DE102011050839A1

DE102011050839A1 - Sensor und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102011050839A1
Application number: DE102011050839A
Authority: DE
Inventors: Sisira Kankanam Gamage; Miachael Klitzke; Naresh Venkata Mantravadi; Terry Lee Cookson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-06-18
Filing date: 2011-06-03
Publication date: 2011-12-22
Also published as: JP2012002810A; CN102313621B; US20110309458A1; IE86121B1; DE102011050839A8; JP5850650B2; CN102313621A; IE20110282A1; US8569851B2; SG177086A1

Abstract

Es sind ein Sensor und ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors offenbart, das in einer Ausführungsform einen geätzten Halbleitersubstratwafer (300) mit einem geätzten ersten Vorrichtungswafer (100) verbindet, der einen Silizium-auf-Isolator-Wafer aufweist, der dann mit einem zweiten Vorrichtungswafer (200) verbunden wird, der einen Silizium-auf-Isolator-Wafer aufweist, um eine entlüftete, hängende Struktur zu erzeugen, deren Durchbiegung durch ein eingebettetes Sensorelement (140) erfasst wird, um den Differenzdruck zu messen. In einer Ausführungsform ermöglichen Zwischenverbindungskanäle (400), die in dem Sensor eingebettet sind, eine gestraffte Packungsgestalt der Vorrichtung unter Berücksichtigung einer Verbindungsfähigkeit zu anderen Vorrichtungen.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft allgemein mikroelektromechanisch (MEMS) basierte Halbleitersensorkonfigurationen, die verwendet werden können, um kleine Kräfte oder Verbiegungen, die durch eine mechanische Belastung, chemomechanische Belastung, thermische Belastung, elektromagnetische Felder und dergleichen hervorgerufen werden, zu detektieren. Insbesondere betrifft der hierin offenbarte Gegenstand einen MEMS-basierten Drucksensor und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
Fortschritte in der Halbleitermikroelektronik und bei MEMS-basierten Sensoren dienten weitgehend dazu, die Größe und Kosten derartiger Sensoren zu reduzieren. Über die elektrischen und mechanischen Eigenschaften von Siliziummikrosensoren ist weitgehend berichtet worden. Siliziummikromechanik- und Halbleitermikroelektroniktechnologien haben sich zu einer unerlässlichen Sensorindustrie bei zahlreichen praktischen Anwendungen entwickelt. Z. B. ist es allgemein bekannt, dass mikrotechnisch hergestellte Siliziumdrucksensoren, Beschleunigungssensoren, Durchflusssensoren, Feuchtesensoren, Mikrofone, mechanische Oszillatoren, optische und HF-Schalter und -Abschwächer, Mikroventile, Tintenstrahldruckköpfe, Atomkraftmikroskopiespitzen und dergleichen ihren Weg in verschiedene Anwendungen in medizinischen, Luftfahrt-, industriellen und Kraftfahrzeug-Massenmärkten gefunden haben. Die hohe Festigkeit, Elastizität und Nachgiebigkeit von Silizium machen es zu einem idealen Grundmaterial für Resonanzstrukturen, die z. B. für elektronische Frequenzsteuerungs- oder Sensorstrukturen nützlich sein können. Selbst Konsumartikel, wie beispielsweise Uhren, Ausrüstung zum Sporttauchen und handgeführte Reifendruckmesser, können mikrotechnisch hergestellte (mikromechanische) Siliziumsensoren enthalten.
Der Bedarf an Siliziumsensoren in stets wachsenden Einsatzgebieten schürt weiterhin einen Bedarf nach neuen und unterschiedlichen Siliziummikrosensorgeometrien und -konfigurationen, die für bestimmte Umgebungen und Anwendungen optimiert sind. Bedauerlicherweise liegt ein Nachteil herkömmlicher Grundsilizium-Mikrobearbeitungstechniken darin, dass die Konturen und Geometrien der resultierenden Siliziummikrostrukturen durch die Fertigungsverfahren wesentlich begrenzt sind. Z. B. ist das Ätzen von Siliziumstrukturen mit herkömmlichen Ätztechniken zum Teil durch die Kristallorientierungen von Siliziumsubstraten beschränkt, was die Geometrie und Miniaturisierungsversuche von vielen erwünschten Strukturen begrenzt.
Die steigende Verwendung von Mikrosensoren zur Druckmessung hat die Entwicklung kleiner Siliziumplattenstrukturen vorangetrieben, die z. B. als Kondensatoren sowie zur Erzeugung elektrostatischer Kräfte verwendet werden. Z. B. gibt es Mikrosensoren, die die Kapazität unter Verwendung einer Anordnung von ineinander greifenden Polysiliziumplatten messen. In ähnlicher Weise gibt es Mikrosensoren, die elektrostatische Kräfte unter Verwendung einer Anordnung von geschichteten Platten erzeugen. Ferner gibt es Mikrosensoren, die die Durchbiegung oder Verbiegung von Siliziumstrukturen als Reaktion auf Kräfte, wie beispielsweise Druck oder Beschleunigung, messen,
Messungen biologischer Parameter unter Verwendung von Mikrosensoren werden für die Zwecke sowohl der Diagnostik als auch der Patientenüberwachung zunehmend üblich und wichtig. In einigen Anwendungen werden In-Vivo-Drucksensorkatheter (Katheterspitzen-Drucksensoren) verwendet, um entweder Absolutdruck oder Differenzdruck auf der Basis eines gegebenen Referenzdrucks, beispielsweise atmosphärischen Drucks, zu messen. Z. B. können Differenzdrucksensorkatheter verwendet werden, um die Atmung eines Menschen auf der Basis von Druckveränderungen innerhalb des Atmungssystems in Bezug auf den atmosphärischen Druck zu messen. Die wachsenden Einsatzgebiete von mikroelektromechanischen Vorrichtungen allgemein und von Drucksensorkathetern speziell haben einen Bedarf nach stets kleineren Vorrichtungen geweckt. Bedauerlicherweise liegt eine Schwierigkeit bei der Herstellung kleinerer Vorrichtungen vor, die auch für kleine Druckänderungen hoch empfindlich sind und die in hohen Stückzahlen effektiv hergestellt werden können.
Durch herkömmliche Fertigungstechniken hergestellte Sensoren sind in Bezug auf ihre Größe und Packungsdichte begrenzt. Z. B. erfordert die längliche Art von Drucksensorkathetern (Katheterspitzen-Drucksensoren) dass sich elektrische Verbindungen von einem Ende des Sensors, gewöhnlich dem Ende, das nicht eingeführt wird, bis zu dem erfassenden Teil der Vorrichtung erstrecken. Diese Verbindungen können die Größe und Gestalt der resultierenden Vorrichtung nachteilig beeinflussen. Außerdem bergen herkömmliche Techniken zur Herstellung derartiger mikromechanischer Vorrichtungen aufgrund der kleinen Größe der Vorrichtungen und der dünnen Art der verwendeten Geometrien die Gefahr sowohl eines Bruchs während des Herstellprozesses als auch einer möglicherweise verringerten Funktionssicherheit im Feld. Da Katheterspitzen-Differenzdrucksensoren den Druck in Bezug auf einen Referenzdruck messen, muss z. B. ein Entlüftungskanal von dem Sensor zu einem externen Referenzdruck bereitgestellt werden. Dies wird gewöhnlich anhand eines feinen Kapillarrohrs bewerkstelligt, das zu der Katheterspitze parallel zu den elektrischen Verbindungen entlang der Rückseite des Chips verlaufend geführt ist. Jedoch kann diese Konfiguration zu einer dickeren Packung des Sensors führen und kann zur Folge haben, dass der Entlüftungskanal während der Messung abgeschnürt wird. Andere Fertigungstechniken verwenden seitliche Entlüftungskonfigurationen, die den Chip durch Entlüftungsöffnungen verlassen, die an einem der Chipränder angeordnet sind, die jedoch zusätzliche Bearbeitungsschritte zur Erzeugung der Entlüftungsöffnung, wie beispielsweise Sägen, erfordern, was zum Eindringen von Schmutz in die Entlüftungsöffnung führen und sowohl die Genauigkeit als auch die Funktionssicherheit mindern kann.
Es wäre vorteilhaft, ein Verfahren zum Herstellen hochempfindlicher Drucksensoren zu schaffen, die nicht nur eine kleine Größe aufweisen, sondern in effektiver Weise in hohen Stückzahlen hergestellt werden können.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es sind ein Sensor und ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors offenbart, der in einer Ausführungsform in einem Substratwafer einen Entlüftungshohlraum, der sich von der oberen Fläche des Substratwafers bis zu einer Außenfläche des Substratwafers erstreckt, eine erste Vorrichtungsschicht, wobei die untere Fläche der ersten Vorrichtungsschicht mit der oberen Fläche des Substratwafers verbunden ist, einen Membranhohlraum, der sich durch die erste Vorrichtungsschicht hindurch bis zu dem Entlüftungshohlraum erstreckt, eine zweite Vorrichtungsschicht, wobei die untere Fläche der zweiten Vorrichtungsschicht mit der oberen Fläche der ersten Vorrichtungsschicht verbunden ist, um eine Membran über dem Membranhohlraum zu bilden, und ein Sensorelement in der zweiten Vorrichtungsschicht in der Nähe der Membran zur Erfassung einer Durchbiegung in der Membran aufweist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Damit die Art der Merkmale der Erfindung verstanden werden kann, kann eine detaillierte Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen erhalten werden, von denen einige in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Es ist jedoch zu beachten, dass die Zeichnungen nur bestimmte Ausführungsformen dieser Erfindung veranschaulichen und folglich nicht in einem ihren Umfang beschränkenden Sinne betrachtet werden sollten, weil der Umfang der Erfindung andere gleich wirksame Ausführungsformen umfasst. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, wobei der Schwerpunkt allgemein auf die Veranschaulichung der Merkmale bestimmter Ausführungsformen der Erfindung gelegt ist. Somit kann zum besseren Verständnis der Erfindung Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung genommen werden, die in Verbindung mit den Zeichnungen zu lesen ist, in denen:
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines beispielhaften Differenzdrucksensors in einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt eine Querschnittsansicht von zwei beispielhaften Silizium-auf-Isolator-Vorrichtungswafern und einem beispielhaften Substratwafer, die verwendet werden, um einen Differenzdrucksensor in einer Ausführungsform der Erfindung herzustellen.
3 zeigt eine beispielhafte Draufsicht von oben auf einen Differenzdrucksensor unter Veranschaulichung eines eingebetteten Entlüftungskanals in einer Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt einen beispielhaften Substratwafer mit einem Entlüftungskanal, der mit einer ersten Vorrichtungsschicht mit einem Membranhohlraum verbunden ist, die mit einem zweiten Vorrichtungswafer verbunden ist, in einer Ausführungsform der Erfindung.
5 zeigt einen beispielhaften Substratwafer mit geätztem Seitenentlüftungskanal in einer Ausführungsform der Erfindung.
6 zeigt einen beispielhaften Substratwafer mit geätztem Seiten- und Bodenentlüftungskanal in einer Ausführungsform der Erfindung.
7 zeigt einen beispielhaften Substratwafer mit geätztem Bodenentlüftungskanal in einer Ausführungsform der Erfindung.
8 zeigt einen beispielhaften Substratwafer mit einem Entlüftungskanal, der mit einer ersten Vorrichtungsschicht mit einem Membranhohlraum verbunden ist, die mit einer zweiten Vorrichtungsschicht verbunden ist, die einen Verbindungskanal, ein Sensorelement und eine Zwischenverbindung aufweist, in einer Ausführungsform der Erfindung.
9 zeigt einen beispielhaften Prozessablauf zur Herstellung eines Differenzdrucksensors in einer Ausführungsform der Erfindung.
10 zeigt eine beispielhafte Querschnittsansicht einer proximalen Seite eines Differenzdrucksensors in einer Ausführungsform der Erfindung.
11 zeigt einen beispielhaften Absolutdrucksensor in einer Ausführungsform der Erfindung.
12 zeigt einen beispielhaften Prozessablauf zur Herstellung eines Absolutdrucksensors in einer Ausführungsform der Erfindung.
13 zeigt eine beispielhafte Querschnittsansicht einer proximalen Seite eines Absolutdrucksensors in einer Ausführungsform der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein beispielhafter mikromechanischer (mikrotechnisch hergestellter) Drucksensor kann hergestellt werden, indem ein Hohlraum in einer Siliziumstruktur und eine Membran benachbart zu dem Hohlraum gebildet werden. In Ausführungsformen von Differenzdrucksensoren ist der Hohlraum mit einem Entlüftungskanal verbunden, der einen Zugang zu dem Hohlraum von der Außenseite des Sensors aus bietet, entweder durch die Seite, durch den Boden oder durch eine Kombination aus der Seite und dem Boden des Sensors. Für einen Absolutdrucksensor, bei dem Messungen im Verhältnis zu einem gewählten Referenzdruck vorgenommen werden, kann der Hohlraum unter Vakuum oder einem ausgewählten inneren Druck gehalten werden. Der Drucksensor misst den Druck durch Erfassung der Durchbiegung der Membran, indem er z. B. erfasst, wie der auf die Vorderseite der Membran einwirkende Druck die Membran nach innen verbiegt bzw. auslenkt. Ein oder mehrere Sensorelemente, die in der Nähe der Ränder der Membran ausgebildet sind, erfassen gewöhnlich die Durchbiegung oder Auslenkung der Membran.
1 zeigt eine beispielhafte Querschnittsansicht eines Differenzdrucksensors 10 mit einem Bodenentlüftungshohlraum 330 in einer Ausführungsform der Erfindung. Der Drucksensor 10 kann ein distales Ende 50 aufweisen, das die Drucksensorelemente der Vorrichtung enthält, die in einer Ausführungsform die Spitze des Katheters aufweisen, die in ein Medium, z. B. ein Atmungssystem eines Patienten, einführbar sein kann, um Druckmesswerte aufzunehmen. Der Drucksensor 10 kann ferner ein proximales Ende 75 aufweisen, das in der Lage sein kann, mit anderen Vorrichtungen elektrisch gekoppelt zu werden, um die Druckmesswerte lesen und verarbeiten zu können.
Der Drucksensor 10 kann unter Verwendung von drei Wafern hergestellt werden, die bearbeitet und miteinander verbunden werden, z. B. zwei Silizium-auf-Isolator(SOI)-Halbleiterwafern und einem doppelseitig polierten (DSP) Halbleiterwafer oder drei SOI-Wafern. 2 zeigt drei beispielhafte Ausgangswafer in einer Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtungswafer 100 und 200 können SOI-Wafer sein, die Vorrichtungsschichten 110 bzw. 210, Isolatorschichten 115 bzw. 215 und Handhabungsschichten 120 bzw. 220 aufweisen. Die Vorrichtungsschicht 110 kann ein Einkristall-Siliziumsubstrat sein, das in einer Ausführungsform 1 bis 10 μm dick sein und eine n-Dotierung aufweisen kann. Die Vorrichtungsschicht 210 kann ein Einkristall-Siliziumsubstrat sein, das in einer Ausführungsform eine Dicke aufweisen kann, die ausgewählt ist, um bestimmte Entwurfspezifikationen zu erfüllen, und das eine n- oder p-Dotierung aufweisen kann. Die Dicke der verschiedenen Schichten des SOI-Wafers kann unter Verwendung herkömmlicher SOI-Chip-Herstellungstechniken genau vorgegeben und derart ausgewählt werden, dass die genaue Dicke der Schichten die späteren Betriebseigenschaften des Drucksensors 10 bestimmt, wie dies nachstehend beschrieben ist. Die Isolatorschichten 115 und 215 können in einer Ausführungsform Siliziumdioxid sein und eine Dicke im Bereich zwischen 0,05 μm bis 1,0 μm aufweisen. Die Handhabungsschichten 120 und 220 können verwendet werden, um die Vorrichtungswafer 100 bzw. 200 während des Herstellungsprozesses zu ergreifen, und können derart angeordnet sein, dass die Isolatorschichten 115 und 215 zwischen den Vorrichtungsschichten 110 bzw. 210 und den Handhabungsschichten 120 bzw. 220 positioniert sind. Die Handhabungsschichten 120 und 220 können z. B. aus n- oder p-Silizium mit einer Dicke zwischen 200 μm und 600 μm bestehen. In einer Ausführungsform kann ein Substratwafer 300 ein doppelseitig polierter Siliziumwafer sein, der in einer Ausführungsform 300 μm bis 600 μm dick sein und eine n- oder p-Dotierung aufweisen kann. In anderen Ausführungsformen kann der Substratwafer 300 ein dritter SOI-Wafer sein. Gemeinsam können die Dicken der verschiedenen Schichten, die den Drucksensor 10 aufweisen, derart ausgewählt sein, dass die Gesamtdicke der Vorrichtung in einer Ausführungsform 390 μm oder weniger betragen kann.
Indem erneut auf 1 Bezug genommen wird, kann der Drucksensor 10 die Vorrichtungsschicht 110, die Vorrichtungsschicht 210 und den Substratwafer 300 aufweisen. Es können ein oder mehrere Sensorelemente 140, z. B. piezoresistive Fühlelemente vom p-Typ, in der Vorrichtungsschicht 110 strategisch eingebaut oder verteilt sein, um die Durchbiegung in den Siliziumstrukturen zu erfassen. Der Drucksensor 10 kann ferner Passivierungsschichten 170 und 470 enthalten, die z. B. aus einer Siliziumdioxidschicht, einer Siliziumnitridschicht oder einer Kombination von beiden bestehen können. Die Passivierungsschichten 170 und 470 können eine Isolierung und einen Schutz für den Drucksensor 10 während der Herstellung und des Betriebs erzielen. Eine oder mehrere Zwischenverbindungen 150, die auf der Vorrichtungsschicht 110 ausgebildet sind, können ein oder mehrere Sensorelemente 140 mit der Außenseite des Drucksensors 10 elektrisch verbinden, während eine oder mehrere Metallisierungsschichten 160 eine elektrische Verbindung zwischen den Zwischenverbindungen 150 und dem proximalen Ende 75 des Drucksensors 10 schaffen können, so dass der Drucksensor mit anderen Vorrichtungen oder Verbindungen z. B. über einen Leitungsanschluss elektrisch verbunden werden kann.
Unter Bezugnahme auf die 1 und 3 sind ein beispielhafter Differenzdrucksensor 10 und dessen Funktionsweise in einer Ausführungsform der Erfindung beschrieben. 3 zeigt eine beispielhafte Draufsicht von oben auf einen Differenzdrucksensor 10 unter Veranschaulichung eines eingebetteten Entlüftungshohlraums 330 in einer Ausführungsform der Erfindung. Punktierte Linien in 3 stellen beispielhafte eingebettete Strukturen innerhalb des Drucksensors 10 dar, die den Entlüftungskanal 330 bilden, während gestrichelte Linien in 3 einen beispielhaften Membranhohlraum 230 anzeigen, der in dem Drucksensor 10 eingebettet ist. Der Drucksensor 10 funktioniert durch Messung der Durchbiegung in einer verdünnten Struktur oder Membran 130, die in der Vorrichtungsschicht 110 über einem Membranhohlraum 230 ausgebildet ist, der in einer Vorrichtungsschicht 210 ausgebildet ist, die zwischen dem Substratwafer 300 und dem Vorrichtungswafer 110 angebunden ist. Die Membran dient als eine Biegestruktur in dem Drucksensor 10. Der Entlüftungshohlraum 330 verbindet den Membranhohlraum 230 mit der Außenseite des Drucksensors 10 über einen hohlen Entlüftungskanal 333, der an einer Entlüftungsausnehmung 332 beginnt, die mit dem Entlüftungshohlraum 230 verbunden ist, und sich durch den Substratwafer 300 bis zu einem Entlüftungsauslass 335 erstreckt, der sich zu der Außenseite öffnet. Da sich der Druck oberhalb der Membran 130 verändert, biegt sich die Membran 130 im Verhältnis zu dem Druck an dem Entlüftungsauslass 335 zu dem Membranhohlraum 230 hin oder von diesem weg. Die langgestreckte Struktur des Drucksensors 10 kann dem Drucksensor 10 ermöglichen, als ein Katheterspitzen-Drucksensor (Drucksensorkatheter) zu funktionieren, so dass der Teil des Drucksensors 10, der die Membran 130 aufweist, in ein Medium, z. B. ein Atmungssystem oder eine Blutbahn eines Patienten, eingeführt werden kann, während der Entlüftungsauslass 335 einem äußeren Druckgradienten, z. B. dem atmosphärischen Druck, ausgesetzt bleibt, wodurch eine Differenzdruckmessung erzielt wird.
Die Membran 130 biegt sich in Bezug auf den Membranhohlraum 230 auf eine anhand des auf die Membran 130 ausgeübten Drucks vorhersagbare Weise durch. Die Durchbiegung in der Membran 130 kann durch ein oder mehrere Sensorelemente 140, die in der Vorrichtungsschicht 110 an den Rändern der Membran 130 oder in der Nähe derselben ausgebildet sind, detektiert werden. In einer Ausführungsform, die piezoresistive Sensorelemente verwendet, kann der Widerstand des Sensorelementes 140 über eine Schaltung, wie beispielsweise eine Wheatstone'sche Brückenschaltung oder dergleichen, bestimmt werden, die unter Verwendung einer oder mehrerer Zwischenverbindungen 150, die an einer oder mehreren Metallisierungsschichten 160 angebracht ist/sind, angeschlossen ist, die sich von den Zwischenverbindungen 150 aus durch die Zwischenverbindungskanäle 400 hindurch, die in der Vorrichtungsschicht 110 oder in den beiden Vorrichtungsschichten 110 und 210 ausgebildet sind, bis zu dem proximalen Ende 75 des Drucksensors 10 erstrecken können. Eine elektrische Schnittstelle oder eine andere derartige Vorrichtung kann an den Enden der Metallisierungsschichten 160 befestigt sein, um den Drucksensor 10 in elektrischer Kommunikationsverbindung mit einer anderen Vorrichtung zu setzen. Der Widerstand des piezoresistiven Sensorelementes variiert mit der Durchbiegung der Membran 110. Somit kann ein Messwert des piezoresistiven Widerstandes des Sensorelementes 140 dazu verwendet werden, das Ausmaß der Durchbiegung in der Membran 130 zu bestimmen und dadurch den auf den Sensor ausgeübten Druck zu ermitteln.
Ein beispielhafter Prozess zur Fertigung eines Siliziumsensors, wie des in 1 veranschaulichten, ist unter Bezugnahme auf die 1 bis 10 erläutert. 9 zeigt einen beispielhaften Prozessablauf zur Herstellung eines Differenzdrucksensors 10 in einer Ausführungsform der Erfindung. In Schritt 501 nach 9 können die Entlüftungsausnehmung 332, der Entlüftungskanal 333 und der Entlüftungsauslass 335, die gemeinsam den Entlüftungshohlraum 330 in dem Drucksensor 10 bilden können, auf einer oberen Substratoberfläche 310 des Substratwafers 300 unter Verwendung standardmäßiger Halbleiterätztechniken, wie beispielsweise Trockenätzen mit reaktivem Ionentiefenätzen (DRIE), Nassätzen mit Kaliumhydroxid (KOH) oder Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) oder anderen Ätzmitteln für Silizium oder dergleichen, erzeugt werden. In einer Ausführungsform wird eine erste Ätzung vorgenommen, um die Entlüftungsausnehmung 332 und den Entlüftungskanal 333 zu bilden, wonach eine zweite Ätzung folgt, um den Entlüftungsauslass 335 auszubilden.
Wie in den 5 bis 7 veranschaulicht, können unterschiedliche Ätzgeometrien verwendet werden, um Ausnehmungen auf der oberen Substratoberfläche 310 des Substratwafers 300 zu erzeugen, um unterschiedliche Entlüftungshohlraumkonfigurationen zu erreichen. In einer Ausführungsform, wie sie in 5 veranschaulicht ist, kann der Entlüftungshohlraum 330 eine Seitenentlüftungskonfiguration darstellen, in der der Entlüftungsauslass 335 eine Öffnung an einer Seite des Substratwafers 330 bildet. In anderen Ausführungsformen mit einer Konfiguration eines Boden- oder einer Kombination aus Seiten/Boden-Entlüftungshohlraum 330 können die letzten Fertigungsschritte ein Dünnen des Substratwafers 300 enthalten, um den Entlüftungsauslass 335 zu der Außenseite des Differenzdrucksensors 10 freizulegen. Z. B. kann in den Ausführungsformen mit Bodenentlüftung und Seiten/Boden-Entlüftung die untere Substratoberfläche 320 des Substratwafers 300 bis zu der in den 6 und 7 veranschaulichten Dickenanzeige 350 entfernt werden. In der in 6 veranschaulichten Ausführungsform wird, wenn die untere Substratfläche 320 des Substratwafers 300 bis zu der Dickenanzeige 350 ausgedünnt wird, ein Seiten/Boden-Entlüftungskanal 330 mit einer Öffnung sowohl an der Seite als auch an dem Boden des Substratwafers 330 erzeugt. In einer anderen Ausführungsform, wie sie in 7 veranschaulicht ist, wird, wenn die untere Substratfläche 320 des Substratwafers 300 bis zu der dicken Anzeige 350 ausgedünnt wird, eine Bodenentlüftung mit einer Öffnung an der unteren Substratoberfläche 320 des Substratwafers 300 erzeugt.
4 zeigt einen beispielhaften Substratwafer 300 mit einem Entlüftungshohlraum 330, der mit einer ersten Vorrichtungsschicht 210 mit einem Membranhohlraum 230 verbunden ist, die mit einem zweiten Vorrichtungswafer 100 verbunden ist, in einer Ausführungsform der Erfindung. Unter Bezugnahme auf die 4 und 9 kann der Schritt 502 in dem Herstellungsprozess darin bestehen, die Vorrichtungsschicht 210 des Vorrichtungswafers 200 mit der oberen Substratfläche 310 des Substratwafers 300 unter Verwendung herkömmlicher Siliziumverschmelzungs-Verbindungsmethoden zu verbinden. In einer beispielhaften Verschmelzungs-Verbindungsmethode können die einander gegenüberliegenden Flächen hydrophil gemacht werden. D. h., die Oberflächen können mit einem starken Oxidationsmittel behandelt werden, das Wasser veranlasst, an diesen anzuhaften. Die beiden Wafer können anschließend in einer Umgebung mit hoher Temperatur für eine Zeitdauer platziert werden, die die Qualität der Verbindung erfordert. Diese Siliziumverschmelzungs-Verbindungsmethode verbindet den Substratwafer 300 und den Vorrichtungswafer 200 miteinander ohne den Einsatz eines dazwischen liegenden Klebstoffs, der einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten als der Einkristall-Siliziumwafer haben könnte. Es kann auch eine Schmelzverbindung durchgeführt werden, bei der Oxidschichten an den verbundenen Flächen eines der oder beider Wafer gebildet werden.
In Schritt 503 kann, nachdem die obere Substratfläche 310 des Substratwafers 300 und die Vorrichtungsschicht 210 miteinander verbunden worden sind, die Handhabungsschicht 220 des Vorrichtungswafers 200 unter Verwendung eines Nassätzmittels, wie beispielsweise KOH oder TMAH, entfernt werden, das an der Isolatorschicht 215 aufhört. Außerdem kann die Isolatorschicht 215 unter Verwendung von Nass- oder Trockenätztechniken entfernt werden, indem nur die angebundene Vorrichtungsschicht 210 hinterlassen wird, die nun frei liegt.
In Schritt 504 kann der Membranhohlraum 320, das ein Loch sein kann, das sich durch die Vorrichtungsschicht 210 hindurch erstreckt, in die Vorrichtungsschicht 210 unter Verwendung von DRIE, Nassätzung mit KOH oder TMAH oder anderen Silizium-Ätzmitteln oder dergleichen, eingeätzt werden. Der Membranhohlraum 230 kann verschiedene Geometrien, wie z. B. eine quadratische, rechteckige oder kreisförmige Geometrie, aufweisen und kann jede beliebige erforderliche Tiefe, von z. B. weniger als 5 μm bis mehr als 100 μm, je nach der speziellen Anwendung und der gewählten Dicke der Vorrichtungsschicht 210 haben. Die Oberflächen des Membranhohlraums 230 und des Entlüftungshohlraums 330 können entweder aus reinem Silizium, oxidiertem Silizium, dotiertem Silizium sein, oder sie können mit jedem beliebigen sonstigen dünnen Film beschichtet sein, der in der Lage ist, den nachfolgenden Waferverbindungs- und -verarbeitungstemperaturen zu widerstehen.
In Schritt 505 kann die Vorrichtungsschicht 110 des Vorrichtungswafers 100 mit der Vorrichtungsschicht 210 des Vorrichtungswafers 200 unter Verwendung herkömmlicher Siliziumverschmelzungs-Verbindungstechniken verbunden werden, um ein Vorrichtungspaar 450 zu bilden. In einer beispielhaften Schmelzverbindungsmethode können die einander gegenüberliegenden Flächen hydrophil gemacht werden. D. h., die Oberflächen können mit einem starken Oxidationsmittel behandelt werden, das bewirkt, dass Wasser an diesen anhaftet. Die beiden Wafer können anschließend in einer Hochtemperaturumgebung für eine durch die Qualität der Verbindung vorgegebene Zeitdauer platziert werden. Diese Siliziumverschmelzungs-Verbindungstechnik verbindet den Vorrichtungswafer 100 und den Vorrichtungswafer 200 miteinander ohne die Verwendung eines dazwischen befindlichen Klebstoffs, der einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten als der Einkristall-Siliziumwafer haben könnte. Es kann auch eine Schmelzverbindung durchgeführt werden, bei der in den verbundenen Flächen eines der oder beider Wafer Oxidschichten gebildet werden.
In Schritt 506 kann, nachdem die einander gegenüberliegenden Flächen der Vorrichtungsschicht 210 und der Vorrichtungsschicht 110 miteinander verbunden worden sind, die Handhabungsschicht 120 des Vorrichtungswafers 100 unter Verwendung eines Nassätzmittels, wie beispielsweise KOH oder TMAH, das an der Isolatorschicht 115 aufhört, entfernt werden. Außerdem kann die Isolatorschicht 115 mit Nass- oder Trockenätztechniken unter Hinterlassung der freiliegenden nicht angebundenen Vorrichtungsschicht 110 entfernt werden.
8 zeigt einen beispielhaften Substratwafer 300 mit einem Entlüftungshohlraum 330, wobei der Substratwafer 300 mit einer ersten Vorrichtungsschicht 210 mit einem Membranhohlraum 230 verbunden ist, die mit einer zweiten Vorrichtungsschicht 110 verbunden ist, die einen Zwischenverbindungskanal 400, ein Sensorelement 140 und eine Zwischenverbindung 150 aufweist, in einer Ausführungsform der Erfindung. Unter Bezugnahme auf die 8 und 9 kann in Schritt 507 eine Passivierungsschicht 170 auf der nicht angebundenen Fläche der Vorrichtungsschicht 110 z. B. unter Verwendung einer Siliziumdioxidschicht, einer Siliziumnitridschicht oder Kombinationen von beiden aufgebracht werden, um den Vorrichtungswafer 110 sowohl während des Herstellungsprozesses als auch während des Betriebs richtig zu isolieren und zu schützen. In Schritt 508 können ein oder mehrere Sensorelemente 140 durch Diffusion oder Ionenimplantation von, in einer bevorzugten Ausführungsform, die piezoresistive Fühlelemente verwendet, niederdotiertem Material des p-Typs in die dotierte Vorrichtungsschicht 110 des n-Typs in der Nähe der Ränder der Membran 130 hinzugefügt werden, die als ein Teil der Vorrichtungsschicht 110 ausgebildet sein können. Z. B. kann eine Borimplantierung und Diffusion bei hoher Temperatur innerhalb der Vorrichtungsschicht 110 ein oder mehrere piezoresistive Sensorelemente bilden. Die piezoresistiven Sensorelemente können positioniert sein, um eine Durchbiegung in der Membran 130 zu erfassen. Es sollte beachtet werden, dass eine beliebige Anzahl von piezoresistiven Sensorelementen verwendet werden kann und ihre exakte Positionierung in Bezug auf die Membran 130 je nach der speziellen Anwendung, den erwarteten Drücken, den Empfindlichkeitsanforderungen und dergleichen unterschiedlich sein kann. Außerdem können eine oder mehrere Zwischenverbindungen 150, die den Sensorelementen 140 elektrische Leitfähigkeit verleihen können, durch Diffusion oder Ionenimplantierung hochdotierten Materials des p-Typs in die dotierte Vorrichtungsschicht 110 des n-Typs in einer die Sensorelemente 140 überlappenden Weise hinzugefügt werden. Die Diffusion oder Implantation des Sensorelementes 140 und der Zwischenverbindung 150 kann in einzelnen Schritten oder in einem einzigen Schritt vorgenommen werden.
In Schritt 509 können eine oder mehrere Zwischenverbindungskanäle 400, die einen Durchgang entlang des Drucksensors 10 für Leiter schaffen, in einer Ausführungsform in die Vorrichtungsschichten 110 und 210 eingeätzt werden. Wie in 8 veranschaulicht, kann eine Passivierungsschicht 170 unter Verwendung von Trocken- oder Nassätztechniken geätzt werden, um die Lage der Zwischenverbindungskanäle 400 an dem proximalen Ende 75 des Drucksensors 10 zu definieren. Sobald die Passivierungsschicht 170 entfernt ist, können ein oder mehrere Zwischenverbindungskanäle 400 in die Vorrichtungsschicht 110 und optional die Vorrichtungsschicht 210 hinein durch Nassätztechniken, z. B. unter Verwendung von KOH oder TMAH, eingeätzt werden. In einer Ausführungsform werden Zwischenverbindungskanäle 400 eingeätzt, um eine Reihe von voneinander beabstandeten v-förmigen Nuten zu erzeugen, wie dies in einem beispielhaften Querschnitt des proximalen Endes 75 des in 10 dargestellten Drucksensors 10 veranschaulicht ist. Die Zwischenverbindungskanäle 400 können die spätere Anbringung eines oder mehrerer Leiter an dem proximalen Ende 75 des Drucksensors 10 unter Aufrechterhaltung der kleinen, länglichen Packungsgestalt, die für einige Anwendungen, wie beispielsweise Katheterspitzen-Drucksensoren, erforderlich ist, ermöglichen.
Unter Bezugnahme auf die 9 und 10 kann in einem Schritt 510 eine Passivierungsschicht 470 auf der Oberfläche der Zwischenverbindungskanäle 400 z. B. unter Verwendung einer Siliziumdioxidschicht, einer Siliziumnitridschicht oder einer Kombination von beiden aufgebracht werden, um die Zwischenverbindungskanäle 400 sowohl während des Herstellungsprozesses als auch während des Betriebs ordnungsgemäß zu isolieren und zu schützen. Außerdem kann die Passivierungsschicht 170 unter Verwendung von Trocken- oder Nassätzmethoden geätzt werden, um Zugang zu der Zwischenverbindung 150 zu schaffen. In Schritt 511 kann die Metallisierungsschicht 160 hinzugefügt werden, die für eine elektrische Leitfähigkeit von dem proximalen Ende 75 des Drucksensors 10 bis zu den Sensorelementen 140 über die Zwischenverbindungen 150 sorgt. Die Metallisierungsschicht 160 kann z. B. aus Gold oder Aluminium erzeugt sein und kann geschaffen sein, um eine zu Konstruktionsanforderungen für die Vorrichtung gewünschte Dicke zu haben.
In Ausführungsformen, in denen der Substratwafer 300 ein SOI-Wafer ist, kann die Handhabungsschicht des Substratwafers 300 unter Verwendung eines Nassätzmittels, wie beispielsweise KOH oder TMAH, das an der Isolatorschicht aufhört, entfernt werden. Außerdem kann die Isolatorschicht unter Verwendung von Nass- oder Trockenätztechniken unter Hinterlassung lediglich der Vorrichtungsschicht des die Entlüftung 300 enthaltenden SOI-Wafers, der mit der Vorrichtungsschicht 210 verbunden ist, entfernt werden.
Schließlich kann, falls der Drucksensor 10 eine Ausführungsform mit einer Boden- oder einer Seiten/Boden-Entlüftung darstellt, in Schritt 512 der Substratwafer 300 unter Verwendung von Trockenätzung oder Nassätztechniken, z. B. mit KOH oder TMAH, ausgedünnt werden, um den Entlüftungsauslass 335 an der Außenseite des Drucksensors 10 freizulegen.
11 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform, in der der Drucksensor 10 derart gefertigt sein kann, dass in dem Membranhohlraum 230 ein Vakuum oder ein anderer ausgewählter Druck erzeugt ist, so dass der Drucksensor 10 ein Absolutdrucksensor ist. In dieser Ausführungsform werden Druckmessungen nicht im Verhältnis zu dem Außendruck des Sensors vorgenommen, so dass die Erzeugung einer Entlüftung innerhalb des Sensors unnötig ist. 12 zeigt einen beispielhaften Prozessablauf unter Veranschaulichung der Schritte, die durchgeführt werden können, um einen Absolutdrucksensor 10 in einer Ausführungsform der Erfindung zu fertigen. Die verwendeten Techniken sind denjenigen bei der Fertigung eines Differenzdrucksensors ähnlich, wobei jedoch aufgrund der Tatsache, dass diese Ausführungsform keine Entlüftung erfordert, der Drucksensor 10 mit lediglich zwei Wafern erzeugt werden kann, so dass folglich einige Herstellungsschritte beseitigt sein können. In einer Ausführungsform kann der Absolutdrucksensor 10 einen SOI-Vorrichtungswafer 100 und einen DSP-Substratwafer 300 aufweisen. In einer anderen Ausführungsform kann der Absolutdrucksensor 10 einen ersten SOI-Vorrichtungswafer 100 aufweisen, und der Substratwafer 300 kann einen zweiten SOI-Vorrichtungswafer aufweisen.
Unter Bezugnahme auf die 11 und 12 kann in Schritt 601 der Membranhohlraum 230 unmittelbar in den Substratwafer 300 hinein unter Verwendung von DRIE, Nassätzung mit KOH oder TMAH oder anderen Siliziumätzmitteln oder dergleichen, eingeätzt werden. Der Membranhohlraum 230 kann verschiedene Geometrien, wie z. B. eine quadratische, rechteckige oder kreisförmige Geometrie, aufweisen und kann jede erforderliche Tiefe, z. B. von weniger als 5 μm bis mehr als 100 μm, je nach der speziellen Anwendung und der gewählten Dicke des Substratwafers 300 haben. Die Oberfläche des Membranhohlraums 230 kann entweder aus blankem Silizium, oxidiertem Silizium, dotiertem Silizium sein, oder sie kann mit einem beliebigen sonstigen dünnen Film beschichten sein, der in der Lage ist, den anschließenden Waferverbindungs- und -bearbeitungstemperaturen zu widerstehen.
In Schritt 602 wird die Vorrichtungsschicht 110 des Vorrichtungswafers 100 mit der Oberfläche des Substratwafers 300 unter Verwendung herkömmlicher Siliziumverschmelzungs-Verbindungstechniken verbunden, um ein Vorrichtungspaar 450 zu erzeugen. In einer beispielhaften Schmelzverbindungsmethode können die einander gegenüberliegenden Flächen hydrophil gemacht werden. D. h., die Oberflächen können mit einem starken Oxidationsmittel behandelt werden, der bewirkt, dass Wasser an diesen anhaftet. Die beiden Wafer können anschließend in einer Hochtemperaturumgebung für eine durch die Qualität der Verbindung geforderte Zeitdauer platziert werden. Die vorstehend beschriebene Siliziumverschmelzungs-Verbindungsmethode verbindet den Substratwafer 300 und den Vorrichtungswafer 100 miteinander ohne den Einsatz eines dazwischen liegenden Klebstoffs, der einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten als der Einkristall-Siliziumwafer haben könnte. Es kann auch eine Schmelzverbindung durchgeführt werden, bei der auf den miteinander verbundenen Flächen eines der oder beider Wafer Oxidschichten gebildet werden.
In Schritt 603 kann, nachdem die einander gegenüberliegenden Flächen des Substratwafers 300 und der Vorrichtungsschicht 110 miteinander verbunden worden sind, die Handhabungsschicht 120 des Vorrichtungswafers 100 unter Verwendung eines Nassätzmittels, wie beispielsweise KOH oder TMAH, das an der Isolatorschicht 115 aufhört, entfernt werden. Außerdem kann die Isolatorschicht 115 unter Verwendung von Nass- oder Trockenätztechniken entfernt werden, wobei lediglich die angebundene Vorrichtungsschicht 110 hinterlassen wird, deren nicht angebundene obere Fläche nun freigelegt ist. Außerdem kann in Schritt 604 eine Passivierungsschicht 170 auf die nicht angebundene obere Fläche der Vorrichtungsschicht 110 z. B. mit Siliziumdioxid-, Siliziumnitridschichten oder Kombinationen von beiden, aufgebracht werden, um den Vorrichtungswafer 110 während des Herstellungsprozesses und des Betriebs richtig zu isolieren und zu schützen.
Unter Bezugnahme auf den Schritt 605 nach 12 können ein oder mehrere Sensorelemente 140 hinzugefügt werden, indem in einer bevorzugten Ausführungsform, die piezoresistive Sensorelemente verwendet, niedrig dotiertes Material des p-Typs in die dotierte Vorrichtungsschicht 110 des n-Typs in der Nähe der Ränder der Membran 130, die als ein Teil der Vorrichtungsschicht 110 gebildet sein kann, durch Diffusion oder Ionimplantation zugegeben wird. Z. B. kann eine Borimplantation oder -diffusion bei hoher Temperatur piezoresistive Sensorelemente 140 innerhalb der Vorrichtungsschicht 110 erzeugen. Die Sensorelemente 140 können positioniert sein, um eine Durchbiegung der Membran 130 zu erfassen. Es sollte beachtet werden, dass eine beliebige Anzahl von Sensorelementen 140 verwendet werden kann und ihre exakte Positionierung relativ zu der Membran 130 je nach der speziellen Anwendung, den erwarteten Drücken, den Empfindlichkeitsanforderungen und dergleichen unterschiedlich sein kann. Außerdem können eine oder mehrere Zwischenverbindungen 150, die für eine elektrische Leitfähigkeit zu den Sensorelementen 140 sorgen können, durch Diffusion oder Ionimplantierung eines hoch dotierten Materials des p-Typs in die dotierte Vorrichtungsschicht 110 des n-Typs, die Sensorelemente 140 überlappend hinzugefügt werden.
In Schritt 606 können in einer Ausführungsform ein oder mehrere Zwischenverbindungskanäle 400, die einen Durchgang entlang des Drucksensors 10 für verschiedene Leiter bereitstellen, in die Vorrichtungsschichten 110 und 210 eingeätzt werden. Zunächst wird, wie in 11 veranschaulicht, eine Passivierungsschicht 170 unter Verwendung von Trocken- oder Nassätztechniken geätzt, um die Stelle der Zwischenverbindungskanäle 400 an dem proximalen Ende des Drucksensors gegenüber dem die Membran aufweisenden Ende zu definieren. Nachdem die Passivierungsschicht 170 entfernt worden ist, können ein oder mehrere Zwischenverbindungskanäle 400 in die Vorrichtungsschicht 110 und optional in die Vorrichtungsschicht 210 durch Nassätztechniken, z. B. unter Verwendung von KOH oder TMAH, eingeätzt werden. In einer Ausführungsform werden die Zwischenverbindungskanäle 400 derart eingeätzt, dass sie eine Reihe von voneinander beabstandeten v-förmigen Nuten bilden, wie sie in einem beispielhaften Querschnitt des proximalen Endes 75 des in 13 dargestellten Drucksensors 10 veranschaulicht sind. Die Zwischenverbindungskanäle 400 ermöglichen die spätere Verbindung eines oder mehrerer Leiter mit dem proximalen Ende 75 des Drucksensors 10 unter Aufrechterhaltung der kleinen, länglichen Packungsgestalt, die für einige Anwendungen, wie beispielsweise Katheterspitzen-Drucksensoren, erforderlich ist.
Indem erneut auf die 11 und 12 Bezug genommen wird, kann in Schritt 607 eine Passivierungsschicht 470 auf die Oberfläche der Zwischenverbindungskanäle 400 z. B. unter Verwendung einer Siliziumdioxidschicht, einer Siliziumnitridschicht oder Kombinationen von beiden, aufgebracht werden, um die Zwischenverbindungskanäle 400 sowohl während des Herstellungsprozesses als auch im Betrieb ordnungsgemäß zu isolieren und zu schützen. Außerdem kann eine Passivierungsschicht 170 unter Verwendung von Trocken- oder Nassätztechniken geätzt werden, um die Zwischenverbindung 150 freizulegen. In Schritt 608 kann eine Metallisierungsschicht 160 hinzugefügt werden, die für eine elektrische Leitfähigkeit von dem proximalen Ende 75 des Drucksensors 10 bis zu dem Sensorelement 140 über die Zwischenverbindung 150 sorgt. Die Metallisierungsschicht 160 kann z. B. aus Gold oder Aluminium erzeugt und geschaffen sein, um eine zu den Konstruktionsanforderungen für die Vorrichtung passende gewünschte Dicke zu haben.
Der Substratwafer 300 kann unter Verwendung herkömmlicher Ätztechniken dünner gemacht werden, um gegebene Konstruktionsspezifikationen und Dickenanforderungen für den Drucksensor 10 zu berücksichtigen. Außerdem kann in Ausführungsformen, in denen der Substratwafer 300 ein SOI-Wafer ist, die Handhabungsschicht des Substratwafers 300 unter Verwendung eines Nassätzmittels, wie beispielsweise KOH oder TMAH, das an der Isolatorschicht aufhört, entfernt werden. Außerdem kann die Isolatorschicht unter Verwendung von Nass- oder Trockenätztechniken unter Hinterlassung lediglich der Vorrichtungsschicht des SOI-Wafers, der die Entlüftung 300 enthält und an der Vorrichtungsschicht 110 angebunden ist, entfernt werden.
Bezugnehmend auf hierin beschriebene Ausführungsformen von sowohl Differenz- als auch Absolutdrucksensoren kann jede Ätzung während der Fertigung des Drucksensors 10 eine beliebige gewählte Geometrie aufweisen und eine beliebige erforderliche Tiefe je nach der speziellen Anwendung haben. Außerdem müssen die Ätzungen nicht notwendigerweise eine einzelne, einheitliche Tiefe aufweisen, und die resultierenden Ätzungen können isotropisch oder anisotropisch sein. Die gewählte Tiefe und Geometrie jeder Ätzung kann ausgewählt sein, um die Konstruktionseigenschaften des resultierenden Drucksensors 10 zu verändern. Z. B. können die Dicke der Vorrichtungsschicht 110 und die Größe und Gestalt der Membran 110, die durch den Membranhohlraum 230 vorgegeben sind, ausgewählt sein, um die Empfindlichkeit des resultierenden Drucksensors 10 zu bestimmen. Die ausgewählte Dicke der Vorrichtungsschicht 110, die willkürlich gewählt oder bei der Herstellung des SOI-Wafers genau kontrolliert sein kann, führt zu einer besseren Kontrolle über die Flexibilität der Membran 130 und folglich einer verbesserten Kontrolle über die Leistungseigenschaften des resultierenden Drucksensors 10. Außerdem sind die planaren Herstellungsprozesse ideal für die Herstellungszwecke, und sie können nicht nur die Fertigungsausbeute, sondern auch die gesamte Funktionssicherheit und das Langzeitleistungsverhalten der resultierenden Vorrichtungen steigern bzw. verbessern. Demgemäß kann eine einheitliche Kontrolle der Leistungseigenschaften des Drucksensors 10 erreicht werden.
Die vorstehende detaillierte Beschreibung ist dazu vorgesehen, beispielhafte Ausführungsformen zu veranschaulichen, und sie ist nicht dazu bestimmt, beschränkend zu sein. Obwohl das Verfahren zur Herstellung eines Sensors im Zusammenhang mit Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben ist, die Druck messen, versteht es sich für Fachleute auf dem Gebiet, dass ähnliche Techniken verwendet werden können, um Sensoren zu fertigen, die in der Lage sind, andere Parameter zu messen. Z. B. sollte erkannt werden, dass, obwohl verschiedene beispielhafte Ausführungsformen des Sensors und der zugehörigen Herstellungsverfahren, wie sie hierin offenbart sind, unter Bezugnahme auf verschiedenen medizinische Katheterspitzenanwendungen beschrieben worden sind, die Vorrichtung und das Herstellungsverfahren in einer weiten Vielfalt anderer Anwendungen nützlich sind, die hier nicht ausdrücklich beschrieben sind. Es wird für Fachleute auf dem Gebiet auch offensichtlich sein, dass zahlreiche Modifikationen und Veränderungen innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung möglich sind. Ferner können zahlreiche andere Materialien und Prozesse innerhalb des Umfangs der beschriebenen beispielhaften Verfahren und Strukturen verwendet werden, wie dies von Fachleuten auf dem Gebiet erkannt wird. Z. B. sollte erkannt werden, dass die hierin beschriebenen p-Typ- und n-Typ-Materialien auf eine alternative Weise, z. B. durch Ersetzen von n-Materialien durch p-Materialien und umgekehrt, verwendet werden können. Außerdem ist es für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich, dass die Folge von Schritten, die in den verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen identifiziert und beschrieben worden sind, nicht in der beschriebenen Reihenfolge auftreten muss und dass in anderen Ausführungsformen verschiedene Schritte miteinander kombiniert, in anderen Reihenfolgen oder parallel zueinander durchgeführt werden können und dennoch das gleiche Ergebnis erzielen.
Diese Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Art, zu offenbaren und auch um jedem Fachmann auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche unwesentlichen Unterschieden enthalten.
Es sind ein Sensor und ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors offenbart, das in einer Ausführungsform einen geätzten Halbleitersubstratwafer 300 mit einem geätzten ersten Vorrichtungswafer 100 verbindet, der einen Silizium-auf-Isolator-Wafer aufweist, der dann mit einem zweiten Vorrichtungswafer 200 verbunden wird, der einen Silizium-auf-Isolator-Wafer aufweist, um eine entlüftete, hängende Struktur zu erzeugen, deren Durchbiegung durch ein eingebettetes Sensorelement 140 erfasst wird, um den Differenzdruck zu messen. In einer Ausführungsform ermöglichen Zwischenverbindungskanäle 400, die in dem Sensor eingebettet sind, eine gestraffte Packungsgestalt der Vorrichtung unter Berücksichtigung einer Verbindungsfähigkeit zu anderen Vorrichtungen.
Bezugszeichenliste

10: Drucksensor
50: distales Ende
75: proximales Ende
100: Vorrichtungswafer
110: Vorrichtungsschicht
115: Isolatorschicht
120: Handhabungsschicht
130: Membran
140: Sensorelement
150: Zwischenverbindung
160: Metallisierungsschicht
170: Passivierungsschicht
200: Vorrichtungswafer
210: Vorrichtungsschicht
215: Isolatorschicht
220: Handhabungsschicht
230: Membranhohlraum
300: Substratwafer
310: obere Substratfläche
320: untere Substratfläche
330: Entlüftungshohlraum
332: Entlüftungsausnehmung
333: Entlüftungskanal
335: Entlüftungsauslass
350: Dickenanzeige
400: Zwischenverbindungskanäle
450: Vorrichtungspaar
470: Passivierungsschicht
501–512: Verfahrensschritte
601–608: Verfahrensschritte

Claims

Sensor zur Messung von Umgebungskraftgrößen, wobei der Sensor aufweist: einen Entlüftungshohlraum (330) in einem Substratwafer (300), wobei sich der Entlüftungshohlraum (330) von der oberen Fläche des Substratwafers (300) bis zu einer Außenfläche des Substratwafers (300) erstreckt; eine erste Vorrichtungsschicht (210), wobei die untere Fläche der ersten Vorrichtungsschicht (210) mit der oberen Fläche des Substratwafers (300) verbunden ist; einen Membranhohlraum (230), der sich durch die erste Vorrichtungsschicht (210) hindurch bis zu dem Entlüftungshohlraum (330) erstreckt; eine zweite Vorrichtungsschicht (110), wobei die untere Fläche der zweiten Vorrichtungsschicht (110) mit der oberen Fläche der ersten Vorrichtungsschicht (210) verbunden ist, um eine Membran (130) über dem Membranhohlraum (230) zu bilden; und ein Sensorelement (140) in der zweiten Vorrichtungsschicht (110) in der Nähe der Membran (130) zur Erfassung einer Durchbiegung in der Membran (130).
Sensor nach Anspruch 1, der ferner einen Zwischenverbindungskanal (400) aufweist, der sich durch einen Abschnitt der zweiten Vorrichtungsschicht (110) erstreckt.
Sensor nach Anspruch 1, der ferner einen Zwischenverbindungskanal (400) aufweist, der sich durch einen Abschnitt der ersten Vorrichtungsschicht (210) und durch einen Abschnitt der zweiten Vorrichtungsschicht (110) erstreckt.
Sensor nach Anspruch 1, wobei der Substratwafer (300) eine Vorrichtungsschicht aus einem Silizium-auf-Isolator-Wafer aufweist.
Sensor nach Anspruch 1, wobei die Umgebungskraftgröße ein Differenzdruck ist.
Sensor nach Anspruch 1, wobei der Entlüftungshohlraum (330) einen Hohlraum innerhalb des Sensors aufweist, der sich von dem Membranhohlraum (230) durch eine Seite des Substratwafers (300) hindurch erstreckt.
Sensor nach Anspruch 1, wobei der Entlüftungshohlraum (330) einen Hohlraum in dem Sensor aufweist, der sich von dem Membranhohlraum (230) durch sowohl eine Seite als auch eine untere Fläche des Substratwafers (300) hindurch erstreckt.
Sensor nach Anspruch 1, wobei der Entlüftungshohlraum (330) einen Hohlraum in dem Sensor aufweist, der sich von dem Membranhohlraum (230) durch die untere Fläche des Substratwafers (300) hindurch erstreckt.