DE19828606A1 - Halbleiter-Giergeschwindigkeitssensor - Google Patents
Halbleiter-GiergeschwindigkeitssensorInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Halb
leiter-Giergeschwindigkeitssensor, der eine aus einem Halb
leitermaterial gebildete Balken- bzw. Auslegerstruktur auf
weist.
Ein herkömmlicher Halbleiter-Giergeschwindigkeitssensor
ist in der JP-A-H.8-148698 offenbart. In diesem Halbleiter-
Giergeschwindigkeitssensor ist eine Auslegerstruktur aus
einem Halbleitermaterial gebildet und in einer vorbestimm
ten Entfernung oberhalb einer Oberseite eines Substrats lo
kalisiert. Die Auslegerstruktur wird zum erzwungenen
Schwingen bzw. Vibrieren in einer Horizontalrichtung
relativ zu der Substratoberflächenebene veranlaßt. Eine
Giergeschwindigkeit wird auf der Grundlage einer
Vertikalverschiebung der Auslegerstruktur relativ zu der
Substratoberflächenebene erfaßt.
Um bei diesem Halbleiter-Giergeschwindigkeitssensor ei
nen Schwingungs- bzw. Vibrationszustand der Auslegerstruk
tur in Horizontalrichtung zu erfassen, ist eine bewegliche
Gateelektrode in der Auslegerstruktur vorgesehen, und es
sind Source- und Drainelektroden in dem Substrat gebildet.
Infolge dieser Anordnung wird der Schwingungszustand der
Trägerstruktur in Horizontalrichtung, d. h. die erzwungene
Schwingung der Trägerstruktur, als Drainstrom erfaßt, wel
cher zwischen den Source- und Drainelektroden fließt. Die
Auslegerstruktur wird zu einem Schwingen mit einer konstan
ten Resonanzfrequenz auf der Grundlage des erfaßten Drain
stroms veranlaßt.
Bei dem oben beschriebenen herkömmlichen Giergeschwin
digkeitssensor ist es jedoch nötig, nicht nur die bewegli
che Gateelektrode in der Auslegerstruktur vorzusehen, son
dern ebenfalls die Source- und Drainelektroden in dem
Substrat zu bilden. Daher wird die Struktur des Gierge
schwindigkeitssensors kompliziert.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die
obige Schwierigkeit gemacht, und Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es, einen Halbleiter-Giergeschwindigkeitssen
sor bereitzustellen, bei welchem eine erzwungene Schwingung
einer Auslegerstruktur mit einer einfachen Struktur über
wacht werden kann.
Die Lösung der Angebote erfolgt durch die im Anspruch 1
bezeichneten Merkmale. Demgemäß besitzt der Halbleiter-
Giergeschwindigkeitssensor der vorliegenden Erfindung ein
Substrat, eine Ausleger- bzw. Balkenstruktur, welche aus
einem Halbleitermaterial gebildet ist und wenigstens ein
auf dem Substrat angeordnetes Ankerteil aufweist, ein Ge
wichtsteil, welches über dem Substrat mit einem vorbestimm
ten Abstand davon lokalisiert ist, und ein Auslegerteil,
welches sich von dem Ankerteil erstreckt und das Gewichts
teil trägt. Eine bewegliche Elektrode ist auf dem Gewichts
teil gebildet, und eine festgelegte Elektrode ist auf dem
Substrat derart gebildet, daß die festgelegte Elektrode ge
genüber der beweglichen Elektrode liegt. Wenn eine Ansteue
rungsspannung an die bewegliche Elektrode und die festge
legte Elektrode angelegt wird, wird die Auslegerstruktur
zum erzwungenen Schwingen bzw. Vibrieren in Horizontalrich
tung relativ zu einer Substratoberflächenebene veranlaßt.
Bei diesem Giergeschwindigkeitssensor ist ein Dehnungsmeß
gerät in dem Auslegerteil gebildet, um die erzwungene
Schwingung der Auslegerstruktur zu überwachen. Als Ergebnis
kann die erzwungene Schwingung der Auslegerstruktur mit ei
ner einfachen Struktur überwacht werden.
In diesem Fall wird es bevorzugt, eine Schaltung vorzu
sehen, welche eine Ansteuerungsspannung erzeugt, die an die
bewegliche Elektrode und die festgelegte Elektrode anzule
gen ist, so daß während der Schwingung der Auslegerstruktur
eine Resonanzfrequenz auf einem konstanten Wert gehalten
wird. Die Ansteuerungsspannung kann an dem Ausgang des Deh
nungsmeßgeräts erzeugt werden.
Eine Diffusionsschicht kann in dem Auslegerteil gebil
det sein. Die Diffusionsschicht kann als Draht verwendet
werden, welcher zu dem Dehnungsmeßgerät führt bzw. leitet.
Alternativ kann ein Metalldraht auf dem Auslegerteil be
reitgestellt werden, um als Draht verwendet zu werden, der
zu dem Dehnungsmeßgerät führt bzw. leitet. Infolge dieses
Drahts kann das Dehnungsmeßgerät mit einer Elektrode elek
trisch verbunden werden, welche beispielsweise an dem An
kerteil gebildet ist.
Der Draht kann in dem Auslegerteil in einer U-förmigen
Gestalt gebildet werden, und beide Enden des Drahtes sind
mit einem Paar von Elektroden verbunden, die in dem Anker
teil gebildet sind. Wenn alternativ wenigstens zwei der An
kerteile auf dem Substrat angeordnet sind, kann der Draht
derart vorgesehen sein, daß ein Ende des Drahts mit einer
in einem der Ankerteile gebildeten ersten Elektrode verbun
den ist und das andere Ende des Drahtes mit einer in dem
anderen der Ankerteile gebildeten zweiten Elektrode verbun
den ist. D.h. der Draht bewegt sich durch das Auslegerteil,
welches sich von einem der Ankerteile erstreckt, durch das
Gewichtsteil und durch das Auslegerteil, welches sich von
dem anderen der Ankerteile erstreckt. Sogar wenn in diesem
Fall die Breite des Strahlteils klein ist, kann die Ver
drahtung leicht gebildet werden.
Vorzugsweise sind zwei Dehnungsmeßgeräte an unter
schiedlichen Positionen gebildet, so daß, während die Aus
legerstruktur zum Schwingen in Horizontalrichtung veranlaßt
wird, dann, wenn eine Zugspannung auf eines der Dehnungs
meßgeräte aufgebracht wird, auf das andere Dehnungsmeßgerät
eine Druckspannung aufgebracht wird. In diesem Fall verhal
ten sich die Widerstandswerte der zwei Dehnungsmeßgeräte
umgekehrt relativ zu einander. Wenn daher eine Halbbrücken
schaltung oder eine Vollbrückenschaltung unter Verwendung
der zwei Dehnungsmeßgeräte konstruiert wird, ist es mög
lich, die erzwungene Schwingung der Auslegerstruktur genau
zu überwachen.
Des weiteren ist das Dehnungsmeßgerät vorzugsweise von
einer neutralen Achse des Auslegerteils während der erzwun
genen Schwingung der Auslegerstruktur versetzt gebildet.
Wenn das Dehnungsmeßgerät entlang der neutralen Achse loka
lisiert ist, wird darauf eine sehr kleine Zug- oder Druck
spannung aufgebracht. Daher kann mit dem von der neutralen
Achse versetzten Dehnungsmeßgerät die erzwungene Schwingung
der Strahlstruktur genau erfaßt werden.
Die vorliegende Erfindung wird in der nachfolgenden Be
schreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Halbleiter-Gier
geschwindigkeitssensor einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht, welche eine
in Fig. 1 dargestellte Auslegerstruktur 2 und festgelegte
Elektroden 10, 11 darstellt;
Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm, welches eine Schaltung
zur Aktivierung der Auslegerstruktur und Erzeugung eines
Ausgangssignals entsprechend einer Giergeschwindigkeit dar
stellt;
Fig. 4 bis 13 zeigen Querschnittsansichten, welche
stufenweise das Herstellungsverfahren des Halbleiter-Gier
geschwindigkeitssensors veranschaulichen;
Fig. 14 zeigt eine perspektivische Ansicht, welche eine
Auslegerstruktur und festgelegte Elektroden einer Modifi
zierung der ersten Ausführungsform darstellt;
Fig. 15 zeigt eine Draufsicht auf einen Halbleiter-
Giergeschwindigkeitssensor einer Modifizierung der ersten
Ausführungsform;
Fig. 16 zeigt eine partiell vergrößerte Ansicht des in
Fig. 15 dargestellten Halbleiter-Giergeschwindigkeitssen
sors;
Fig. 17 zeigt eine partiell vergrößerte Ansicht, welche
eine Modifizierung des in Fig. 15 dargestellten Halbleiter-
Giergeschwindigkeitssensors darstellt;
Fig. 18 zeigt eine Ansicht, welche eine Bildungspositi
on für ein Dehnungsmeßgerät darstellt; und
Fig. 19 zeigt eine Ansicht, welche ein Dehnungsmeßgerät
15 und einen Aluminiumdraht 16' einer Modifizierung der er
sten Ausführungsform darstellt.
Wie in Fig. 1 dargestellt besitzt ein Halbleiter-Gier
geschwindigkeitssensor Ausleger- bzw. Balkenstrukturen
(bewegliche Strukturen) 2, 3 auf einer oberen Seite eines
Halbleitersubstrats 1. Die Auslegerstrukturen 2, 3 werden
zum Schwingen bzw. Vibrieren in entgegengesetzter Phase
veranlaßt, und es wird ein Ausgangssignal von jeder der
Auslegerstrukturen 2, 3 erzeugt. Eine Giergeschwindigkeit
wird infolge einer Differenzerfassung der Ausgangssignale
von den Auslegerstrukturen 2, 3 erfaßt.
Die Auslegerstruktur 2 enthalt vier Ankerteile 4a, 4b,
4c und 4d, welche auf dem Substrat 1 mit vorbestimmten Ab
ständen dazwischen angeordnet sind. Ein Ausleger- bzw. Bal
kenteil 5 ist zwischen den Ankerteilen 4a, 4c installiert,
und es ist ein Auslegerteil 6 zwischen den Ankerteilen 4b,
4d installiert. Ein Gewichtsteil (Massenteil) 7a ist zwi
schen den Auslegerteilen 5, 6 vorgesehen. Daher sind die
Auslegerteile 5, 6 über das Gewichtsteil 7 verbunden.
In dem Gewichtsteil 7 ist eine Mehrzahl von Löchern 7a,
welche das Gewichtsteil 7 vertikal durchdringen, gebildet.
Ebenfalls springt eine Mehrzahl beweglicher Elektroden 8
für eine Schwingung bzw. Vibration von einer Seite des Ge
wichtsteils 7 hervor, und es springt eine Mehrzahl bewegli
cher Elektroden 9 für eine Schwingung von der anderen Seite
davon hervor. Jeder der beweglichen Elektroden 8, 9 besitzt
die Form eines rechteckigen Pfahls bzw. Stange. Die beweg
lichen Elektroden 8 und die beweglichen Elektroden 9 sind
mit gleichen Abständen angeordnet und erstrecken sich je
weils parallel zueinander.
Die Auslegerstruktur 3 besitzt dieselbe Struktur wie
die Auslegerstruktur 2.
Auf der oberen Seite des Substrats 1 sind festgelegte
Elektroden 10, 11, 12 für eine Schwingung bzw. Vibration
vorgesehen. Jede der festgelegten Elektroden 10, 11, 12
wird von einem auf dem Substrat 1 angeordneten Ankerteil
getragen. Die festgelegten Elektroden 10, 12 besitzen vor
springende Elektrodenteile, die jeweils auf einer Seite da
von gebildet sind. Die festgelegte Elektrode 11 besitzt
vorspringende Elektrodenteile, die auf jeder Seite davon
gebildet sind. Die Auslegerstrukturen 2, 3 und die festge
legten Elektroden 10, 11, 12 sind auf dem Substrat 1 derart
positioniert, daß die beweglichen Elektroden 8, 9 und die
vorspringenden Elektrodenteile der festgelegten Elektrode
10, 11, 12 mit dazwischen befindlichen Lücken überlappt
sind.
Darüber hinaus sind auf der Oberseite des Substrats 1
untere Elektroden 13, 14 in Bereichen gebildet, welche den
Gewichtsteilen 7 der Auslegerstrukturen 2, 3 gegenüberlie
gen bzw. diese überdecken.
Wenn bei dem Halbleiter-Giergeschwindigkeitssensor mit
der oben beschriebenen Struktur eine erste Ansteuerungs
spannung an die beweglichen Elektroden 8 der Auslegerstruk
tur 2 und die festgelegte Elektrode 10 angelegt wird und
eine zweite Ansteuerungsspannung mit einer entgegengesetz
ten Phase zu derjenigen der ersten Ansteuerungsspannung an
die beweglichen Elektrode 9 und die festgelegte Elektrode
11 angelegt wird, wird die Auslegerstruktur 2 (das Ge
wichtsteil 7 und die Auslegerteile 5, 6) zum erzwungenen
Schwingen bzw. Vibrieren in einer Horizontalrichtung
(Parallelrichtung) relativ zu einer Oberfläche des
Substrats 1 infolge einer elektrostatischen Kraft veran
laßt, welche zwischen den beweglichen Elektroden 8, 9 bzw.
der festgelegten Elektrode 10, 11 wirkt. Wenn auf dieselbe
Weise die zweite Ansteuerungsspannung an die beweglichen
Elektroden 8 der Auslegerstruktur 3 und die festgelegte
Elektrode 11 angelegt wird und die erste Ansteuerungsspan
nung mit einer entgegengesetzten Phase gegenüber derjenigen
der zweiten Ansteuerungsspannung an die beweglichen Elek
troden 9 der Auslegerstruktur 3 und die festgelegte Elek
trode 12 angelegt wird, wird die Strahlstruktur 3 (das Ge
wichtsteil 7 und die Auslegerteile 5, 6) zur erzwungenen
Schwingung in einer Horizontalrichtung relativ zu der Ober
fläche des Substrats 1 infolge einer elektrostatischen
Kraft veranlaßt, welche zwischen den beweglichen Elektroden
8, 9 bzw. der festgelegten Elektrode 11, 12 wirkt.
Wenn zu dieser Zeit ein Gieren der Größe Ω um eine
Achse wirkt, welche entlang der Oberfläche dem Substrats 1
wie in Fig. 1 dargestellt verläuft, wird eine Corioliskraft
in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Substrats
1 erzeugt und hauptsächlich auf die Gewichtsteile 7 der
Auslegerstrukturen 2, 3 aufgebracht. Hier hängt die Corio
liskraft Fc von einem Gewicht M des Gewichtsteils 7, einer
Schwingungsrate bzw. Schwingungsgeschwindigkeit V und der
Gierung Ω ab und wird durch die folgende Gleichung 1 aus
gedrückt.
Fc = 2MVΩ (1).
Wenn während der erzwungenen Schwingung der Ausleger
strukturen 2, 3 die Gewichtsteile 7 der Auslegerstrukturen
2, 3 in die Vertikalrichtung auf die Oberfläche des
Substrats 1 zu verschoben werden, ändern sich die Kapazi
tätswerte der zwischen den Auslegerstrukturen 2, 3 und den
unteren Elektroden 13, 14 gebildeten Kondensatoren entspre
chend der jeweiligen Verschiebung der Gewichtsteile 7 der
Auslegerstrukturen 2, 3. D.h. eine Giergeschwindigkeit wird
erfaßt, wenn sich ein Kapazitätswert der Kondensatoren her
vorgerufen durch die jeweilige Verschiebung der Gewichts
teile 7 ändert.
Da ebenfalls die Schwingung der Auslegerstruktur 2 ge
genüber der Schwingung der Auslegerstruktur 3 bezüglich der
Phase um 180° verschoben ist, werden das Gewichtsteil 7 der
Auslegerstruktur 2 und das Gewichtsteil 7 der Ausleger
struktur 3 relativ zueinander umgekehrt verschoben. Daher
kann durch eine Differenzerfassung der Ausgangssignale von
den Auslegerstrukturen 2, 3 die Giergeschwindigkeit genau
erfaßt werden.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teils
der linken Hälfte des Giergeschwindigkeitssensors, d. h. der
Auslegerstruktur 2. Obwohl in Fig. 1 nicht dargestellt sind
die Dehnungsmeßgeräte 15, 19 durch Diffusionsschichten in
den Auslegerteilen 5, 6 wie in Fig. 2 dargestellt gebildet,
um die erzwungene Schwingung der Auslegerstruktur 2 zu
überwachen.
Das Dehnungsmeßgerät 15 ist mit einem Paar von Elektro
den 17, 18 verbunden, die in dem Ankerteil 4c über einer
durch eine Diffusionsschicht gebildeten Verdrahtungsschicht
16 gebildet sind. Das Dehnungsmeßgerät 19 ist mit einem
Paar von Elektroden 21, 22 verbunden, die in dem Ankerteil
4d über einer durch eine Diffusionsschicht gebildeten Ver
drahtungsschicht 20 gebildet sind.
Da wie in Fig. 2 dargestellt das Dehnungsmeßgerät 15
auf einer linken Seite einer Mittellinie (neutrale Achse)
des Auslegerteils 5 gebildet ist und das Dehnungsmeßgerät
19 auf einer rechten Seite einer Mittellinie des Ausleger
teils 6 gebildet ist, wird während die Strahlstruktur 2 zum
Schwingen in Horizontalrichtung veranlaßt wird, dann, wenn
eines der Dehnungsmeßgeräte 15, 16 mit einer Zugspannung
beaufschlagt wird, das andere mit einer Druckspannung be
aufschlagt. Daher ändern sich die Widerstandswerte der zwei
Dehnungsmeßgeräte 15, 19 umgekehrt relativ zueinander.
Fig. 3 zeigt eine Schaltung, welche die Auslegerstruk
tur 2 zum Schwingen und zum Erzeugen eines Ausgangssignals
der Auslegerstruktur 2 veranlaßt.
Die Dehnungsmeßgeräte 15, 19 sind in Serie angeschlos
sen, um eine Halbbrückenschaltung zu bilden. Als Ergebnis
werden die jeweiligen Widerstandswertänderungen der Deh
nungsmeßgeräte 15, 19 als Spannungsänderung an der Halb
brückenschaltung gebildet. Das an der Halbbrückenschaltung
erzeugte Spannungssignal wird in ein Überwachungssignal
nach dem Hindurchtreten durch einen Bandpaßfilter (BPF) 40
und einen Verstärker 41 umgewandelt. Dabei ist während der
erzwungenen Schwingung der Auslegerstruktur 2 das Überwa
chungssignal gegenüber der Ansteuerungsspannung bezüglich
der Phase um 90° verschoben, so daß die Auslegerstruktur 2
erzwungenermaßen schwingt. Daher wird die Phase des Überwa
chungssignals durch einen Phasenwandler 42 um 90° verscho
ben, und danach wird das Überwachungssignal an die festge
legte Elektrode 10 als Ansteuerungsspannung angelegt. Eben
falls wird ein Signal, dessen Phase durch einen Inverter 43
gegenüber der Phase des an die festgelegte Elektrode 10 an
gelegten Überwachungssignals invertiert ist, an die festge
legte Elektrode 11 angelegt. Es wird festgestellt, daß das
Potential der beweglichen Elektroden 8, 9, welche für das
Gewichtsteil 7 vorgesehen sind, auf ein Bezugspotential
(beispielsweise auf ein Massepotential) festgelegt wird.
Auf diese Weise wird ein freischwingender Oszillator
durch eine geschlossene Schleife gebildet, wobei die An
steuerungsspannung für die erzwungene Schwingung der Ausle
gerstruktur 2 auf der Grundlage der Ausgangsspannung der
aus den Dehnungsmeßgeräten 15, 19 konstruierten Halb
brückenschaltung erzeugt wird, und die Dehnungsmeßgeräte
15, 19 überwachen die erzwungene Schwingung der Ausleger
struktur 2, wenn die Ansteuerungsspannungen an die bewegli
chen Elektroden 8, 9 bzw. die festgelegten Elektroden 10,
11 angelegt werden. Die Auslegerstruktur 2 wird zur erzwun
gen Schwingung mit einer Resonanzfrequenz durch den frei
schwingenden Oszillator veranlaßt.
Nachdem das Überwachungssignal durch den Phasenschieber
42 hindurchgetreten ist, wird es mit einem Signal multipli
ziert, welches von einem automatischen Verstärkungskontrol
ler (AGC, automatic gain controller) A erzeugt wird, der
durch einen Gleichrichter 44, einen Tiefpaßfilter 45 und
einen Multiplizierer 46 gebildet wird. Als Ergebnis ist es
möglich, eine Amplitude des Überwachungssignals konstant zu
halten und dadurch die Amplitude der erzwungenen Schwingung
der Auslegerstruktur 2 konstant zu halten.
Der Kapazitätswert des zwischen der Auslegerstruktur 2
und der unteren Elektrode 13 gebildeten Kondensators wird
durch einen C-V-Wandler 47 in ein Spannungssignal umgewan
delt. Das umgewandelte Spannungssignal wird unter Verwen
dung des von dem Verstärker 41 erzeugten Überwachungssi
gnals von einem synchronen Demodulator 48 synchron demodu
liert. Durch diese Signalverarbeitung wird ein Gierge
schwindigkeitssignal von dem synchronen Demodulator 48 er
zeugt.
Die Dehnungsmeßgeräte sind ebenfalls auf den jeweiligen
Auslegerteilen 5, 6 der Auslegerstruktur 3 gebildet. Auf
dieselbe Weise wie oben beschrieben wird die erzwungene
Schwingung der Auslegerstruktur 3 durch die Dehnungsmeßge
räte überwacht. Ebenfalls wird auf der Grundlage des von
den Dehnungsmeßgeräten erzeugten Spannungssignals die Aus
legerstruktur 3 zur erzwungenen Schwingung veranlaßt. Es
wird ebenfalls ein Giergeschwindigkeitssignal von der Aus
legerstruktur 3 erfaßt.
Als nächstes wird ein Herstellungsverfahren des Gierra
tensensors unter Bezugnahme auf Fig. 4 bis 13 beschrie
ben, welche Querschnittsansichten entlang Linie A-A von
Fig. 2 zeigen.
Zuerst wird wie in Fig. 4 dargestellt ein einkristalli
nes N-Typ Siliziumsubstrat (erstes Halbleitersubstrat) 100
bereitgestellt. Ein Graben 100a zur Ausrichtung wird in dem
Silizumsubstrat 100 durch Grabenätzen gebildet. Danach wird
eine Siliziumoxidschicht 101, welche als dünne Opferschicht
dient, durch ein Verfahren wie chemische Aufdampfung (CVD)
gebildet.
Als nächstes wird wie in Fig. 5 dargestellt eine
Austiefung 102 durch partielles Ätzen der Siliziumoxid
schicht 101 gebildet. Die Austiefung 102 dient der Bildung
eines Vorsprungs, um einen Kontaktbereich der Aufleger
struktur 2 und des Substrats 1 zu verringern, wenn die Aus
legerstruktur 2 an dem Substrat 1 infolge einer Oberflä
chenspannung davon in einem später beschriebenen Ätzschicht
der Opferschicht anhaftet. Des weiteren wird eine Silizium
nitridschicht (erste Isolierungsdünnschicht) 103, welche
ein Ätzstoppper in dem Ätzschritt der Opferschicht wird,
auf der Siliziumoxidschicht 101 gebildet.
Öffnungen 104 werden in einem aufgeschichteten Körper
der Siliziumnitridschicht 103 und der Siliziumoxidschicht
101 an Gebieten gebildet, wo die Ankerteile beispielsweise
durch Fotolithografie- und Trockenätzschritte zu bilden
sind. Es wird festgestellt, daß die Öffnungen entsprechend
aller Ankerteile der Auslegerstrukturen 2, 3 und der fest
gelegten Elektroden 10, 11, 12 gebildet werden.
Darauf folgend wird wie in Fig. 6. dargestellt eine poly
kristalline Siliziumdünnschicht 105 als Material gebildet,
welches die Ankerteile in den Öffnungen 104 und auf der Si
liziumnitridschicht 103 mit einer Schichtdicke von 0,5 µm
bis 2 µm bildet. Während der Schichtbildung oder danach wird
eine Verunreinigung bzw. werden Störstellen in die polykri
stalline Siliziumdünnschicht 105 eingeführt, um sie in ei
ne leitende Dünnschicht umzuwandeln. Des weiteren wird die
polykristalline Siliziumdünnschicht 105 durch Fotolithogra
fie- und Ätzschritte strukturiert, und dadurch wird die mit
Störstellen dotierte polykristalline Siliziumdünnschicht
105 in einem vorbestimmten Gebiet auf den Öffnungen 104 und
der Siliziumnitridschicht 103 gebildet. Danach wird eine
Nitridschicht 106 auf der polykristallinen Siliziumdünn
schicht 105 gebildet.
Da in dem Fotolithografieschritt für die polykristalli
ne Siliziumdünnschicht 105 die polykristalline Silizi
umdünnschicht 105 sehr dünn ist (0,5 µm bis 2 µm), kann die
Form der in der Siliziumnitridschicht 103 gebildeten Öff
nungen 104 durch die polykristalline Siliziumdünnschicht
105 gesehen werden, und es kann die Ausrichtung der Foto
maske genau durchgeführt werden.
Als nächstes wird wie in Fig. 7 dargestellt eine Sili
ziumoxidschicht (zweite Isolierungsdünnschicht) 107 auf der
Nitridschicht 106 gebildet. Darauf folgend wird wie in Fig.
8 dargestellt eine polykristalline Siliziumdünnschicht
108, welche als Dünnschicht für eine Aufschichtung dient,
auf der Siliziumoxidschicht 107 gebildet, und die Oberflä
che davon wird durch mechanisches Polieren oder dergleichen
geglättet.
Als nächstes wird wie in Fig. 9 dargestellt ein einkri
stallines Siliziumsubstrat (zweites Halbleitersubstrat)
109, welches sich von dem Siliziumsubstrat 100 unterschei
det, bereitgestellt und auf die polykristalline Silizi
umdünnschicht 108 geschichtet. Danach wird wie in Fig. 10
dargestellt die Struktur um 180° gewendet, so daß das
Substrat 100 die Oberseite wird, und es wird das Silizium
substrat 100 durch mechanisches Polieren oder dergleichen
verdünnt. Wenn zu diesem Zeitpunkt das Polieren auf eine
Tiefe des in dem Siliziumsubstrat 100 gebildeten Grabens
100a ausgeführt worden ist, d. h. bis der Rand des Grabens
100a bloßgelegt ist, erscheint die Siliziumoxidschicht 101
auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats 100. Da sich die
Härte der polierten Oberfläche des Substrats 100 ändert,
kann als Ergebnis ein Endpunkt des Polieriens leicht erfaßt
werden. Des weiteren werden mit der Siliziumoxidschicht
101, welche in dem als Ausrichtungsmarkierung verwendeten
Graben 100a gebildet ist, eine Schichtbildung und ein Gra
benätzen in den folgenden Schritten durchgeführt.
Nach dem Polieren werden ein Dehnungsmeßgerät 110 zur
Überwachung der erzwungenen Schwingung der Auslegerstruktur
und eine Verdrahtungsschicht 111 in dem Siliziumsubstrat
100 gebildet. In diesem Fall wird das Dehnungsmeßgerät 110
als Diffusionsschicht durch Implantieren von Borionen mit
kleinen Dosen (von etwa 3×14 cm-3) in das einkristalline
N-Typ Siliziumsubstrat 100 gebildet. Die Verdrahtungs
schicht 111 wird ebenfalls als Diffusionsschicht durch Im
plantieren von Borionen mit großen Dosen (von etwa 1×1016
cm-3) in das Siliziumsubstrat 100 gebildet.
Danach werden wie in Fig. 11 dargestellt eine Isolie
rungszwischenschicht 112 und eine Siliziumnitridschicht 113
auf dem Siliziumsubstrat 100 gebildet. Ein Kontaktloch wird
in der Isolierungsschicht 112 und der Siliziumnitridschicht
113 beispielsweise durch Fotolithografie- und Trockenätz
schritte gebildet. Eine Aluminiumelektrode 114 wird durch
einen Schichtbildungsschritt, einen Fotolithografieschritt
und einen Ätzschritt gebildet. Obwohl in der Figur nicht
dargestellt werden Phosphorionen in das Siliziumsubstrat
100 an einem Ort implantiert, an welchem ein konstantes Po
tential an das Substrat 100 angelegt wird, und es wird eine
Elektrode an dem Ort gebildet.
Danach wird wie in Fig. 12 dargestellt eine Ausleger
struktur durch Fotolithografie- und Ätzschritte unter Ver
wendung einer Maske 115 entsprechend einer Form der Ausle
gerstruktur gebildet. D.h. es werden Gräben 116, welche so
wohl die Auslegerstruktur als auch die festgelegten Elek
troden definieren, in dem Siliziumsubstrat 100 durch Gra
benätzen gebildet. Zu diesem Zeitpunkt kann das Ätzen mit
einer weichen Maske wie einem Fotoresist oder einer harten
Maske wie einer Oxidschicht durchgeführt werden.
Schließlich wird wie in Fig. 13 dargestellt die Silizi
umoxidschicht 111 durch Ätzen mit beispielsweise einer HF-
Ätzflüssigkeit bzw. einem -Ätzmittel entfernt, wodurch das
Siliziumsubstrat 100 in eine bewegliche Auslegerstruktur
gebracht wird. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Sublimations
mittel wie Paradichlorbenzol verwendet, um zu verhindern,
daß die bewegliche Auslegerstruktur auf dem Substrat in ei
nem Trocknungsschritt nach dem Ätzen anhaftet.
Durch die oben beschriebenen Schritte kann der in Fig.
1, 2 dargestellte Halbleiter-Giergeschwindigkeitssensor
hergestellt werden. Es wird festgestellt, daß ein Teil von
der Siliziumnitridschicht 103 bis zu dem Siliziumsubstrat
109 wie in Fig. 13 dargestellt das in Fig. 1 dargestellte
Substrat bildet.
Obwohl bei dem Giergeschwindigkeitssensor der ersten
Ausführungsform ein Signal/Rausch-Verhältnis (S/N-Verhält
nis) durch Ausführen der Differenzerfassung der Ausgangs
signale von den Auslegerstrukturen 2, 3 verbessert ist,
kann eine Giergeschwindigkeit mit lediglich einer Ausleger
struktur erfaßt werden.
Obwohl das Gewichtsteil von vier Auslegerteilen, welche
sich von den jeweiligen Ankerteilen bei der ersten Ausfüh
rungsform erstrecken, getragen wird, kann darüber hinaus
lediglich ein Auslegerteil gebildet werden, um das Ge
wichtsteil zu tragen. Es versteht sich, daß zwei, drei oder
mehr als vier Auslegerteile statt dessen entsprechend beson
deren Entwurfsparametern gebildet werden können, um das Ge
wichtsteil zu tragen.
Bei der ersten Ausführungsform wurde beispielsweise die
Verdrahtungsschicht 16 in einer U-Form in dem Auslegerteil
5 gebildet, und es wurden beide Enden der Verdrahtungs
schicht 16 mit einem Paar von in dem Ankerteil 4c gebilde
ten Elektroden 17, 18 verbunden. Jedoch kann wie in Fig. 14
dargestellt die Verdrahtungsschicht 16 (20) derart gebildet
werden, daß ein Ende der Verdrahtungsschicht 16 (20) mit
einer in einem der Ankerteile 4c (4b) gebildeten ersten
Elektrode 17 (21) verbunden ist und das andere Ende der
Verdrahtungsschicht mit einer in dem anderen Ankerteil der
Ankerteile 4d (4a) gebildeten zweiten Elektrode 18 (22)
verbunden ist. D.h. die Verdrahtungsschicht 16 (20) er
streckt sich von einem Ankerteil der Ankterteile 4c (4b)
entlang dem Gewichtsteil 7 bis zu dem anderen Ankerteil der
Ankerteile 6 (5). Sogar wenn die Breite des Auslegerteils
5, 6 klein ist, können in diesem Fall die Verdrahtungs
schichten 16, 20 und die Dehnungsmeßgeräte 15, 19 leicht
gebildet werden.
Vier Dehnungsmeßgeräte können in den vier Auslegertei
len 5, 6 gebildet werden, welche sich von den Ankerteilen
4a bis 4d jeweils erstrecken, und die Dehnungsmeßgeräte
können zur Bildung einer Vollbrückenschaltung miteinander
verbunden sein, um die erzwungene Schwingung der Ausleger
struktur 2 zu überwachen.
Des weiteren kann die vorliegende Erfindung auf einen
Halbleiter-Giergeschwindigkeitssensor angewandt werden,
welcher ähnlich wie eine Stimmgabel schwingt. Bei einem
derartigen Halbleiter-Giergeschwindigkeitssensor wie in
Fig. 15 dargestellt werden die Gewichtsteile 7 der Ausle
gerstrukturen 2, 3 von vier 4 Ankerteilen 23a, 23b, 23c,
23d durch die Auslegerteile 24a, 24b, 24c, 24d getragen. In
diesem Fall ist wie in Fig. 16 dargestellt ein Dehnungsmeß
gerät 25 auf dem Auslegerteil 24b gebildet und elektrisch
mit einem Paar von auf dem Ankerteil 23c gebildeten Elek
troden 27, 28 über eine Verdrahtungsschicht 26 verbunden.
Ebenfalls ist ein Dehnungsmeßgerät 29 auf dem Auslegerteil
24c gebildet und elektrisch mit einem Paar von auf dem An
kerteil 23d gebildeten Elektroden 31, 32 über eine Verdrah
tungsschicht 30 verbunden. Alternativ kann wie in Fig. 17
dargestellt das Dehnungsmeßgerät 25 mit dem Paar von Elek
troden 27, 28 mit einer Verdrahtungsschicht 26 verbunden
sein, welche sich durch die Ausiegerteile 24a, das Ge
wichtsteil 7 und das Auslegerteil 24b bewegt. Auf dieselbe
Weise kann das Dehnungsmeßgerät 29 mit dem Paar von Elek
troden 31 und 32 mit einer Verdrahtungsschicht 30 elek
trisch verbunden sein, welche sich durch die Auslegerteile
24c, das Gewichtsteil 7 und das Auslegerteil 24d bewegt.
Bei dem in Fig. 16 und 17 dargestellten Gierge
schwindigkeitssensor ist das Dehnungsmeßgerät 25 (29) an
einer Position gebildet, welche von einer neutralen Achse
des Auslegerteils 24b (24c) wie in Fig. 18 dargestellt ver
setzt ist. Als Ergebnis kann ein Ausgangssignal entspre
chend der erzwungenen Schwingung der Auslegerstruktur 2 (3)
von dem Dehnungsmeßgerät 25 (29) erzeugt werden. Daher kön
nen die erzwungenen Schwingungen der Auslegerstrukturen 2,
3 auf dieselbe Weise wie bei der ersten Ausführungsform
überwacht werden.
Des weiteren ist bei dem in Fig. 16 und 17 darge
stellten Giergeschwindigkeitssensor sogar dann, wenn eine
Schutzschicht (Passivierungsschicht) auf Diffusionsschich
ten (Dehnungsmeßgeräten 25, 29 und Verdrahtungsschichten
26, 30) gebildet ist, möglich, eine Deformation der Ausle
gerstruktur des Stimmgabeltyps infolge einer Spannung der
Schutzschicht zu minimieren, da die Dehnungsmeßgeräte 25,
29 jeweils auf den Auslegerteilen 24b, 24c vorgesehen sind,
welche zwischen den Ankerteilen 23c, 23d inmitten der vier
Auslegerteile 24a, 24b, 24c, 24d lokalisiert sind.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wurden die
Verdrahtungsschichten 16, 20, 26, 30 durch Diffusions
schichten gebildet. Jedoch kann eine Verdrahtung für die
Dehnungsmeßgeräte 15, 19, 25, 29 unter Verwendung eines Me
talldrahts wie eines Aluminiumdrahts gebildet werden. Bei
spielsweise kann bei der in Fig. 2 dargestellten Struktur
ein Aluminiumdraht 16' wie in Fig. 19 dargestellt gebildet
werden. In diesem Fall ist das Dehnungsmeßgerät 15 mit dem
Aluminiumdraht 16' über Kontaktlöcher 16a, 16b, die bei
spielsweise in einer darauf angeordneten Isolierungsschicht
gebildet sind, elektrisch verbunden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf einen Gierge
schwindigkeitssensor eines elektrostatischen Kapazitätstyps
beschränkt, bei welchem eine Giergeschwindigkeit auf der
Grundlage einer Kapazitätsänderung von Kondensatoren erfaßt
wird, die zwischen den Auslegerstrukturen 2, 3 und den un
teren Elektroden 13, 14 gebildet sind. Demgegenüber kann
die Erfindung ebenfalls auf einen Giergeschwindigkeitssen
sor eines Erfassungstyp mit einem Transistor wie in der
JP-A-H8-148698 offenbart angewandt werden.
Vorstehend wurde ein Halbleiter-Giergeschwindigkeits
sensor offenbart. Der Halbleiter-Giergeschwindigkeitssensor
besitzt ein Substrat (1), eine Auslegerstruktur (2, 3),
welche aus einem Halbleitermaterial gebildet ist und wenig
stens ein auf dem Substrat angeordnetes Ankerteil (4a bis
4d), ein über dem Substrat in einem vorbestimmten Abstand
davon lokalisiertes Gewichtsteil (7) und ein Auslegerteil
(5, 6) aufweist, welches sich von dem Ankerteil aus er
streckt und das Gewichtsteil trägt. Eine bewegliche Elek
trode (8, 9) ist auf dem Gewichtsteil gebildet, und eine
festgelegte Elektrode (10 bis 12) ist auf dem Substrat der
art gebildet, daß die festgelegte Elektrode der beweglichen
Elektrode gegenüberliegt. Wenn eine Ansteuerungsspannung an
die bewegliche Elektrode und die festgelegte Elektrode an
gelegt wird, wird die Trägerstruktur zu einem erzwungenen
Schwingen in eine Richtung horizontal bezüglich einer
Substratoberflächenebene veranlaßt. Bei diesem Gierge
schwindigkeitssensor ist ein Dehnungsmeßgerät (15, 19) zur
Überwachung der erzwungenen Schwingung der Auslegerstruktur
in dem Auslegerteil gebildet. Als Ergebnis kann die erzwun
gene Schwingung der Auslegerstruktur mit einer einfachen
Struktur überwacht werden.
Claims (9)
1. Halbleiter-Giergeschwindigkeitssensor mit:
einem Substrat (1);
einer Auslegerstruktur (2, 3), welche aus einem Halb leitermaterial gebildet ist und wenigstens ein auf dem Substrat angeordnetes Ankerteil (4a bis 4d), ein über dem Substrat in einem vorbestimmten Abstand davon lokalisiertes Gewichtsteil (7) und wenigstens ein Auslegerteil (5, 6) aufweist, welches sich von dem Ankerteil aus erstreckt und das Gewichtsteil trägt;
einer beweglichen Elektrode (8, 9), welche auf dem Ge wichtsteil gebildet ist;
einer festgelegten Elektrode (10, 12), welche auf dem Substrat derart gebildet ist, daß die festgelegte Elektrode der beweglichen Elektrode gegenüberliegt, wobei dann, wenn an die bewegliche Elektrode und die festgelegte Elektrode eine Ansteuerungsspannung angelegt wird, die Auslegerstruk tur zu einem erzwungenen Schwingen in eine Richtung hori zontal bezüglich einer Substratoberflächenebene veranlaßt wird;
einem Giergeschwindigkeitsdetektor (7, 13), welcher eine Giergeschwindigkeit auf der Grundlage einer Verschie bung der Auslegerstruktur in eine Richtung vertikal bezüg lich der Substratoberflächenebene während der erzwungenen Schwingung der Auslegerstruktur erfaßt; und
wenigstens einem Dehnungsmeßgerät (15, 19), welches in dem Auslegerteil gebildet ist und die erzwungene Schwingung der Auslegerstruktur überwacht.
einem Substrat (1);
einer Auslegerstruktur (2, 3), welche aus einem Halb leitermaterial gebildet ist und wenigstens ein auf dem Substrat angeordnetes Ankerteil (4a bis 4d), ein über dem Substrat in einem vorbestimmten Abstand davon lokalisiertes Gewichtsteil (7) und wenigstens ein Auslegerteil (5, 6) aufweist, welches sich von dem Ankerteil aus erstreckt und das Gewichtsteil trägt;
einer beweglichen Elektrode (8, 9), welche auf dem Ge wichtsteil gebildet ist;
einer festgelegten Elektrode (10, 12), welche auf dem Substrat derart gebildet ist, daß die festgelegte Elektrode der beweglichen Elektrode gegenüberliegt, wobei dann, wenn an die bewegliche Elektrode und die festgelegte Elektrode eine Ansteuerungsspannung angelegt wird, die Auslegerstruk tur zu einem erzwungenen Schwingen in eine Richtung hori zontal bezüglich einer Substratoberflächenebene veranlaßt wird;
einem Giergeschwindigkeitsdetektor (7, 13), welcher eine Giergeschwindigkeit auf der Grundlage einer Verschie bung der Auslegerstruktur in eine Richtung vertikal bezüg lich der Substratoberflächenebene während der erzwungenen Schwingung der Auslegerstruktur erfaßt; und
wenigstens einem Dehnungsmeßgerät (15, 19), welches in dem Auslegerteil gebildet ist und die erzwungene Schwingung der Auslegerstruktur überwacht.
2. Halbleiter-Giergeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch eine Schaltung (40 bis 48), welche ei
ne Ansteuerungsspannung für die erzwungene Schwingung der
Auslegerstruktur an die bewegliche Elektrode und die fest
gelegte Elektrode anlegt, wobei die Ansteuerungsspannung
auf der Grundlage eines Ausgangssignals des Dehnungsmeßge
räts erzeugt wird.
3. Halbleiter-Giergeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch einen Draht (16, 20, 26, 30), der mit
dem Dehnungsmeßgerät verbunden ist, wobei der Draht aus ei
ner in dem Auslegerteil gebildeten Diffusionsschicht herge
stellt ist.
4. Halbleiter-Giergeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch einen Draht (16'), der mit dem Deh
nungsmeßgerät verbunden ist, wobei der Draht aus einem auf
dem Auslegerteil gebildeten Metalldraht hergestellt ist.
5. Halbleiter-Giergeschwindigkeitssensor nach Anspruch 3
oder 4, gekennzeichnet durch eine in dem Ankerteil gebil
dete Elektrode (17, 18, 21, 22, 27, 28, 31, 32) zum Aussen
den eines Ausgangssignals des Dehnungsmeßgeräts, wobei der
Draht zwischen dem Dehnungsmeßgerät und der Elektrode ge
bildet ist.
6. Halbleiter-Giergeschwindigkeitssensor nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (16, 20) in einer
U-förmigen Gestalt in dem Auslegerteil gebildet ist und so
wohl das erste als auch das zweite Ende des Drahts mit ei
nem Paar von in dem Ankerteil gebildeten Elektroden (4a bis
4d) verbunden sind.
7. Halbleiter-Giergeschwindigkeitssensor nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Ankerteile (4a
bis 4d) auf dem Substrat angeordnet sind und der Draht (16,
20) derart gebildet ist, daß ein Ende des Drahts mit einer
in einem der Ankerteile gebildeten ersten Elektrode verbun
den ist und das andere Ende des Drahts mit einer in dem an
deren der Ankerteile gebildeten zweiten Elektrode verbunden
ist.
8. Halbleiter-Giergeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß zwei Dehnungsmeßgeräte (15, 19)
an unterschiedlichen Positionen derart lokalisiert sind,
daß dann, wenn die Auslegerstruktur zum Schwingen in Hori
zontalrichtung veranlaßt wird und eine Zugspannung auf ei
nes der Dehnungsmeßgeräte aufgebracht wird, eine Druckspan
nung auf das andere der Dehnungsmeßgeräte aufgebracht wird.
9. Halbleiter-Giergeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Dehnungsmeßgerät (15, 19,
25, 29) von einer neutralen Achse des Auslegerteils während
der erzwungenen Schwingung versetzt lokalisiert ist.
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