FASENS
Einsatz der Mikromechanik zur
Herstellung frequenzanaloger Sensoren
Statusbericht
Gebrüder STAIGER GmbH, Sankt Georgen
Februar 1990
Gesamtziel des Vorhabens ist die Erarbeitung der Technologie zur Herstellung miniaturisierter Sensoren mit frequenz-analogem Ausgangssignal auf der Basis mechanischer Resonatoren aus Quarz und Silizium. Als konkretes Entwicklungsziel des Vorhabens sollen Kraftsensoren auf Silizium-Basis mit ZnO-Dünnschichten, Kraftsensoren für den Einsatz in Wägesystemen und Drucksensoren auf der Basis von resonanten Membranen aus Silizium und Quarz entwickelt werden.
Plasma-CVD-Schichten zur Ätzmaskierung beim Siliziumätzen
Als erster Schritt wird bei Gebr. Steiger die Technologie auf der Basis von Si-Substrat untersucht. Hierzu ist eine Siliziumnitrid oder Silizium-Oxidschicht zu Ätzmaskierung notwendig. Die Schichten werden im Plasma-CVD-Verfahren hergestellt.
In der bisherigen Untersuchung hat sich gezeigt, dass ein entscheidender Parameter bei der Schichtabscheidung die Substrat-Temperatur ist. Eine zu hohe Temperatur (300 C°) führt zur Rißbildung, eine zu geringe Temperatur (100 C°) führt zu mangelnder Schicht-Haftung. Die besten Ergebnisse erhält man bei einer Abscheide-Temperatur von 150 C°. Oxidhaltige Geschichten sind wegen zu großer Ätzraten in Kalilauge (80 C° / 30 %) weniger geeignet, so dass auch die ursprüngliche Vorstellung, die inneren Schichtspannungen über das O/N-Verhältnis einzustellen fragwürdig erscheint.
Als Problem erwies sich das naßchemisches Strukturieren der Si3N4-Schichten. In den HF-haltigen Ätzlösungen trat eine starke Unterstützung um ein Vielfaches der Schichtdicke auf. Durch eine zusätzliche Chrom-Haftschicht zwischen Si3N4- und Foto-Lackschicht konnte die starke Unterätzung vermieden werden.
Neben der Untersuchung der Schichten auf die Eignung als Ätzmaskierung wurde damit begonnen, die Schichten auf Eignung als freitragende Isolierschicht zu untersuchen.
Durch Herstellung einer Si3N4-Membran mit einer Kantenlänge von 2,5 mm eine Dicke von 3 µm, sowie einer Brückenstruktur über einer V-Grube konnte die prinzipiell Tauglichkeit der Plasmanitrid-Schichten für diese Anwendung gezeigt werden. Jedoch müssen die Schichten bzw. der Prozess noch optimiert, sowie die Reproduzierbarkeit getestet werden.
Grafik: Schichtdicke versus Plasmaleistung
Grafik: Radiale Schichtverteilung
Use of micromechanics for the production of frequency-analog sensors
Status report
Gebrüder STAIGER GmbH, Sankt Georgen
February 1990
The overall objective of the project is to develop the technology for the production of miniaturized sensors with a frequency-analog output signal based on mechanical resonators made of quartz and silicon. The specific development goals of the project are to develop silicon-based force sensors with ZnO thin films, force sensors for use in weighing systems, and pressure sensors based on resonant membranes made of silicon and quartz.
Plasma CVD layers for etch masking in silicon etching
As a first step, Steiger is investigating the technology on the basis of an Si substrate. For this purpose, a silicon nitride or silicon oxide layer is required for etching masking. The layers are produced by plasma CVD.
In the previous investigation, it has been shown that a crucial parameter in the layer deposition is the substrate temperature. A temperature that is too high (300 C°) leads to cracking, while a temperature that is too low (100 C°) leads to poor layer adhesion. The best results are obtained at a deposition temperature of 150 C°. Oxide-containing layers are less suitable due to the high etching rates in potassium hydroxide solution (80 C° / 30 %), so that the original idea of adjusting the internal layer stresses via the O/N ratio also appears questionable.
The wet-chemical structuring of the Si3N4 layers proved to be a problem. In the HF-containing etching solutions, a strong support many times the layer thickness occurred. The strong undercut could be avoided by an additional chromium adhesion layer between the Si3N4 and photo-resist layer.
In addition to the investigation of the layers for suitability as etching masking, work began on investigating the layers for suitability as a self-supporting insulating layer.
By producing a Si3N4 membrane with an edge length of 2.5 mm, a thickness of 3 µm, and a bridge structure over a V-pit, the basic suitability of the plasma nitride layers for this application could be demonstrated. However, the layers and the process still need to be optimized, and the reproducibility needs to be tested.
Table: Process parameters
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