EP0649538A1 - Beschleunigungssensor - Google Patents
BeschleunigungssensorInfo
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- EP0649538A1 EP0649538A1 EP93914592A EP93914592A EP0649538A1 EP 0649538 A1 EP0649538 A1 EP 0649538A1 EP 93914592 A EP93914592 A EP 93914592A EP 93914592 A EP93914592 A EP 93914592A EP 0649538 A1 EP0649538 A1 EP 0649538A1
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- EP
- European Patent Office
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- acceleration sensor
- plate
- silicon
- sensor according
- lower plate
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- Withdrawn
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
- G01P15/125—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by capacitive pick-up
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- G01—MEASURING; TESTING
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- G01P15/0802—Details
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- G01P2015/0805—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
- G01P2015/0822—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass
- G01P2015/0825—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass
- G01P2015/0828—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass the mass being of the paddle type being suspended at one of its longitudinal ends
Definitions
- the invention is based on an acceleration sensor according to the type of the main claim.
- EP 0 369 352 already discloses acceleration sensors in which thin dielectric layers made of silicon oxide are used for the connection of silicon wafers Silicon and subsequent structuring manufactured.
- the acceleration sensor according to the invention has the advantage in comparison that the manufacture and evaluation of the sensors is simplified. It is particularly advantageous that the sensors can be closed without adjusting the lower or upper plate.
- the damping of the movable electrode is influenced by the defined pressure in the cavity.
- mass production is particularly simple and therefore inexpensive. If one of these wafers has no structure, the adjustment of this wafer is not necessary.
- the sensor with the features of claim 5 has the advantage that the movement of the movable electrodes is limited by the stops. In particular, the stops prevent the movable electrode from sticking to the top or bottom plate.
- the measures listed in dependent claim 6 show an advantageous development of this sensor, in which the layers for connecting the plates are also used for the stops.
- the sensor with the features of claim 7 has the advantage that the ratio of useful to stray capacitance is improved.
- the measures listed in the dependent claims allow advantageous developments of this acceleration sensor.
- the silicon oxide layer produced by local oxidation can be connected particularly easily to a silicon oxide layer produced over the entire surface.
- the connection with two silicon oxide layers produced by local oxidation further improves the ratio of useful capacity to stray capacity, in particular if the thickness of one of the two silicon oxide layers is reduced by processing after the oxidation. This processing is carried out particularly easily mechanically or by using appropriate etching techniques.
- the acceleration sensor with the features of the subordinate claim 13 has the advantage that it has stops.
- a further advantage is that all processes take place on the middle plate, and thus the processes for producing the middle plate are also used for producing the stops.
- Advantageous further developments of this acceleration sensor are possible through the measures listed in the dependent claims.
- FIG. 1 shows the manufacture of an acceleration sensor with a closed dielectric layer on the top and bottom plate
- FIG. 2 shows an acceleration sensor with stops
- FIGS. 3 and 4 shows the local oxidation of silicon
- FIG. 5 shows a reworked local oxidation point
- FIG. 6a a connection point of two structured dielectric layers applied over the entire surface
- FIG. 6b a connection point with a local oxidation and a surface dielectric film
- FIG. 7 a connection point between two local oxidations
- FIG. 8 a connection point between two local oxidations, one of which afterwards
- FIG. 9 shows an acceleration sensor with dielectric layers of different thicknesses on the central plate. Description of the embodiments
- 5 denotes three silicon wafers. These are shown in an exploded view in Figure 1 to illustrate the manufacturing process of an acceleration sensor. As indicated by the arrows, the wafers 5 are connected to one another in order to produce acceleration sensors. The sensors are separated by cutting along the lines 31 to form a single sensor with an upper plate 1, a middle plate 2 and a lower plate 3. A movable electrode 4 is structured out of the middle plate 2 and can consist of a spiral spring 32 and a seismic mass 33. The connecting layers 20, 19 ensure that the seismic mass 33 maintains a certain distance from the top plate 1 and bottom plate. Bending spring 32 and seismic mass 33 are designed such that the seismic mass 33 is deflected from its rest position by an acceleration.
- the capacitance between the central plate 2 and the upper plate 1 and the lower plate 3 is measured by an electrical connection of the upper plate 1, middle plate 2, lower plate 3 and corresponding electronics, not shown here.
- the change in these capacities is then a measure of the acceleration.
- stray capacitances are connected in parallel to these measuring capacitances and do not change their value depending on the acceleration.
- the useful capacity that is to say the capacity which changes with the acceleration, should be large compared to the stray capacity.
- An essential step in the manufacture of the acceleration sensors is the connection of the wafers and thus the closing of the cavity 6.
- a vacuum or vacuum is preferably enclosed in the cavity 6 so that the movement of the movable electrode 4 is not prevented by damping the movement in air hinder.
- the surfaces of the wafers 5 are very smooth and by a chemical Pretreatment are activated, as soon as the wafers 5 are placed one on top of the other, adhesion forms such a firm connection that a subsequent shifting of the wafers 5 placed on top of one another is not possible.
- the use of an upper plate 1 or a lower plate 3 with a closed dielectric layer 10 thus simplifies the manufacturing process since it is no longer necessary to adjust the upper plate 1 or lower plate 3 relative to the central plate 2.
- the layers of the middle plate which are also provided for connection, can be designed over the whole area like the layer 20 or can only be present in a small area, like the layer 19.
- the actual connection of the wafers 5 or the top plate 1, middle plate 2, bottom plate 3 takes place by laying one on top of the other and subsequent heat treatment.
- the surfaces of the wafers are activated chemically, for example by immersing the wafers in ammonia solutions or nitric acid.
- silicon nitride or silicon oxynitride can also be used as materials for the dielectric layers.
- FIG. 2 shows an acceleration sensor with an upper plate 1, a middle plate 2 and a lower plate 3 made of single-crystal silicon.
- a movable electrode 4 is structured out of the middle plate.
- the three plates 1, 2, 3 are again drawn in an exploded view.
- the connection between top plate 1, middle plate 2 and bottom plate 3 is established by dielectric layers 11.
- a vacuum, preferably a vacuum, is again enclosed in the cavity 6.
- the function of the sensor shown here corresponds to the sensor as described in FIG. 1.
- the sensor shown here still has stops 7.
- the movement of the movable electrode 4 or the seismic mass 33 is limited by the stops 7, in particular the stops 7 prevent that the seismic mass 33 can lie flat against the top plate 1 or bottom plate 3.
- the stops 7 are designed so that there can only be a small contact area between the seismic mass 33 and the top or bottom plate. It is irrelevant whether the stops 7 are arranged on the seismic mass 33 or on the top plate 1 or the bottom plate 3. Contact between the seismic mass 33 and the plates 1 and 2 is problematic, in particular during the connection of the plates, since in this process step the surfaces of the plates 1, 2, 3 and the seismic mass 33 are chemically activated, and therefore upon contact very strong adhesive forces occur.
- the local oxidation of silicon is shown in FIGS. 3 and 4.
- a silicon substrate 41 is covered with an approximately 150 nanometer thick silicon nitride layer 43.
- a thin, approximately 50 nanometer thick silicon oxide layer 42 can also be located between the silicon 41 and the silicon nitride 43.
- the silicon nitride layer 43 has an opening at the points at which silicon oxide is to be generated locally.
- the exposed surface of the silicon 41 is oxidized by heating the wafer to a temperature of over 800 degrees in an oxygen-containing atmosphere. The resulting local silicon oxide partially grows into the surface of the silicon 41 and partially protrudes from the surface of the silicon 41.
- the silicon oxide has approximately twice the volume as the amount of silicon required for its production.
- the local silicon oxide 44 extends approximately 55% above the original surface of the silicon 41 and approximately 45% into the silicon 41.
- the thickness of the local silicon oxide is approximately 1 micron, for example.
- FIG. 5 shows a piece of silicon 41 with a post-processed local oxidation 44.
- the part of the local silicon 44 which protrudes above the surface of the silicon 41 was removed by the postprocessing. This processing is done either by mechanical means, chemical etching or a combination of both methods. The corresponding processes are known from wafer production.
- FIG. 6a and FIG. 6b The use of local silicon oxide to improve the ratio of useful to stray capacities is illustrated in FIG. 6a and FIG. 6b.
- FIGS. 6a and b two silicon wafers 5 are shown as cutouts which are connected to one another.
- the two wafers 5 are connected by dielectric layers 45, which were produced by applying the dielectric layers over the entire area and subsequent structuring. This corresponds, for example, to acceleration sensors such as were shown in FIG. 1 or FIG. 2.
- the stray capacitance and the useful capacitance are each formed by plate capacitors.
- the capacitance in a plate capacitor is inversely proportional to the distance between the capacitor plates, that is to say the further apart the capacitor plates are, the smaller the capacitance is.
- the aim is to increase the useful capacity and to reduce the stray capacity.
- the distance 47 between the capacitor plates and the stray capacitance is shown by arrow 47.
- the arrow 47 shows the distance between the capacitor plates for the useful capacity.
- the spacing of the stray capacitance is equal to the spacing of the useful capacitance when the wafers 5 are connected by the layers 45 shown here.
- FIG. 6b shows the connection of two wafers 5 via two dielectric layers 12 and 13.
- the dielectric layer 12 has been produced by local oxidation of silicon.
- the relative spacing of the stray capacitance 47 compared to the spacing of the useful capacitance 48 was improved by using the local oxide 12. The ratio is no longer 1 to 1 as in FIG.
- FIG. 7 shows the connection of two silicon wafers 5 with two local oxidations of silicon 14 and 15. In this case, the relative distance from useful capacity 48 to stray capacitance 47 has improved to approximately 1 to 2, that is to say the stray capacitance has been reduced again for the same connecting area.
- FIG. 8 shows two silicon wafers 5 which are connected by a local oxidation 15 and a post-processed local oxidation 16.
- the ratio of the relative distance of the useful capacity 48 to the stray capacity 47 has again shifted to 1 to 3 in favor of the useful capacity.
- FIG. 9 shows an acceleration sensor consisting of an upper plate 1, a middle plate 2 and a lower plate 3 made of monocrystalline silicon.
- a movable electrode 4 is structured out of the middle plate 2.
- the operation of the acceleration sensor shown in FIG. 9 corresponds to the acceleration sensors shown in FIG. 1 and FIG. 2.
- the top plate 1 and the bottom plate 3 each have a closed dielectric layer 10 on the side facing the middle plate 2, ie no adjustment is necessary for joining the plates 1, 2 and 3.
- the seismic mass has 33 local oxidations
- the middle plate 2 has local oxidations 18, which are used for connecting the middle plate 2 to the top plate 1 and bottom plate 3.
- the local oxidations 17 are thinner than the local oxidations 18. This is achieved in the manufacturing process in that the openings in the silicon nitride are initially only available for the local oxidations 18. The local oxidation is then stopped after a remaining time and further openings are made in the silicon nitride layer in order to produce the local oxidations 17. The oxidation is then continued for a while. Due to the time advantage, the local oxidations
- the sensor according to FIG. 9 can thus be closed without adjustment, it has stops and the ratio of useful to stray capacitance is favorable.
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Abstract
Es wird ein Beschleunigungssensor vorgeschlagen, der aus einer Oberplatte (1), Mittelplatte (2) und Unterplatte (3) gebildet wird. Der Sensor weist eine bewegliche Elektrode (4) auf, die aus der Mittelplatte (2) herausstrukturiert ist. Durch die Verwendung einer geschlossenen dielektrischen Schicht (10) auf der Oberplatte (1) und der Unterplatte (3) wird das Zusammenfügen der Platten vereinfacht, da die Platten nicht gegeneinander justiert werden müssen. Durch die Verwendung von Anschlägen (17) wird ein Festkleben der seismischen Masse (33) an der Oberplatte (1) bzw. Unterplatte (3) vermieden. Durch die Verwendung von lokalen Oxidationen (18) wird die Streukapazität verringert.
Description
Beschleuniαunσssensor
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Beschleunigungssensor nach der Gattung de"s Hauptanspruchs. Aus der EP 0 369 352 sind bereits Be¬ schleunigungssensoren bekannt, bei denen dünne dielektrische Schichten aus Siliziumoxid für die Verbindung von Siliziumwafern genutzt werden. Diese Siliziumoxidschichten sind durch ganzflächige Oxidation von Silizium und nachfolgende Strukturierung hergestellt.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor nach den unabhängigen Ansprüchen hat demgegenüber den Vorteil, daß die Herstellung und die Auswertung der Sensoren vereinfacht wird. Besonders vorteilhaft ist, daß das Verschließen der Sensoren ohne eine Justierung der Unter- oder Oberplatte möglich ist.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen dieses Sensors möglich. Durch den definierten Druck im Hohlraum wird die Dämpfung der beweglichen Elektrode beeinflußt. Durch die Herstellung der Sensoren durch Zer¬ teilen von drei Siliziumwafern wird die Massenherstellung besonders einfach und somit billig. Wenn einer dieser Wafer keine Struktur aufweist so entfällt die Justierung dieses Wafers.
Der Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 5 hat den Vorteil, daß durch die Anschläge die Bewegung der beweglichen Elektroden begrenzt wird. Insbesondere wird durch die Anschläge ein Ankleben der beweg¬ lichen Elektrode an der Ober- oder Unterplatte verhindert. Durch die im abhängigen Anspruch 6 aufgeführten Maßnahmen ist eine vorteil¬ hafte Weiterbildung dieses Sensors aufgezeigt, in dem die Schichten für die Verbindung der Platten ebenfalls für die Anschläge genutzt werden.
Der Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 7 hat den Vorteil, daß das Verhältnis von Nutz- zu Streukapazität verbessert wird. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor¬ teilhafte Weiterbildungen dieses Beschleunigungssensors möglich. Besonders einfach kann die durch lokale Oxidation erzeugte Silizium¬ oxidschicht mit einer ganzflächig erzeugten Siliziumoxidschicht ver¬ bunden werden. Durch die Verbindung mit zwei durch lokale Oxidation erzeugten Siliziumoxidschichten wird das Verhältnis von Nutz¬ kapazität zu Streukapazität weiter verbessert, insbesondere wenn die Dicke einer der beiden Siliziumoxidschichten durch eine Bearbeitung nach der Oxidation verringert ist. Besonders einfach erfolgt diese Bearbeitung mechanisch oder durch Anwendung entsprechender Atz¬ techniken.
Der Beschleunigungssensor mit den Merkmalen des nebengeordneten An¬ spruchs 13 hat den Vorteil, daß er Anschläge aufweist. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß alle Prozesse auf der Mittelplatte er¬ folgen, und somit die Prozesse für die Herstellung der Mittelplatte auch für die Erzeugung der Anschläge benutzt werden. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen dieses Beschleunigungssensors möglich. Durch die
Verwendung von dielektrischen Schichten die durch lokale Oxidation von Silizium hergestellt sind, wird das Verhältnis von Nutzkapazität zu Streukapazität verbessert. Die Sensoren können auch durch Ober- oder Unterplatte verschlossen werden die aufgrund ihres ge¬ schlossenen dielektrischen Filmes nicht relativ zur Mittelplatte justiert werden müssen.
Durch die in den Unteransprüchen 16 bis 18 aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der angegebenen Beschleunigungssensoren möglich. Durch die genannten Abscheide¬ techniken wird die mögliche Materialpalette für die Verbindungs¬ schichten und die Anschläge erweitert. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß diese Abscheidetechniken bei deutlich geringeren Tempe¬ raturen erfolgen als bei der Oxidation von Silizium. Neben Silizium¬ oxid können dabei ebenfalls dielektrische Schichten aus Silizium¬ nitrid verwendet werden.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge¬ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 die Herstellung eines Beschleunigungssensors mit ge¬ schlossener dielektrischer Schicht auf der Ober- und Unterplatte, Figur 2 einen Beschleunigungssensor mit Anschlägen, die Figuren 3 und 4 die lokale Oxidation von Silizium, Figur 5 eine nachbe¬ arbeitete lokale Oxidationsstelle, Figur 6a eine Verbindungsstelle von zwei strukturierten ganzflächig aufgebrachten dielektrischen Schichten, Figur 6b eine Verbindungsstelle mit einer lokalen Oxi¬ dation und einem ganzflächigen dielektrischen Film, Figur 7 eine Verbindungsstelle von zwei lokalen Oxidationen, Figur 8 eine Ver¬ bindungsstelle von zwei lokalen Oxidationen von denen eine nachbe¬ arbeitet ist und Figur 9 einen Beschleunigungssensor mit dielektri¬ schen Schichten unterschiedlicher Dicke auf der Mittelplatte.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 werden mit 5 drei Siliziumwafer bezeichnet. Diese sind in Figur 1 in einer auseinandergezogenen Darstellung gezeigt, um den Herstellungsprozeß eines Beschleunigungssensors zu verdeutlichen. Wie durch die Pfeile angedeutet, werden die Wafer 5 miteinander ver¬ bunden um Beschleunigungssensoren herzustellen. Die Sensoren werden durch Zerteilen entlang der Linien 31 vereinzelt, um einen einzelnen Sensor mit einer Oberplatte 1, einer Mittelplatte 2 und einer Unter¬ platte 3 zu bilden. Aus der Mittelplatte 2 wird eine bewegliche Elektrode 4 herausstrukturiert, die aus einer Biegefeder 32 und einer seismischen Masse 33 bestehen kann. Durch die Verbindungs¬ schichten 20, 19 wird erreicht, daß die seismische Masse 33 einen gewissen Abstand zur Oberplatte 1 und Unterplatte einhält. Biege¬ feder 32 und seismische Masse 33 sind so ausgelegt, daß die seis¬ mische Masse 33 durch eine Beschleunigung aus ihrer Ruhelage ausge¬ lenkt wird. Durch einen elektrischen Anschluß der Oberplatte 1, Mittelplatte 2, Unterplatte 3 und eine entsprechende, hier nicht gezeigte, Elektronik wird die Kapazität zwischen der Mittelplatte 2 und jeweils der Oberplatte 1 und der Unterplatte 3 gemessen. Die Veränderung dieser Kapazitäten ist dann ein Maß für die Beschleuni¬ gung. Parallel zu diesen Meßkapazitäten sind jedoch Streukapazitäten geschaltet, die ihren Wert nicht in Abhängigkeit von der Beschleuni¬ gung verändern. Um eine gute Meßbarkeit der Beschleunigung sicher¬ zustellen sollte die Nutzkapazität, das heißt die Kapazität, die sich mit der Beschleunigung ändert, sollte dabei groß sein gegenüber der Streukapazität. Ein wesentlicher Schritt der Herstellung der Beschleunigungssensoren ist das Verbinden der Wafer und somit das Verschließen des Hohlraumes 6. Vorzugsweise wird im Hohlraum 6 ein Unterdruck bzw. ein Vakuum eingeschlossen, um die Bewegung der be¬ weglichen Elektrode 4 nicht durch Dämpfung der Bewegung an Luft zu behindern. Da die Oberflächen der Wafer 5 sehr glatt sind und durch eine chemische
Vorbehandlung aktiviert sind, bildet sich sobald die Wafer 5 auf¬ einandergelegt werden, durch Adhäsion eine so feste Verbindung, daß ein nachträgliches Verschieben der aufeinandergelegten Wafer 5 nicht möglich ist. Durch die Verwendung einer Oberplatte 1 oder einer Unterplatte 3 mit einer geschlossenen dielektrischen Schicht 10 wird somit der Herstellungsprozeß vereinfacht, da keine Justierung der Oberplatte 1 oder Unterplatte 3 relativ zur Mittelplatte 2 mehr not¬ wendig ist. Die ebenfalls zur Verbindung vorgesehenen Schichten der Mittelplatte können dabei ganzflächig ausgeführt sein wie die Schicht 20 oder aber nur in einem kleinen Bereich vorhanden sein, wie die Schicht 19. Das eigentliche Verbinden der Wafer 5 bzw. der Oberplatte 1, Mittelplatte 2, Unterplatte 3 erfolgt durch Auf¬ einanderlegen und nachfolgende Temperaturbehandlung. Vor dem Auf¬ einanderlegen werden die Oberflächen der Wafer chemisch aktiviert, beispielsweise durch Eintauchen der Wafer in Ammoniaklösungen oder Salpetersäure. Als Materialien für die dielektrischen Schichten können dabei neben Siliziumoxidschichten auch Siliziumnitrid oder Siliziumoxinitrid verwendet werden.
In Figur 2 wird ein Beschleunigungssensor mit einer Oberplatte 1, einer Mittelplatte 2 und einer Unterplatte 3 aus einkristallinem Silizium gezeigt. Aus der Mittelplatte ist eine bewegliche Elektrode 4 herausstrukturiert. Die drei Platten 1, 2, 3 sind wieder in einer auseinandergezogenen Darstellung gezeichnet. Die Verbindung zwischen Oberplatte 1, Mittelplatte 2 und Unterplatte 3 wird durch dielektri¬ sche Schichten 11 hergestellt. Im Hohlraum 6 ist wieder ein Unter¬ drück vorzugsweise ein Vakuum eingeschlossen. Der hier dargestellte Sensor entspricht in seiner Funktionsweise dem Sensor wie er in Figur 1 beschrieben wurde. Im Unterschied zum Sensor nach Figur 1 weist der hier gezeigte Sensor jedoch noch Anschläge 7 auf. Durch die Anschläge 7 wird die Bewegung der beweglichen Elektrode 4 bzw. der seismischen Masse 33 begrenzt, insbesondere wird durch die An¬ schläge 7 verhindert, daß
sich die seismische Masse 33 flächig an die Oberplatte 1 oder Unter¬ platte 3 anlegen kann. Die Anschläge 7 sind so ausgestaltet, daß es nur zu einer geringen Kontaktfläche zwischen der seismischen Masse 33 und der Ober- bzw. Unterplatte kommen kann. Dabei ist es unerheb¬ lich, ob die Anschläge 7 auf der seismischen Masse 33 oder auf der Oberplatte 1 oder der Unterplatte 3 angeordnet sind. Problematisch ist ein Kontakt zwischen seismischer Masse 33 und den Platten 1 und 2 insbesondere während der Verbindung der Platten, da in diesem Prozeßschritt die Oberflächen der Platten 1, 2, 3 und der seis¬ mischen Masse 33 chemisch aktiviert sind, und es bei Kontakt daher zu sehr starken Adhäsionskräften kommt.
In Figur 3 und 4 wird die lokale Oxidation von Silizium dargestellt. Ein Siliziumsubstrat 41 wird dazu mit einer ca. 150 Nanometer dicken Siliziumnitridschicht 43 bedeckt. Zur Verbesserung der Haftung des Siliziumnitrids kann noch eine dünne, ca. 50 Nanometer dicke Siliziumoxidschicht 42 zwischen dem Silizium 41 und dem Silizium¬ nitrid 43 gelegen sein. An den Stellen, an denen lokal Siliziumoxid erzeugt werden soll, weist die Siliziumnitridschicht 43 eine Öffnung auf. Durch Aufheizen des Wafers auf eine Temperatur von über 800 Grad in sauerstoffhaltiger Atmosphäre wird die bloßliegende Ober¬ fläche des Siliziums 41 oxidiert. Das dabei entstehende lokale Siliziumoxid wächst dabei teilweise in die Oberfläche des Siliziums 41 herein und steht teilweise aus der Oberfläche des Siliziums 41 heraus. Dies liegt daran, daß das Siliziumoxid in etwa das doppelte Volumen aufweist wie die zu seiner Herstellung notwendige Menge Silizium. Das lokale Siliziumoxid 44 erstreckt sich zu ca. 55 % über der ursprünglichen Oberfläche des Siliziums 41 und zu ca. 45 % in das Silizium 41 herein. Die Dicke des lokalen Siliziumoxids beträgt beispielsweise ca. 1 Mikrometer.
In Figur 5 wird ein Stück Silizium 41 mit einer nachbearbeiteten lokalen Oxidation 44 gezeigt. Durch die Nachbearbeitung wurde der Teil des lokalen Siliziums 44 der über die Oberfläche des Siliziums 41 heraussteht, entfernt. Diese Bearbeitung erfolgt entweder durch
mechanische Mittel, chemische Atzung oder einer Kombination beider Methoden. Die entsprechenden Prozesse sind von der Waferherstellung bekannt.
Die Verwendung von lokalem Siliziumoxid zur Verbesserung des Ver¬ hältnisses von Nutz- zu Streukapazitäten wird in Figur 6a und Figur 6b verdeutlicht. In den Figuren 6a und b werden als Ausschnitte zwei Siliziumwafer 5 gezeigt, die miteinander verbunden sind. In der Figur 6a werden die beiden Wafer 5 durch dielektrische Schichten 45 verbunden, die durch ganzflächiges Aufbringen der dielektrischen Schichten und nachfolgende Strukturierung erzeugt wurden. Dies ent¬ spricht beispielsweise Beschleunigungssensoren wie sie in Figur 1 bzw. Figur 2 gezeigt wurden. Die Streukapazität und die Nutz¬ kapazität werden jeweils durch Plattenkondensatoren gebildet. Die Kapazität in einem Plattenkondensator ist umgekehrt proportional zum Abstand der Kondensatorplatten, das heißt je weiter die Konden¬ satorplatten auseinander sind, umso kleiner ist die Kapazität. Ange¬ strebt wird die Nutzkapazität zu vergrößern und die Streukapazität zu verringern. Durch den Pfeil 47 wird der Abstand der Kondensator¬ platten der Streukapazität gezeigt. Der Pfeil 47 zeigt den Abstand der Kondensatorplatten für die Nutzkapazität. Wie aus der Figur 6a zu erkennen ist, ist der Abstand der Streukapazität gleich dem Ab¬ stand der Nutzkapazität, wenn die Wafer 5 durch die hier gezeigten Schichten 45 verbunden werden. In der Figur 6b wird die Verbindung von zwei Wafern 5 über zwei dielektrische Schichten 12 und 13 ge¬ zeigt. Die dielektrische Schicht 12 ist dabei durch lokale Oxidation von Silizium hergestellt worden. Wie aus der Figur 6b zu erkennen ist, wurde durch die Verwendung des lokalen Oxids 12 der relative Abstand der Streukapazität 47 gegenüber dem Abstand der Nutz¬ kapazität 48 verbessert. Das Verhältnis ist nicht mehr 1 zu 1 wie in Figur 6a, sondern ca. 1 zu 1,5. Bei gleichbleibender Verbindungs¬ fläche zwischen den beiden Wafern 5 wurde somit das Verhältnis von Nutzkapazität zu Streukapaziät verbessert.
In Figur 7 wird die Verbindung von zwei Siliziumwafern 5 mit zwei lokalen Oxidationen von Silizium 14 und 15 gezeigt. Der relative Abstand von Nutzkapazität 48 zur Streukapazität 47 hat sich in diesem Fall auf ca. 1 zu 2 verbessert, das heißt bei gleicher Ver¬ bindungsfläche wurde die Streukapazität abermals verringert.
Figur 8 zeigt zwei Siliziumwafer 5, die durch eine lokale Oxidation 15 und eine nachbearbeitete lokale Oxidation 16 verbunden werden. In diesem Fall hat sich das Verhältnis des relativen Abstandes der Nutzkapazität 48 zur Streukapazität 47 abermals zugunsten der Nutz¬ kapazität auf 1 zu 3 verschoben.
In Figur 9 wird ein Beschleunigungssensor bestehend aus einer Ober¬ platte 1, einer Mittelplatte 2 und einer Unterplatte 3 aus ein¬ kristallinem Silizium. Aus der Mittelplatte 2 ist eine bewegliche Elektrode 4 herausstrukturiert. Der in Figur 9 gezeigte Beschleuni¬ gungssensor entspricht in seiner Wirkungsweise den in Figur 1 und Figur 2 gezeigten Beschleunigungssensoren. Die Oberplatte 1 und die Unterplatte 3 weisen jeweils auf der der Mittelplatte 2 zugewandten Seite eine geschlossene dielektrische Schicht 10 auf, das heißt für das Zusammenfügen der Platten 1, 2 und 3 ist keine Justierung not¬ wendig. Weiterhin weist die seismische Masse 33 lokale Oxidationen
17 auf, die als Anschläge verwendbar sind. Weiterhin weist die Mittelplatte 2 lokale Oxidationen 18 auf, die für die Verbindung der Mittelplatte 2 mit der Oberplatte 1 und Unterplatte 3 genutzt werden. Die lokalen Oxidationen 17 sind dünner als die lokalen Oxidationen 18. Dies wird im Herstellungsprozeß dadurch erreicht, daß die Öffnungen im Siliziumnitrid zunächst nur für die lokalen Oxidationen 18 vorhanden sind. Die lokale Oxidation wird dann nach einer übrigen Zeit abgebrochen und es werden weitere Öffnungen in die Siliziumnitridschicht eingebracht um die lokalen Oxidationen 17 zu erzeugen. Danach wird die Oxidation noch eine Weile weiterge¬ führt. Durch den zeitlichen Vorsprung sind die lokalen Oxidationen
18 dicker als die lokalen Oxidationen 17. Der Sensor nach Figur 9 ist somit ohne Justierung verschließbar, er weist Anschläge auf und das Verhältnis von Nutz- zu Streukapazität ist günstig.
Claims
1. Beschleunigungssensor mit einer Ober- (1) , Mittel- (2) und Unterplatte (3) aus einkristallinem Silizium, die durch oberfläch¬ liche dielektrische Schichten (10-20) miteinander verbunden sind, mit einer durch eine Beschleunigung beweglichen Elektrode (4), die aus der Mittelplatte (2) herausstrukturiert ist und bei dem die je¬ weilige Kapazität zwischen der Ober- (1) und Unterplatte (3) und der Mittelplatte (2) gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberplatte (1) und/oder die Unterplatte (3) auf der der Mittelplatte (2) zugewandten Seite eine geschlossene dielektrische Schicht (10) aufweist.
2. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (1,2,3) einen Hohlraum (6) einschließen, sich die bewegliche Elektrode (4) in diesem Hohlraum (6) befindet und in dem Hohlraum (6) ein definierter Druck, vorzugsweise ein Unterdruck, eingeschlossen ist.
3. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleunigungssensor durch Zer¬ teilen von drei Siliziumwafern (5) hergestellt ist.
4.Beschleunigungssensor nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Wafer (5) keine Struktur aufweist.
5. Beschleunigungssensor mit einer Ober- (1) , Mittel- (2) und Unterplatte (3) aus einkristallinem Silizium, die durch oberfläch¬ liche dielektrische Schichten (10-20) miteinander verbunden sind, mit einer durch eine Beschleunigung beweglichen Elektrode (4), die aus der Mittelplatte (2) herausstrukturiert ist und bei dem die je¬ weilige Kapazität zwischen der Ober- (1) und Unterplatte (3) und der Mittelplatte (2) gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterplatte (3) und/oder die Oberplatte (1) im Bereich der beweg¬ lichen Elektrode (4) und/oder die bewegliche Elektrode (4) der Mittelplatte (2) Anschläge (7) aus dielektrischem Material aufweisen.
6. Beschleünigungssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß alle Platten (1,2,3) dielektrische Schichten (11) für die Ver¬ bindung der Platten (1,2,3) aufweisen, und daß die auf den je¬ weiligen Platten (1,2,3) angeordneten Anschläge (7) dieselbe Dicke aufweisen wie die Schichten (11) für die Verbindung der Platten (1,2,3).
7. Beschleunigungssensor mit einer Ober(l) , Mittel(2) und Unter¬ platte (3) aus einkristallinem Silizium, die durch oberflächliche dielektrische Schichten (10-20) miteinander verbunden sind, mit einer durch eine Beschleunigung beweglichen Elektrode (4), die aus der Mittelplatte (2) herausstrukturiert ist und bei dem die je¬ weilige Kapazität zwischen der Ober- (1) und Unterplatte (3) und der Mittelplatte (2) gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Schichten (10-20) aus Siliziumoxid bestehen und teil¬ weise strukturiert sind, und daß mindestens ein Teil des struktu¬ rierten Siliziumoxids durch lokale Oxidation von Silizium herge¬ stellt ist.
8. Beschleunigungssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verbindung der Platten eine durch lokale Oxidation er¬ zeugte Siliziumoxid Schicht (12) mit einer ganzflächig erzeugten Siliziumoxidschicht (13) verbunden ist.
9. Beschleunigungssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verbindung der Platten zwei durch lokale Oxidation er¬ zeugte Siliziumoxid Schichten (14,15,16) miteinander verbunden sind.
10. Beschleunigungssensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke einer der beiden Siliziumoxid Schichten (15,16) durch Bearbeiten nach der Oxidation verringert ist.
11. Beschleunigungssensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung mechanisch erfolgt.
12. Beschleunigungssensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung durch Atzen erfolgt.
13. Beschleunigungssensor mit einer Ober- (1) , Mittel- (2) und Unterplatte (3) aus einkristallinem Silizium, die durch oberfläch¬ liche dielektrische Schichten (10-20) miteinander verbunden sind, mit einer durch eine Beschleunigung beweglichen Elektrode (4), die aus der Mittelplatte (2) herausstrukturiert ist und bei dem die je¬ weilige Kapazität zwischen der Ober(l) und Unterplatte (3) und der Mittelplatte (2) gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelplatte (2) strukturierte dielektrische Schichten (17,18) auf¬ weist, daß ein Teil dieser Schichten (17) als Anschläge und ein anderer Teil (18) zum Verbinden mit der Ober- (1) und Unterplatte (3) verwendbar sind, und daß die Dicke der Schichten (18) für die Verbindung mit der Ober- (1) und der Unterplatte (3) größer ist als die Dicke der als Anschläge verwendbaren Schichten (17).
14. Beschleunigungssensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Schichten (17,18) aus Siliziumdioxid bestehen und durch lokale Oxidation von Silizium hergestellt sind.
15. Beschleunigungssensor nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Ober(l) und Unterplatte (3) auf der der Mittel¬ platte (2) zugewandten Seite einen geschlossenen Siliziumoxidfilm aufweisen.
16. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , daß die dielektrische Schichten (10-20) , die nicht durch lokale Oxidation von Silizium hergestellt sind, durch ganzflächiges Aufbringen durch Sputtern, chemisches Abscheiden aus der Gasphase oder plasmaunterstütztes chemisches Abscheiden aus der Gasphase hergestellt sind.
17. Beschleunigungssensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schichten (10-20) aus Siliziumoxid bestehen.
18. Beschleunigungssensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schichten (19-20) aus Siliziumnitrid bestehen.
19. Beschleunigungssensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Schichten (19-20) aus einem Borosilikatglas bestehen.
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