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Die
Erfindung betrifft einen Drucksensor.
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Drucksensoren
dienen zur Erfassung von Drücken und werden beispielsweise
in Druckmessgeräten eingesetzt, die in der industriellen
Messtechnik verwendeten werden.
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In
der Druckmesstechnik werden gerne so genannte Halbleiter-Sensoren,
z. B. Silizium-Chips mit eindotierten piezoresistiven Widerstandselementen,
als Drucksensoren eingesetzt. Derartige Halbleitersensoren umfassen
eine auf einem Träger angeordnete Messmembran, deren eine
Seite im Messbetrieb einem zu messenden Druck ausgesetzt wird. Drucksensor-Chips
sind in der Regel sehr empfindlich und werden deshalb nicht direkt
einem Medium ausgesetzt, dessen Druck aufgenommen werden soll. Stattdessen
werden mit einer Flüssigkeit gefüllte Druckmittler
vorgeschaltet. Ein auf die Messmembran einwirkender Druck bewirkt
eine druckabhängige Auslenkung der Messmembran, die mittels
der eindotierten Widerstandselemente erfasst, und in ein elektrisches
Signal umgewandelt wird, dass dann einer weiteren Verarbeitung und/oder
Auswertung zur Verfügung steht.
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Halbleiter-Sensoren
werden heute regelmäßig auf Siliziumbasis, z.
B. unter Verwendung von Silicon-on-Insulator (SOI) Technologie hergestellt.
Dabei werden bevorzugt BESOI-Wafer (Bonded and etchback silicon
an insulator) als Ausgangsmaterial verwendet. BESOI-Wafer werden
mittels Siliziumdirektbonden hergestellt. Hierzu werden zwei oxidierte
Silizium-Wafer gegeneinander ausgerichtet und unter Druck und hoher Temperatur
gebonded. Hierdurch entsteht ein dreischichtiger Wafer, bei dem
sich zwischen zwei Siliziumschichten eine Oxidschicht befindet.
Die unter der Bezeichnung BOX (buried oxide layer) bekannte vergrabene Oxidschicht
hat eine Dicke von wenigen nm bis zu wenigen μm. Dieser
Verbund wird von einer Seite abgedünnt und poliert. Die
abgedünnte polierte Seite bildet im weiteren Verlauf die
Aktivschicht. Die Aktivschicht kann wenige μm dick sein
und wird in der englischsprachigen Fachwelt z. B. als device wafer
oder als silicon overlayer (SOL) bezeichnet. Die Dicke der Aktivschicht
kann mit heutigen Herstellungsverfahren bereits sehr genau und gleichmäßig
und mit hoher Reproduzierbarkeit hergestellt werden.
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Ein
wesentlicher Vorteil der Verwendung von BESOI-Wafern für
die Herstellung von Drucksensoren besteht darin, dass die vergrabene
Oxidschicht (BOX) einen zuverlässigen Ätzstopp
bildet. Dies wird vor allem für die Herstellung beweglicher
Elektroden von kapazitiven Drucksensoren ausgenutzt. Es sind aber
auch Verfahren bekannt, bei denen BESOI-Wafer für die Herstellung
von piezoresistiven Drucksensoren eingesetzt werden. Ein solches
Verfahren ist in dem im Jahr 2000 im Journal of Micromechanical
Engineering, Band 10, Seite 204 bis 208, erschienenen Artikel: 'Optimized
technology for the fabrication of piezoresistive Pressure sensors',
von A. Merlos, J. Santander, M.D. Alvares und F. Campabadal beschrieben.
Dort wurde gezeigt, dass man mit BESOI-Wafern Sensorchips produzieren
kann, die eine genau definierte und über den gesamten Bereich
der Membran konstante Membrandicke aufweisen. Insb. können
piezoresistive Sensoren mit sehr dünnen Membranen mit geringsten
Dickentoleranzen, von weniger als 1 μm, hergestellt werden.
Hierzu wird in die der Aktivschicht gegenüberliegende Siliziumschicht
ein Ausnehmung eingeätzt, über die die Membran
freigelegt wird. Dabei dient die vergrabene Oxidschicht als Ätzstopp.
Der nach dem Ätzvorgang verbleibende äußere Rand
der Siliziumschicht begrenzt die Ausnehmung außenseitlich
und bildet einen Träger für die durch die Ausnehmung
freigelegte Membran. Nach diesem Ätzvorgang wird der als Ätzstopp
dienende Bereich der Oxidschicht durch einen weiteren Ätzvorgang
entfernt.
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Die
Empfindlichkeit piezoresistiver Drucksensoren ist reziprok abhängig
von der Dicke der Membran. Je dünner die Membran ist, umso
empfindlicher ist der Sensor. Leider steigt aber auch die Nichtlinearität
der Sensoren mit dünner werdenden Membranen an. Das über
die eindotierten Widerstände abgenommene elektrische Messsignal
steigt im Idealfall linear mit dem auf die Membran einwirkenden
Druck an. Je dünner die Membran ist, umso stärker
sind die Abweichungen von diesem gewünschten linearen Verlauf.
Dies führt insb. bei Drucksensoren zur Messung geringer
Drücke, die hierzu dünne Membranen benötigen,
zu Messfehlern bzw. zu einem hohen Aufwand für die Kompensation
dieser Messfehler.
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Eine
Lösung dieses Problems besteht darin, die Membran mit einem
biegesteifen Zentrum auszustatten. Ein solches biegesteifes Zentrum
wird beispielsweise auf der von der Aktivschicht abgewandten Rückseite der
Membran durch Siliziumvolumenbearbeitung erzeugt, indem dort mittig
ein Siliziumstempel angeordnet wird. Die Bauhöhe des Stempels
ist dabei geringfügig geringer als die Bauhöhe
des den Stempel außenseitlich umgebenden Membranträgers.
Hierdurch ist gewährleistet, dass der Stempel ausschließlich
von der Membran getragen wird, und insb. nicht auf einer Halterung,
auf die der Membranträger aufgebracht wird, aufliegt. Stempel
und Membranträger sind voneinander durch einen ringzylindrischen
den Stempel umgebenden Spalt getrennt, durch den ein äußerer
Rand der Membran freigelegt ist. Hierdurch ist ein höheres
Verhältnis zwischen Empfindlichkeit und Nichtlinearität
erzielbar. Allerdings führt ein biegesteifes Zentrum dazu,
dass die Membran dadurch im ganzen steifer und damit unempfindlicher
wird. Die Erhöhung des Verhältnisses geht damit
einher mit einer Reduzierung der Empfindlichkeit des Drucksensors,
die insb. bei der Messung geringer Drücke nachteilig ist.
Oft muss hier ein Kompromiss akzeptiert werden.
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In
der
US-A 2005/0274191 ist
ein Verfahren beschrieben, mit dem sich die Empfindlichkeit piezoresistiver
Drucksensoren erhöhen lässt. Hierzu wird ein Teil
der Aktivschicht in der unmittelbaren Umgebung der eindotierten
piezoresistiven Elemente derart weggeätzt, dass die Elemente
von einem Graben umgeben sind. Die Tiefe der Gräben entspricht
dabei in etwa der Dicke der eindotierten Widerstände. Die
Gräben wirken als Spannungskonzentratoren und bewirken
damit eine Erhöhung der Empfindlichkeit der Sensoren, ohne
dass die Membran vergrößert werden muss bzw. deren
Dicke großflächig reduziert werden muss.
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Dieses
Verfahren bietet jedoch den Nachteil, dass auf der im Messbetrieb
dem zu messenden Druck ausgesetzten Vorderseite der Membran temperaturabhängige
Spannungszustände auftreten können, die durch
die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Silizium
und der eingegrabenen Oxidschicht und die unterschiedlichen Geometrien
der beiden Membranseiten zurück zu führen sind.
Diese Spannungszustände sind temperaturabhängig
und führen zu Messfehlern. Dieser Effekt tritt besonders
stark auf, da diese thermischen Spannungszustände in der
unmittelbaren Umgebung der eindotierten piezoresistiven Elemente
auftreten und diese Elemente sehr empfindlich auf Spannungen reagieren.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung einen piezoresistiven Drucksensor
in BESOI Technologie anzugeben, der insb. für die Messung
geringer Drücke geeignet ist und einen geringen Linearitätsfehler
aufweist.
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Hierzu
besteht die Erfindung in einem aus einem eine erste und eine zweite
Siliziumschicht und eine dazwischen angeordnete Oxidschicht aufweisenden
BESOI Wafer gefertigten Drucksensor,
- – der
eine aus der ersten Siliziumschicht des BESOI Wafers gebildete Aktivschicht
aufweist, in der piezoresistive Elemente eindotiert sind, und
- – der einen aus der zweiten Siliziumschicht des BESOI
Wafers gebildeten Membranträger aufweist,
- – der eine Ausnehmung in der zweiten Siliziumschicht
außenseitlich umgibt, über die ein eine Membran
bildender Bereich der Aktivschicht und der damit verbundenen Oxidschicht
frei gelegt ist,
- – bei dem in einem äußeren Rand des
durch die Ausnehmung frei gelegten Bereichs der Oxidschicht eine den
Bereich umgebende Nut vorgesehen ist.
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Gemäß einer
Weiterbildung ist die Nut eine Ausnehmung in der Oxidschicht, die
im Querschnitt eine abgerundete Geometrie aufweist.
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Gemäß einer
weiteren Weiterbildung sind die eindotierten piezoresistiven Elemente
in der Membran an Orten auf der Membranoberseite angeordnet, an
denen auf der gegenüberliegenden Membranunterseite die
Nut verläuft.
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Gemäß einer
weiteren Weiterbildung weist die durch einen Bereich der Aktivschicht
und den damit verbundenen Bereich der Oxidschicht gebildete Membran
eine quadratische Grundfläche auf, und die piezoresistiven
Elemente sind in den Ecken dieses Bereichs der Aktivschicht angeordnet.
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Weiter
umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen
Drucksensors aus einem BESOI Wafer, der eine erste und eine zweite
Siliziumschicht und eine dazwischen angeordnete Oxidschicht aufweist,
bei dem
- – aus der ersten Siliziumschicht
eine Aktivschicht gebildet wird, in die piezoresistive Elemente
eindotiert werden,
- – aus der zweiten Siliziumschicht ein Membranträger
gebildet wird,
- – der eine Ausnehmung in der zweiten Siliziumschicht
außenseitlich umgibt, über die ein eine Membran
bildender Bereich der Aktivschicht und der damit verbundenen Oxidschicht
frei gelegt ist, indem das im Bereich der Ausnehmung vorhandene
Silizium mittels eines Ätzverfahrens entfernt wird, wobei
die Oxidschicht als Ätzstopp verwendet wird, und
- – in einem äußeren Rand des durch
die Ausnehmung frei gelegten Bereichs der Oxidschicht eine den Bereich
umgebende Nut mittels eines isotropen Ätzverfahrens eingeätzt
wird.
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Gemäß einer
Weiterbildung des Verfahrens wird die Nut hergestellt, indem
- – mittels Fotolithographie eine Fotomaske
aufgebracht wird,
- – die Nut mittels einer reinen Plasmaätzung
mit chemisch reaktiven Gasen, insb. mit CF4 +
O2 oder SF6 + O2, in die Oxidschicht eingeätzt
wird, und
- – die Fotomaske entfernt wird.
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Gemäß einer
ersten alternativen Weiterbildung des Verfahrens wird die Nut hergestellt,
indem
- – mittels Fotolithographie eine
Fotomaske aufgebracht wird,
- – die Nut mittels eines isotropen nasschemischen Prozesses,
insb. mittels einer Ätzlösung aus Flusssäure, Salpetersäure
und Essigsäure mit unterschiedlichen Ätzraten
für Silizium und Siliziumoxid, in die Oxidschicht eingeätzt
wird, und
- – die Fotomaske entfernt wird.
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Gemäß einer
zweiten alternativen Weiterbildung des Verfahrens wird die Nut hergestellt,
indem
- – mittels Fotolithographie eine
Fotomaske aufgebracht wird,
- – die Nut mittels einer Kombination aus einem isotropen
nasschemischen Ätzvorgang, insb. unter Verwendung von mit
Ammoniumfluorid gepufferter Flusssäure (BHF), und einem
isotropen trockenchemischen Ätzvorgang, insb. einem Deep
Reactive Ion Etching (DRIE) in die Oxidschicht eingeätzt
wird, und
- – die Fotomaske entfernt wird.
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Der
erfindungsgemäße Drucksensor bietet den Vorteil,
dass er bei den zur Messung geringer Drücke, insb. bei
Drücken von weniger als 100 mbar, erforderlichen geringen
Membrandicken in der Größenordnung von 20 μm
aufgrund der auf der Membranunterseite angeordneten Oxidschicht
einen geringen Linearitätsfehler aufweist. Dabei wirkt
sich die Oxidschicht ähnlich wie ein biegesteifes Zentrum
auf die Linearität aus, ohne dass hierdurch die Empfindlichkeit
des Sensors wesentlich reduziert wird. Der Grund hierfür
besteht darin, dass die Oxidschicht im Vergleich zur Membran sehr
dünn ist, und damit die Steifheit der Membran nur unwesentlich
erhöht. Demgegenüber führen biegesteife
Zentren mit an die Membran angeformten Stempeln, deren Bauhöhe
typischer Weise ein Vielfaches der Membrandicke beträgt,
zu einer deutlichen Reduktion der Empfindlichkeit.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Empfindlichkeit
der erfindungsgemäßen Drucksensoren durch die
den freiliegenden Bereich der Oxidschicht umgebende Nut deutlich
erhöht wird, indem durch einen einwirkenden Druck bewirkte
mechanische Spannungen durch die Nut an den Orten der eindotierten
piezoresistiven Elemente konzentriert werden.
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Die
Erfindung erlaubt es daher sehr geringe Drücke von weniger
als 100 mbar mit hoher Messgenauigkeit zu messen.
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Die
Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung,
in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher
erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den
gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
einen Schnitt durch einen BESOI-Wafer;
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2 zeigt
einen Schnitt durch einen BESOI-Wafer gemäß 1,
bei dem aus dessen erster Siliziumschicht eine Aktivschicht gebildet
wurde;
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3 zeigt
einen Schnitt durch einen BESOI-Wafer gemäß 1,
bei dem aus dessen zweiter Siliziumschicht ein Membranträger
gebildet wurde;
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4 zeigt
einen Schnitt durch erfindungsgemäßen Drucksensor.
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5 zeigt
eine Ansicht der Membranrückseite einer ersten Variante
eines erfindungsgemäßen Drucksensors;
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6 zeigt
eine Ansicht der Membranrückseite einer zweiten Variante
eines erfindungsgemäßen Drucksensors; und
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7 zeigt
Linearitätsfehler von drei Drucksensoren mit unterschiedlicher
Oxidschichtdicke im Bereich der Membran in Abhängigkeit
von einem auf den jeweiligen Drucksensor einwirkenden Druck.
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Der
erfindungsgemäße Drucksensor ist ein Halbleiter-Sensor
auf Siliziumbasis, der unter Verwendung von Silicon-on-Insulator
(SOI) Technologie hergestellt wird. Als Ausgangsmaterial dient dabei
ein handelsüblicher BESOI-Wafer (Bonded and etchback silicon
an insulator). BESOI-Wafer werden beispielsweise aus zwei oxidierten
Silizium-Wafern hergestellt, die gegeneinander ausgerichtet und
unter Druck und hoher Temperatur gebonded werden. Hierdurch entsteht
ein in 1 dargestellter dreischichtiger Wafer, der eine
erste und eine zweite Siliziumschicht 1, 3 aufweist.
Zwischen der ersten und der zweiten Siliziumschicht 1, 3 befindet
sich eine Oxidschicht 5. Die unter der Bezeichnung BOX
(buried oxide layer) bekannte vergrabene Oxidschicht 5 hat eine
Dicke von wenigen nm bis zu wenigen μm.
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Dieser
Verbund wird von einer Seite abgedünnt und poliert. Die
abgedünnte polierte Seite bildet im weiteren Verlauf die
Aktivschicht 7. Die Aktivschicht kann wenige μm
dick sein und wird in der englischsprachigen Fachwelt z. B. als
device Wafer oder als silicon overlayer (SOL) bezeichnet. Die Dicke
der Aktivschicht kann mit heutigen Herstellungsverfahren bereits
sehr genau und gleichmäßig und mit hoher Reproduzierbarkeit
hergestellt werden.
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In
die Aktivschicht 7 werden, wie auch bei herkömmlichen
Drucksensoren, piezoresistive Elemente 9 eindotiert. Entsprechende
Herstellverfahren sind aus der Halbleitertechnologie bekannt, und
daher hier nicht näher erläutert. 2 zeigt
einen Schnitt durch einen Wafer mit einer Aktivschicht 7 mit
eindotierten piezoresistiven Elementen 9. Die piezoresistiven
Elemente 9 sind vorzugsweise Widerstände, die
einen darauf einwirkenden Druck bzw. eine darauf einwirkende mechanische
Spannung in ein elektrisches Signal umwandeln, das über
entsprechende in der Aktivschicht 7 vorgesehene, in den
Figuren nicht dargestellte Anschlüsse einer weiteren Verarbeitung
und/oder Auswertung zuführbar ist. Dabei können
die Elemente 9 als Einzelelemente angeschlossen werden,
oder zu einer Brückenschaltung zusammengefasst werden.
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Aus
der zweiten Siliziumschicht 3 wird ein Membranträger 11 gebildet.
Dies ist in 3 gezeigt. Der Membranträger 11 ist
ein fest mit einem äußeren Rand der Oxidschicht 5 verbundener
Rahmen, der eine Ausnehmung 13 in der zweiten Siliziumschicht 3 außenseitlich
umgibt. Die Ausnehmung 13 legt einen durch den Rahmen begrenzten
Bereich der Aktivschicht 7 und der damit verbundenen Oxidschicht 5 frei,
der dadurch eine Membran 15 bildet. Vorzugsweise weist
die Ausnehmung 13 eine in Richtung der Oxidschicht 5 sich
konisch verjüngende innere Mantelfläche 17 auf.
Diese Formgebung bietet den Vorteil, einer erhöhten mechanischen
Stabilität des Drucksensors.
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Ein
auf eine von der Oxidschicht 5 abgewandte Oberseite der
Membran 15 einwirkender Druck führt zu einer druckabhängigen
Durchbiegung der Membran 15, der mittels der in der Oberseite
in der Aktivschicht 7 eindotierten piezoresistiven Elemente 9 erfasst
und in ein druckabhängiges elektrisches Signal umgewandelt wird.
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Die
Ausnehmung 13 wird durch ein Ätzverfahren erzeugt,
mit dem das im Bereich der Ausnehmung 13 vorhandene Silizium
entfernt wird. Dabei dient die vergrabene Oxidschicht 5 als Ätzstopp.
Der nach dem Ätzvorgang verbleibende äußere
Rand der Siliziumschicht 3 begrenzt die Ausnehmung 13 außenseitlich
und bildet den Membranträger 11 für die
durch die Ausnehmung 13 freigelegte Membran 15.
Diese Vorgehensweise bietet den Vorteil, dass die hiermit hergestellten
Membranen 15 eine genau definierte und über den
gesamten Bereich der Membran konstante Membrandicke aufweisen. Insb.
können sehr dünne Membranen 15 mit geringsten
Dickentoleranzen, von weniger als 1 μm, hergestellt werden.
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Erfindungsgemäß ist
in einem äußeren Rand des durch die Ausnehmung 13 frei
gelegten Bereichs der Oxidschicht 5 eine den Bereich umgebende
Nut 19 vorgesehen. 4 zeigt
einen erfindungsgemäßen Drucksensor mit der Nut 19.
Der von der Nut 19 eingeschlossene Bereich 21 der
Oxidschicht 5 ist im Vergleich zu der Dicke der Membran 15 sehr
dünn, und weist eine über dessen gesamte Fläche
sehr homogene Dicke auf. Die Dicke der Oxidschicht 5 beträgt
beispielsweise 1 bis 2 μm. Die Dicke der Membran 15 beträgt
beispielsweise 20 μm.
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Vorzugsweise
sind die in die Membran 15 eindotierten piezoresistiven
Elemente 9 an Orten auf der Membranoberseite angeordnet,
an denen auf der gegenüberliegenden Membranunterseite die
Nut 19 verläuft. Dies führt zu einer
höheren Empfindlichkeit des Drucksensors, da sich durch
einen auf die Membranoberseite einwirkenden Druck bewirkte mechanische
Spannungen aufgrund der Nut 15 an den Orten besonders konzentrieren,
an denen sich die piezoresistiven Elemente 9 befinden.
Ein wesentlicher Vorteil der Anordnung der Nut 19 auf der
Membranunterseite besteht darin, dass die Membranoberseite in der
Umgebung der eindotierten piezoresistiven Elemente 9 homogen
gestaltet ist. Hierdurch werden die gewünschten druckabhängigen
mechanischen Spannungen im Bereich der piezoresistiven Elemente 9 verstärkt,
ohne dass gegebenenfalls durch die Nut 19 bedingte thermische
Spannungen in unmittelbarer Nähe der Elemente 9 auftreten.
Der Grund hierfür besteht darin, dass sich die Nut 19 auf
der Membranunterseite befindet, und damit von den auf der Membranoberseite
befindlichen piezoresistiven Elementen 9 beabstandet ist.
Dies führt zu einem gegenüber dem Stand der Technik,
bei dem Spannungskonzentratoren auf der Membranoberseite in unmittelbarer
Umgebung der piezoresistiven Elemente angeordnet sind, deutlich
verringerten temperaturabhängigen Messfehler.
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Der
Effekt der Konzentration der druckbedingten mechanischen Spannungen
ist besonders groß, wenn die durch einen Bereich der Aktivschicht 3 und
den damit verbundenen Bereich der Oxidschicht 5 gebildete
Membran 15 eine rechteckige oder eine quadratische Grundfläche
aufweist, und die piezoresistiven Elemente 9 in den Ecken
dieses Bereichs der Aktivschicht 5 angeordnet sind. Die
Erfindung ist aber natürlich auch in Verbindung mit Membranen
mit anders gestalteter Grundfläche einsetzbar. Ein Beispiel
sind Membranen mit runder Grundfläche. Auch in Verbindung
anderen Geometrien der Membrangrundfläche bewirkt die Oxidschicht
eine deutliche Reduzierung des Linearitätsfehlers.
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In
den 5 und 6 sind hierzu zwei Ausführungsbeispiele
dargestellt. Beide Figuren zeigen jeweils eine Ansicht der von der
Aktivschicht 5 abgewandten Unterseite des jeweiligen Drucksensors.
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Bei
dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist
eine Membran 15a mit quadratischer Grundfläche
dargestellt, die von einem quadratischen Membranträger 11 mit
einer im Querschnitt quadratischen Ausnehmung 13 eingefasst
ist. Die Membran 15a ist derart angeordnet, dass deren
Außenseiten parallel zu den Außenseiten des Membranträgers 11 verlaufen.
Sie wird von einer in die Oxidschicht 5 eingeätzten
Nut 19a umgeben, deren Grundfläche die Form eines
die Membran 15a umgebenden quadratischen Rahmens aufweist.
Die Position der piezoresistiven Elemente 9 auf der gegenüberliegenden
Membranoberseite ist gestrichelt eingezeichnet. Sie befinden sich
an Orten auf der Membranoberseite, an denen auf der gegenüberliegenden
Membranunterseite die Nut 19a verläuft. In dem
in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel weist
die Nut 19a vier identische gerade Abschnitte auf, die
zusammen einen quadratischen Rahmen bilden. Die vier piezoresisitiven
Elemente 9 befinden sich auf der Membranoberseite an Orten
an denen sich auf der gegenüberliegenden Membranunterseite
jeweils die Mitte des darunter verlaufenden Abschnitts der Nut 19a befindet.
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Bei
dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel weist
die Membran 15b ebenfalls eine quadratische Grundfläche
auf, die von dem quadratischen Membranträger 11 mit
einer im Querschnitt quadratischen Ausnehmung 13 eingefasst
ist. Im Unterschied zu dem in 5 dargestellten
Ausführungsbeispiel ist die Membran 15b derart
angeordnet, dass die Ecken der quadratischen Grundfläche
der Membran 15b jeweils zur Mitte M der jeweiligen Außenseiten
des Membranträgers 11 weisen. Membranträger 11 und
Ausnehmung 13 sind in beiden Ausführungsbeispielen
identisch. Die in der Oxidschicht 5 verlaufende Nut 19b weist
hier eine an die Ausrichtung der Membran 15b angepasste
Grundfläche auf. Auch hier sind vier piezoresistive Elemente 9 auf der
Membranoberseite vorgesehen, und auf der gegenüberliegenden
Unterseite verläuft unter den piezoresistiven Elementen 9 die
Nut 19b. Im Unterschied zu dem in 5 dargestellten
Ausführungsbeispiel sind die piezoresistiven Elemente 9 hier
in den vier Ecken der Membran 15b angeordnet. Diese Anordnung
führt zu einer besonders ausgeprägten Konzentration
der druckbedingten mechanischen Spannungen auf die Orte an denen
sich die piezoresistiven Elemente 9 befinden, und damit
zu einer besonders großen Erhöhung der Empfindlichkeit
des Drucksensors.
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Vorzugsweise
ist die Nut 19 eine Ausnehmung in der Oxidschicht 5,
die im Querschnitt eine abgerundete Geometrie aufweist. In dem in 4 dargestellten
Ausführungsbeispiel weist die Nut 19 einen kreissegmentförmigen
Querschnitt auf. Diese abgerundete Form der Nut 19 bietet
den Vorteil, dass sich hierdurch die Berstfestigkeit des Drucksensors
erhöht.
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Bei
der Herstellung des erfindungsgemäßen Drucksensors
wird die im Querschnitt abgerundete Geometrie der Nut 19 vorzugsweise
durch die Verwendung eines isotropen Ätzverfahrens erzeugt.
Eine isotrope Ätzung ist mittels trockenchemischer Ätzverfahren
erzielbar. Ein Beispiel für einen trockenchemischen Ätzprozess
ist das Boschverfahren. Aufgrund der geringen für die Nut 19 erforderlichen Ätztiefe
von vorzugsweise 1 bis 2 μm können aber auch sehr
viel weniger aufwendige und kostengünstigere nasschemische Ätzverfahren eingesetzt
werden.
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Vorzugsweise
erfolgt die Ätzung der Nut 19 mittels einer reinen
Plasmaätzung Dabei wird in einem ersten Arbeitsgang mittels
Fotolithographie eine Fotomaske aufgebracht. Anschließend
wird die Nut 19 mittels einer reinen Plasmaätzung
mit chemisch reaktiven Gasen, insb. mit CF4 +
O2 oder SF6 + O2, in die Oxidschicht 5 eingeätzt.
Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass sich die Geometrie der
Nut 19 nahezu frei gestalten lässt, und die Ätzselektivität
zwischen Silizium und Siliziumoxid sehr groß ist. Abschließend
wird die Fotomaske wieder entfernt.
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Alternativ
hierzu kann die Nut 19 gemäß einem anderen
erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt werden, bei
dem in einem ersten Arbeitsgang mittels Fotolithographie eine Fotomaske
aufgebracht. Anschließend wird die Nut 19 mittels
eines isotropen nasschemischen Prozesses, insb. mittels einer Ätzlösung
aus Flusssäure, Salpetersäure und Essigsäure
mit unterschiedlichen Ätzraten für Silizium und
Siliziumoxid, in die Oxidschicht 5 eingeätzt.
Abschließend wird die Fotomaske wieder entfernt.
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Eine
weitere Alternative bietet ein Verfahren, bei dem mittels Fotolithographie
eine Fotomaske aufgebracht wird, und die Nut 19 mittels
einer Kombination aus einem isotropen nasschemischen und einem isotropen
trockenchemischen Ätzvorgang in die Oxidschicht 5 eingeätzt
wird. Der nasschemische Ätzvorgang kann beispielsweise
unter Verwendung von mit Ammoniumfluorid gepufferter Flusssäure
(BHF) ausgeführt werden. Für den trockenchemischen Ätzvorgang
kann beispielsweise ein Verfahren, wie das Deep Reactive Ion Etching
(DRIE) verwendet werden. Bei diesem Verfahren wird ein hoch reaktives
Gas, z. B. SF6, in einen Reaktor eingeleitet,
in dem sich der Drucksensor befindet. Durch Erzeugen eines energiereichen
Hochfrequenzplasmas und Beschleunigung der Ionen in einem elektrischen
Feld wird eine isotrope chemische und eine physikalische Ätzreaktion
ausgelöst. Abschließend wird auch hier die Fotomaske
entfernt.
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Während
die Oxidschicht 5 bei herkömmlichen Drucksensoren
im Bereich der Membran 15 vollständig entfernt
wird, wird bei dem erfindungsgemäßen Drucksensor
und bei dessen Herstellverfahren der von der Nut 19 eingefasste
Bereich 21 der Oxidschicht 5 bewusst erhalten.
Dieser Bereich 21 bewirkt eine deutliche Reduzierung des
Linearitätsfehlers L des Drucksensors. Dies ist nachfolgend
anhand von Finite-Elemente Berechnungen für drei verschiedene
Drucksensoren dargestellt. 7 zeigt
die relativen Linearitätsfehler L1, L2, L3 in % für
die drei Drucksensoren in Abhängigkeit von einem darauf
einwirkenden auf einen über den Messbereich des Drucksensors
auf –1 bis 1 normierten Druck p. Alle drei Drucksensoren
sind bis auf die Dicke Oxidschicht 5 im Bereich der Membran 15 identisch
aufgebaut, und weisen eine Membrandicke von 20 μm auf.
Den Berechnungen wurde die in den 4 und 6 dargestellte
Bauform zugrunde gelegt.
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Der
erste Drucksensor weist im Bereich der Membran 15 keine
Oxidschicht auf. Der Verlauf des für diesen Drucksensor
berechneten Linearitätsfehler 11 ist in 7 durch
rautenförmige Messpunkte dargestellt.
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Bei
dem zweiten Drucksensor wurde der von der Nut 19 eingefasste
Bereich 21 der Oxidschicht 5 bewusst erhalten,
und weist eine Dicke von 1 μm auf. Der Verlauf des für
diesen Drucksensor berechneten Linearitätsfehler 12 ist
in 7 durch quadratische Messpunkte dargestellt.
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Bei
dem dritten Drucksensor wurde der von der Nut 19 eingefasste
Bereich 21 der Oxidschicht 5 ebenfalls bewusst
erhalten, und weist eine Dicke von 2 μm auf. Der Verlauf
des für diesen Drucksensor berechneten Linearitätsfehler 13 ist
in 7 durch dreieckige Messpunkte dargestellt.
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Ein
Vergleich der Verläufe der Linearitätsfehler L
der drei Drucksensoren, ergibt dass bereits bei einer Oxidschichtdicke
von 1 μm eine deutliche Reduzierung des Linearitätsfehlers
eintritt. Eine Erhöhung der Oxidschichtdicke auf 2 μm
führt zu einer weiteren Reduzierung. Zugleich bewirkt die
auf der Membranunterseite vorgesehene Nut
19 eine Erhöhung
der Empfindlichkeit des Drucksensors, da die Nut
19 eine
Konzentrierung der druckabhängigen mechanischen Spannungen
auf die piezoresistiven Elemente
9 bewirkt. Erfindungsgemäß wird
damit zugleich eine Erhöhung der Empfindlichkeit und eine
Reduzierung des Linearitätsfehlers bewirkt.
| 1 | erste
Siliziumschicht |
| 3 | zweite
Siliziumschicht |
| 5 | Oxidschicht |
| 7 | Aktivschicht |
| 9 | piezoresistive
Elemente |
| 11 | Membranträger |
| 13 | Ausnehmung |
| 15 | Membran |
| 17 | Mantelfläche |
| 19 | Nut |
| 21 | Bereich
der Oxidschicht |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 2005/0274191
A [0008]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Jahr 2000
im Journal of Micromechanical Engineering, Band 10, Seite 204 bis
208, erschienenen Artikel: 'Optimized technology for the fabrication
of piezoresistive Pressure sensors', von A. Merlos, J. Santander, M.D.
Alvares und F. Campabadal [0005]