DE4402085A1 - Kapazitiver, an seiner Oberfläche mikrobearbeiteter Differenzdrucksensor und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Kapazitiver, an seiner Oberfläche mikrobearbeiteter Differenzdrucksensor und Verfahren zu dessen Herstellung

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Description

Zum Aufbau von Mikrostrukturen muß zuerst eine Opferschicht auf ein Substrat aufgebracht und dann eine strukturelle Kom­ ponente oder Schicht auf die Opferschicht aufgebracht wer­ den. Die Opferschicht wird dann unter Belassung eines Sub­ strates entfernt, wobei eine strukturelle Komponente am Sub­ strat anhaftet, sich jedoch in einem Abstand von diesem be­ findet. Zwei Arten von Verfahren werden gegenwärtig zum Ent­ fernen der Opferschicht verwendet. Die eine Verfahrensart ist das Naßtrennverfahren und die andere das Trockentrennver­ fahren. Bei jedem Verfahren gibt es jedoch Schwierigkeiten.
Bei einem typischen Naßtrennverfahren wird eine Ätzlösung oder ein Ätzmittel zwischen dem Substrat und der strukturel­ len Schicht zum Entfernen der Opferschicht aufgebracht. Dann wird die Opferschicht mit einer Spüllösung weggespült. Wäh­ rend die Ätz- und die Spüllösung aus dem kleinen Raum zwi­ schen der strukturellen Schicht und dem Substrat verdampfen, werden zwischen diesen beiden starke Kapillarkräfte erzeugt. Da das Volumen der unter der strukturellen Schicht einge­ schlossenen Flüssigkeit durch die Verdampfung abnimmt, wer­ den die Kapillarkräfte größer. Als Ergebnis dieser Kräfte be­ ginnt eine Durchbiegung der strukturellen Schicht in Rich­ tung auf die Oberfläche des Substrats. Falls die Kapillar­ kräfte ausreichend stark sind und die strukturelle Schicht ausreichend schwach ist, verformt sich diese bis zu dem Punkt, an dem sie das Substrat berührt. An diesem Punkt sind die zwischen den Flächen wirkenden Kräfte am größten, und die strukturelle Schicht kann für immer am Substrat haften. Deshalb besteht ein Bedarf an einem Verfahren, das die de­ struktiven Auswirkungen der mit den Naßätztechniken verbunde­ nen Kapillarkräfte vermeidet.
Zum Überwinden der destruktiven Auswirkungen der Kapillar­ kräfte sind Trockentrennverfahren entwickelt worden. Obwohl die Trockentrennverfahren zum Entfernen der Opferschichten nicht durch Kapillarkräfte gestört werden, haben sie ihre ei­ genen typischen Nachteile. Zum Beispiel verlangt das Trocken­ trennverfahren von Saiki in der US-Patentschrift 3 846 166 das Aufbringen einer strukturellen Schicht auf einer Opfer­ harzschicht. Da die Harzschicht jedoch bei niedrigen Tempera­ turen (zum Beispiel 300 bis 400°C) schmilzt oder sich zer­ setzt, können viele für den Aufbau der strukturellen Schicht erwünschte Werkstoffe, die höhere Aufbringtemperaturen ver­ langen, nicht auf die zerbrechliche Opferharzschicht aufge­ bracht werden. Zum Beispiel verlangt polykristallines Sili­ zium, ein für Mikrostrukturen bevorzugter Werkstoff, für das Aufbringen eine Temperatur von etwa 600°C.
Ähnlich lehrt Bly in der US-Patentschrift 4 849 070 ein Troc­ kentrennverfahren zum Entfernen einer Opferschicht, bei dem die strukturelle Schicht auf der Oberseite einer massiven Schicht aufgebaut wird, die später zur Freigabe der struktu­ rellen Schicht sublimiert werden kann. Die Wahl der Werkstof­ fe für die strukturelle Schicht ist wieder auf Werkstoffe mit niedrigen Temperaturen beschränkt, da Werkstoffe mit hö­ heren Temperaturen ein Verschwinden der sublimierbaren Schicht vor dem Auftragen auf diese bewirken. Zusätzlich lehrt Bly die Herstellung von bleibenden Stielen, die die strukturelle Schicht oberhalb des Substrats abstützen und ei­ nen Teil der fertigen Mikrostruktur bilden. Bei vielen Anwen­ dungen besteht jedoch ein Bedarf an Mikrostrukturen ohne sol­ che bleibenden Stiele.
Andere im Stand der Technik bekannte Trockentrennverfahren schließen Verfahren mit dem Gefrieren von Flüssigkeiten und einer Sublimation und Verfahren mit Fotoresistauffüllung und Plasma-Ätzen ein. Unter bestimmten Umständen haben diese Ver­ fahren auch ihre eigenen Nachteile und Beschränkungen. Ver­ fahren mit Gefrieren von Flüssigkeiten und Sublimation kön­ nen unzuverlässig und schwer zu steuern sein. Das Gefrieren der Flüssigkeit zwischen der strukturellen Schicht und dem Substrat kann zu einer die Mikrostruktur brechenden Volumen­ erhöhung führen. Das Verfahren mit dem Auffüllen von Fotore­ sist und Plasma-Ätzen ist schwer durchzuführen. In erster Li­ nie liegt dies daran, daß Zeit und ein kostspieliges Mischen der Lösung verlangt werden.
In der US-Patentschrift 4 744 863 lehren Guckel und andere die Verwendung eines piezoresistiven Sensors in Verbindung mit einer Hohlraumstruktur, die durch Auftragen einer Schicht aus polykristallinem Silizium auf einen großen Stiel aus Siliziumdioxid oder ein Gitter gebildet wird, das von der zentralen Fläche zu den Seitenkanten nach außen führende kleinere Rippen aufweist. Die Schicht aus polykristallinem Silizium wird abgedeckt und zum Freilegen der Seitenkanten der Rippen geätzt, und dann wird die gesamte Struktur in ein Ätzmittel, das die Rippen und den Stiel, aber nicht das Sub­ strat entfernt, eingetaucht. Der Hohlraum wird dann durch Dampfauftrag von polykristallinem Silizium oder Siliziumni­ trid versiegelt. In Spalte 6 wird das Konzept der Verwendung einer kapazitiven Verformungsmessung als eine Alternative er­ wähnt, aber nicht gelehrt.
Zusammenfassende Beschreibung der Erfindung
Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung liegt damit in der Ausbildung eines kapazitiven Differenzdrucksensors, der nach einem Trockentrennverfahren zur Herstellung von Opfermi­ krostrukturen gebaut wird, der die möglichen destruktiven Auswirkungen der als Ergebnis der Naßätztechniken erzeugten Kapillarkräfte vermeidet und eine Opferschicht verwendet, auf der verschiedene Werkstoffe für strukturelle Schichten aufgebracht werden können.
Das Trockentrennverfahren der vorliegenden Erfindung erzeugt temporäre Stiele oder Säulen, die die strukturelle Schicht während des Naßätzens der Opferschicht abstützen. Vorzugswei­ se aus einem Polymer hergestellt verhindern die Stiele oder Säulen, daß die strukturelle Schicht durch die Kapillarkräf­ te vom Substrat weggezogen werden, während die Ätz- und Spül­ lösungen verdampfen. Ein Verformen der strukturellen Schicht und ein ungewünschtes bleibendes Anhaften der strukturellen Schicht am Substrat werden vermieden. Die temporären Stiele oder Säulen verlaufen während der Naßätzstufe vom Substrat zur strukturellen Schicht und werden selbst nach dem Entfer­ nen der Opferschicht durch Trockenätzen mit Plasma unter Er­ zeugen einer Mikrostruktur, die keine Stiele oder Säulen ent­ hält, entfernt. Diese Stufe des Trockenätzens des Plasmas er­ fordert keine Flüssigkeiten. Kapillarkräfte treten daher nicht auf, und zusätzliche Stützen werden während dieser Stu­ fe nicht benötigt.
Das Verfahren zum Herstellen des mikrobearbeiteten Differenz­ drucksensors auf einem Halbleitersubstrat schließt die Stu­ fen des selektiven Implantierens eines Dotierungsstoffs in das Substrat zum Ausbilden einer ersten Ätzschutzschicht ein. Eine Oberflächenschicht aus dem Halbleitermaterial wird dann auf das Substrat aufgebracht, deckt die erste Ätzschutz­ schicht ab und bildet dadurch eine Membranfläche. Eine passi­ vierende leitende Schicht wird unter Ausbildung einer Mem­ branelektrode auf die Membranfläche aufgebracht. Eine Opfer­ schicht wird selektiv auf die Membranfläche aufgebracht. Ei­ ne leitende strukturelle Schicht wird an der Oberflächen­ schicht so verankert, daß die Opferschicht unter Ausbildung einer zweiten Elektrode zwischen dem Substrat und der struk­ turellen Schicht liegt. Das Substrat wird von der der struk­ turellen Schicht gegenüberliegenden Seite selektiv wegge­ ätzt, so daß auf der Rückseite eine Öffnung ausgebildet wird, die an der ersten Ätzeschutzschicht endet. Die erste Ätzschutzschicht wird dann entfernt, so daß die rückseitige Öffnung an die Membranschicht ankuppelt. Mindestens ein tem­ porärer Stiel wird zum Verlauf von der strukturellen Schicht in Richtung auf die Oberflächenschicht zum Vermeiden der Aus­ biegung zwischen diesen ausgebildet. Die Opferschicht wird entfernt, und dann werden die temporären Stiele entfernt. Der sich ergebende Differenzdrucksensor erzeugt eine Ände­ rung in der Ausgangskapazität, wenn ein Druck durch die rück­ seitige Öffnung ausgeübt wird und eine Ausbiegung der Mem­ bran und eine entsprechende Änderung in der Kapazität zwi­ schen der ersten und der zweiten Elektrode bewirkt. Auf dem Substrat am Drucksensor wird auch ein ohne eine Membran auf­ gebauter Referenzkondensator ausgebildet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus ei­ nem Studium der geschriebenen Beschreibung und der Zeichnun­ gen. In diesen ist
Fig. 1 ein Querschnitt durch das Substrat entlang der Schnittlinie 1-1 in Fig. 2 mit Darstellung der Druck- und Referenz-Sensorelemente,
Fig. 2 eine Aufsicht auf den Differenzdrucksensor,
Fig. 3 ein Schaubild mit Darstellung der Optimierung der Konstruktionsvariablen für den Differenzdrucksensor,
Fig. 4A bis 4O je ein Querschnitt durch den erfindungsgemä­ ßen Drucksensor und
Fig. 5 eine Darstellung der Sensortransferfunktion.
Ins einzelne gehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen zur Messung von Flüssigkeits- und Gasdrücken geeigneten, an seiner Ober­ fläche mikrobearbeiteten kapazitiven Sensor, der sich ohne Anwendung von Halbleiterscheiben-Bondierungstechniken her­ stellen läßt.
Der vorliegende Drucksensor wird auf die Messung von Diffe­ renzdrücken von Flüssigkeiten, wie zum Beispiel Motor-, Auf­ hängungs- und Getriebeölen, optimiert. Gemäß der Darstellung in Fig. 1 besteht diese Konstruktion aus einem Kondensator mit zwei Platten und einem Luft-Dielektrikum. Eine Platte ist eine Membran, die durch den den Spalt verengenden und ih­ re Kapazität verändernden Druck mechanisch verformt wird. Der Druck der Flüssigkeit wird über eine Drucköffnung auf die Rückseite der Membran ausgeübt. Ein Abgleichkondensator wird zur ratiometrischen Messung der Durchbiegung der Mem­ bran am Übertrager aufgebaut. Für die sich bewegende Elektro­ de verwendet diese Konstruktion eine Einkristall-Silizium- Membran und für die ortsfeste Elektrode polykristallines Si­ lizium. Diese Konstruktion nutzt die hohe Güte und Reprodu­ zierbarkeit der mechanischen Eigenschaften von Einkristall- Silizium für die analoge Membran und die Vielseitigkeit der Mikrobearbeitung von polykristallinem Silizium für die Her­ stellung der aufgehängten Teile aus. Der sich durch den Spalt ergebende Abstand beträgt weniger als ein Mikrometer. Diese Kapazität ist groß genug für die Messung durch außer­ halb des Chips angeordnete Schaltungen.
Gemäß der Darstellung in Fig. 2 sind vier Bondierungsfelder a, b, c und d für die Elektroden zum leichten Anschluß an die Detektionsschaltung auf der gleichen Seite des Chips an­ geordnet. Diese Vorrichtungen lassen sich ohne Eichung mit einem Fehler von ±10% in ihrer Kapazität-Druck-Abhängigkeit herstellen. Diese Herstellungsgenauigkeit und -reproduzier­ barkeit senkt die Sensorkosten beträchtlich.
Konstruktionsbeispiel
Zum Zwecke der Erläuterung wird die Konstruktion für diese Vorrichtung in einer Anwendung als Motoröl-Drucksensor ge­ zeigt. Es gibt vier hauptsächliche Konstruktionsveränderli­ che: die Membranbreite w, ihre Stärke t, den Elektrodenab­ stand d und die Stärke s der ortsfesten Elektrode. Der Sen­ sor muß mehrere Konstruktionskriterien erfüllen: a) Die Kapa­ zität des Sensors muß über einem vorgegebenen Minimum Cmin liegen; b) die Vorrichtung muß einen vollen Druckbereich von Pr aufweisen, und sie muß dem Überdruck Pov standhalten kön­ nen; c) die Einziehspannung der oberen Polysiliziumplatte muß größer als Vpmin sein; und d) die Veränderlichkeit der Lastdurchbiegungskurve aufgrund von Prozeßschwankungen muß unter einem Schwellwert εo liegen. Weiter müssen die Fläche und die Kosten zum Herabdrücken der Herstellungskosten auf ein Minimum auf einem Minimum gehalten werden.
Die Druckkonstruktionsprobleme können als ein Optimierungs­ problem mit Einschränkungen bezüglich Gleichheit und Un­ gleichheit behandelt werden. Bei Nichtbeachtung der Restspan­ nungen wird die Gleichung, die die Kurve zm der mittleren Lastdurchbiegung der Membran angibt, über die Gleichungen (11) und (12) (siehe unten) gegeben.
wobei D die Biegesteifheit der Platte ist. Zur Verhinderung eines Anhaftens der Membran an der oberen Elektrode wird der Luftspalt d so gewählt, daß die Membran beim vollen Druckbe­ reich die Elektrode kaum berührt. Daraus ergibt sich d = zm (Pr) oder
Die maximale Belastung in der Membran erfolgt an vier in der Mitte gelegenen Punkten ihrer Kanten. Diese muß kleiner als die Bruchspannung ∫ beim Überdruck Pov sein, was zu einer Begrenzung in dem Verhältnis der Membran
führt, wobei β annähernd gleich 0,31 und für Einkristall-Si­ lizium σ∫ annähernd gleich 600 MPa als ein sicherer Wert ist. Die Kapazität des Sensors ist
Die Einziehspannung des Kondensators ist die Spannung, an der die elektrische Kraft zwischen den Platten stark genug ist, um den Kondensator zusammenfallen zu lassen. Bei dieser Struktur ist die obere Elektrode nachgiebiger als die Mem­ bran, so daß sie diese Spannung bestimmt. Es kann gezeigt werden, daß für die Einziehspannung für eine eingeklemmte elastische Platte der Stärke s gilt
Unter Verwendung der Gleichungen (13) bis (16) (siehe unten) beträgt der gesamte relative Fehler der maximalen Durchbie­ gung
Die Minimierung der Fläche der Vorrichtung ist der ihrer Ko­ sten äquivalent. Diese Fläche ist verantwortlich für die Mem­ branfläche wie auch für den diese umschließenden Rand. Die gesamte Chipfläche des Sensors plus Referenzkondensator ist
Ac = (√tw + 2r + c + ω) (tw/√ + 3r + c + 2ω) (7)
wobei tw die Stärke der Halbleiterscheibe, r der Außenrand des Chips und c die Schneidklingenstärke ist. Die tatsächli­ che Optimierung wird am besten numerisch durchgeführt. Es ist jedoch instruktiv, in einer grafischen Weise durch sie durchzugehen. Die Gleichung (2) eliminiert eine der Konstruk­ tionsvariablen und beläßt nur drei. Auch die Gleichung (5) zeigt an, daß die ortsfeste Elektrode zum Maximieren der Ein­ ziehspannung so stark wie möglich gemacht werden sollte. Da­ mit verbleiben nur zwei Konstruktionsvariable, die Membran­ breite w und deren Stärke t. Der mögliche Konstruktionsraum kann in der w-t-Ebene von Fig. 3 durch Auftragen der durch die verschiedenen Einschränkungen in dieser Ebene bestimmten Kurven aufgetragen werden.
Diese Kurven stellen die Grenzen des möglichen Konstruktions­ gebietes dar. Die Gleichung (3) begrenzt das mögliche Gebiet auf die Punkte in dem Quadranten unter der Geraden A. Die Ka­ pazitätseinschränkung der Gleichung (4) kombiniert mit der Gleichung (2) führt zu der Kurve
dargestellt durch die Kurve B. Die Einziehspannung der Glei­ chungen (5) und (2) führt zur Kurve C
Schließlich ist die Kurve D die Kontur der Gleichung (6) mit
εzm = εo. Zusätzliche den minimal erlaubten Spalt ddmin begrenzende Einschränkungen werden von der Kurve E aufer­ legt, da aus der Gleichung (4) und damit
Die schraffierte Fläche ist das mögliche Konstruktionsge­ biet, und der Punkt P minimiert die Gesamtbreite (und die Ko­ sten) der Vorrichtung, während sämtliche Einschränkungen er­ füllt werden. Man beachte, daß nicht sämtliche Einschränkun­ gen aktiv sind, da die Einschränkungen für einige bestimmte Konstruktionsparameter außerhalb der Grenzen des möglichen Gebietes landen können.
Für diese besonderen Vorrichtungen ist die Membran bei einem Spalt von 0,7 µm 530 µm breit und 19 µm stark. Die sich erge­ bende Kapazität beträgt annähernd 3,5 pF pro Vorrichtung bei einer vollen Skalenbreite von 0,8 pF und kann Drücke bis zu 100 PSI messen. Jede Vorrichtung nimmt mit einem Abgleichkon­ densator 2,6 mm2 Fläche ein und ergibt für jede 100 mm Halb­ leiterscheibe annähernd 3000 Vorrichtungen. Dieses Konstruk­ tionsverfahren kann für andere Druckbereiche dupliziert wer­ den.
Beispiel für ein Herstellungsverfahren
Fig. 4 zeigt den Herstellungsablauf der bevorzugten Ausfüh­ rungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren beginnt in Fig. 4A mit einer Silizium-Halbleiterscheibe 10 vom p-Typ mit einer 100 Kristallgitterorientierung und mit einer Kon­ zentration von Bor von 1015 cm-3. Zuerst wird das Silizium unter Verwendung eines SF6 Plasma auf eine Tiefe von etwa 1 µm geätzt. Nach dem Entfernen des Resist 12 und Reinigen der Probe in einer Piranha-Lösung wird die Halbleiterscheibe zum Ausbilden der p+ Ätzschutzfläche 20 wieder strukturiert. Ei­ ne große Dosis an Bor 2×1016 cm mit einer Energie von 100 KeV wird auf die frei liegenden Flächen 20 ionen-implan­ tiert und die Halbleiterscheiben werden dann mit Piranha ge­ reinigt. Die Proben werden dann zur Wiederherstellung der kristallinen Struktur der ionen-implantierten Gebiete wäh­ rend 30 Minuten einer kurzen Vergütung bei 900°C in einer trockenen Sauerstoffatmosphäre unterzogen. Das dünne Oxid wird dann gemäß der Darstellung in Fig. 4B mit 10 : 1 HF ent­ fernt.
In der nächsten Stufe wird eine 19 µm starke Schicht 30 aus Silizium bei einer Temperatur von 1150°C etwa fünf Minuten epitaxial zum Wachsen gebracht. Die Gleichförmigkeit des epi-Wachstums ist besser als 1%. Diese Schicht wird in situ p-Typ-dotiert mit einer Borkonzentration von 1015 cm-3. Als nächstes wird die Passivierungsschicht 32 für die obere Elek­ trode zum Wachsen gebracht. Eine Schicht 34 aus 3 µm LPCVD- Niedrigtemperatur-Oxid (LTO) wird zum Wachsen gebracht und gemäß der Darstellung in Fig. 4C strukturiert. Das LTO wird in einer 5 : 1 BHF-Ätzlösung bis zum Erreichen der Silizium­ oberfläche geätzt. Unter Ausbilden der rückwärtigen Elektro­ de 40 werden die Proben als nächstes mit 5×1015 cm-2 Arsen implantiert.
Nach dem Entfernen des Fotoresist und dem Reinigen mit Piran­ ha wird eine dünne 100 nm Schicht 42 aus LPCVD-Siliziumni­ trid mit niedriger Restspannung gemäß der Darstellung in Fig. 4D auf den oberen Oberflächen zum Wachsen gebracht. Der Sinn dieser Schicht liegt im Schutz der Oxidpassivierung vor der sich anschließenden Opferätzung und zum Ausbilden einer Maskenschicht für die rückseitige Öffnungsätzung. Eine 0,5 µm starke Schicht 50 aus LTO wird dann zum Wachsen gebracht und in der Plattenfläche,, strukturiert. Diese Oxidschicht wirkt wie eine Maske für die Nitridätzung. Eine Schicht 46 aus Fotoresist wird auch auf die Rückseite zu ihrem Schutz vor der LTO-Ätzung aufgezogen. Das LTO wird dann mit 5 : 1 BHF geätzt, und die Proben werden dann gereinigt. Das darunter­ liegende Nitrid wird dann in einer heißen H3PO4-Lösung bei 150°C geätzt. Als nächstes werden die Proben zum Entfernen der LTO-Maske in eine 5 : 1 BHF-Lösung getaucht.
Nach dem Reinigen der Halbleiterscheibe wird eine 0,7 µm starke Schicht 50 aus LTO für den Zwischenelektroden-Opfer­ oxidabstandhalter zum Wachsen gebracht. Nach dem Durchführen der Oxidlithographie wird das Ergebnis zum Erzielen der in Fig. 4E gezeigten Struktur mit 5 : 1 BHF strukturiert. Nach dem Entfernen des Resist werden die Proben in einer Piranha- Lösung gereinigt, und eine zweite 100 nm-Schicht 52 aus Ni­ trid mit niedriger Spannung wird zum Wachsen gebracht. Diese Schicht ist ein dielektrischer Abstandhalter, der bei einem Überdruck den elektrischen Kontakt der Kondensatorelektroden verhindert.
Als nächstes wird eine 2 µm-Schicht 60 aus geringfügig streckbarem, undotiertem polykristallinen Silizium, die etwa eine Hälfte der Stärke der oberen Elektrode darstellt, aufge­ bracht. Die Proben werden dann mit Phosphor mit einer Dosis von 1016cm-2 ionen-implantiert, um damit das polykristalline Silizium leitend zu machen. Nach dem Reinigen der Proben in Piranha werden die verbleibenden 2 µm der oberen Elektroden­ schicht 60 gemäß der Darstellung in Fig. 4F zum Wachsen ge­ bracht. Die Halbleiterscheibe wird dann zum Aktivieren des Borimplantates 30 Minuten bei 900°C geglüht.
Als nächstes wird die Lithographie der Elektrode aus dem polykristallinen Silizium durchgeführt. Das 4 µm starke poly­ kristalline Silizium wird in einer 64 : 33 : 3 HNO3:H2O:NH4F-Lö­ sung bis zum Erreichen der Nitridschicht feucht geätzt. Nach dieser Stufe werden die Halbleiterscheiben gereinigt, und ei­ ne 1 µm starke LTO-Schicht 66 wird zum Wachsen gebracht. Als nächstes wird gemäß der Darstellung in Fig. 4G die Lithogra­ phie des Kontaktloches der rückwärtigen Elektrode durchge­ führt und das Substrat geätzt. Die LTO-Schicht schützt die vorderseitige Elektrode vor der rückseitigen Membranätzung. Im Anschluß an diese Stufe wird die Vorderseite der Halblei­ terscheibe mit einer Doppellage des Fotoresist abgedeckt. Das LTO auf der Rückseite wird dann in einer 5 : 1 BHF-Lösung entfernt. Als nächstes wird die rückseitige Lithographie durchgeführt, und das rückseitige Nitrid 70 wird dann in ei­ nem SF6-Plasma bis zum Silizium geätzt. Dadurch wird die rückseitige Öffnung 72 freigelegt. Das Fotoresist wird dann entfernt und die Proben mit Piranha gereinigt.
Die Halbleiterscheiben werden dann in eine 2 Gew.-% TMAWH an­ isotrope Siliziumätzlösung (oder eine andere, wie EDP, KOH) getaucht und etwa 20 Stunden auf 80°C erwärmt. Diese Ätzung hält unter Ausbildung der in Fig. 4H gezeigten rückseitigen Öffnung 76 an der vergrabenen p+ Schicht 20 an. Nach dem Spü­ len werden die Proben etwa fünfzehn Minuten in eine 1 : 3 : 8 HNO3:HF:CH3COOH-Lösung getaucht. Dies greift die p+ Schicht 20 an. Die Entfernung der p+ Schicht 20 erzeugt eine Ausspa­ rungskerbe oder eine hinterschnittene Fläche 76a. Diese er­ laubt eine genauere Steuerung der Abmessungen und des Verhal­ tens der Membran. Nach dem Reinigen mit Piranha und dem Spü­ len werden die Proben gemäß der Darstellung in Fig. 4I zum Entfernen des Nitrids 20 im Kontaktloch und auf der Rücksei­ te in ein heißes H3PO4-Bad getaucht. Dann werden die Proben zum Entfernen der LTO-Schutzschicht in 5 : 1 BHF getaucht. Die Halbleiterscheiben werden dann gereinigt und zum Entfernen irgendwelcher in der Membran verbliebener Spannungen 30 Minu­ ten in N2 bei 1000°C geglüht.
Als nächstes wird die Lithographie der geätzten Plattenlö­ cher 80 durchgeführt. Diese Löcher 80 werden zum Verkürzen der Opferätzzeit der Platte und zum Ausbilden von "Füßen" be­ nutzt, die die Platte in ihrer Lage gegen den während der Op­ ferätzung entwickelten Kapillardruck halten. Die Elektroden­ löcher 80 werden dann in einem SF6:C2C1F5-Plasmareaktor bis zur Nitridschicht 52 geätzt. Diese wird dann gemäß der Dar­ stellung in Fig. 4J bis zum Erreichen des Oxids 50 in einem SF6-Plasma geätzt. Als nächstes wird der Fotoresist ent­ fernt, und die Lithographie für die Stützfüße wird durchge­ führt. Bei dieser Stufe werden einige der Elektrodenlöcher 80a mit dem Resist abgedeckt. Diese sind Zugangslöcher für die Opferätzung. Die freiliegenden Löcher 80b werden für die Konstruktion der Füße benutzt. Die Proben werden dann in 5 : 1 BHF getaucht, die Opfer-LTO wird geätzt und ein kurzes Stück unter Bildung der Struktur von Fig. 4K hinterschnitten. Nach dieser Stufe werden die Proben piranhagereinigt, und die Fü­ ße werden dadurch gebildet, daß zuerst eine 5 µm-Schicht aus Parylen-C84 ausgebildet wird. Parylen ist ein Polymer, das aus der Gasphase abgesetzt wird. Dieses Polymer 84 füllt un­ ter Ausbildung des polymeren Abstandhalters 86 unter der Platte die Hinterschneidung aus. Nach dem Auftrag wird eine dünne, 100 nm starke Schicht aus AlSi auf die Proben aufge­ dampft. Das Aluminium wird dann gemäß der Darstellung in Fig. 4L strukturiert und geätzt.
Die Halbleiterscheibe wird dann für etwa 45 Minuten einem Sauerstoffplasma bei 450 W ausgesetzt. Das dünne Aluminium dient als Maske 88 für die O2-Ätzung. Nach dem Ätzen werden die Proben in ein Aluminiumätzmittel eingetaucht, und das un­ geschützte Aluminium wird entfernt. Die sich ergebende Struk­ tur wird in Fig. 4M gezeigt. Man beachte, daß sie aus einer Platte 88 auf der Oberseite einer Oxidschicht 60 besteht.
Die obere Elektrode weist Zugangslöcher 80a für die Opferät­ zung zum Entfernen des darunterliegenden LTO 60 auf. Zusätz­ lich weist die Platte Parylen-Abstandhalter 85 auf, um sie während der Ätzung in ihrer Lage zu halten. Nach dieser Stu­ fe werden die Proben zum Entfernen der Opfer-LTO-Schicht für fünf bis zehn Minuten in eine konzentrierte HF-Lösung einge­ taucht. Die Parylenfüße verhindern, daß die obere Elektrode die Membran berührt.
Als nächstes wird eine 1 µm-AlSi-Schicht 90 auf die Proben gesputtert, und die Metallisierungslithographie wird durchge­ führt. Das Metall wird in einem Aluminiumätzmittel unter Be­ lassung der AlSi-Flächen geätzt. Nach dem Entfernen des Foto­ resist in Aceton wird die endgültige Struktur von Fig. 4N er­ zielt.
Als nächstes werden die Proben gespalten und die Chips in Würfel geschnitten. Nach der Montage werden die zu Paketen zusammengefaßten Vorrichtungen zum Ätzen der Parylenfüße für etwa eine bis zwei Stunden bei 450 W in einen Sauerstoff- Plasma-Reaktor eingesetzt. Damit wird die obere Elektrode freigegeben. Die fertige Vorrichtung wird in Fig. 4O ge­ zeigt. Eine typische Transferfunktion wird in Fig. 5 ge­ zeigt.
Überlegungen zu anderen Herstellungsverfahren
Die Opferschicht wird aus einer Gruppe von Opferschichtwerk­ stoffen, die sich mit nassen Ätztechniken entfernen lassen, ausgewählt. Die Opferschicht muß weiter mit der auf ihr abzu­ scheidenden strukturellen Schicht kompatibel sein und muß den für das Abscheiden der strukturellen Schicht erforderli­ chen Temperaturen widerstehen. Ebenso darf die Opferschicht an oder unter der für das Abscheiden der strukturellen Schicht erforderlichen Temperatur nicht sublimieren. Erläu­ ternd für Opferschichtwerkstoffe ist der bevorzugte Werk­ stoff Siliziumdioxid.
Die strukturelle Schicht wird auf der Opferschicht in sol­ cher Weise abgeschieden, daß sie mindestens ein Ankerbein aufweist, wie zum Beispiel die Ecke einer Kante, wobei das Ankerbein durch eine Öffnung in der Opferschicht an der Sub­ stratoberfläche verankert ist.
Die Schutzschicht, die gegenüber dem Opferschichtätzmittel beständig ist, zum Beispiel ein schützendes Polymer, wie ein Fotoresistpolymer, wird so auf die Oberfläche der strukturel­ len Schicht aufgetragen, daß sie mindestens ein der in die­ ser befindlichen Löcher abdeckt, während sie mindestens ein Loch unbedeckt läßt. Die Schutzschicht kann so mit bekannten Auftragetechniken aufgebracht werden, während mindestens ein Loch mit der lithographischen oder anderen im Stand der Tech­ nik bekannten Techniken unbedeckt bleibt. Die strukturelle Schicht wird dann vorzugsweise in eine Opferschicht-Ätzmit­ tellösung eingetaucht. Damit werden Teile der Opferschicht dort entfernt, wo diese durch das unbedeckte Loch der struk­ turellen Schicht freiliegt. Das partielle Ätzen der Opfer­ schicht durch die Löcher erstreckt sich vorzugsweise bis zum Substrat, um fehlerhafte Flächen auszumerzen, die später un­ ter Bildung von Stielen oder Säulen gefüllt werden können. Vorzugsweise schließen die fehlerhaften Flächen hinterschnit­ tene Flächen in der Opferschicht ein. Die Schutzschicht wird dann mit für den besonderen gewählten Schutzschichtwerkstoff bekannten Verfahren, zum Beispiel durch Auftragen eines Ätz­ mittels, entfernt.
Im allgemeinen kann die die Säule bildende Schicht aus einem Werkstoff hergestellt werden, der sich mit einem Trocken­ trennverfahren entfernen läßt. Vorzugsweise ist die die Säu­ le bildende Schicht das konforme Polymer, Xylen, das sich zum wesentlichen Ausfüllen der hinterschnittenen Fläche als Dampf niederschlagen läßt. Eine die Säule bildende Schicht wird in die fehlerhafte Fläche und die hinterschnittene Flä­ che eingebracht und bildet polymere Stiele oder Säulen, die in die Opferschicht eingebettet sind und später während des Naßätzens verbleibenden Opferschicht eine Stütze für die strukturelle Schicht bilden. Die fehlerhafte Fläche kann mit oder ohne die bevorzugte hinterschnittene Fläche ausgebildet werden. Bei Fehlen der hinterschnittenen Flächen erzeugen die fehlerhaften Flächen Stiele oder Säulen, die nur die Oberseite der strukturellen Schicht überlappen und diese durch Adhäsion an ihr abstützen. In dieser Beziehung kann die Fläche, auf der eine Überlappung stattfindet, zum Ausbil­ den einer größeren oder kleineren Oberfläche für die Adhä­ sion geändert werden. Dies hängt von der für das Abstützen der strukturellen Schicht erforderlichen Adhäsionskraft ab.
Die fehlerhaften Flächen können in der Opferschicht bis auf eine Tiefe unter der Tiefe zwischen der strukturellen Schicht und dem Substrat geätzt werden. Die Stiele oder Säu­ len, die von der strukturellen Schicht bis kurz vor das Sub­ strat verlaufen, können dadurch gebildet werden. Während des Verdampfens der Ätz- und der Spüllösung wird sich die struk­ turelle Schicht etwas verbiegen. Vor der Berührung des Sub­ strats wird sie jedoch durch die Stiele oder Säulen angehal­ ten. Kürzere Stiele werden nicht bevorzugt, da der Abstand zwischen den Stielen jedoch enger sein muß, was mehr Löcher in der strukturellen Schicht verlangt und auf dieser zu ei­ ner geringeren für eine Anwendung verfügbaren freien Oberflä­ che führt.
Eine Maskenschicht, wie ein Film aus einem gegenüber einer Plasma-Ätzung elastischen Werkstoff wird nach einem Schema über Abschnitte der die Säule bildenden Schicht aufgetragen, wobei diese Abschnitte die Löcher abdecken, durch die die fehlerhaften und hinterschnittenen Flächen gefüllt wurden. Dies wird durch Auftragen eines Filmes in im Stand der Tech­ nik bekannter Weise durch Dampf oder Vakuum oder andere Auf­ tragetechniken erreicht, und ein Schema wird durch lithogra­ phische oder andere bekannte Verfahren ausgebildet. Vorzugs­ weise ist die Maskenschicht ein Film aus Aluminium oder ei­ nem anderen herkömmlichen Metall mit etwa 50 bis 100 Nanome­ tern Stärke. Die Maskenschicht schützt jene Abschnitte der ersten polymeren Schicht, die mit dem Schema abgedeckt sind, vor einem Ätzen, und nach dem Auftragen werden die unge­ schützten Abschnitte der die Säule bildenden Schicht durch Trockenätzen, zum Beispiel durch Sauerstoff-Plasma-Ätzen, oder andere bekannte Verfahren entfernt.
Obwohl bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung hier ge­ zeigt und beschrieben wurden, leuchtet es ein, daß diese Aus­ führungsformen nur als Beispiel gegeben wurden. Zahlreiche Änderungen, Abwandlungen und Ergänzungen werden Fachleuten ohne Abweichung vom Wesen der Erfindung einfallen. Es ist da­ her beabsichtigt, daß die beifolgenden Patentansprüche alle diese Abänderungen abdecken, so wie diese im Bereich und Rah­ men der Erfindung liegen.

Claims (18)

1. Verfahren zum Herstellen eines mikrobearbeiteten kapazi­ tiven Differenzdrucksensors auf einem Substrat mit den Stufen:
  • selektives Implantieren eines Dotierungsstoffs in das Substrat zum Ausbilden einer ersten Ätzschutz­ schicht,
    Aufbringen einer Oberflächenschicht aus Halbleiterma­ terial auf das Substrat, um mindestens die erste Ätz­ schutzschicht zum Ausbilden einer Membran auf dieser ab­ zudecken,
    Aufbringen einer passivierenden leitenden Schicht auf die Membran zum Ausbilden einer Membranelektrode,
    selektives Auftragen einer Opferschicht auf die Mem­ bran und die auf dieser befindliche passivierende leiten­ de Schicht,
    Verankern einer leitenden strukturellen Schicht an der Oberflächenschicht, so daß die Opferschicht zum Aus­ bilden einer zweiten Elektrode zwischen dem Substrat und der strukturellen Schicht angeordnet ist,
    selektives Ätzen des Substrats von der Seite gegen­ über der strukturellen Schicht zum Ausbilden einer offe­ nen rückseitigen Öffnung, die an der ersten Ätzschutz­ schicht endet,
    selektives Entfernen der ersten Ätzschutzschicht, so daß die rückseitige Öffnung an die Membran auf der Seite gegenüber der strukturellen Schicht ankoppelt,
    Ausbilden mindestens eines durch die strukturelle Schicht zu der Oberflächenschicht zum Herabsetzen der zwischen diesen stattfindenden Ausbiegung verlaufenden temporären Stieles,
    Entfernen der Opferschicht zum Ausbilden eines Mem­ branhohlraums, in den sich die Membran nach Maßgabe des zu messenden Druckes ausbiegen kann, und
    Entfernen der temporären Stiele, so daß durch die rückseitige Öffnung ausgeübter Druck eine Ausbiegung der Membran und eine entsprechende Änderung der Kapazität zwischen der ersten und der zwei­ ten Elektrode bewirkt.
2. Verfahren zur Mikrostrukturherstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe des Ausbildens min­ destens eines temporären Stiels die folgenden Stufen um­ faßt:
  • Ätzen mindestens eines Loches in der strukturellen Schicht,
    Aufbringen eines selektiven Ätzmittels durch minde­ stens ein Loch zum Ausbilden einer Leerstelle in der Op­ ferschicht,
    Auftragen einer eine Säule bildenden Schicht, die ge­ genüber dem Opferschichtätzmittel durch mindestens eins der Löcher in der strukturellen Schicht widerstandsfähig ist, um die Leerstelle im wesentlichen auszufüllen und einen in die Opferschicht eingebetteten und durch minde­ stens ein Loch stützend an die strukturelle Schicht ange­ koppelten Stiel auszubilden, und dann die die Säule bil­ dende Schicht auf mindestens einen Abschnitt der struktu­ rellen Schicht aufzubringen, und
    Entfernen der die Säule bildenden Schicht von der strukturellen Schicht ausgenommen dort, wo die die Säule bildende Schicht über mindestens einem Loch verläuft.
3. Verfahren zur Mikrostrukturherstellung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe des Entfernens der die Säule bildenden Schicht von der strukturellen Schicht die folgenden Stufen umfaßt:
  • Aufbringen eines gegenüber dem Plasma-Ätzen beständi­ gen Materialfilms in einem Schema über der Oberfläche der die Säule bildenden Schicht, wobei das Schema über jedes Loch zu liegen kommt, durch das die die Säule bil­ dende Schicht aufgebracht wird, um die Leerstelle im we­ sentlichen auszufüllen,
    Entfernen der die Säule bildenden Schicht im allge­ meinen außerhalb des Schemas von der strukturellen Schicht durch Plasma-Ätzen und
    anschließendes Entfernen des Materialfilms in dem Schema.
4. Verfahren zur Mikrostrukturherstellung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe des Aufbringens ei­ nes Ätzmittels durch mindestens ein Loch das Ausbilden einer Leerstelle einschließlich einer hinterschnittenen Fläche in der Opferschicht einschließt.
5. Verfahren zur Mikrostrukturherstellung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe des Aufbringens ei­ nes Ätzmittels durch mindestens ein Loch das Ausbilden der Leerstelle ausgehend von dem Loch in der strukturel­ len Schicht bis zum Substrat einschließt.
6. Verfahren zur Mikrostrukturherstellung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe des Aufbringens ei­ ner gegenüber dem Opferschichtätzmittel beständigen, ei­ ne Säule bildenden Schicht durch mindestens ein Loch die Stufe des Einbringens eines Polymers durch Dampfauftrag in die Leerstelle einschließt.
7. Verfahren zur Mikrostrukturherstellung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe des Aufbringens der gegenüber dem Opferschichtätzmittel beständigen, ei­ ne Säule bildenden Schicht die Stufe des Aufbringens ei­ nes konformen Polymers einschließt.
8. Verfahren zur Mikrostrukturherstellung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Stufe des Ätzens mindestens eines Loches das Ät­ zen mehrerer Löcher in der strukturellen Schicht umfaßt und
das Verfahren weiter die folgenden Stufen umfaßt:
  • Abdecken mindestens eines der zahlreichen Löcher mit einer gegenüber dem Opferschichtätzmittel beständi­ gen Schutzschicht und
    Entfernen der Schutzschicht nach der Stufe des Aufbringens eines Ätzmittels durch mindestens ein Loch zum Ausbilden des Membranhohlraums.
9. Verfahren zur Mikrostrukturherstellung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Stufe des Aufbringens einer strukturellen Schicht das Aufbringen einer ein polykristallines Sili­ zium enthaltenden Schicht umfaßt und
die Stufe des Abdeckens mindestens eines der zahlrei­ chen Löcher mit einer Schutzschicht durch Aufbringen ei­ nes fotoresisten Polymers durchgeführt wird.
10. Verfahren zur Mikrostrukturherstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe des Entfernens der temporären Stiele die Stufe des Ätzens der temporären Stiele unter Verwendung eines Trockenätzverfahrens um­ faßt.
11. Verfahren zur Mikrostrukturherstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe des Aufbringens der Opferschicht die Stufe des Aufbringens einer hochtem­ peraturbeständigen Opferschicht einschließt, die durch Temperaturen von mindestens annähernd 600°C im wesentli­ chen unbeeinflußt bleibt.
12. Verfahren zur Mikrostrukturherstellung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe des selektiven Im­ plantierens des Dotierungsstoffs weiter die Stufe des Bemessens der Ätzschutzschicht auf annähernd die Größe der Membran, aber nicht größer als ein geschlossenes En­ de der rückseitigen Öffnung einschließt, wodurch an der Membran nach der Stufe des Ätzens der rückseitigen Öff­ nung eine Aussparungskerbe ausgebildet wird.
13. Verfahren zur Mikrostrukturherstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufen des Auftragens ei­ ner Oberflächenschicht, des Auftragens einer passivieren­ den leitenden Schicht, des selektiven Auftragens einer Opferschicht, des Verankerns einer leitenden strukturel­ len Schicht, des Ausbildens mindestens eines temporären Stiels, des Entfernens der Opferschicht und dann des Ent­ fernens der temporären Stiele jeweils weiter entsprechen­ de Stufen zum Ausbilden eines Abgleichreferenzkondensa­ tors auf dem Substrat an, aber in einem Abstand seitlich von der rückseitigen Öffnung einschließen.
14. An seiner Oberfläche mikrobearbeiteter Differenzdrucksen­ sor, hergestellt vorzugsweise nach einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, bestehend aus:
  • einem Substrat,
    einer Oberflächenschicht auf einer Seite des Sub­ strats,
    zwei ersten leitenden Flächen seitlich angrenzend an­ einander in der Oberflächenschicht,
    zwei überbrückenden leitenden Schichten, die beide an das Substrat angekoppelt sind und sich über ihre ent­ sprechende erste leitende Fläche überbrücken, um so mit diesen einen Kondensator und dazwischen einen Membran­ hohlraum auszubilden,
    einer rückseitigen Öffnung, die sich von der Seite des Substrats gegenüber der einen Seite öffnet und in das Substrat eintritt, um so eine flexible Membran­ schicht von verminderter Stärke gegenüber der ersten lei­ tenden Fläche auszubilden, so daß durch die rückseitige Öffnung ausgeübter Druck zu einer Verschiebung der flexiblen Membran mit ei­ ner Änderung nur in der Kapazität zwischen der überbrük­ kenden leitenden Schicht und der ersten leitenden Fläche gegenüber der rückseitigen Öffnung führt.
15. An seiner Oberfläche mikrobearbeiteter Differenzdrucksen­ sor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß jede überbrückende leitende Schicht mindestens zwei durch sie durchtretende Öffnungen zur Verbindung mit dem dazwi­ schen befindlichen Membranhohlraum einschließt.
16. An seiner Oberfläche mikrobearbeiteter Differenzdrucksen­ sor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht polykristallines Silizium ist.
17. An seiner Oberfläche mikrobearbeiteter Differenzdrucksen­ sor nach Anspruch 14, gekennzeichnet weiter durch einen stützenden Stiel, der durch eine der Öffnungen in den überbrückenden leitenden Schichten angekoppelt ist und durch den Membranhohlraum zum effektiven Anschla­ gen am Substrat nach Maßgabe einer Durchbiegung der über­ brückenden leitenden Schicht verläuft.
18. An seiner Oberfläche mikrobearbeiteter Differenzdrucksen­ sor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der stützende Stiel aus einem durch Trockenätztechniken ent­ fernbaren Polymer gebildet ist.
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