DE102010031197A1 - Micro-electromechanical piezoresistive pressure sensor for use in motor car, has membrane arranged at insulating layer opposite side to piezoresistors and conductive paths that include metal contacts for detecting deformation of membrane - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoresistiven Drucksensor sowie ein Verfahren zum Herstellen eines piezoresistiven Drucksensors.The present invention relates to a piezoresistive pressure sensor and to a method for producing a piezoresistive pressure sensor.
Stand der TechnikState of the art
Es sind bereits elektromechanische Systeme (MEMS) bekannt, die als Beschleunigungs- und Drucksensoren ausgeführt sind.There are already known electromechanical systems (MEMS), which are designed as acceleration and pressure sensors.
Die meisten MEMS-Drucksensoren arbeiten nach dem gleichen primären Funktionsprinzip, wonach eine Druckdifferenz über einer dünnen Membran zu deren Deformation führt. Für die messtechnische Erfassung der zu der Druckdifferenz proportionalen Membrandeformation hat sich eine piezoresistive Auswertung bewährt. Dabei wird der hohe piezoresistive Effekt von Silizium ausgenutzt, um den mechanischen Verspannungszustand der Membran bzw. der Piezowiderstände auf der Membran in eine elektrisch auswertbare Größe umzuwandeln.Most MEMS pressure sensors operate on the same primary principle of operation, where a pressure difference across a thin membrane results in their deformation. A piezoresistive evaluation has proven itself for the metrological detection of the membrane deformation proportional to the pressure difference. In this case, the high piezoresistive effect of silicon is utilized in order to convert the mechanical stress state of the membrane or piezoresistors on the membrane into an electrically evaluable size.
Da der piezoresistive Effekt in p-dotiertem Silizium höher ist als in n-dotiertem Silizium, können die Piezoresistoren in der Regel als p+-dotierte Bereiche einer sogenannten n-Wanne per Dotierung angelegt werden. Eine oftmals angewandter Betriebstemperatur eines derartigen Sensors liegt in einem Bereich von ungefähr 150°C. Für höhere Temperaturen, etwa bis ungefähr 500°C, lassen sich piezoresistive Drucksensoren verwenden, die in SOI (Silicon an Insulator) Technologie hergestellt werden. Die Membranen von mikromechanischen Drucksensoren sind dabei typischerweise 10–100 μm stark.Since the piezoresistive effect in p-doped silicon is higher than in n-doped silicon, the piezoresistors can generally be applied as p + -doped regions of a so-called n-well by doping. A frequently used operating temperature of such a sensor is in a range of about 150 ° C. For higher temperatures, up to about 500 ° C, piezoresistive pressure sensors made using SOI (Silicon to Insulator) technology can be used. The membranes of micromechanical pressure sensors are typically 10-100 microns thick.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein piezoresistiver Drucksensor, umfassend ein Siliziumsubstrat, an dem eine eine Membran ausbildende Siliziumcarbidschicht angeordnet ist, wobei ferner auf der der Siliziumcarbidschicht entgegengesetzten Seite des Siliziumsubstrats eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet ist, an deren der Membran entgegengesetzten Seite Piezowiderstände und Leiterbahnen mit Metallkontakten zum piezoresistiven Erfassen einer druckbewirkten Deformation der Membran angeordnet sind.The present invention is a piezoresistive pressure sensor, comprising a silicon substrate to which a silicon carbide layer forming a membrane is arranged, wherein further on the silicon carbide layer on the opposite side of the silicon substrate, an electrically insulating layer is disposed on the diaphragm opposite side piezoresistors and interconnects Metal contacts for piezoresistive detection of a pressure-induced deformation of the membrane are arranged.
Erfindungsgemäß ist somit ein Siliziumsubstrat vorgesehen, dass dem Drucksensor als Grundkörper auch bei hohen Temperaturen eine ausreichende Stabilität verleiht. Als Membran dient eine Siliziumcarbid(SiC)-Schicht, die an dem Substrat angeordnet ist. Das Substrat weist daher eine Aussparung auf, in der die Siliziumcarbidschicht als Membran elastisch deformierbar ist, um auf einen Druck zu reagieren.According to the invention, a silicon substrate is thus provided which gives the pressure sensor as the base body sufficient stability even at high temperatures. The membrane is a silicon carbide (SiC) layer, which is arranged on the substrate. The substrate therefore has a recess in which the silicon carbide layer is elastically deformable as a membrane to react to a pressure.
Die Siliziumcarbidschicht des erfindungsgemäßen piezoresisitven Drucksensors verhält sich auch in einer als Membran verwendbaren Dicke bis über 1000°C elastisch. Es lassen sich daher Siliziumcarbid-Sensoren herstellen, die Einsatztemperaturen von weit über 500°C erlauben. Da erfindungsgemäß das Siliziumcarbid keine elektrische Funktion, sondern ausschließlich eine mechanische Funktion aufweist, kann auf kostenintensive monokristalline Siliziumcarbid-Wafer verzichtet werden. Denn die Waferkosten von monokristallinem Siliziumcarbid sind beispielsweise ca. 200 mal höher als bei Silizium.The silicon carbide layer of the piezoresistive pressure sensor according to the invention behaves elastically in a usable thickness as a membrane to over 1000 ° C. It is therefore possible to produce silicon carbide sensors which allow operating temperatures of well over 500 ° C. Since, according to the invention, the silicon carbide has no electrical function but only a mechanical function, it is possible to dispense with expensive monocrystalline silicon carbide wafers. For example, the wafer costs of monocrystalline silicon carbide are about 200 times higher than silicon.
Der erfindungsgemäße Drucksensor bietet daher den Vorteil, dass er für zahlreiche Anwendungsgebiete von Drucksensoren einsetzbar ist, insbesondere für Anwendungen in einem Kraftfahrzeug, die sehr hohe Einsatztemperaturen erfordern. Dies ist beispielsweise bei Zylinderdruckmessungen oder Druckmessungen entlang der Abgasstrecke der Fall, die für die Erfüllung zukünftiger Abgasnormen, notwendig werden können. Die hier am Drucksensorelement vorherrschenden Temperaturen erreichen Werte von ca. 600°C für die Zylinderdruckmessung und sogar 1100°C für die Druckmessung am Abgaskrümmer.The pressure sensor according to the invention therefore has the advantage that it can be used for numerous fields of application of pressure sensors, in particular for applications in a motor vehicle, which require very high operating temperatures. This is the case, for example, with cylinder pressure measurements or pressure measurements along the exhaust gas line, which may be necessary for the fulfillment of future emission standards. The temperatures prevailing here on the pressure sensor element reach values of about 600 ° C for the cylinder pressure measurement and even 1100 ° C for the pressure measurement at the exhaust manifold.
Durch die elektrisch isolierende Schicht unter den Piezowiderständen werden ferner Leckströme nahezu vollständig vermieden. Die isolierende Schicht beeinträchtigt die Verformbarkeit der Membran dabei nicht oder nur kaum.Furthermore, leakage currents are almost completely avoided by the electrically insulating layer under the piezoresistors. The insulating layer does not affect the deformability of the membrane or hardly.
Das Vorsehen einer Membran aus Siliziumcarbid hat ferner den Vorteil, dass Siliziumcarbid in Vergleich zu reinem Silizium einen deutlich verminderten Alterungseffekt zeigt. Die Langlebigkeit der Membran und des Sensors kann dadurch stark erhöht werden.The provision of a membrane made of silicon carbide has the further advantage that silicon carbide shows a significantly reduced aging effect compared to pure silicon. The longevity of the membrane and the sensor can be greatly increased.
Mit dem erfindungsgemäßen piezoresistiven Drucksensor wird es daher möglich, mikro-elektromechanische Drucksensoren für einen Einsatz bei Temperaturen von weit mehr als 500°C kostengünstig herzustellen.With the piezoresistive pressure sensor according to the invention, it is therefore possible to inexpensively produce micro-electro-mechanical pressure sensors for use at temperatures of far more than 500 ° C.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Siliziumcarbidschicht eine Dicke von 1 μm bis 20 μm auf. In dieser Dicke hat die Siliziumcarbidschicht eine ausreichende Stabilität, um auch bei hohen Temperaturen nicht ungewollt verformt, beziehungsweise auf andere Art negativ beeinträchtigt zu werden. Darüber hinaus ist eine elastische Verformung im gesamten Temperaturbereich, insbesondere von Raumtemperatur bis zu 1000°C möglich, so dass die Membran hinreichend empfindlich ist. Bevorzugt kann der erfindungsmäße Drucksensor so in Druckbereichen von 1 bar bis 5000 bar eingesetzt werden.In a preferred embodiment, the silicon carbide layer has a thickness of 1 .mu.m to 20 .mu.m. In this thickness, the silicon carbide layer has sufficient stability, so as not to be unintentionally deformed even at high temperatures, or negatively affected in another way. In addition, an elastic deformation in the entire temperature range, in particular from room temperature up to 1000 ° C is possible, so that the membrane is sufficiently sensitive. Preferably, the pressure sensor according to the invention can thus be used in pressure ranges from 1 bar to 5000 bar.
Im Rahmen einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Siliziumcarbidschicht aus polykristallinem Siliziumcarbid (poly-SiC) ausgebildet. Eine derartige Schicht ist beispielsweise in einem CVD-Verfahren sehr kostengünstig herstellbar. In a further advantageous embodiment, the silicon carbide layer of polycrystalline silicon carbide (poly-SiC) is formed. Such a layer can be produced very inexpensively, for example, in a CVD process.
Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die Piezowiderstände und die Leiterbahnen aus p+-dotiertem Silizium ausgebildet. Dadurch ist der piezoresistive Effekt der Widerstände besonders hoch. Beispielsweise ist der piezoresistive Effekt in p-dotiertem Silizium höher als in n-dotiertem Silizium. P+-dotiert im Rahmen der Erfindung bedeutet, dass Fremdatome, beziehungsweise Störstellen, insbesondere in einer Menge von zwischen 0,1 ppb und 100 ppm in das Siliziumgitter eigebracht werden. Diese Fremdatome verändern gezielt die Eigenschaften des Ausgangsmaterials. Bei p+-dotiertem Silizium werden dreiwertige Elemente, die sogenannten Akzeptoren, in das Siliziumgitter eingebracht und ersetzen dafür vierwertige Silizium-Atome. Es entsteht somit eine positive Lücke, auch Loch oder Defektelektron genannt.In the context of a further preferred embodiment, the piezoresistors and the conductor tracks are formed from p + -doped silicon. As a result, the piezoresistive effect of the resistors is particularly high. For example, the piezoresistive effect is higher in p-doped silicon than in n-doped silicon. P + doped in the context of the invention means that impurities or impurities, in particular in an amount of between 0.1 ppb and 100 ppm, are added to the silicon lattice. These foreign atoms specifically alter the properties of the starting material. For p + -doped silicon, trivalent elements, the so-called acceptors, are introduced into the silicon lattice and replace tetravalent silicon atoms. It thus creates a positive gap, also called hole or defect.
Erfindungsgemäß ist es ferner vorteilhaft, wenn die elektrisch isolierende Schicht aus Siliziumdioxid (SiO2) ausgebildet ist. Siliziumdioxid ist auch bei hohen Temperaturen ein geeigneter Isolator und kann somit in dem gesamten gewünschten Temperaturbereich Leckströme wirksam reduzieren beziehungsweise verhindern.According to the invention, it is also advantageous if the electrically insulating layer is formed from silicon dioxide (SiO 2 ). Silica is a suitable insulator even at high temperatures and can thus effectively reduce or prevent leakage currents in the entire desired temperature range.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines piezoresistiven Drucksensors umfassend die Schritte:
- – Verwenden eines Siliziumsubstrats, das von einem Siliziumfilm durch eine elektrisch isolierende Schicht getrennt ist;
- – Strukturieren des Siliziumfilms zur Erzeugung von Piezowiderständen und Leiterbahnen;
- – Teilweises Entfernen des Siliziumsubstrats bis zur elektrisch isolierenden Schicht zur Erzeugung einer Membrangeometrie;
- – Abscheiden einer Siliziumcarbidschicht an der Membrangeometrie;
- – Anordnen von Metallkontakten an den Leiterbahnen.
- Using a silicon substrate separated from a silicon film by an electrically insulating layer;
- - structuring the silicon film to produce piezoresistors and tracks;
- - Partial removal of the silicon substrate to the electrically insulating layer to produce a membrane geometry;
- - depositing a silicon carbide layer on the membrane geometry;
- - Arranging metal contacts on the conductor tracks.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können piezoresistive Drucksensoren besonders einfach hergestellt werden, so dass mit den hergestellten Sensoren die erfindungsgemäßen und mit Bezug auf den Sensor beschriebenen Vorteile erzielbar sind.With the method according to the invention, piezoresistive pressure sensors can be produced in a particularly simple manner, so that the sensors according to the invention and described with reference to the sensor can be achieved with the sensors produced.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Strukturieren des Siliziumfilms durch reaktives Ionenätzen (RIE) erfolgt. Beim reaktiven Ionenätzen wird zwischen zwei Elektroden durch Hochfrequenz in einem Vakuum über einem Ätzgas ein Plasma gezündet. Das Silizium, welches dem Plasma ausgesetzt ist, wird durch Ionenbeschuss geätzt. Ferner kann eine chemische Reaktion des Siliziums mit dem Ätzgas stattfinden. Diese beiden Ätzanteile lassen sich gezielt zur Steuerung des Ätzvorgangs nutzen.It is particularly advantageous if the structuring of the silicon film by reactive ion etching (RIE) takes place. In reactive ion etching, a plasma is ignited between two electrodes by high frequency in a vacuum over an etching gas. The silicon exposed to the plasma is etched by ion bombardment. Furthermore, a chemical reaction of the silicon with the etching gas take place. These two Ätzanteile can be specifically used to control the etching process.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Entfernen des Siliziumsubstrats durch KOH-Ätzen. Bei einem derartigen anisotropen Ätzvorgang wird das Silizium als Hydroxy-Komplex aus dem Substrat herausgelöst, wobei ein sehr homogener Vorgang mit hohen Ätzraten erzielbar ist.As part of a further embodiment of the method according to the invention, the removal of the silicon substrate by KOH etching takes place. In such an anisotropic etching process, the silicon is dissolved out of the substrate as a hydroxy complex, whereby a very homogeneous process with high etching rates can be achieved.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Abscheiden der Siliziumcarbidschicht über eine PECVD-Siliziumcarbid-Abscheidung. Eine derartige plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (plasma enhanced chemical vapour deposition, PECVD) ist ein insbesondere zur Abscheidung von Siliziumcarbid verwendbares Verfahren, mit dem eine Siliziumcarbidschicht mit einer hohen Genauigkeit und homogener Dicke abscheidbar ist.In the context of a further embodiment of the method according to the invention, the deposition of the silicon carbide layer takes place via a PECVD silicon carbide deposition. Such a plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) is a method which can be used, in particular, for the deposition of silicon carbide, with which a silicon carbide layer can be deposited with high accuracy and homogeneous thickness.
Es ist ferner vorteilhaft, dass das Ausbilden der Metallkontakte durch Aufsputtern, beispielsweise mit einer Schattenmaske, erfolgt. Es erfolgt somit eine Deposition eines Metallfilms auf den Leiterbahnen, wobei die Geometrie der Metallkontakte durch die Schattenmaske steuerbar ist. Durch dieses Verfahren ist es möglich, das Metall besonders homogen auf dem Silizium abzuscheiden.It is also advantageous that the metal contacts are formed by sputtering, for example with a shadow mask. There is thus a deposition of a metal film on the conductor tracks, wherein the geometry of the metal contacts can be controlled by the shadow mask. By this method, it is possible to deposit the metal particularly homogeneously on the silicon.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigenFurther advantages and advantageous embodiments of the subject invention are illustrated by the drawings and explained in the following description. It should be noted that the drawings have only descriptive character and are not intended to limit the invention in any way. Show it
In den Figuren wird ein besonders bevorzugtes erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren für einen erfindungsgemäßen piezoresistiven Drucksensor gezeigt. Der erfindungsgemäße Drucksensor kann für jegliche Anwendung Verwendung finden. Insbesondere ist der erfindungsgemäße Drucksensor geeignet, um sehr genaue Druckmessungen bei hohen Temperaturen durchzuführen, wie etwa bei Kraftfahrzeuganwendungen, beispielsweise im Zylinderkopf oder im Abgasstrang, oder auch in der industriellen Messtechnik. Mit einem erfindungsgemäßen Sensor sind beispielsweise sowohl Relativdruckmessungen, als auch Absolutdruckmessungen möglich.In the figures, a particularly preferred inventive production method for a piezoresistive according to the invention Pressure sensor shown. The pressure sensor according to the invention can be used for any application. In particular, the pressure sensor according to the invention is suitable for performing very accurate pressure measurements at high temperatures, such as in automotive applications, for example in the cylinder head or in the exhaust system, or in industrial metrology. With a sensor according to the invention, for example, both relative pressure measurements and absolute pressure measurements are possible.
In
Das Siliziumsubstrat
Neben dem Siliziumsubstrat
Der Siliziumfilm
In
Die Strukturierung des Siliziumfilms
In
Unter dem teilweisen Entfernen des Siliziumsubstrats im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird verstanden, dass das Siliziumcarbid nur in x-Richtung bis zu der elektrisch isolierenden Schicht
In einem weiteren Verfahrensschritt gemäß
Dadurch, dass gemäß
In dem letzten Verfahrensschritt gemäß
Folglich ist in
Der erfindungsgemäße piezoresistive Druckensor umfasst somit ein Siliziumsubstrat
Wird auf den Sensor beziehungsweise auf die Membran
Die Widerstandsänderungen sind druckproportional, reversibel und elektronisch auswertbar. An die durch die Piezowiderstände
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