WO1997015066A2 - Verfahren zur herstellung eines coriolis-drehratensensors - Google Patents

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WO1997015066A2
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rotation rate
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Franz LÄRMER
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    • B81B2203/05—Type of movement
    • B81B2203/058—Rotation out of a plane parallel to the substrate

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a Coriolis yaw rate sensor, according to the preamble of claim 1.
  • Sensors designed as Coriolis rotation rate sensors are known per se. These have deflectable oscillating masses which are suspended from a substrate and carry evaluation means for detecting Coriolis accelerations.
  • the method according to the invention with the features mentioned in claim 1 offers the advantage that the vibrating support structures which carry the acceleration sensors for measuring the Coriolis acceleration can be structured simply and precisely.
  • the etching process stops automatically on the buried oxide, both the wet etching step from the back of the wafer and the plasma etching step from the front of the wafer, so that the set structure heights are determined exclusively by the thickness of the SOI layer.
  • the etching processes simultaneously protect the underside of the structure during the plasma etching process. Otherwise, after the membrane windows had been etched through in the plasma by etching gases (fluorine radicals) which reach around the edges, the underside of the structure would be attacked.
  • etching gases fluorine radicals
  • the membranes can very advantageously only be produced subsequently - as the last step - by means of a wet or dry etching process from the back of the wafer, the buried oxide - as mentioned - taking on a seal from the ready-structured structured front of the wafer.
  • the front of the wafer is sealed to the back of the wafer, which can be supported by an additional front coating.
  • the buried oxide can be removed very easily on the carrier structures during the sacrificial layer etching of the Coriolis accelerometer without additional effort.
  • a very compact support structure for a rotation rate sensor with integrated overload stops can be structured in a simple manner from the front of the wafer by means of a plasma depth etching process.
  • FIG. 1 shows a schematic plan view of a carrier structure of a rotation rate sensor
  • FIG. 2 shows a sectional illustration through the rotation rate sensor according to FIG. 1;
  • Figure optional additional method steps 6a and 6b to create the structures according to a further embodiment
  • Figure 7 is a schematic top view of a
  • FIG. 8 shows a partial sectional view through the rotation rate sensor according to FIG. 7.
  • FIG. 1 shows a plan view of a rotation rate sensor 10.
  • the rotation rate sensor 10 has two oscillation masses 12 or 14.
  • the vibrating masses 12 and 14 are connected to a base (substrate) 18 via springs 16.
  • the springs 16 have a high aspect ratio, that is to say their height is as large as possible in relation to their thickness.
  • the springs 16 are thus designed to be soft in a planar vibration plane and stiff perpendicular to the planar vibration plane.
  • the vibration masses 12 and 14, which at the same time carry acceleration sensors 15 for the verification of acceleration, are thus suspended softly in the planar vibration plane and stiffly perpendicular to the planar vibration plane.
  • the vibrating masses 12 and 14 can each have comb structures 20 or 22 for an electrostatic vibration application.
  • the comb structures 20 and 22 each have a comb 26 which is fixedly connected to the oscillating dimensions 12 or 14 and a comb 28 which is in engagement with the comb 26 and which is connected to the base 18.
  • the comb 28 is fastened to a base 30, which is arranged in a recess 32 of the base 18.
  • the arrangement of the base 30 in the recess 32 surrounds it with a trench-shaped structure 34 and laterally electrolyzes it; The vertical insulation takes over the buried oxide of the SOI wafer structure.
  • the Schwingma ⁇ en 12 and 14 also have on their end faces finger-shaped projections 36 which engage in recesses 38 of the base 18.
  • the projections 36 engaging in the recesses 38 are surrounded by a trench-shaped structure 40.
  • the bases 30 have a firm, electrically insulating connection to the base 18 on their underside, while the projections 36 project freely into the recesses 38 after the processing, that is to say the sacrificial oxide etching, has ended no longer have a connection with the base 18.
  • the recesses 32 and 38 start from an opening 42 within which the oscillating masses 12 and 14 and the springs 16 are arranged.
  • the surfaces of the base 18 and the oscillating masses 12 and 14, the comb structures 20 and 22 and the projections 36 lie approximately on a planar plane.
  • the carrier structure shown in FIG. 1 serves to generate Coriolis accelerations, which are detected by the additionally applied OMM (surface micromechanics) acceleration sensors 15.
  • OMM surface micromechanics
  • the oscillating masses 12 and 14 are set into a planar oscillating movement by applying an electrical alternating voltage by means of electrostatic forces.
  • other types of drive are also conceivable, for example electromagnetically by means of the Lorenz force on a conductor through which current flows in the magnetic field.
  • the mode of operation of the rotation rate sensor 10 should not be discussed further, since this is generally known.
  • the projections 36 engaging in the recesses 38 serve to limit the vertical movement of the oscillating masses 12 or 14. This forms lower stops for the oscillating masses 12 and 14, which form an overload / shock protection.
  • FIG. 2 shows a cross section through the rotation rate sensor 10.
  • the same parts as in Figure 1 are provided with the same reference numerals and not explained again.
  • the layered structure of the rotation rate sensor 10 is clear from the cross section.
  • the rotation rate sensor 10 has a bulk substrate 44 on which a silicon oxide layer (SiO 2) is formed as the lower buried oxide 46.
  • An SOI layer 48 is provided on the buried oxide 46, which is followed by an EpiPoly layer 50.
  • BAD ORIGINAL Bulk substrate 44 has the opening 42, which is covered by the SOI layer 48 and the EpiPoly layer 50 like a membrane.
  • the oscillating dimensions 12 and 14, the springs 16, the comb structures 20 and 22, the base 30, the projections 36 and the recesses 32 and 38 are structured.
  • the boundary between the bulk substrate 44 and the structural elements of the rotation rate sensor 10 is formed by the lower buried oxide 46.
  • the yaw rate sensor 10 is divided by the lower buried oxide 46 into a wafer rear side 52 and a wafer front side 54.
  • the oscillating masses 12 and 14 and the springs 16 can consist of the relatively thick SOI layer 48, on which an upper silicon oxide layer is structured as an upper buried oxide 56.
  • the acceleration sensors 15 are applied to the upper buried oxide 56 using EpiPoly technology.
  • the vibrating masses 12 and 14 are thus formed by a carrier structure made of the SOI layer 48 and the acceleration sensors 15 arranged thereon.
  • the acceleration sensors 15 instead of forming the acceleration sensors 15 from EpiPoly, these are also structured using SOI technology (SOI 2 approach).
  • SOI 2 approach SOI technology
  • the buried oxide layers 46 and 56 can be produced in a generally known manner by means of thermal oxidation and subsequent bonding and grinding or bonding and etching back processes.
  • FIGS. 3a and 3b The manufacture of the rotation rate sensor 10 in a first embodiment is explained with reference to FIGS. 3a and 3b.
  • an SOI wafer 60 with a buried oxide layer 46 is assumed.
  • Wet chemical etching takes place from the back of the wafer 52.
  • the wet etching medium (potassium hydroxide solution) is brought up to the back of the wafer 52 via a mask (not shown here), so that the V-shaped opening 62 results due to the crystal structure of the silicon wafer 60.
  • the buried oxide 46 is resistant to the etching medium used (hot alkali) and thus serves as an etching stop for the wet etching process.
  • this defined etching stop for the wet etching process ensures that the membrane (SOI layer 48) remaining on the wafer front side 54, in which the support structure of the rotation rate sensor 10 is later structured, has a defined thickness which is exclusively dependent on the thickness of the SOI Layer 48 is determined.
  • the thickness of the layer 48 is thus independent of the etching time with which the opening 62 is etched from the rear side 52 of the wafer.
  • the Buried oxide 46 simultaneously forms a protective layer for the front side 54 of the wafer in front of the etching media, for example KOH, hydrofluoric acid + HNO3 or plasma etching gases TMAH (tetramethylammonium hydroxide).
  • the acceleration sensors 15 (not shown here) (FIG. 2) are also applied to the carrier structure.
  • an anisotropic plasma depth etching process is carried out on the front side 54 of the wafer.
  • BAD o n ⁇ lNAL ß a mask (not shown), for example a photoresist, is applied to the front of the wafer 54, the masking corresponding to the later structuring of the rotation rate sensor 10.
  • the geometry of the vibrating masses 12 and 14, the comb structures 20 and 22, the base 30, the projections 36, the recesses 32 and 38 and the springs 16 (FIG. 1) is thus determined via the masking.
  • the non-masked areas are removed from the SOI layer 48 by the beginning plasma deep etching.
  • the buried oxide 46 in turn serves as a stop for this plasma depth etching process from the front side 54 of the wafer.
  • the buried oxide layer 46 can finally be removed in the regions in which, according to the sectional illustration shown in FIG. 2, the freely oscillating structures of the rotation rate sensor 10 are provided. Overall, a yaw rate sensor 10 can thus be structured in a simple manner.
  • the projections 36 shown in FIG. 1 can be structured, which form an overload / shock protection for the rotation rate sensor 10.
  • the trench-shaped structures 40 (FIG. 1) are also etched out, so that the projections 36 are formed, these being formed in one piece with the oscillating masses 12 or 14.
  • the projections 36 can thus be obtained from the already existing structure of the wafer 60 without complex additional measures. Since the projections 36 with
  • BATH ORIGINAL J> resonate with the vibrating masses 12 and 14, they must have no connection to the bulk substrate 44.
  • an exposure that is to say a detachment of the projections 36 from the bulk substrate 44 by undercutting the buried oxide 46 in the region of the projections 36, must take place later. This also takes place without additional effort during the sacrificial oxide etching of the OMM accelerometers 15.
  • a distance of approximately 1 to 3 ⁇ m can be created here. This will generally suffice to allow the support structure 12, 14 to swing freely.
  • the distance between the projections 36 and the bulk substrate 44 can be shown by an isotropic plasma underetching according to FIGS. 5c and 5b the projections 36 in the bulk substrate 44 are enlarged.
  • the side walls of the trench trenches 64 created in this special case the trench trenches 64 which later result in the trench-shaped structure 40, are passivated with respect to an isotropically attacking slide media.
  • the side walls can, for example, be provided with a Teflon-like plasma film 66.
  • isotropic plasma underetching takes place in the bulk substrate 44, so that free spaces 68 are created there.
  • the free spaces 68 each connect two adjacent trench trenches 64, so that the area 70 remaining between the trench trenches 64, in the example chosen the projections 36, no longer have any contact with the bulk substrate 44.
  • an anodic voltage 70 can be applied to the bulk substrate 44 in accordance with the method steps illustrated in FIGS. 6a and 6b after the plasma etching of the trench trenches 64 and the removal of the buried oxide 46 at the base of the trench trenches 64.
  • An electrolyte 72 for example aqueous hydrofluoric acid and isopropanol, is applied to the exposed surface of the bulk substrate 44 in the trench trenches 64. This results in an electrochemical dissolution of areas of the bulk substrate 44, which also lead to
  • FIGS. 7 and 8 show a further exemplary embodiment of a rotation rate sensor 10, the same parts as in the previous figures being provided with the same reference symbols and not being explained again.
  • an upper stop 74 is provided here, which engages over the projections 36.
  • the upper stop 74 is achieved by etching off the projections 36 up to the upper buried oxide 56 (FIG. 6). This etching can very advantageously be carried out simultaneously with the plasma depth etching process for forming the structures of the upper acceleration sensors 15 (trench trenches 64 according to FIGS. 3 and 4) and does not require an additional process step.
  • the buried oxide can either be suitably pre-structured before deposition of the thick poly layer, or it is etched through during the deep trench process to etch the vibrating carrier structure by changing the etching plasma chemistry to an oxide etching chemistry, which is particularly advantageous in the SOI 5 process is.
  • EpiPoly or upper SOI for example 12 ⁇ m
  • bridge-shaped stops 74 are produced over the projections 36 in such a way that they deflect upward by the thickness of the upper epipoly or SOI layer on the underside of the stops 74 when deflected upward.
  • the fixed resistance can either be pre-structured photolithographically before lamination and then applied in an adjusted manner, or the application and subsequent photolithography of the fixed resist takes place entirely.
  • the stops 74 can be generated, for example, in such a way that a closed feed-resist frame 76 encloses the entire sensor structure, as is shown schematically in FIG.
  • a cap to the base 18, for example by gluing or soldering, so that the cap edge covers the stops 36 in such a way that the corresponding stop effect occurs.
  • the edge of the cap thus corresponds to the overlapping fixed-resistance frame 74, 76.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Coriolis-Drehratensensors, nit federnd an einem Substrat aufgehängten, schwingenden Trägermassen sowie Antriebsmitteln zur Anregung einer planaren Schwingung der Trägermassen und Auswertemitteln zum Erfassen einer Coriolis-Beschleunigung. Es ist vorgesehen, daß die schwingenden Trägermassen (12, 14), sowie die Antriebsmittel (20) und integrierte Anschläge (36, 38) in einem gemeinsamen Arbeitsgang mittels Plasmaätzens aus einem Silicon-on-Insulater (SOI)-Wafer strukturiert werden.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Coriolis-Drehraten- sensors
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Coriolis-Drehratensensors, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Als Coriolis-Drehratensensoren ausgebildete Sensoren sind an sich bekannt. Diese weisen federnd an einem Substrat aufgehängte, auslenkbare Schwingmassen auf, die Auswertemittel zum Erfassen von Coriolisbeschleu- nigungen tragen.
Es ist bekannt, derartige Coriolis-Drehratensensoren mittels Plasmaätzen der Trägerstruktur (Resonator) aus einer zuvor durch zeitkontrollierteε Rückseiten- Naßätzen hergestellten Bulk-Siliciummembran zu struk- turieren. Hierbei iεt nachteilig, daß durch das zeit¬ kontrollierte Naßätzen der Membran exakte Verfahrens¬ bedingungen eingehalten werden müssen, da ansonsten die Membrandicke und damit die Strukturhöhen, also auch die für den Plasmaätzvorgang benötigten Ätz- zeiten zum Durchätzen von der Vorderseite nicht kon¬ trolliert werden können.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, daß die schwingungsfähigen Trägerstrukturen, die die Eeschleunigungssensoren zur Messung der Coriolisbe- εchleunigung tragen, einfach und genau strukturiert werden können. Dadurch, daß die schwingende Träger¬ struktur, die die Auswertemittel sowie die Antriebs¬ mittel trägt mittels Plaεmaätzens aus einem Silicon- on-Insulator (SOI) -Wafersubstrat strukturiert werden, ist eε vorteilhaft möglich, die Strukturierung weit¬ gehend unabhängig von Ätzzeiten vorzunehmen. Der Ätz¬ vorgang stoppt, εowohl der Naßätzschritt von der Wafer-Rückseite als auch der Plasmaätzschritt von der Wafervorderseite, automatisch am Buried Oxide, εo daß die eingestellten Strukturhöhen ausschließlich von der Dicke der SOI-Schicht bestimmt werden. Hiermit wird es möglich, ein sogenanntes Überätzen durchzu¬ führen, das heißt, der jeweilige Ätzvorgang kann für einen längeren Zeitraum alε an sich notwendig wäre, durchgeführt werden, so daß insgesamt die Prozeßsich¬ erheit bei der Strukturierung erhöht wird. Daε Buried-Oxid gewährleistet neben der Stoppfunktion für
BΛD 0WG*NAL I die Ätzprozesse gleichzeitig einen Schutz der Struk¬ turunterseiten während des Plasmaätzprozesses. An¬ sonsten würden nach dem Durchätzen der Membranfenster im Plasma durch Ätzgase (Fluorradikale) , die um die Kanten herumgreifen, die Strukturunterseiten attak- kiert . Insbesondere wird es somit vorteilhaft mög¬ lich, auf dem Wafersubstrat zuerst die Wafervorder- seite im Plasma fertig zu strukturieren, so daß während der Herstellung bis zuletzt ein stabiler Wafer erhalten bleibt. Die Erzeugung der Membranen kann sehr vorteilhaft erst anschließend - alε letzter Schritt - mittels eines Naß- oder Trockenätzvorgangε von der Waferrückεeite erfolgen, wobei das Buried Oxid - wie erwähnt - eine Abdichtung zur bereitε fertig εtrukturierten Wafervorderseite übernimmt. Mittels deε Buried Oxidε erfolgt quaεi eine Abdich¬ tung der Wafervorderεeite zur Waferrückεeite, waε durch eine zusätzliche Vorderεeitenbelackung noch unterεtützt werden kann.
Sehr vorteilhaft iεt weiterhin, daß das Buried Oxid während der Opferschichtätzung der Coriolisbeschleu- nigungεaufnehmer auf den Träσerstrukturen ohne zu¬ sätzlichen Aufwand sehr leicht entfernt werden kann.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorge¬ sehen, daß gleichzeitig mit den schwingenden Träger¬ massen, die die Coriolisbeschleunigungεsensoren tra¬ gen, an diese integrierte Überlastanschläge εtruk- turiert werden. Die integrierten Überlastanschläge lassen sich sehr vorteilhaft gemeinsam mit den Schwingmassen und deren Federn, mittels des Plasma-
BAD OR1GINA' ^ ätzprozesses von der Wafervorderεeite auε dem SOI- Wafersubstrat herausstrukturieren, ohne daß aufwendi¬ ge Zusatzmaßnahmen zur Ausbildung externer Überlast¬ anschläge erforderlich sind. Insgesamt läßt sich so¬ mit mittels eines Plasmatiefenätzprozesεeε von der Wafervorderεeite eine sehr kompakte Trägerstruktur für einen Drehratensensor mit integrierten Überlast- anεchlägen in einfacher Weise strukturieren.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in den Unteranspruchen genannten Merkmalen.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispie¬ len anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläu¬ tert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Draufsicht auf eine Trägerstruktur eineε Drehratensensor;
Figur 2 eine Schnittdarstellung durch den Drehratensensor gemäß Figur 1;
Figur die Schaffung von Strukturen des Drehraten- 3a und 3b sensors nach einer ersten Ausführungsvariante;
Figur die Schaffung von Strukturen des Drehraten- 4a und 4b sensors nach einer zweiten Ausführungsvariante;
^ ORIGINAL * Figur optionale zusätzliche Verfahrensschritte 5a und 5b zur Schaffung der Strukturen;
Figur optionale zusätzliche Verfahrensschritte 6a und 6b zur Schaffung der Strukturen nach einer weiteren Ausführungsvariante;
Figur 7 eine εchematische Draufsicht auf eine
Trägerstruktur eines Drehratensensorε nach einer weiteren Ausführungsvariante und
Figur 8 eine Teilschnittdarstellung durch den Drehratensensor gemäß Figur 7.
Beschreibung der Ausführungsbeiεpiele
Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Drehratensen¬ sor 10. Der Drehratensenεor 10 weist zwei Schwingmas- εen 12 beziehungεweise 14 auf. Die Schwingmassen 12 und 14 sind über Federn 16 mit einer Basis (Subεtrat) 18 verbunden. Die Federn 16 weiεen ein hoheε Aspekt- Verhältnis auf, das heißt, ihre Höhe ist im Verhäl¬ tnis zu ihrer Dicke möglichst groß. Die Federn 16 sind somit in einer planaren Schwingungsebene weich und senkrecht zur planaren Schwingungsebene steif ausgebildet. Die Schwingmassen 12 und 14, die gleich¬ zeitig Beschleunigungssensoren 15 zum Beschleuni¬ gungsnachweis tragen, sind somit in der planaren Schwingungsebene weich und senkrecht zur planaren Schwingebene steif aufgehängt . Den Schwingmassen 12 und 14 können jeweils Kammstrukturen 20 beziehungs¬ weise 22 für einen elektrostatischen Schwingungsan-
BAD ORIGINAL OW trieb zugeordnet sein. Es sind aber auch andere An¬ triebe denkbar. Die Kammstrukturen 20 und 22 besitzen jeweils einen fest mit den Schwingmaεεen 12 bezie¬ hungεweise 14 verbundenen Kamm 26 εowie einen mit dem Kamm 26 in Eingriff εtehenden, mit der Basis 18 ver¬ bundenen Kamm 28. Der Kamm 28 ist an einem Sockel 30 befestigt, der in einer Ausnehmung 32 der Basiε 18 angeordnet iεt. Durch die Anordnung des Sockels 30 in der Ausnehmung 32 wird dieser von einer grabenförmi- gen Struktur 34 umgeben und lateral elektriεch iεo¬ liert; die vertikale Isolation übernimmt daε vergra¬ bene Oxid deε SOI-Waferaufbaus .
Die Schwingmaεεen 12 und 14 weisen ferner an ihren Stirnseiten fingerförmig ausgebildete Vorsprünge 36 auf, die in Ausnehmungen 38 der Basiε 18 eingreifen. Die in die Ausnehmungen 38 eingreifenden Vorεprünge 36 werden von einer grabenförmigen Struktur 40 um¬ geben. Wie noch erläutert wird, besitzen die Sockel 30 an ihrer Unterseite eine feste, elektrisch iso¬ lierende Verbindung zu der Basis 18, während die Vor¬ sprünge 36 nach Abschluß der Prozessierung, das heißt, der Opferoxidätzung, frei in die Ausnehmungen 38 hineinragen, alεo keine Verbindung mit der Baεiε 18 mehr beεitzen. Die Ausnehmungen 32 und 38 gehen von einem Durchbruch 42 aus, innerhalb dem die Schwingmasεen 12 und 14 εowie die Federn 16 angeord¬ net sind. Wie in der in Figur 2 gezeigten Schnittdar¬ stellung noch deutlich wird, liegen die Oberflächen der Basis 18 sowie der Schwingmassen 12 und 14, der Kammstrukturen 20 beziehungsweise 22 und der Vor¬ sprünge 36 in etwa auf einer planaren Ebene.
BAD ORIGINAL Die in Figur 1 gezeigte Trägerstruktur (Schwingmassen 12, 14 und Federn 16) dient der Erzeugung von Coriolis-Beschleunigungen, die von den zusätzlich aufgebrachten OMM(Oberflächen-Mikromechanik) -Be¬ schleunigungssensoren 15 erfaßt werden. Mittels der Kammstrukturen 20 werden die Schwingmaεεen 12 und 14 durch Anlegen einer elektriεchen Wechεelspannung durch elektrostatische Kräfte in eine planare Schwingbewegung versetzt. Selbstverständlich sind auch andere Antriebsarten, beispielsweise elektro¬ magnetisch durch die Lorenzkraft auf einen εtrom- durchflossenen Leiter im Magnetfeld, denkbar. Im Rah¬ men der hier vorliegenden Beschreibung soll auf die Wirkungsweiεe deε Drehratenεensorε 10 nicht weiter eingegangen werden, da diese allgemein bekannt ist.
Die in die Ausnehmungen 38 eingreifenden Vorsprünge 36 dienen einer vertikalen Bewegungsbegrenzung für die Schwingmassen 12 beziehungsweiεe 14. Hierdurch werden untere Anschläge für die Schwingmasεen 12 und 14 gebildet, die einen Überlaεt/Schock-Schutz bilden.
In der Figur 2 ist ein Querschnitt durch den Dreh¬ ratensensor 10 gezeigt. Gleiche Teile wie in Figur 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert. Anhand des Querschnitts wird der schichtformige Aufbau des Drehratensensors 10 deut¬ lich. Der Drehratensensor 10 weist ein Bulk-Substrat 44 auf, auf dem eine Siliciumoxidεchicht (Siθ2) als unteres Buried-Oxid 46 ausgebildet ist. Auf dem Buried-Oxid 46 ist eine SOI-Schicht 48 vorgesehen, an die sich eine EpiPoly-Schicht 50 anschließt. Das
BAD ORIGINAL Bulk-Substrat 44 weist den Durchbruch 42 auf, der von der SOI-Schicht 48 und der EpiPoly-Schicht 50 membranartig überspannt wird. Innerhalb der SOI- Schicht 48 und der EpiPoly-Schicht 50 εind die Schwingmasεen 12 und 14, die Federn 16, die Kamm- εtrukturen 20 und 22, die Sockel 30, die Vorεprünge 36 εowie die Ausnehmungen 32 und 38 strukturiert. Die Grenze zwiεchen dem Bulk-Substrat 44 und den Struk¬ turelementen deε Drehratenεensors 10 wird von dem unteren Buried-Oxid 46 gebildet. Durch das untere Buried-Oxid 46 wird der Drehratensensor 10 in eine Waferrückseite 52 und eine Wafervorderseite 54 auf¬ geteilt. Die Schwingmasεen 12 und 14 und die Federn 16 können auε der relativ dicken SOI-Schicht 48 be¬ stehen, auf die eine obere Siliciumoxid-Schicht als oberes Buried-Oxid 56 strukturiert ist. Auf dem oberen Buried-Oxid 56 εind die Beschleunigungsauf¬ nehmer 15 in EpiPoly-Technik aufgebracht. Somit wer¬ den die Schwingmassen 12 und 14 von einer Träger¬ struktur aus der SOI-Schicht 48 und den darauf ange¬ ordneten Beschleunigungεaufnehmern 15 gebildet.
Nach einer weiteren Ausführungsvariante können . an¬ stelle der Ausbildung der Beschleunigungsaufnehmer 15 aus EpiPoly diese ebenfalls in der SOI-Technik (SOI2- Ansatz) strukturiert werden. Die Buried-Oxid-Schich- ten 46 beziehungsweise 56 können in allgemein be¬ kannter Weise mittels einer thermischen Oxidation und darauffolgenden Bond- und Schleif- oder Bond- und Rückätzprozessen erzeugt werden.
BAD ORIGINAL g Anhand der Figuren 3a und 3b wird die Herstellung des Drehratensensors 10 in einem ersten Ausführungε- beispiel erläutert. Gemäß Figur 3a wird von einem SOI-Wafer 60 mit einer Buried-Oxid-Schicht 46 ausgegangen. Von der Waferrückεeite 52 erfolgt ein naßchemiεcheε Ätzen. Das Naß-Ätzmedium (Kalilauge) wird über eine hier nicht dargestellte Maske an die Waferrückseite 52 herangeführt, εo daß εich aufgrund der Kriεtallεtruktur deε Siliciumwaferε 60 die V- förmige Öffnung 62 ergibt. Daε Buried-Oxid 46 iεt gegenüber dem verwendeten Ätzmedium (heiße Lauge) reεistent und dient εomit alε Ätzstopp für den Naß- Ätzvorgang. Durch die Ausbildung dieseε definierten Ätzstoppes für den Naßätzvorgang wird erreicht, daß die an der Wafervorderεeite 54 verbleibende Membran (SOI-Schicht 48) , in der später die Trägerstruktur des Drehratensensors 10 strukturiert wird, eine definierte Dicke besitzt, die ausschließlich von der Dicke der SOI-Schicht 48 bestimmt wird. Die Dicke der Schicht 48 iεt somit unabhängig von der Ätzzeit, mit der daε Ätzen der Öffnung 62 von der Waferrückεeite 52 erfolgt. Durch das Buried-Oxid 46 wird gleichzei¬ tig eine Schutzschicht für die Wafervorderseite 54 vor den Ätzmedien, beispielsweiεe KOH, Flußsäure + HNO3 oder Plasmaätzgasen TMAH (Tetramethylammonium- hydroxid) gebildet. Auf die Trägerstruktur sind noch die hier nicht dargestellten Beschleunigungssensoren 15 (Figur 2) aufgebracht.
In einem nächsten Verfahrensschritt, der in Figur 3b gezeigt ist, wird an der Wafervorderseite 54 ein anisotroper Plasmatiefenätzprozeß durchgeführt. Hier-
BAD onβlNAL ß bei wird auf die Wafervorderseite 54 eine nicht dar¬ gestellte Maskierung, beispielεweiεe ein Photolack, aufgebracht, wobei die Maskierung der späteren Struk¬ turierung des Drehratensensors 10 entspricht. Über die Maskierung wird also die Geometrie der Schwing¬ massen 12 und 14, der Kammεtrukturen 20 und 22, der Sockel 30, der Vorεprünge 36, der Ausnehmungen 32 und 38 sowie der Federn 16 (Figur 1) bestimmt. Durch das ansetzende Plasmatiefenätzen werden die nicht mas¬ kierten Bereiche aus der SOI-Schicht 48 herausge- trencht . Für diesen Plasmatiefenätzprozeß von der Wafervorderseite 54 dient wiederum daε Buried-Oxid 46 alε Stopp. Die Buried-Oxid-Schicht 46 kann abεchlie- ßend in den Bereichen in einfacher Weiεe entfernt werden, in denen, gemäß der in Figur 2 gezeigten Schnittdarstellung, die frei schwingenden Strukturen des Drehratensenεors 10 vorgesehen sind. Insgesamt läßt sich somit in einfacher Weise ein Drehraten- εenεor 10 strukturieren.
Gleichzeitig mit der Strukturierung des Drehratenεen- εorε 10 können die in Figur 1 dargestellten Vorsprün¬ ge 36 strukturiert werden, die einen Überlast/Schock- Schutz für den Drehratensensor 10 bilden. Durch eine entsprechende Ausbildung der Maske während des Plas- matiefenätzprozesses werden die grabenförmigen Struk¬ turen 40 (Figur 1) mit herausgeätzt, εo daß die Vor¬ εprünge 36 entstehen, wobei dieεe einstückig mit den Schwingmassen 12 beziehungsweiεe 14 ausgebildet sind. Die Vorsprünge 36 können somit ohne aufwendige Zu¬ sätzmaßnahmen aus dem bereits vorhandenen Aufbau des Wafers 60 erhalten werden. Da die Vorsprünge 36 mit
BAD ORIGINAL J> den Schwingmassen 12 beziehungsweise 14 mitschwingen, dürfen diese keine Verbindung zu dem Bulk-Substrat 44 aufweisen. Hierzu muß später eine Freilegung, das heißt, eine Ablösung der Vorsprünge 36 von dem Bulk- Substrat 44 durch Unterätzen deε Buried-Oxid 46 im Bereich der Vorsprünge 36 erfolgen. Dies geschieht ebenfalls ohne zuεätzlichen Aufwand während der Opferoxidätzung der OMM-Beschleunigungsaufnehmer 15. Je nach Dicke der Buried-Oxid-Schicht 46 kann hier eine Diεtanz von ca. 1 biε 3 μm geεchaffen werden. Dies wird im allgemeinen genügen, um ein freieε Schwingen der Trägerεtruktur 12, 14 zu erlauben.
In einer anderen, anhand der Figuren 4a und 4b ver¬ deutlichten Ausführungsvariante der Erfindung wird es vorteilhaft möglich, den Ätzprozeß von der Waferrück- seite 52 erst nach Abschluß der vollständigen Pro- zeεεierung der Wafervorderεeite 54 durchzuführen. Dies hat den Vorteil, daß für die Prozessierung der Wafervorderseite 54 ein insgesamt stabiler Wafer 60 ohne rückseitige Ätzöffnungen zur Verfügung steht, der in seiner Stabilität noch nicht durch die Öffnung 62 beeinflußt ist. Hinsichtlich der Einzelheiten der Vorderseitenprozeßierung und des Ätzens von der Rück¬ seite wird auf das vorhergehende Ausführungsbeispiel verwiesen. Das Verbleiben der Buried-Oxid-Schicht 46 unter den auf der Wafervorderseite 54 geschaffenen Strukturen gewährleistet gleichzeitig einen sehr guten Schutz gegenüber dem Ätzangriff von der Wafer- rückseite 52.
ß4D ORIGINAL Sollte dies Distanz zwischen der Buried-Oxid-Schicht 46 und der geschaffenen Trägerstruktur in bestimmten Anwendungsfällen nicht ausreichen, kann gemäß der Figuren 5c und 5b der Abstand zwischen den Vor¬ sprüngen 36 und dem Bulk-Substrat 44 durch ein iεo- tropes Plasma-Unterätzen der Vorsprünge 36 im Bulk- Subεtrat 44 vergrößert werden. Hierbei werden die Seitenwände der geεchaffenen Trenchgräben 64, in die¬ sem speziellen Fall der die später die grabenförmigen Struktur 40 ergebenden Trenchgräben 64, gegenüber einem iεotrop angreifenden Fiasmamedium paεsiviert. Hierzu können die Seitenwänce beispielsweiεe mit einem teflonartigen Plaεmafilm 66 versehen werden. Anεchließend erfolgt daε iεotrope Plasmaunterätzen im Bulk-Substrat 44, so daß dort Freiräume 68 entstehen. Die Freiräume 68 verbinden hierbei jeweils zwei benachbarte Trenchgräben 64, εo daß der zwischen den Trenchgräben 64 verbleibende Bereich 70, im gewählten Beispiel also die Vorsprünge 36, keinen Berührungs¬ kontakt mehr mit dem Bulk-Subεtrat 44 beεitzen.
Nach einer weiteren Auεführungsvariante kann gemäß der in Figur 6a und 6b verdeutlichten Verfahrens- schritte nach dem Plasmatiefenätzen der Trenchgräben 64 und das Entfernen des Buried-Oxids 46 am Grund der Trenchgräben 64 an daε Bulk-Substrat 44 eine anodi¬ sche Spannung 70 angelegt werden. Die freigelegte Oberfläche des Bulk-Substratε 44 in den Trenchgräben 64 wird mit einem Elektrolyten 72, beispielsweiεe wäßriger Flußsäure und Isopropanol beaufschlagt. Hierdurch erfolgt ein elektrochemisches Auflösen von Bereichen des Bulk-Substrats 44, die ebenfallε zur
BAD ORIGINAL Ausbildung der Freiräume 68 (Figur 4b) führen. Die auf der Wafervorderseite 54, die geschaffenen Struk¬ turen aufweisende SOI-Schicht 48 wird hierbei vor dem elektrochemischen Zersetzen bewahrt, da diese über das Buried-Oxid 46 von dem anodischen Potential 70 elektrisch iεoliert ist.
Insgeεamt ergibt sich somit die Möglichkeit, mittels eines einfach beherrschbaren Plaεmatiefenätzprozeεεeε in der SOI-Schicht 48 einen Drehratenεenεor 10 zu strukturieren, der einen effizienten elektroεta- tischen Kammantrieb 20 zur Anregung der planaren Schwingungsbewegung der Schwingmaεεen 12 und 14 be- ziehungεweiεe einen kapazitiven Kammabgriff 22 zur Detektion der Schwingungsbewegung aufweist. Selbst¬ verständlich sind auch andere Antriebsarten, bei¬ spielsweiεe elektromagnetiεch über die Lorentzkraft auf eine Leiterschleife im äußeren Magnetfeld, denk¬ bar. Durch das Buried-Oxid 46 ist eine hochwertige dielektrische Isolation der Strukturen gegeneinander gegeben. Die laterale Iεolation wird in einfacher Weiεe durch das Tiefentrenchen der grabenförmigen Strukturen 32 um die Sockel 30 herum erreicht. Die Sockel 30 werden bei der Opferoxidätzung nicht ab¬ geätzt, da diese größere Dimensionen aufweisen.
In den Figuren 7 und 8 ist ein weiteres Ausfuhrungs- beispiel eines Drehratensensors 10 gezeigt, wobei gleiche Teile wie in den vorhergehenden Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert sind. Zusätzlich zu der Ausbildung des unteren Anschlages gegen Überlast/Schock des Be-
BAD ORIGINAL schleunigungssensorε 10 durch daε Eingreifen der Vor- εprünge 36 in die Auεnehmungen 38 iεt hier ein oberer Anschlag 74 vorgeεehen, der die Vorεprünge 36 über¬ greift. Der obere Anschlag 74 wird erzielt, indem die Vorsprünge 36 bis zum oberen Buried-Oxid 56 (Figur 6) abgeätzt werden. Dieseε Abätzen kann εehr vorteilhaft gleichzeitig mit dem Plaεmatiefenätzprozeß zur Aus¬ bildung der Strukturen der oberen Beschleunigungε- εenεoren 15 (Trenchgräben 64 gemäß Figur 3 und 4) erfolgen und erfordert keinen zusätzlichen Proze߬ schritt .
Das Buried-Oxid kann im Fall von oberem EpiPoly vor Abscheidung der dicken Polyschicht entweder geeignet vorεtrukturiert werden, oder eε wird während deε Tieftrenchprozesses zur Ätzung der schwingenden Trä- gerεtruktur durch Wechsel der Ätzplasmachemie zu einer Oxidätzchemie durchgeätzt, was speziell beim SOI5 -Prozeß vorteilhaft ist. Es entεteht εo zwischen Oberfläche Vorsprung 36 (=unteres SOI) und Oberfläche des umgebenden Festland-Siliciums (Basis 18) (=EpiPoly oder oberes SOI) eine Höhendifferenz von der Dicke der oberen EpiPoly- oder SOI-Schicht, zum Beispiel 12 μm. Dann werden durch Aufbringen eines Festresists brückenförmige Anschläge 74 so über den Vorsprüngen 36 erzeugt, daß diese bei Auslenkung nach oben um die Dicke der oberen EpiPoly- oder SOI-Schicht an der Unterseite der Anschläge 74 anschlagen. Der Feεtre- siεt kann entweder vor dem Laminieren photolitho- graphiεch vorstrukturiert und danach justiert aufge¬ bracht werden, oder die Aufbringung und anschließende Photolithographie deε Festresists geschieht ganz-
BAD ORIGINAL 4 flächig vor der Opferεchichtätzung der OMM-Senεor- εtrukturen, wo eine Naßentwicklung auf dem Wafer noch zuläεεig iεt.
Die Anεchläge 74 laεεen sich beispielsweise derge¬ stalt erzeugen, daß ein geschlosεener Feεtreεist- rahmen 76 die gesamte Senεorεtruktur umεchließt, wie dieε die Abbildung 5 εchematisch darstellt.
Nach einem anderen, nicht dargestellten Ausführungε¬ beiεpiel, iεt eε auch möglich, eine Kappe εo auf die Basis 18 aufzubringen, beispielsweise durch Kleben oder Löten, daß der Kappenrand die Anschläge 36 so überdeckt, daß die entsprechende Anεchlagwirkung ent¬ steht. Der Kappenrand entspricht damit sinngemäß dem überlappenden Festresiεtrahmen 74, 76.
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Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eineε Drehratensensors, mit federnd an einem Substrat aufgehängten, auslenk¬ baren Schwingmaεsen, die Auswertemittel zum Erfasεen von Coriolis-Beεchleunigungen tragen, sowie Antriebs¬ mitteln zur Anregung einer planaren Schwingung der Schwingmasεen, dadurch gekennzeichnet, daß eine auε den Schwingmaεsen (12, 14) und den Federn (16) beεtehende Trägerstruktur für die Auswertemittel
(15) , sowie die Antriebsmittel (20) in einem gemein¬ samen Arbeitsgang mittels Plasmaätzens aus einem Silicon-on-Insulater (SOI) -Wafer (60) strukturiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Waferaufbau (60) eine Buried-Oxid-Schicht (46) beinhaltet, die als Ätzstopp für das vorder¬ seitige Plasmaätzen und das rückseitige Ätzen dient.
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3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Buried-Oxid-Schicht
(46) gleichzeitig als Ätzstopp für einen Ätzprozeß zur Erzeugung einer SOI-Membranschicht (48) in dem Wafer (60) von der Waferrückεeite (52) dient.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Anεprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Freilegung der SOI- Membranεchicht (48) mit den Strukturen (12, 14, 16, 20, 22, 36) des Drehratensensors (10) durch das naßchemische Ätzen von der Waferrückεeite (52) nach Abεchluß der Strukturierung deε Drehratensensorε (10) von der Wafervorderεeite (54) erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Anεprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehratensensor- Trägerstruktur (10) in der SOI-Membranεchicht (48) strukturiert wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit den Schwingmasεen (12, 14) Überlaεtanεchläge für die Drehratensensor-Trägerstruktur (10) strukturiert wer¬ den.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung der Überlastanschläge grabenför- mige Strukturen (40) um Vorsprünge (36) strukturiert werden, und daß das Buried-Oxid (46) unter den Vorsprüngen (36) in einem späteren Prozeßschritt als Opferoxid entfernt wird.
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8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 und 7, da¬ durch gekennzeichnet, daß ein Bulk-Subεtrat (44) unter den Vorsprüngen (36) zur Ausbildung von Frei- räumen (68) , bei geschützter Seitenwand, beispiels¬ weise teflonbeschichteter Seitenwand, isotrop plasma- unterätzt wird, um den Abstand der Vorεprünge (36) von der Basiε (18) und damit die vertikale Beweg¬ lichkeit der Schwingmaεsen (12, 14) zu vergrößern.
9. Verfahren nach einem der Anεprüche 6 und 7, da¬ durch gekennzeichnet, daß das Bulk-Subεtrat (44) unter den Vorsprügen (36) zur Ausbildung der Frei¬ räume (68) elektrochemisch angeätzt wird, und Frei¬ räume für eine vertikale Beweglichkeit damit ver¬ größert werden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den unteren Anschlägen obere Anschläge für die εeiε- mischen Massen (12, 14) erzeugt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich¬ net, daß über die Vorsprünge (36) brückenförmige An¬ schläge (74) strukturiert werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich¬ net, daß die brückenformigen Anschläge (74) als ein die gesamte Struktur deε Drehratensensorε (10) um¬ schließender Festresiεtrahmen (76) ausgebildet wer¬ den. 13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kappe so auf¬ gebracht wird, daß der Kappenrand den Anschlag (74) bildet.
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