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Die
Erfindung geht aus von einem Druckssensor bzw. einem Verfahren zur
Herstellung eines Druckssensors, bei dem eine Druckdifferenz in
Abhängigkeit
von der Verformung einer Membran gemessen wird.
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Aus
der
DE 197 01 055
A1 und der
DE
199 57 556 A1 sind mikromechanische Halbleiter-Druckssensoren bekannt,
die einen Rahmen aus einem Halbleitersubstrat und eine auf dem Rahmen
angeordnete Membran aufweisen. Auf der Membran sind dabei verschiedene
piezoresistive Messwiderstände angebracht,
die bei einer Deformation der Membran bzw. der Widerstände (infolge
einer Druckdifferenz zwischen Oberseite und Unterseite der Membran)
ihren Widerstandswert ändern.
Der Rahmen und die Membran werden dabei aus einem Siliziumssubstrat durch
Maskierung und nachfolgender Ätzung
der Rückseite
ausgebildet. Vorzugsweise wird dabei eine Kaliumhydroxid-Ätze (KOH-Ätze) zur
Herstellung einer sich in Richtung auf die Unterseite der Membran verjüngenden
pyramidenstumpfförmigen
Aussparung mit trapezförmigem
Querschnitt verwendet.
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In
der
DE 41 30 044 C2 ist
ein Halbleiterdrucksensor beschrieben, der auf einer Basis aus einem
Borsilikat-Glas ein Siliziumsubstrat mit einer Membran enthält. Die
Membran wird dabei unter Verwendung einer KOH-Wasserlösung oder
dergleichen aus dem Siliziumssubstrat anisotrop geätzt, wobei eine
Vertiefung mit typischen Winkelmaßen entsteht. Die Basis weist
demgegenüber
ein zentrales Druckaufbringungsloch auf, über das die Membran mit der Außenseite
kommunizieren kann.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
Erfindung beschreibt einen mikromechanischen Druckssensor, der aus
wenigstens einem ersten Bauelement und einem zweiten an das erste Bauelemente
angrenzenden Bauelement besteht. Dabei ist vorgesehen dass das erste
Bauelement wenigstens eine Membran und eine Kaverne umfasst. Weiterhin
ist vorgesehen dass die Kaverne derart ausgestaltet ist, dass das
zu messende Medium durch die Kaverne Zugang zur Membran erhält. Darüber hinaus
ist im zweiten Bauelement eine Öffnung vorgesehen,
die das zu messende Medium zur Kaverne führt. Der Kern der Erfindung
besteht nun darin, dass wenigstens ein Teil der Kaverne eine übergangslose
Verlängerung
der Öffnung
im zweiten Bauelement darstellt.
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Erfindungsgemäß besteht
die Kaverne im ersten Bauelement aus einem Hohlraum, der sich wenigstens
in zwei Teile aufteilen lässt.
Dabei stellt eine zweite Kaverne den Zugang zur Membran und die
erste Kaverne einen Übergang
von der Öffnung im
zweiten Bauelement zur zweiten Kaverne dar. Vorteilhafterweise ist
dabei vorgesehen, dass die zweite Kaverne wenigstens einen Teil
der ersten Kaverne darstellt. Darüber hinaus besitzt in einer
besonderen Ausgestaltung der Erfindung die zweite Kaverne einen
kleineren Durchmesser als die erste Kaverne. Die hat den Vorteil,
dass eine Verjüngung
des Zugangs des zu messenden Mediums durch die Öffnung im zweiten Bauelement
auf die Membran vollständig
im ersten Bauelement stattfindet.
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Vorteilhafterweise
werden die Materialien, aus denen das erste und das zweite Bauelemente bestehen
derart gewählt,
dass sie harmonisch miteinander verbunden werden können. Dies
kann beispielsweise dadurch geschehen, dass das erste Bauelement
wenigstens teilweise aus Silizium und/oder das zweite Bauelement
wenigstens teilweise aus Glas besteht. Weiterhin wird vorteilhafterweise
die Membran und das erste Bauelement aus dem gleichen Material hergestellt.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird auf der Seite des zweiten
Bauelementes, die dem ersten Bauelement gegenüberliegt, wenigstens teilweise
eine Schicht aufgebracht, um eine Aufrauung der Oberfläche auf
dieser Seite durch den Herstellungsprozess zu verhindern. Bei dieser Schicht
kann es sich beispielsweise um eine metallhaltige Schicht, um Fotolack
oder anders geartete Schicht handeln, die dem gleichen Zweck dient.
Vorzugsweise findet die Messung des Drucks über Piezoelemente auf der Membran
statt. Dazu wird das Medium mit dem zu messenden Druck durch die Öffnung im
zweiten Bauelement geführt.
Erfindungsgemäß sind die
Dimensionen der ersten Kaverne und der Öffnung im zweiten Bauelement
so aufeinander abgestimmt, dass der Übergang von der Öffnung zu der
ersten Kaverne einen stetigen Verlauf zeigt. Dies kann beispielsweise
dadurch erreicht werden, dass die Öffnung und die erste Kaverne
im wesentlichen gleiche Durchmesser besitzen.
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In
einer besonderen Ausbildung der Erfindung umfasst der Herstellungsprozess
des Drucksensors verschiedene Schritte, die unterschiedlich kombiniert
werden können.
Während
ein Schritt die Herstellung einer Membran in einem ersten Bauelement,
beispielsweise durch einen Trenchprozess umfasst, beinhaltet ein
anderer Schritt das Verbinden des ersten Bauelements mit einem zweiten
Bauelement. Dieses zweite Bauelement weist eine Öffnung auf, durch die ein weiterer
Trenchprozess im ersten Bauelement durchgeführt werden kann. Optional kann
auch das Verbinden des ersten und des zweiten Bauelements vor der
Herstellung der Membran im ersten Bauelement erfolgen.
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Vorteilhafterweise
werden ein erster und ein zweiter Trenchprozess gleichzeitig ausgeführt. Alternativ
hierzu kann es sich dabei auch um denselben Trenchprozess handeln,
wobei die Membran und/oder die Kaverne im ersten Bauelement erst durch
einen Trenchprozess durch die Öffnung
im zweiten Bauelement erzeugt wird. Werden zwei Trenchprozesse durchgeführt, so
ist in einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen,
die Trenchtiefe, d. h. die Tiefe bis zu der Material aus dem ersten
Bauelement herausgelöst
wird, des ersten und des zweiten Trenchprozesses aufeinander abzustimmen.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung wird im ersten Bauelement vor
dem Verbinden mit dem zweiten Bauelement eine Kaverne erzeugt. Diese
Kaverne kann beispielsweise durch einen ersten Trenchprozess hergestellt
werden. Dabei werden vorteilhafterweise auf dem ersten Bauelement
Markierungen angebracht, die eine Ausrichtung des zweiten Bauelements
auf das erste Bauelement beim Verbinden erleichtern. Dies kann beispielsweise
die Ausrichtung der Öffnung
des zweiten Bauelements auf die Kaverne im ersten Bauelement ermöglichen.
Eine gängige Methode,
Markierungen anzubringen besteht dabei darin, Justagekavernen z.B.
kreuzförmig
zu gestalten.
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Vorteilhafterweise
werden zur Herstellung der Kavernen Trenchprozesse verwendet, die
ein hohes Aspektverhältnis,
d. h. Tiefen zu Breiten Verhältnis
aufweisen. Durch derartige Trenchprozesse können definierte Vertiefungen
mit steilen Seitenwänden in
einem Substrat erzeugt werden.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
wird als zweites Bauelement ein Glaswafer aus einem Glasmaterial
verwendet, welches wenigstens eine Öffnung aufweist. Zur Herstellung
der wenigstens einen Öffnung
im Glaswafer sind verschiedene Herstellungsschritte vorgesehen.
Vorteilhafterweise wird dabei die zunächst die Glasoberfläche des
Glaswafers geschliffen, poliert oder geläppt. In einem weiteren Verfahrensschritt
werden eine oder mehrere Öffnungen
in den Glaswafer gebohrt. Dies kann beispielsweise durch eine Ulltraschallbohrung,
einer Laserbohrung oder einer Sandstrahlung erfolgen. Typischerweise
werden bei derartigen Materialbehandlungen Masken eingesetzt, um
eine gewünschte
Positionierung der Öffnungen
zu erreichen. Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung ergibt
sich, wenn der so gebohrte Glaswafer einer thermischen Behandlung
(Temperung) unterzogen wird. Durch diese thermische Behandlung erhöht sich
vorteilhafterweise die Berstfestigkeit des Glaswafers. Anschließend erfolgt
ein Feinschleifen, Polieren oder Läppen der Glasoberflächen. Das
Läppen
erzeugt dabei eine rauere Oberfläche
als beispielsweise das Schleifen oder Polieren und ermöglicht so
eine bessere Haftung einer optionalen Oberflächenbeschichtung.
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In
einer Ausbildung der Erfindung wird ein erstes Bauelement, welches
vorzugsweise aus einem Halbleitermaterial besteht mit einem zweiten Bauelement
verbunden, welches Öffnungen
bzw. Bohrungen aufweist. Um den Justieraufwand zu reduzieren, der
die Ausrichtung der Öffnungen
auf schon bereits im ersten Bauelement vorhandene Kavernen zu verringen
bzw. zu vermeiden, ist in dieser speziellen Ausführungsform vorgesehen, lediglich
einen Trenchprozess nach der Verbindung der beiden Bauelement durch
die Öffnung
im zweiten Bauelement durchzuführen.
Dabei wird vorteilhafterweise eine Kaverne bzw. eine Membran erzeugt,
die für
die Erfassung eines Drucks genutzt werden kann. Durch eine derartige
Selbstjustage bei der Herstellung der Kaverne als Verlängerung
der Öffnung
kann ein Versatz der Kaverne im ersten Bauelement zu den Öffnungen
im zweiten Bauelement vermieden werden. Weiterhin entstehen beim Übergang
von dem einen Bauelement zu dem anderen Bauelement keine Stufen,
wodurch die Überdruckfestigkeit
an diesem Materialübergang
erhöht
wird.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw.
aus den abhängigen
Patentansprüchen.
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Zeichnungen
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Mit
den nachfolgenden Zeichnungen soll der schematische Aufbau des Drucksensors
bzw. das Herstellungsverfahren des Drucksensors dargestellt werden.
Dabei ist in der 1 ein
Drucksensor gemäß dem Stand
der Technik und in der 2 ein Drucksensor
mit dem nachfolgend beschriebenen Herstellungsverfahren dargestellt. 3 schließlich zeigt verschiedene Schritte,
die während
des Herstellungsverfahrens des Drucksensors durchgeführt werden.
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Ausführungsbeispiel
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Ein
in 1 dargestellter Sensoraufbau stellt
den Stand der Technik dar. Dabei ist ein Sensorchip 1 auf
einer Glaszwischenschicht bzw. ein Glassockel 2 aus natriumhaltigem
Glas anodisch gebondet. Der Glassockel 2 ist auf der Rückseite
metallisiert und auf einem Metallsockel 4 (bspw. einen TO8-Sockel)
mit Lot 3 befestigt. Der Sensorchip 1 aus dem
Stand der Technik kann dabei aus einer reinen Widerstandsbrücke mit
piezoresistiven Widerständen 6 oder
kombiniert mit einer Auswerteschaltung 7 bestehen, die
zusammen mit den Piezowiderständen 6 in
einem Halbleiterprozesse integriert werden. Die piezoresistiven
Widerstände 6 und/oder
die Auswerteschaltung 7 werden über eine entsprechende Kontaktierung 8 zu
einem Anschluss 5 weitergeführt, der eine Weiterleitung
der Messsignale zu Steuer- und Regeleinrichtungen ermöglicht.
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Die
Membran wird bei dem in 1 dargestellten
Drucksensor nach dem Stand der Technik durch anisotropes Ätzen z.
B. mit KOH oder TMAH hergestellt. Bei einer Anwendung des Drucksensors im
Bereich hoher Drücke
kann es bei dem geschilderten Sensoraufbau jedoch zu einer verkürzten Lebensdauer
kommen, da diese Bauweise lediglich für niedrige bis mittlere Druckbereiche
ausgelegt ist. Charakteristisch sind dabei beispielsweise kleine Übergangsradien
zwischen Kavernenflanke und Membran. Diese Übergangsradien sind vor allem
bei zeitgeätzten
Membranen besonders klein. Durch diese kleinen Übergangsradien ergeben sich
am Übergang
hohe mechanische Spannungen, die die Berstfestigkeit herabsetzen.
Weiterhin ergibt sich durch das anisotrope Ätzen eine typische Kaverne 9 mit
flachen Kavernenwände,
die Steigungen von 54° aufweisen.
Diese flachen Kavernenwände
bieten dem angelegten Druck eine sehr große Angriffsfläche, auf die
das unter Druck stehende Medium Kraft auf den Siliziumchip 1 auswirken
kann. Gleichzeitig wird, wie in 1 dargestellt,
bei dem Ätzprozess
mit den flachen Kavernenwänden
im Siliziumchip 1 auch die Bondfläche (Verbindungsfläche Silizium – Glas)
kleiner, wodurch die Flächenbelastung
noch erhöht
wird. Beide Punkte (große
Fläche
der Kavernenwände
und kleine Bondfläche)
führen
zu einer geringeren Berstfestigkeit. Die bei diesem Übergang
Silizium – Glas entstandene
Stufe (Bereich 13 in 1)
führt bei Druckbelastungen
zu hohen mechanische Spannungen im Glas, welches ebenfalls die Berstfestigkeit vermindert.
Zur Vermeidung von weiteren negativen Einflüssen werden für den Glassockel 2 meistens Gläser verwendet,
die einen an das Silizium angepassten Temperaturkoeffizienten zeigen.
Somit kann erreicht werden, dass eine geringere Langzeitdrift, eine
geringere Temperaturabhängigkeit
bzw. Temperaturhysterese im Sensorausgangssignal erzeugt wird.
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Üblicherweise
werden die Kavernen vor dem anodischen Bonden hergestellt (siehe
in 1 den Stand der Technik).
Die Öffnungen
im Glassockel 2, durch das das Medium mit dem zu messenden
Druck auf die Membran geleitet wird, werden dabei durch einen Justagevorgang
möglichst
gut mit dem Sensorchip 1 zur Deckung gebracht. Bei anisotrop
geätzten Membranen
sind die Kavernen bzw. Öffnungen
im Silizium grundsätzlich
sehr groß.
Werden die Membranen jedoch getrencht, so können auch kleine Kavernen bzw. Öffnungen
im Silizium hergestellt werden, die so groß wie Durchgangsöffnungen
im Glassockel sein können.
Bei der Justage der Öffnungen
im Glassockel auf die Sensorchips kommt es dabei im Rahmen der Justagetoleranzen
von einigen Mikrometern zwangsläufig
dazu, das Stufen im Übergang
Silizium – Glas
entstehen, egal wie die Membranen hergestellt werden. Solche Stufen
(Bereich 13) sind jedoch kritisch, da an der Übergangsstelle
hohe mechanische Spannungen entstehen, wenn der Sensor durch das
Anlegen des Druckes belastet wird. An der Übergangsstelle treten Tangentialkräfte auf,
die an der Innenseite der Druckzuführung maximal werden (siehe dazu 1 – Bereich 13). Da
die Bruchfestigkeit von Glas geringer ist als die von Silizium,
können
im Glas Risse entstehen, die bei einem bestimmten Druck zum Bruch
des Glases und damit des gesamten Sensors führen können. Dieser Berstdruck kann
jedoch stark vergrößert werden,
wenn diese Stufen vermieden werden.
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Eine
weitere Möglichkeit,
die Berstfestigkeit des Glases bzw. des Glaswafers mit den Öffnungen zu
erhöhen
besteht darin, den Glaswafer nach der Bohrung der Öffnungen
mit einem speziellen Temperschritt zu behandeln. Zur Herstellung
eines Glaswafers mit einem oder mehreren Öffnungen wird zunächst die
Glasoberfläche
eines Glaswafers geschliffen bzw. geläppt. Anschließend können durch
verschiedene Verfahren die Öffnungen
bzw. Durchgangslöcher
in den Glaswafer gebohrt werden. Typischerweise werden dabei Verfahren
wie das Ulltraschallbohren, das Laserschneiden bzw. -bohren oder das
Sandstrahlen eingesetzt. Um die Öffnungen
entsprechend auf dem Glaswafer zu positionieren, werden bei dem
Bohrvorgang Maskierungen beispielsweise durch eine „Schattenmaske" verwendet. Im Glasmaterial
des Glaswafers können
sich kleinere (Mikro-) oder größere (Makro-)
Risse ausgebildet haben, beispielsweise bereits bei der Herstellung
des Glaswafers oder durch die vorgenommene Bohrung. Da diese Risse
maßgeblich
die Berstfestigkeit des Glaswafers beeinflussen, ist in einem speziellen
Ausführungsbeispiel
vorgesehen, nach der Bohrung der Öffnungen (Durchgangslöcher) den
Glaswafer einer thermischen Behandlung (Temperung) auszusetzen. Wird
bei einer derartigen Temperung eine Temperatur erreicht, die in
der Nähe
der Transformationstemperatur (i.d.R. zw. 500 °C und 800 °C je nach Glassorte) des verwendeten
Glasmaterials liegt, so verschmelzen kleinere Risse derart, dass
eine rissfreie, glattere Oberfläche
entsteht. Größere Risse
bzw. Kratzer oder Kerben in der Oberfläche werden abgerundet. Insgesamt
kann mit dieser thermischen Behandlung eine größere mechanische Belastbarkeit bzw.
Berstfestigkeit des Glases erreicht werden. Abschließend erfolgt
ein Feinschleifen/Läppen
bzw. Polieren der Glasoberflächen
auf die Zieldicke des Glaswafers. Das Polieren auf der Unterseite
ist optional. Soll die Rückseite
metallisiert werden, ist eine raue Oberfläche vorzuziehen, die besser
durch Läppen
erzeugt werden kann. Durch die damit erreichte Oberflächenvergrößerung haftet
die Rückseitenmetallisierung
besser.
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Eine
weitere Möglichkeit,
den Berstdruck zu erhöhen
besteht in der Reduzierung des Durchmessers der Glasbohrung. Dies
hat jedoch ebenfalls Auswirkungen auf die Sensormembran, weswegen
eine Verkleinerung der Glasöffnung
nur bis zu gewissen Grenzen erfolgen kann. So muss ein Mindestdurchmesser
der Glasöffnung
eingehalten werden, damit die Bohrung nicht durch Partikel im zu
messenden Medium verstopft wird.
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Ein
Sensor, der für
hohe Drücke
angepasst ist, sollte allgemein folgende Eigenschaften aufweisen:
- – kleine Übergangsradien
Kavernenflanke – Membran
- – senkrechte
Kavernenwände
- – selbstjustierender Übergang
im Siliziumglas
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Diese
Eigenschaften werden erfindungsgemäß durch einen im folgenden
Ausführungsbeispiel und
in 2 dargestellten Drucksensor
erfüllt.
Die großen Übergangsradien
werden dabei durch ein anderes Membran-Herstellverfahren erreicht.
Ein mögliches
Membran-Herstellverfahren,
mit dem entsprechend große Übergangsradien
erzeugt werden können,
ist das sogenannte Trenchen (z. B. ASE-Prozess), mit dem ein hohes
Aspektverhältnis
(Verhältnis
der Tiefe zu Breite der erzeugten Kaverne) erreicht werden kann.
Durch das Trenchen werden quasi senkrechte Kavernenwände und
damit kleine Druckangriffsflächen
erzeugt, wodurch eine hohe Berstdruckfestigkeit erreicht wird. Nach
dem erfindungsgemäßen Herstellverfahren,
wie es in 3a bis d dargestellt
wird, kann die Kaverne im Silizium exakt auf die Glasöffnung ausgerichtet
und eine Stufenbildung somit vermieden werden.
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Zur
Herstellung des erfindungsgemäßen Drucksensors
werden, wie in 3a dargestellt,
Kavernen mit einem Durchmesser d (200) in einem ersten
Trenchätzschritt
in die Rückseite
eines den Sensorchip bildenden Materials 100 aus bspw.
Silizium hergestellt. Der Trenchätzschritt
erzeugt dabei bspw. mittels einer Maske aus vorzugsweise Fotolack
oder einer strukturierten Hardmaske (z.B. Siliziumoxid) eine dünne Membran
in dem Siliziummaterial 100. Optional können vor dem ersten Trenchätzschritt
auf der Siliziumvorderseite durch geeignete Herstellungsprozesse
Piezowiderstände 6 und/oder
Teile der Halbleiterschaltung 7 zur Auswertung der Sensorsignale
aufgebracht werden.
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Da
beim vorliegenden Herstellungsverfahren zu einem späteren Zeitpunkt
ein zweiter Trenchätzschritt
erfolgt, muss die Trenchtiefe des zweiten Trenchätzschritts vorgehalten werden,
um später
die gewünschte
Membrandicke zu erhalten.
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Wie
in 3b dargestellt ist,
erfolgt im nächsten
Schritt das anodische Bonden einer mit Löchern ausgestatteten Glassplatte 110 auf
den vorgetrenchten Silizium-Wafer 100, wobei die Löcher in
der Glasplatte 110 auf Justagemarken im Silizium 100 justiert
werden und einen Durchmesser von D (250) aufweisen. Die
Justagemarken im Silizium 100 können dabei beim ersten Trenchätzschritt
zusammen mit den Kavernen eingebracht werden. Besonders ist dabei
zu bemerken, dass die Löcher
der Glassplatte 110 einen größeren Durchmesser (D>d) als die Öffnungen
der im ersten Trenchätzschritt
erzeugten Kavernen aufweisen, um im zweiten Trenchätzschritt eine
Stufenbildung zwischen der Glasplatte 110 und dem Silizium-Wafer 100 zu
verhindern.
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Optional
kann die gelochte Glasplatte 110 vor oder nach dem anodischen
Bonden auf der Rückseite
(der Silizium abgewandte Seite) metallisiert werden (Schicht 120 in
den 3b bis 3d). Das hat beim Trenchen
den Vorteil, dass die Glasoberfläche nicht
angeätzt
und damit nicht rau werden kann. Falls der Sensorchip in ein Gehäuse gelötet wird,
muss ohnehin metallisiert werden, vorzugsweise mit CrNiVAg oder
CrNiVAu (statt Chrom kann auch Titan verwendet werden). Die Metallisierung
bedeutet dabei keinen zusätzlich
erforderlichen Herstellungsschritt, sondern stellt lediglich eine
Vorverlegung eines notwendigen Prozessschritts dar. Um eine Kontamination
der Trenchanlage mit z. B. Gold und Silber (oberste Schicht) zu
vermeiden, kann die Metallisierung vor oder nach dem anodischen
Bonden nur teilweise erfolgen, zum Beispiel kann mit Chrom metallisiert
werden und erst nach dem zweiten Trenchätzschritt die restliche Metallisierung
mit z. B. NiVAu aufgebracht werden. Alternativ kann die Glasrückseite
auch z.B. mit Fotolack zum Schutz von Anätzungen beschichtet werden.
Nach dem Trenchen muss der Lack jedoch wieder entfernt werden.
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Zur
Erzeugung eines glatten Übergangs Glasbohrung – Trenchöffnung wird
ein zweiter Trenchätzschritt
durchgeführt.
Wie in 3c dargestellt, wird
die gebondete Glasplatte 110 dabei beim zweiten Trenchätzschritt
als Maske verwendet. Der Übergang
der verschiedenen Durchmesser der Öffnungen in der Glasplatte 110 und
der im ersten Trenchätzschritt
erzeugten Kavernen im Silizium-Wafer 100 wird dabei ins
Silizium verlagert.
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Der
zweiter Trenchätzschritt
wird vorzugsweise mit einem ASE-Prozess durchgeführt. Die natriumhaltigem Glasplatte 110 mit
darin befindlichen Durchgangsöffnungen
wird hier als Trenchmaske benutzt, da sie ähnlich wie SiO2 oder
bestimmte Fotolacke eine hohe Selektivität beim Siliziumätzen besitzt. Ist
der Durchmesser der Glaslöcher
D (250) größer als
der Durchmesser d (200) der Kaverne beim ersten Trenchätzprozess
im Silizium, so wird der Glasdurchmesser D (250) in das
Silizium übertragen,
sodass ein stufenfreier Übergang
vom Silizium zum Glas entsteht. Dieser stufenlose Übergang
ist deutlich in der 3c bzw.
in der 2 im Bereich 12 zu erkennen.
Ein in der Praxis unvermeidlicher Versatz der Öffnungen im Glas und der im
Silizium befindlichen Kavernen beim Aufbringen von Öffnungen ähnlicher
Dimensionen wird somit verhindert. Durch diese Verlagerung befindet
sich die Stufe im Silizium, welches eine höhere Festigkeit als Glas besitzt
und somit eine höhere
mechanische Spannung aufnehmen kann. Mit dieser Verlagerung der
Stufe und der beim Trenchen entstehenden größeren Rundungsradien der Stufe
können
höhere
Berstdrücke
erreicht werden. Da die Glasplatte 110 als Maske verwendet wird
und nicht abgelöst
werden muss, ergibt sich eine Selbstjustage beim zweiten Trenchätzschritt.
Da bei diesem zweiten Trenchätzschritt
das Silizium sowohl in der Verlängerung
der Glasöffnung
als auch in der Membran geätzt
wird, muss die Trenchtiefe mit dem ersten Trenchätzschritt abgestimmt werden.
Günstigerweise
wird im ersten Trenchätzschritt
zur Erzeugung der Membran eine Kaverne 10 erzeugt, bei
der die Trenchtiefe des zweiten Trenchätzschritts vorgehalten wird.
Während
des zweiten Trenchätzschritts wird
dann eine weitere Kaverne 11 im Silizium-Wafer 100 erzeugt,
die teilweise die Kaverne 10 vergrößert und die Membran ausdünnt.
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Das
Vereinzeln der Sensoren beispielsweise durch Auseinandersägen der
hergestellten Glas-Silizium
Verbindungen ist in 3d angedeutet.
Diese einzelnen Druckssensoren können
anschließend
mit Standardprozessen in entsprechende Gehäuse montiert werden. Die Befestigung
des Drucksensors an der Halterung und die Kontaktierung an die Auswerteschaltungen
entsprechen dabei denen eines auf konventionelle Art hergestellten
Drucksensors (1). Eine
gängige
Methode dabei ist, den Chip auf Glas zu kleben oder auf eine entsprechende
Sensorhalterung zu löten.
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Mit
dem in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Verfahren kann somit
ein Druckssensor hergestellt werden, wie er beispielsweise in 2 dargestellt ist. Die wesentlichen Änderungen
im Vergleich zu einem Drucksensor nach dem Stand der Technik, wie
er in 1 dargestellt
ist, bestehen darin, dass am Übergang
vom Sensorchip 14 zum Glas Element 2 kein Versatzes
bzw. keine Stufe auftritt. Deutlich ist das im Bereich 12 der 2 im Vergleich zum Bereich 13 der 1 zu erkennen. Weiterhin
ist im Vergleich der beiden Figuren zu erkennen, dass der Sensorchip 14 dem
Medium, welches hinsichtlich des Drucks vermessen werden soll, eine
geringere Fläche
entgegenbringt. Durch diese kleinere Fläche wirkt auf den Sensorchip 14 eine
geringere Kraft im Vergleich zu einem Sensorchip 1, welche
in Verbindung mit der höheren
Bondfläche
zwischen Sensorchip 14 und Glassockel 2 zu einer
höheren
Berstfestigkeit führt.
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Durch
das einfache Herstellungsverfahren des Drucksensors kann eine beliebige
Membrangeometrie gewählt
werden. Neben runden Membranen sind somit durch einfache Maskierungen
auch eckige oder ovale Membranen nutzbar.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
wird in einem ersten Herstellungsschritt des Drucksensors der mit
gebohrten Öffnungen
versehene Glaswafer 110, wie in 4a gezeigt, auf einen Halbleiterwafer 101 aufgebracht,
wobei die beiden Wafer vorzugsweise anodisch gebondet werden. Günstigerweise
wird dabei ein Siliziumwafer verwendet, da dabei die weitere Bearbeitung
durch mikromechanische Prozesse besonders einfach gestaltet werden kann.
Werden vor dem Trenchprozess durch die im Glaswafer 110 befindlichen Öffnungen
auf der Oberseite des Wafers 101 Piezowiderstände bzw.
Schaltungselemente aufgebracht, so sind die Öffnungen auf die entsprechenden
Positionen der Piezowiderständen
bzw. Schaltungselemente abzustimmen. Mittels eines Trenchprozesses
(ASE-Prozess) wird im Wafer 101, wie in 4b gezeigt, eine Membran erzeugt. Die
z.B. natriumhaltige Glasplatte 110 mit den darin befindlichen
Durchgangsöffnungen
wirkt dabei als Maske, da sie, ähnlich
wie SiO2 oder bestimmte Fotolacke, eine
hohe Selektivität
beim Siliziumätzen
besitzt. Da die Glasplatte 110 als Maske verwendet wird,
nicht auf vorhandene Öffnungen (Kavernen)
im Silizium, sondern nur auf die Struktur (Piezowiderstände) auf
der Vorderseite justiert und auch nicht wieder abgelöst werden
muss, spricht man hier auch von Selbstjustage. Durch diese Vorgehensweise
wird zusätzlich
ein aufwendiger Strukturierungsprozess (z.B. Abscheiden von Siliziumoxid oder
-nitrid, aufbringen einer Fotolackschicht, belichten, entwickeln, ätzen Oxid
oder Nitrid, entfernen der Fotolackschicht) vermieden und spart
somit Kosten.
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Anschließend kann,
wie in 4c gezeigt wird,
der Drucksensor vereinzelt und in ein Gehäuse montiert werden. Dabei
erfolgt die Montage durch Standardprozesse wie beispielsweise durch
ein Kleben des vereinzelten Chips 190 auf Glas oder einer Metallisierung
der Rückseite
mit anschließendem
löten.
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Optional
zu dem bereits beschriebenem Vorgehen kann die gelochte Glasplatte 110 auch
vor oder nach dem Anodischen Bonden auf der Rückseite, d.h. der Silizium
abgewandten Seite, mit einer Metallschicht 120 metallisiert
werden. Dieses Vorgehen hat beim Trenchen den Vorteil, dass die
Glasoberfläche
nicht angeätzt
wird und somit rau werden kann. Falls der Sensorchip 190 in
ein Gehäuse
gelötet
wird, kann der dann notwendige Metallisierungsschritt gespart werden.
Die Metallisierung erfolgt dabei vorzugsweise mit CrNiVAg oder CrNiVAu,
wobei statt Cr auch Ti verwendet werden kann. Die Metallisierung stellt
dabei keinen zusätzlichen
Schritt dar, sondern wird nur vorverlegt.
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Durch
einen in 4a-c dargestellten
Herstellungsprozess können
Membransensoren in einem ersten Bauelement 101 hergestellt
werden, deren Kavernen auf die Größe der Durchgangsöffnungen
im zweiten Bauelement 110 abgestimmt sind. Eine Justage
der beiden Bauelemente mit der damit verbundenen Justagetoleranz
bei einer Vorfertigung der Kaverne im ersten Bauelement 101 ist
somit nicht mehr nötig.
Stufen im Übergang
können
somit vermieden werden. Um eine Kontamination der Trenchanlage mit
z. B. Gold und Silber (oberste Schicht) zu vermeiden, kann die Metallisierung
vor oder nach dem anodischen Bonden nur teilweise erfolgen, zum Beispiel
kann mit Chrom metallisiert werden und erst nach dem zweiten Trenchätzschritt
die restliche Metallisierung mit z. B. NiVAu aufgebracht werden.
Alternativ kann die Glasrückseite
auch z.B. mit Fotolack zum Schutz von Anätzungen beschichtet werden.
Nach dem Trenchen muss der Lack jedoch wieder entfernt werden.