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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Drucksensorelementen,
ausgehend von einem Metallträger, in dessen Rückseite
Sacköffnungen zum Freilegen von Sensormembranen eingebracht
werden und auf dessen Vorderseite eine Isolationsschicht und eine
resistive Dünnschicht aufgebracht werden, bevor die Drucksensorelemente
vereinzelt werden.
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Derartige
Drucksensorelemente mit einer Metallmembran können in einem
weiten Druckbereich von beispielsweise 10 bis 3000 bar eingesetzt werden.
Die Druckbeaufschlagung der Sensormembran erfolgt hier über
die rückwärtige Sacköffnung. Die dadurch
bedingte Auslenkung der Sensormembran wird mit Hilfe von Schaltungselementen
erfasst, die auf der Vorderseite der Membran angeordnet und in der
resistiven Dünnschicht ausgebildet sind.
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Gegenstand
der deutschen Patentschrift
DE 197
36 306 ist die Herstellung derartiger Drucksensorelemente
im Mehrfachnutzen. Das bekannte Verfahren geht von einem Metallträger
aus, dessen Rückseite bearbeitet wird, um eine Vielzahl
von Sensorstrukturen zu erzeugen. Auf die unstrukturierte Vorderseite
des Metallträgers wird ein Dünnschichtaufbau mit
einer resistiven Funktionsschicht aufgebracht, in der dann Schaltungselemente
zur Signalerfassung und ggf. -auswertung ausgebildet werden. Erst
danach erfolgt die Vereinzelung der Drucksensorelemente, beispielsweise
durch Sägen, Laserstrahlschneiden oder Wasserstrahlschneiden.
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In
der Praxis wird die Vorderseite des Metallträgers zuerst
mit einer geschlossenen Isolationsschicht versehen, auf der dann
die folgenden Schichten des Dünnschichtaufbaus abgeschieden
werden. Die Funktionsschicht kann beispielsweise in Form einer NiCr-
oder NiCrSi-Schicht realisiert werden. Des Weiteren umfasst der
Dünnschichtaufbau häufig eine Kontaktschicht,
z. B. aus NiCr/Pd/Au, und eine Passivierungsschicht, z. B. aus SiN.
Die Isolationsschicht besteht typischerweise aus einem glasartigen
Material, wie SiOx, ist einige μm dick und steht unter
kompressivem Stress. Dadurch bedingt, kommt es beim Vereinzeln der
Drucksensorelemente häufig zu einem Abplatzen der Isolationsschicht
im Bereich der Schnittkanten. Dies führt zu einem relativ
hohen Ausschuss bei der Produktion der Drucksensorelemente. Aber
selbst wenn die Funktionsfähigkeit eines betroffenen Drucksensorelements
zunächst nicht beeinträchtigt ist, kann sich die
unsauber abgebrochene Kante der Isolationsschicht negativ auf die
Lebensdauer des Sensorelements auswirken. Das Ausmaß dieses
Abplatzens ist vom Vereinzelungsverfahren, von der Schichtspannung
und von der Schichthaftung der Isolationsschicht abhängig
und deshalb nur schwer kontrollierbar.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit
der vorliegenden Erfindung werden Maßnahmen vorgeschlagen,
durch die ein unkontrolliertes flächiges Abplatzen der
Isolationsschicht beim Vereinzeln der Drucksensorelemente vermieden wird.
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Dies
wird erfindungsgemäß durch eine indirekte oder
direkte Strukturierung der Isolationsschicht entsprechend den Konturen
der Drucksensorelemente erreicht. Im Fall der indirekten Strukturierung
wird die Vorderseite des Metallträgers vor dem Aufbringen
der Isolationsschicht entsprechend den Konturen der zu vereinzelnden
Drucksensorelemente strukturiert. Dementsprechend bildet sich in
der anschließend aufgebrachten geschlossenen Isolationsschicht
im Randbereich der Drucksensorelemente eine Krümmung mit
einer teilweise geringeren Schichtdicke aus, die beim Vereinzeln
der Drucksensorelemente als Sollbruchstelle fungiert.
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Alternativ
dazu kann auch die Isolationsschicht selbst entsprechend den Konturen
der zu vereinzelnden Drucksensorelemente strukturiert werden. In
diesem Fall bleibt die Vorderseite des Metallträgers plan
und somit kompatibel mit den üblichen Standard-Halbleiterprozessen,
wie z. B. Spincoating von Photolack.
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An
dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Strukturierung der
Isolationsschicht im Rahmen der hier in Rede stehenden Erfindung
auch ergänzend zur Vorderseitenstrukturierung des Metallträgers
vorgenommen werden kann.
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Bei
der Strukturierung der Vorderseite des Metallträgers werden
Gräben bzw. Nuten entlang der Schnittkanten der zu vereinzelnden
Drucksensorelemente erzeugt. Die Querschnittsform dieser Gräben bzw.
Nuten hängt im Wesentlichen davon ab, ob ein chemisches
oder mechanisches Strukturierungsverfahren angewendet wird und im
Falle eines mechanischen Strukturierungsverfahrens, welche Werkzeuge eingesetzt
werden. Besonders einfach lassen sich Gräben bzw. Nuten
mit V-förmigem, rechteckigem oder halb-elliptischem Querschnitt
erzeugen. Dafür kommen bevorzugt mechanische Verfahren,
wie Fräsen und Schleifen, in Frage sowie Erodieren und
Formätzen als chemisches Verfahren.
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Die
Isolationsschicht kann einfach mit Hilfe einer photolithographisch
strukturierten Ätzmaske in einem trocken- oder nasschemischen Ätzprozess strukturiert
werden, wobei die Querschnittsform des resultierenden Ätzgrabens
von der Art des Atzverfahrens abhängt. In einem trockenchemischen Ätzprozess
entstehen vorwiegend Ätzgräben mit einem rechteckigen
Querschnitt, während in einem nasschemischen Ätzprozess
eher V-nutförmige Ätzgräben erzeugt werden.
Ein wesentlicher Vorteil einer solchen trocken- oder nasschemischen
Strukturierung der Isolationsschicht gegenüber einer mechanischen
Strukturierung der Isolationsschicht und/oder des Metallträgers
ist, dass auch komplizierte Drucksensorgeometrien und die daraus
resultierenden Schnittmuster einfach realisiert werden können.
Eine strukturierte Isolationsschicht kann alternativ auch durch
eine Abscheidung mit Schattenmaskentechnik erzeugt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Wie
bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten,
die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und
weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die den unabhängigen
Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche
und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen.
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1 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung durch einen ersten Metallträger 10 mit
Isolationsschicht,
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2a–c
zeigen Schnittdarstellungen von drei Metallträgern 10, 20, 30 mit
strukturierter Vorderseite, und
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3a–c
zeigen drei Schnittmuster 40, 50, 60 für
die erfindungsgemäße Herstellung von Drucksensorelementen.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In 1 ist
ein Ausschnitt aus einem plattenförmigen Metallträger 10 dargestellt,
der im Folgenden auch als Nutzen bezeichnet wird. Der Metallträger 10 bildet
das Ausgangsmaterial für eine Massenfertigung von Drucksensorelementen
mit einer Metallmembran 11. Dazu wurden in der Rückseite
des Metallträgers 10 mit konventionellen Bearbeitungsverfahren
Sacköffnungen 12 erzeugt. Im hier dargestellten
Ausführungsbeispiel wurde neben der Rückseite
auch die Vorderseite des Metallträgers 10 strukturiert.
Durch Fräsen oder Schleifen wurden V-Nuten 13 in
die Vorderseite des Metallträgers 10 eingebracht,
die entlang der Schnittkanten der zu vereinzelnden Drucksensorelemente
verlaufen. Erst danach wurde eine geschlossene, glasartige Isolationsschicht 14 auf
die Vorderseite des Nutzens 10 aufgebracht, auf der dann
in Dünnschichttechnik piezoresistive Schaltungselemente
zur Signalerfassung realisiert werden sollen. Die Isolationsschicht 14 ist
entsprechend der Oberflächenstruktur des Metallträgers 10 im
Bereich 15 der Schnittkanten gekrümmt. Aufgrund
der Geometrie der V-Nuten 13 bildet die Krümmung
der Isolationsschicht 14 eine Sollbruchstelle, d. h. beim
Vereinzelungsprozess lässt sich die Isolationsschicht 14 hier
besonders einfach auftrennen ohne Abplatzungen oder Rissbildung.
Eine zusätzliche Strukturierung der Isolationsschicht 14 ist
in der Regel nicht erforderlich, kann aber je nach Dicke und Materialzusammensetzung
der Isolationsschicht dennoch sinnvoll sein.
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2a zeigt
nochmals den in 1 dargestellten Metallträger 10 mit
V-Nuten 13 vor dem Aufbringen der Isolationsschicht. Im
Vergleich dazu ist der Querschnitt der Gräben 23 in
der Vorderseite des Metallträgers 20 bei der in 2b dargestellten
Variante rechteckig. Sowohl die V-Nuten 13 als auch die Gräben 23 wurden
mechanisch durch Fräsen oder Schleifen erzeugt. Im Unterschied
dazu wurden die Gräben 33 in der Vorderseite des
in 2c dargestellten Metallträgers 30 chemisch
erzeugt, beispielsweise durch Erodieren. Deshalb sind diese Gräben 33 im
Querschnitt halb-oval.
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Die
in den 3a bis c dargestellten Schnittmuster 40, 50, 60 repräsentieren
drei verschiedene Anordnungen von Drucksensorelementen mit drei unterschiedlichen
Geometrien und veranschaulichen den erfindungsgemäßen
Aspekt der Massenfertigung. Die Drucksensorelemente 41 in 3a haben eine
quadratischen Oberseite und sind fortlaufend nebeneinander angeordnet,
so dass bei der Vereinzelung kein Abfall entsteht, wenn man vom
Randbereich des Metallträgers absieht. Dementsprechend bilden
die Konturen der Drucksensorelemente 41 ein Gitter mit
quadratischen Maschen. Diese Konturen können einfach in
einem mechanischen Verfahren, wie Fräsen oder Schleifen,
in die Oberfläche eines Metallträgers übertragen
werden. Im Fall der 3b ist die Oberseite der Drucksensorelemente 51 kreisrund.
Die Drucksensorelemente 51 sind voneinander beabstandet,
in zueinander versetzten Reihen angeordnet, so dass bei der Vereinzelung
ein beträchtlicher Teil des Metallträgers als
Abfall verbleibt. Auch die Konturen der Drucksensorelemente 51 können einfach
mechanisch in die Oberfläche eines Metallträgers übertragen
werden, im Gegensatz zu der in 3c dargestellten
Variante. Hier ist die Oberseite der Drucksensorelemente 61 8-eckig.
Die Sensorelemente 61 sind in aneinander grenzenden zueinander versetzten
Reihen angeordnet. Bei dieser Geometrie und Anordnung der Drucksensorelemente 61 empfiehlt
es sich, lediglich die Isolationsschicht entsprechend den Sensorelementkonturen
zu strukturieren, da eine solche Strukturierung trocken- oder nasschemisch
vorgenommen werden kann und sich mit diesen Verfahren gleichermaßen
einfach unterschiedlichste Grabenverläufe in der Isolationsschicht
erzeugen lassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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