DE19632060A1 - Verfahren zur Herstellung eines Drehratensensors - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Drehratensensors nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs. In der noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 195 30 736.4 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Drehratensensor beschrieben. Der Drehratensensor wird aus einem Dreischichtsystem aufgebaut. Der Drehratensensor und die Leiterbahnen sind aus der dritten Schicht herausstrukturiert. Die Leiterbahnen sind über Ausnehmungen gegen weitere Bereiche der dritten Schicht und über eine zweite elektrisch isolierende Schicht gegen eine erste Schicht elektrisch isoliert. Das Herausstrukturieren des Drehratensensors und der Leiterbahnen aus der dritten Schicht geschieht mittels eines Trockenätzverfahrens. Im Bereich des Drehratensensors wird zusätzlich noch die erste Schicht gedünnt. Dies geschieht durch naßchemisches Ätzen, beispielsweise in einer leicht erwärmten Kaliumhydroxidlösung. Bedingt durch den Ätzprozeß, wird auf die erste Schicht eine Ätzmaske aufgebracht, welche aus einem Zweischichtsystem aus Siliziumoxid und einem Nitrit besteht, welches strukturiert wird.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat demgegenüber den Vorteil, daß der Drehratensensor und die elektrischen Zuleitungen mit Hilfe eines Dreischichtensystems aufgebaut werden, wobei alle Silizium-Ätzschritte mit demselben Ätzverfahren durchgeführt werden. Dadurch ist das Herstellungsverfahren besonders einfach und der Drehratensensor ist somit kostengünstig herzustellen.

Wird das SOI-Schichtsystem als erste Schicht verwendet, so ergibt sich der Vorteil, daß die Isolatorschicht als Ätzstop herangezogen werden kann. Dies erweist sich als vorteilhaft, da die Schwingmassen somit viel näher am Sollwert liegen als bei einer Ätzung, welche die Ätztiefe durch eine Ätzdauerkalibrierung festlegt.

Durch Wegfall des naßchemischen Ätzprozesses kann auch das Abtragen der ersten Schicht als letztes erfolgen. Dies ist vorteilhaft, da es die Handhabbarkeit des Substrats erleichtert, war bisher jedoch nicht möglich, da die Ätzlösung die dritte Schicht in Mitleidenschaft gezogen hätte.

Darüber hinaus kann die Ätzmaske aus Lack oder Siliziumoxid bestehen, wodurch der aufwendige Plasmanitrierungsprozeß entfällt.

Schließlich ist als weiterer Vorteil zu sehen, daß Verunreinigungen der Struktur durch eine flüssige Ätzlösung vermieden werden.

Weiterhin entfällt die Montage der Wafer in Ätzdosen für die naßchemische Ätzung; somit entfällt ein weiterer arbeitsintensiver Prozeßschritt. Zur Herstellung des Beschleunigungssensors sind in einem minimalen Verfahren nur drei Maskenschritte notwendig.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den unabhängigen Ansprüche angegebenen Verfahrens zur Herstellung des Drehratensensors möglich. Die Leitfähigkeit der Leiterbahnen wird in vorteilhafter Weise dadurch verbessert, daß leitende Schichten in Form von Bondpads und Zuleitungen auf die Leiterbahnen aufgebracht werden.

Es ist rationell und dadurch vorteilhaft, kommerziell erhältliche Silicon-on-Insulator (SOI)-Schichtsysteme als Substrat zu verwenden.

Schließlich besteht der Vorteil, eines Silizium- Siliziumoxid-Silizium-Substrats darin, daß besonders gut entwickelte und einfache Methoden zum anisotropen Ätzen zur Verfügung stehen.

Das Entfernen der Isolatorschicht nach dem Abtragen der ersten Schicht erweist sich als vorteilhaft, da hierdurch die internen mechanischen Spannungen der Dreischichtstruktur, welche die erste Schicht bilden, verringert werden. Dies erhöht die Lebensdauer des Sensors und verringert die Schwankungen in der Eigenfrequenz der Schwingmasse.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er­ läutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Beschleunigungssensor,

Fig. 2 einen Drehratensensor,

Fig. 3 ein erstes Verfahren,

Fig. 4 ein zweites Verfahren zur Herstellung eines Drehratensensors, und die

Fig. 5, 6 und 7 weitere Verfahren zur Herstellung von Drehratensensoren.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt einen Beschleunigungssensor 6, der aus einem Dreischichtsystem aufgebaut ist. In diesem Ausführungsbei­ spiel wird ein Silicon-on-Insulator (SOI)-Schichtsystem ver­ wendet. Es sind jedoch auch andere Dreischichtsysteme denk­ bar, wobei die oberste Schicht strukturierbar und die mitt­ lere Schicht strukturierbar und lateral ätzbar und isolierend sein muß.

Als Tragplatte wird eine erste Schicht 1 verwendet, die aus Silizium gebildet ist. Auf der ersten Schicht 1 ist eine zweite Schicht 2, die aus Siliziumoxid gebildet ist, aufge­ bracht. Die dritte Schicht besteht ebenfalls aus Silizium. In der Mitte der dritten Schicht 3 ist eine auslenkbare Masse 7 herausstrukturiert, die aus einem länglichen Träger besteht, der an beiden Längsseiten jeweils drei Platten auf­ weist. Die Platten sind senkrecht zur Längsrichtung des Trä­ gers angeordnet. Die auslenkbare Masse 7 ist an jedem Ende über jeweils einen Biegesteg 17 mit einer Halterung 18 in Längsrichtung des Trägers auslenkbar verbunden. Die Halte­ rungen 18 sind über die zweite Schicht 2 mit der ersten Schicht 1 fest verbunden. Unter der auslenkbaren Masse 7 und den Biegestegen 17 ist die zweite Schicht 2 entfernt. Dies erfolgt bei SiO₂ mittels Ätzverfahren. Diese Ausgestaltung der auslenkbaren Masse entspricht der DE 44 19 844.

Parallel zum Träger der auslenkbaren Masse 7 ist jeweils ein länglicher Haltebalken 19 aus der dritten Schicht 3 heraus­ strukturiert, der drei Platten aufweist, die senkrecht in Richtung auf den Träger der auslenkbaren Masse 7 ausgerich­ tet sind. Die Haltebalken 19 sind über die zweite Schicht 2 fest mit der ersten Schicht 1 verbunden. Die Platten eines Haltebalkens 19 sind jeweils auf der rechten Seite der Plat­ ten der auslenkbaren Masse 7 angeordnet. Die Platten des an­ deren Haltebalkens 19 sind jeweils auf der linken Seite der Platten der auslenkbaren Masse 7 angeordnet. Wird nun die auslenkbare Masse 7 ausgelenkt, so verkleinern sich die Ab­ stände zwischen den Platten, die auf einer Seite der aus­ lenkbaren Masse 7 angeordnet sind, und den Platten eines Haltebalkens und zugleich vergrößern sich die Abstände zwi­ schen Platten, die auf der anderen Seite der auslenkbaren Masse 7 angeordnet sind, und den Platten des zweiten Halte­ balkens. Von den beiden Haltebalken 19 ist jeweils eine Lei­ terbahn 4 zu einer gemeinsamen Kante des Beschleunigungssen­ sors herausgeführt. Die Leiterbahnen 4 sind aus der dritten Schicht 3 herausstrukturiert und über die zweite Schicht 2 gegen die erste Schicht 1 elektrisch isoliert. Die Leiter­ bahnen 4 sind über Ausnehmungen gegen andere Bereiche der dritten Schicht 3 elektrisch isoliert. Ebenso ist eine Lei­ terbahn 4 von der auslenkbaren Masse 7 zu einer Kante des Beschleunigungssensors herausgeführt, die aus der dritten Schicht 3 herausstrukturiert ist und über die zweite Schicht 2 gegen die erste Schicht 1 elektrisch isoliert ist und über Ausnehmungen 10 gegen andere Bereiche der dritten Schicht 3 ebenfalls elektrisch isoliert ist. Durch Ausbildung der Aus­ nehmungen 10 und Verwendung der zweiten Schicht 2 als Iso­ lierschicht, ist es möglich, in der dritten Schicht 3 Lei­ terbahnen 4 auszubilden, die zur Kontaktierung des Beschleu­ nigungssensors verwendet werden.

Eine weitere Verbesserung der Leitfähigkeit der Leiterbahnen 4 wird dadurch erreicht, daß auf die Leiterbahnen 4 eine leitende Schicht 24 aufgebracht wird. Als leitende Schicht wird z. B. ein Metall wie Aluminium verwendet. Dadurch, daß bei Auslenkung der auslenkbaren Masse 7 die Abstände von Platten der auslenkbaren Masse 7 zu Platten eines Haltebal­ kens verkleinert und zu Platten des anderen Haltebalkens vergrößert werden, werden zwei Meßsignale erhalten. Die zwei Meßsignale werden ausgewertet und aufgrund der Änderung der Kapazitäten zwischen den Platten der auslenkbaren Masse 7 und den Platten der Haltebalken 19 wird die Auslenkung der auslenkbaren Masse 7 und somit die einwirkende Kraft errech­ net. Die Leiterbahnen 4 werden zu Anschlußpunkten 20 ge­ führt. An den Anschlußpunkten 20 werden die Meßsignale des Beschleunigungssensors abgegriffen.

Aus der DE 44 19 844 ist ein Beschleunigungssensor bekannte bei dem jede bewegliche Platte zwischen zwei feststehenden Platten angeordnet ist. Derartige Sensoren lassen sich nur realisieren, wenn Leiterbahnüberkreuzungen möglich sind. Derartige Leiterbahnüberkreuzungen sind mit einem großen Aufwand bei der Herstellung der Sensoren verbunden. Bei dem vorliegenden Sensor werden keinerlei Leiterbahnüberkreuzungen benötigt, da jeder beweglichen Platte, die an der auslenkbaren Masse 7 aufgehängt ist, nur eine feststehende Platte zugeordnet ist. Die Isolation der einzelnen Bereiche gegeneinander erfolgt ausschließlich durch das Einätzen von Gräben in der oberen Schicht 3. Die Isolation gegenüber der unteren Schicht 1 ist durch die dielektrische Zwischenschicht 2 gewährleistet. Derartige Sensoren lassen sich besonders einfach herstellen.

Fig. 2 zeigt einen Drehratensensor, der einen Rahmen 8 auf­ weist, in dem über Stege 9 eine Schwingmasse 5 schwingbar angeordnet ist. Die Schwingmasse 5 wird über Antriebsmittel 21 zu einer linearen Schwingung angeregt. Als Antriebsmittel werden z. B. elektrische, magnetische oder piezoelektrische Antriebe verwendet. Geeignete Antriebsmittel sind beispielsweise aus der EP 53 93 93 bekannt. Auf der Schwingmasse 5 ist ein Beschleunigungssensor 6 entsprechend der Fig. 1 aufgebracht. Der Beschleunigungssensor 6 ist in der Nachweisrichtung senkrecht zur Schwingrichtung der Schwingmasse 5 angeordnet. Die Leiterbahnen 4, die von den Haltebalken und der auslenkbaren Masse 7 ausgehen, werden über die Stege 9 zum Rahmen 8 geführt. Der Sensor ist entsprechend dem Beschleunigungssensor aus einer ersten, einer zweiten und einer dritten Schicht aufgebaut. Die Leiterbahnen 4 sind aus der dritten Schicht 3 heraus­ strukturiert. Die Leiterbahnen 4 sind im Rahmen 8 durch Ausnehmungen 10 von der dritten Schicht 3 des Rahmens 8 elektrisch isoliert. Zudem sind die Leiterbahnen 4 über die zweite Schicht 2 des Rahmens 8 von der ersten Schicht 1 des Rahmens 8 elektrisch isoliert. Die Darstellung des Beschleunigungssensors ist hier nur schematisch dargestellt, da der Schichtaufbau bereits in Fig. 1 des Beschleunigungssensors ausführlich erläutert wurde.

Die Stege 9 sind sowohl aus der oberen Schicht 3, wie auch aus der unteren Schicht 1 herausstrukturiert. Dies wird in den nachfolgenden Fig. 3 und 4 noch klarer erläutert. Die auf dem Rand 8 angeordneten Leiterbahnen 4 gehen unmittelbar in die Stege 9 über, so daß über die Stege 9 eine elektrische Kontaktierung des auf der Schwingmasse 5 angeordneten Beschleunigungssensors erreicht wird. Auf der Schwingmasse 5 sind in dem Bereich, in dem die Stege 9 münden, ebenfalls Isolationsgräben 10 in der oberen Schicht 3 vorgesehen, so daß auch hier eine elektrische Isolation der Signale sichergestellt wird, die über die Stege 9 auf oder von der Schwingmasse 5 geleitet werden.

Auf diese Weise ist es möglich, einen Drehratensensor auszu­ bilden, ohne eine aufwendige elektrische Kontaktierung des Beschleunigungssensors vornehmen zu müssen. Dadurch, daß die Leiterbahnen 4 bis in den Rahmen 8 elektrisch isoliert her­ ausgeführt sind, kann eine einfache elektrische Kontaktie­ rung der Leiterbahnen 4 im Rahmen 8 erfolgen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der Drehratensensor in einem Ver­ fahren mit dem Beschleunigungssensor aus einem Drei­ schichtsystem, vorzugsweise einer Silicon-on- Insulator-Schicht, heraus strukturiert wird.

Fig. 3 zeigt Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Drehratensensors. In Fig. 3.1 ist ein Dreischichtsystem, bestehend aus einer ersten Schicht 1, auf der eine zweite Schicht 2 aufgebracht ist, dargestellt. Auf der zweiten Schicht 2 ist eine dritte Schicht 3 angeordnet. Die erste Schicht 1 besteht aus Silizium, die zweite Schicht 2 besteht aus Siliziumoxid und die dritte Schicht 3 besteht wiederum aus Silizium. Es können jedoch auch andere Dreischichtsysteme verwendet werden, die selektiv abgetragen werden können wie z. B. SiO₂, Si₃N₄, Al₂O₃ Polyimid, Teflon und Si-Karbid. Als Ausgangsmaterial wird z. B. ein Silicon-on-Insulator (SOI)-Wafer verwendet, wobei die dritte Schicht 3 aus p++ oder n++ dotiertem Silizium besteht und eine Dicke von ca. 15 µm aufweist. Die zweite Schicht 2 besteht aus Siliziumoxid und weist eine Dicke im µm-Bereich auf. Die erste Schicht 1 wird von einem Siliziumwafer dargestellt. Seine Dicke ist typischerweise 500 Mikrometer. Dünnere Wafer sind zwar zu bevorzugen, werfen aber Probleme in der Handhabung auf, wegen ihrer mangelnden Stabilität. Ebenso können auch Epi-Poly-Wafer verwendet werden, deren Herstellung und Verwendung für Sensoren bereits in der DE 43 18 466 beschrieben ist. Für die dritte Schicht 3 wird eine stark p- oder n-dotierte Siliziumschicht verwendet, die auf einer einige µm dicken Siliziumoxidschicht als zweite Schicht 2 aufgebracht ist. Die Epi-Polysiliziumschicht ist ungefähr 12 µm dick.

Auf den SOI-Wafer oder Epi-Poly-Wafer wird auf die dritte Schicht 3 in den Bereichen der Leiterbahnen Aluminium aufgedampft bzw. aufgesputtert. Das aufgebrachte Aluminium wird mit Hilfe fotolithographischer Schritte und Ätzverfahren in der Form der Leiterbahnen 4 als leitende Schicht 24 strukturiert.

Anschließend wird auf die erste Schicht 14 ein Fotolack aufgebracht, der in einem vorgegebenen Bereich, in dem die Schwingmasse 5 aufgebaut wird, wieder entfernt wird. Hierdurch entsteht die strukturierte erste Abdeckschicht 11. Dies ist in Fig. 3.2 dargestellt.

Daraufhin wird auf die dritte Schicht 3 Fotolack 30 aufge­ bracht und entsprechend einer Kammstruktur eines Drehratensensors strukturiert. Anschließend wird in die dritte Schicht 3 die Kammstruktur des Drehratensensors eingeätzt. Dabei wird ein anisotropes Siliziumätzverfahren verwendet, das in der Patentschrift DE 42 41 045 beschrieben ist. Auf diese Weise werden Kammstrukturen erzeugt, die ein großes Aspektverhältnis aufweisen. Daraufhin wird die erste Schicht 1 mittels Trockenätzverfahren auf eine Restdicke von ungefähr 100 µm abgeätzt. Dies ist in Fig. 3.3 dargestellt. Das Trockenätzverfahren entspricht im wesentlichen dem für die Herstellung der Kammstrukturen herangezogenen.

Daraufhin wird die zweite Schicht 2, die aus Siliziumoxid gebildet ist und unter der Kammstruktur 13 des Drehratensensors als Opferoxid verwendet wird, geätzt. Auf diese Weise wird eine Kammstruktur 13 erhalten, die auslenkbar auf der zweiten Schicht 2 befestigt ist. Diese Kammstrukturen repräsentieren den Drehratensensor nach der Fig. 1. In der Fig. 3 ist jedoch die eigentliche Struktur des Drehratensensors nur angedeutet, um die Übersichtlichkeit der Darstellung zu erleichtern. Für die weitere Bearbeitung wird die zweite Schicht 2 unterhalb der Kammstrukturen 13 entfernt. Es werden so bewegliche Strukturen geschaffen, die für den Drehratensensor geeignet sind. Aufgrund der großen lateralen Abmessungen wird jedoch die zweite Schicht 2 nicht unterhalb von anderen Bereichen der oberen Schicht 3 entfernt. In einem weiteren Schritt wird dann die Fotolackschicht 30 entfernt und eine neue Fotolackschicht 30 aufgebracht und strukturiert. Die Struktur in dieser neuen Fotolackschicht wird dazu genutzt, Gräben einzuätzen, die sowohl durch die obere Schicht 3, die zweite Schicht 2 und die erste Schicht 1 hindurchreichen. Diese eingeätzten Gräben können somit genutzt werden, um Stege 9 und eine Schwingmasse 5 aus dem mehrschichtigen Substrat herauszuätzen. Dies wird in der Fig. 3.4 dargestellt. Durch die eingebrachten Gräben 10 werden die Abmessungen der Schwingmasse 5 definiert. Auf der Schwingmasse 5 sind die Kammstrukturen 13 des Beschleunigungssensors aufgebracht. Weiterhin ist ein Steg 9 gezeigt, dessen geometrische Abmessungen ebenfalls durch die Gräben 10 definiert sind. Das Einätzen der Gräben 10 erfolgt in einem mehrstufigen Prozeß. Zunächst wird beispielsweise in einem Fluorplasma die obere Schicht 3 strukturiert. In einem weiteren Ätzschritt, beispielsweise in einem chlorhaltigen Plasma wird die zweite Schicht 2 strukturiert. In einem weiteren Ätzschritt erfolgt, beispielsweise wiederum in einem Fluorplasma, die Strukturierung der ersten Schicht 1. Anschließend wird die Fotolackschicht, die als Ätzmaske für diesen Prozeß dient, wieder entfernt.

In der Fig. 3.4 wird eine vereinfachte Darstellung gezeigt, die keinen Querschnitt durch einen realen Drehratensensor darstellt. Da jedoch alle Elemente eines Drehratensensors nach der Fig. 2 gezeigt werden, wie Stege 9, ein Schwingelement 5, Kammstrukturen für einen Beschleunigungssensor 13, ist offensichtlich, daß sich mit der dargestellten Abfolge von Prozeßschritten Drehratensensoren nach der Fig. 2 herstellen lassen. Im Randbereich sind Leiterbahnen 4 dargestellt, die nur aus der oberen Siliziumschicht 3 herausstrukturiert sind. Diese können beispielsweise im gleichen Prozeßschritt wie die Kammstrukturen 13 hergestellt werden. Es muß dann jedoch durch große laterale Abmessungen der Leiterbahnen 4 sichergestellt werden, daß keine Unterätzung der unterhalb der Leiterbahnen 4 gelegenen zweiten Schicht 2 erfolgt. Alternativ ist es auch möglich, nach der Erzeugung der Kammstrukturen 13 eine weitere Fotolackschicht aufzubringen und zu strukturieren, die dann ausschließlich für die Erzeugung der Leiterbahnstrukturen 4 genutzt wird. Dies vergrößert jedoch den Aufwand zur Herstellung der Sensoren. Die zur Fig. 3.3 beschriebene Rückseitenätzung der Schicht 1 dient dazu, im Bereich des Schwingers 5 bzw. der Stiege 9 eine Abdünung der unteren Siliziumschicht 1 zu erreichen. Durch diese Maßnahme wird die Ätzzeit, die zur vollständigen Durchätzung der Gräben 10 durch die Schicht 1 benötigt wird, verringert.

Fig. 3.5 zeigt einen Querschnitt A-A durch den Rahmen 8 im Bereich der Anschlüsse 20. Dabei ist deutlich die elektri­ sche Isolation der Anschlüsse 20 über die Ausnehmungen 10 von der dritten Schicht 3 des Rahmens 8 zu erkennen.

Anhand der Fig. 3.6 wird eine Herstellungsvariante zur Herstellung eines Drehratensensors erläutert. Dabei entfallen alle Strukturierungsschritte der Schicht 1. Ausgehend von dem Aufbau nach Fig. 3.2 wird, wie bereits zur Fig. 3.3 beschrieben, eine Fotolackschicht 30 auf der Oberfläche aufgebracht und durch eine Fotomaske strukturiert. Es erfolgt dann ein Ätzschritt, beispielsweise durch einen Fluorplasmaätzprozeß, mit dem Gräben 10 in die obere Siliziumschicht 3 eingebracht werden. Diese Gräben reichen bis zur zweiten Schicht 2. In einem nachfolgenden Ätzschritt wird die aus Siliziumoxid bestehende zweite Schicht 2 geätzt. Dies kann beispielsweise in einer wäßrigen Flußsäurelösung oder in einem flußsäurehaltigen Gas erfolgen. Durch diesen Ätzschritt wird die zweite Schicht unterhalb der feinen eingeätzten Grabenstrukturen für die Kammstrukturen 13 vollständig entfernt. Die Strukturen für die Leiterbahnen 4, die eine vergleichsweise große laterale Ausdehnung aufweisen, bleiben jedoch durch die Schicht 2 mechanisch fest mit der ersten Schicht 1 verbunden. Da bei diesem Ätzschritt die Fotomaske 30 auf der Oberfläche verbleiben kann, sind beispielsweise auch die Metallisierungsstrukturen 24 vor dem Angriff des Ätzmediums geschützt, so daß diese auch aus Aluminium bestehen können. Dieser Prozeß zur Herstellung von Drehratensensoren zeichnet sich vor allem durch die wenigen verwendeten Prozeßschritte aus. Es können so sehr kostengünstig Drehratensensoren hergestellt werden.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Drehratensensors. Dabei wird ein Dreischichtsystem verwendet, das aus einer ersten Schicht 1, einer zweiten Schicht 2 und einer dritten Schicht 3 besteht. Die erste Schicht 1 besteht aus Silizium, die zweite Schicht 2 aus Siliziumoxid und die dritte Schicht 3 aus stark p- oder n-dotiertem Silizium. Das beschriebene Dreischichtsystem stellt eine Silizium auf Isolator-Struktur dar. Auf die dritte Schicht 3 werden vorzugsweise in den Bereichen der Leiterbahnen 4 Metalleiterbahnen 24 aufgebracht. Dies erfolgt durch Sputtern bzw. Aufdampfen und abschließendem Strukturieren. Anschließend wird auf die Metalleiterbahnen 24 und die dritte Schicht 3 eine dritte Abdeckschicht 14 aus Siliziumoxid aufgebracht. Auf die erste Schicht 1 wird eine erste Abdeckschicht 11 aus Lack aufgebracht und strukturiert. Anschließend wird die dritte Abdeckschicht 14 entsprechend der Kammstruktur 13 des Beschleunigungssensors, der Form der Leiterbahnen 4 und der Stege 9 strukturiert. Auf die strukturierte dritte Abdeckschicht 14 wird eine vierte Abdeckschicht 16 in Form eines Fotolackes aufge­ bracht. Die vierte Abdeckschicht 16 wird in der Form der Stege 9 entfernt. Dies ist in Fig. 4.3 dargestellt. Darauf­ hin wird die erste Schicht 1 innerhalb des Rahmens 8 auf eine vorgegebene Dicke von 100 µm abgeätzt und mit einer Passivierungsschicht 17 abgedeckt. Dies ist in Fig. 4.4 dargestellt. Anschließend werden in einem Ätzprozeß Gräben eingebracht. Da für diese Gräben die strukturierte vierte Abdeckschicht 16 als Ätzmaske dient, wird zunächst nur die geometrische Form der Stege 9 eingeätzt. Diese Gräben werden solange eingeätzt, bis die Schicht 3 und 2 vollständig durchdrungen sind und ein Teil der Schicht 1 ebenfalls durchgeätzt ist. Die Einätzung wird solange in die Schicht 1 eingetrieben, bis die verbleibende Restdicke in etwa der Dicke der Schicht 3 entspricht. Dies ist in der Fig. 4.5 dargestellt. Anschließend wird die vierte Abdeckschicht 16 entfernt und der Ätzprozeß wird fortgesetzt. Diesmal wirkt die strukturierte dritte Abdeckschicht 14 als Ätzmaske, die die Strukturen für die Stege 9, Kammstrukturen 13 und Leiterbahnen 4 enthält. Dabei wird ein Ätzprozeß verwendet, der nur die Siliziummaterialien der Schichten 3 und 1 ätzt, jedoch nicht die Schicht 2 oder 17. Die Ätzung wird dann solange fortgesetzt, bis die Gräben für die Stege 9, die Passivierungsschicht 17 und die Gräben für die Kammstrukturen 13 bzw. die Leiterbahnen 4, die zweite Schicht 2 erreichen. Anschließend wird die zweite Schicht 2 unter der Kammstruktur 13 abgeätzt. Dabei werden gleichzeitig aus der zweiten Schicht 2 die Stege 9 herausgeätzt. Die Stege 9 sind jedoch so breit ausgebildet, daß die Stege 9 fest über eine zweite Schicht 2 mit der ersten Schicht 1 verbunden sind. Anschließend wird die Pas­ sivierungsschicht 23 abgeätzt. Auf diese Weise wird ein Drehratensensor entsprechend der Fig. 2 erhalten. Dies ist schematisch in Fig. 4.7 dargestellt.

In der Fig. 5 wird ein weiteres Herstellungsverfahren für einen Drehratensensor beschrieben. Dieses Verfahren geht aus von einem Siliziumsubstrat 1, auf dem eine ätzbare Schicht 2, beispielsweise Siliziumoxid aufgebracht wird. Fakultativ kann auf der Schicht 2 noch eine Polysiliziumstartschicht 40 aufgebracht werden. Es erfolgt dann eine Strukturierung dieser zweiten Schicht 2 und der ggf. darauf aufgebrachten Polysiliziumstartschicht 40. Durch Abscheiden wird dann eine weitere Siliziumschicht 3 erzeugt. Diese weitere Siliziumschicht 30 kann, wie in der DE 43 18 466 beschrieben wird, in einem Epitaxiereaktor abgeschieden werden. In den Bereichen, in denen die Schicht 3 unmittelbar auf dem Siliziumsubstrat 1 zu liegen kommt, wächst die Siliziumschicht 3 als einkristalline Siliziumschicht auf. In den anderen Bereichen wirkt die Polysiliziumstartschicht 40 als Startschicht für das Aufwachsen einer polykristallinen Siliziumschicht. Der so geschaffene Schichtaufbau wird in der Fig. 5.2 gezeigt. Durch Aufbringen von Ätzmaskierungen und Ätzschritten werden dann Grabenstrukturen in die obere Siliziumschicht 3 und die Polysiliziumstartschicht eingebracht, die bis zur zweiten Schicht 2 reichen. Diese bilden dann wieder Kammstrukturen 13 für einen Beschleunigungssensor. Weiterhin wird ausgehend von der Rückseite eine Ausnehmung eingeätzt, um die Dicke der ersten Siliziumschicht 1 zu verringern. Dies kann in ähnlicher Weise durch Trockenätzung geschehen wie oben beschrieben, die so gebildete Struktur ist in der Fig. 5.3 dargestellt. In der Fig. 5.4 wird dann gezeigt, wie Grabenstrukturen 10 eingebracht werden, die durch die obere Schicht 3, die Polysiliziumschicht 40, die zweite Schicht 2 und die erste Schicht 1 reichen. Es wird so ein Schwinger 5 und ein Steg 9 gebildet. Für diesen Ätzprozeß wird ein Ätzprozeß verwendet, der im wesentlichen nur Silizium ätzt. Es wird somit die obere Schicht 3 und die untere Schicht 1 geätzt. Da die Maskierung für diese Grabenstrukturen 10 so gewählt ist, daß sie über den bereits erfolgten Strukturen der zweiten Schicht 2 liegen, kann mit einem derartigen Ätzprozeß das gesamte Substrat durchgeätzt werden. Dabei werden jedoch nur die Abmessungen der oberen Schicht 3 von der Ätzmaske kontrolliert. Die geometrischen Abmessungen in der unteren Schicht 1 werden von den bereits in der Schicht 2 eingebrachten Strukturen bestimmt. Dies liegt daran, daß die strukturierte Schicht 2 als Ätzmaske für die Ätzung der untenliegenden Schicht 1 dient. Dies kann auch dazu genutzt werden, Justierfehler der Ätzmaske relativ zu den Strukturen in der Schicht 2 zu kompensieren. Dazu werden die geometrischen Abmessungen der Ätzmaske für die Gräben 10 etwas größer gewählt als die Strukturen in der Schicht 2. Wesentlich ist bei diesem Prozeß, daß die Genauigkeit der Strukturierung der ersten Schicht 1 im wesentlichen von der Genauigkeit der Strukturierung der Schicht 2, wie dies in Fig. 5.1 gezeigt wird, abhängt. Die in Fig. 5.1 gezeigte Strukturierung der Schicht 2 kann mit besonders hoher Präzision erfolgen, so daß auch die geometrischen Abmessungen des Schwingelements 5 bzw. des Stegs 9, soweit es die erste Schicht 1 angeht, sehr präzise ist. Da die Dicke der oberen Schicht 3 in Größenordnung von 10 µm und der unteren Schicht 1 in der Größenordnung von 50 µm liegt, werden die wesentlichen geometrischen Abmessungen des Schwingers 5 und der Stege 9 somit mit besonders großer Präzision erzeugt. Weiterhin ist vorteilhaft, daß durch die Vorstrukturierung der Schicht 2 das Ätzverfahren der Gräben 10 in einem einzigen Prozeßschritt durchgeführt werden kann.

Auch dadurch wird die Herstellung der Strukturen vereinfacht.

Die in der Beschreibung zu den Fig. 5.3 und 5.4 beschriebenen Ätzungen erfolgt entweder durch die Verwendung mehrerer Fotolackmasken, wie dies zu Fig. 3 bereits beschrieben wurde, oder durch die Verwendung mehrerer übereinander angeordneter Maskierungen, wie dies zu Fig. 4 bereits beschrieben wurde.

Zur Fig. 5.1 wurde ausgeführt, daß die ebenfalls abgeschiedene Polysiliziumstartschicht 40 ebenfalls strukturiert wird. In diesem Fall weist die obere Siliziumschicht 3 einkristalline Siliziumbereiche auf. Alternativ ist es auch möglich, die Polysiliziumstartschicht 40 erst aufzubringen, nachdem die Strukturierung der zweiten Schicht 2 bereits erfolgt ist. In diesem Fall wächst die obere Siliziumschicht 3 vollständig als polykristalline Siliziumschicht auf.

Ausgehend von im Fig. 5.4 gezeigten Bearbeitungsstand erfolgt dann noch eine Ätzung der zweiten Schicht 2, um die Kammstrukturen 13 zu unterätzen.

In der Fig. 6 wird ein weiteres Herstellungsverfahren für einen Drehratensensor gezeigt. Dieses geht aus von einem Substrat, wie es in der Fig. 5.2 gezeigt wird. Es wird dann eine Ätzmaskierung 41 aufgebracht, die beispielsweise aus Siliziumoxid bestehen kann. Es sind jedoch auch andere Ätzmasken, beispielsweise aus Fotolack, vorstellbar. Die Ätzmaske 41 weist Strukturen 42 auf, die vollständig bis zur Siliziumschicht 3 reichen. Weiterhin sind Gräben 43 vorgesehen, die nicht vollständig bis zur Schicht 3 reichen. Die Strukturen 42 sind vorgesehen an den Stellen, an denen eine komplette Ätzung durch das Substrat hindurch bis auf die Rückseite erfolgen soll. Die Strukturen 43 sind dort vorgesehen, wo nur eine Ätzung der oberen Siliziumschicht 3 erfolgen soll. Durch Ätzung des Substrats nach der Fig. 6.1 wird dann der Drehratensensor, wie er in der Fig. 5.4 dargestellt ist, geschaffen. Die Fig. 6.2 stellt einen Zwischenschritt dieses Ätzverfahrens dar. Es wird ein Ätzverfahren verwendet, welches auch einen Abtrag der Maskierschicht 41 verursacht. Alternativ ist es auch möglich, Zwischenätzschritte zu verwenden, in denen ein Abtrag der Maskierschicht 41 erfolgt. Dadurch, daß bestimmte Bereiche der Siliziumoberfläche von Anfang an freiliegen, werden diese Bereiche schneller geätzt, als die Bereiche, die erst im Verlauf des Ätzprozesses freigelegt werden. Dies wird in der Fig. 6.2 dargestellt. Die Gräben 10, die den Strukturen 42 der Ätzmaskierung entsprechen, sind in diesem Zwischenschritt der Ätzung bereits vollständig durch die obere Siliziumschicht 3 hindurch und ein Stück weit in die erste Siliziumschicht 1 eingetrieben. Die Kammstrukturen 13, die den Strukturen 43 in der Ätzmaskierung 41 entsprechen, sind jedoch nur ein kleines Stück weit in die obere Siliziumschicht 3 eingetrieben. Bei einer Fortsetzung des Ätzprozesses entsteht dann die Struktur, wie sie in der Fig. 5.4 gezeigt wird.

Die Herstellung der Ätzmaskierschicht 41 kann beispielsweise durch ein zweistufiges Verfahren zur Herstellung einer Ätzmaskierschicht aus Siliziumoxid erfolgen. Dazu wird zunächst ganzflächig eine Siliziumschicht abgeschieden. Durch Bearbeitung mit einer ersten Fotolackmaske werden dann die Strukturen 43 eingeätzt. Danach wird eine zweite Fotolackmaske aufgebracht und die Strukturen 42 werden eingeätzt. Nach dem Entfernen der Fotolackmasken steht dann die in Fig. 6.1 gezeigte zweistufige Ätzschicht zur Verfügung.

Vorteilhaft ist an diesem Verfahren, daß nach der Erzeugung der Ätzmaske 41 keine weiteren Fotolackprozesse auf der Oberseite erforderlich sind. Da derartige Fotolackprozesse immer mit einer gewissen Gefährdung bereits eingebrachte Strukturen verbunden sind, wird so die Prozeßsicherheit verbessert.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung des Herstellungsverfahrens wird in Fig. 7.1 bis 7.4 beschrieben. Ein Unterschied zu dem in Fig. 5.1-5.4 beschriebenen Verfahren besteht in der Verwendung eines (SOI)-Schichtsystems als erste Schicht. Hierbei wird die erste Schicht aus einer ersten Siliziumschicht 100, einem Oxid 101 und einer zweiten Siliziumschicht 102 gebildet. Der zweite Unterschied besteht in der Verwendung einer zweilagigen Maske.

Das Verfahren beginnt mit einer ersten Schicht 1, welche aus einer ersten Siliziumschicht 100, einem Oxid 101 und einer zweiten Siliziumschicht 102 besteht. In aus der Beschreibung zu Fig. 5.1 bekannter Weise wird die zweite Schicht, welche hier aus den beiden Schichten 40,2 besteht, aufgebracht und strukturiert. Das Zwischenprodukt ist in Fig. 7.1 dargestellt.

In aus der Beschreibung zu Fig. 5.2 bekannter Weise wird die dritte Schicht 3 aufgebracht und mit einer Oxidhardmaske 105 versehen. Die Oxidhardmaske 105 enthält Fenster für die Kammstruktur und die Grabenstrukturen, wie es in Fig. 7.2 dargestellt ist.

Daraufhin wird eine zweite Maske 106, bestehend aus Photolack, aufgebracht, welche Fenster für die Grabenstruktur enthält. Weiterhin wird eine Maskierung 11 auf die Rückseite der ersten Schicht aufgebracht, welche ein Fenster enthält, welches mindestens die lateralen Abmessungen der Schwingmasse umfaßt. Darauf folgt das Abtragen der ersten Schicht 1, welches wiederum durch Kaliumhydroxid- oder Trockenätzen, wobei das Oxid 101 des SOI-Schichtsystems als Ätzstop dient. Somit erfolgt der Abtrag der ersten Schicht im wesentlichen in dem Silizium 100. Hierdurch werden besonders genaue Ätztiefen und besonders exakte Dimensionierung der Schwingmasse ermöglicht. Das Zwischenprodukt nach dem Abtragen der ersten Schicht 1 bis zum Oxid 101 ist in Fig. 7.3 gezeigt.

Daraufhin wird die Maskierung der Rückseite, welche je nach Ätzprozeß aus Lack oder Oxid oder Oxid mit Siliziumnitrid (letztere Doppelmaske wird bei KOH-Ätzen verwendet) besteht, zusammen mit dem offenliegenden Teil des Oxids 101 entfernt. Zum Erhalt der Stabilität wird die Abtragung der ersten Schicht teilweise mit einem Lack 110 gefüllt, welcher in einem anderen Lösungsmittel löslich ist, als der Lack der zweiten Maske 106 auf der dritten Schicht 3. Schließlich werden, von der 3. Schicht 3 ausgehend, aus der 3., 2. und 1. Schicht die Grabenstrukturen 10 herausgearbeitet, und nach Entfernen der Lackmaske 106 auf der Vorderseite die Kammstruktur 13 geätzt. Beide Ätzprozesse erfolgen vorteilhafterweise durch Trockenätzen. In diesem Stadium ist das Bauteil in Fig. 7.4 gezeigt.

Zum schließlichen Erhalt einer Sensorstruktur sind noch zwei weitere Prozeßschritte notwendig, welche hier nicht mehr gezeigt werden, da sie schon im Zusammenhang mit vorhergehenden Ausführungsbeispielen dargestellt wurden.

Hierbei handelt es sich zum Einen um das Entfernen des Lacks 110 wird, beispielsweise durch Strippen. Zum Anderen wird in einem letzten Schritt die zweite Schicht 2 unter der Kammstruktur 13 durch Gasphasenätzen entfernt. Dieser Schritt beseitigt gleichzeitig auch die Oxidhardmaske 105.

Durch ausschließliche Verwendung von Trockenätzen ergeben sich außerdem in diesem Prozeß Möglichkeiten zur Vertauschung von Schritten, welche sich als vorteilhaft erweisen könnten.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung eines Drehratensensors (6) mit einer Schwingstruktur, welche mindestens teilweise als Beschleunigungssensor mit einer Kammstruktur ausgebildet ist und einer Aufhängung für die Schwingstruktur, aus einem Substrat mit einer ersten Schicht (1), einer zweiten, isolierenden Schicht (2) und einer dritten Schicht (3), wobei

• a.) aus der dritten Schicht (3) eine Kammstruktur und Leiterbahnen (4) herausstrukturiert werden, und wobei
• b.) die zweite Schicht (2) unter der Kammstruktur mindestens teilweise entfernt wird, und wobei
• c.) auf der ersten Schicht (1) eine Passivierungsschicht (11) aufgebracht wird, die Passivierungsschicht (11) im Bereich der Schwingstruktur entfernt wird, und die erste Schicht (1) im Bereich der Schwingstruktur bis auf eine vorgegebene Dicke abgetragen wird, und wobei
• d.) aus der dritten, der zweiten und der ersten Schicht (3, 2, 1) die Schwingstruktur herausstrukturiert wird,
  dadurch gekennzeichnet, daß daß die Schritte a.-d. in einer beliebigen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei der Schritt a. vor dem Schritt b. erfolgt, und das Abtragen der ersten Schicht mit einem Trockenätzprozeß erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Leiterbahnen vorgesehen sind, die fest mit der zweiten Schicht verbunden sind und die von der Kammstruktur zu der Aufhängung der Schwingstruktur geführt sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß leitende Schichten (24) auf die Leiterbahnen (4) aufgebracht werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einem Silicon-on-Insulator (SOI)-Schichtsystem besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (1) des Substrats aus Silizium besteht, die zweite, isolierende Schicht (2) des Substrats aus Siliziumoxid besteht und die dritte Schicht (3) des Substrats aus Silizium besteht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (1) aus einem SOI Dreischichtsystem besteht, die zweite Schicht aus einem Oxid und die dritte Schicht aus Silizium besteht.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die für Oxid der als SOI-Dreischichtsystem ausgebildeten ersten Schicht und/oder als Ätzstop für die Schritte dient.

8. Verfahren zur Herstellung eines Drehratensensors (6) mit einer Schwingstruktur, welche mindestens teilweise als Beschleunigungssensor mit einer Kammstruktur ausgebildet ist und einer Aufhängung für die Schwingstruktur, aus einem Substrat mit einer ersten Schicht (1), einer zweiten, isolierenden Schicht (2) und einer dritten Schicht (3), wobei

• a.) aus der dritten Schicht (3) eine Kammstruktur und Leiterbahnen (4) herausstrukturiert werden, und wobei
• b.) die zweite Schicht (2) unter der Kammstruktur mindestens teilweise entfernt wird, und wobei
• c.) auf der ersten Schicht (1) eine Passivierungsschicht (11) aufgebracht wird, die Passivierungsschicht (11) im Bereich der Schwingstruktur entfernt wird, und die erste Schicht (1) im Bereich der Schwingstruktur bis auf eine vorgegebene Dicke abgetragen wird, und wobei
• d.) aus der dritten, der zweiten und der ersten Schicht (3, 2, 1) die Schwingstruktur herausstrukturiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte a.-d. in einer beliebigen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei der Schritt a. vor dem Schritt b. und das Abt ragen der ersten Schicht vor dem Herausstrukturieren der Schwingstruktur erfolgt, und daß als erste Schicht (1) ein SOI-Dreischichtsystem verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxid (101) des SOI-Dreischichtsystems als Ätzstop für das Abtragen der ersten Schicht herangezogen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxid (101) des SOI-Drei­ schichtsystems als Ätzstop für das Erzeugen der Grabenstrukturen herangezogen wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9-11, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxid (101) des SOI-Drei­ schichtsystems im Bereich der Schwingmasse abgetragen wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9-12, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtragen der ersten Schicht (1) mit einem naßchemischen Ätzprozeß, insbesondere mit Kaliumhydroxid, erfolgt.