Hochporöses Silizium zerfällt wie Badeschaum
Das Instrumentarium der Mikrosystemtechnik wird von Bosch-Forschern immer weiter verfeinert und ergänzt. Dazu gehören neue Methoden, die Siliziumwafer zu strukturieren, aber auch Techniken, um die Sensoren bereits während der Fertigung auf korrekte Funktion zu überprüfen.
Eine ganze Reihe von Sensoren erfasst Daten für eine effiziente Betriebssteuerung des Motors – dazu gehört auch ein Drucksensor, der im Saugrohr den Ansaugdruck misst. Ändert sich der Luftdruck, so wird seine hauchdünne Membran gegen ein Referenzvakuum ausgelenkt.
Beim Herstellen solcher Drucksensoren müssen bislang Vorder- und Rückseite des Siliziumwafers strukturiert werden. Von der Rückseite her wird das Silizium auf einer Fläche von etwa 1 mm2 weggeätzt, bis zur Vorderseite nur noch wenige Mikrometer (millionstel Meter) verbleiben. Übrig bleibt die Membran. Eine Verkapselung bedeckt eine Seite der Membran und dichtet das Referenzvakuum nach außen ab. In die Membranvorderseite werden piezoresistive Widerstände durch Dotierung eingebracht. Mit dem Verbiegen der Membran ändert sich deren innere mechanische Spannung, was über die Widerstände gemessen werden kann. Das Verfahren ist etabliert; die Drucksensoren werden heute von Bosch millionenfach hergestellt.
Bosch-Forscher haben nun eine verbesserte, das heißt, einfachere Methode entwickelt, mit der das Referenzvakuum direkt im Silizium realisiert werden kann. Dazu wird die Oberfläche der Siliziumscheibe mit Hilfe von Flusssäure und einer angelegten Spannung derart behandelt, dass eine hochporöse, so genannte nanoporöse Siliziumschicht entsteht. Anschließend wird eine monokristalline Siliziumschicht – die spätere Membran – darüber abgeschieden. Durch Erhitzen auf rund 1000 Grad Celsius zerfällt das nanoporöse Silizium wie Badeschaum. Zurück bleibt eine durchgehende Kaverne mit einem Referenzdruck von weniger als einem Millibar.
Für ein robustes Sensordesign optimieren die Bosch-Forscher das Gesamtsystem mit Hilfe von Entwurfs- und Simulationsprogrammen. Betrachtet werden alle zugänglichen Geometrie-, Material- und Prozessgrößen – wie z.B. Membran- und Widerstandsgeometrien, Dotierungen oder Abscheideparameter. Zusätzlich werden die aus der Fertigung bekannten Prozesstoleranzen berücksichtigt, so dass ein Sensorentwurf entsteht, der die geforderten Funktionsspezifikationen mit möglichst guter Fertigungsausbeute erfüllt.
Aus den Simulationsergebnissen leiten die Forscher kritische Parameter ab. Diese müssen im Fertigungsprozess geprüft werden, um sicherzustellen, dass die Bauteile die Spezifikationen einhalten. Am effizientesten geschieht diese Prüfung direkt auf dem Wafer: In diesem Fertigungsstadium können Drucksensoren jedoch nicht mit einem Testdruck, Beschleunigungssensoren nicht mit einer Testbeschleunigung geprüft werden. Vielmehr gilt es, die Sensoren über elektrisch zugängliche Messgrößen zu Hunderten in einem Prüfschritt in kürzester Zeit auf Funktionsfähigkeit zu testen.
Simulationen mit Drehratensensoren der nächsten ESP-Generation haben gezeigt, dass die Kantensteilheit von bestimmten mikromechanischen Strukturelementen auf Bruchteile eines Grads genau eingehalten werden muss. Ein spezieller Trockenätzprozess – in der Branche als „Bosch-Prozess“ bekannt – ermöglicht genau diese filigrane Arbeit. Durch eine Abfolge von Ätz- und Passivierungsphasen im Prozess können in Siliziumoberflächen wenige Mikrometer breite, aber bis zu einigen Hundert Mikrometer tiefe Gräben eingebracht werden. Damit können Feder-Masse-Systeme für Beschleunigungs- und Drehratensensoren erzeugt werden, die mit hoher Präzision arbeiten.
Beim Herstellen solcher Drucksensoren müssen bislang Vorder- und Rückseite des Siliziumwafers strukturiert werden. Von der Rückseite her wird das Silizium auf einer Fläche von etwa 1 mm2 weggeätzt, bis zur Vorderseite nur noch wenige Mikrometer (millionstel Meter) verbleiben. Übrig bleibt die Membran. Eine Verkapselung bedeckt eine Seite der Membran und dichtet das Referenzvakuum nach außen ab. In die Membranvorderseite werden piezoresistive Widerstände durch Dotierung eingebracht. Mit dem Verbiegen der Membran ändert sich deren innere mechanische Spannung, was über die Widerstände gemessen werden kann. Das Verfahren ist etabliert; die Drucksensoren werden heute von Bosch millionenfach hergestellt.
Bosch-Forscher haben nun eine verbesserte, das heißt, einfachere Methode entwickelt, mit der das Referenzvakuum direkt im Silizium realisiert werden kann. Dazu wird die Oberfläche der Siliziumscheibe mit Hilfe von Flusssäure und einer angelegten Spannung derart behandelt, dass eine hochporöse, so genannte nanoporöse Siliziumschicht entsteht. Anschließend wird eine monokristalline Siliziumschicht – die spätere Membran – darüber abgeschieden. Durch Erhitzen auf rund 1000 Grad Celsius zerfällt das nanoporöse Silizium wie Badeschaum. Zurück bleibt eine durchgehende Kaverne mit einem Referenzdruck von weniger als einem Millibar.
Für ein robustes Sensordesign optimieren die Bosch-Forscher das Gesamtsystem mit Hilfe von Entwurfs- und Simulationsprogrammen. Betrachtet werden alle zugänglichen Geometrie-, Material- und Prozessgrößen – wie z.B. Membran- und Widerstandsgeometrien, Dotierungen oder Abscheideparameter. Zusätzlich werden die aus der Fertigung bekannten Prozesstoleranzen berücksichtigt, so dass ein Sensorentwurf entsteht, der die geforderten Funktionsspezifikationen mit möglichst guter Fertigungsausbeute erfüllt.
Aus den Simulationsergebnissen leiten die Forscher kritische Parameter ab. Diese müssen im Fertigungsprozess geprüft werden, um sicherzustellen, dass die Bauteile die Spezifikationen einhalten. Am effizientesten geschieht diese Prüfung direkt auf dem Wafer: In diesem Fertigungsstadium können Drucksensoren jedoch nicht mit einem Testdruck, Beschleunigungssensoren nicht mit einer Testbeschleunigung geprüft werden. Vielmehr gilt es, die Sensoren über elektrisch zugängliche Messgrößen zu Hunderten in einem Prüfschritt in kürzester Zeit auf Funktionsfähigkeit zu testen.
Simulationen mit Drehratensensoren der nächsten ESP-Generation haben gezeigt, dass die Kantensteilheit von bestimmten mikromechanischen Strukturelementen auf Bruchteile eines Grads genau eingehalten werden muss. Ein spezieller Trockenätzprozess – in der Branche als „Bosch-Prozess“ bekannt – ermöglicht genau diese filigrane Arbeit. Durch eine Abfolge von Ätz- und Passivierungsphasen im Prozess können in Siliziumoberflächen wenige Mikrometer breite, aber bis zu einigen Hundert Mikrometer tiefe Gräben eingebracht werden. Damit können Feder-Masse-Systeme für Beschleunigungs- und Drehratensensoren erzeugt werden, die mit hoher Präzision arbeiten.
