Drucksensoren
zur Messung von Druckänderungen
sind allgemein bekannt. Derzeit übliche
mikromechanische Drucksensoren arbeiten bspw. nach dem piezoresistiven
Verfahren. So existieren mikromechanische Sensoren insbesondere
als Silizium-Drucksensoren, die im Wesentlichen aus einer allseitig
eingespannten Membran bestehen, die sich bei einer Druckdifferenz
zwischen den beiden Membranoberflächen verwölbt. Die Signalwandlung wird beispielsweise
mit integrierten monokristallinen bzw. dielektrisch isolierten polykristallinen
Piezowiderständen
oder durch Kapazitätsmessungen
zu einer festen Gegenelektrode durchgeführt (piezoresistive bzw. kapazitive
Signalwandlung). Nachteilig bei diesen Sensoren ist, dass für die Widerstandsmessung ein
hoher Strom benötigt
wird, der zu einer unnötig hohen
Leistungsaufnahme führt,
und dass der piezoresistive Effekt eine hohe Temperaturabhängigkeit zeigt,
die insbesondere bei Hochtemperaturanwendungen Probleme erzeugt.
Es
wurden daher kapazitive Drucksensoren entwickelt, wobei Druckänderungen über eine
kapazitive Auswertung einer Membranauslenkung detektiert werden.
So offenbart bspw. C.Y. Lee et al., „Quartz Capsule Pressure Transducer
for the Automotive Industry",
Society of Automotive Engineers, Inc. 1980, einen Drucksensor dieser
Art, bei dem ein erstes Quarzglas- oder Saphirsubstrat mit einer
stationären
Elektrode und ein zweites Quarzglasoder Saphirsubstrat mit einer
beweglichen Elektrode so angeordnet sind, dass die Oberflächen der
Elektroden einander gegenüber
liegen, und periphere Abschnitte der Substrate miteinander durch
ein niedrig schmelzendes Glas verbunden bzw. verklebt sind, so dass dazwischen
ein vorbestimmter Spalt entsteht.
In
der
DE 42 44 450 C2 ist
ein Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Drucksensors beschrieben,
das von zwei Substraten aus demselben elektrisch isolierenden Material
mit Oberflächenabschnitten
ausgeht, die so angeordnet sind, dass sie einander gegenüber liegen,
und die einem Verbindungsvorgang unterworfen werden. In einem der Substrate
wird eine Aussparung gebildet, die mit einer Elektrode aus einer
leitfähigen
Dünnschicht
versehen wird. Eine zweite Elektrode, ebenfalls aus einer leitfähigen Dünnschicht,
wird auf einem Abschnitt derjenigen Oberfläche des zweiten Substrates
gebildet, die mit dem ersten Substrat zu verbinden ist. Die beiden
Substrate werden anschließend
in der Weise direkt verbunden, dass die mit den Elektroden ausgebildeten
Oberflächen
einander gegenüber
gelegt und, mittels Durchführung
einer Wärmebehandlung fest
miteinander verbunden werden, und dass anschließend mindestens eines der Substrate
auf eine entsprechende Stärke
reduziert wird.
Die
DE 35 20 064 C2 offenbart
ein Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Drucksensors, das auf
dem Prinzip beruht, dass eine Schicht aus isolierendem Material,
z.B. Glas, auf ein Substrat aus einem bearbeitbaren und leitfähigen Material,
z.B. Silizium, aufgeschmolzen oder -gegossen wird. Anschließend wird
in einem elektrisch leitfähigen
Bauteil eine Vertiefung erzeugt und die beiden Bauteile werden hermetisch
derart verbunden, dass eine Kammer zwischen beiden entsteht.
Eine
Silizium/Glas/Silizium-Drucksensorkonstruktion, die kapazitive Änderungen
zur Messung von Druckänderungen
verwendet, ist auch in der
DE 689
13 177 T2 beschrieben.
Die
oben genannten kapazitiven Drucksensoren haben jedoch den Nachteil,
dass für
die Kontaktierung der als Membranen ausgeführten Elektroden Prozesse nötig sind,
die sehr tief in das Material des Substrates eindringen. Dies lässt einfache
Implantationen nicht zu. Zudem sind oberflächennahe Zuleitungen zur Auswerteelektronik
erforderlich, die jedoch anfällig
sind für
parasitäre
Kapazitäten,
insbesondere dann, wenn das zu messende Medium mit der Seite in
Kontakt kommt, auf der die Zuleitungen liegen. Da mit der Miniaturisierung
eines kapazitiven Sensors die zu messenden Kapazitäten sehr
klein werden, muss auf die elektromagnetische Verträglichkeit
(EMV) viel Entwicklungsaufwand verwendet werden.
Außerdem erreichen übliche Sensoren
und Schaltkreise aus Silizium lediglich maximale Betriebstemperaturen
von unter ca. 150°C.
Dies liegt am Bandabstand des Siliziums von 1,1 eV. Bei höheren Temperaturen
verliert das Material zunehmend seine halbleitenden Eigenschaften.
Mit dem Verschwinden der pn-Übergänge verlieren
Dioden und Transistoren ihre Funktion und die Isolation implantierter
Widerstände
zum Substrat wird aufgehoben. Es sind daher bereits Drucksensoren
entwickelt worden, die durch die Verwendung des Materialsystems
SOI (Silicon-on-Insulator), das die Schichtfolge einer dünnen Siliziumdeckschicht
und eines dünnen
elektrisch isolierenden Siliziumoxids auf einem dicken Siliziumsubstrat
beinhaltet, Betriebstemperaturen bis zu 200°C erlauben. Ein solcher Sensor
auf Basis des Materialsystems 3C-SiC-SOI besteht aus einer evakuierten
Kavität,
die auf der Oberseite von einer dünnen Membran verschlossen ist.
Dazu wird zunächst in
einem Plasmaprozess von der Unterseite des SOI-Wafers her eine Ringmembran
strukturiert. Das strukturierte SOI-Substrat wird mit einem zweiten Wafer
durch Fusion-Bonden im Vakuum hermetisch dicht verbunden, so dass
die Kavität
einen Restdruck von ca. 50 mbar aufweist. Anschließend wird
die SiC-Schicht auf der Oberseite des Waferverbundes aufgewachsen,
die Piezowiderstände
strukturiert und mittels TiWN/Au-Leiterbahnen verschaltet (vgl.
E. Thielicke und S. Zappe; Technische Universität Berlin, Fachbereich 12 – Elektrotechnik,
Institut für
Mess- und Automatisierungstechnik, Jahresbericht 2000, Bericht 193,
S. 44 ff., Dezember 2000).
Vorteile der
Erfindung
Der
erfindungsgemäße Drucksensor
hat gegenüber
dem Stand der Technik den Vorteil, dass Temperaturbereiche erschlossen
werden können,
die bisher für
Silizium-Drucksensoren unzugänglich
waren.
Weiterhin
ist vorteilhaft, dass durch die komplette Herstellung aus Silizium
ein Minimum an Temperatur-Verspannung garantiert ist.
Ein
weiterer Vorteil liegt darin, dass der Sensor eine verbesserte EMV-Verträglichkeit
und eine geringere Anfälligkeit
gegenüber
parasitären
Kapazitäten
aufweist.
Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten
Maßnahmen.
Ausführungsbeispiele
Kern
der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung eines in 3 gezeigten
kapazitiven Drucksensors 100 aus zwei zusammen gebondeten
Wafern unter Verwendung der SOI-Technologie,
der für extreme
Temperaturanforderungen geeignet ist und zudem die Integration hochtemperaturtauglicher Elektronik
gestattet.
Wie
aus 1 ersichtlich, werden dazu zunächst zwei SOI-Wafer 10, 14 getrennt
voneinander prozessiert, und anschließend mittels eines flip-chip-prozesses
(Pfeil 24 in 1) miteinander verbunden. Dabei
wird der erste Wafer (Elektronik-Wafer 10, untere Elektrode 12),
der die späteren Auswerteschaltungen
(AWS) 20 trägt,
durch einen herkömmlichen
Mikroelektronik-Prozess strukturiert, ergänzt durch die Trench-Ätzung der
kapazitiven Elektrode.
Die
Schritte zur Strukturierung der AWS 20 orientieren sich
an derzeit vorhandenen Technologien. Dies betrifft die Strukturierung
der Verstärkerschaltung
und passive integrierte Elemente. Hinzu kommt der Prozessschritt
zur lateralen Isolation der Elektrode auf dem Elektronik-Wafer.
Dazu wird die Oberfläche
an den Stellen, die nicht geätzt
werden sollen, mit einer photo-lithographischen Maske abgedeckt
und der Wafer dann in einem anisotropen Gasätzverfahren („Trench-Ätzen") präpariert.
Anschließend
liegt die Gegenelektrode 26 und ihre Zuleitung zusammen
mit den Bereichen, die die Elektronik tragen, und denen, die später die
hermetische Bondfläche
darstellen, erhöht.
Die Elektrode 12 wird mit ihrer Zuleitung dann, von dem
Träger-SiO2 des SOI-Wafers umgeben, isoliert liegen.
Damit wird die untere Elektrode 12 lediglich über eine
Leiterbahn zur AWS 20 hinausgeführt. Die untere Elektrode 12 wird
durch dotieren gut leitend ausgeführt oder mit einer Metallisierung
belegt, um eine gute Leitfähigkeit
zu erreichen. Um eine hermetisch dichte Kaverne 16 nach dem
flip-chip Prozess zu erhalten, wird der präparierte SiO2-Graben
durch einen Refill-Prozess mit SiO2 18 wieder
aufgefüllt.
Anschließend
wird der Rest der funktionalen Schichten passiviert. Damit wird
die nötige
Planarität
erreicht, um beim Verbinden der beiden Chips miteinander eine geschlossene
Kaverne zu erhalten. Schließlich
wird noch eine Kontakt-Metallisierung benötigt, um den flipchip-bond
zum Oberflächen-Mikromechanik-Wafer
(s. weiter unten) zu erreichen.
Der
zweite Wafer 14 durchläuft
verschiedene Oberflächen-Mikromechanik
(OMM)-Prozesse, zu denen das anisotrope Ätzen der Kaverne durch KOH-Ätzen oder
Trenchen, das Eindiffundieren der Leiterbahnen, die Strukturierung
der Elektroden durch anisotropes Ätzen oder Trenchen, eine Passivierung,
die Strukturierung der Kontaktlöcher
und eine Metallisierung gehören.
Die Leitungsführung
erlaubt sehr geringe parasitäre
Kapazitäten
durch die Zuleitungen. Die Nähe
der AWS 20 garantiert zusätzlich eine geringe Einstreuung.
Der
Oberflächen-Mikromechanik-Wafer (OMM)
ist im Prozess einfacher, da er keine integrierte Elektronik benötigt, sondern
nur aus Elektrode, Zuführung,
Grabenring und Kontaktmetallisierung besteht. Die Prozessierung
ist im Einzelnen in den 2A bis 2C gezeigt.
Im
ersten Schritt wird der Ring 28 um die OMM-Elektrode 26 strukturiert,
der später
den Rand der Kaverne 16 bildet. Es werden also bis auf
den besagten Kavernenrand 32, der durch einen Photolack 44 geschützt ist,
alle Bereiche 30 geätzt.
Im
zweiten Ätzschritt
wird die OMM-Elektrode 14 vom Kavernen-Rand 32 isoliert,
indem ein SiO2-Graben 28 herauspräpariert
wird. Gleichzeitig wird die Zuleitung vom Grabenring und dem Rest
des Wafers isoliert, so dass sie frei auf der SiO2-Schicht 42 des
SOI-Wafers 14 liegt. Nicht zu ätzende Bereiche werden dabei
durch Photolack 44 abgedeckt. Optional wird die Elektrodenfläche dotiert,
um eine bessere Leitfähigkeit
zu erreichen, oder es wird dort eine Metallisierung aufgebracht.
Die Schichten werden anschließend
passiviert durch Belegung mit Silizium-Oxid oder Silizium-Nitrid.
Der
Kontakt der OMM-Elektrode zum Elektronik-Wafer wird über eine
flip-chip Kontaktierung hergestellt. Dazu wird als weiterer Prozesschritt
eine Kontaktmetallisierung 48 der Zuleitung zur OMM-Elektrode
benötigt.
Die zusammengebondeten Wafer sind in 3 gezeigt.
Da
die AWS 20 in unmittelbarer Nähe der Elektroden 12, 26 (bis
ca. 1000 μm
Abstand) integriert wird, können
die parasitären
Kapazitäten
relativ klein gehalten werden. Gleichzeitig wird durch die Flächenminiaturisierung
die Einkopplung durch magnetische Felder (diese wächst mit
der von den Leitungen eingeschlossenen Fläche) und durch die verkleinerten
Abstände
die Einkopplung durch Gradienten im Potential (elektrische Felder)
verringert.
Für die Verbindung
der beiden Wafer wird das Zusammenfügen mit Glaslot bevorzugt,
bei gleichzeitiger Verlötung
der flip-chip-Bondung. Dabei wird in einem Siebdruck-Prozess Glaslot-Paste
auf die zu verbindenden Stellen von ca. 500 μm Breite aufgetragen. Zusätzlich werden
für die
elektrische Kontaktierung noch Lötkugeln 22 auf
die Kontaktflächen
aufgebracht.
Darm
werden die beiden Wafer so zueinander justiert, dass die Bond-Oberflächen zueinander ausgerichtet
sind. Anschließend
wird der Waferstapel auf über
360°C aufgeheizt,
um eine Press-Passung sowohl in den Glaslotbereichen als auch in
der flip-chip-Kontaktierung
in Gang zu setzen. Anschließend
werden die Materialien bei nochmals höheren Temperaturen endgültig verlötet. Der
anschließende Abkühlprozess
muss entsprechend langsam ausgeführt
werden, um evtl. vorhandene thermisch-mechanische Spannungen im
Verbund abzubauen.
Der
Sensor wird anschließend
durch hermetisch dichtes Verbinden der beiden Wafer, z.B. mit seal
glass, fertig gestellt (vgl. 3). Gleichzeitig wird
die Elektrode des OMM-Wafers durch flip-chip-Bonden kontaktiert.
Diese Anordnung hat gleichzeitig den Vorteil, dass der eine Wafer
die Kappe für
den anderen Wafer darstellt, so dass der Sensor ohne ein separates
Gehäuse
auskommt. Die Auswerteschaltung misst dann über die Änderung der Kapazität des Plattenkondensators
den außerhalb
des Sensors anliegenden Druck (Pfeile 40 in 3).
Die
Verwendung von SOI-Wafern verhindert den elektrischen Durchbruch
der dotierten Bereiche, d.h., der Kondensator-Elektroden zum bulk-Silizium. Die
dotierten Bereiche werden üblicherweise
durch pn-Übergänge getrennt,
die bei 150°C
leitend werden. Die Isolierung über
SiO2 hält
dagegen Temperaturen bis ca. 400°C
stand. Dadurch wird somit der Aufbau für Temperaturen oberhalb von
150°C geeignet.
Mit Hilfe von ausreichend dicken Isolator-Schichten unter den Elektroden,
d.h., Schichten, deren Dicke ausreicht, um die Durchbruchfeldstärke zu unterschreiten,
kann eine definierte parasitische Kapazität zu der Umgebung der Kavität erreicht
werden. Dadurch ist ein gleichbleibender Fehlereinfluss auf das Sensor-Signal
gewährleistet,
der abgeglichen werden kann. Der Trägerwafer schirmt also bei ausreichender
Leitfähigkeit
die Elektroden von äußeren Störeinflüssen durch
das zu messende Fluid ab. Die Leitfähigkeit des Trägerwafers
kann durch eine entsprechend hohe Dotierung oder metallische Belegung
eingestellt werden. Durch die isolierende SiO2-Schicht
zu den Elektroden ist die Höhe
der Dotierung frei wählbar.
Dies
ist ein entscheidender Vorteil gegenüber dem Aufbau von konventionellen
Wafern mit dotierten Elektroden, bei denen die Elektroden durch pn-Bereiche
herausstrukturiert werden, die also eine dem pn-Übergang entsprechende (spannungsabhängige) Kapazität besitzen.
Diese pn-Bereiche besitzen eine Ausdehnung, die von ihrer Sperrspannung,
unter der sie vorgespannt sind, abhängt. Damit ändert sich ihre Kapazität mit dieser
Sperrspannung.
Nach
der Herstellung kann der Sensor, wie in 4 gezeigt,
bspw. mittels seal glass 36 in eine Metall-Durchführung 34 eingeglast
und in ein Gehäuse 38 eingeschweißt werden.
Auf diese Weise kann eine nadelförmige
Anordnung des Sensors erreicht werden, die es gestattet, den Sensor
auf einfache Weise in ein Behältnis
einzuschrauben oder es an dieses anzuschweißen, um damit den Druck (vgl.
Pfeile 46 in 4) zu detektieren. Damit wird
auf einfache Art die Trennung zwischen Messbehälter und Umgebung erreicht.
Die Durchführung
des elektrischen Sensor-Ausgangs in den Außenbereich ist gleichzeitig
gegeben.
Die
Verwendung von SOI-Wafern als Basismaterial erlaubt nicht nur, die
kapazitiven Flächen
für hohe
Temperaturen auszulegen, sondern ermöglicht gleichzeitig auch die
Realisierung von hochtemperaturfester Elektronik. Mit der Möglichkeit,
sperrende Bereiche auch jenseits von 150°C zu realisieren, ist es auch
machbar, integrierte Elektronik oberhalb dieser Temperatur stabil
zu betreiben.