DE69318956T2

DE69318956T2 - Verfahren zur Herstellung von Beschleunigungsmessern mittels der "Silizium auf Isolator"-Technologie

Info

Publication number: DE69318956T2
Application number: DE69318956T
Authority: DE
Inventors: Marie-Therese F-38100 Grenoble Delaye; Bernard F-38130 Echirolles Diem
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1992-12-28
Filing date: 1993-12-23
Publication date: 1998-12-17
Anticipated expiration: 2013-12-24
Also published as: EP0605300B1; FR2700065A1; DE69318956D1; JPH0798327A; JP3226402B2; US5576250A; EP0605300A1; FR2700065B1; US5780885A

Description

Die vorliegende Erfindung hat ein Herstellungsverfahren eines richtungsabhängigen Beschleunigungsmessers mit einer zur Ebene des Substrats parallelen sensiblen Achse und/oder ein Herstellungsverfahren eines richtungsabhängigen Beschleunigungsmessers mit einer zu dieser Ebene senkrechten sensiblen Achse zum Gegenstand, wobei die Silicium-auf-Isolator-Technologie benutzt wird.
Ein Beschleunigungsmesser ist ein Beschleunigungssensor, der im wesentlichen eine bewegliche Masse m und Einrichtungen zum Messen der Kraft F=mγ umfaßt, die durch die Beschleunigung γ eines sich bewegenden Körpers verursacht wird, auf dem der Beschleunigungsmesser angebracht ist.
Die Beschleunigung ist heute ein Parameter, den zu kennen für industrielle Zwecke mehr und mehr nützlich und notwendig ist, insbesondere auf dem Gebiet der Raum- und Luftfahrt, aber auch bei Massenprodukten wie dem Automobil zur Kontrolle der aktiven Aufhängung oder der Airbags.
Die Entwicklung dieser letzteren Anwendungen erfordert eine starke Reduzierung der Herstellungskosten bei Aufrechterhaltung akzeptabler Meßqualtitäten der Sensoren.
Generell sind die erfindungsgemäßen Beschleunigungsmesser auf allen Gebieten anwendbar, wo die Beschleunigung eines sich bewegenden Körpers in einer oder zwei zum Substrat parallelen Richtungen und/oder einer zu diesem Substrat senkrechten Richtung gemessen werden soll.
Zahlreiche Techniken zur Herstellung von Beschleunigungsmessern oder mechanischen Strukturen für Beschleunigungsmesser aus mikrobearbeitetem Silicium, die die Technologien der Mikroelektronik benutzen, wurden schon vorgeschlagen.
Der Hauptvorteil des Siliciums ist natürlich die kollektive Bearbeitung der Strukturen und ihre Miniaturisierungen und folglich relativ niedrige Herstellungskosten, aber auch die mechanische Zuverlässigkeit des verwendeten monokristallinen Materials, das kein Fließen, keine Hysterisis und keine Meßabweichungen im Laufe der Zeit kennt. Diese starke Kostenreduzierung ermöglicht eine noch breitere Anwendung dieser Sensoren bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung akzeptabler Meßqualtitäten.
Man unterscheidet zwei Hauptfamilien von Beschleunigungsmessern , abhängig von der Lage der sensiblen Achse in bezug auf das Halbleitersubstrat:
- die Strukturen mit einer zum Substrat senkrechten sensiblen Achse (anschließend "senkrechtachsige" Strukturen genannt), die am weitesten entwickelt sind und die die konventionellen Techniken der anisotropen chemischen Siliciumvolumenbearbeitungen anwenden, d.h. das Substrat über seine gesamte Dicke ätzen, um eine monokristalline Struktur freizulegen;
- die Strukturen mit einer zum Substrat parallelen sensiblen Achse (anschließend "parallelachsige" Strukturen genannt), der Hauptvorteil die Möglichkeit ist, auf einem Chip Beschleunigungsmesser mit zwei koplanaren, eventuell zueinander senkrechten sensiblen Achsen zu integrieren; bei diesen Strukturen wird eine Volumen- oder Oberflächentechnik angewandt.
Die Referenz 1 - Sensors and actuators, A21-A23 (1990), 5. 297-302, "Precision accelerometers with ug resolution" von R. Rudolf et al. -, beschreibt die Herstellung von "senkrechtachsigen" Beschleunigungsmessern, wobei diese Volumentechnik benutzt wird.
Ein mit dieser Technik hergestellter "parallelachsiger" Sensor wird beschrieben in der Referenz 2 - Transducers' 91 Digest of Technical papers, Juni 1991, San Fancisco, "A simple, high performance piezoresistive accelerometer", von J.T. Suminto, S. 104-107 - und in der Referenz 3 - US-A-4 653 326, angemeldet im Namen des Anmelders
Die zu nennenden Hauptnachteile der Volumentechnik sind: die Benutzung einer Doppelseitentechnik (wenige spezifische und teure Maschinen und auf zwei Seiten polierte Substrate); eine mit der Kristallorientierung des Substrats verknüpfte Form des Sensors und folglich eine Beschränkung dieser Formen; eine durch die Dicke des Substrats begrenzte Miniaturisierung des Sensors (dreidimensionale Struktur, von der eine Dimension festgelegt ist), und die Notwendigkeit, ein Vergießen des Sensors über ein oder mehrere Substrate vorzunehmen, was die Benutzung von Bezugsund Strukturträgerhohlräumen erforderlich macht und die Herstellung dieser Sensoren kompliziert.
Generell ist das Grundprinzip der Beschleunigungsmesser aus Silicium das Messen der Bewegung oder der durch eine seismische Masse ausgeübten Kraft, die an einem Träger mittels einer nachgiebigen mechanischen Verbindung befestigt ist, flexibler Träger genannt.
Die erste Eigenschaft eines Beschleunigungsmessers ist seine Richtfähigkeit; diese wird erzielt durch die Anisotropie der Form der Massenträgerbalken. Diese mehr oder weniger langen Balken mit rechtwinkligem Querschnitt sind in Richtung ihrer Dicke sehr nachgiebig und in Richtung ihrer Breite sehr steif.
Das Beherrschen der Dicke der Balken, die die Empfindlichkeit des Sensors bestimmt, ist die Hauptschwierigkeit bei der Herstellung des Sensors.
Aus Gründen der mechanischen Festigkeit und der elektrischen Charakteristika ist es sehr wichtig, daß die Träger und die freigelegte Struktur (Masse) aus monokristallinem Silicium sind (kein Fließen, keine Hysteresis und keine Elastizität, aber die Möglichkeit der Implantation bzw. Integration elektronischer Komponenten ...).
Im Falle eines "parallelachsigen" Sensors erhält man die Form der Balken durch Ätzen eines Siliciumsubstrats mit der speziellen Orientierung 110, bei dem die Flächen des langsamen Angriffs (111) senkrecht zu der Ebene des Substrats sind (s. Referenz 2).
In diesem Fall handelt es sich um eine anisotrope Ätzung, die ermöglicht, eine gute geometrische Definition zu erzielen, die aber entsprechend der Kristallorientierung des Substrats zu einer Begrenzung der Formen führt. Außerdem setzt sie Spezialsubstrate (auf zwei entgegengesetzten Seiten poliert) und die Benutzung einer Doppelseiten-Ausrichttechnik voraus.
Zudem verhindern diese nicht dem Standard der Mikroelektronik entsprechenden Substrate die Integration von zugeordneter Elektronik auf demselben Substrat.
Die große Dicke des zu ätzenden Siliciumsubstrats (ungefähr 500um) erfordert die Benutzung von sehr selektiven Ätzmasken und relativ große geätzte Endmuster ermöglichen keine hochentwickelte Miniatunsierung.
Wenn das sensible Element fertiggestellt ist, muß es mit einem oder mehreren dicken und steifen Trägern vergossen werden, um einen Sensor herzustellen. Dieser oder diese Träger sind im allgemeinen aus einem anderen Material als das Substrat (z.B. aus Glas), was zu differentiellen Spannungen führt, die nachteilig sind für die Leistungen des Sensors und einen zusätzlichen, schwierigen Schritt erfordert.
Andere Techniken wurden zur Herstellung von "parallelachsigen" Sensoren in Einseitentechnik (mit allen Schritten auf der Vorderseite) unter Benutzung einer Opferschicht vorgeschlagen, mit sehr kleinen geometrischen Formen und einer Freiheit bei diesen.
Sie bieten zudem die Möglichkeit, zwei "parallelachsige" Sensoren auf demselben Substrat zu integrieren.
So kam kürzlich ein "parallelachsiger" Beschleunigungsmesser mit integrierter Elektronik auf den Markt, hergestellt nach einer Oberflächenbearbeitungstechnik unter Benutzung einer Opferschicht und einer abgeschiedenen Schicht aus polykristallinem Silidum als erwünschter mechanischer Struktur.
Dieser Sensor ist beschrieben in der Referenz 4 - Electronic design, August 1991, S. 45-56, "Accelerometer's micromachined mass "moves" in plane of IC; on-chip circuit controls it und senses G with force-balance techniques" von F. Goodenough -.
Die hauptsächlichen Begrenzungen dieser Qberflächentechnik sind die mittelmäßigen mechanischen Eigenschaften des polykristallinen Materials und die durch Verwendung von zwei verschiedenen Materialien eingeführten großen thermischen Differentialspannungen (Substrat aus monokristallinem Si und Struktur aus polykristallinem Si), die zu Sensoren mit begrenzten, ja sogar ungenügenden Meßqualitäten sowie einer auf wenige um begrenzten Dicke der polykristallinen Siliciumschicht führt, die die seismische Masse bildet, was die Richtfähigkeit, die Möglichkeiten der Dimensionierung und die Meßbereiche des Sensors verringert.
Außerdem bringt die bewegliche mechanische Struktur aus polykristallinem Silidum eine Verringerung der Meßqualitäten, der Reproduzierbarkeit und der Stabilität der Sensoren mit sich.
Zudem weist dieser "parallelachsige" Sensor ein bezüglich der Richtfähigkeit ungünstiges Formverhältnis der Balken (Höhe/Breite nahezu 1) und folglich eine große Empfindlichkeit für die Querbeschleunigungen auf. Es ist die Verwendung von polykristallinem Silidum mit einer Abscheidungsdicke von nur wenigen i£m (im allgemeinen < 2um), das die Richtfähigkeit und Größe der seismischen Masse und folglich die Meßbereiche begrenzt.
Des weiteren werden bei der Herstellung von "senkrechtachsigen" Beschleunigungsmessern die Träger der seismischen Masse oft mittels einer Ätzstopptechnik hergestellt. Man benutzt dann entweder das Ätzen eines massiven Siliciumsubstrats von der Rückseite mit Ätzstopp auf einer epitaxierten, stark mit Bor dotierten Siliciumschicht (s. die Referenz 5 - J. Electrochem. Soc., Bd. 137, Nr. 11, November 1990, "Anisotropic etching of crystalline silicon in alkaline solutions: II. Influence of dopants" von H. Seidel et al., S. 3626-3632 -) oder ein elektrochemisches Ätzen des Siliciumsubstrats mit Ätzstopp auf einer epitaxierten Siliciumschicht, die einen P/N- Übergang mit dem Substrat bildet (s. die Referenz 6 - IEEE Transactions on Electron Devices, Bd. 36, Nr. 4, April 1989, "Study of electrochemical etch-stop for high-precision thickness control of silicon membranes" von B. Kloeck et al., S. 663-669 -).
Diese beiden Ätzstopptechniken weisen die oben erwähnten Nachteile auf. Sie benutzen nämlich eine anisotrope Ätzung des Substrats, die die Formen der sensiblen Elemente aufgrund der Kristallorientierung einschränkt, sowie einen Angriff von der Rückseite, was die Verwendung von Spezialsubstraten und die Anwendung einer Doppelseiten-Ausrichttechnik erforderlich macht.
Außerdem erfordern diese Stopptechniken die Verwendung von sehr selektiven Ätzmasken und, aufgrund der schrägen Angriffsflächen (54,7º für das Silidum der Orientierung 100) und der Dicke des zu ätzenden Siliciums sind die auf der Rückseite hergestellten Formen sehr viel größer als die nützlichen Endformen der Komponente.
Weitere Techniken zur Herstellung "senkrechtachsiger" Sensoren unter Nutzung der Oberflächentechnik wurden vorgeschlagen. Diese Techniken sind insbesondere beschrieben in der Referenz 7 - Sensors and Actuators, A21- A23 (1990), S. 273- 277, "Monolithic silicon accelerometer" von B. Boxenhorn und P. Greiff -. Diese Lösung hat den Nachteil, eine stark dotierte Siliciumstruktur zu verwenden, in der Größenordnung von 10²&sup0;At/cm³, was die Meßqualitäten des Sensors beeinträchtigt. Außerdem arbeitet dieser Sensor mit Torsion.
Um diese Nachteile zu beseitigen, schlägt die Erfindung ein Herstellungsverfahren eines Beschleunigungsmessers mit einer zum Substrat parallelen sensiblen Achse oder einer zum Substrat senkrechten sensiblen Achse vor, wobei die Silidum/Isolator- Technologie in Verbindung mit einer Oberflächen- Mikromaterialbearbeitung benutzt wird.
Die Silicium/Isolator-Technologie ist unter der Abkürzung 501 bekannt. Eine der bekannten Techniken nutzt die Rekristallisation einer Schicht aus amorphem oder polykristallinem Silidum mittels Laser, abgeschieden auf einer Siliciumoxidschicht, hergestellt durch thermische Oxidation eines Substrats aus monokristallinem Silidum. Eine zweite Technik, bekannt unter der Abkürzung SDB, besteht darin, zwei Siliciumsubstrate zu vergießen, von denen wenigstens eines auf der Gießoberfläche eine SiO&sub2;-Schicht besitzt, z.B. hergestellt durch thermische Oxidation, und anschließend eines der beiden Substrate dünn zu machen bis auf eine gewünschte Dicke (s. Technical Digest MNE'90, 2. Workshop, Berlin, November 90, 5. 81-86 von 0. Harendt et al., "Wafer bonding and its application silicon-on-insulator fabrication".
Eine dritte bekannte Technik basiert auf der Implantation von Sauerstoff- oder Stickstoffionen mit starker Dosis in massives monokristallines Silidum, das nach dem Tempern des Substrats bei hoher Temperatur zur Bildung einer vergrabenen Isolierschicht aus Siliciumoxid oder Siliciumnitrid führt, die einen Film aus monokristallinem Silidum trägt. Die Sauerstoffionen-Implantationstechnik ist unter der Abkürzung SIMOX bekannt.
Die Erfindung wendet diese verschiedenen SOI-Techniken an.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung mechanischer Strukturen aus monokristallinem Silidum, also mit guten Meßqualitäten, sehr kleinen Abmessungen und folglich hoher Dichte, was die Herstellungskosten senkt. Dieses Verfahren ermöglicht außerdem, Beschleunigungsmesser herzustellen, deren sensible Achse zur Ebene des Substrats senkrecht oder parallel ist, die geregelt werden können und daher eine lineares Verhalten aufweisen oder selbsttestbar für die Eichung sein können, mit einer hohen Richtfähigkeit.
Zudem ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die monolithische und kollektive Herstellung von Mikrobeschleunigungsmessern mit jeder Freiheit bezüglich der Form der Struktur bei Anwendung einer Einseitentechnik und Verwendung von Standartsubstraten, die auf einer Seite poliert sind und eine Standarddicke und sehr geringe Abmessungen aufweisen.
Außerdem ermöglicht dieses Verfahren, den kritischen Schritt des Vergießens dieses Sensors mit einem Träger anderer Art zu vermeiden sowie für jeden Beschleunigungsmesser sehr niedrige Herstellüngskosten zu erzielen.
Schließlich ermöglicht die Erfindung die Integration und simultane Herstellung von einem oder mehreren Beschleunigungsmessern mit zum Substrat senkrechter sensibler Achse.
Noch genauer hat die Erfindung ein Herstellungsverfahren eines integrierten Beschleunigungsmessers mit beweglichen Elementen zum Gegenstand, das die folgenden Schritte umfaßt:
a) - Herstellen eines monokristallinen Siliciumfilms auf einem Siliciumsubstrat und von diesem letzteren durch eine Isolierschicht getrennt;
b) - Ätzen des Siliciumfilms und der Isolierschicht bis zum Substrat, um die Form der beweglichen Elemente festzulegen;, und
c) partielles Entfernen der Isolierschicht, um die beweglichen Elemente freizulegen, wobei der verbleibende Rest der Isolierschicht die beweglichen Elemente und das Substrat verbindet.
Dieses Verfahren wird ebenso bei der Herstellung eines Beschleunigungsmesser mit zum Substrat paralleler sensibler Achse wie eines Beschleunigungsmesser mit zum Substrat senkrechter sensibler Achse angewandt.
Die Einrichtungen zum Messen der eventuellen Verschiebungen dieser beweglichen Elemente können in die sensible Struktur integriert sein oder nicht. Wenn diese Einrichtungen integriert sind, werden sie an der Oberfläche des Siliciumfilms hergestellt und teilweise im Laufe des Schritts b) definiert. In diesem Fall ist der Siliciumfilm vorteilhafterweise leitfähig und es muß ein zusätzlicher Schritt zur Herstellung elektrischer Kontakte auf diesem Film vorgesehen werden.
Vorteilhafterweise benutzt man als Detektionseinrichtungen für die eventuelle Verschiebungen der beweglichen Elemente Kondensatoren. Andere Meßsysteme dieser Verschiebungen, wie z.B. induktive oder piezoelektrische Einrichtungen, können jedoch vorgesehen werden.
Diese Kondensatoren werden mit Hilfe einer oder mehrerer vom Substrat elektrisch isolierter Oberflächenelektroden hergestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt einen zusätzlichen Epitaxieschritt einer leitfähigen monokristallinen Siliciumschicht auf der in b) hergestellten Struktur, um diese Struktur dicker zu machen. Diese Epitaxie wird wenigstens am Ort der beweglichen Elemente durchgeführt. Sie gewährleistet Steifigkeit und erhöht die seismische Masse des Beschleunigungsmessers.
Diese epitaxierte Silidum muß außerdem dotiert werden, um eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit des Beschleunigungsmessers sicherzustellen und folglich eine gute Detektion der eventuellen Verschiebungen der beweglichen Elemente.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für alle vorhergehend erwähnten Silicium/Isolator-Techniken. Jedoch besteht der Schritt a) vorteilhafterweise darin, Sauerstoffionen in ein Substrat aus leitfähigem monokristallinem Silicium zu implantieren und das implantierte Substrat zu tempern.
Die Ionenimplantation kann auf einmal oder in mehreren Schritten erfolgen, wobei jede Implantation vom Tempern der Struktur gefolgt wird.
Der Siliciumfilm und eventuell das Substrat, wenn dieses letztere am Anfang der Herstellung des Oberflächenfilms steht, können eine N-Konduktivität aufweisen. Es ist jedoch vorzuziehen, eine P-Konduktivität zu benutzen.
Die beweglichen Elemente bestehen aus einem oder mehreren flexiblen Trägern bzw. flexiblen Balken, die eine seismische Masse tragen und bei denen eines ihrer Enden fest mit dem Substrat verbunden aber elektrisch von diesem letzteren isoliert ist.
Um die partielle Eliminierung der Isolierschicht zu erleichtern, bringt man in der seismischen Masse des Beschleunigungsmessers in dem Siliciumfilm Löcher an, die auf dieser Isolierschicht enden. Dieser Schritt erfolgt direkt vor dem Eliminierungsschritt der Isolierschicht.
Wie oben erwähnt, wird das Verfahren ebenso zur Herstellung eines Beschleunigungsmessers mit einer zum Substrat parallelen sensiblen Achse angewandt wie auf einen Beschleunigungsmessers mit einer zu diesem Substrat senkrechten sensiblen Achse.
Im Falle eines Beschleunigungsmessers mit Elementen, die in einer zum Substrat parallelen Richtung beweglich sind, umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafterweise einen Ätzschritt des Siliciumfilms und der Isolierschicht, um eine kammförmige elektrostatische Abschirmung zu bilden, die einen Teil der Meßeinerichtungen der eventuellen Verschiebung dieser beweglichen Elemente darstellt.
Um einen Beschleunigungsmesser mit einer zum Substrat parallelen sensiblen Achse herzustellen, der wenigstens einen Tragbalken einer seismischen Masse umfaßt, sind der Träger und der Balken und die Masse in einer zum Substrat parallelen Richtung beweglich, wobei das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafterweise die folgenden Schritte umfaßt:
1) - Implantieren von Sauerstoff-Ionen in ein Substrat aus leitendem monokristallinem Silidum, dann Tempern des implantierten Substrats, wobei sich eine vergrabene Oxidschicht bildet, die den leitenden Siliciumfilm vom Substrat trennt;
2) - Ätzen des Stapels aus Film und Oxidschicht bis zum Substrat, um die bewegliche Masse, den Träger und einen Teil der Meßeinrichtungen zu bilden;
3) - Epitaktisches Aufwachsen einer leitenden Silidumschicht auf der gesamten in 2) erhaltenen Struktur, um die bewegliche Masse des Trägers zu verdicken;
4) - Herstellen metallischer Kontakte auf den Meßeinrichtungen;
5) - Ätzen der epitaxierten Schicht und des Silidumfilms bis zur Oxidschicht, um in der beweglichen Masse Löcher und eine kammförmige elektrostatische Abschirmung zu bilden, die teilweise die Meßeinrichtungen bilden;
6) - partielles Entfernen der Oxidschicht.
Die Erfindung hat auch ein Herstellungsverfahren eines Beschleunigungsmessers mit Elementen zum Gegenstand, die in einer zum Substrat senkrechten Richtung beweglich sind, das vorteilhafterweise einen Herstellungsschritt einer in dem monokristallinen Substrat vergrabenen Elektrode und einen Schritt zur Kontaktnahme auf dieser vergrabenen Elektrode umfaßt.
Diese vergrabene Elektrode kann gebildet werden, indem lokal Ionen in das Substrat implantiert werden, die eine zum Substrat inverse Konduktivität aufweisen.
So kann man für ein Substrat des Typs N eine Implantation von Ionen des Typs P durchführen, um einen P/N- Übergang zu bilden.
Da die bewegliche Masse von einem oder mehreren Balken getragen werden muß, die in dem Siliciumfilm gebildet werden, ist es wichtig, daß diese flexiblen Balken im Falle eines "senkrechtachsigen" Beschleunigungsmessers mechanisch vorgespannt sind. Auch ist es vorzuziehen, bei einem Film des Typs N eine Dotierung z.B. mittels Implantation von Ionen des Typs P auf der gesamten Oberfläche des Siliciumfilms durchzuführen. Diese Implantation erzeugt eine Zugspannung in dem oder den flexiblen Balken.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt im Falle eines "senkrechtachsigen" Beschleunigungsmessers einen Schritt zur Herstellung einer Oberflächenelektrode auf dem Siliciumfilm und die Abscheidung und die Ätzung einer zusätzlichen Isolierschicht, um das Substrat elektrisch von dieser Oberflächenelektrode zu isolieren, um eine kapazitive Detektion sicherzustellen.
Vorteilhafterweise wird die Oberflächenelektrode aus leitfähigem polykristallinem Silidum hergestellt. Diese Elektrode kann vom Typ N oder P sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung eines "senkrechtachsigen" Beschleunigungsmessers mit wenigstens einen Träger bzw. Balken, der eine bewegliche seismische Masse trägt, wenigstens einer Oberflächenelektrode und wenigstens einer vergrabenen Elektrode. In diesem Fall umfaßt das Verfahren die folgenden Schritte:
i) - Implantieren der Sauerstoffionen in ein Substrat aus leitendem monokristallinen Silidum eines ersten Konduktivitätstyps, dann Tempern des implantierten Substrats, wobei sich eine vergrabene Oxidschicht bildet, die den leitenden Siliciumfilm vom Substrat trennt;
ii) - Bilden einer in dem Substrat vergrabenen Elektrode;
iii) - Ätzen des Stapels aus Film und Oxidschicht zum Substrat, um die bewegliche Masse, den Träger bzw. Balken und eine Kontaktstelle auf der vergrabenen Elektrode zu bilden;
iv) - Bilden von Abstandshaltern auf der beweglichen Masse und auf dem Träger, die in bezug auf das Silidum selektiv eliminiert werden können;
v) - elektrisches Isolieren der in iv) erhaltenen Struktur an der für die Oberflächenelektrode vorgesehenen Stelle durch ein zusätzliches elektrisches Isoliermaterial;
vi) - Epitaxieren einer leitenden monokristallinen Siliciumschicht auf der Masse, um sie zu verdicken, und Abscheiden des polykristallinen Siliciums an der für die Oberflächenelektrode vorgesehenen Stelle;
vii) - Herstellen der metallischen Kontakte für die Oberflächenelektrode und die vergrabene Elektrode;
viii) - Ätzen des Stapels aus epitaxiertem Silidum- Siliciumfilm bis zur Oxidschicht, um in der beweglichen Masse Öffnungen zu bilden;
ix) - Eliminieren der Abstandshalter und partiell der Oxidschicht.
Um die isolierenden Abstandhalter und die Oxidschicht simultan zu isolieren, werden diese Abstandshalter vorteilhafterweise aus Siliciumoxid hergestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die simultane Herstellung eines oder mehrerer Beschleunigungsmesser mit parallel zum Substrat beweglichen Elementen und eines oder mehrerer Beschleunigungsmesser mit senkrecht zum Substrat beweglichen Elementen. In diesem Fall werden die speziellen Schritte zur Herstellung der Beschleunigungsmesser mit zum Substrat senkrecht beweglichen Elementen, und insbesondere die Schritte ii), iv), v) durchgeführt, indem man die Bereiche des Substrats maskiert, die zur Herstellung der Beschleunigungsmesser mit zum Substrat paralleler sensibler Achse vorgesehen sind.
Weitere Charakteristika und Vorteile der Erfindung gehen besser aus der nachfolgenden, erläuternden und nicht einschränkenden Beschreibung hervor, bezogen auf die beigefügten Zeichnungen:
- die Figur 1 stellt schematisch in der Draufsicht einen Beschleunigungsmesser mit zum Substrat paralleler sensibler Achse dar, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
- die Figur 2 ist eine Schnittansicht entsprechend der Richtung II-II der Figur 1,
- die Figur 3 ist eine Schnittansicht entsprechend der Linie III- III der Figur 1,
- die Figuren 4 bis 8 zeigen schematisch die verschiedenen erfindungsgemäßen Herstellungsschritte des Beschleunigungsmessers der Figur 1, wobei die Figuren 4, 5, 6, und 8 Schnitte entsprechend der Richtung II-II der Figur 1 sind,
- die Figur 9 ist eine Draufsicht eines Beschleunigungsmessers mit zum Substrat senkrechter sensibler Achse, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
- die Figur 10 ist eine Schnittansicht entsprechend der Richtung X-X der Figur 9,
- die Figuren 11A, 11B, 12, 13A, 14A, 14B, 15A, 15B, 16A, 16B, 17A und 17B zeigen die verschiedenen Herstellungsschritte des Beschleunigungsmessers der Figuren 9 und 10, wobei die Figuren 11b, 12, 13B, 14B, 15B, 16B und 17B Schnittansichten sind, während die Figuren 11A, 13A, 14A, 15A, 16A und 17A Draufsichten sind, und
- die Figur 18 zeigt das Prinzip eines Beschleunigungsmessers im Schnitt.
In der nachfolgenden Beschreibung wird die SIMOX- Technik angewandt und ein Substrat aus monokristallinem Silidum des Typs N verwendet, aber wie man oben gesehen hat, können andere Silicium/Isolator-Techniken sowie ein Substrat des Typs P vorgesehen werden.
1º) - Beschleunigungsmesser mit zum Substrat paralleler sensibler Achse.
Mit Bezug auf die Figuren 1, 2 und 3 wird anschließend die Herstellung eines speziellen Beispiels eines Beschleunigungsmessers mit zum Substrat paralleler sensibler Achse beschrieben.
Dieser Beschleunigungsmesser umfaßt eine bewegliche seismische Masse 2 aus P-dotiertem monokristallinem Silidum, durch flexible Träger bzw. Balken 6 mit festen Tragelementen 4 verbunden. Diese Masse 2 enthält Durchgangslöcher 9 und vorstehende Teile 7 für die Verbindung mit den Balken. Der Sinn dieser Löcher wird später erläutert.
Die Elemente 4 sind fest und isoliert mit einem Substrat 8 verbunden.
Die Elemente 4 und die Balken 6 sind aus monokristallinem Silidum des Typs P, während das Substrat 8 aus monokristallinem Silidum des Typs N ist.
In der Figur 1 umfaßt der Beschleunigungsmesser beiderseits der seismischen Masse 2 zwei Tragelemente 4. Diese Struktur ist also symmetrisch in bezug auf zwei zueinander senkrechte Achsen X und Y, die parallel zu der Oberfläche des Substrats 8 verlaufen.
Es ist jedoch möglich, einen Beschleunigungsmesser herzustellen, der nur das linke obere Viertel der Struktur umfaßt und auch funktioniert.
Die seismische Masse 2 des Beschleunigungsmessers der Figur 1 umfaßt beiderseits der Achs Y zahnförmige Elektroden 12, parallel zur X-Richtung; sie bilden zwei erste bewegliche Kämme 14. Jedem ersten Kamm 14 gegenüberstehend und versetzt befindet sich ein zweiter und fester Kamm 16 oder 17, dessen Zähne 18 oder 15, die die Rolle von Elektroden spielen, parallel zur X-Richtung sind und verschachtelt sind mit den Zähnen 12 des Kamms 14. Diese Kämme 16 und 17 sind auch aus P-dotiertem monokristallinem Silidum und sind durch ihren massiven Teil 19 und 21 fest verbunden mit dem Substrat 8 (Figur 3).
Die Zähne 12 und 18 oder 15 bilden aufgrund ihrer Leitfähigkeit Kondensatorbelegungen mit variabler Kapazität. Wenn nämlich die Balken 6 sich parallel zum Substrat 8 in der Y- Richtung bewegen, verschieben sich die beweglichen Zähne 12 in dieser Y-Richtung, während die Zähne 18 und 15 ortsfest bleiben, was zu einer Veränderung des Abstands zwischen einem Zahn 12 und dem gegenüberstehenden Zahn 18 oder 15 führt und folglich zu einer Veränderung der Kapazität des entsprechenden Kondensators.
Die Veränderung der Kapazität jedes Kondensators ist proportional zur Verschiebung in der Y-Richtung. Indem man also diese Kapazitätsveränderung mißt, ist es möglich, die Verschiebung der Balken in der Y-Richtung zu kennen.
Jedem Zahn 12, außer denen an den seitlichen Enden, entsprechen zwei variable Kapazitäten, die sich in umgekehrter Richtung verändern.
Auch sind, um jedem Zahn 12 nur eine Kapazität zuzuordnen und aufgrund der Symmetrie in bezug auf die Y-Richtung, zwei elektrostatische Abschirmungen 20, im wesentlichen gebildet durch zu Y-Richtung parallele Zähne 22, beiderseits dieser Richtung vorgesehen; jeder Zahn 22 befindet sich zwischen einem beweglichen Zahn 12 und einem festen Zahn 18 oder 15.
Wie dargestellt in Figur 2, sind die festen Elektroden 22 der elektrostatischen Abschirmungen in direktem Kontakt mit dem Substrat 8 und folglich mit diesem letzteren elektrisch verbunden.
Hingegen, wie dargestellt in Figur 3, sind die Tragelemente 4 der Balken 6 und die massiven Teile 19 und 21 der festen Kämme 16 und 17 vorn Substrat 8 elektrisch isoliert durch eine geätzte Siliciumoxidschicht 28.
Die seismische Masse 2 ihrerseits ist aufgehängt über dem Substrat 8. Das Bezugszeichen 40 bezeichnet den leeren Raum zwischen der Masse 2 und dem Substrat 8.
Die Anordnung der Elektroden oder Zähne 12 und 18 oder 15 und der elektrostatischen Abschirmungen 20 ermöglicht eine Differentialmessung der Verschiebungen der durch die Balken 6 getragenen Masse 2 in der Y-Richtung sowie eine Regelung der Messung.
Um die Kapazitätsveränderungen der Kondensatoren 12-18 zu messen, ist ein elektrischer Bezugskontakt 23 oder 24 auf den Kämmen 17 bzw. 16 vorgesehen. Außerdem ist auf einem der Tragelemente 4 ein elektrischer Meßkontakt 26 für die Differentialmessung vorgesehen.
Unter der Wirkung einer Beschleunigung in Y-Richtung ist die seismische Masse 2 einer Kraft (F=mγ) ausgesetzt, die sie ]e nach Steifigkeit der Balken 6 um eine zu Y parallele Distanz 1 verschiebt. Die zwischen diesen mit der seismischen Masse 2 fest verbundenen Elektroden 12 und den als Anschläge dienenden feststehenden Elektroden 18 und 15 der Kämme 16, 17 und 14 gemessenen Kapazitäten variieren entgegengesetzt.
Die Aordnung einer Elektrode 22 einer elektrostatischen Abschirmung 20 zwischen einer Seite einer festen Elektrode 18 oder 15 und einer Seite einer beweglichen Elektrode 12 ermöglicht, einen einzigen Kondensator variabler Kapazität jedem beweglichen Zahn zuzuordnen und folglich die Wirkung einer Stör- bzw. Streukapaziät zu annulieren.
Elektrisch sind die drei Elektrodenserien 12, 18 oder 15, 22 isoliert und stehen unter der Wirkung eines elektrischen Feldes E, erzeugt zwischen der seismischen Masse 2 (über den Kontakt 26) und einer der beiden Elektroden 18 oder 15 (über den Kontakt 24 bzw. 23), wodurch eine elektrostatische Anziehungskraft entsteht.
Für eine Regelung der Messung benutzt man eine zwischen den Kontakten 24 oder 23 und 26 geschaltete Meßvorrichtung, die die differentielle Kapazitätsveränderung mißt, die bei einer Beschleunigung durch die Verschiebung der seismischen Masse in Y- Richtung induziert wird. Diese Vorrichtung des Typs Kapazitätsmesser erzeugt ein Wechselstrom-Meßsignal mit kleiner Amplitude.
Dieses überlagert man nun einer gleichgerichteten Vorspannung, angelegt über die Kontakte 24 oder 23 und 26, zwischen den Elektroden 12 und 18 oder 15 (deren Kapazität abnimmt), die ermöglicht, eine Kraft (elektrostatischen Ursprungs) gleich der durch die Beschleunigung in Y-Richtung erzeugten Kraft zu erzeugen, die die Masse in ihre Gleichgewichtslage und folglich zur Anfangskapazität jedes variablen Kondensators zurückstellt.
Diese Vorspannung liefert folglich ein Bild der Beschleunigung in Y-Richtung und ermöglicht, einen Sensor mit sehr großer Linearität zu erhalten und ihn für einen Selbsttest der Struktur benutzen zu können.
Um unabhängig eine Beschleunigung in x-Richtung messen zu können, genügt es, auf demselben Substrat 8 einen Beschleunigungsmesser wie den in den Figuren 1 bis 3 dargestellten zu bilden, aber ihn in einer senkrechten Richtung auszurichten, so daß die Balken 6, die Zähne 12, 18 und 22 parallel zur Y-Richtung ausgerichtet sind. In diesem Fall kann man eine Beschleunigung in X-Richtung durch Verschiebung der seismischen Masse parallel zur X-Richtung detektieren.
2º) - Herstellung des Beschleunigungsmessers mit zum Substrat paralleler sensibler Achse.
Der erste Schritt des Verfahrens, dargestellt in der Figur 4, besteht darin, auf dem Substrat 8 einen Stapel des Typs Silidum/Isolator zu bilden. Zu diesem Zweck implantiert man in das N-dotierte monokristalline Substrat 8 beliebiger Orientierung (100, 110, 101) Sauerstoffionen (O+ oder O&sub2;+) mit einer Dosis von 10¹&sup6; bis 10¹&sup8; Ionen/cm² und tempert dann die implantierte Struktur bei einer Temperatur zwischen 1150 und 1400ºC.
Diese Sauerstoff-Implantation und dieses Tempern können mehrmals wiederholt werden. Die Implantationsenergle wird zwischen 100 und 1000keV gewählt.
Diese Mono- oder Multi-Implantation, gefolgt von ihrem Tempern, ermöglicht die Herstellung einer vergrabenen homogenen Oxidschicht 28 über die gesamte Fläche des Substrats 8 und eine Oberflächenschicht 32 aus monokristallinem Silidum des Typs N.
Beispielsweise beträgt die Dicke der SiO-Schicht 28 ungefähr 400nm und die der Oberflächenschicht 32 aus Silidum ungefähr 150nm bei Durchführung von drei Sauerstoffimplantationen mit einer Dosis von 10¹&sup8;ionen/cm und einer Energie von 200keV.
Anschließend führt man über den gesamten Siliciumfilm 32 eine Dotierung des Typs P durch, um ihn mechanisch vorzuspannen, z.B. durch Implantation von Bor-Ionen (Figur 12) mit einer Dosis von einigen 10¹&sup4;At/cm² (typisch 2×10¹&sup4;) und einer relativ niedrigen Energie in der Größenordnung von 30keV, damit sie nur in die Oberfläche des Films 32 eindringen.
Im Falle eines Ausgangssubstrats des Typs P ist diese Implantation nicht nötig.
Der nächste Schritt des Verfahrens, dargestellt in Figur 5, besteht darin, die Schichten 32 und 28 bis zum Substrat 8 entsprechend einem Muster zu ätzen, das ermöglicht, die generelle Form der elektrostatischen Abschirmungen 20 und der seismischen Masse 2 festzulegen.
Dieser Angriff erfolgt durch reaktives lonenätzen unter Verwendung von z.B. SF&sub6; und CHF&sub3; für jeweils das Silidum 32 und das Oxid 28. Dieses Ätzen wird unabhängig von der Kristallorientierung des Substrats durchgeführt, mittels Anwendung klassischer Photolithographietechiken und insbesondere einer das gewünschte Muster darstellenden Harzmaske 34.
Nach Entfernung der Maske 34 durch chemischen Angriff epitaxiert man auf der gesamten Struktur eine P-dotierte Schicht aus monokristallinem Silidum mit 1 bis loonm Dicke, je nach erwünschter Empfindlichkeit des Beschleunigungsmessers (typisch 10 bis 20um), um die Struktur und insbesondere die Balken 6 zu versteifen und eine ausreichende seismische Masse zu bekommen. Diese Epitaxie wird in der Gasphase durchgeführt; die erhaltene Struktur ist die in Figur 6 dargestellte.
Man führt dann auf der gesamten Struktur die Abscheidung einer metallischen Schicht durch, um die Zwischenverbindungen mit den Meßschaltungen sowie die Kontaktelementen 23, 24 und 26 zu realisieren. Diese Metallisierung hat eine Dicke von 0,5um und kann aus Aluminium, Gold oder einem Mehrschichtenstapel des Typs Ti-Ni-Au und generell aus einem Metall sein, das der Ätzung des Siliciumoxids widersteht. Bei einer Dreischichten-Metallisierung sichert das Titan den ohmschen Kontakt auf dem Silidum, das Nickel spielt die Rolle der Diffusionsbarriere und das Gold gewährleistet die elektrische Leitfähigkeit.
Diese Metallschicht wird dann geätzt, um jeweils die Kontakte 23, 24 und 26 auf den Teilen 19 und 21 des Siliciums und die Tragelemente 4 zu bilden. Bei einer Dreischichten-Metallisierung kann man mittels chemischer Naßätzung z.B. mit einer Mischung aus bd und Kaliumiodid das Gold zu ätzen, mit (NH&sub4;)&sub2;S&sub2;O&sub8; in H&sub2;SO&sub4; das Nickel ätzen und mit einer Lösung von H&sub2;F mit 1 Vol% das Titan ätzen. Die Struktur nach dem Ätzen ist die in Figur 7 dargestellte.
Man führt dann, wie in Figur 8 dargestellt, ein Ätzen der expitaxierten Schicht 36 durch und dann der Siliciumschicht 32 bis zu der Siliciumdioxidschicht 28 und sogar bis zum Substrat 8 in Höhe der elektrischen Abschirmung. Dieses Ätzen ist ein anisotropes Trockenätzen, z.B. ein reaktive lonenätzen mit einer Mischung aus CCl&sub4;+N&sub2; für das Silidum und CHF&sub3; für das Oxid. Sie wird nach den klassischen Lithographieverfahren durchgeführt, unter Verwendung einer geeigneten Maske 32 aus Harz oder SiO&sub2;.
Diese Maske definiert die Form der Zähne 22 der elektrostatischen Abschirmungen, der Zähne 12 der seismischen Masse und der festen Zähne 18 und 15. Außerdem ermöglicht diese Ätzung, wie dargestellt in Figur 1, die Schaffung von Löchern 9 in dem massiven Teil der seismischen Masse 2 über den gesamten Silidumteil (Figur 3).
Der nächste Schritt des Verfahrens nach Entfernung der Maske 37 besteht darin, die beweglichen Elemente des Beschleunigungsmessers und folglich die seismische Masse 2 mit ihren Kämmen 14 sowie die flexiblen Träger bzw. Balken 6 freizulegen durch Ätzen der Siliciumdioxidschicht 28 mit einer Lösung auf der Basis von Fluorwasserstoffsäure, ausgehend von den Rändern der Struktur und den Löchern 9. Die Struktur, die man erhält, ist in den Figuren 2 und 3 dargestellt.
Dieses Ätzen wird partiell durchgeführt, derart daß Balken 6 durch das Substrat 8 getragen werden und dabei von diesem letzteren isoliert sind. Die Löcher 9 werden angebracht, um eine schnelles Ätzen der unter der seismischen Masse 2 vergrabenen Schicht 28 zu ermöglichen, ohne wesentliches Überätzen in den Zonen, die man nicht freizulegen wünscht, insbesondere unter den Träger 4 und den massiven Elementen 19 und 21 der Kämme 16 und 17 mit festen Elektroden 18 und 15.
Anschließend spült und trocknet man die erhaltene Struktur.
Die benutzte SIMOX-Technik ermöglicht die Bildung einer Opferoxidschicht 28 von homogener Dicke, die durch ihre Entfernung ermöglicht, die Struktur aus monokristallinem Silidum von oben freizulegen und dabei kontrolliert einen schmalen Spalt 40 zwischen dem Substrat 8 und dem Silidum 32 herzustellen (Figur 3), dessen Boden im Falle von Überlastung als mechanischer Anschlag dienen kann.
3º) - Beschleunigungsmesser mit zum Substrat senkrechter sensibler Achse.
In der Folge der Beschreibung tragen die Elemente, die gleiche Rolle wie die vorhergehend mit Bezug auf die Figuren 1 bis 8 beschriebenen spielen, dieselbe Zahl, gefolgt von dem Buchstaben a. Außerdem kann dieser Beschleunigungsmesser auf demselben Substrat und simultan mit dem vorhergehend beschriebenen hergestellt werden, so daß folglich die Materialien und ihre Abscheidungstechniken dieselben sind.
Dieser Beschleunigungsmesser ist als Draufsicht in Figur 9 und im Schnitt in Figur 10 dargestellt, entsprechend der Richtung X-X der Figur 9.
Wie vorhergehend hat dieser Beschleunigungsmesser eine symmetrische Konfiguration, jedoch ist es möglich, für die Detektion einer Beschleunigung in einer Richtung Z nur das obere linke Viertel der dargestellten Struktur zu benutzen.
Dieser Beschleunigungsmesser umfaßt in der Ebene XY eine quadratische seismische Masse 2a, versehen mit ihren Löchern 9a. Diese seismische Masse 2a ist mechanisch durch die Balken 6a mit den Tragelementen 4a mit dem Substrat 8 verbunden, aber von diesem letzteren isoliert durch die Oxidschicht 28.
Die seismische Masse 2a ist mit in Z-Richtung beweglichen Membranen 12a ausgestattet, hier 4 an der Zahl und angeordnet an den Seiten der seismischen Masse 2a. Diese Membranen 12a dienen als bewegliche Elektroden zur kapazitiven Detektion und zur Regelung dieser Messung. Diese Membranen 12a sind wie die Balken 6a aus monokristallinem Silidum hergestellt und haben eine Dicke unter einem um, z.B. in der Größenordnung von 0,22um.
Beiderseits dieser beweglichen Elektroden 12a sieht man eine feststehende obere Elektrode 18a, deren vorstehender Teil 18b die Rolle eines oberen Anschlags spielt. Diese Elektroden 18a sind aus P-dotiertem monokristallinem Silidum hergestellt.
Ein homogener Raum 40a, der die Elektrode 18a und die Elektrode 12a trennt, ist vorgesehen. Ebenso ist ein homogener Raum 40b vorgesehen, der die Elektrode 12a und die Elektrode 20a trennt.
Die Elektroden 18a werden durch die elektrisch vom Substrat 8 isolierten Tragelemente 19a getragen.
Über den Elektroden 18a sieht man metallische Bezugskontakte 24a und über den Trägern 4a der Balken metallische Meßkontakte 26a.
Vorteilhafterweise aber nicht notwendigerweise befindet sich unter der seismischen Masse 2a eine vergrabene implantierte Elektrode 20a des Typs P.
Die Nutzung einer vergrabenen Elektrode 20a ist eine bevorzugte Lösung, denn sie ermöglicht Messungen mit Eliminierung der Streukapazitäten Jedoch kann der Beschleunigungsmesser ohne diese vergrabene Elektrode arbeiten. In diesem Fall wird sie durch das Substrat selbst ersetzt, das ein Leiter des Typs P ist.
Die Kontaktnahme an der Elektrode 20a erfolgt seitlich dank einer in das Substrat implantierten elektrischen Verbindung 21 und eines auf der Oberfläche angebrachten elektrischen Kontaktelements 23a.
Anschließend wird die Funktionsweise des Beschleunigungsmessers mit einer in Z-Richtung sensiblen Achse beschrieben.
Unter der Wirkung einer Beschleunigung in Z-Richtung ist die seismische Masse 2a einer Kraft (F=mγ) ausgesetzt, die sie je nach Steifigkeit der Balken 6a um eine zu Z parallele Distanz verschiebt. Die Kapazitäten, gemessen zwischen den mit der seismischen Masse verbundenen Elektroden 12a und den durch die oberen Anschläge 18b und das Substrat 8 gebildeten Elektroden, verändern sich entgegengesetzt.
Elektrisch sind die drei Arten von Elektroden 12a, 18b und 20a isoliert und unter der Wirkung eines elektrischen Feldes E, erzeugt zwischen der seismischen Masse 2a (über den Kontakt 26a) und einer der beiden Elektroden 18b oder 20a (über den Kontakt 24a bzw. 23a), entsteht eine elektrostatische Anziehungskraft.
Für eine Regelung benutzt man wieder eine Meßvorrichtung, angeschlossen an die Kontakte 24a, 23a und 26a, die die durch die Verschiebung der seismischen Masse in Z-Richtung induzierte Kapazitätsveränderung bei einer Beschleunigung mißt.
Diese Vorrichtung erzeugt wie vorhergehend ein Wechselstrom-Meßsignal mit kleiner Amplitude, das man einer gleichgerichteten Vorspannung überlagert, angelegt an die Elektroden über die entsprechenden elektrischen Kontakte 24a, 26a, wodurch eine Kraft gleich der durch die Beschleunigung in Z- Richtung erzeugten entsteht, die die Masse in ihre Gleichgewichtslage zurückstellt.
4º) - Herstellung des Beschleunigungsmessers mit einer zum Substrat senkrechten sensiblen Achse.
Der erste Schritt, dargestellt in Figur 11, besteht darin, den Stapel aus dem monokristallinem Silidum 32 und der Oxidschicht 28 auf dem Substrat 8 des Typs N in derselben Art herzustellen, wie beschrieben mit Bezug auf die Figur 4.
Der nächste Schritt, dargestellt in den Figuren lla und 11b, betrifft die Herstellung einer in dem Substrat 8 vergrabenen Elektrode. Zu diesem Zweck bildet man eine photolithographische Maske 42 mittels klassischer Verfahren, mit der man das Bild der herzustellenden Elektrode 20a sowie ihrer elektrischen Verbindung 21 in dem Substrat festlegt, außerhalb der sensiblen Zone des Beschleunigungsmessers, hinsichtlich einer späteren Kontaktnahme.
Durch die Maske 42 stellt man mit hoher Energie eine tiefe Bor-Implantation 44 her, unter der vergrabenen Oxidschicht 28. Die Implantationsbedingungen können z.B. eine Dosis von 5×10¹&sup4;At/cm² mit einer Energie von 240keV sein, um eine P-dotierte Zone mit guter elektrischer Leitfähigkeit und ungefähr 0,3um direkt unter der vergrabenen Schicht 28 zu erhalten, und dies in der nicht von dem Harz 42 maskierten Zone. Diese letztere muß ausreichend dick sein, um die Implantation in den unerwünschten Zonen zu blockieren. Eine Dicke von z.B. 2um photosensiblen Harzes kann benutzt werden.
Wenn diese Implantation durchgeführt ist, entfernt man die Maske 42 z.B. durch chemischen Angriff.
Da die bewegliche Struktur 2a von Balken 6a getragen werden muß, die in einem dünnen Siliciumfilm 32 realisiert werden, ist es wichtig, daß diese flexiblen Träger mechanisch vorgespannt sind. Diese mechanische Vorspannung kann man herstellen, wenn das Silidum vorn Typ P ist. Da der Siliciumfilm 32 aufgrund der anfänglichen Wahl des Substrats 8 vom Typ N ist, muß man ihn einer Dotierung des Typs P unterziehen. Diese Dotierung wird, wie dargestellt in der Figur 12, durchgeführt indem Ionen des Typs P über die gesamte Oberfläche des Siliciumfilms 32 implantiert werden.
Diese Implantation 46 kann mit Bor-lonen unter den vorhergehend beschriebenen Bedingungen durchgeführt werden.
Der nächste Schritt des Verfahrens, dargestellt in den Figuren 13A und 138, besteht darin, den Stapel aus dem Siliciumfilm 32 und der Oxidschicht 28 bei Benutzung einer geeigneten Maske 34a zu ätzen Diese Maske 34a definiert insbesondere die Formen der seismischen Masse 2a, der Balken 6a und des Kontaktlochs 25 zur späteren Kontaktnahme an der vergrabenen Elektrode 20a.
Diese Ätzung des Zweischichtenstapels wird unter denselben Bedingungen durchgeführt wie beschrieben in Bezug auf die Figur 5.
Der nächste Schritt des Verfahrens ist in den Figuren 14A und 14B dargestellt. Er besteht darin, auf der gesamten Struktur eine Isolierschicht 48 abzuscheiden, z.B. aus SiO&sub2; und generell mit einer Dicke gleich der Dicke der vergrabenen Oxidschicht 28. Dieses Oxid 48 wird nach den klassischen Verfahren der Photolithographie geätzt, indem eine Maske 50 benutzt wird. Diese Schicht 48 kann mittels PECVD abgeschieden und dann geätzt werden, z.B. auf chemischem Wege durch eine Fluorwasserstofflösung oder durch Trockenätzung (GIR) mit CHF&sub3;.
Die geätzte Schicht 48 ist dazu bestimmt, die in der Folge des Verfahrens herzustellenden Balken 6a zu schützen und außerdem die Spalte 40a zwischen den beweglichen Elektroden 12a und den feststehenden oberen Elektroden 18a festzulegen.
Nach Entfernung der Harzmaske 50 und wie dargesellt in den Figuren 15A und 158, scheidet man auf der gesamten Struktur eine neue elektrisch isolierende Schicht 60 ab, die selektiv ätzbar sein muß in bezug auf die Schutzschicht 48 und die Oxidschicht 28. Diese Schicht 60 kann aus Siliciumnitrid oder Siliciumoxynitrid hergestellt und mittels LPCVD auf eine Dicke von 0,5um abgeschieden werden.
Anschließend führt man eine Ätzung dieser Schicht 60 durch, indem man eine neue Harzmaske 62 von geeigneter Form benutzt. Diese Maske 62 legt die Dimensionen der in der Schicht 60 herzustellenden Isolatoren fest, um die Elektroden 18a und das Kontaktloch 25 von dem leitfähigen Substrat 8 und dem leitfähigen Siliciumfilm 32 elektrisch zu isolieren. Das Ätzen der Schicht 60 ist ein reaktives lonenätzen mit einer Mischung aus CHF&sub3;+SF&sub6; bis zur Freilegung der Oberfläche des Siliciums 32.
Nach Entfernung der Maske 62 überzieht man die gesamte Struktur mit einem leitfähigen Silidum, wie dargestellt in den Figuren 16A und 16B, um die seismische Masse 2a dicker zu machen und die oberen Elektroden 18 herzustellen.
Dieser Schritt besteht darin, eine P-dotierte Siliciumschicht einer Dicke zwischen 1 und 100um auf die gesamte Oberfläche des Substrats zu epitaxieren oder eventuell eine Schicht aus P-dotiertem Silidum auf dieser Oberfläche abzuscheiden, deren Dicke gegenwärtig aufgrund der benutzten Techniken auf 2 oder 3um begrenzt ist.
Die Silicium-Epitaxie führt (unabhängig von der benutzten Technik) zur Herstellung eines monokristallinen Materials 36a auf allen Zonen in Kontakt mit dem monokristallinen Silidum und eines polykristallinen Materials 36b in den Zonen, die die Siliciumnitridschicht 60 oder die isolierenden Elemente 48 überdecken. Es werden also alle kritischen Teile der Struktur wie die seismische Masse 2a und die Einfügungszone 64 der Balken 6a aus monokristallinem Silicum hergestellt.
Auf der erhaltenen Struktur scheidet man dann die Metallschicht zur Zwischenverbindung und Kontaktnahme ab, die man entsprechend den gewünschten Mustern ätzt, um die verschiedenen metallischen Kontakte 26a, 23 und 24a herzustellen. Diese Metallschicht kann eine Goldschicht oder eine Mehrlagenschicht aus Titan-Nickel-Gold sein. Die Form der Kontakte wird dann durch chemische Ätzung hergestellt, indem man eine geeignete Harzmaske benutzt. Die Mehrlagenschicht muß der Ätzung des Siliciums widerstehen, das mittels einer Lösung auf Fluorwasserstoffsäurebasis geätzt wird.
Der nächste Schritt des Verfahrens ist in den Figuren 17A und 17B dargestellt. Dieser Schritt besteht darin, das Silidum 36a, 36b und 32 mit Hilfe einer geeigneten Maske zu ätzen, die die Dimensionen der flexiblen Balken 6a, der Einfügung 64 der Balken, der beweglichen Elektroden 12a und der Elektroden 18a mit ihrem Anschlag 18b festlegt. Diese Ätzung führt außerdem zur Herstellung der Löcher 9a, die der Struktur eine optimale mechanische Dämpfung verleihen.
Die Dichte der Löcher ermöglicht, die Genzfrequenz des Beschleunigungsmessers innerhalb eines breiten Beschleunigungsbereichs einzustellen, ohne die Abmessungen der Grundstruktur zu verändern.
Diese Ätzungen werden bis auf das unter der seismischen Masse 2a vergrabene Oxidd 28 durchgeführt.
Die für die Ätzung benutzte Maske 66 kann eine Maske aus photosensiblem Harz sein oder eventuell eine entsprechend der erwünschten Form geätztes Oxid.
Die Ätzung wird mittels eines anisotropen Trockenverf ahren durchgeführt, mit SF&sub6; oder einer Gasmischung CCl&sub4;+N&sub2;.
Man entfernt dann die isolierenden Elemente 48 sowie partiell die vergrabene Schicht 28, um die beweglichen Elemente des Beschleunigungsmessers freizulegen und insbesondere die Balken 6a, die bewegliche Masse 2a und die Elektroden 12a. Die Entfernung wird in einer Lösung auf HF-Basis durchgeführt, ausgehend von den Rändern der Struktur und den Löchern 9a. Dann wird die Struktur gespült und getrocknet.
Die benutzte SIMOX-Technik ermöglicht wie vorhergehend die kontrollierte Herstellung eines Spalts 40b (Figur 10), was ermöglicht, eine Kapazität mit einem hohen Wert herzustellen.
Zudem werden die flexiblen Balken 6a in der Silidum- Oberflächenschicht mit einer Dicke von ungefähr 0,2um hergestellt, was dem Beschleunigungsmesser eine große Sensibilität verleiht.
Erfindungskonform ist es möglich, auf demselben Substrat einen in der Z-Achse sensiblen Beschleunigungsmesser herzustellen, wie beschrieben mit Bezug auf die Figuren 9 bis 17B, und Beschleunigungsmesser mit zum Substrat paralleler Achse, wie beschrieben mit Bezug auf die Figuren 1 bis 8.
Die Herstellung dieser verschiedenen Beschleunigungsmesser kann simultan erfolgen. In diesem Fall ist es notwendig, während der Implantationsschritte der vergrabenen Elektrode (Figuren lla und llb) eine Maskierung der Zonen des Substrats vorzusehen, die zur Herstellung der in der X- oder Y-Achse sensiblen Beschleunigungsmesser bestimmt sind.
Die anderen Schritte werden simultan auf dem gesamten Substrat ausgeführt, auch die Abscheidungen der isolierenden Elemente 48 und des Siliciumnitrids 60, da die Form dieser Isolatoren festgelegt wird mittels Ätzungen durch geeignete Masken 50 und 62.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht also einfach und reproduzierbar die Serienfertigung mehrerer Beschleunigungsmesser, was ihre Herstellungskosten senkt und und ihre Verwendung auf zahlreichen Anwendungsgebieten ermöglicht.
Die beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen der Beschleunigungsmesser dienen nur der Erläuterung und es können weitere Formen vorgesehen werden.
Vereinfacht ausgedrückt umfaßt ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Beschleunigungsmesser, wie dargestellt in Figur 18, einen flexiblen Träger bzw. Balken 6 aus dotiertem monokristallinen Silidum, mit einem seiner Enden und über die geätzte Isolierschicht 28 fest verbunden mit dem Substrat 8. Wenn der Balken ausreichend schwer ist (d.h. breit und dick), kann er die Rolle der seismischen Masse spielen. Jedoch ist es vorzuziehen, diesen Balken 6 mit einer zusätzlichen Masse 2 zu versehen, auch aus monokristallinem Silidum.
Meßeinrichtungen der Verformungen des Balkens 6, in das Substrat 8 integriert oder nicht, sind außerdem vorgesehen.
Das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht also darin, den Siliciumfilm 32 auf dem Substrat 8 herzustellen, indem man sie trennt durch eine elektrisch isolierende Schicht 28 nach einer Silicium-auf-Isolator-Technik, eventuell mittels Epitaxie auf dem Balken 6 eine Schicht aus monokristallinem Silidum zu erzeugen, die Struktur bis auf das Substrat 8 zu ätzen, um den beweglichen Balken 6 und die bewegliche Masse zu bilden und die Isolierschicht 28 partiell zu entfernen, um den Balken und die bewegliche Masse 2 freizulegen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines bewegliche Elemente umfassenden integrierten Beschleunigungsmessers, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt:

a) - Herstellen eines monokristallinen Siliciumfilms auf einem Siliciumsubstrat, von diesem letzeren durch eine Isolierschicht getrennt;

b) - Ätzen des Siliciumfilms und der Isolierschicht bis zum Substrat, um die Form der beweglichen Elemente festzulegen; und

c) - partielles Entfernen der Isolierschicht, um die beweglichen Elemente freizumachen, wobei der verbleibende Rest der Isolierschicht die beweglichen Elemente und das Substrat verbindet, und dadurch, daß man vor dem Schritt c) eine leitende monokristalline Siliciumschicht auf der in b) erhaltenen Struktur epitaktisch aufwachsen läßt, wenigstens an der Stelle bzw. dem Ort der beweglichen Elemente.

2. Verfahren nach Anspruch 1, auf dem Substrat integrierte Bewegungsmeßeinrichtungen dieser beweglichen Elemente umfassend, dadurch gekennzeichnet, daß diese Einrichtungen teilweise während des Schritts b) in dem Siliciumfilm und/oder der epitaksierten Schicht definiert werden, die dann leitend sind, und dadurch, daß man für die Meßeinrichtungen elektrische Kontakte auf dem leitenden Silicium herstellt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliciumfilm vom Typ N ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt a) darin besteht, Sauerstoff-Ionen in ein Substrat aus leitendem monokristallinem Silicium zu implantieren und das implantierte Substrat zu tempern.

5. Verfahren zur Herstellung eines wenigstens einen eine seismische Masse tragenden flexiblen Träger umfassenden Beschleunigungsmessers nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man in der seismischen Masse Öffnungen vorsieht, um die Entfernung der Isolierschicht zu erleichtern.

6. Verfahren zur Herstellung eines Beschleunigungsmessers nach ein 2 bis 5 mit in einer zum Substrat parallelen Richtung beweglichen Elementen, dadurch gekennzeichnet, daß man die Siliciumschicht auf der gesamten Struktur epitaktisch aufwachsen läßt, und dadurch, daß sie einen Ätzschritt der epitaxierten Siliciumschicht umfaßt, um eine kammförmige elektrostatische Abschirmung zu bilden, die zu den Meßeinrichtungen gehört.

7. Verfahren zur Herstellung eines Beschleunigungsmessers nach Anspruch 1, der wenigstens einen eine seismische Masse tragenden Träger umfaßt, wobei der Träger und die Masse in einer zum Substrat parallelen Richtung (Y) beweglich sind, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden sukzessiven Schritte umfaßt:

1) - Implantieren von Sauerstoff-Ionen in ein Substrat aus leitendem monokristallinem Silicium, dann Tempern des implantierten Substrats, wobei sich eine vergrabene Oxidschicht bildet, die den leitenden Siliciumfilm vom Substrat trennt;

2) - Ätzen des Stapels aus Film und Oxidschicht bis zum Substrat, um die bewegliche Masse, den Träger und einen Teil der Meßeinrichtungen zu bilden;

3) - Epitaktisches Aufwachsen einer leitenden Siliciumschicht auf der gesamten in 2) erhaltenen Struktur, um die bewegliche Masse des Trägers zu verdicken;

4) - Herstellen metallischer Kontakte auf den Meßeinrichtungen;

5) - Ätzen der epitaxierten Schicht und des Siliciumfilms bis zur Oxidschicht, um in der beweglichen Masse Löcher und eine kammförmige elektrostatische Abschirmung zu bilden, die teilweise die Meßeinrichtungen bilden;

6) - partielles Entfernen der Oxidschicht.

8. Verfahren zur Herstellung eines Beschleunigungsmessers nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit in einer zum Substrat senkrechten Richtung (Y) beweglichen Elementen, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Schritt zur Herstellung einer in dem monokristallinen Substrat vergrabenen Elektrode und einen Schritt zur Kontaktherstellung auf dieser Elektrode umfaßt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Schritt zur Herstellung von wenigstens einer Oberflächenelektrode auf dem Siliciumfilm und die Abscheidung und Ätzung einer zusätzlichen Isolierschicht zum elektrischen Isolieren des Substrats von dieser Oberflächenelektrode umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberf lächenelektrode aus leitenden polykristallinem Silicium hergestellt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß man auf dem Siliciumfilm vor dem epitaktischen Aufwachsen einer Siliciumschicht Opfer-Abstandshalter bildet, um den Spalt der Oberflächenelektrode festzulegen.

12. Verfahren nach Anspruch 1, wenigstens einen eine seismische Masse tragenden Träger umfassend, wobei der Träger und die Masse in einer zum Substrat senkrechten Richtung beweglich sind, und wenigstens eine Oberflächenelektrode und wenigstens eine vergrabene Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden sukzessiven Schritte umfaßt:

i) - Implantieren der Sauerstoff-Ionen in ein Substrat aus leitendem monokristallinen Silicium eines ersten Konduktivitätstyps, dann Tempern des implantierten Substrats, wobei sich eine vergrabene Oxidschicht bildet, die den leitenden Siliciumfilm vom Substrat trennt;

ii) - Bilden einer in dem Substrat vergrabenen Elektrode;

iii) - Ätzen des Stapels aus Film und Oxidschicht zum Substrat, um die bewegliche Masse, den Träger und eine Kontaktstelle auf der vergrabenen Elektrode zu bilden;

iv) - Bilden von Abstandshaltern auf der beweglichen Masse und auf dem Träger, die in bezug auf das Silicium selektiv eliminiert werden können;

v) - elektrisches Isolieren der in iv) erhaltenen Struktur an der für die Oberflächenelektrode vorgesehenen Stelle durch ein zusätzliches elektrisches Isoliermaterial;

vi) - Epitaktisches Aufwachsen einer leitenden monokristallinen Siliciumschicht auf der Masse, um sie zu verdicken, und Abscheiden des polykristallinen Siliciums an der für die Oberflächenelektrode vorgesehenen Stelle;

vii) - Herstellen der metallischen Kontakte für die Oberflächenelektrode und die vergrabene Elektrode;

viii) - Ätzen des Stapels aus epitaktisch aufgewachsenem Silicium und Siliciumfilm bis zur Oxidschicht, um in der beweglichen Masse Öffnungen zu bilden;

ix) - Eliminieren der Abstandshalter und partiell der Oxidschicht.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandhalter aus Siliciumoxid sind.

14. Verfahren nach Anspruch 8 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die vergrabene Elektrode durch lokales Implantieren von Ionen in das Substrat gebildet wird, deren Konduktivitätstyp zu dem des Substrats invers ist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß es bei einem Siliciumfilm des Typs N einen Schritt der Implantation von Ionen des Typs P auf der gesamten Oberfläche des Siliciumfilms umfaßt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Enfernung der Isolierschicht durch eine isotrope Trockenätzung erfolgt.

17. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man wenigstens ein erstes bewegliches Element mit zum Substrat senkrechter empfindlicher Achse und wenigstens ein zweites bewegliches Element mit zum Substrat paralleler empfindlicher Achse bildet.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß man wenigstens ein bewegliches Element mit zum Substrat senkrechter empfindlicher Achse bildet.