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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement mit mindestens einer Membran, die eine Kaverne im Schichtaufbau des Bauelements überspannt, und mit in die Membranstruktur integrierten Schaltungsmitteln zur elektrischen Erkennung von Rissen in der Membranstruktur.
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In der Praxis gibt es vielfältige Anwendungsmöglichkeiten an unterschiedlichsten Einsatzorten für mikromechanische Bauelemente der hier in Rede stehenden Art. Beispielhaft seien hier Drucksensorelemente und Mikrofonbauelemente genannt, bei denen die Signalerfassung auf einer Auslenkung der Membranstruktur beruht. Es gibt aber auch Einsatzmöglichkeiten, bei denen das Deformationsverhalten der Membran keine Rolle spielt, wie z. B. im Falle eines Massenflusssensors. Hier dient die Membranstruktur als thermisch entkoppelter Träger für die Messwiderstände.
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Während der Bauteilfertigung und Montage wie auch beim Betreiben des Bauteils am jeweiligen Einsatzort können Überlastsituationen auftreten, die zu einem Bruch oder zumindest zu Rissen in der Membranstruktur führen. Brüche erstrecken sich über die gesamte Dicke einer Membran und treten bevorzugt im Rand- bzw. Einspannbereich der Membran auf, da die mechanische Belastung in diesem Bereich am größten ist. Im Unterschied dazu bilden sich Risse lediglich in der Oberfläche der Membranstruktur aus, durchdringen diese aber nicht vollständig. Diese Risse wachsen in der Regel von unten nach oben, d. h. von der der Kaverne zugewandten Unterseite der Membran zur Oberseite der Membran in der Bauteiloberfläche. Auch wenn Risse nicht unbedingt zu einem Durchriss also Bruch der Membran führen, bedingen sie doch einen signifikanten Signaldrift des Bauelements.
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In der
DE 197 35 666 A1 wird ein mikromechanisches Massenflusssensorelement beschrieben, dessen Messwiderstand auf einer Membran in der Bauteiloberfläche angeordnet ist. Neben dem Messwiderstand sind auf der Bauteiloberfläche, und zwar im Einspannbereich der Membran, weitere Widerstandselemente angeordnet, die der Brucherkennung dienen. Dazu wird der Stromfluss durch diese Widerstandselemente kontinuierlich überwacht, da ein Membranbruch im Einspannbereich zu einer schlagartigen Widerstandserhöhung führt.
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Aus der
DE 10 2005 029 841 A1 ist eine mikromechanische Vorrichtung bekannt, bei der auf einem Bauelement ein Heizelement vorgesehen ist, welches dazu vorgesehen ist, das Passivierungsmittel, welches das Bauelement umgibt, auf eine vorgebbare Temperatur einzuregeln. Hierzu kann eine mäanderförmige Widerstandsstruktur auf der Oberfläche des Sensorchips, d. h. auf der Membran des Bauelements, vorgesehen sein.
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Aus der
DE 30 00 364 A1 ist eine Sensorplatte mit einer Halbleiter-Membran bekannt, die an ihrem Umfang innerhalb einer Einheit abgestützt ist. Zur Abtastung eines Bruchs ist ein Abtast-Element
22 vorgesehen, welches zick-zack-förmig auf beiden Seiten der Grenzlinie zwischen Membran und deren Halterung angeordnet ist. Dieses Abtast-Element
22 besteht aus einem elektrischen Leiter, der bei einem Bruch der Membran ebenfalls bricht und eine Anzeige ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung werden Maßnahmen vorgeschlagen, durch die nicht nur ein Bruch sondern auch Risse in der Membranstruktur erkannt werden können.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass sich zumindest ein Teil der Schaltungsmittel zur elektrischen Bruch/Risserkennung über einen unmittelbar an die Kaverne angrenzenden Membranbereich erstreckt.
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Die Erfindung geht davon aus, dass Risse, die zu einer signifikanten Beeinträchtigung der Membranfunktion führen, auch mit Hilfe von Schaltungsmitteln am Ort der Rissbildung erkannt werden können. Die erfindungsgemäße Anordnung der Schaltungsmittel auf der Unterseite der Membran beruht auf der Beobachtung, dass derartige Risse häufig in der der Kaverne zugewandten Unterseite der Membran auftreten und von dort aus zur Oberseite der Membran hin wachsen. Deshalb wird vorgeschlagen, die Schaltungsmittel zur Risserkennung in eine unmittelbar an die Kaverne angrenzenden Membranbereich zu integrieren, also dort anzuordnen, wo die Risse entstehen.
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Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung des erfindungsgemäßen Konzepts, insbesondere was die Art der elektrischen Schaltungsmittel betrifft.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Rissdetektion durch Bestromung der Membran, und zwar insbesondere einer unmittelbar an die Kaverne angrenzenden Membranschicht, wo die Risse meist entstehen. Risse, die orthogonal zur Stromrichtung orientiert sind, führen zu einer Unterbrechung des Stromflusses und damit zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstands, was einfach durch Überwachung der Spannung bei konstantem Speisestrom oder durch Überwachung des Stroms bei konstanter Speisespannung detektiert werden kann.
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Die Bestromung der Membran erfolgt über Anschlusskontakten auf der Bauelementoberfläche im Bereich des Membranrandes oder des Membranrahmens. Außerdem ist das Bauelement bei dieser Ausführungsform der Erfindung noch mit Mitteln zum Überwachen des Stromflusses durch die Membran bzw. die an die Kaverne angrenzende Membranschicht ausgestattet.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Variante ist mindestens ein Widerstandselement in der unmittelbar an die Kaverne angrenzenden Membranschicht ausgebildet. Das Widerstandselement erstreckt sich über die gesamte Länge bzw. Breite der Membran. Von besonderem Vorteil ist es, wenn sich das Widerstandselement im Wesentlichen über die gesamte Membranfläche erstreckt. Die Rissdetektion beruht in diesem Fall auf einer Bestromung des Widerstandselements an der Unterseite der Membran.
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Die hier in Rede stehenden Risse in der Membranstruktur wachsen typischerweise entlang der Hauptkristallachsen des Halbleitermaterials. Diese sind im Fall von Silizium-Bauelementen immer orthogonal zum Stromfluss durch ein integriertes Widerstandselement orientiert. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird dies ausgenutzt, um eine Risserkennung vorzunehmen, die unabhängig von Prozessstreuungen ist. Bei dieser Variante sind mindestens vier Anschlusskontakte vorgesehen, die so im Bereich des Membranrandes oder Membranrahmens angeordnet und miteinander verschaltet sind, dass die unmittelbar an die Kaverne angrenzende Membranschicht bzw. das Widerstandselement wahlweise in zwei unterschiedlichen Richtungen, im Falle eines Silizium-Bauelements also möglichst orthogonal, bestrombar ist. Der Strom kann so abwechselnd in zwei orthogonalen Richtungen durch die Membranunterseite geleitet werden. Durch Vergleich der dabei gemessenen elektrischen Widerstände kann der Einfluss der prozessbedingten Bauteilestreuung bei der Risserkennung deutlich vermindert werden.
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Wenn die Risserkennung – wie voranstehend beschrieben – auf einem Stromfluss durch eine unmittelbar an die Kaverne angrenzende Membranschicht bzw. ein Widerstandselement auf der Unterseite der Membran beruht, dann muss der Strom zunächst auf die Unterseite der Membran geleitet werden, was – je nach Halbleiter-Prozessoption – auf unterschiedliche Art und Weise bewerkstelligt werden kann.
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Ist die Membran in einer Epitaxieschicht auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet, so können die Anschlusskontakte in der Epitaxieschicht, genauso wie das bzw. die Widerstandselemente auf der Unterseite der Membran, einfach in Form von dotierten Halbleiterbereichen realisiert werden. Die dotierten Halbleiterbereiche der Anschlusskontakte können sich über die gesamte Dicke der Membran erstrecken und beispielsweise in einen dotierten Widerstandsbereich münden. Es ist aber auch möglich, dass sich die dotierten Halbleiterbereiche der Anschlusskontakte lediglich bis in eine bestimmte Tiefe der Epitaxieschicht erstrecken.
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In einer Ausführungsvariante der Erfindung sind die Anschlusskontakte und ggf. das mindestens eine Widerstandselement vom selben Dotierungstyp wie die Epitaxieschicht. Jedoch müssen die Anschlusskontakte und das Widerstandselement in diesem Fall deutlich stärker dotiert sein als die Epitaxieschicht, um einen gut messbaren Stromfluss zu realisieren. Parasitäre Ströme im oberen Bereich der Membran lassen sich durch eine oder auch mehrere Isolationsdotierungen in der Membran unterdrücken, die dazu in geeigneter Weise zwischen den Anschlusskontakten angeordnet sein müssen.
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Alternativ können die Anschlusskontakte und das Widerstandselement auch einen anderen Dotierungstyp aufweisen als das angrenzende Halbleitermaterial, so dass sie durch einen in Sperrrichtung betriebenen p/n-Übergang gegen das angrenzende Halbleitermaterial elektrisch isoliert sind.
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Das erfindungsgemäße Konzept der Risserkennung kann aber auch mit Hilfe mindestens einer schaltungstechnisch realisierten Wärmequelle und mindestens einem temperaturabhängigen Schaltungselement umgesetzt werden, da auch der Wärmefluss durch Risse in der Membranstruktur beeinträchtigt wird. Deshalb werden bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung eine Wärmequelle und ein temperaturabhängiges Schaltungselement, das als Temperatursensor fungiert, in der unmittelbar an die Kaverne angrenzenden Membranschicht angeordnet. Auf diese Weise wird der Wärmefluss innerhalb der Membran überwacht. Vorteilhafterweise werden Wärmequelle und Temperatursensor so positioniert, dass der Wärmefluss orthogonal zu den potentiell entstehenden Rissen erfasst wird. In diesem Fall ist die durch eine Rissbildung hervorgerufene Verminderung des Wärmeflusses am deutlichsten.
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Die Wärmequelle kann einfach in Form eines Widerstands, einer Diode oder eines Transistor realisiert werden. Als temperaturempfindliche Schaltungselemente mit Sensorfunktion kommen ebenfalls Widerstände, Dioden oder Transistoren in Frage.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung macht sich das Transistorprinzip zu Nutze, um etwaige Schädigungen der Membranstruktur zu erkennen. Diese Variante eignet sich insbesondere zur Überwachung von sehr stark miniaturisierten Membranen, die in einer Epitaxieschicht auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind. Die Membran fungiert hier als Basis eines Transistors und wird entsprechend dotiert. Der Emitter-Bereich und der Kollektor-Bereich dieses Transistors werden in Form von entsprechenden Dotierungen im Bereich des Membranrandes ausgebildet. Außerdem wird das Bauelement mit Mitteln zum Überwachen des Kollektor-Emitter-Stroms ausgestattet. Hier wird ausgenutzt, dass der Basisstrom den um ein Vielfaches größeren Kollektor-Emitter-Strom steuert. Demnach wirkt sich auch jede Veränderung des Basisstroms, die durch Rissbildung in der Membranstruktur hervorgerufen wird, auf den Kollektor-Emitter-Strom aus.
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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 dem unabhängigen Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren.
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1a–1d zeigen jeweils einen Schnitt durch den Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen Bauelements, bei dem die Risserkennung auf einer Bestromung der Membran bzw. der Membranunterseite beruht,
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1e zeigt eine Draufsicht auf die Oberfläche eines erfindungsgemäßen Bauelements mit einem Widerstandselement zur Risserkennung,
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2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch den Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen Bauelements mit Mitteln zur Überwachung des Wärmeflusses in der Membranstruktur und
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3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch den Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen Bauelements mit einem Transistor zur Risserkennung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die mikromechanische Struktur des in 1a dargestellten Bauelements 101 ist in einem Schichtaufbau realisiert, der ein Halbleitersubstrat 1, eine Epitaxieschicht 2 auf dem Halbleitersubstrat 1 und eine Passivierschicht 3 auf der Epitaxieschicht 2 bzw. der Bauteiloberfläche umfasst. Wesentlicher Bestandteil des Bauelements 101 ist eine Membran 11, die in der Epitaxieschicht 2 ausgebildet ist und eine Kaverne 12 im Substrat 1 überspannt. Da die Kaverne 12 hier in einem oberflächenmikromechanischen Prozess erzeugt wurde, ist sie rückseitig abgeschlossen. Alternativ könnte die Kaverne aber auch eine Anschlussöffnung zur Substratrückseite haben. Das Bauelement 101 ist mit Schaltungsmitteln zur elektrischen Erkennung von Rissen in der Membranstruktur 11 ausgestattet. Zumindest ein Teil dieser Schaltungsmittel erstreckt sich erfindungsgemäß über einen unmittelbar an die Kaverne 12 angrenzenden Schichtbereich.
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Das Bauelement 101 ist mit Anschlusskontakten 14/15 ausgestattet, die im Bereich des Membranrahmens angeordnet sind. Die Anschlusskontakte sind in Form von dotierten Bereichen 14 realisiert, die sich über die gesamte Dicke der Membran 11 bzw. der Epitaxieschicht 2 erstrecken. Diese dotierten Bereiche 14 werden über Metallkontakte 15 auf der Bauelementoberfläche elektrisch kontaktiert, um die Membran 11 zu bestromen. Da die Dotierung der Anschlussbereiche 14 hier vom selben Typ ist wie die Dotierung der Epitaxieschicht 2, die Anschlussbereiche 14 allerdings deutlich stärker dotiert sind als die Epitaxieschicht 2, ist die Stromdichte über der gesamten Dicke der Membran 11 im Wesentlichen homogen, was durch die Pfeile angedeutet wird. Ein Membranbruch und auch Risse in der Membran wirken sich auf die Stromdichte in der Membran 11 aus, was als Widerstandsänderung erfasst werden kann.
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Der gesamte Membranbereich mit den Anschlusskontakten 14 ist von einer Isolationsdotierung 5 in der Epitaxieschicht 2 eingefasst, um den Membranbereich von weiteren funktionalen Bereichen des Bauelements 101 elektrisch abzukoppeln.
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Das in 1b dargestellte Bauelement 102 hat dieselbe mikromechanische Struktur wie das Bauelement 101. Es ist ebenfalls mit Anschlusskontakten 14/15 im Bereich des Membranrahmens ausgestattet, die sich über die gesamte Dicke der Epitaxieschicht erstrecken. Zusätzlich ist auf der Unterseite der Membran 11 des Bauelements 102, d. h. in einen unmittelbar an die Kaverne 12 angrenzenden Schichtbereich, ein Widerstandselement 13 ausgebildet. Das Widerstandselement 13 ist hier in Form einer elektrisch leitenden Schicht mit einer p- oder n-Dotierung realisiert, die sich über die gesamte Länge bzw. Breite der Membran 11 erstreckt und einen geringen Squarewiderstand aufweist. Die Dotierung wurde hier im Rahmen des Halbleiterprozesses durch Implantation oder Diffusion erzeugt. Die Widerstandsdotierung 13 ist vom gleichen Typ wie die Dotierungen der Anschlusskontakte 14, die in die Widerstandsdotierung 13 münden. Das angrenzende Halbleitermaterial weist einen anderen Dotierungstyp auf, so dass das Widerstandselement 13 und die elektrischen Anschlusskontakte 14 durch einen p/n-Übergang gegen das angrenzende Halbleitermaterial elektrisch isoliert sind. Auf diese Weise wird der Strom zwischen den beiden Metallkontakten 15 über die Anschlusskontakte 14 auf die Unterseite der Membran 11 und über das Widerstandselement 13 geführt, ohne dass nennenswerte Parasitärströme oberhalb des Widerstandselements auftreten.
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Auch im Fall des Bauelements 102 ist der gesamte Membranbereich – hier mit dem Widerstandselement 13 und den Anschlusskontakten 14 – von einer Isolationsdotierung 5 in der Epitaxieschicht 2 eingefasst, um den Membranbereich von weiteren funktionalen Bereichen des Bauelements 102 elektrisch abzukoppeln.
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Im Unterschied zu der in 1a dargestellten Variante eines Bauelements 101 erstrecken sich die dotierten Bereiche 14 der Anschlusskontakte im Fall des in 1c dargestellten Bauelements 103 nicht über die gesamte Dicke der Membran 11 bzw. der Epitaxieschicht 2 sondern lediglich bis in eine bestimmte Tiefe der Epitaxieschicht 2. Die Dotierung der Anschlusskontakte 14 ist vom selben Typ wie die Dotierung der Epitaxieschicht 2. Allerdings sind die Anschlusskontakte 14 deutlich stärker dotiert als die Epitaxieschicht 2. Außerdem ist hier im Bereich des Membranrandes eine umlaufende Isolationsdotierung 16 ausgebildet, die sich in etwa so weit in die Tiefe der Epitaxieschicht 2 erstreckt wie die Dotierung der Anschlusskontakte 14. Die Isolationsdotierung 16 sorgt dafür, dass der Stromfluss zwischen den Metallkontakten 15 über die Anschlusskontakte 14 und durch eine untere, unmittelbar an die Kaverne 12 angrenzende Membranschicht erfolgt, indem die Isolationsdotierung 16 einen parasitären Stromfluss im oberen Bereich der Membran verhindert. An dieser Stelle sei angemerkt, dass auch mehrerer solcher Isolationsdotierungen im Randbereich der Membran, zwischen den Anschlusskontakten ausgebildet sein können oder die Membran auch ganzflächig mit einer derartigen Isolationsdotierung versehen sein kann.
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Das in 1d dargestellte Bauelement 104 unterscheidet sich lediglich durch eine Widerstandsdotierung 13 von dem in 1c dargestellten Bauelement 103. Diese Widerstandsdotierung 13 ist in einem unmittelbar an die Kaverne 12 angrenzenden Schichtbereich der Epitaxieschicht 2 ausgebildet und vom selben Typ wie die Dotierung der Anschlusskontakte 14 und die Dotierung der Epitaxieschicht 2. Allerdings ist die Widerstandsdotierung 13 genau wie die Dotierung der Anschlusskontakte 14 deutlich höher als die der Epitaxieschicht 2, was den Stromfluss durch die unmittelbar an die Kaverne 12 angrenzende Membranschicht zusätzlich begünstigt, wenn eine Spannung an die Metallkontakte 15 angelegt wird. Parasitäre Parallelströmen innerhalb der Membran 11 werden auch hier mit Hilfe einer Isolationsdotierung 16 in der Epitaxieschicht 2 unterbunden.
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Da sich die in den 1a bis 1d dargestellten Bauelemente 101 bis 104 ansonsten weder im Aufbau noch in der Funktion unterscheiden, wurden in allen Figuren die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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In den 1a bis 1d ist jeweils ein Riss 7 dargestellt, der von der Unterseite der Membran 11 ausgeht und sich bis in die Membran 11 erstreckt. Dies führt zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstandes zwischen den Anschlusskontakten 14, was einfach durch Überwachung des Stromflusses zwischen den Anschlusskontakten 14 erkannt werden kann. Die schaltungstechnischen Mittel zum Überwachen des elektrischen Widerstands bzw. des Stromflusses sind hier nicht im Einzelnen dargestellt, da die 1a bis 1e lediglich den oberen Teil des Bauelement-Schichtaufbaus im Bereich der Membran 11 zeigen.
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1e zeigt ein mögliches Layout für das Widerstandselement 13 und veranschaulicht eine bevorzugte Variante der Signalerfassung zur Risserkennung. Die Membranfläche 11 ist im hier dargestellten Ausführungsbeispiel quadratisch. Darauf abgestimmt hat die elektrisch leitende Schicht 13 ein kreuzförmiges Lay-out, so dass sie den Mittelbereich der Membran 11 vollständig abdeckt und sich an allen vier Membranseiten über die Membranfläche hinaus erstreckt. An jeder Membranseite ist ein flächiger Anschlusskontakt 14 für die leitende Schicht 13 angeordnet. Lediglich die vier Ecken der Membran 11 sind nicht von der leitenden Schicht 13 abgedeckt. Durch wechselseitiges Anlegen einer Spannung zwischen jeweils zwei gegenüberliegenden Anschlusskontakten 14 kann die leitende Schicht 13 auf der Unterseite der Membran 11 abwechselnd in zueinander orthogonalen Stromrichtungen, flächig bestromt werden. Dabei wirken sich Risse, je nach ihrer Orientierung zur Stromrichtung, unterschiedlich auf den Widerstand der elektrisch leitenden Schicht 13 aus. Dies wird durch den hier dargestellten Riss 7 veranschaulicht, der einen orthogonalen Stromfluss zwischen den Anschlüssen C1 und C2 deutlich beeinträchtigt, während er sich allenfalls geringfügig auf den Stromfluss zwischen den Anschlüssen C3 und C4 auswirkt. Durch Vergleich der für die beiden Stromrichtungen erfassten Widerstandswerte können Risse in der Membranstruktur unabhängig von ihrer Orientierung und unabhängig von Prozessstreuungen erkannt werden.
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Auch die Membran 21 des in 2 dargestellten Bauelements 20 ist in einer Epitaxieschicht 2 über einem Halbleitersubstrat 1 ausgebildet und überspannt eine Kaverne 22 im Substrat 1. Auf der Epitaxieschicht 2 bzw. der Bauteiloberfläche befindet sich einen Passivierschicht 3. Als Schaltungsmittel zur elektrischen Erkennung von Rissen in der Membranstruktur 21 wurden hier ein Heizwiderstand 23 und ein temperaturempfindlicher Widerstand 24 in die Unterseite der Membran 21 integriert. Da die beiden Widerstände 23 und 24 auf gegenüberliegenden Seiten der Membran 21 angeordnet sind, lässt sich der durch den Heizwiderstand 23 hervorgerufene Wärmefluss innerhalb der Membran 21 mit Hilfe des temperaturempfindlichen Widerstands 24 überwachen. Da der Wärmefluss durch Risse in der Membranstruktur 21 beeinträchtigt wird, können Veränderungen im Wärmefluss als Anzeichen für eine Rissbildung innerhalb der Membranstruktur 21 gedeutet werden.
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Die Widerstände 23 und 24 sowie geeignete Anschlusskontakte können wie im Fall der in den 1a und 1b dargestellten Bauteile in Form von dotierten Bereichen innerhalb der Epitaxieschicht 2 realisiert werden.
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Während die Risserkennung im Fall der Bauelemente 101 und 102 auf der Überwachung des Stromflusses an der Unterseite der Membran beruht und im Fall des Bauelements 20 auf der Beobachtung des Wärmeflusses an der Unterseite der Membran beruht die Risserkennung bei dem in 3 dargestellten Bauelement 30 auf dem Transistorprinzip.
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Die Membran 31 des Bauelements 30 ist hier in einer n-dotierten Epitaxieschicht 2 über einem p-dotierten Substrat 1 ausgebildet und überspannt eine Kaverne 32 im Substrat 1. Die Membran 31 fungiert als Basis eines Transistors, dessen Emitter 33 und Kollektor 34 jeweils als ein p-dotierter Bereich im Rahmenbereich der Membran 31 realisiert sind. Der Basisanschluss B, der Kollektoranschluss C und der Emitteranschluss E des Transistors sind hier lediglich schematisch dargestellt. Beim Transistorprinzip wird ausgenutzt, dass Risse in der Membranstruktur 31 den Basisstrom beeinflussen. Derartige Veränderungen des Basisstroms werden auf den sehr viel größeren Kollektor-Emitter-Strom übertragen und können so zuverlässig erfasst und ausgewertet werden.
