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BEREICH DER ERFINDUNG
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Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auf einen Mikroelektromechanisches-System-(MEMS-)Drucksensor, welcher eine zusätzliche Bond-Schicht bzw. Anheftschicht besitzt, welche für das Sichern einer Kappe auf einem druckerfassenden Element besitzt, wobei die Kappe ein Teil eines absoluten Drucksensors ist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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MEMS-Drucksensoren sind allgemein bekannt und werden im breiten Maße benutzt. Ein Typ des Drucksensors ist ein absoluter Drucksensor, welcher ein druckerfassendes Element beinhaltet, welches aus Silizium hergestellt ist, welches anodisch an einen Glassockel gebondet wird, um ein Referenzvakuum zu bilden. Das druckerfassende Element beinhaltet vier Piezowiderstände, welche an eine Konfiguration angeschlossen sind, welche als eine ”Wheatstonesche Brücke” bekannt ist, welche benutzt wird, um Änderungen im Druck zu detektieren.
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Viele absolute Drucksensoren werden bei Anwendungen benutzt, in welchen die Sensoren einem scharfen Medium ausgesetzt sind. Für derartige Anwendungen kann die Vorderseite zum Abtasten eines herkömmlichen absoluten Drucksensors nicht in dem scharfen Medium überleben. Es ist ein anderer Typ von absolutem Drucksensor erforderlich, wie zum Beispiel ein Rückseite-Absolut-(BSA-)Drucksensor, welcher widerstandsfähig ist, um einem scharfen Medium ausgesetzt zu werden. Ein typischer BSA-Drucksensor beinhaltet eine obere Kappe bzw. Deckkappe, um ein Referenzvakuum zu umschließen und um die Rückseite des Sensors dem Medium auszusetzen.
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Jedoch sind gegenwärtige Designs bzw. Gestaltungen für die PSA-Drucksensoren strukturellen Fehlern ausgesetzt. Das Bonden zwischen der Kappe und dem druckerfassenden Element ist nicht immer robust genug, um das hermetische Bonden zwischen der Kappe und dem druckerfassenden Element aufrechtzuhalten.
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Eine Art von Vorgehensweise, um die Kappe an das druckerfassende Element zu bonden, besteht darin, Bond-Filme zu benutzen, wie zum Beispiel eine Schicht aus Polysilizium und eine Schicht aus Siliziumoxid zwischen dem Kappenglas und dem druckerfassenden Element. Ein Problem, welches bei dieser Vorgehensweise auftritt, ist das Auftreten einer Instabilität aufgrund von mobilen Ionen. Das Kappenglas besitzt Na*-Ionen, welche zusammen mit kontaminierten Ionen zu der Siliziumoxidschicht wandern können. Amorphes Siliziumoxid besitzt viele offene Kanäle, welche eine Bewegung von Na+-Ionen gestatten. Außerdem, wenn in Betrieb, existieren starke elektrische Felder in dem Siliziumoxid und den Siliziumoberflächen, welche die Ionen antreiben, sich zu bewegen, was eine Veränderung in der Ausgabe des Drucksensors über die Zeit hinweg verursacht, oder eine Instabilität ausgibt. Die Wirkung der Ausgabe-Instabilität ist bei hohen Temperaturen stärker ausgeprägt.
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Ein Versuch, die Ausgabe-Instabilität aufgrund der Bewegung der mobilen Ionen, wie oben erwähnt, zu überwinden, besteht darin, eine Schicht von Siliziumnitridfilm (Si3N4, welches mit einer chemischen Dampf-Ablagerungstechnik bei niedrigem Druck aufgebracht wird) zwischen dem Polysilizium und dem Siliziumdioxid einzuarbeiten. Das Siliziumnitrid hat sich als eine effiziente dielektrische Schicht erwiesen, um mobile Ionen gegenüber dem Eindringen in das Siliziumoxid und die Siliziumoberfläche zu blockieren. Jedoch bietet das Anwenden von Siliziumnitrid andere Nachteile. Ein Si3N4-Film besitzt natürlicherweise eine schlechte Anhaftung an einem Polysiliziumfilm. Dies verursacht Integritäts- bzw. Widerstandsvermögen-Nachteile, welche von einer schwachen Kappen-Bondkraft aufgrund einer schlechten Anheftung zwischen den bondenden Filmen, wie zum Beispiel Polysilizium und Siliziumnitrid, herrühren. Eine gewisse mechanische oder umweltbedingte Störung kann einen Grenzflächenfehler an der Schnittstelle zwischen dem Siliziumnitrid und dem Polysilizium verursachen, oder Feuchte und/oder Luft, welche hinein in die Schnittstelle diffundiert, kann eine Änderung im Vakuumpegel über die Zeit hinweg verursachen. Das Aufrechterhalten eines robusten Siliziumnitridfilms ist für die Leistungsfähigkeit der Einrichtung wichtig. Die Art von Fehler, welcher resultiert, ist ein Fehler an der Schnittstelle zwischen dem Siliziumnitrid und dem Polysilizium während des Substrat-Abschertests, oder ein Grenzflächenfehler.
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Zusätzlich, um für das Siliziumnitrid eine robuste Passivierung bereitzustellen, muss das Siliziumnitrid eine Dicke von größer als 0,1 μm besitzen. Die maximale Ablagerungsdicke des Si3N4-Films ist aufgrund der hohen Zugbeanspruchungen (das Siliziumnitrid bricht, wenn die Dicke größer als 0,2 μm ist) typischerweise geringer als 0,2 μm. Einige Trocken-Ätzschritte während der Wafer-Herstellung können etwas mehr als 0,1 μm ätzen, wobei eine Schicht von Siliziumnitrid mit einer Restdicke von geringer als 0,1 μm hergestellt wird. Diese Verminderung bzw. Schwächung des Siliziumnitridfilms während des Wafer-Herstellprozesses reduziert die Fähigkeit der Schicht aus Siliziumnitrid, mobile Ionen für das Erreichen der Siliziumoxidschicht zu blockieren.
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Entsprechend besteht eine Notwendigkeit für ein Material, welches eine geeignete Bondstärke zwischen der Kappe und dem druckerfassenden Elemente bereitstellt und den Si3N4-Film gegenüber Ätzen während des Herstellprozesses schützt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In einigen Ausführungsformen beinhaltet ein Drucksensor ein druckerfassendes Element, welches ein Diaphragma, einen Hohlraum, welcher unter dem Diaphragma platziert ist, und eine Brückenschaltung, welche an der Oberseite des Diaphragmas angeheftet ist, besitzt. Die Brückenschaltung wird benutzt, um den Druck in dem Hohlraum zu erfassen. Eine obere Oberfläche bzw. Deckfläche ist als Teil des druckerfassenden Elements gebildet, so dass wenigstens ein Teilbereich der Deckfläche auch Teil des Diaphragmas ist. Das druckerfassende Element beinhaltet auch eine Vielzahl von inneren Oberflächen, welche in einer rückseitigen Oberfläche enden, so dass die Vielzahl der inneren Oberflächen und die rückseitige Oberfläche wenigstens einen Teil des Hohlraums bilden. Der Drucksensor beinhaltet auch einen bondenden Mechanismus, welcher aus einer Vielzahl von dünnen Filmen hergestellt ist. Die erste Schicht des bondenden Mechanismus ist auf der Deckfläche des druckerfassenden Elementes gebildet, eine zweite Schicht ist auf der ersten Schicht abgelagert, eine dritte Schicht ist auf der zweiten Schicht abgelagert und eine vierte Schicht ist auf der dritten Schicht abgelagert.
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In einer Ausführungsform ist die erste Schicht eine Siliziumdioxidschicht, die zweite Schicht ist eine Siliziumnitridschicht, die dritte Schicht ist eine Oxidschicht und die vierte Schicht ist eine Polysiliziumschicht. Die Dicke der dritten Schicht, welche aus Oxid hergestellt ist, ist geringer als 2,0 μm, aber es ist innerhalb des Umfangs der Erfindung, dass größere oder geringere Dicken benutzt werden können.
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Der Drucksensor beinhaltet ferner eine Kappe, welche eine obere und untere Oberfläche besitzt. Die Kappe besitzt einen zweiten Hohlraum, welcher als Teil der unteren Oberfläche der Kappe geätzt ist. Die Kappe ist an die vierte Schicht des bondenden Mechanismus gebondet, so dass der zweite Hohlraum der Kappe die obere Seite des Diaphragmas in einem wenigstens teilweisen Vakuum aufnimmt. Die Kappe kann aus einem Borsilicatglas, Silizium oder aus anderen geeigneten Materialien hergestellt sein.
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Die vorliegende Erfindung benutzt den bondenden Mechanismus, welcher aus vier Schichten von Filmen hergestellt ist, um eine Obere Seiten-Vakuumreferenz in dem zweiten Hohlraum für Rückseite-absolute Drucksensoranwendungen zu bilden. Wie oben erwähnt, ist eine der Schichten eine Oxidschicht zwischen Polysilizium und Sliziumnitridfilmen. Diese Oxidschicht besitzt eine außergewöhnliche Haftung sowohl für die Polysilizium- als auch Siliziumnitridfilme, so dass die Kappen-Bondkraft größer als die Kappen-Glaskraft ist. Zusätzlich dient diese Oxidschicht als ein Schutz für den Siliziumnitridfilm, um so ein Überätzen von dem Wafer-Herstellprozess zu minimieren oder zu vermeiden und die Robustheit des Siliziumnitrids aufrechtzuerhalten, um die mobilen Ionen zu blockieren.
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Die Einarbeitung der Oxidschicht gestattet eine hohe Kappen-Bondkraft, welche größer als die maximale Kraft des Kappenmaterials ist, wie zum Beispiel Glas, und vermeidet auch eine Verminderung des Siliziumnitridfilms, wobei eine robuste Passivierung bzw. Abschaltung der mobilen Ionen bereitgestellt wird. Die hinzugefügte dünne Oxidschicht macht den Herstellungsprozess bei minimalen zusätzlichen Kosten robuster.
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Weitere Bereiche der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung, welche hier nachfolgend bereitgestellt wird, offensichtlich. Es sollte davon ausgegangen werden, dass die detaillierte Beschreibung und spezielle Beispiele, während diese die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anzeigen, lediglich für Zwecke der Erläuterung gedacht sind und nicht dafür gedacht sind, den Umfang der Erfindung zu begrenzen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird vollständiger aus der detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen verstanden, in welchen:
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1 eine Querschnittsansicht eines Drucksensors entsprechend zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine Querschnittsansicht eines druckerfassenden Elementes, welches Teil eines Drucksensors ist, entsprechend zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist; und
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3 eine Querschnittsansicht eines bondenden Mechanismus, welcher als Teil eines Drucksensors benutzt wird, entsprechend zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) ist in ihrer Art nur beispielhaft, und es ist in keiner Weise beabsichtigt, dass sie die Erfindung, deren Anwendung oder Benutzen begrenzt.
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Ein Beispiel des Drucksensors entsprechend der vorliegenden Erfindung wird in 1–3 allgemein bei 10 gezeigt. Der Sensor 10 beinhaltet ein druckerfassendes Element 12, einen Glassockel 14, eine Kappe 16 und einen bondenden Mechanismus, welcher allgemein bei 18 gezeigt wird. Als Teil des Glassockels 14 ist eine Öffnung 20 gebildet, und die Öffnung 20 ist in fluider Kommunikation mit einem Hohlraum, welcher allgemein bei 22 gezeigt ist. Das druckerfassende Element 12 beinhaltet eine untere Oberfläche 12A, welche anodisch an eine obere Oberfläche 12B des Glassockels 14 gebondet ist. In einer Ausführungsform beinhaltet die Kappe 16 Seitenwände 16A, 16B, und einen zweiten Hohlraum 24, welcher durch die inneren Oberflächen 16C, 16D, 16E umgeben ist.
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Der Hohlraum 22 ist in die untere Oberfläche 12A des druckerfassenden Elementes 12 geätzt und beinhaltet vier abgewinkelte innere Oberflächen, wobei nur eine erste abgewinkelte innere Oberfläche 26 und eine zweite abgewinkelte innere Oberfläche 28 in 1 und 2 dargestellt sind, da 1 und 2 Querschnittsansichten sind. Jede der vier abgewinkelten inneren Oberflächen endet in einer rückseitigen Oberfläche 30, welche Teil eines Diaphragmas 32 ist. Die Kappe 16 ist an den bondenden Mechanismus 18 gebondet, und der bondende Mechanismus 18 ist an das druckerfassende Element 12 in einer derartigen Weise gebondet, dass der zweite Hohlraum 24 über dem Diaphragma 32 platziert ist und wenigstens ein teilweises Vakuum besitzt.
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Das druckerfassende Element 12 ist aus einem einzelnen kristallinen Silizium hergestellt und beinhaltet das Diaphragma 32, den Hohlraum 22, welcher die Oberflächen 26, 28, 30 besitzt, und eine obere Oberfläche bzw. Deckfläche 34. Die Deckfläche des Hohlraumes 22 ist auch die rückseitige Oberfläche 30 des Diaphragmas 32. Das druckerfassende Element 12 beinhaltet auch die Brückenschaltung 36 auf der Deckfläche 34 in dem Bereich des Diaphragmas 32. In einer Ausführungsforme enthält die Brückenschaltung 36 wenigstens vier getrennte Piezowiderstände, welche durch P+-dotierte und/oder Metallverbindungen angeschlossen sind. Die Piezowiderstände können in einer von mehreren Konfigurationen platziert sein. Die Piezowiderstände können nahe zu einer Seite des Randes des Diaphragmas 32 platziert sein, nahe zu vier Seiten des Randes des Diaphragmas 32, oder verteilt in einer Richtung über das Diaphragma 32. Der Einfachheit des Zeichnens wegen beinhalten die 1 und 2 diese Details, wie zum Beispiel die Verbindungen oder den Ort jedes Piezowiderstandes, nicht. Stattdessen wird die Referenzziffer 36 in den 1 und 2 benutzt, eine generische Brückenschaltung zu repräsentieren, welche in jeglicher Konfiguration und an jeglichem Ort sein kann, wie allgemein in der Fachwelt bekannt ist. Wie oben erwähnt, ist das druckerfassende Element 12 anodisch an den Glassockel 14 und an die Kappe 16 über den bondenden Mechanismus 18, wie dies in 1 gezeigt ist, gebondet.
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Der bondende Mechanismus 18 wird benutzt, die Kappe 16 an das druckerfassende Element 12 zu bonden. In einigen Ausführungsformen kann die Kappe 16 aus Silizium oder Glas hergestellt sein, wie zum Beispiel aus Borsilikatglas. In dieser Ausführungsform ist die Kappe 16 aus Borsilikatglas hergestellt und ist anodisch an den bondenden Mechanismus 18 auf der Oberfläche des druckerfassenden Elementes 12 anodisch gebondet, um ein Vakuum oder wenigstens ein teilweises Vakuum des zweiten Hohlraums 24 zu umschließen. Dies gestattet, dass der Drucksensor 10, welcher in 1 gezeigt ist, den absoluten Druck misst. Die Länge und die Breite des zweiten Hohlraumes 24 sind nahe oder größer als die Länge und die Breite des Diaphragmas 32.
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Der bondende Mechanismus 18 beinhaltet mehrere Schichten, welche für das Anschließen der Kappe 16 an das druckerfassende Element 12 benutzt werden. Spezieller ausgedrückt, es gibt eine erste Schicht 18A, welche auf der Deckfläche 34 des druckerfassenden Elements 12 gebildet ist, eine zweite Schicht 18B, welche auf der Deckfläche der ersten Schicht 18A abgelagert ist, eine dritte Schicht 18C, welche auf der Deckfläche der zweiten Schicht 18B abgelagert ist, und eine vierte Schicht 18D, welche auf der Deckfläche der dritten Schicht 18C abgelagert ist. In dieser Ausführungsform ist die erste Schicht 18A aus Siliziumdioxid (SiO2) hergestellt und ist an das druckerfassende Element 12 gebondet. Die zweite Schicht 18B ist Siliziumnitrid (Si3N4) und ist an die erste Schicht 18A gebondet. Die dritte Schicht 18C ist eine Schicht aus Oxid, welche auf der zweiten Schicht 18B abgelagert ist. Die vierte Schicht 18D ist eine Schicht aus Polysilizium und ist an die dritte Schicht 18C gebondet.
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Die dritte Schicht 18C (die Schicht aus Oxid) ist ungefähr 2,0 μm oder geringer in der Dicke, jedoch ist es innerhalb des Umfangs der Erfindung, dass andere Dicken benutzt werden können. Die dritte Schicht ist eine Oxidschicht, welche bei jeglichem Niedrigtemperatur-(geringer als 500°C)Prozess abgelagert wird, wie zum Beispiel einem Niedrigtemperaturoxid (LTO), einer plasmaverstärkten chemischen Dampfablagerung (PECVD), etc..
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Das Implementieren der dritten Schicht 18C stellt eine verbesserte Haftung sowohl des Si3N4 als auch des Polysiliziums bereit, um so die Bondkraft zwischen der Kappe 16 und dem druckerfassenden Element 12 zu verstärken, so dass sie größer als die Kraft des Materials ist, welches benutzt wird, um die Kappe 16 herzustellen (wie zum Beispiel Borsilikatglas). Das Implementieren der dritten Schicht 18C stellt auch einen Schutz für die zweite Schicht 18B gegenüber Überätzen durch die anderen Herstellungsschritte bereit, so dass die zweite Schicht 18B in der Dicke nicht reduziert wird, nachdem sie auf der ersten Schicht 18A abgelagert ist, wodurch eine robuste Passivierungsfunktion bereitgestellt wird.
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Das Anwenden der dritten Schicht 18C, um eine Glaskappe zu verbinden, wie zum Beispiel die Kappe 16 mit dem Element 12, ist für den Gebrauch bei anderen verschiedenen Anwendungen geeignet, wie zum Beispiel einem Beschleunigungsmesser, einem Gyroskop oder Ähnlichem.
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In einer Ausführungsform wird der Hohlraum 22 durch das Benutzen eines anisotropischen chemischen Ätzens durch Kaliumhydroxid (KOH), Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH), etc. oder ein trockenes Ätzen durch tiefes reaktives Ionenätzen (DRIE) gebildet, jedoch ist es innerhalb des Umfangs der Erfindung, dass andere Prozesse benutzt werden können.
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Das Diaphragma 32 ist relativ dünn, und die Dicke des Diaphragmas 32 hängt von der Diaphragmagröße und dem druckerfassenden Bereich ab. Das Diaphragma 32 lenkt sich in Antwort auf den Druck aus, welcher an der rückseitigen Oberfläche 30 durch die Öffnung 20 des Substrats 14 und den Hohlraum 22 angewendet ist, wie dies in 1 gezeigt wird. Die Ablenkungen des Diaphragmas 32, welche von dem angewendeten Druck herrühren, lösen ein Ungleichgewicht in der Brückenschaltung 36 aus, so dass das Ausgangssignal der Brückenschaltung 36 mit dem Drucksignal korreliert.
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Die Beschreibung der Erfindung ist in ihrer Art nur beispielhaft, und demnach sollen Variationen, welche nicht vom Geist der Erfindung abweichen, innerhalb des Umfangs der Erfindung sein. Derartige Variationen sind nicht als eine Abweichung vom Geist und Umfang der Erfindung zu betrachten.
