-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung geht aus von einem Sensor gemäß der
Gattung des Hauptanspruchs. Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 102 26 034 A1 sind
Sensoren bekannt, die aus zwei miteinander verbundenen Materialien
bestehen. Nachteilig bei den bekannten Sensoren ist jedoch, dass
die Bruchfestigkeit des Sensors von der kleinsten Bruchfestigkeit
der bei der Herstellung verwendeten Materialien abhängt.
Bei der Verwendung von Glas als ein mögliches Material
und Silizium als ein anderes Material ist beispielsweise die Bruchfestigkeit
des Sensors von der Bruchfestigkeit des Glases abhängig,
da die Bruchfestigkeit von Glas in der Regel geringer ist als die
Bruchfestigkeit des Siliziums.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Der
erfindungsgemäße Sensor gemäß dem Hauptanspruch
beziehungsweise den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche
hat demgegenüber den Vorteil, dass der auf den Sensor wirkende
mechanische Stress besser auf beide Materialien verteilt werden
kann, so dass die Bruchfestigkeit des Sensors insgesamt erhöht
wird. Hierzu weist der Sensor im Übergangsbereich zwischen
einem Substratmaterial und einem weiteren Material eine Nut auf. Durch
die Nut entsteht im Substratmaterial im Übergangsbereich
ein gedünnter Randsteg, der geringfügig elastisch
ist. Bei dem Auftreten von mechanischem Stress, beispielsweise in
Form von Druck, kann das Substratmaterial im Bereich des Randsteges
in Grenzen elastisch verformt werden und gleichzeitig wird durch
den elastischen Randsteg der mechanische Stress auf eine größere
Fläche im Übergangsbereich zwischen Substratmaterial
und weiterem Material verteilt. Mögliche Spannungsmaxima werden
so reduziert, wodurch die Bruchfestigkeit des Sensors erhöht
wird.
-
Bevorzugt
verläuft die Nut im wesentlichen parallel zu einer Grenzfläche
zwischen dem Substratmaterial und dem weiteren Material. Vorzugsweise liegt
die Öffnung der Nut in Richtung der ersten Ausnehmung des
Substratmaterials. Die Öffnungsgröße der
Nut im Substratmaterial (im folgenden auch Breite der Nut genannt),
die Tiefe der Nut und die Position der Nut im Bereich des Übergangsbereichs
im Substratmaterial sind dabei Einflussgrößen
zur Erhöhung der Bruchfestigkeit des Sensors. In Abhängigkeit
der Materialeigenschaften des weiteren Materials und des Substratmaterials
können die eben genannten Einflussgrößen
durch Simulationen variiert und so die Bruchfestigkeit des Sensors
maximiert werden.
-
Bevorzugt
steht der durch die Nut gebildete Randsteg aus Substratmaterial
oberhalb der zweiten Ausnehmung über das weitere Material
zumindest teilweise hinaus oder der gebildete Randsteg liegt im wesentlichen
im Übergangsbereich vollständig oder teilweise
auf dem weiteren Material auf. Selbstverständlich sind
auch beide Varianten in einem Sensor möglich, beispielsweise
bei einer runden Ausnehmung im weiteren Material und einer quadratischen Ausnehmung
im Substratmaterial.
-
Vorzugsweise
ist die erste Ausnehmung des Substratmaterials und die zweite Ausnehmung
des weiteren Materials ungleich groß oder die beiden Ausnehmungen
sind im wesentlichen gleich groß. Sowohl bei ungleichen
Größen der Ausnehmungen als auch bei gleich großen
Ausnehmungen kann das Substratmaterial mit dem Randsteg im Übergangsbereich
auf dem weiteren Material aufliegen oder der Randsteg ragt im Übergangsbereich über
dem weiteren Material hinaus. Im Fall von gleich großen
Ausnehmungen entstehen die zwei Möglichkeiten zur Lage
des Randsteges bezogen auf das weitere Material dadurch, dass die
beiden Ausnehmungen nicht genau übereinander positioniert
werden. Im wesentlichen unabhängig von den beiden möglichen
Lagen des Randstegs wird jedoch vorteilhaft die Bruchfestigkeit
des Sensors erhöht, wodurch eine genaue Justage der beiden
Ausnehmungen zueinander beziehungsweise des Substratmaterials zum
weiteren Material nicht notwendig ist. In vorteilhafter Weise wird
so die Designfreiheit des Sensors vergrößert,
da im Design der Ausnehmungen, beispielsweise bezogen auf die Flankensteilheit
und/oder die Größe der Ausnehmungen, weniger auf
die Vermeidung von beispielsweise Spannungsspitzen geachtet werden muss.
-
Bevorzugt
ist der Sensor ein Drucksensor und/oder das weitere Material Glas
und/oder das Substratmaterial Silizium. Der Sensor kann beispielsweise
Piezowiderstände und/oder Halbleiterschaltungen aufweisen,
wobei bevorzugt eine Platte aus Glas als weiteres Material anodisch
an das Silizium gebondet ist. In vorteilhafter Weise kann durch
die Nut selbst bei einem Sensor mit Glas als weiterem Material die
Bruchfestigkeit gegenüber einem Sensor mit gleichem Aufbau
aber ohne Nut erhöht werden. Bei einem Sensor mit Nut im
Substratmaterial und Glas als weiterem Material kann zudem vorteilhaft
ein Risswachstum im Glas unter erhöhten mechanischen Stress
vermieden oder verzögert werden, da das Stressmaximum im
Glas reduziert wird. Zudem können auch vorteilhaft mechanische
Spannungen, die beispielsweise durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten
des Substratmaterials und des weiteren Materials entstehen, durch
den Aufbau des Sensors mit Nut ausgeglichen werden. Die Auswirkungen
von auftretenden mechanischen Spannungen bei einer Temperatur-Hysterese
werden somit ebenfalls reduziert. Eine Temperatur-Hysterese tritt beispielsweise
auf, wenn beispielsweise die Unterseite des weiteren Materials durch
ein Lot oder einen Kleber in einem Gehäuse befestigt wird.
Das weitere Material kann beispielsweise Glas sein, wobei dann die
Glasunterseite in dem Gehäuse befestigt wird.
-
Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zur Herstellung eines Sensors, wobei die erste Ausnehmung im Substratmaterial
in einem wenigstens drei Teilschritte aufweisenden Trenchprozess
hergestellt wird. Bevorzugt können die Teilschritte des
Trenchprozesses zeitgesteuert und/oder durch die Verwendung von
Trenchstoppschichten im Substratmaterial gestoppt werden. Das Erreichen
einer gewünschten Zieltiefe innerhalb des Substratmaterials
kann beispielsweise mittels einer In-Situ-Tiefenmessung verfolgt
werden.
-
Bevorzugt
wird im Verfahren zur Herstellung des Sensors auf dem Substratmaterial
eine Maske aufgetragen beziehungsweise erzeugt. In einem ersten
Teilschritt des Trenchprozesses wird dann eine Ausnehmung mit einer
ersten Breite und einer ersten Tiefe im Substratmaterial gebildet.
Die Bildung der Ausnehmung kann beispielsweise durch einen oder einer
Mehrzahl von isotropen Plasmaätzschritten erfolgen. Die
Maskenschicht besteht bevorzugt aus einem Oxid oder einem Lack.
-
Vorzugsweise
erfolgt in einem zweiten Teilschritt des Trenchprozesses, ausgehend
von dem Boden der bereits gebildeten Ausnehmung, eine Ätzung
in Richtung der Hauptausdehnungsrichtung des Substratmaterials.
In dem zweiten Teilschritt wird die erste Tiefe der bereits gebildeten
Ausnehmung bevorzugt nur geringfügig vergrößert.
Die erste Breite der bereits gebildeten Ausnehmung wird jedoch in Teilbereichen
(Bodenbereich) der bereits gebildeten Ausnehmung durch den zweiten
Teilschritt zu einer zweiten Breite vergrößert.
-
Bevorzugt
wird in einem dritten Teilschritt des Trenchprozesses die bereits
gebildete Aussparung durch einen Ätzschritt bis zu einer
zweiten Tiefe verlängert, wobei die Ätzung von
der ersten Breite der bisher gebildeten Aussparung ausgeht. Es wird
somit nur Substratmaterial im Bereich der ersten Breite und bis
zur zweiten Tiefe entfernt. Nach dem dritten Teilschritt des Trenchprozesses
ist so die erste Aussparung mit Nut entstanden. Besonders bevorzugt
wird durch die Entfernung des Substratmaterials bis zur zweiten
Tiefe im dritten Teilschritt des Trenchprozesses eine Membran ausgebildet.
Die Dicke der Membran kann durch die Wahl der zweite Tiefe variabel gestaltet
werden.
-
Vorzugsweise
wird nach dem dritten Teilschritt des Trenchprozesses die Maske
von dem Substratmaterial entfernt und das weitere Material mit der
zweiten Ausnehmung so mit dem Substratmaterial verbunden, dass eine
im wesentlichen durchgehende Lücke zwischen der ersten
Ausnehmung und der zweiten Ausnehmung gebildet wird. Wie bereits
beschrieben, kann die Verbindung zwischen dem Substratmaterial und
dem weiteren Material beispielsweise durch Bonden erfolgen.
-
Der
erfindungsgemäße Sensor mit den in den Unteransprüchen
beschriebenen Ausführungsbeispielen wird insbesondere zur
Druckmessung verwendet.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
-
1 stellt
schematisch einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen
Sensors im Vergleich mit einem herkömmlichen Sensor dar.
-
2 stellt
schematisch den erfindungsgemäßen Sensor mit Nut
dar.
-
3A bis 3F stellen
schematisch ein Verfahren zur Herstellung des Sensors mit Nut dar.
-
4A bis 4C stellen
schematisch Verformungen in Sensoren durch mechanischen Stress dar.
-
Ausführungsform(en) der Erfindung
-
In
der 1 ist schematisch ein Ausschnitt eines erfindungsgemäßen
Sensors 13 und einem herkömmlichen Sensor nach
dem Stand der Technik dargestellt. Der Sensor 13 weist
eine Nut 6 in einem Substratmaterial 1 auf, wodurch
mechanischer Stress im Bereich 14 auf das weitere Material 2 verteilt
wird. Der herkömmliche Sensor im rechten Teil der 1 weist
keine Nut 6 auf. Der mechanische Stress wird im herkömmlichen
Sensor im Bereich 14' auf das weitere Material 2 verteilt
beziehungsweise übertragen. Der Bereich 14 ist
jedoch durch die Nut 6 größer als der
Bereich 14', wodurch kleinere Spannungsmaxima auf das weitere
Material 2 verteilt werden als bei dem Bereich 14'.
Somit wird das weitere Material 2 bei einem Sensor 13 mit
Nut 6 bei gleichem mechanischen Stress weniger belastet
als bei einem herkömmlichen Sensor. Der Sensor 13 mit
Nut 6 weist hierdurch eine höhere Bruchfestigkeit
auf als der herkömmliche Sensor ohne Nut 6.
-
In
der 2 ist schematisch der Sensor 13 dargestellt,
wobei in einem Übergangsbereich 3 die Nut 6 im
Substratmaterial 1 ausgebildet ist. Durch die Nut 6 wird
ein Randsteg 7 gebildet, der aus Substratmaterial 1 besteht.
Der Randsteg 7 ist auf Grund seiner geringen Dicke geringfügig
elastisch. Die Nut 6 beziehungsweise der Randsteg 7 können
elastisch verformt werden. Die Bereiche, an denen das Substratmaterial 1 auf
dem weiteren Material 2 aufliegt, können somit
höher belastet werden, wodurch die Bruchfestigkeit des
Sensors 13 im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren
ohne Nut 6 erhöht wird.
-
In
den 3A bis 3F ist
schematisch ein Herstellungsverfahren des Sensors 13 dargestellt,
wobei das weitere Material 2 bereits eine zweite Ausnehmung 5 aufweist
und die Herstellung der zweiten Ausnehmung 5 im weiteren
Material 2 nicht dargestellt wird. In der 3A ist
schematisch dargestellt, dass auf das Substratmaterial 1 eine
nicht durchgehende Maske 9 aufgetragen ist. Bei einem ersten
Teilschritt (3B) des dreischrittigen Trenchprozesses
wird eine Ausnehmung 4' mit einer ersten Tiefe 11 und
einer ersten Breite 10 (3C) an
den nicht maskierten Stellen im Substratmaterial 1 gebildet.
In einem zweiten Teilschritt (3C) erfolgt
eine Ätzung in Richtung der horizontalen Hauptausdehnungsrichtung
des Substratmaterials 1, wodurch die erste Breite 10 der
Ausnehmung 4' in Teilbereichen 15 vergrößert
wird. Durch die Ätzung in Richtung der Hauptausdehnungsrichtung
des Substratmaterials 1 wird so der Randsteg 7 gebildet,
wobei die erste Tiefe 11 bevorzugt nur geringfügig
vergrößert wird. Die Dicke des Randstegs 7 ist
dabei abhängig davon, in welcher ersten Tiefe 11 der
erste Trenchschritt stoppt. Die Breite der zu bildenden Nut 6 ist
davon abhängig, um wie viel sich die erste Tiefe 11 im
zweiten Teilschritt des Trenchprozesses vergrößert.
In der 3D ist durch einen dritten Teilschritt
die erste Ausnehmung 4 erzeugt worden. Die erste Ausnehmung 4 weist
gegenüber der Ausnehmung 4' eine größere
Tiefe auf, die auch als zweite Tiefe 12 bezeichnet wird.
Die Ätzung im dritten Teilschritt erfolgt bevorzugt so,
dass die erste Breite 10 der Ausnehmung 4' im
wesentlichen nicht verändert wird. Somit wird bevorzugt
die Tiefe der Teilbereiche 15 nicht weiter durch den dritten
Teilschritt verändert. Durch den dritten Teilschritt wird
bevorzugt eine Membran gebildet, wobei die Dicke der Membran abhängig
ist von der zweiten Tiefe 12 der ersten Ausnehmung 4.
In der 3E ist das weitere Material 2 mit
der zweiten Ausnehmung 5 in Verbindung mit dem Substratmaterial 1 dargestellt.
Die Verbindung erfolgt beispielsweise durch Bonden. Im Ausführungsbeispiel
ist die erste Ausnehmung 4 größer als
die zweite Ausnehmung 5. Selbstverständlich kann
auch die zweite Ausnehmung 5 größer als
die erste Ausnehmung 4 sein oder die Ausnehmungen 4, 5 sind
gleich groß. In der 3F sind
die einzelnen Sensoren 13 dargestellt, wobei hierfür
das Substratmaterial 1 und das weitere Material 2 an
geeigneten Stellen vereinzelt wurden.
-
In
den 4A bis 4C ist
schematisch ein Ausschnitt des Übergangsbereichs 3 bei
herkömmlichen Sensoren und Sensoren 13 mit Nut 6 dargestellt.
Jeweils im oberen Teil der 4A bis 4C sind
herkömmliche Sensoren ohne Nut 6 dargestellt.
Im unteren Teil der 4A bis 4C sind Sensoren 13 mit
Nut 6 dargestellt. In der 4A wirkt
keine Kraft auf den herkömmlichen Sensor und den Sensor 13 mit
Nut 6. Ohne Krafteinwirkung wird die Nut 6 beziehungsweise
der Randsteg 7 im wesentlichen nicht verformt. In der 4B steht
das Substratmaterial 1 beziehungsweise der Randsteg 7 über
dem weiteren Material 2 über. Bei einer Krafteinwirkung
(gekennzeichnet mit einem F, wobei der Pfeil die Richtung der Kraft
angibt) wird das weitere Material 2 im herkömmlichen
Sensor durch die auftretenden mechanischen Spannungen verformt.
Wird beispielsweise Glas als weiteres Material 2 verwendet, so
bricht das Glas in der Regel bei einer so dargestellten Verformung.
Im unteren Bereich der 4B verformt sich hingegen der
elastische Randsteg 7. Das weitere Material 2 wird
im wesentlichen nicht verformen, wodurch die Gefahr der Beschädigung des
weiteren Materials 2 und somit des Sensors 13 verringert
wird. In der 4C liegt das Substratmaterial 1 beziehungsweise
der Randsteg 7 im wesentlichen vollständig im Übergangsbereich 3 auf
dem weiteren Material 2 auf. Wirkt eine Kraft (dargestellt mit
einem F, wobei die Richtung der Kraft durch den Pfeil gekennzeichnet
ist) auf den herkömmlichen Sensor, so verformt sich auch
hier das weitere Material 2, wenn keine Nut 6 im
Substratmaterial 1 vorhanden ist. Auch hier wird das weitere
Material 2 beschädigt, wenn die Elastizität,
beziehungsweise die Verformbarkeit, des weiteren Materials 2 überschritten wird.
Im unteren Teil der 4C ist unter der gleichen Krafteinwirkung
der Sensor 13 mit Nut 6 dargestellt. Bei dem Sensor 13 verformt
sich im wesentlichen nur die Nut 6 beziehungsweise der
elastische Randsteg 7, das weitere Material 2 wird
im Sensor 13 mit Nut 6 im wesentlichen nicht oder
nur kaum verformt. Somit wird auch bei dieser Anordnung des Randstegs 7 zum
weiteren Material 2 die Bruchfestigkeit des Sensors 13 vorteilhaft
erhöht.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-