2 im
engen Abstand zueinander angeordnet, wobei der Abstand der
Öffnungen 2 in etwa dem Durchmesser der Öffnungen 2
entspricht. Wenn ausgehend von den Fig. 5 und 7 eine
Temperaturbehandlung erfolgt, so erfolgt ausgehend von jeder
der Öffnungen 2 eine Umlagerung von Siliziumatomen, wie sie
zu den Fig. 1 bis 4 beschrieben wurde. Das Ergebnis ist
ein zusammenhängender großflächiger Hohlraum 3, wie er in
der Fig. 6 in einem Querschnitt durch das Siliziumsubstrat
1 gezeigt wird. Über dem flächigen Hohlraum 3 ist ein
Membranbereich 4 angeordnet, der aus einer dünnen Schicht
Silizium besteht. Wenn es sich bei dem Siliziumsubstrat 1 um
ein einkristallines Siliziumsubstrat handelt, so erfolgt
auch die Bildung dieser Membran 4 wiederum durch
einkristallines Silizium, da die Siliziumatome sich bei der
Umlagerung wieder an den entsprechenden
Kristallgitterplätzen anordnen. Es bleibt somit die
einkristalline Struktur des Siliziumsubstrats 1 auch in dem
Membranbereich 4 über dem Hohlraum 3 erhalten. In der Fig.
8 wird eine Aufsicht gezeigt, wobei in einer Aufsicht
natürlich der Hohlraum 3 nicht zu erkennen ist. Der in der
Fig. 8 dargestellte flächige Hohlraum 3 ist daher in der
Aufsicht nicht zu sehen, er ist aber in der Fig. 8 trotzdem
dargestellt, um eine Vorstellung zu geben, wie ausgehend von
den in der Fig. 7 sichtbaren Öffnungen 2 ein Hohlraum 3 in
der Tiefe des Siliziumsubstrats ausgebildet wird.
Bei der Anordnung der Öffnungen 2, wie sie in den Fig. 5
und 7 gezeigt wird, besteht ein Zusammenhang zwischen
Durchmesser der Öffnungen 2, Abstand der Öffnungen 2
zueinander und der Tiefe der Öffnungen 2. Je tiefer die
Öffnungen 2 in das Siliziumsubstrat 1 eingebracht sind, umso
weiter darf der Abstand zwischen benachbarten Öffnungen 2 in
der Fig. 7 sein, um noch einen durchgehenden Hohlraum 3 zu
schaffen, wie er in der Fig. 8 dargestellt ist. Die genauen
Größenverhältnisse zwischen Durchmesser der Öffnungen 2,
Abstand der Öffnungen 2 zueinander und Tiefe der Öffnungen 2
muß gegebenenfalls experimentell ermittelt werden und kann
auch noch von weiteren Parametern beispielsweise der
Temperatur der Temperaturbehandlung, eventuell eingebrachte
Dotierstoffe, Zusammensetzung eines Schutzgases während der
Temperaturbehandlung und dergleichen abhängen.
Um ausgehend von den in den Fig. 1 bis 8 geschilderten
Verfahren zu Sensorstrukturen zu gelangen, ist jedoch noch
eine weitere Bearbeitung des Siliziumsubstrats 1
erforderlich.
In der Fig. 9 wird ein erstes Beispiel für einen
erfindungsgemäßen Sensor gezeigt, der von einem
Siliziumsubstrat 1, wie es in den Fig. 6 und 8
dargestellt ist, ausgeht. Das Siliziumsubstrat 1 weist einen
Hohlraum 3 und darüber angeordnet einen Membranbereich 4
auf. Ausgehend von dem Siliziumsubstrat 1, wie es
beispielsweise in den Fig. 6 bis 8 gezeigt wird, wird
eine Epitaxieschicht 11 aufgebracht, die die gesamte
Oberseite des Siliziumsubstrats 1 inklusive des
Membranbereichs 4 bedeckt. Da das Siliziumsubstrat 1
einkristallin ist und auch die einkristalline
Silziumstruktur im Bereich der Membran 4 vorhanden ist,
wächst die Epitaxieschicht 11 einkristallin auf. Typische
Dicken für eine derartige Epitaxieschicht 11 liegen in der
Größenordnung von einigen µm bis zu einigen 10 µm. Auf der
Oberseite der Epitaxieschicht 11 werden dann durch übliche
Prozesse Dotierstoffe eingebracht. Beispielsweise können
Dotierungszonen 12 für piezoresistive Widerstandselemente
eingebracht werden, die dann mittels stark dotierten
Zuleitungszonen 13 mit Kontaktöffnungen 14 einer
Passivierungsschicht 15 verbunden sind. Die piezoresistiven
Widerstandselemente 12 werden dabei so angeordnet, dass sie
in der Epitaxieschicht 11 in den Randbereichen des Hohlraums
3 angeordnet sind. Durch die stark dotierten
Zuleitungselemente 13 können an den Kontaktöffnungen 14 dann
über Metallleiterbahnen (nicht gezeigt) elektrische Signale
abgegriffen werden, insbesondere kann der elektrische
Widerstand der piezoresistiven Elemente 13 gemessen werden.
Aufgrund ihrer Anordnung relativ zum Hohlraum 3 sind die
piezoresistiven Elemente 12 in Bereichen gelegen, in denen
starke mechanische Spannungen auftreten, falls es zu einer
Verformung der Epitaxieschicht 11 und des Membranbereichs 4
über dem Hohlraum 3 kommt. Eine derartige Verformung kann
beispielsweise dadurch entstehen, dass der Umgebungsdruck
von dem im Hohlraum 3 eingeschlossenen Druck abweicht. Es
wird somit eine Vorrichtung geschaffen, die eine Änderung
des Umgebungsdrucks relativ zum Druck im Hohlraum 3
nachweist, d. h. es handelt sich um einen Drucksensor. Durch
metallische Leitschichten auf der Oberseite der
Passivierungsschicht 15 können die elektrischen Signale der
piezoresistiven Elemente 12 einer Auswerteschaltung 20
zugeführt werden, die ebenfalls in der Epitaxieschicht 11
und im Siliziumsubstrat 1 ausgebildet ist. Aus
Vereinfachungsgründen sind die metallischen Leiterbahnen auf
der Oberseite der Passivierungsschicht 15 nicht dargestellt.
Ebenso sind die elektrischen Auswerteschaltungen durch die
Diffusionszonen 21, 22 und 23 nur angedeutet und entsprechen
in keiner Weise realen Schaltungselementen. Durch die
vergrabene Dotierungszone 21 ist bereits vor der Abscheidung
der Epitaxieschicht 11 Dotierstoff in die Oberseite des
Siliziumsubstrats 1 eingebracht worden. Bei den
Dotierungszonen 22 und 23 handelt es sich um übliche
Dotierungszonen, wie sie bei der Herstellung von
herkömmlichen Halbleiterelementen eingebracht werden. Dabei
werden Prozesse genutzt, die auch zur Herstellung der
piezoresistiven Elemente 12 und der stark dotierten
Zuleitungen 13 genutzt werden. Das erfindungsgemäße
Verfahren zur Erzeugung des Hohlraums 3 lässt sich
problemlos mit den üblichen Verfahren zur Herstellung von
Halbleiterstrukturen verwenden, so dass sowohl die Hohlräume
3 wie auch herkömmliche Schaltungselemente 20 in ein- und
derselben Prozeßfolge geschaffen werden können.
In den Fig. 10, 11 und 12 wird ein weiteres
Herstellungsverfahren für einen Drucksensor gezeigt. In
Ergänzung zu den Verfahrensschritten wie sie in den Fig.
1 bis 8 beschrieben wurden, wird jedoch zusätzlich noch vor
und nach der Erzeugung des Hohlraumes 3 Dotierstoff in das
Silizumsustrat 1 eingebracht. Ausgegangen wird dabei von
einem homogen dotierten Siliziumsubstrat, beispielsweise
einem p-dotierten Siliziumsubstrat, in dem dann eine
Dotierung 30 vom entgegengesetzten Typ, beispielsweise eine
n-Dotierung eingebracht wird. Es werden dann die Öffnungen 2
wie in den Fig. 5 bis 7 eingebracht, wobei sich der
Bereich, in dem Öffnungen 2 angeordnet sind, sowohl in dem
p-dotierten Substrat 1 wie auch in der eingebrachten n-
Dotierung 30 erstreckt. Die Tiefe der Öffnungen 2 ist
geringer als die Tiefe der Dotierung 30, so dass sich unter
den Öffnungen 2 noch die Dotierung 30 befindet. Dieser
Zustand wird in der Fig. 10a gezeigt. Durch die
Temperaturbehandlung wird dann ein Hohlraum 3 geschaffen,
der sich im Inneren des Substrats 1 erstreckt und der die
eingebrachte n-Dotierung 30 waagerecht durchschneidet, so
dass das Silizium oberhalb und unterhalb des Hohlraums 3
eine n-Dotierung aufweist. Der Hohlraum 3 durchschneidet
sozusagen den Dotierungsbereich in waagrechter Richtung. Es
wird somit eine obere Dotierung 31 und eine untere Dotierung
32 geschaffen. Durch Einbringung einer Umdotierungszone 33
in die n-dotierten Zonen, d. h. durch Einbringen einer großen
Anzahl von p-Dotierungsstoffen, können dann die obere n-
Dotierung 31 und die untere n-Dotierung 32 elektrisch
gegeneinander isoliert werden. In der Fig. 10b wird ein
Querschnitt durch das so geschaffene Siliziumsubstrat 1
gezeigt, bei dem eine obere n-Dotierung 31 durch den
Hohlraum 3 und die Umdotierungszone 33 gegen die untere n-
Dotierung 32 elektrisch isoliert ist. In der Fig. 11 wird
eine Aufsicht auf die Fig. 10b gezeigt. Wie zu erkennen
ist, ist die Umdotierung 33 so angeordnet, dass sie
elektrisch zwischen der n-Dotierung 32 und der n-Dotierung
31 angeordnet ist. Alternativ kann die Umdotierung 33 auch
so angeordnet werden, dass sie die obere n-Dotierung 31
vollständig umfasst. Weiterhin wird in den Fig. 10 und 11
noch eine Dotierungszone 21 für eine vergrabene
Dotierungszone gezeigt, wie sie für die Herstellung von
Bipolarschaltkreisen üblich ist.
Ausgehend von den Fig. 10 und 11 erfolgt dann das
Aufbringen einer n-dotierten Epitaxieschicht 11, um zu einem
Sensorelement zu gelangen. Dabei werden in die
Epitaxieschicht 11 tiefe Kontaktierungen 35 und 36
eingebracht, die ebenfalls n-dotiert sind. Die
Tiefenkontaktierung 35 ist dabei so angeordnet, dass die
obere n-Dotierung 31 elektrisch kontaktiert wird, die
Tiefenkontaktierung 36 so, dass die untere n-Dotierung 32
elektrisch kontaktiert wird. Zur gegenseitigen elektrischen
Isolierung werden um die Tiefenkontaktierung 36 und um die
obere n-Dotierung 31 p-dotierte Isolationsringe 37 erzeugt.
Auf der Oberseite wird dann wieder eine Passivierungsschicht
15 aufgebracht, in die Kontaktöffnungen 14 eingebracht sind.
Die Kontaktöffnungen 14 sind so angebracht, dass durch nicht
dargestellte oberflächliche Metallfilme eine Kontaktierung
der Tiefenkontaktierungen 35 erfolgt, so dass eine
oberflächliche elektrische Verbindung zu ebenfalls in dem
Halbleitersubstrat 1 und der Epitaxieschicht 11
ausgebildeten Schaltungselementen 20 hergestellt werden
kann. Die Halbleiterschaltungselemente 20 sind wiederum
durch die vergrabene Dotierungszone 21 und weitere
Dotierungszonen 22 und 23 nur schematisch dargestellt.
Die Vorrichtung wie sie in der Fig. 12 gezeigt wird stellt
einen kapazitiven Drucksensor dar. Bei einem
Druckunterschied zwischen dem Hohlraum 3 und einer Umgebung
kommt es zu einer Verformung der Epitaxieschicht 11 und des
über dem Hohlraum 3 angeordneten Bereichs des
Halbleitersubstrats 1. Dadurch ändert sich der Abstand
zwischen der oberen Dotierungszone 31 und der unteren
Dotierungszone 32. Da diese beiden Zonen elektrisch
voneinander isoliert sind, bilden sie einen
Plattenkondensator, dessen Kapazität von dem Abstand der
Dotierungszonen 31 und 32 abhängt. Durch die
Tiefenkontaktierungen 35 und 36 lässt sich diese Kapazität
durch eine entsprechende Auswerteschaltung nachweisen. Es
kann so durch Messung der Kapazität geschlossen werden, wie
stark die Verformung der Epitaxieschicht 11 bzw. des
Halbleitersubstrats 1 ist und es kann so festgestellt
werden, wie das Verhältnis des Umgebungsdrucks relativ zum
Druck im Hohlraum 3 ist. Das kapazitive Meßprinzip ist
besonders vorteilhaft, da es besonders temperaturunabhängig
ist. Weiterhin lassen sich die Kapazitäten durch unmittelbar
in der Nähe angeordnete Schaltkreise besonders gut
auswerten.
In der Fig. 13 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel für
einen erfindungsgemäßen Sensor gezeigt. Ausgehend von einem
Substrat 1 wie es in den Fig. 6 und 8 dargestellt ist,
wird eine Epitaxieschicht 11 aufgebracht. Dabei wird ein
Bereich oberhalb der Membran 3 mit einer starken Dotierung
50 versehen, so dass die Epitaxieschicht 11 in diesem
Bereich stark leitend ist. Weiterhin werden starke
oberflächliche Dotierungen 52 eingebracht, die als
elektrische Zuleitungen zu Kontaktlöchern 14 in einer
Passivierungsschicht 15 dienen. Danach erfolgt ein
Einbringen von Gräben 51 durch einen Ätzprozeß, der sich von
der Oberseite der Epitaxieschicht 11 bis in den Hohlraum 3
erstreckt. Es werden so Balkenstrukturen 55 geschaffen, die
geometrisch so ausgelegt werden können, dass sie
beispielsweise durch eine Beschleunigung parallel zur
Oberfläche des Substrats 1 bewegt werden können. Weiterhin
können in nicht dargestellten Randbereichen auch Maßnahmen
zur Isolierung dieser Balkenstrukturen 55 untereinander und
relativ zur Epitaxieschicht 11 ausgebildet werden. Es ist so
möglich, zwischen den Balkenstrukturen bzw. zwischen den
Balkenstrukturen 55 und dem Rest der Epitaxieschicht 11
Kapazitäten zu messen, die davon abhängen, wie sehr die
Balkenstrukturen 55 verformt sind. Diese kapazitiven Signale
können dann über die oberflächlich dotierten Leitschichten
52 und Kontaktöffnungen 14 mittels nicht dargestellter
metallisierter Leiterbahnen wiederum elektronischen
Schaltungen 20 zugeführt werden, die ebenfalls in der
Epitaxieschicht 11 ausgebildet sind. Es wird so ein
kapazitiver Kraftsensor, beispielsweise ein
Beschleunigungssensor, geschaffen.
In der Fig. 14 wird ein weiteres Beispiel für einen Sensor
gezeigt, der von einem Substrat nach den Fig. 6 und 8
ausgeht. Aus einer oberen Siliziumschicht, die entweder nur
aus der Membranschicht 4 gebildet ist, wie sie in der Fig.
6 gezeigt wird, oder aber aus einer entsprechenden
Epitaxieschicht 11 besteht, ist ein bewegliches Element
herausstrukturiert worden, in dem Gräben 51 eingebracht
sind, die bis zum Hohlraum 3 reichen. Die Grenzen des
Hohlraums 3 werden durch die gestrichelte Linie 62 in der
Aufsicht auf das Siliziumsubstrat 1 in der Fig. 14
dargestellt. Durch die Gräben 51 ist aus der oberen
Siliziumschicht eine seismische Masse 71 herausgebildet
worden, die an vier Balkenelementen 72 aufgehängt ist. Auf
jedem der Balkenelemente 72 sind piezoresistive Elemente 73
angeordnet. Durch diese piezoresistiven Elemente 73 lässt
sich eine Einwirkung einer Kraft, insbesondere einer
Beschleunigungskraft, die auf die seismische Masse 71 wirkt,
nachweisen. Beim Einwirken einer Kraft auf die Masse 71
werden nämlich die Aufhängarme 72 verformt und es lassen
sich entsprechende Widerstandsänderungen in den
piezoresistiven Elementen 73 nachweisen. Es können hier
sowohl Kräfte nachgewiesen werden, die senkrecht auf dem
Substrat 1 stehen wie auch Kräfte, die parallel zur
Oberfläche des Substrats sind.
Vorteilhaft an den Sensoren wie sie in den Fig. 9 bis 14
gezeigt werden ist, dass die Sensorstrukturen alle aus
einkristallinem Silizium bestehen. Es lassen sich somit
piezoresistive Widerstandselemente mit hoher Präzision und
Langzeitbeständigkeit einbringen. Weiterhin sind bewegliche
Elemente aus einkristallinem Silizium besonders hochwertig
und zeigen nur geringe Alterungserscheinungen. Weiterhin ist
das erfindungsgemäße Verfahren vollständig mit üblichen
Halbleiterherstellungsprozessen integrierbar, so dass auf
dem gleichen Substrat sowohl Bipolarschaltkreise wie auch
CMOS-Schaltkreise integriert werden können. Es lassen sich
so auf einem Substrat Sensorelemente und
Halbleiterschaltungselemente gemeinsam integrieren.
Weiterhin werden nur übliche Halbleiterherstellungsprozesse
verwendet.
Claims (13)
1. Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Sensoren,
bei dem in einem Halbleitersubstrat (1) Öffnungen (2)
eingebracht werden und nachfolgend eine Temperaturbehandlung
erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrischen
Abmessungen der Öffnungen (2) und die Temperatur- und
Zeitdauer der Temperaturbehandlung so gewählt werden, dass
sich in der Tiefe des Substrats (1) ein Hohlraum (3)
ausbildet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
sich die Öffnungen (2) ausgehend von einer Oberfläche des
Halbleitersubstrats (1) mit einer Tiefe in das
Halbleitersubstrat (1) hinein erstrecken und dass die
Seitenwände der Öffnungen (2) einen Abstand aufweisen, der
geringer ist als die Tiefe der Öffnungen (2).
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die Öffnungen (2) an der Oberfläche des Halbleitersubstrats
(1) in einer Richtung geringer sind als ein µm und eine
Tiefe von mehr als 2 µm aufweisen.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturbehandlung mit
Temperaturen von höher als 900°C vorzugsweise von mehr als
1000°C erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass weitere Bearbeitungsschritte
zur Ausbildung der Sensoren erfolgen.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
als weiterer Prozeßschritt eine Epitaxieschicht (11) auf der
Oberfläche des Halbleitersubstrats (1) abgeschieden wird.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, dass vor oder nach dem Abscheiden der
Epitaxieschicht (11) Dotierstoffe zur Dotierung von
Halbleitermaterial eingebracht werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
durch Dotierstoffe piezoresistive Elemente (12, 73) in
einkristallinem Halbleitermaterial gebildet werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass vor dem Einbringen der Öffnungen (2)
Dotierstoffe in das Halbleitersubstrat (1) eingebracht
werden.
10. Sensorelement, welches nach einem der Verfahren 1 bis 9
hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass über dem
Hohlraum (3) eine obere Dotierungsschicht (31) und unter dem
Hohlraum (3) eine untere Dotierungsschicht (32) vorgesehen
sind, die gegeneinander durch einen pn-Übergang isoliert
sind.
11. Sensor, der nach einem Verfahren nach den Ansprüchen 1
bis 9 hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass über dem
Hohlraum (3) Grabenstrukturen (51) in den Halbleiter
eingebracht sind, die sich von einer Oberfläche bis zum
Hohlraum (3) erstrecken.
12. Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass
durch die Gräben (51) Balkenstrukturen (55) geschaffen
werden, die parallel zur Oberfläche des Substrats (1)
beweglich sind.
13. Sensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass
die Balkenstrukturen (55) Seitenwände aufweisen, die durch
Einbringen von Dotierstoffen leitend ausgelegt sind.
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