DE4203833C2 - Verfahren zur Herstellung von Siliziumhalbleiter-Beschleunigungsmesser-Bauelementen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Siliziumhalbleiter-Beschleunigungsmesser-Bauelementen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Halbleiter-Beschleunigungsmesser sind so ausgelegt, daß sie beispielsweise auf eine Siliziumschicht Beschleunigungskräfte mit irgendwelchen Mitteln aufbringen und die Durchbiegung der Siliziumschicht, die durch das Aufbringen der Beschleunigungskräfte erzeugt wird, in Form von Änderungen des Widerstandswerts eines in der Siliziumschicht gebildeten Meßwiderstands aufnehmen.

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

Bei einem derartigen Halbleiter-Beschleunigungsmesser werden Beschleunigungskräfte durch die Masse eines Federpendels 1 erzeugt.

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

Der so aufgebaute konventionelle Siliziumhalbleiter-Beschleunigungsmesser wird wie folgt hergestellt.

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

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

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

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

In der Zusammenfassung der JP 2-10 163 (A) ist ein Halbleiter- Beschleunigungssensor beschrieben, der eine verbesserte Temperaturcharakteristik aufweist. Bei dem Verfahren zur Herstellung des Sensors wird eine Diffusionsschicht auf einem Siliziumsubstrat und eine SiO₂-Schicht auf der Diffusionsschicht gebildet. Die SiO₂-Schicht mit einem unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten wird dann entfernt, so daß eine mechanische Verzerrung verhindert und die Temperaturcharakteristik verbessert wird.

Bei dem in der JP-Zusammenfasung 2-28 565 (A) beschriebenen Halbleiter-Beschleunigungssensor wird gegenüber dem vorgenannt beschriebenen Halbleiter-Beschleunigungssensor zusätzlich ein weiterer Halbleiter auf der Substratoberfläche aufgebracht, um die Zuverlässigkeit des Sensors und dessen Temperaturcharakteristik weiter zu verbessern.

Aus der EP 03 68 446 A2 ist ein selbstkalibrierender Beschleunnigungsmesser bekannt. Dieser umfaßt eine Erfassungsmasse, die relativ zu einem Rahmen durch eine Vielzahl von Balken mit integrierten Widerständen gehalten wird. Die Erfassungsmasse erfährt je nach Beschleunigung des Rahmens eine Verschiebung relativ zu diesem. Je nach Stärke der Verschiebung erzeugt eine Wheatstone-Brücke ein entsprechendes Ausgangssignal. Dabei weist zumindest ein Arm der Wheatstone- Brücke einen veränderbaren Widerstand auf, über den der Beschleunigungsmesser justierbar und kalibrierbar ist, so daß Temperatureffekte und Herstellungstoleranzen kompensierbar sind.

Aus der DE 37 41 036 A1 ist ein mikromechanischer Beschleunigungsmeser bekannt, mit dem Bewegungsänderungen in den drei Raumachsen gemessen werden können. Dabei werden drei jeweils für die Beschleunigung in einer ausgewählten Richtung empfindliche mikromechanische Sensoren monolithisch in einem Kristall integriert. Die Sensoren bestehen aus drei Torsionsbalken mit exzentrisch angeordneten Massen, die bei Bewegungsänderungen Drehmomente ausüben, die mit Hilfe integierter Piezo-Widerstände gemessen werden.

Bei keiner der vorgenannten Vorrichtungen ist eine Maßnahme zum Verhindern der Beschädigung eines im Sensor vorgesehenen Federpendels bei dessen Herstellung angegeben, so daß - wie vorgenannt erwähnt - eine hohe Ausfallrate bei der Herstellung der Sensoren auftreten kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, das eingangs genannte Verfahren zur Herstellung von Siliziumhalbleiter-Beschleunigungsmesser- Bauelementen dahingehend weiterzuentwickeln, daß eine Beschädigung des Siliziumhalbleiter-Beschleunigungsmesser- Bauelements beim Herstellungsprozeß ausgeschlossen werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß sind die in dem Silizium-Wafer geformten Beschleunigungsmesser- Chips mit eingebautem Federpendel so aufgebaut, daß die Federpendelteile verstärkt sind. Die Waferbearbeitung wird in einem Zustand vervollständigt, in dem die Federpendelteile halbfertig sind. Sie sind dabei immer noch verstärkt, so daß sie während des anschließenden Trennvorgangs und der Montageschritte nicht beschädigt werden. Im letzten Schritt des Montageablaufs wird das Verstärkungsmaterial entweder mechanisch zerbrochen oder unter Anwendung eines Laserstrahls geschmolzen, so daß das Federpendel beweglich wird. Somit kann eine Beschädigung des Silizium-Halbleiter- Beschleunigungsmesser-Bauelementes beim Herstellungsverfahren wirksam verhindert werden.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 einen seitlichen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Silizium-Halbleiter-Beschleunigungsmesser- Bauelements nach der Erfindung, wobei der Zustand gezeigt ist, in dem ein Federpendel fest­ gelegt ist;

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

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

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

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

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

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

Erstes Ausführungsbeispiel

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Zweites Ausführungsbeispiel

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

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

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

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

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

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von Siliziumhalbleiter- Beschleunigungsmesser-Bauelementen, mit den Schritten:

• - thermisches Oxidieren der Gesamtoberfläche eines Silizium- Wafers, der zu Beschleunigungsmesser-Bauelementen zu machen ist, unter Bildung einer thermischen Oxidschicht;
• - Entfernen der thermischen Oxidschicht und des unter ihr liegenden Siliziums in U-Form durch Ätzen zur Bildung von Teilen, die zu Federpendeln zu machen sind;
• - Bilden von Meßwiderständen auf einem Tragteil jedes der Teile, die zu Federpendeln zu machen sind;
• - Bilden einer Aussparung an der Rückseite des Silizium- Wafers durch Wegätzen des Siliziums zur Bildung des Federpendels; und
• - Zertrennen des Silizium-Wafers zu Einzelchips;

wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte:

• - Vorsehen einer metallischen Dünnschicht um den Teil herum, der zu dem Federpendel zu machen ist, vor der Bildung der Aussparung in der Rückseite des Silizium- Wafers;
• - Entfernen der metallischen Dünnschicht, die auf dem Chip zur Festlegung des Federpendels gebildet ist, um das Federpendel beweglich zu machen, nach dem Zertrennen des Silizium-Wafers zu Einzelchips.

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

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

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