DE4203833A1 - Verfahren zur herstellung von siliziumhalbleiter-beschleunigungsmesser-bauelementen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Siliziumhalbleiter-Beschleunigungsmesser-Bauelementen, ins­ besondere mit eingebautem Federpendel.

Halbleiter-Beschleunigungsmesser sind so ausgelegt, daß sie beispielsweise auf ein Siliziumfeinblech Beschleunigungskräf­ te mit irgendwelchen Mitteln aufbringen und die Durchbiegung des Siliziumfeinblechs, die durch das Aufbringen der Be­ schleunigungskräfte erzeugt wird, in Form von Änderungen des Widerstandswerts eines in dem Siliziumfeinblech gebildeten Meßwiderstands aufnehmen.

Konventionelle Halbleiter-Be­ schleunigungsmesser der angegebenen Art haben einen einseitig befestigten Halbleiter-Beschleunigungssensor, wie er in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist.

Bei diesem Halbleiter-Beschleunigungsmesser werden Beschleu­ nigungskräfte durch die Masse eines Federpendels 1 erzeugt.

Infolgedessen unterliegt der Bereich eines Tragteils 2 des Federpendels 1 einer Drehkraft, wodurch der Widerstandswert eines in den Tragteil 2 eingebetteten Diffusionsmeßwider­ stands sich ändert. Diese Widerstandsänderungen werden als Strom- oder Spannungsänderungssignal aufgenommen.

Der so aufgebaute konventionelle Siliziumhalbleiter-Beschleu­ nigungsmesser wird wie folgt hergestellt.

Zuerst wird ein Siliziumeinkristall-Wafer 4 mit der Kri­ stallebene (100) oxidiert unter Bildung einer Oxidschicht. Dann wird die Oxidschicht, die um einen dem Federpendel 1 zugewandten Teil herum gebildet ist, mittels Photolitho­ graphie U-förmig entfernt unter Bildung eines U-förmigen Teils 5.

Dann erfolgt das Ätzen des Siliziums, wobei die Oxidschicht 6 als Ätzmaske dient. Die Tiefe einer Ätzvertiefung 7 liegt im allgemeinen zwischen 10 µm und 80 µm. Nach erneuter Oxidie­ rung wird im Bereich des Tragteils 2, an dem kein Ätzen er­ folgt ist, eine p⁺-Diffusionsschicht 8 gebildet zur Bildung eines Aluminiumkontakts. Dann werden durch Ioneninjektion vier Diffusionsmeßwiderstände 3 als Brücke gebildet.

Schließlich werden Aluminiumleiter 10 von einem Kontaktteil 9 der Diffusionsmeßwiderstände 3 herangeführt zur Bildung der Leiter für eine Stromversorgung und einen Ausgang. Gleich­ zeitig wird eine Bondinsel 11 zum Drahtbonden am Außenrand eines Beschleunigungsmesserchips gebildet. Danach wird eine Passivierung mit einer Nitrid- oder Oxidschicht 12 durchge­ führt, um die Aluminiumleiter zu schützen, und dann wird der Teil, der dem Federpendel zugewandt ist, von der Rückseite des Beschleunigungsmesserchips her durch anisotropes Alkali­ ätzen dünn gemacht. Wie Fig. 6 zeigt, verläuft eine Ätzfläche 13 allmählich in Richtung der im U-förmigen Teil 5 gebildeten Ätzvertiefung 7 und erreicht diese schließlich. Zu diesem Zeitpunkt wird der Ätzvorgang abgebrochen, wodurch das ein­ seitig befestigte Federpendel gebildet wird. Der auf die be­ schriebene Weise gebildete Beschleunigungsmesser-Wafer mit eingebautem Federpendel wird zu Einzelchips in solcher Weise zerschnitten, daß die Federpendel 1 nicht brechen, so daß Halbleiter-Beschleunigungsmesserchips erhalten werden.

Bei dem beschriebenen Verfahren zur Herstellung von Sili­ ziumhalbleiter-Beschleunigungsmessern muß ein Wafer 4, auf dem die Federpendel 1 gebildet sind, sehr sorgfältig gehand­ habt werden, sonst könnten die Federpendel 1 beschädigt wer­ den und nicht funktionsfähig sein. Die nach dem Zerschneiden nicht zerbrochenen Federpendel 1 können auch in dem anschlie­ ßenden Montageschritt zerbrochen werden. Die Rate der Feder­ pendel 1, die nach der Eigenschaftsprüfung unzerbrochen bleiben, ist sehr niedrig. Der Beschleunigungsmesser mit eingebautem Federpendel ist daher zwar klein, aber sehr teuer.

Aufgabe der Erfindung ist somit die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von Siliziumhalbleiter-Beschleu­ nigungsmesser-Bauelementen, bei denen eine einfache Montage der Beschleunigungsmesserchips mit eingebautem Federpendel gewährleistet ist. Die in einem Silizium-Wafer geformten Beschleunigungsmesserchips mit eingebautem Federpendel sind so aufgebaut, daß die Federpendelteile verstärkt sind. Die Waferbearbeitung wird in einem Zustand vervollständigt, in dem die Federpendelteile halbfertig sind. Sie sind dabei immer noch verstärkt, so daß sie während des anschließenden Trennvorgangs und der Montageschritte nicht beschädigt wer­ den. Im letzten Schritt des Montageablaufs wird das Verstär­ kungsmaterial entweder mechanisch zerbrochen oder unter An­ wendung eines Laserstrahls geschmolzen, so daß das Federpen­ del beweglich wird.

Zur Lösung der genannten Aufgabe wird gemäß einem Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Siliziumhalb­ leiter-Beschleunigungsmesser-Bauelementen angegeben, das die folgenden Schritte aufweist: thermisches Oxidieren der Ge­ samtoberfläche eines Silizium-Wafers, der zu Beschleunigungs­ messer-Bauelementen gemacht werden soll, unter Bildung einer thermischen Oxidschicht; Entfernen der thermischen Oxid­ schicht und des unter ihr liegenden Siliziums in U-Form durch Ätzen, wodurch Teile gebildet werden, die einseitig befestig­ te Federpendel bilden sollen; Ausbilden von Meßwiderständen auf einem Tragteil jedes der Teile, die Federpendel bilden sollen; Vorsehen einer metallischen Dünnschicht um den Teil herum, der das Federpendel bilden soll; Bilden einer Ver­ tiefung an der Rückseite des Silizium-Wafers durch Ätzen des Siliziums unter Bildung des Federpendels; Zerschneiden des Silizium-Wafers zu Einzelchips; und Entfernen der auf dem Chip zum Befestigen des Federpendels gebildeten metallischen Dünnschicht, um das Federpendel beweglich zu machen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Siliziumhalbleiter-Beschleunigungsmesser- Bauelementen angegeben, das folgende Schritte umfaßt: ther­ misches Oxidieren der Gesamtoberfläche eines Silizium-Wafers, der zu Beschleunigungsmesser-Bauelementen werden soll, unter Bildung einer thermischen Oxidschicht; Bilden von Meßwider­ ständen auf einem Tragteil, der einen Teil trägt, der zu einem Federpendel werden soll; Bilden eines Vertiefungsteils an der Rückseite des Silizium-Wafers durch Ätzen des Sili­ ziums; Schneiden des Silizium-Wafers zu Einzelchips; und Entfernen des Silizium-Wafers für jeden Chip in U-Form, um das Federpendel zu bilden und dadurch beweglich zu machen.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 einen seitlichen Querschnitt durch ein Ausführungs­ beispiel eines Siliziumhalbleiter-Beschleunigungs­ messer-Bauelements nach der Erfindung, wobei der Zustand gezeigt ist, in dem ein Federpendel fest­ gelegt ist;

Fig. 2 eine Draufsicht auf das Siliziumhalbleiter- Beschleunigungsmesser-Bauelement von Fig. 1;

Fig. 3 einen seitlichen Querschnitt durch das Silizium­ halbleiter-Beschleunigungsmesser-Bauelement, wobei der Zustand gezeigt ist, in dem die Festlegung des Federpendels aufgehoben ist;

Fig. 4 einen seitlichen Querschnitt durch ein konventio­ nelles Siliziumhalbleiter-Beschleunigungsmesser- Bauelement;

Fig. 5 eine Draufsicht auf das Siliziumhalbleiter-Be­ schleunigungsmesser-Bauelement von Fig. 4; und

Fig. 6 einen seitlichen Querschnitt durch das konventio­ nelle Siliziumhalbleiter-Beschleunigungsmesser- Bauelement, wobei der Zustand gezeigt ist, in dem anisotropes Ätzen noch nicht durchgeführt ist.

In den Fig. 1-3 sind für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet.

Erstes Ausführungsbeispiel

Zuerst wird ein Siliziumeinkristall-Wafer 4 mit der Kristall­ ebene (100) und einem spezifischen Widerstand von mehreren Ohm·cm vorbereitet, und die Gesamtoberfläche des Wafers 4 wird bis zu einer Tiefe von ca. 1 µm thermisch oxidiert unter Bildung einer thermischen Oxidschicht 6A. Dann wird die Oxid­ schicht um den Teil herum, der zum Federpendel 1 werden soll, durch Ätzen unter Anwendung photolithographischer Techniken U-förmig entfernt unter Bildung des U-förmigen Teils 5 mit einer Breite von 250-300 µm. Danach wird das in U-Form frei­ liegende Silizium entfernt unter Verwendung der verbliebenen Oxidschicht als Ätzmaske und Einsatz eines Gemischs aus Fluorwasserstoff-, Salpeter- und Essigsäure. Die Ätztiefe liegt zwischen 50 und 60 µm.

Danach wird die Oxidschicht vollständig entfernt, und eine erneute Oxidierung wird mit einer Dicke von 7000 Å durch­ geführt. Anschließend werden hochkonzentrierte Borionen injiziert und diffundieren in den Kontaktteil 9 der Diffu­ sionsmeßwiderstände 3, die in dem Tragteil 2 liegen, der den Teil trägt, der zum Federpendel 1 werden soll; dabei werden die bekannte photolithographische Technik und die Diffusions­ technik zur Bildung der P⁺-Diffusionsschicht 8 angewandt. Da­ nach werden die vier Diffusionsmeßwiderstände 3 durch Photo­ lithographie und Injektion von Borionen in einer Brücke ge­ bildet. Dann wird die auf dem Kontaktteil 9 der Diffusions­ meßwiderstände 3 gebildete Oxidschicht 6A zur Bildung eines Fensters geöffnet, und eine metallische Dünnschicht, z. B. eine Aluminiumdünnschicht 14, wird für die Leiter durch Aufsputtern mit einer Dicke von 5-10 µm gebildet. Zu diesem Zeitpunkt beläßt man die auf den U-förmigen Teil 5 aufge­ brachte Aluminiumdünnschicht 14 in einer Breite, die gering­ fügig größer als die Breite des U-förmigen Teils 5 ist. Dann wird die Nitrid- oder Oxidschicht 12 durch chemisches Bedamp­ fen zum Schutz der Aluminiumleiter 10 aufgebracht.

Schließlich wird die Rückseite des Wafers 4 durch Läppen bis zu einer vorbestimmten Dicke von ca. 300 µm poliert, und darauf wird die Nitrid- oder Oxidschicht 12 aufgebracht. Nachdem die Nitrid- oder Oxidschicht 12 auf dem Teil, der zum Federpendel 1 werden soll, entfernt und ein Fenster geöffnet ist, wird das Silizium an der Rückseite des Wafers 4 unter Einsatz eines anisotropen Alkaliätzmittels wie KOH geätzt. Zu diesem Zeitpunkt ist die entgegengesetzte Oberfläche des Wafers, auf der die Diffusionsmeßwiderstände 3 und der Alumi­ niumleiter 10 gebildet sind, mit einem Oberflächenschutz wie etwa Wachs versehen, so daß während des anisotropen Alkali­ ätzvorgangs keine Beschädigung erfolgt.

Wenn das anisotrope Alkaliätzen den Boden des U-förmigen Teils 5 erreicht, wird es unterbrochen. Zu diesem Zeitpunkt sind die auf den Boden 15 des U-förmigen Teils 5 aufgebrachte Oxidschicht 12 und die Aluminiumdünnschicht 14 durch das Alkaliätzmittel teilweise entfernt. Die Aluminiumdünnschicht 14 ist jedoch ausreichend dick und stellt kein Problem dar. Danach wird der Wafer 4 mit reinem Wasser oder einem organi­ schen Lösungsmittel gründlich gewaschen unter Erhalt des Be­ schleunigungsmesser-Wafers mit eingebautem Federpendel, wobei die Federpendel 1 jeweils durch die Beschleunigungsmesser- Chipkörper und die Aluminiumdünnschichten 14 verstärkt sind.

In diesem Zustand ist das durch anisotropes Alkaliätzen her­ gestellte Federpendel 1 an dem Beschleunigungsmesser-Chipkör­ per über die Aluminiumdünnschicht 14 festgelegt, so daß der Chip ein Halbfabrikat ist, das noch nicht als Beschleuni­ gungsmesser-Bauelement funktioniert. Danach wird der Be­ schleunigungsmesser-Wafer zu Einzelchips zerschnitten.

Bei dem konventionellen Herstellungsverfahren für den Halb­ leiter-Beschleunigungsmesser-Wafer kann das Federpendel, da es beweglich ist, durch den hydraulischen Druck des Schneid­ wassers während des Trennschritts beschädigt werden. Bei dem hier angegebenen Herstellungsverfahren jedoch ist das Feder­ pendel 1 an dem Beschleunigungsmesser-Chipkörper befestigt und durch die Aluminiumdünnschicht 14 verstärkt. Daher kann das Zertrennen ebenso einfach und unproblematisch wie bei einem normalen Siliziumhalbleiter-Wafer durchgeführt werden.

Anschließend werden die einzelnen Beschleunigungsmesserchips unter Anwendung eines Silikongummis oder eines Lötmaterials durch Chipbonden auf Sockeln oder Leiterrahmen befestigt. Zu diesem Zeitpunkt kann eine aus Pyrex oder Silikon bestehende Basis unter den Chip gelegt werden, um die durch das Chipbon­ den erzeugten Spannungen zu vermindern. Nach dem Chipbonden wird Drahtbonden unter Verwendung eines Golddrahts durchge­ führt. Anschließend wird die Aluminiumdünnschicht 14, die auf dem U-förmigen Teil 5 gebildet ist, um das Federpendel 1 fest mit dem Beschleunigungsmesser-Chipkörper zu verbinden, abge­ brochen, indem das Federpendel 1 mechanisch durchgebogen wird (zur Bildung eines abgebrochenen Teils 16), wodurch das Fe­ derpendel 1 beweglich gemacht wird (Fig. 3). Das Federpendel 1 kann auch dadurch beweglich gemacht werden, daß ein Laser­ strahl über die Aluminiumdünnschicht 14 bewegt wird, um sie zu schmelzen.

Nachdem das Federpendel 1 beweglich gemacht ist, wird eine Abdeckung über dem Chip zu seinem Schutz angebracht, wodurch ein Beschleunigungsmesser-Bauelement fertiggestellt ist. Wenn ein Metallgehäuse wie etwa ein Montageblock verwendet wird, kann ein als Dämpfungsmittel dienendes Öl gemeinsam mit dem Chip in das Metallgehäuse eingebracht werden, um Schwingungen des Federpendels 1 zu dämpfen.

Während des oben beschriebenen Montageablaufs wirken auf die Federpendel 1 die verschiedensten Arten von Stößen und führen zu Beschädigungen der Federpendel 1. Bei dem Beschleunigungs­ messer, bei dem die Erfindung angewandt wird, wird jedoch dadurch, daß das Federpendel 1 am Chipkörper durch die Aluminiumdünnschicht 14 befestigt ist, das Federpendel durch die verschiedenen aufgebrachten Stoßkräfte während der Mon­ tage nicht beschädigt, so daß die Montagearbeiten vereinfacht werden.

Zweites Ausführungsbeispiel

Nachdem der Siliziumeinkristall-Wafer 4 mit der Kristallebene (100) und einem spezifischen Widerstand von einigen Ohm·cm in gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel thermisch oxidiert ist, werden auf dem Tragteil 2, der den in das Fe­ derpendel 1 umzuwandelnden Teil trägt, die Diffusionsmeß­ widerstände 3 unter Anwendung der bekannten Herstellungstech­ nik für integrierte Bipolarschaltkreise gebildet. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel wird zu diesem Zeitpunkt kein Ätzen des Siliziums des U-förmigen Teils durchgeführt. Dann wird durch Verlängern des Aluminiumleiters 10 von den Diffu­ sionsmeßwiderständen 3 ausgehend die Ein/Ausgangsverdrahtung vorgesehen, und am Außenrand des Chips wird die Bondinsel 11 aus Aluminium vorgesehen. In der Endphase des Prozesses für die Wafer-Vorderseite bei Waferbearbeitung wird die Nitrid­ oder Oxidschicht 12 durch chemisches Bedampfen zum Schutz der Aluminiumleiter 10 aufgebracht.

Danach wird die Rückseite des Wafers 4 auf eine vorbestimmte Dicke von z. B. ca. 300 µm durch Läppen abgetragen und dann poliert, und dann wird die Nitrid- oder Oxidschicht 12 aufge­ bracht. Nachdem die gebildete Nitrid- oder Oxidschicht 12 auf dem Teil, der zum Federpendel 1 zu machen ist, zum Öffnen eines Fensters entfernt ist, wird das Ätzen von Silizium unter Anwendung des anisotropen Alkaliätzmittels wie etwa KOH durchgeführt, bis die vorbestimmte Dicke des Federpendels 1 erreicht ist. Auf diese Weise wird der Beschleunigungsmesser- Wafer mit eingebautem Federpendel erhalten, in dem das Feder­ pendel 1 durch den Beschleunigungsmesser-Chipkörper und den Siliziumhalbleiter festgelegt und festgehalten ist.

In dieser Phase ist der Chip ein Halbfabrikat, das ebenso wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel nicht als Beschleunigungs­ messer arbeitet. Dann wird der Wafer zu Einzelchips zer­ trennt, die in den anschließenden Montageprozessen zu ein­ zelnen Beschleunigungsmesser-Bauelementen gemacht werden.

Da hierbei das Federpendel 1 von dem Beschleunigungsmesser- Chipkörper und dem Siliziumhalbleiter festgehalten ist, wird es durch die während der Montagevorgänge aufgebrachten mecha­ nischen Stöße nicht beschädigt. In der Endphase der Montage werden der Beschleunigungsmesser-Chipkörper und das Feder­ pendel 1 voneinander getrennt, indem ein Laserstrahl U-förmig bewegt und dadurch der U-förmige Teil abgeschnitten wird. Schließlich wird der Chip zu seinem Schutz mit einer Ab­ deckung versehen, so daß das Beschleunigungsmesser-Bauelement fertig ist.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß es bei dem Verfahren zur Herstellung des Beschleunigungsmesser- Bauelements möglich ist, eine Beschädigung des Federpendels durch die Einwirkung von verschiedenen mechanischen Stößen während der Montagevorgänge des Siliziumhalbleiter-Beschleu­ nigungsmesser-Bauelements zu verhindern. Die Handhabung der Chips während der Montagearbeiten kann somit vereinfacht und die Produktausbeute erheblich verbessert werden. Dadurch wird die Herstellung von kleinen und kostengünstigen Halbleiter- Beschleunigungsmesser-Bauelementen ermöglicht. Wenn das Federpendel durch das Silizium des Wafers festgelegt ist, kann die Zahl der erforderlichen Arbeitstage verringert werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von Siliziumhalbleiter-Beschleu­ nigungsmesser-Bauelementen, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
thermisches Oxidieren der Gesamtoberfläche eines Silizium- Wafers, der zu Beschleunigungsmesser-Bauelementen zu machen ist, unter Bildung einer thermischen Oxidschicht;
Entfernen der thermischen Oxidschicht und des unter ihr liegenden Siliziums in U-Form durch Ätzen zur Bildung von Teilen, die zu Federpendeln zu machen sind;
Bilden von Meßwiderständen auf einem Tragteil jedes der Teile, die zu Federpendeln zu machen sind;
Vorsehen einer metallischen Dünnschicht um den Teil herum, der zu dem Federpendel zu machen ist;
Bilden einer Aussparung an der Rückseite des Silizium- Wafers durch Wegätzen des Siliziums zur Bildung des Feder­ pendels;
Zertrennen des Silizium-Wafers zu Einzelchips; und
Entfernen der metallischen Dünnschicht, die auf dem Chip zur Festlegung des Federpendels gebildet ist, um das Feder­ pendel beweglich zu machen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Dünnschicht entfernt wird, indem das Federpendel mechanisch umgebogen wird, um es beweglich zu machen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Dünnschicht mit einem daran entlangge­ führten Laserstrahl geschmolzen und dadurch entfernt wird, um das Federpendel beweglich zu machen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Dünnschicht eine Aluminiumdünnschicht umfaßt.

5. Verfahren zur Herstellung von Siliziumhalbleiter-Beschleu­ nigungsmesser-Bauelementen, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
thermisches Oxidieren der Gesamtoberfläche eines Silizium- Wafers, der zu den Beschleunigungsmesser-Bauelementen zu machen ist, unter Bildung einer thermischen Oxidschicht;
Bilden von Meßwiderständen auf einem Tragteil, der einen zu einem Federpendel zu machenden Teil trägt;
Bilden einer Aussparung an der Rückseite des Silizium- Wafers durch Wegätzen des Siliziums;
Zertrennen des Silizium-Wafers zu Einzelchips; und
Entfernen des Silizium-Wafers jedes Chips in U-Form, um das Federpendel zu bilden und es dadurch beweglich zu machen.