DE10036284A1

DE10036284A1 - Herstellungsverfahren für ein Sensorbauelement, insbesondere Dünnschicht-Hochdrucksensor und Sensorbauelement

Info

Publication number: DE10036284A1
Application number: DE10036284A
Authority: DE
Inventors: Joachim Glueck
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-07-26
Filing date: 2000-07-26
Publication date: 2002-02-07
Also published as: JP2002055007A; US20020050171A1; US6725724B2

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorbauelements, insbesondere eines Dünnschicht-Hochdrucksensors, sowie ein Sensorbauelement vorgeschlagen, bei dem auf einer Membran, von der Membran durch eine elektrisch isolierende Schicht getrennt, mindestens ein Meßelement, insbesondere ein Dehnmeßstreifen (30), aufgebracht wird, wobei das Meßelement auf ein elektrisch isolierendes Substrat (11) aufgebracht wird, das in einem weiteren Schritt auf der dem Meßelement abgewandten Seite an der Membran befestigt wird, so daß das elektrisch isolierende Substrat (11) die elektrisch isolierende Schicht bildet. Das elektrisch isolierende Substrat übernimmt sowohl eine Trägerfunktion beim Auftragen der Dehnmeßstreifen als auch eine Isolationsfunktion nach der Montage des Substrats auf der Membran. Dadurch erübrigt sich das Auftragen einer separaten Isolationsschicht aus Siliziumdioxid.

Description

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein Sensorbauelement und ein Sensorbauelement, insbesondere einen Dünnschicht-Hochdrucksensor, welcher ein Substrat aufweist, auf das mindestens eine mit Kontakten zu versehende Funktionsschicht aufzubringen ist. Solche Hochdrucksensoren kommen in zahlreichen Systemen im Kraftfahrzeug zum Einsatz, beispielsweise bei der Benzindirekteinspritzung. Auch im Bereich der Automatisierungstechnik werden Hochdrucksensoren eingesetzt. Die Funktion dieser Sensoren beruht auf der Umwandlung der durch den Druck hervorgerufenen mechanischen Verformung einer Membran in ein elektrisches Signal mit Hilfe eines Dünnschichtsystems. Aus der DE 100 14 984 (R.37105) sind bereits derartige Dünnschichtsysteme aufweisende Hochdrucksensoren bekannt, die zur elektrischen Isolation der Funktionsschcht vom Edelstahlsubstrat eine Siliziumoxidschicht aufweisen. Für Halbleiterprozesse bekannte Fertigungsanlagen sind jedoch nicht für die Prozessierung beispielsweise 5 Millimeter dicker und bis zu 850 Gramm schwerer Edelstahlsubstrate vorbereitet.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise das erfindungsgemäße Sensorbauelement mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat demgegenüber den Vorteil, daß eine elektrische Isolation der Meßelemente von der Membran gewährleistet wird, ohne daß separat isolierende Schichten, beispielsweise Siliziumoxidschichten, auf die Membran aufgetragen werden müssen. Dadurch kann die Prozessierung mit Standardanlagen durchgeführt werden, da als elektrisch isolierendes Substrat ein Material mit einer Dicke von weniger als einem Millimeter verwendet werden kann, das mit derzeit für Halbleiterprozesse erhältlichen Fertigungsanlagen kompatibel ist. Damit ist es nicht mehr nötig, die Produktionseinrichtungen für das Auftragen der Dünnschichten an die Verwendung von beispielsweise Edelstahlmembranen anzupassen. Darüber hinaus werden Kosten für die Produktionseinrichtungen vermieden, die für das Auftragen einer mehrere Mikrometer dicken Siliziumoxidschicht erforderlich sind. Sich selbst tragende isolierende Substrate sind zudem im Rahmen des Auftragens der Widerstands-, Kontakt- und Passivierungsschichten einfacher handhabbar.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Verfahrens beziehungsweise Dünnschicht- Bauelements möglich. Besonders vorteilhaft ist es, ein Dünnglas als elektrisch isolierendes Substrat einzusetzen, das kostengünstig eine gute elektrische Isolation gewährleistet, in sich stabil und damit gut handhabbar und darüber hinaus mittels anodischen Bondens an einer Membran befestigbar ist. Auch andere Verbindungsverfahren wie zum Beispiel Kleben sind ebenfalls möglich.

Weitere Vorteile ergeben sich durch die weiteren in den abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung genannten Merkmale.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Herstellungsverfahren und

Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt ein aus der DE 100 14 984 bekanntes Verfahren zur Herstellung von Hochdrucksensoren. Zunächst wird (Fig. 1a) ganzflächig auf die zu beschichtende Oberfläche einer Stahlmembran 10 eine Isolationsschicht 20 aufgebracht. Anschließend wird die eigentliche Funktionssschicht für Dehnmeßsstreifen ganzflächig aufgebracht; diese Dehnmeßstreifen 30 werden dann in einem weiteren Schritt mit Hilfe eines photolithographischen Strukturierungsschrittes erzeugt (Fig. 1b). Daran anschließend wird die Kontaktschicht beziehungsweise das Kontaktschichtsystem 40 aufgebracht, die beziehungsweise das zumeist ebenfalls photolithographisch strukturiert wird (Fig. 1c). Alternativ zur photolithographischen Strukturierung der Kontaktschicht 40 wird auch die Schattenmaskentechnik eingesetzt. Zur Einstellung der gewünschten elektrischen Eigenschaften schließt daran häufig ein Abgleichvorgang an, insbesondere zur Einstellung der Symmetrie einer durch mehrere herausstrukturierte piezoresistive Dehnmeßstreifen beziehungsweise Widerstandselemente gebildeten Wheatstoneschen Brücke. In einem weiteren Schritt (Fig. 1d) wird eine Passivierungsschicht 50 aufgebracht, deren Strukturierung ebenfalls entweder photolithographisch oder durch Anwendung der Schattenmaskentechnik erfolgt.

Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Vorgehen zur Herstellung eines Hochdrucksensors. Zunächst wird auf einem sich selbst tragenden Dünnglas 11, das beispielsweise eine Dicke von 20 Mikrometern aufweist, eine Wheatstonesche Brücke erzeugt. Bei dem Dünnglas handelt es sich beispielsweise um ein Material mit der Markenbezeichnung AF45 von Schott. Andere verwendbare Borosilikat-Glassorten sind zum Beispiel "Pyrex" von Corning oder "Tempax" von Schott. In bereits in der Fig. 1 erläuterten Weise werden hierzu die erforderlichen vier Dehnmeßstreifen 30 aufgebracht, die mit einem Kontaktschichtsystem 41 versehen und mit einer Passivierungsschicht 50 bedeckt werden (Fig. 2a). Im Gegensatz zum in Fig. 1 illustrierten Verfahren werden die Kontakte des Kontaktschichtsystems ausschließlich auf dem Material der Dehnmeßstreifen aufgebracht. Als Material für die Dehnmeßstreifen wird eine 500 Nanometer dicke Polysiliziumschicht oder eine 50 Nanometer dicke Nickelchrom- oder Nickelchromsilizium-Schicht aufgebracht, die über einen Photolithographieschritt und einen anschließenden Plasmaätzschritt strukturiert wird. Das Aufbringen des 500 Nanometer dicken Kontaktschichtsystems aus Nickel oder aus einer Schichtenfolge aus Nickelchrom, Palladium und anschließend Gold erfolgt mittels Sputtern oder Aufdampfen durch eine Schattenmaske hindurch. Die Abscheidung einer der Passivierungsschicht 50 aus Siliziumnitrid erfolgt in einem PECVD-Verfahren (PECVD: engl. Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition). In einem weiteren Schritt wird, beispielsweise parallel zur Herstellung der Wheatstoneschen Brücke, die Stahlmembran 10, beispielsweise eine Edelstahlmembran, auf der Seite, auf der nachfolgend die in Fig. 2a dargestellte Anordnung angeordnet werden soll, in einem chemischen Dampfabscheideverfahren (CVD-Verfahren), insbesondere in einem LPCVD-Verfahren (LPCVD = engl. Low Pressure Chemical Vapor Deposition) oder in einem PECVD-Verfahren, oder mittels eines Sputterprozesses mit einer amorphen oder polykristallinen Siliziumschicht 60 bedeckt (Fig. 2b). (Das Glassubstrat kann auch direkt durch anodisches Bonden mit dem Edelstahlsubstrat verbunden werden; die Siliziumbeschichtung entfällt dann). Der zu messende Druck im späteren Einsatz des Hochdrucksensors liegt dann auf der der Siliziumschicht 60 gegenüberliegenden Seite der Stahlmembran 10 an. Nach dem Aufbringen der Siliziumschicht wird, wie in Fig. 2c dargestellt, das Dünnglas mit seiner von der Wheatstoneschen Brücke abgewandten Fläche auf die Siliziumschicht aufgelegt und einem anodischen Bondprozess unterworfen, woraus schließlich der anodisch gebondete Sensor 70 resultiert. Der anodische Bondprozess stellt hierbei eine irreversible, chemisch feste Verbindung zwischen dem Metall, der Siliziumschicht und dem Dünnglas her. Hierzu wird das Edelstahlsubstrat auf eine Heizfläche gelegt (Temperatur: 300 bis 500 Grad Celsius) und zwischen der Heizplatte als Anode und einer Kathode, die das Glas kontaktiert, eine Gleichspannung zwischen 100 und 1000 Volt angelegt. Eine einsetzende chemische Reaktion stellt die irreversible Verbindung her.

Die beschriebene Herstellung der Wheatstone-Brücke erfolgt also nicht auf einem mit einer beispielsweise 10 Mikrometer dicken Isolationsschicht aus Siliziumoxid bedeckten . Edelstahlsubstrat, sondern zunächst auf einem 10 bis 20 Mikrometer dicken Dünnglassubstrat. Erst nachfolgend werden die Edelstahlmembran 10 und die Widerstandsbrücke mittels anodischen Bondens verbunden. Hierbei übernimmt das Dünnglas neben der. Trägerfunktion der Widerstandselemente bei deren Auftragung nachfolgend auch die elektrische Isolation dieser Elemente gegenüber dem elektrisch leitfähigen Stahlsubstrat. Die 10 Mikrometer Substratisolation aus Siliziumoxid kann daher vollständig entfallen.

Alternativ kann auch eine Struktur mit dem vorbekannten Kontaktschichtsystem 40 auf das Dünnglassubstrat aufgebracht werden. Die nachfolgende Vorgehensweise der Vorbereitung des Edelstahlsubstrats und des anodischen Bondens bleibt von der konkreten Ausgestaltung der Meßanordnung unberührt.

Alternativ kann auch, wie in der DE 100 14 984 beschrieben, eine Strukturierung der Widerstandsschicht mit einem Laserverfahren erfolgen.

Zur Erhöhung der Produktivität und zur optimalen Ausnutzung der Fertigungsanlagen kann als Dünnglas auch ein Glassubstrat mit der gleichen Form wie ein Sechs- oder Achtzoll-Siliziumwafer verwendet werden. Ein solches Glassubstrat wird ganzflächig mit bis zu zirka 200 Wheatstone-Brücken belegt. Die Verbindung der auf dem Glassubstrat aufgebrachten Widerstandsbrücken mit einer entsprechenden Zahl von Edelstahlsubstraten erfolgt vorzugsweise zur gleichen Zeit. Eine Vereinzelung findet anschließend mit Hilfe eines Lasers statt, der das Glassubstrat zerteilt.

Es ist ebenfalls möglich, das Glassubstrat vor dem anodischen Bonden mit Hilfe eines Lasers zu vereinzeln und im Anschluß daran die vereinzelten Widerstandsbrücken einzeln auf die Edelstahlsubstrate aufzubonden.

Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität des Dünnglases kann die Prozessierung auf einem geeigneten Träger (zum Beispiel auf einem Siliziumwafer) erfolgen. Dabei wird das Glassubstrat beispielsweise auf den Wafer laminiert. Das Laminieren erfolgt durch Aufpressen des mit einem Klebstoff beschichteten Dünnglases auf den Siliziumwafer. Erst wenn das Dünnglas auf das Edelstahlsubstrat gebondet werden soll, wird es dann von diesem Träger wieder entfernt, wobei durch ein Eintauchen des Glas-Wafer-Verbundes in ein Lösemittel das Lösemittel den Kleber auflöst.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Sensorbauelements, insbesondere eines Dünnschicht-Hochdrucksensors, bei dem auf einer Membran, von der Membran durch eine elektrisch isolierende Schicht getrennt, mindestens ein Meßelement, insbesondere ein Dehnmeßstreifen (30), aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement auf ein elektrisch isolierendes Substrat (11) aufgebracht wird, das in einem weiteren Schritt auf der dem Meßelement abgewandten Seite an der Membran befestigt wird, so daß das elektrisch isolierende Substrat (11) die elektrisch isolierende Schicht bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisch isolierendes Substrat (11) ein Dünnglas eingesetzt wird, das vorzugsweise eine Dicke zwischen zirka 10 und 20 Mikrometern aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Membran aus Stahl, insbesondere Edelstahl, verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Seite der Membran, auf der das elektrisch isolierende Substrat angeordnet werden soll, eine polykristalline oder amorphe Siliziumschicht abgeschieden wird, und daß das elektrisch isolierende Substrat mittels anodischen Bondens auf der Siliziumschicht befestigt wird.

5. Sensorbauelement, insbesondere Dünnschicht- Hochdrucksensor, bei dem auf einer Membran, von der Membran durch eine elektrisch isolierende Schicht getrennt, mindestens ein Meßelement, insbesondere ein Dehnmeßstreifen (30), angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement auf einem Dünnglas angeordnet ist, das auf der dem Meßelement abgewandten Seite an der Membran befestigt ist, so daß die elektrisch isolierende Schicht durch das Dünnglas gebildet ist.

6. Sensorbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Membran auf der dem Dünnglas zugewandten Seite mit einer amorphen oder polykristallinen Siliziumschicht bedeckt ist.