DE19750134C1 - Capacitive acceleration sensor for automobile passenger restraint device - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen kapazitiv arbeitenden und nach einer oberflächenmikromechanischen Fertigungstechnologie hergestellten Beschleunigungssensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a capacitively operating and according to surface micromechanical manufacturing technology Acceleration sensor according to the preamble of claim 1.
Die Erfindung betrifft insbesondere einen Beschleunigungssensor, der mittels Mikrogalvanik mit einem erfindungsgemäß neuartigen Einmaskenschritt-Prozeß in deutlich wenigeren Fertigungsschritten und höherer Ausbeute, kostengünstig herstellbar ist.The invention relates in particular to an acceleration sensor using micro-electroplating with a novel one-mask step process in significantly fewer Manufacturing steps and higher yield, is inexpensive to manufacture.
Derartige Beschleunigungssensoren werden für sicherheitsrelevante (Gurtstraffer, Airbag, ABS) und komfortsteigernde (aktive Dämpfung) Systeme im KFZ vorgesehen. Sie können auch in Geräte oder Maschinen eingebaut werden, deren Vibration oder Bewegung überwacht werden soll.Such acceleration sensors are used for safety-relevant (belt tensioners, Airbag, ABS) and comfort-enhancing (active damping) systems are provided in the vehicle. they can also be installed in devices or machines whose vibration or movement should be monitored.
Zur Bestimung von Beschleunigungen wurden viele Sensoren mit unterschiedlichen Wirkprinzipien entwickelt. Hinsichtlich einer großen Empfindlichkeit, eines geringen Temperaturkoeffizienten und einer hohen Langzeitstabilität weisen die oberflächen mikromechanisch hergestellten, kapazitiv arbeitenden Beschleunigungssensoren eine Reihe von Vorteilen auf.To determine accelerations, many sensors with different Working principles developed. In terms of a high sensitivity, a low one The surfaces show temperature coefficients and a high long-term stability a series of micromechanically manufactured, capacitively operating acceleration sensors Advantages on.
Aus der WO 92/03740 bzw. DE 44 32 837 A1 sind bereits kapazitive Beschleunigungssensoren bekannt. Der hier vorgestellte Beschleunigungssensor wurde mittels Oberflächenmikromechanik aus einer dünnen Polysiliziumschicht heraus strukturiert. Die Sensorstruktur besteht aus einer seismischen Prüfmasse als beweglicher Mittelelektrode und zwei feststehenden Elektroden, die zusammen eine Differenzkondensatormeßanordnung bilden. Eine Beschleunigung verursacht eine Lageänderung der seismischen Prüfmasse, die zu einer Änderung der Abstände und dank der Kapazität zwischen der Mittelelektrode und zwei feststehenden Elektroden führt. Daher ist die Beschleunigung als Kapazitätsänderung meßbar. Die Herstellung solcher Beschleunigungssensoren benötigt viele komplexe und sehr zeit- und kostenaufwendige Fabrikationsprozesse in Zusammenhang mit der Verarbeitung einer Polysiliziumschicht, der CVD-Abscheidung, der p- oder n-Dotierung sowie dem Trockenätzen. Die mehrstufigen lithographischen Strukturierungen sind unbedingt notwendig. Weiterer Nachteil ist die geringe Sensorstrukturhöhe, die bedingt durch die sehr langsame Ätzrate des Polysiliziums nur bis eine Dicke von etwa 2 µm erreichbar ist. WO 92/03740 and DE 44 32 837 A1 are already capacitive Accelerometers known. The acceleration sensor presented here was created using Surface micromechanics structured out of a thin polysilicon layer. The Sensor structure consists of a seismic test mass as a movable center electrode and two fixed electrodes, which together form a differential capacitor measuring arrangement. Acceleration causes a change in the position of the seismic test mass, which leads to a Changing the distances and thanks to the capacity between the center electrode and two leads fixed electrodes. The acceleration can therefore be measured as a change in capacity. The manufacture of such acceleration sensors requires many complex and very time and costly manufacturing processes in connection with the processing of a Polysilicon layer, the CVD deposition, the p- or n-doping and the Dry etching. The multilevel lithographic structuring is absolutely necessary. Another disadvantage is the low sensor structure height, which is due to the very slow Etching rate of the polysilicon only until a thickness of about 2 µm can be achieved.
Eine weitere Entwicklung zur Vereinfachung des Herstellungsprozesses wird in der DE 195 30 736 dargestellt. Der in dieser Schrift beschriebene Beschleunigungssensor ist aus einem Silicon-on-Isolator (SOI) Dreischichtsystem aufgebaut. Die seismische Masse wird aus einem Silizium-Einkristall strukturiert. Somit ist die Herstellung einfacher geworden, obwohl zu ihrer Herstellung immer noch zwei Maskenschritte notwendig sind, und für die Kontaktierung des Sensors ein zusätzlicher Metallisierungsprozeß unerläßlich ist.A further development to simplify the manufacturing process is in the DE 195 30 736 shown. The acceleration sensor described in this document is off a silicon-on-insulator (SOI) three-layer system. The seismic mass is made structured a silicon single crystal. So making has become easier, though two mask steps are still necessary for their production, and for the Contacting the sensor an additional metallization process is essential.
Parallel zur Siliziummikromechanik wurde die Ligatechnik zur Herstellung von kapazitiven Beschleunigungssensoren eingesetzt, so wie in der DE 42 26 430 A1 beschrieben. Bei dem Ligaverfahren wird der Beschleunigungssensor, der ebenfalls aus einer seismischen Prüfmasse und zwei starren Gegenelektroden besteht, durch selektive Metallabscheidung erzeugt. Der größte Vorteil des Liga-Beschleunigungssensor besteht darin, daß die Sensorstruktur eine Höhe bis zu einigen hundert Millimeter erreichen kann. Im Vergleich zur Siliziummikromechanik weist das Ligaverfahren weniger Verarbeitungsschritte auf, jedoch ist es wegen der aufwendigen Gerätetechnik zur Durchführung der Tiefenlithographie auf PMMA-Röntgenresist mit Synchrotronstrahlung sehr kostspielig.In parallel to silicon micromechanics, the league technology for the production of capacitive acceleration sensors used, as described in DE 42 26 430 A1. In the league process, the acceleration sensor, which also consists of a seismic Test mass and two rigid counter electrodes exist, by selective metal deposition generated. The biggest advantage of the league accelerometer is that the Sensor structure can reach a height of up to a few hundred millimeters. In comparison to Silicon micromechanics, the league process has fewer processing steps, however it because of the complex device technology for performing depth lithography PMMA X-ray resist with synchrotron radiation is very expensive.
Es wurden in der Zeitschrift "Sensors and Actuators" weitere mikromechanische Verfahren zur Herstellung kapazitiver Beschleunigungssensoren vorgestellt. Auch solche Verfahren benötigen bisher ausnahmslos mindestens zwei Maskenschritte zur Realisierung des Sensorelementes.There were more micromechanical in the magazine "Sensors and Actuators" Process for the production of capacitive acceleration sensors presented. Even those Until now, processes have invariably required at least two mask steps to implement the Sensor element.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein kapazitiv arbeitender mikromechanischer Beschleunigungssensor mit Hilfe der Mikrogalvanik in möglichst wenigen Verarbeitungsschritten kostengünstig herzustellen ist.The object of the invention is to provide a method with which a capacitive working micromechanical acceleration sensor with the help of micro electroplating in as few processing steps as possible can be produced inexpensively.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Beschleunigungssensor mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen. Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 5 genannten Verfahrensschritten gelöst. Vorteilhafte Varianten ergeben sich aus den Verfahrensunteransprüchen.According to the invention, this object is achieved by an acceleration sensor with the Features mentioned claim 1 solved. Advantageous configurations result from the dependent subclaims. Furthermore, the task by a method with the in Claim 5 mentioned method steps solved. Advantageous variants result from the Subordinate claims.
Der Beschleunigungssensor wird mit Hilfe von nur zwei metallischen Schichten aufgebaut. Als Tragplatte dient ein elektrisch isolierendes Substrat (thermisch oxidierter Siliziumwafer oder Keramikwafer), auf dem die erste metallischen Schicht mittels PVD abgeschieden wird. Diese Metallschicht dient als Galvanikstartplatte für den Aufbau des Beschleunigungssensors. Auf der ersten Metallschicht wird ein UV-strahlungsempfindlicher dicker Fotolack aufgebracht. Der Fotolack wird anschließend über eine Maske, die das Sensorstruktur-Layout enthält, von einer UV-Quelle belichtet. Nach der Entwicklung werden die belichteten Teile des Fotolacks herausgelöst. Es entsteht ein Lack-Formeinsatz für den galvanischen Aufbau des Beschleunigungsensors. Die Dicke des verwendeten Fotolacks bestimmt die Höhe der Sensorstruktur. Die zweite metallischen Schicht, die das Sensormaterial bildet, wächst dann elektrochemisch innerhalb der Zwischenräume des lithographisch strukturierten Fotolacks auf der ersten Metallschicht auf. Die gewünschten beweglichen Teile des Sensorelementes werden anschließend durch Ätzen der darunterliegenden ersten Metallschicht mit einem geeigneten Ätzverfahren, z. B. zeit-kontrolliertes elektrochemisches Naßätzen, erzeugt.The acceleration sensor is made using only two metallic layers built up. An electrically insulating substrate (thermally oxidized Silicon wafer or ceramic wafer) on which the first metallic layer by means of PVD is deposited. This metal layer serves as a galvanic starting plate for the construction of the Acceleration sensor. A UV radiation is sensitive to the first metal layer thick photoresist applied. The photoresist is then over a mask that the Contains sensor structure layout, exposed from a UV source. After development the exposed parts of the photoresist are removed. A paint mold insert is created for the galvanic structure of the acceleration sensor. The thickness of the photoresist used determines the height of the sensor structure. The second metallic layer, which is the sensor material then grows electrochemically within the spaces of the lithograph structured photoresists on the first metal layer. The desired moving parts of the sensor element are then by etching the underlying first Metal layer with a suitable etching process, e.g. B. time-controlled electrochemical Wet etching.
Eine Besonderheit bei dem Verfahren ist, daß die Sensoren zunächst auf einer ganzflächigen metallischen Grundplatte galvanisch aufgebaut, und erst im letzten Schritt durch Entfernen dieser Metallschicht voneinander isoliert werden. Dieser Verfahrensablauf vermeidet einen weiteren Strukturierungsprozeß, der beim Stand der Technik am Anfang zur Strukturierung der Galvanikstartschicht benötigt wird. Somit stellt der Verfahrensablauf einen Einmasken-Prozeß dar. Dieses Verfahren kann auch zur kostengünstigen Realisierung weiterer mikromechanischer Elemente mit freistehendem Teil eingesetzt werden.A special feature of the process is that the sensors are initially on a full-surface metallic base plate galvanically built, and only in the last step Remove this metal layer from each other. This procedure is avoided a further structuring process which at the beginning of the prior art Structuring of the electroplating start layer is required. The process sequence thus represents a One mask process. This method can also be used for the cost-effective implementation of further micromechanical elements can be used with free-standing part.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das Verfahren mit nur einem Maskenschritt auskommt, und die Strukturierung der Funktionselemente des Sensors galvanisch erzeugt werden. Dieser galvanische Aufbau ist deutlich billiger als ein zweiter Maskenschritt.The advantage of the invention is that the method with only one Mask step comes out, and the structuring of the functional elements of the sensor are generated galvanically. This galvanic structure is significantly cheaper than a second one Mask step.
Weitere Vorteile der Erfindung sind:
Further advantages of the invention are:
- - Das Verfahren ist besonderes einfach und wirtschaftlich. Kostspielige Geräte bzw. aufwendige Fabrikationsschritte werden weitestgehend vermieden.- The process is particularly simple and economical. Costly devices or elaborate manufacturing steps are largely avoided.
- - Die Höhe der Sensorstruktur wird durch die Dicke des verwendeten Fotolacks bestimmt und kann bis zu etwa 30 µm mit einem Aspektverhältnis von etwa 6 reichen (im Vergleich hierzu weisen die aus Polysilizium heraus strukturierten Beschleunigungssensoren eine Strukturhöhe von nur 2 µm auf). Hohe Strukturen vergrößern die Nennkapazität und verbessern gleichzeitig die Steifigheit der Sensorstruktur. Dies führt zu einer kleineren Querempfindlichkeit. - The height of the sensor structure is determined by the thickness of the photoresist used determined and can range up to about 30 µm with an aspect ratio of about 6 (in The acceleration sensors structured out of polysilicon show a comparison a structure height of only 2 µm). High structures increase the nominal capacity and simultaneously improve the rigidity of the sensor structure. This leads to a smaller one Cross sensitivity.
- - Der Beschleunigungssensor ist nur aus zwei Schichten aufgebaut, es besteht die große Auswahlmöglichkeit des ersten Schichtmaterials, das gegenüber dem Sensormaterial selektiv abgetragen wird.- The acceleration sensor is made up of only two layers; Large selection of the first layer material compared to the sensor material is selectively removed.
- - Der Beschleunigungssensor selbst besteht aus galvanisch abgeschiedenem Nickel, das ein direktes Bonden mit Metalldraht (Au, AlSi1) nach außen zuläßt. Es ist keine zusätzliche Metallisierung notwendig.- The acceleration sensor itself is made of electrodeposited nickel, that allows direct bonding with metal wire (Au, AlSi1) to the outside. It is not additional metallization necessary.
- - Der Beschleunigungssensor ist mit der Auswerteschaltung in einem sogenannten Additiv-Verfahren einfach integrierbar. Die Auswerteschaltung kann in einem beliebigen Prozeß zunächst dargestellt werden (CMOS-, Bipolar- oder Mischprozeß), der Sensorprozeß setzt additiv ohne Eingriff auf den fertigen IC-Prozeß an.- The acceleration sensor is in a so-called with the evaluation circuit Additive process easy to integrate. The evaluation circuit can be in any Process are first shown (CMOS, bipolar or mixed process), the sensor process starts additively without any intervention on the finished IC process.
- - Dieses Verfahren kann auch zur kostengünstigen Realisierung weiterer mikromechanischer Elemente mit freistehendem Teil eingesetzt werden. Fig. 6 zeigt beispielsweise eine an zwei Inseln aufgehängte Brücke (Fig. 6.1) und eine freistehende Zunge (Fig. 6.2). Das sind die wichtigsten Strukturen in Mikrosensorik & Mikroaktorik. Wenn z. B., die Funktionsschicht 20 aus zwei verschiedenen Metallen besteht, werden sie als Bimetall- Aktoren funktionieren.- This method can also be used for the cost-effective realization of further micromechanical elements with a free-standing part. Fig. 6 shows, for example, a bridge suspended on two islands ( Fig. 6.1) and a free-standing tongue ( Fig. 6.2). These are the most important structures in microsensorics & microactuators. If e.g. B. the functional layer 20 consists of two different metals, they will function as bimetallic actuators.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:An embodiment of the invention is shown in the drawing and will explained in more detail below. Show it:
Fig. 1 einen schematischen Aufbau (Topview) eines erfindungsgemäßen kapazitiven Beschleunigungssensors, Fig. 1 shows a schematic structure (topview) of a capacitive acceleration sensor according to the invention,
Fig. 2 einen Querschnitt des Beschleunigungssensors durch A-A', Fig. 2 shows a cross-section of the acceleration sensor through A-A ',
Fig. 3 eine Veranschaulichung des Verfahrensablaufes zur Herstellung des Beschleunigungssensors, Fig. 3 is an illustration of the process sequence for the preparation of the acceleration sensor,
Fig. 4 eine Anordnung zum elektrochemischen Ätzen der Titanschicht, Fig. 4 shows an arrangement for the electrochemical etching of the titanium layer,
Fig. 5 einen Ätzstromverlauf bei dem Titanätzen, Fig. 5 is a Ätzstromverlauf wherein Titanätzen,
Fig. 6 weitere Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. 6 further applications of the method according to the invention.
Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau des Beschleunigungssensors auf einem Träger 1. Der Beschleunigungssensor besteht im wesentlichen aus zwei mit dem Substrat fest verbundenen fingerförmigen Elektroden (2 und 3) und einer seismischen Presse 4, die an jedem Ende jeweils über eine gefaltete Biegefeder 5 auf einer Lagerinseln 6, parallel zur Oberfläche des Trägers auslenkbar, aufgehängt ist. Die gefaltete Biegefeder 5 läßt eine stärkere Auslenkung der Prüfmasse 4 als eine einfache gerade Aufhängung infolge ihrer kleineren Federkonstante zu, die nur halb so groß ist, wie die einer einfachen Aufhängung. Die Löcher in der Prüfmasse 4 sind für den Ätzprozeß vorgesehen, sie sollen das Eindringen der Ätzlösung nach unten begünstigen. Dies ermöglicht ein schnelles und vollständiges Wegätzen der darunterliegenden Metallschicht 7. Die Lagerinseln 6 sind über die erste Metallschicht 7 mit dem Träger 1 fest verbunden. Die Spalte zwischen der seismischen Prüfmasse 4 und dem Träger 1 wird durch die Dicke der ersten Metallschicht 7 bestimmt. Die zusätzlichen Blöcke 8 an den Lagerinseln 6 sind zum Schutz vor zu großer Auslenkung der Prüfmasse 4 vorgesehen. Der laterale Abstand zwischen den Blöcken 8 und der Prüfmasse 4 bestimmt die maximale Auslenkung der Prüfmasse 4 und somit den Arbeitsbereich des Beschleunigungssensors. Die fingerförmigen Elektroden 2 und 3 sind jeweils an einem länglichen Haltebalken aufgehängt. Die Haltebalken sind über die erste Metallschicht 7 mit dem Träger 1 fest verbunden. Unter der auslenkbaren Prüfmasse 4 und den Biegefedern 5 ist die erste Metallschicht 7 mittels eines elektrochemischen Ätzverfahrens entfernt. In der Fig. 2 ist ein Querschnitt durch den Sensor nach der Fig. 1 entlang A-A' dargestellt. Wie zu erkennen ist, ist die seismische Prüfmasse 4 über der ersten Metallschicht 7 an den Stellen der Lagerinseln 6 an dem Träger 1 aufgehängt. Der Abstand zwischen der Prüfmasse 4 und dem Träger 1 ist entsprechend der Dicke der ersten Metallschicht 7. Fig. 1 shows the schematic structure of the acceleration sensor on a substrate 1. The acceleration sensor essentially consists of two finger-shaped electrodes ( 2 and 3 ) firmly connected to the substrate and a seismic press 4 , which is suspended at each end via a folded spiral spring 5 on a bearing island 6 , deflectable parallel to the surface of the carrier. The folded spiral spring 5 allows a greater deflection of the test mass 4 than a simple straight suspension due to its smaller spring constant, which is only half as large as that of a simple suspension. The holes in the test compound 4 are provided for the etching process, they are intended to promote the penetration of the etching solution downwards. This enables the underlying metal layer 7 to be etched away quickly and completely. The bearing islands 6 are firmly connected to the carrier 1 via the first metal layer 7 . The gap between the seismic test mass 4 and the carrier 1 is determined by the thickness of the first metal layer 7 . The additional blocks 8 on the bearing islands 6 are provided to protect against excessive deflection of the test mass 4 . The lateral distance between the blocks 8 and the test mass 4 determines the maximum deflection of the test mass 4 and thus the working range of the acceleration sensor. The finger-shaped electrodes 2 and 3 are each suspended on an elongated support bar. The holding beams are firmly connected to the carrier 1 via the first metal layer 7 . Under the deflectable test mass 4 and the bending springs 5 , the first metal layer 7 is removed by means of an electrochemical etching process. FIG. 2 shows a cross section through the sensor according to FIG. 1 along AA '. As can be seen, the seismic test mass 4 is suspended on the carrier 1 above the first metal layer 7 at the locations of the bearing islands 6 . The distance between the test mass 4 and the carrier 1 corresponds to the thickness of the first metal layer 7 .
Aus der Prüfmasse 4 ragen rechts und links Fingerstrukturen heraus. Die Fingerplatten der feststehenden Elektrode 2 sind jeweils auf der rechten Seite der Fingerplatten der auslenkbaren Prüfmasse 4 angeordnet. Die Fingerplatten der feststehenden Elektrode 3 sind jeweils auf der linken Seite der Fingerplatten der Prüfmasse 4 angeordnet. Demzufolge entsteht zwischen der beweglichen Prüfmasse 4 und den zwei starren Elektroden 2 und 3 eine Differenzkondensatoranordnung. Die Prüfmasse 4 dient dabei als Mittelelektrode der Differenzkondensatoranordnung. Die auf den Sensor wirkende Beschleunigung erzeugt mit der seismischen Prüfmasse 4 eine Trägheitskraft, die eine Verbiegung der Biegefedern 5 und somit eine Auslenkung der Prüfmasse 4 bewirkt. Die Abstände zwischen den Kondensatoren ändern sich infolge einer Lageänderung der Prüfmasse 4, demzufolge erhöht sich die Kapazität des einen Kondensators und die Kapazität des anderen Kondensators nimmt ab. Durch die Differenzkondensatoranordnung kann die Beschleunigung als ein lineares elektrisches Signal gemessen werden. Finger structures protrude from the test mass 4 on the right and left. The finger plates of the fixed electrode 2 are each arranged on the right side of the finger plates of the deflectable test mass 4 . The finger plates of the fixed electrode 3 are each arranged on the left side of the finger plates of the test mass 4 . As a result, a differential capacitor arrangement is formed between the movable test mass 4 and the two rigid electrodes 2 and 3 . The test mass 4 serves as the central electrode of the differential capacitor arrangement. The acceleration acting on the sensor generates an inertial force with the seismic test mass 4 , which causes the bending springs 5 to bend and thus causes the test mass 4 to deflect. The distances between the capacitors change as a result of a change in the position of the test mass 4 , consequently the capacitance of one capacitor increases and the capacitance of the other capacitor decreases. Due to the differential capacitor arrangement, the acceleration can be measured as a linear electrical signal.
Ein oben beschriebener, mikromechanischer Beschleunigungssensor ist gemäß dem Verfahren nach Anspruch 4 mittels eines Einmasken-Prozesses einfach herstellbar. Der Verfahrensablauf ist schematisch in Fig. 3 dargestellt.A micromechanical acceleration sensor described above is easy to manufacture according to the method of claim 4 by means of a single mask process. The process sequence is shown schematically in FIG. 3.
Fig. 3.1 zeigt den Träger 1 und die erste Metallschicht 7, die mittels PVD auf der Oberfläche des Trägers 1 aufgebracht ist. Der Träger 1 besteht aus Silizium, dessen Oberfläche mit SiO2- oder Si3N4-Schicht elektrisch isoliert ist. Als Träger können auch Al2O3 oder andere keramischen Materialien verwendet werden. Die erste Metallschicht 7 besteht aus Titan, die eine Dicke von ca. 3 µm aufweist. Es können jedoch auch andere leitende Materialien als erste Schicht 7 benutzt werden, solange sie gegenüber dem Sensormaterial Nickel 10 selektiv abgetragen werden können, z. B. Al, Cu, W, Pd und WTi. Fig. 3.1 shows the carrier 1 and the first metal layer 7 is deposited on the surface of the support 1 by means of PVD. The carrier 1 consists of silicon, the surface of which is electrically insulated with an SiO 2 or Si 3 N 4 layer. Al 2 O 3 or other ceramic materials can also be used as supports. The first metal layer 7 consists of titanium, which has a thickness of approximately 3 μm. However, other conductive materials are used as the first layer 7, as long as they can be selectively removed relative to the sensor material nickel 10, z. B. Al, Cu, W, Pd and WTi.
Auf der ersten Metallschicht 7 wird anschließend eine dicke Fotolackschicht 9 aufgeschleudert. Die Dicke der Lackschicht hängt dabei von der Schleuderdrehzahl und der Viskosität des Fotolacks ab. Der für diesen Prozeß besonders geeignete Fotolack ist AZ 4562. Bei einer einfachen Beschichtung kann die Dicke des Fotolacks etwa 10 µm erreichen. Eine noch dickere Lackschicht kann nach einem Softbake der vorherigen Lackschicht und Wiederholen des Schleuderprozesses erreicht werden. Wegen der technischen Beschränkungen der UV-Lithographie ist eine Lackdicke von mehr als 30 µm nicht zu empfehlen. Nach der Trocknung wird der dicke Fotolack über eine Maske, die das Layout der Sensorstruktur enthält, belichtet. Durch anschließendes Herauslösen der belichteten Bereiche in einem Entwickler entsteht im Fotolack ein Formeinsatz für die Galvanoformung der Sensorstruktur, wie in Fig. 3.2 dargestellt. Der lithographisch strukturierte Fotolack soll möglichst senkrechte Seitenwände aufweisen. Dies wird durch kritisches Kontrollieren bzw. Optimieren der Parameter, wie sie in Tabelle 1 zusammengefaßt sind, erzielt.A thick photoresist layer 9 is then spun onto the first metal layer 7 . The thickness of the lacquer layer depends on the spin speed and the viscosity of the photoresist. The photoresist that is particularly suitable for this process is AZ 4562 . With a simple coating, the thickness of the photoresist can reach about 10 µm. An even thicker layer of lacquer can be achieved after softbaking the previous layer of lacquer and repeating the spinning process. Due to the technical limitations of UV lithography, a coating thickness of more than 30 µm is not recommended. After drying, the thick photoresist is exposed through a mask that contains the layout of the sensor structure. Subsequent removal of the exposed areas in a developer creates a mold insert in the photoresist for the electroforming of the sensor structure, as shown in FIG. 3.2. The lithographically structured photoresist should have side walls that are as vertical as possible. This is achieved by critically checking or optimizing the parameters, as summarized in Table 1.
Fig. 3.3 stellt den galvanischen Aufbau der Sensorstruktur dar. Nickel 10, das
eigentliche Funktionsmaterial des Beschleunigungssensors wird aus einem Nickelsulfamat-
Elektrolyten in die Freiräume des Fotolacks 9 auf der ersten Metallschicht 7, deren Oberfläche
mit 20%iger Salpetersäure vorbehandelt wurde, elektrochemisch abgeschieden. Die
Zusammensetzung des verwendeten Elektrolyts für die Galvanoformung der Sensorstruktur ist:
Fig. 3.3 shows the galvanic structure of the sensor structure. Nickel 10 , the actual functional material of the acceleration sensor is electrochemically deposited from a nickel sulfamate electrolyte into the free spaces of the photoresist 9 on the first metal layer 7 , the surface of which has been pretreated with 20% nitric acid. The composition of the electrolyte used for the electroforming of the sensor structure is:
Damit eine homogene Ni-Schicht mit einer inneren Spannung von weniger als 10 N/mm2 hergestellt werden kann, werden die Elektrolyt-Lösung durch Salpetersäure bis zu einem pH-Wert von 3,5 eingestellt und folgende Abscheidungsparameter gewählt: Temperatur 55°C, Stromdichte 1 A/dm2. Die Abscheiderate beträgt dabei etwa 0,2 µm/min.So that a homogeneous Ni layer with an internal tension of less than 10 N / mm 2 can be produced, the electrolyte solution is adjusted to a pH of 3.5 using nitric acid and the following deposition parameters are selected: temperature 55 ° C, Current density 1 A / dm 2 . The deposition rate is about 0.2 µm / min.
An die Abscheidung der Sensorstrukturen schließt sich das Strippen des Fotolacks 9 an. Dies geschieht durch Ablösen mit Azeton oder, wenn das Hardbake bei Temperaturen oberhalb von 120°C erfolgte, in einem Gemisch aus H2SO4 und H2O2 bzw. durch Veraschen in einem Sauerstoffplasma. Nach Entfernung des Fotolacks wird die Titanschicht 7 in einem zeit kontrollierenden elektrochemischen Ätzprozeß weggeätzt. Nach dem Ätzprozeß wird die Prüfmasse 4 bzw. die Biegefeder 5 lateral frei beweglich, während die Lagerinseln 6 und die Haltebalken für Elektroden 2 und 3 über die ersten Metallschicht 7 fest mit dem Substrat 1 verankert bleiben, wie in Fig. 3.4 dargestellt.The stripping of the photoresist 9 follows the deposition of the sensor structures. This is done by detaching with acetone or, if the hardbake was carried out at temperatures above 120 ° C., in a mixture of H 2 SO 4 and H 2 O 2 or by ashing in an oxygen plasma. After removal of the photoresist, the titanium layer 7 is etched away in a time-controlling electrochemical etching process. After the etching process, the test mass 4 or the spiral spring 5 is laterally freely movable, while the bearing pads 6 and the holding bars for electrodes 2 and 3 remain firmly anchored to the substrate 1 via the first metal layer 7 , as shown in FIG. 3.4.
Titan kann zwar in einer flußsäurehaltigen Lösung gegenüber dem Sensormaterial Nickel 10 selektiv geätzt werden, jedoch ist der Ätzvorgang nur schwer über die Zeit zu kontrollieren. Um ein zeit-kontrolliertes Ätzen der Titanschicht zu gewährleisten, wird ein elektrochemisches Ätzverfahren verwendet. Den entsprechenden technischen Aufbau der Ätzanlage zeigt Fig. 4. In einem Gefäß 11 befindet sich die Grundätzlösung 12, die aus Ammoniumfluorid (NH4F) besteht. Die Gegenelektrode 13 besteht aus Platin und ist ebenfalls in die Grundätzlösung 12 eingetaucht. Ein Elektrolyt aus gesättigtem Ammoniumsulfat (NH4)2SO4 bildet die Verbindungsbrücke 14, mit der das Potential der Bezugselektrode 15 an die Grundätzlösung angelegt wird. Die Bezugselektrode 15 besteht aus einer in KCl-Lösung 16 getauchten SEC Elektrode 17. Die Ätzprobe 18 wird an (+), die Gegenelektrode 13 an (-) des Potentiostaten 19 angeschaltet. Das Ätzpotential, das bei -810 mV liegt, wird an SCE- Elektrode 17 angeschaltet, das wiederum durch die Verbindungsbrücke 14 in der Ätzlösung 12 eingeleitet wird. Bei diesem Ätzverfahren kann der Abtragungsvorgang des Titans durch einen am Potentiostaten 19 angezeigten Ätzstrom beobachtet werden. Der Ätzvorgang sollte sofort abgebrochen werden, sobald die Titanschicht, die unter den beweglichen Teilen des Beschleunigungssensors liegen, vollständig weggeätzt ist. Das vollständige Wegätzen der unter den beweglichen Teilen liegenden Titanschicht wird durch eine sprunghafte Verringerung des Ätzstroms im Potentiostaten 19 signalisiert. Fig. 5 zeigt den Ätzstromablauf während des Ätzprozesses. Die Amplitude des Stroms ist von der Probegröße abhängig. Zunächst wird die Titanschicht, die nicht von der Sensorstruktur abgedeckt ist, geätzt. Bis zu T1 wird dieser Bereich vollständig bis zum Träger 1 entfernt. Die Beschleunigungssensoren im Träger 1 sind nun voneinander elektrisch isoliert. Der Strom am T1 verringert sich deutlich wegen der verkleinerten Ätzfläche. Ab T1 findet die Überätzung der Titanschicht, die unter dem Sensorstruktur liegt, statt. Bei T2 wird der Ätzstrom wieder deutlich verringert, womit signalisiert wird, daß die unter der Fingerstruktur bzw. Prüfmasse liegende Titanschicht vollständig weggeätzt ist. Von T2 bis T3 findet die Überätzung von Resten der Titanschicht, die nur unter den Lageinseln bzw. den Haltbalken liegt, statt. Bei T3 ist die gesamte Titanschicht weggeätzt. Bei der Herstellung soll der Ätzvorgang bei T2 unterbrochen werden. Dabei ist die Überätzung von Lageinseln bzw. Haltbalken minimal: sie beträgt nur etwa die Hälfte der Breite der Fingerstruktur.Although titanium can be selectively etched in a solution containing hydrofluoric acid compared to the nickel 10 sensor material, the etching process is difficult to control over time. In order to ensure a time-controlled etching of the titanium layer, an electrochemical etching process is used. The corresponding technical structure of the etching system is shown in FIG. 4. The basic etching solution 12 , which consists of ammonium fluoride (NH 4 F), is located in a vessel 11 . The counter electrode 13 consists of platinum and is also immersed in the basic etching solution 12 . An electrolyte made of saturated ammonium sulfate (NH 4 ) 2 SO 4 forms the connecting bridge 14 with which the potential of the reference electrode 15 is applied to the basic etching solution. The reference electrode 15 consists of a SEC electrode 17 immersed in KCl solution 16 . The etching sample 18 is connected to (+), the counter electrode 13 to (-) the potentiostat 19 . The etching potential, which is -810 mV, is switched on at SCE electrode 17 , which in turn is introduced through the connecting bridge 14 in the etching solution 12 . In this etching process, the removal process of the titanium can be observed by means of an etching current displayed on the potentiostat 19 . The etching process should be stopped immediately as soon as the titanium layer, which is located under the moving parts of the acceleration sensor, is completely etched away. The complete etching away of the titanium layer lying under the moving parts is signaled by a sudden reduction in the etching current in the potentiostat 19 . Fig. 5 shows the Ätzstromablauf during the etching process. The amplitude of the current depends on the sample size. First, the titanium layer, which is not covered by the sensor structure, is etched. Up to T1, this area is removed completely from the carrier. 1 The acceleration sensors in the carrier 1 are now electrically isolated from one another. The current at T1 decreases significantly due to the reduced etching area. From T1, the titanium layer, which lies under the sensor structure, is overetched. At T2, the etching current is again significantly reduced, which signals that the titanium layer under the finger structure or test compound has been completely etched away. From T2 to T3, residues of the titanium layer, which is only under the lag islands or the support beams, are overetched. At T3, the entire titanium layer is etched away. The etching process at T2 should be interrupted during manufacture. The overetching of layer islands or stop bars is minimal: it is only about half the width of the finger structure.
Claims (9)
- a) auf der Oberfläche des Trägers (1) eine erste Metallschicht (7) abgeschieden wird,
- b) auf der ersten Metallschicht (7) eine Fotolackschicht (9) aufgeschleudert wird,
- c) nach der Trocknung der Fotolackschicht (9) über eine Maske, die das Layout des Beschleunigungssensors enthält, die Fotolackschicht (9) belichtet wird,
- d) anschließend die belichteten Bereiche herausgelöst werden und in der Fotolackschicht (9) so ein Formeinsatz für die anschließende Galvanoformung entsteht,
- e) das eigentliche Funktionsmaterial (10) des Beschleunigungssensors in den Formeinsatz galvanisch auf der ersten Metallschicht (7) abgeschieden wird,
- f) die verbliebene Fotolackschicht (9) entfernt wird, und
- g) die erste Metallschicht (7) zum überwiegenden Anteil weggeätzt wird, wobei unterhalb der Lagerinseln (6) und unterhalb des Haltebalkens der Elektroden (2, 3) die erste Metallschicht (7) zum festen Verbund dieser Teile mit dem Träger (1) verbleibt.
- a) a first metal layer ( 7 ) is deposited on the surface of the carrier ( 1 ),
- b) a photoresist layer ( 9 ) is spun onto the first metal layer ( 7 ),
- c) after the photoresist layer ( 9 ) has been dried, the photoresist layer ( 9 ) is exposed via a mask which contains the layout of the acceleration sensor,
- d) the exposed areas are then removed and a mold insert for the subsequent electroforming is formed in the photoresist layer ( 9 ),
- e) the actual functional material ( 10 ) of the acceleration sensor is electrodeposited into the mold insert on the first metal layer ( 7 ),
- f) the remaining photoresist layer ( 9 ) is removed, and
- g) the first metal layer (7) is etched away for the most part, wherein below the bearing islands (6) and below the holding bar of the electrodes (2, 3), the first metal layer (7) remains an integral composite of these parts with the support (1) .
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