Die vorliegende Erfindung betrifft einen Tunneleffekt-Sensor, insbesondere einen Beschleunigungssensor auf Silizium.

Moderne Navigationssysteme erfordern kleine, einfach her- stellbare und zuverlässige Beschleunigungssensoren mit einer Meßgenauigkeit bis in den Bereich von 1 millionstel Erdbe¬ schleunigung. Auch bei anderen Sensoren, wie z. B. bei Mikro¬ phonen und Drucksensoren, ist es erforderlich, eine zeitlich variable Wegdifferenz bei beweglich angebrachten Teilen mit sehr hoher Genauigkeit zu bestimmen. Das ist möglich unter Ausnutzung des Tunneleffektes. Bei derartigen Sensoren, wie sie z. B. von T.W. Kenny et al. in Applied Physics Letters 58. 100 bis 102 (1991) und J. Vac. Sei. Technol. Al£ (4), 2114 bis 2118 (1992) beschrieben sind, wird der Tunneleffekt zwischen einer an einem beweglichen Balken angeordneten Spit¬ ze und dem Siliziumsubstrat für die Messung ausgenutzt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen einfach her¬ stellbaren Tunneleffekt-Sensor, dessen Tunnelspitze bei abge- schalteter Spannung vor Zerstörung geschützt ist und der in Empfindlichkeitsrichtung sowohl positive als auch negative Kräfte messen kann, insbesondere für monolithische Integra¬ tion mit elektronischen Funktionselementen, und ein zugehöri¬ ges Herstellungsverfahren anzugeben.

Diese Aufgabe wird mit dem Tunneleffekt-Sensor mit den Merk¬ malen des Anspruches 1 bzw. mit dem Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruches 9 gelöst. Weitere Ausgestaltun¬ gen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Der erfindungsgemäße Tunneleffekt-Sensor nutzt die Möglich¬ keit, mit Hilfe des Tunneleffektes kleinste Wegdifferenzen im

Bereich von einigen 10 ^~ 10 Metern zu messen. Der Sensor be¬ steht aus einer mechanisch beweglichen Struktur mit einem an Federn aufgehängten Masseteil. Diese Struktur ist schichtar¬ tig über einem Substrat angebracht und auf diesem Substrat verankert. Bei einer Beschleunigung des Substrates verschiebt sich das Masseteil aufgrund seiner Trägheit relativ zum Substrat. Mit dem Masseteil verbunden ist eine Elektrode, die einer am Substrat befestigten Elektrode so nahe gegenüber¬ steht, daß beim Anlegen einer Spannung aufgrund des Tunnelef- fektes ein Strom zwischen diesen Elektroden fließt. Beim Auf¬ treten einer Beschleunigung und damit einer Bewegung des Mas¬ seteiles kommt es zu einer Änderung des Abstandes zwischen diesen Elektroden und dadurch zu einer Änderung des zu mes¬ senden TunnelStromes. Da der Tunnelstrom schon bei kleinsten Abstandsänderungen stark variiert, können mit dieser Methode kleinste Beschleunigungen oder Kräfte detektiert werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Sensor sind die Tunnelelektroden vorzugsweise als spitze Tunnelelektrode mit gegenüberliegen- der Gegenelektrode in der Schichtebene des Masseteiles aus¬ gebildet. Der erfindungsgemäße Sensor verfügt über weitere Elektroden, von denen eine oder mehrere starr mit dem Substrat und weitere Elektroden starr mit dem Masseteil ver¬ bunden sind und so einander gegenüberliegend angeordnet sind, daß durch Anlegen einer elektrischen Spannung die Lage des

Masseteiles relativ zum Substrat verändert werden kann. Diese zusätzlichen Elektroden können z. B. als Kompensati¬ onselektroden wirken, wenn zu jedem Zeitpunkt eine so große Spannung'an die Elektroden angelegt wird, daß an das Masse- teil angreifende Trägheitskräfte ständig kompensiert werden. Die Kompensationselektroden können auch dazu dienen, das Masseteil in eine für die Messung vorgesehene Ausgangspositi¬ on zu bringen. Das Masseteil kann dann so angebracht sein, daß es in einer stromlosen Ruhelage eine Position einnimmt, in der die Tunnelelektrode und die Gegenelektrode einen so großen Abstand aufweisen, daß Erschütterungen des Sensors nicht zu einer Beschädigung dieser Elektroden führen. Erst

bei einer Messung wird durch Anlegen eines geeigneten Poten- tiales an die Kompensationselektroden das Masseteil so weit verschoben und elektrostatisch gehalten, daß der Abstand zwi¬ schen der Tunnelelektrode und der Gegenelektrode für das Auf- treten eines Tunnelstromes ausreichend gering ist.

Die Anordnung sämtlicher Elektroden in der Schichtebene des flächigen Masseteiles ermöglicht eine einfache Herstellbar¬ keit des Sensors. Insbesondere kann für die Sensorstruktur die dünne Siliziumschicht eines SOI-Substrates verwendet wer¬ den. In ein derartiges SOI-Substrat können elektronische Funktionselemente monolithisch integriert werden. Die für die Auswertung der Messung vorgesehene Schaltung und ggf. die für die Kompensation der Trägheitskräfte vorgesehene Schaltung können daher zusammen mit dem Sensor integriert werden.

Es folgt eine Beschreibung des erfindungsgemäßen Sensors an¬ hand der Figuren 1 bis 12.

Fig. 1 bis 3 zeigen verschiedene Ausführungsformen des Sen¬ sors in Aufsicht.

Fig. 4 bis 8 bzw. Fig. 9 bis 11 zeigen erfindungsgemäße Sen¬ soren im Querschnitt nach verschiedenen Schritten des Her¬ stellungsverfahrens. Fig. 12 zeigt einen mit elektronischen Funktionselementen mo¬ nolithisch integrierten Sensor im Querschnitt.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsge¬ mäßen Sensors, in Aufsicht. Der Sensor ist in einer Sensor- schicht 1 strukturiert. Das beweglich angeordnete Masseteil 4 ist an Federn 5 aufgehängt. An diesem Masseteil 4 befindet sich die Gegenelektrode 7 zu der Tunnelelektrode 6, die fest mit dem umgebenden Anteil der Sensorschicht 1 und damit fest mit dem Substrat verbunden ist. Die Tunnelelek rode 6 ist als Tunnelspitze ausgebildet. Diese Tunnelspitze kann auch an dem Masseteil 4 angebracht sein; die Gegenelektrode ist dann fest mit dem Rest der Sensorschicht 1 verbunden. Die Kompensati-

onselektroden 8, 9 sind ebenfalls eingezeichnet. Die Elektro¬ den 8 sind wieder mit dem Hauptteil der Sensorschicht 1 fest verbunden, während die Gegenelektroden 9 an dem Masseteil 4 befestigt sind. Bei diesem Ausführungsbespiel sind die mit dem Masseteil 4 verbundenen Elektroden 9 jeweils zwischen zwei fest angebrachten Elektroden 8 angeordnet, so daß durch elektrostatische Kräfte eine Verschiebung des Masseteiles 4 in Längsrichtung der Elektroden bewirkt werden kann. Der Ab¬ stand zwischen Tunnelelektrode 6 und Gegenelektrode 7 kann damit eingestellt werden. Die Sensorschicht 1 kann durch eine Schicht aus nur einem Material oder nur einer Materialzusam¬ mensetzung gebildet sein oder aus mehreren Schichten beste¬ hen. Die Sensorschicht 1 kann aus elektrisch leitfähigem Ma¬ terial bestehen. Die Sensorschicht 1 kann z. B. Silizium sein, insbesondere die einkristalline dünne Schicht eines SOI-Substrates. Im Bereich des Masseteiles 4 ist dann die Isolatorschicht entfernt, um eine freie Beweglichkeit des Masseteiles 4 zu erreichen. Dort ist in der Aufsicht das Substrat 3 zu sehen.

Fig. 2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem von der Sensorschicht das bewegliche Masseteil 4, die daran angebrachten Kompensationselektroden 9 und die Federn 5 vor¬ handen sind. Die Federn 5 sind an dem dem Masseteil 4 gegen- überliegenden Ende mittels Verankerungen 10 auf dem Substrat 3 befestigt. Die Tunnelelektrode 6 und die fest angebrachten Kompensationselektroden 8 sind ebenfalls auf dem Substrat 3 angebracht. Die Gegenelektrode 7 ist in dem Masseteil 4 aus¬ gebildet. Die Sensorschicht, aus der das Masseteil 4, die Fe- dem 5, die Kompensationselektroden 9 und ggf. die Tunnel¬ elektrode 6 gebildet sind, kann auch hier der Rest einer ein¬ kristallinen Siliziumschicht eines SOI-Substrates sein oder eine Siliziumschicht, die mit einem der nachfolgend beschrie¬ benen Verfahren hergestellt wurde. Auch hier sind sämtliche Elektroden in der Schichtebene des flächigen Masseteiles 4 angeordnet. Die Tunnelelektrode 6 kann z. B. wie eingezeich-

net in einer Aussparung des Masseteiles 4 angeordnet sein oder wie in Fig. 1.

Fig. 3 zeigt zwei alternative Ausführungsformen, bei denen die Tunnelelektrode 6 als spitz zulaufendes Ende des Masse¬ teiles 4 ausgebildet ist. Es sind wieder die Federn 5 und die Kompensationselektroden 8, 9 eingezeichnet. Die Gegenelektro¬ de 11 ist hier der Tunnelspitze gegenüber fest auf dem Substrat angebracht. Die Federn 5 können mittels Verankerun- gen 10 auf der Substratoberseite befestigt sein. Die strich¬ punktiert eingezeichnete Umrandung in Fig. 3 stellt die al¬ ternative Ausführungsform mit ganzflächiger Sensorschicht 1 dar, aus der der Sensor strukturiert wurde. Die Gegenelektro¬ de 11 befindet sich dann an oder in dem fest auf dem Substrat angebrachten Teil der Sensorschicht 1. Diese Sensorschicht 1 kann z. B. die einkristalline oberste Schicht eines SOI- Substrates sein. Die damit verbundenen Kompensationselektro¬ den 8 sind ebenfalls Teil der Sensorschicht 1 und befinden sich auf restlichen Anteilen der Isolatorschicht. In dem Be- reich, in dem das Masseteil 4 beweglich sein muß, ist die

Isolatorschicht zwischen der Siliziumschicht und dem Substrat entfernt. Die Kompensationselektroden 8, 9 können bei geeig¬ neter Anordnung dazu dienen, den Abstand zwischen der Tunnel- elektrode 6 und der Gegenelektrode 7 erst im Betrieb des Sen- sors auf den niedrigen Arbeitsabstand von wenigen Nanometern zu bringen. Im stromlosen Ruhezustand kann das Masseteil 4 dann so angeordnet sein, daß der Abstand zwischen der Tunnel- elektrode 6 und der Gegenelektrode 7 so groß ist, daß durch eventuell auftretende Beschleunigungen und damit verbundenem Anschlag der Tunnelspitze an der Gegenelektrode der Sensor nicht beschädigt wird.

Die Kompensationselektroden 8, 9 können auch so angeordnet und ausgerichtet sein, daß die elektrostatische Kraft beim Anlegen einer geeigneten Spannung an diese Elektroden auch dazu verwendet werden kann, bei einer Beschleunigung des Substrates die auftretende Trägheitskraft, die an dem Masse-

teil 4 angreift, zu kompensieren und auf diese Weise den Ab¬ stand der Tunnelelektrode von der Gegenelektrode stets kon¬ stant zu halten. Die Differenz zwischen der dazu notwendigen Spannung und der Spannung im unbeschleunigten Fall ist dann ein direktes Maß für die zu messende Beschleunigung. Da zwi¬ schen den Kompensationselektroden 8, 9 nur anziehende Kräfte wirken, ist es vorgesehen, derartige Kompensationselektroden in verschiedenen Ausrichtungen anzuordnen, so daß die Be¬ schleunigungskräfte in verschiedenen Richtungen in der Senso- rebene gemessen werden können. Die Elektroden zur Kompensa¬ tion der Beschleunigungskraft können z. B. parallel oder senkrecht zur Hauptempfindlichkeitsrichtung des Beschleuni¬ gungssensors angeordnet sein. Im Fall der beidseitigen Kraft¬ kompensation wird die bewegliche Struktur von zwei entgegen- gesetzt wirkenden elektrostatischen Kräften so gehalten, daß sich der gewünschte Abstand der Tunnelelektrode 6 von der Gegenelektrode 7 einstellt. Die mit dem Substrat fest verbun¬ dene Kompensationselektrode 8 ist entweder Teil der Sensor¬ schicht 1 oder einer auf dem Substrat abgeschiedenen zusätz- liehen Schicht.

Die Schaltungen, die die elektrischen Spannungen liefern und die Meßergebnisse auswerten, können bei dem erfindungsgemäßen Sensor monolithisch integriert sein. Besonders vorteilhaft ist die Herstellung einer solchen Integration in einem SOI- Substrat unter Verwendung von CMOS-Techniken und der Techno¬ logie der Mikromechanik. Nach der Herstellung der Transisto¬ ren und anderer für die Schaltung erforderlicher elektroni¬ scher Funktionselemente in einer einkristallinen Silizium- schicht wird in dem für den Sensor vorgesehenen Bereich diese Siliziumschicht für den Sensor strukturiert. Auf diese Weise können in einer Siliziumschicht eines SOI-Substrates sowohl die elektronischen Schaltungen als auch die mechanischen Sen¬ sorkomponenten integriert sein.

In den Figuren 4 bis 8 ist ein erfindungsgemäßer Sensor im Querschnitt nach verschiedenen Schritten des Herstellungsver-

fahrens dargestellt. Auf einem Substrat 3 wird ganzflächig eine Hilfsschicht 2 z. B. aus Siliziumoxid abgeschieden (s. Fig. 4) . An den für Verankerungen vorgesehenen Stellen werden in dieser Hilfsschicht 2 Öffnungen 12 hergestellt (s. Fig. 5) . Danach wird entsprechend Fig. 6 ganzflächig eine Schicht 13 z. B. aus Polysilizium oder aus einkristallinem Silizium abgeschieden. Diese Schicht 13 wird entsprechend dem herzu¬ stellenden Sensor strukturiert, so daß entsprechend Fig. 7 das Maεseteil 4, die Federn 5 und die Verankerungen 10 von dieser Schicht 13 übrig bleiben. Die Hilfsschicht 2 wird dann entfernt, und man erhält die Struktur der Fig. 8, die der in Fig. 2 eingezeichneten Ansicht entspricht. In den Fig. 6 bis 8 ist die dieser Ansicht entsprechende Schnittfläche der Schicht 13 jeweils durch Schraffur bezeichnet.

Einfacher gestaltet sich die Herstellung, wenn von einem SOI- Substrat ausgegangen wird. Ein solches Substrat ist im Quer¬ schnitt in Fig. 9 dargestellt. Auf dem eigentlichen Substrat 3 befindet sich eine Isolatorschicht 2, z. B. aus Oxid, und darauf eine einkristalline Siliziumschicht 1, die als Sensor¬ schicht vorgesehen ist. Dieses SOI-Substrat wird eventuell strukturiert und z. B. durch Ionenimplantation dotiert. Dann wird die Struktur des beweglichen Teils z. B. durch ein Li¬ thographieverfahren auf die obere einkristalline Silizium- schicht 1 übertragen und z. B. durch eine Trockenätzung her¬ ausgeätzt, so daß sich die in Fig. 10 eingezeichneten Öffnun¬ gen 12 in der Siliziumschicht 1 ergeben. Eventuell wird noch die Gegenelektrode aufgebracht oder Metallisierungen für die vorgesehenen Elektroden abgeschieden, was z. B. durch Bedamp- fen eventuell durch eine Schattenmaske erfolgen kann. Durch die Metallisierungen können die elektrischen Eigenschaften der Elektroden verbessert werden. Vorteilhaft ist in jedem Fall, wenn zumindest die Tunnelelektrode mit einer Metall- schicht überzogen ist. Danach wird entsprechend Fig. 11 durch die Öffnungen 12 die bewegliche Struktur durch selektives Wegätzen der unter der einkristallinen Siliziumschicht 1 befindlichen Isolatorschicht 2 z. B. durch HF-Ätzen befreit.

Der in Fig. 11 gezeigte Querschnitt entspricht der in Fig. 1 eingezeichneten Ansicht. Beim Entfernen des Oxids der Isola¬ torschicht 2 unter den mechanisch frei beweglichen Teilen kann ein zu großes Unterätzen in angrenzende Bereiche z. B. durch eine Grabenätzung durch die Isolatorschicht 2 und an¬ schließendes Auffüllen z. B. mit Polysilizium vermieden wer¬ den.

Bei der monolithischen Integration der AnsteuerSchaltungen werden die entsprechenden elektronischen Funktionselemente 16 (s. Fig. 12) zunächst mit den Verfahren der Siliziumtechnolo¬ gie in einem Bereich der einkristallinen Siliziumschicht 1 hergestellt. Falls die einkristalline Siliziumschicht 1 (z. B. des SOI-Substrates) im Anschluß an diesen Herstellungspro- zeß ganzflächig mit einer Deckschicht oder Passivierungs- schicht 15 bedeckt ist, wird darin eine Öffnung 14 im Bereich des herzustellenden Sensors hergestellt. In dieser Öffnung 14 ist die Siliziumschicht 1 freigelegt. In dem in Fig. 12 strichpunktiert eingezeichneten Ausschnitt wird dann ent- sprechend den Fig. 9 bis 11 verfahren.

Vorteile des erfindungsgemäßen Sensors sind die sehr viel hö¬ here Genauigkeit, ein extrem großer Meßbereich, sehr geringes Signalrauschen, äußerst geringe Empfindlichkeit in Richtungen quer zur Meßrichtung, die Möglichkeit des Einsatzes moderner Prozeßtechnologien, Störunanfälligkeit durch interne Signal¬ verarbeitung und mögliche Digitalisierung, kleine Abmessun¬ gen, geringes Gewicht und große Bandbreite durch geringste Massen. Ein besonderer Vorteil ist die mögliche monolithische Integration elektronischer und mechanischer Komponenten und die Anwendung von Standardprozessen der VLSI-Technologie.

11 Patentansprüche

12 Figuren