DE102010038847A1 - Pressure sensor e.g. semiconductor pressure sensor has central cavity that is formed by etching in silicon membrane support, and is extended to measuring diaphragm - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor und ein Verfahren zu seiner Herstellung, insbesondere einen Halbleiterdrucksensor, welcher eine Messmembran und einen Membranträgerkörper aufweist, wobei die Messmembran und/oder der Membranträgerkörper Silizium umfasst. Der Membranträgerkörper trägt die Messmembran und weist eine durchgehende Kavität auf, welche durch die Messmembran verschlossen ist, die entlang eines umlaufenden Randes mit dem Membranträger verbunden ist, wobei die Kavität des Membranträgerkörpers den auslenkbaren Bereich der Messmembran definiert. Die Kavität des Membranträgerkörpers wird gewöhnlich in nasschemischen Ätzprozessen gefertigt, wobei die Steuerung der Ätztiefe über die Ätzzeit erfolgt. Um die Genauigkeit des Ätzergebnisses zu verbessern, kann die erreichte Ätztiefe gemessen und gegebenenfalls nachgeätzt werden. Durch Inhomogenitäten von Reaktanten in der Ätzlösung und Alterung der Ätzbäder treten allerdings Abweichungen in der Ätztiefe über die Waferoberfläche bzw. über die Zeit auf, die nur mit großem Aufwand kontrolliert werden können.The present invention relates to a pressure sensor and a method for its production, in particular a semiconductor pressure sensor, which has a measuring membrane and a membrane carrier body, wherein the measuring membrane and / or the membrane carrier body comprises silicon. The membrane carrier body carries the measuring membrane and has a continuous cavity, which is closed by the measuring membrane, which is connected along a peripheral edge with the membrane carrier, wherein the cavity of the membrane carrier body defines the deflectable region of the measuring membrane. The cavity of the membrane carrier body is usually fabricated in wet chemical etching processes, wherein the control of the etch depth over the etching time. In order to improve the accuracy of the etching result, the etching depth achieved can be measured and optionally etched. Due to inhomogeneities of reactants in the etching solution and aging of the etching baths, however, deviations occur in the etching depth over the wafer surface or over time, which can only be controlled with great effort.
Der Einsatz von Ätzstoppschichten ist eine bekannte Maßnahme zur Reduktion des Kontrollaufwands, wobei allerdings diverse eingesetzten Oxidschichten oder hochdotierte Siliziumschichten die Materialkosten erheblich erhöhen, wobei hinsichtlich der geeigneten nasschemischen Ätzverfahren Einschränkungen bestehen. Es ist zudem fraglich inwieweit, diese Vorgehensweise, einen kontrollierten Ätzprozess für Drucksensoren mit Messmembranen aus anderen Materialien als Silizium ermöglicht. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drucksensor bereitzustellen, welcher die Nachteile des Stands der Technik überwindet und einfach herstellbar ist.The use of etch stop layers is a known measure to reduce the control effort, although various oxide layers used or highly doped silicon layers significantly increase the material costs, with respect to the suitable wet chemical etching process restrictions. It is also questionable to what extent, this procedure, a controlled etching process for pressure sensors with measuring membranes made of materials other than silicon allows. It is therefore an object of the present invention to provide a pressure sensor which overcomes the disadvantages of the prior art and is easy to manufacture.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Drucksensor gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und das Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 8.The object is achieved by the pressure sensor according to the
Der erfindungsgemäße Drucksensor umfasst:
eine Messmembran, welche mit einem zu messenden Druck beaufschlagbar ist, welche einen zentralen Auslenkungsbereich aufweist, der von einem Randbereich umgeben ist, einen Wandler zum Erfassen einer druckabhängigen Auslenkung des Auslenkungsbereichs der Messmembran, und einen Membranträgerkörper, welcher die Messmembran trägt, und welcher mit dem Randbereich entlang einer umlaufenden Fügestelle druckdicht verbunden ist, wobei der Membranträgerkörper Silizium aufweist, wobei die Messmembran einen anderen Werkstoff als Silizium aufweist, wobei die Messmembran und der Membranträgerkörper durch ein Gold-Silizium-Eutektikum miteinander verbunden sind, wobei der Membranträgerkörper eine zentrale Kavität aufweist, die sich bis zur Messmembran erstreckt, wobei die zentrale Kavität in den Membranträgerkörper nach der Herstellung der Verbindung des Membranträgerkörpers mit der Messmembran mittels Ätzen gefertigt ist, wobei die Kavität bis zur Schicht des Gold-Silizium-Eutektikums geätzt ist.The pressure sensor according to the invention comprises:
a measuring diaphragm, which can be acted upon by a pressure to be measured, which has a central deflection region which is surrounded by an edge region, a transducer for detecting a pressure-dependent deflection of the deflection region of the measuring membrane, and a membrane carrier body, which carries the measuring membrane, and which with the Edge region along a peripheral joint pressure-tight manner, wherein the membrane carrier body comprises silicon, wherein the measuring membrane comprises a material other than silicon, wherein the measuring membrane and the membrane carrier body are interconnected by a gold-silicon eutectic, wherein the membrane carrier body has a central cavity, which extends to the measuring membrane, wherein the central cavity is made in the membrane carrier body after the preparation of the compound of the membrane carrier body with the measuring membrane by means of etching, wherein the cavity until the layer of gold-silicon Eutektiku ms is etched.
Die eutektische Gold-Silizum-Schicht hat also bei der Präparation der Kavität als Ätzstopp gedient. In den meisten Fällen wird die Au-Si-Schicht die Unterseite der Messmembran in der Kavität bilden. Ggf. kann die Au-Si-Schicht nach der Präparation der Kavität mit einer mit einer Deckschicht beschichtet sein.The eutectic gold-silicon layer thus served as an etch stop during the preparation of the cavity. In most cases, the Au-Si layer will form the bottom of the measuring membrane in the cavity. Possibly. For example, after the preparation of the cavity, the Au-Si layer may be coated with a cover layer.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Drucksensor einen (piezo-)resistiven Wandler auf, welcher beispielsweise durch Präparation piezoresistiver Widerstandselemente mittels Dotieren der Messmembran, oder – je nach Material – Si-Dünnschichttechnik auf der Messmembran herstellbar ist.In one development of the invention, the pressure sensor has a (piezoresistive) resistive converter, which can be produced, for example, by preparing piezoresistive resistance elements by means of doping the measuring diaphragm or, depending on the material, Si thin-film technology on the measuring diaphragm.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Messmembran SiC, Al2O3, Diamant oder einen anderen Isolator als mechanisch bestimmendes Material, wobei in einer Ausgestaltung dieses Material der Messmembran mit Silizium beschichtet ist, und wobei in der Siliziumschicht Widerstandselemente eines piezoresistiven Wandler präpariert sind.In one development of the invention, the measuring membrane comprises SiC, Al 2 O 3 , diamond or another insulator as a mechanically determining material, wherein in one embodiment this material of the measuring membrane is coated with silicon, and resistive elements of a piezoresistive transducer are prepared in the silicon layer.
Ein Material ist beispielsweise dann mechanisch bestimmend für die Messmembran, wenn das Widerstandsmoment eines Querschnitts des Auslenkungsbereichs senkrecht zu den Verbindungsflächen durch das Zentrum des Auslenkungsbereichs mindestens zu 75%, vorzugsweise mindestens zu 90% durch das Widerstandsmoment des Materials in dem Querschnitt bestimmt ist.A material is mechanically determinative of the measuring diaphragm, for example, if the moment of resistance of a cross section of the deflection region perpendicular to the connecting surfaces through the center of the deflection region is at least 75%, preferably at least 90% determined by the moment of resistance of the material in the cross section.
Die Messmembranen und die Membranträgerkörper werden gemäß einer Weiterbildung der Erfindung insbesondere im Waferverband miteinander verbunden, wobei zur Herstellung einer Verbindung über ein Gold-Silizium-Eutektikum zumindest einer der Fügepartner mit einer Goldschicht zu versehen ist, wobei in dem Fall, dass ein Fügepartner einen anderen Basiswerkstoff als Silizium aufweist, dieser Fügepartner mit Gold zu beschichten ist.According to a development of the invention, the measuring membranes and the membrane carrier bodies are connected to one another, in particular in the wafer assemblage, at least one of the joining partners being provided with a gold layer for producing a compound via a gold-silicon eutectic, in which case one joining partner has another Base material has as silicon, this joining partner is to coat with gold.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors insbesondere eines erfindungsgemäßen Drucksensors, weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellen eines Membranwafers, aus welchem eine Vielzahl von Messmembranen zu fertigen ist, wobei der Membranwafer als mechanisch bestimmendes Material ein anderes Material als Silizium aufweist, wobei der Membranwafer eine erste Verbindungsfläche aufweist, die einen anderen Werkstoff als Si aufweist; Bereitstellen eines Membranträgerkörperwafers, aus welchem eine Vielzahl von Membranträgerkörpern zu fertigen ist, wobei der Membranträgerkörperwafer Silizium aufweist, wobei der Membranträgerkörperwafer eine zweite Verbindungsfläche aufweist, welche mit der ersten Verbindungsfläche zu verbinden ist, wobei die zweite Verbindungsfläche Silizium aufweist Beschichten der ersten Verbindungsfläche mit Gold; Verbinden der beiden Verbindungsflächen unter Bilden eines Gold-Silizium-Eutektikums, und Ätzen von Kavitäten in den Membranträgerkörperwafer mittels eines nasschemischen Ätzverfahrens, wobei sich die Kavitäten bis zur Gold-Silizium-Schicht erstrecken, wobei die Schicht als Ätzstopp dient.The inventive method for producing a pressure sensor, in particular a pressure sensor according to the invention, comprises the following steps: providing a membrane wafer, from which a plurality of measuring membranes is to be manufactured, wherein the membrane wafer as mechanical determining material comprises a material other than silicon, wherein the membrane wafer a having first bonding surface having a material other than Si; Providing a membrane carrier body wafer from which to manufacture a plurality of membrane carrier bodies, the membrane carrier body wafer comprising silicon, the membrane carrier body wafer having a second connection surface to be bonded to the first connection surface, the second connection surface comprising silicon coating the first connection surface with gold; Bonding the two bonding surfaces to form a gold-silicon eutectic, and etching cavities into the membrane support body wafers by a wet chemical etching process, wherein the cavities extend to the gold-silicon layer, the layer serving as an etch stop.
Die eutektische Gold-Silizium-Schicht, welche die Verbindung zwischen dem Membranträgerkörper und der Messmembran bildet, weist im Bereich der Verbindung beispielsweise eine Schichtdicke von nicht weniger als 500 nm, vorzugsweise nicht weniger als 750 nm auf.The eutectic gold-silicon layer, which forms the connection between the membrane carrier body and the measuring membrane, has in the region of the compound, for example, a layer thickness of not less than 500 nm, preferably not less than 750 nm.
Zur Präparation des Eutektikums wird eine Au-Schicht in einer Stärke von nicht weniger als 150 nm auf der ersten Verbindungsfläche abgeschieden welche mit der zweiten Verbindungsfläche zu verbinden ist.For preparation of the eutectic, an Au layer is deposited in a thickness of not less than 150 nm on the first bonding surface to be bonded to the second bonding surface.
Bei hinreichendem Anpressdruck wird bei Temperaturen zwischen 363°C und etwa 410°C wird das Au-Si-Eutektikum gebildet, welches eine mechanisch hinreichend starke, elektrisch leitfähige und dichte Verbindung zwischen der Messmembran und dem Membranträgerkörper gewährleistet.At sufficient contact pressure at temperatures between 363 ° C and about 410 ° C, the Au-Si eutectic is formed, which ensures a mechanically sufficiently strong, electrically conductive and tight connection between the measuring membrane and the membrane carrier body.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vor dem Aufbringen der Goldschicht eine Haftvermittlerschicht zu präparieren. Als Haftvermittler sind insbesondere Titan oder Chrom geeignet. Die Stärke der Haftvermittlerschicht beträgt insbesondere 20 nm und weniger.According to one embodiment of the invention, an adhesion promoter layer is to be prepared before the application of the gold layer. Titanium or chromium are particularly suitable as adhesion promoters. The thickness of the primer layer is in particular 20 nm and less.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das erfindungsgemäße Ätzverfahren eine nasschemische Ätzung mit KOH.In one development of the invention, the etching method according to the invention comprises a wet-chemical etching with KOH.
Die Erfindung wird nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:The invention will now be explained with reference to an embodiment shown in the drawings. It shows:
In den
Anstelle einer Messmembran mit einem Siliziumcarbidsubstrat kann selbstverständlich eine Messmembran mit einem anderen Material zum Einsatz kommen, beispielsweise Aluminiumoxyd, Diamant, oder Zirkoniumoxyd.Instead of a measuring membrane with a silicon carbide substrate, it goes without saying that a measuring membrane with a different material is used, for example aluminum oxide, diamond or zirconium oxide.
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