DD259040A1

DD259040A1 - SEMICONDUCTOR PRESSURE TRANSFORMERS WITH LINEARITY ERRORS - REDUCING LAYER CONSTRUCTION

Info

Publication number: DD259040A1
Application number: DD87301069A
Authority: DD
Inventors: Gerald Gerlach; Michael Meyer; Frank-Michael Schmidt; Wolfgang Jenschke
Original assignee: Univ Dresden Tech
Priority date: 1987-03-24
Filing date: 1987-03-24
Publication date: 1988-08-10

Abstract

Halbleiterdruckwandler mit linearitaetsfehler-reduzierendem Schichtaufbau, besonders geeignet fuer Halbleiterdruckwandler, deren druckempfindlicher Verformungskoerper eine mikromechanisch abgeduennte Biegeplatte ist. Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Veraenderung des Schichtaufbaus von Halbleiterdruckwandlern, durch die die Wandlerkennlinie zwischen dem Messdruck und dem Plattenausschlag oder den mechanischen Spannungen in der Biegeplatte linearisiert wird. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass auf die in einem grossen Halbleitersubstrat abgeduennte Halbleiterbiegeplatte teilweise oder vollstaendig eine Schicht, die einen groesseren thermischen Laengenausdehnungskoeffizienten als das Halbleitermaterial der Biegeplatte und das die Biegeplatte umgebende Material aufweist, aufgebracht ist. Das Material der Schicht ist bei einer hoeheren Temperatur als die Einsatztemperatur des Druckwandlers mit der Halbleiterbiegeplatte zu verbinden. Die Schicht weist eine Dicke auf, die das 0,05- bis 0,5fache der Biegeplattendicke des Halbleitermaterials betraegt. Fig. 1Semiconductor pressure transducer with linearitaetsfehler-reducing layer structure, particularly suitable for semiconductor pressure transducer whose pressure-sensitive deformation body is a mikromechanisch deduced bending plate. The object of the invention is the modification of the layer structure of semiconductor pressure transducers, by means of which the transducer characteristic is linearized between the measuring pressure and the plate deflection or the mechanical stresses in the bending plate. According to the invention, the object is achieved in that partially or completely a layer which has a greater thermal coefficient of thermal expansion than the semiconducting material of the bending plate and the material surrounding the bending plate is applied to the semiconductor flexural plate formed in a large semiconductor substrate. The material of the layer is to be connected to the semiconductor flexural plate at a temperature higher than the operating temperature of the pressure transducer. The layer has a thickness that is 0.05 to 0.5 times the flexure plate thickness of the semiconductor material. Fig. 1

Description

Field of application of the invention

Halbleiterdruckwandler mit linearitätsfehlerreduzierendem Schichtaufbau, besonders geeignet für Halbleiterdruckwandler, deren druckempfindlicher Verformungskörper eine mikromechanisch abgedünnte Biegeplatte ist.Semiconductor pressure transducer with linearitätsfehlerredredierendem layer structure, particularly suitable for semiconductor pressure transducer whose pressure-sensitive deformation body is a micromechanically thinned bending plate.

Characteristic of the known technical solutions

Halbleiterdruckaufnehmer bestehen üblicherweise aus einem Halbleitersubstrat, auf dem verschiedene Schichten halbleitertechnologisch aufgebracht sein können und in dem die drucksensitive Biegeplatte durch lokales Abtragen des Halbleitersubstrates mittels mikromechanischer Bearbeitungsmethoden erzeugt wurde. Die Biegeplatte wird dabei aus dem Halbleitersubstrat, vorzugsweise aus Silizium, oder aus den auf dem Halbleitersubstrat aufgebrachten Schichten gebildet. Die weiteste Verbreitung haben bisher Siliziumdruckplatten erfahren, aufdenen meistenteils Passivierungsschichten aufgebracht sind. . 'Semiconductor pressure sensors usually consist of a semiconductor substrate, on which various layers can be applied by semiconductor technology and in which the pressure-sensitive bending plate was produced by local removal of the semiconductor substrate by means of micromechanical processing methods. In this case, the bending plate is formed from the semiconductor substrate, preferably from silicon, or from the layers applied to the semiconductor substrate. The most widespread have so far experienced silicon printing plates, on which mostly passivation layers are applied. , '

Die Biegeplatten sind infolge ihrer Herstellung im Halbleitersubstrat translatorisch fest eingespannt. Durch die druckabhängige Auslenkung erfolgt in der Platte eine Verlängerung der neutralen Faser, die nichtlineare funktionale Zusammenhänge zwischen dem Druck, und der Plattenauslenkung bzw. der mechanischen Spannungen in der Platte, die mittels piezoresistiver oder kapazitiver Verfahren in ein elektrisches Signal umgeformt werden, hervorruft. Üblicherweise aufgebrachte Passivierungsschichten, besonders thermische Oxidschichten, verstärken den auftretenden Linearitätsfehler. Thermische Oxidschichten oder hochdotierte Siliziumschichten, die als Druckplatten verwendet werden und die naturgemäß unter Druckspannungen stehen (R. J. JACCODINE u.a.: Measurement of Strains at Si-SiO2-Unterface. Journal of Applied Physics 37 [1966] 6, S.2429-2434; H. RYSSEL u.a.: Ionenimplantation. Leipzig: Akademische Verlagsanstalt Geest & Portig 1978), weisen erhebliche Linearitätsfehler auf und können zur mechanischen Instabilität der Druckplatte führen. Die infolge der Membranspannungen auftretenden Linearitätsfehler begrenzen den Auslegungsbereich der Druckaufnehmer, insbesondere den Übertragungsfaktor, der für eine festgelegte Fehlerklasse des Druckwandlers realisierbar ist. Die mechanisch verursachten Linearitätsfehler werden üblicherweise entweder durch die Nichtlinearität der mechanoelektrischen Wandlung der Spannungen oder des Plattenausschlages in das elektrische Ausgangssignal teilweise kompensiert oder durch spezielle Schaltungen der meßwertverarbeitenden Primärelektronik korrigiert.The bending plates are clamped translationally as a result of their production in the semiconductor substrate. Due to the pressure-dependent deflection, an elongation of the neutral fiber, which causes non-linear functional relationships between the pressure and the plate deflection or the mechanical stresses in the plate, which are transformed into an electrical signal by means of piezoresistive or capacitive methods, takes place in the plate. Usually applied passivation layers, especially thermal oxide layers, amplify the occurring linearity error. Thermal oxide layers or highly doped silicon layers, which are used as printing plates and which are naturally under compressive stresses (RJ JACCODINE et al.: Measurement of Strains at Si-SiO2 Subface Journal of Applied Physics 37 [1966] 6, p.2429-2434; RYSSEL et al .: Ion Implantation Leipzig: Akademische Verlagsanstalt Geest & Portig 1978), have considerable linearity errors and can lead to mechanical instability of the printing plate. The linearity errors occurring as a result of the membrane stresses limit the design range of the pressure transducers, in particular the transmission factor, which can be realized for a defined error class of the pressure transducer. The mechanically induced linearity errors are usually compensated in part either by the nonlinearity of the mechano-electrical conversion of the voltages or the plate deflection into the electrical output signal or corrected by special circuits of the measured primary primary electronics.

Der Linearitätsfehler von Halbleiterdruckwandlern mit kleinem Nenndruckbereich wird dabei jedoch durch die rein mechanische Wandlung bestimmt, so daß er nur geringfügig kompensiert werden kann. Die Korrektur mittels primärelektronischer Methoden erfordert einen erhöhten technologischen oder materiellen Aufwand, auf den aus ökonomischen Gründen bei der Massenproduktion, z. B. für Billigdrucksensoren, verzichtet werden muß.However, the linearity error of semiconductor pressure transducers with a small nominal pressure range is determined by the purely mechanical conversion, so that it can be compensated only slightly. The correction by means of primary electronic methods requires an increased technological or material expense, on the economic reasons in mass production, eg. B. for low-pressure sensors, must be dispensed with.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht in der Verringerung des Linearitätsfehlers von Halbleiterdruckwandlern.The object of the invention is to reduce the linearity error of semiconductor pressure transducers.

Explanation of the essence of the invention

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Veränderung des Schichtaufbaus von Haibleiterdruckwandlern, durch die die Wandlerkennlinie zwischen dem Meßdruck und dem Plattenausschlag oder den mechanischen Spannungen in der Biegeplatte linearisiert wird.The object of the invention is to change the layer structure of semiconductor pressure transducers by which the transducer characteristic between the measuring pressure and the plate deflection or the mechanical stresses in the bending plate is linearized.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß auf die in einem großen Halbleitersubstrat abgedünnte Halbleiterbiegeplatte teilweise oder vollständig eine Schicht, die einen größeren thermischen Längenausdehnungskoeffizienten als das Halbleitermaterial der Biegeplatte und das die Biegeplatte umgebende Material aufweist, aufgebracht ist.According to the invention the object is achieved in that partially or completely applied to the thinned in a large semiconductor substrate semiconductor flexure a layer having a greater thermal expansion coefficient than the semiconductor material of the bending plate and the material surrounding the bending plate.

Das Material der Schicht ist bei einer höheren Temperatur als die Einsatztemperatur des Druckwandlers mit der Halbleiterbiegeplatte zu verbinden. Die Schicht weist eine Dicke auf, die das 0,05- bis 0,5fache der Biegeplattendicke des Halbleitermaterials beträgt.The material of the layer is to be connected to the semiconductor flexure plate at a temperature higher than the use temperature of the pressure transducer. The layer has a thickness which is 0.05 to 0.5 times the flexure plate thickness of the semiconductor material.

Eine Zweischichtbiegeplatte weist einen äquivalenten thermischen Längenausdehnungskoeffizienten vonA two-layer bending plate has an equivalent thermal expansion coefficient of

E _H h _H + a _s e _s h _s ·

E_H h_H + E₃ h_s E _H h _H + E ₃ h _s

auf, wobei α_Η und a_s die thermischen Längenausdehnungskoeffizienten, E_H und E₅ die Elastizitätsmoduln und h_H und h_s die Schichtdicken des Halbleiters (Index H) und der darauf aufgebrachten Schicht (Index S) sind (G. Gerlach u.a.: Biegetheorie des geschichteten Plattenstreifens mit inneren Dehnungsquellen; Studie MWE 2/85, TU Dresden, Sektion Informationstechnik 1985). Da auf Grund des gegenüber dem Halbleitersubstrat größeren thermischen Längehausdehnungskoeffizienten as der Schicht auch der äquivalente Längenausdehnungskoeffizient ä der geschichteten Platte größer als der des Halbleitermaterial der Platteneinspannung ist, befindet sich die Biegeplatte im gedehnten Zustand. Damit wird eine Verringerung des Linearitätsfehlers des Zusammenhanges zwischen Meßdruck und dem daraus resultierenden Plattenausschlag oder den in der Biegeplatte verursachten mechanischen Spannungen erreicht. νwhere α _Η and a _{s are} the coefficients of thermal expansion, E _H and E _{5 are} the moduli of elasticity and h _H and h _{s are} the layer thicknesses of the semiconductor (index H) and the layer applied thereto (index S) (G. Gerlach et al., Bending Theory of the layered plate strip with internal strain sources, Study MWE 2/85, TU Dresden, Section Information Technology 1985). Since, due to the larger compared to the semiconductor substrate thermal linear expansion coefficient of the layer as well as the equivalent coefficient of linear expansion a of the layered plate is greater than that of the semiconductor material of Platteneinspannung, the bending plate is in the stretched state. This achieves a reduction in the linearity error of the relationship between the measuring pressure and the resulting plate deflection or the mechanical stresses caused in the bending plate. ν

embodiment

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigenThe invention will be explained in more detail below by exemplary embodiments. In the accompanying drawings show

Fig. 1: einen erfindungsgemäß ausgeführten piezoresistiven Siliziumdruckwandler, Fig.2: einen erfindungsgemäß ausgeführten kapazitiven Siliziumdruckwandler und Fig.3: den Einfluß des äquivalenten thermischen Längenausdehnungskoeffizienten erfindungsgemäß ausgeführter Biegeplatten von HL-Druckwandlern auf den mechanisch bedingten LinearitätsfehlerF_red der Wandlerkennlinie zwischen der Meßgröße Druck und dem Plattenausschlag ξ und den mechanischen Spannungen T in der Biegeplatte.Fig. 1: a piezo-resistive silicon pressure transducer according to the invention, Fig.2: a inventively designed capacitive silicon pressure transducer and Figure 3: the influence of the equivalent coefficient of thermal expansion coefficient inventively executed bending plates of HL pressure transducers on the mechanical linearity error F _{red of} the transducer characteristic between the measured variable pressure and the plate deflection ξ and the mechanical stresses T in the bending plate.

Der piezoresistive Siliziumdruckwandler nach Fig. 1 besteht aus einem Silizium-Druckwandlerchip 1, in dem die drucksensitive Siliziumbiegeplatte 2mikromechanisch durch lokales Abdünnen, z.B. durch naßchemisches Ätzen, erzeugt wurde und der mit einem Siliziumsubstrat 3 fest verbunden ist. Sowohl die Einspannungsstelle des Druckwandlerchips 1 als auch das Substrat 3 ist durch den thermischen Längenausdehnungskoeffizienten des Siliziums gekennzeichnet. In der Biegeplatte 2 befinden sich piezoresistive Widerstandsstrukturen 4, die über Leitbahnen 5 und Kontaktflächen 6 kontaktierbar sind und mit denen die infolge des Druckes in der Biegeplatte 1 erzeugten mechanischen Spannungen ausgewertet werden können. Auf der Siliziumdruckplatte 2 ist über der Widerstandsstruktur 4 und den Leitbahnen 5 eine dünne Schicht 7 zur elektrischen Isolation aufgebracht. Darüber befindet sich eine dicke homogene Beschichtung 8 aus einem Material, das einen wesentlich größeren thermischen Längenausdehnungskoeffizienten als Silizium aufweist und das bei hohen Temperaturen auf die Siliziumbiegeplatte 2 mittels üblicher halbleitertechnologischer Verfahren fest aufgebracht wurde. Solche Materialien können beispielsweise Siliziumnitrid, Siliziumoxinitrid, Metalle oder entsprechend angepaßte Gläser sein. Damit weist die geschichtete Biegeplatte 2 einen größeren äquivalenten Ausdehnungskoeffizienten α auf als die umgebende Einspannung des Druckwandlerchips 1 und das Substrat 3. Im Arbeitstemperaturbereich, der unterhalb der Verbindungstemperatur liegt, wird in der Druckplatte 2 eine horizontale Dehnung aufgeprägt. Auf die gleiche Weise wurde der gedehnte Zustand der Biegeplatte 9 des kapazitiv arbeitenden Druckwandlers in Fig. 2 realisiert. Der Wandlerchip 10 ist mit einem Gegenkörper 12 verbunden, wobei beide wiederum vorzugsweise aus dem gleichen Halbleitermaterial, z.B. Silizium, bestehen. Die Beschichtung 11, die den äquivalenten thermischen Längenausdehnungskoeffizienten α vergrößert, dient gleichzeitig als druckabhängige Elektrode eines Kondensators, dessen Gegenelektrode 13 sich auf dem Gegenkörper 12 befindet. Dazu wird als Material für die Beschichtung 11 vorzugsweise ein metallischer Werkstoff, z. B. Chrom, Gold, Aluminium, oder eine metallische Schichtfolge verwendet, während Biegeplatte 9 und Gegenkörper 12 aus hochohmigem Halbleiterwerkstoff bestehen. Die Beschichtung 11 bedeckt die Biegeplatte 9 vollständig oder teilweise. In Fig.3 ist der qualitative Einfluß der Beschichtung 8 bzw. 11 der Biegeplatten 2 bzw. 9 auf das nichtlineare Übertragungsverhalten zwischen dem Meßdruck ρ und dem Plattenausschlag ξ bzw. der mechanischen Spannung T für konstante Temperaturdifferenz zwischen Verbindungstemperatur und Arbeitstemperatur dargestellt. Mit wachsendem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten der Beschichtung 8 bzw. 11 a_s wächst der äquivalente thermische Längenausdehnungskoeffizient der geschichteten Biegeplatten 2 bzw. 9, so daß eine Abnahme des Linearitätsfehlers F_red erfolgt.The piezoresistive silicon pressure transducer according to FIG. 1 consists of a silicon pressure transducer chip 1 in which the pressure-sensitive silicon bending plate 2 has been micromachined by local thinning, eg by wet-chemical etching, and which is fixedly connected to a silicon substrate 3. Both the clamping point of the pressure transducer chip 1 and the substrate 3 is characterized by the thermal coefficient of linear expansion of the silicon. In the bending plate 2 are piezoresistive resistance structures 4, which are contactable via interconnects 5 and contact surfaces 6 and with which the mechanical stresses generated as a result of the pressure in the bending plate 1 can be evaluated. On the silicon pressure plate 2, a thin layer 7 is applied over the resistor structure 4 and the interconnects 5 for electrical insulation. In addition, there is a thick homogeneous coating 8 made of a material which has a much larger thermal expansion coefficient than silicon and which was firmly applied at high temperatures to the silicon bending plate 2 by means of conventional semiconductor technology. Such materials may be, for example, silicon nitride, silicon oxynitride, metals or appropriately matched glasses. Thus, the layered bending plate 2 has a larger equivalent expansion coefficient α than the surrounding clamping of the pressure transducer chip 1 and the substrate 3. In the working temperature range, which is below the connection temperature, a horizontal strain is applied in the pressure plate 2. In the same way, the stretched state of the bending plate 9 of the capacitive pressure transducer in Fig. 2 has been realized. The converter chip 10 is connected to a counter body 12, wherein both in turn are preferably made of the same semiconductor material, for example silicon. The coating 11, which increases the equivalent coefficient of thermal expansion α, simultaneously serves as a pressure-dependent electrode of a capacitor whose counter-electrode 13 is located on the counter-body 12. For this purpose, as the material for the coating 11 is preferably a metallic material, for. As chrome, gold, aluminum, or a metallic layer sequence used, while bending plate 9 and counter body 12 are made of high-resistance semiconductor material. The coating 11 completely or partially covers the bending plate 9. In Figure 3, the qualitative influence of the coating 8 and 11 of the bending plates 2 and 9 is shown on the non-linear transmission behavior between the measured pressure ρ and the plate deflection ξ or the mechanical stress T for constant temperature difference between the connection temperature and working temperature. With increasing coefficient of thermal expansion of the coating 8 or 11 a _s , the equivalent coefficient of thermal expansion of the layered bending plates 2 and 9 increases, so that a decrease in the linearity error F _red takes place.

Claims

Semiconductor pressure transducer with linearity-reducing layer structure, with a thinned in a semiconductor substrate, firmly clamped pressure-sensitive bending plate of the same semiconductor material, characterized in that on the semiconductor flexural plate partially or completely a layer having a greater thermal expansion coefficient than the semiconductor material of the bending plate and the bending plate surrounding material, the material of the layer is to be bonded to the semiconductor flexure plate at a temperature higher than the use temperature of the pressure transducer and that the layer has a thickness of 0.05 to 0.5 times the flexure plate thickness of the semiconductor material is.

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