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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensorchip, der unter Anwendung halbleitertechnologischer Prozessschritte erzeugt werden kann, aus zumindest zwei Wafern bzw. Abschnitten solcher Wafer besteht und eine Membran aufweist, auf welche eine Druckdifferenz einwirkt. Die druckbedingte Membranwölbung führt dabei zu mechanischen Spannungen in einem der beiden Wafer, wobei diese mechanischen Spannungen die elektrischen Parameter der Sensorstruktur verändern, sodass die an der Membran auftretende Druckänderung als korrespondierendes elektrisches Signal bereitgestellt werden kann. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Drucksensorchips, welches mehrere Ätzschritte umfasst, um eine Druckkammer im Wafer auszubilden.
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Aus der
DE 197 23 334 A1 ist ein Drucksensor bekannt, der eine sich über einer Ausnehmung erstreckende Membran aufweist, wobei die Membran durch rückwärtiges Strukturieren, insbesondere Ätzen dieser Ausnehmung in einem Halbleitermaterial gebildet wird. Dieser Drucksensor zeichnet sich dadurch aus, dass innerhalb der Ausnehmung ein Hinterschnitt ausgeformt ist. Um diese Struktur in einem Wafer auszubilden, wird zunächst mit einem anisotropen Trockenätzprozess eine Hilfsvertiefung erzeugt. Anschließend wird von derselben Seite des Wafers aus ein anisotroper Nassätzschritt durchgeführt, beispielsweise mit einer Laugenlösung (KOH oder TMAH). Hierdurch bilden sich unter einem bestimmten Winkel schräg verlaufende Ätzflächen aus, sodass der Hinterschnitt entsteht. Diese vorgeschlagene Querschnittsgestaltung der Ausnehmung soll vor allem dazu führen, dass die Baugröße des Drucksensors trotz Einhaltung der Mindestmaße für die Membran und den die Ausnehmung umgebenden Randbereich minimiert werden kann.
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In der
US 5,520,054 ist ein aus miteinander verbundenen Halbleiterschichten hergestellter Drucksensor mit verstärkter Wanddicke bekannt. Auch in diesem Fall ist der Querschnitt einer Druckkammer mit einem Hinterschnitt versehen. Eine erste Halbleiterschicht und eine zweite Halbleiterschicht sind durch eine Bondfläche verbunden. Eine druckempfindliche Membran ist an der ersten Schicht ausgebildet, während die zweite Schicht eine Durchgangsöffnung besitzt, um ein druckbeaufschlagtes Fluid zuzuführen.
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In der
US 7,514,287 B2 wird ein Verfahren zur Reduzierung der Abmessungen eines MEMS-Bauteils beschrieben (MEMS = Micro-Electro-Mechanical-System = Mikrosystem). Dabei wird in einem einkristallinen Substrat eine Membran erzeugt, welche der Druckmessung dient. In einem ersten Schritt wird ein anisotroper Trockenätzprozess durchgeführt, um eine zu der Membran korrespondierende Öffnung auf der Rückseite des Substrats zu erzeugen. Das anisotrope Trockenätzen wird gestoppt und es folgt in einem zweiten Schritt ein anisotroper Nassätzprozess, um das einkristalline Substrat entlang einer spezifischen Gitterebene zu ätzen, bis die Membran ausgebildet ist.
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Die
DE 10 2008 035 017 A1 beschreibt einen Halbleiterdrucksensor und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Dieser Halbleiterdrucksensor umfasst einen Halbleiterkörper, der eine Messmembran aufweist, welche eine <100>-Ebene besitzt. Die Messmembran ist durch eine Vertiefung in dem Halbleiterkörper gebildet, wobei die Vertiefung seitlich durch Begrenzungsflächen begrenzt ist, die zumindest teilweise <111>-Ebenen umfassen. Zwischen den Begrenzungsflächen und der Messmembran entstehen Übergangsbereiche, die einen Krümmungsradius von nicht weniger als 1 µm besitzen sollen. Zur Herstellung des Drucksensors wird eine Vertiefung in den Halbleiterkörper geätzt, wobei ein anisotropes Ätzverfahren zum Einsatz kommt. Um einen Krümmungsradius aufweisende Übergangsbereiche zwischen der Membran und den Begrenzungsflächen zu erzeugen, wird nachfolgend ein isotroper Ätzschritt ausgeführt. Tatsächlich lassen sich durch diese Vorgehensweise die bei einem scharfwinkligen Übergang zwischen den Begrenzungsbereichen und der Membran auftretenden mechanischen Spannungen reduzieren, so dass die Berstgefahr an diesen Übergangsbereichen reduziert wird. Dies dient vor allem der Verbesserung der Überdruckfestigkeit eines solchen Sensors, denn zur Messung kleinerer Druckbereiche muss die Membran einerseits dünn gehalten werden, um die erforderliche geringe Steifigkeit zu erzielen, andererseits steigt bei reduzierter Membrandicke die Berstgefahr in den genannten Übergangsbereichen.
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Es hat sich allerdings gezeigt, dass eine zweite Schwachstelle eines derartigen Halbleiterdrucksensors entsteht, nämlich an der Verbindungsstelle zwischen dem Halbleiterkörper, in welchem die Vertiefung und die Messmembran ausgebildet sind, und einer notwendigen Verstärkungsschicht, welche die Vertiefung verschließt und die Zuführung eines druckbeaufschlagten Mediums gestattet. Üblicherweise werden auch die Verstärkungsschichten als Wafer ausgeführt und die Verbindung zwischen diesen beiden Körpern bzw. Wafern erfolgt bevorzugt durch Bonden. An der Verbindungsstelle bilden sich ebenfalls erhöhte mechanische Spannungen aus, die insbesondere beim Auftreten eines Überdrucks zum Aufreißen der Bondverbindung führen, womit wiederum die Überdruckfestigkeit des Drucksensors begrenzt ist.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, einen verbesserten Drucksensorchip sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung bereitzustellen, wodurch die Druckfestigkeit, insbesondere bei hohen Drücken oder auftretenden Überdrücken oberhalb des vorbestimmten Messbereichs erhöht wird, sowohl im Bereich der Membran, insbesondere in den Übergangsbereichen der Anbindung der Membran an die Seitenwände, als auch im Bereich der Verbindung zwischen den mindestens zwei Halbleiterschichten, aus den der Drucksensor zusammengesetzt wird.
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Die genannte Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem beigefügtem Anspruch 1 sowie durch einen Drucksensor gemäß dem beigefügtem Anspruch 8 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Drucksensorchips startet in an sich bekannter Weise mit dem Bereitstellen eines ersten Wafers, der nachfolgend auch als Sensorplatte bezeichnet wird und in welchem eine Druckkammer des Drucksensorchips ausgebildet werden soll. Bevorzugt werden als Wafer einkristalline Silizium-Wafer verwendet, wobei grundsätzlich auch andere Materialien nutzbar sind, für deren Bearbeitung in der Halbleiterindustrie die entsprechenden Technologien zur Verfügung stehen. Für den Fachmann ist auch verständlich, dass für die Herstellung eines miniaturisierten Drucksensorchips nicht eine komplette Substratscheibe sondern jeweils nur ein kleiner Abschnitt des Wafers benötigt wird, wobei im Regelfall auf einem Wafer gleichzeitig zahlreiche gleichartige Einheiten prozessiert werden und nach Abschluss sämtlicher Prozessschritte eine Vereinzelung der zahlreichen erzeugten Drucksensorchips erfolgt.
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Vor der Ausführung der weiteren Prozessschritte ist festzulegen, welche Dicke eine zu erzeugende Membran auf einer Membranseite der Sensorplatte aufweisen soll. Die Membrandicke ist abhängig vom gewählten Wafermaterial und vor allem vom Druck, dem der zu erzeugende Drucksensorchip im Betrieb ausgesetzt werden soll. Die Membran muss einerseits stabil genug sein, um die unter Betriebsbedingungen auftretenden Drücke, einschließlich eventueller Überdrücke auszuhalten, und andererseits flexibel genug sein, um bei den zu detektierenden Druckschwankungen eine Auslenkung zu erfahren, die hinreichend groß ist, um eine von nachgeordneten elektronischen Verarbeitungseinheiten auswertbare Änderung der elektrischen Parameter des Sensormaterials hervorzurufen. Aus der Differenz zwischen der Dicke des ersten Wafers (Sensorplatte) und der Dicke der auszubildenden Membran ergibt sich die Druckkammertiefe, die als Hohlraum ausgehend von der der Membran gegenüber liegenden Seite des Wafers erzeugt werden muss.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden nunmehr mindestens drei Strukturierungsschritte, insbesondere Ätzschritte in der nachfolgend beschriebenen Reihenfolge ausgeführt, jeweils von einer der Membranseite gegenüber liegenden Öffnungsseite der Sensorplatte, um die Druckkammer auszubilden. Im ersten Teilschritt wird vorzugsweise anisotropes Ätzen, insbesondere anisotropes Trockenätzen angewendet, dessen Tiefenfortschritt gut kontrollierbar ist und welches in den Wafermaterialien das Ausbilden von Hohlräumen mit im Wesentlichen senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Seitenwänden gestattet. Im zweiten Teilschritt wird ein anisotropes nasschemisches Ätzen durchgeführt, welches als kostengünstiger und gut kontrollierbarer Prozess vor allem die Ausbildung einer Membran mit sehr konstanter Dicke über die Membranfläche gestattet. Schließlich schließt sich ein dritter Teilschritt an, in welchem isotropes Ätzen durchgeführt wird, wobei sowohl nasschemisches als auch plasmachemisches oder elektrochemisches isotropes Ätzen nutzbar sind. Der dritte Teilschritt dient vor allem der optimalen Formgebung in den Übergangsbereichen zur Membran sowie im Bereich der Öffnungsseite der Druckkammer.
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Neben der zuvor beschriebenen Ausbildung der Druckkammer wird als weiterer Schritt im erfindungsgemäßen Verfahren ein zweiter Wafer bereitgestellt, der nachfolgend auch als Verstärkungsplatte bezeichnet wird. In die Verstärkungsplatte wird eine Durchgangsöffnung eingebracht, welche im späteren Betrieb der Zuführung eines druckbeaufschlagten Mediums zur Druckkammer dient. Die Durchgangsöffnung kann beispielsweise mit Hilfe eines Ätzprozesses, durch Laserbohren oder dergleichen erzeugt werden.
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Schließlich gehört zum erfindungsgemäßen Verfahren ein Schritt des Verbindens der Sensorplatte an ihrer Öffnungsseite mit der Verstärkungsplatte, vorzugsweise durch Bonden, durch Verkleben oder andere geeignete Prozessschritte der Halbleitertechnologie. Beim Verbinden der beiden Wafer bzw. Platten ist sicherzustellen, dass die Platten so zu einander ausgerichtet sind, dass die Durchgangsöffnung in die Druckkammer mündet, bevorzugt koaxial ausgerichtet ist mit der Druckkammer.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der erste Strukturierungsschritt d. h. das anisotrope Ätzen, vorzugsweise anisotrope Trockenätzen über einen vorbestimmten Zeitraum ausgeführt, der zur Erzeugung einer Ätztiefe von 10 % bis 95 % der insgesamt zu erzeugenden Druckkammertiefe führt. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn etwa 30% der Druckkammertiefe im ersten Ätzschritt erzeugt werden. In diesem Schritt wird somit ein im Wesentlichen rechteckiges Ätzprofil erzielt, wobei die entstehende Ausnehmung aber noch nicht das endgültige Volumen der herzustellenden Druckkammer aufweist.
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Der erste Strukturierungsschritt kann in alternativen Ausführungen auch durch elektrochemisches Ätzen, Laserstrukturieren, Ultraschall-Schwingläppen, Funkenerodieren oder ein sonstiger Strukturierungsprozess sein, durch welchen im Substrat Strukturen mit im Wesentlichen senkrechten Seitenwänden (Flankenwinkel 90° ±20°) erzeugbar sind.
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Der zweite Strukturierungsschritt, d. h. das anisotrope nasschemische Ätzen wird über einen vorbestimmten Zeitraum ausgeführt, sodass nach Abschluss des zweiten Ätzschrittes höchstens 99% der endgültigen Druckkammertiefe erzeugt sind. Bevorzugt werden durch den zweiten Ätzschritt mindestens 4% der gesamten Druckkammertiefe geätzt. Besonders bevorzugt werden durch den zweiten Ätzschritt etwa 65% der gesamten Druckkammertiefe geätzt, so dass am Ende des zweiten Ätzschrittes etwa 95% der endgültigen Druckkammertiefe geätzt sind. Durch den zweiten Ätzschritt wird aber nicht nur die Druckkammertiefe vergrößert sondern auch der Querschnitt der entstehenden Ausnehmung geändert. Am Ende des zweiten Ätzschrittes liegt ein im wesentlicher sechseckiger Querschnitt vor mit stumpfen Winkeln zwischen der Membranseite und den Seitenwänden der Ausnehmung, einer Hinterschneidung im Bereich der Seitenwände und stumpfen Winkeln zwischen der Öffnungsseite und den Seitenwänden.
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Für den zweiten Strukturierungsschritt werden vorzugsweise nasschemische Ätzverfahren in alkalischen Lösungen wie z. B: KOH, TMAH, NaOH, Hydrazin, EDP (Ethylendiaminpyrocatechol) verwendet. Damit werden die verschiedenen Kristallebenen des ersten Wafers, d. h. bevorzugt eines Si-Kristalls mit verschiedener Geschwindigkeit geätzt (Anisotropie) und es bleiben die <111>-Ebenen mit geringer Ätzrate erhalten.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform wird die Zeitdauer für den zweiten Strukturierungsschritt so gewählt, dass die Ätztiefe des zweiten Ätzschrittes geringer als ½ der Ätztiefe des ersten Ätzschrittes ist. Dadurch ergibt sich eine 8-eckige Struktur der Druckkammer.
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Mithilfe des dritten Strukturierungsschrittes, d. h. dem isotropen Ätzen, werden bevorzugt 1% bis 10% der gesamten Druckkammertiefe erzeugt, insbesondere etwa die letzten 5% der Druckkammertiefe. Der dritte Ätzschritt dient vor allem der Bildung von Krümmungsradien in den Eckbereichen der Ausnehmung, wodurch mechanische Spannungsüberhöhungen in diesen Übergangsbereichen reduziert werden. Dies führt letztlich zu dem angestrebten Ziel der Erhöhung der Berstfestigkeit an den Einspannstellen der Membran und im Bereich der Bondverbindung zwischen den beiden Waferschichten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das anisotrope Trockenätzen im ersten Ätzschritt durch ein reaktives Ionentiefenätzen (DRIE) ausgeführt. Alternativ dazu können auch andere anisotrope Plasmaätzverfahren eingesetzt werden, beispielsweise Bosch-Prozess oder Kryo-Ätzen. Für das anisotrope nasschemische Ätzen im zweiten Ätzschritt können die bekannten Ätzlösungen eingesetzt werden, beispielsweise KOH oder TMAH.
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Das isotrope Ätzen im dritten Strukturierungsschritt kann nasschemisch oder trockenchemisch, elektrochemisch oder durch Gasphasen-Ätzen durchgeführt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Verbinden der Sensorplatte mit der Verstärkungsplatte durch Bonden.
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Ein erfindungsgemäßer Drucksensorchip besteht aus einer Sensorplatte und einer mit dieser verbundenen Verstärkungsplatte. Beide Platten sind aus Wafermaterial vorzugsweise einkristallinem Silizium gebildet. Bevorzugt wird für beide Wafer dasselbe Material verwendet, um temperaturabhängige Spannungen zwischen den Platten zu verhindern. In der Sensorplatte ist eine Druckkammer ausgebildet und in der Verstärkungsplatte befindet sich eine Durchgangsöffnung, welche in die Druckkammer mündet. Die Druckkammer besitzt auf einer Membranseite eine Membran mit vorbestimmter Dicke, welche die Druckkammer abschließt. Auf der gegenüberliegenden Öffnungsseite der Druckkammer wird diese durch die Verstärkungsplatte verschlossen, abgesehen von der einmündenden Durchgangsöffnung. Erfindungsgemäß ist der Steigungsverlauf am Übergang zwischen den Seitenwänden zur Membran und am Übergang zwischen den Seitenwänden und der mit der Öffnungsseite verbunden Fläche der Verstärkungsplatte durch Übergangsradien gebildet. Besonders bevorzugt ist der Steigungsverlauf an sämtlichen Innenflächen der Druckkammer ohne Unstetigkeitsstellen gestaltet.
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Diese Formgebung im Inneren der Druckkammer lässt sich vorzugsweise durch das oben beschriebene erfindungsgemäße Verfahren erzeugen.
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Die Vermeidung scharfer Kanten und spitzer Winkel zumindest im Übergangsbereich zwischen den Seitenwänden der Druckkammer und der Membran sowie im Bereich der Öffnung der Druckkammer, die von der Verstärkungsplatte verschlossen ist, führt dazu, dass in diesen Übergangsbereichen keine im Vergleich zu anderen Wandungsbereichen drastisch erhöhten mechanischen Spannungen auftreten, die bei einer überhöhten Druckbelastung zu einer Zerstörung des Drucksensors führen könnten.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen des Drucksensorchips, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
- 1 einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Drucksensorchips gemäß einer ersten Ausführungsform anhand wesentlicher Herstellungsschritte;
- 2 einen Ablauf des abgewandelten Verfahrens zur Herstellung des Drucksensorchips gemäß einer zweiten Ausführungsform anhand wesentlicher Herstellungsschritte.
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1 zeigt anhand von vier Abbildungen die wesentlichen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Drucksensorchips sowie dessen Hauptbestandteile. Die Abbildungen dienen der Verdeutlichung der Besonderheiten des Verfahrens und des sich daraus ergebenden Drucksensorchips und sind aus diesem Grund stark vereinfacht und nicht in jeder Hinsicht maßstabsgetreu gezeichnet.
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In Abbildung a) ist eine Sensorplatte 01 dargestellt, die aus einem Abschnitt eines ersten Wafers aus bevorzugt einkristallinem Silizium besteht und die eine Membranseite 02 sowie eine gegenüber liegende Öffnungsseite 03 besitzt. Während eines ersten Ätzschrittes unter Anwendung eines anisotropen Trockenätzprozesses wurde ausgehend von der Öffnungsseite 03 bereits eine Ausnehmung 04 mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt in das Material der Sensorplatte 01 geätzt.
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In einem zweiten Ätzschritt, dessen Ergebnis in Abbildung b) dargestellt ist, wird durch anisotropes nasschemisches Ätzen die Ausnehmung 04 erweitert, wodurch sich sowohl die Tiefe der Ausnehmung 04 vergrößert als auch die Seitenwände sich etwa dreiecksförmig in das Material der Sensorplatte 01 erweitern, sodass ein sechseckiger Querschnitt resultiert. Es entstehen somit allseits erweiterte Ätzbereiche 05, die zu einer Vergrößerung der Ausnehmung 04 beitragen.
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Die Abbildung c) zeigt das Ergebnis des Verfahrens nach Ausführung eines dritten Ätzschrittes, in welchem isotropes Ätzen genutzt wird. Die Ausnehmung 04 wird nochmals geringfügig erweitert, mit in allen Richtungen im Wesentlichen gleichem Materialabtrag, so dass in den zunächst scharfkantigen Übergangsbereichen Radien 06 ausgebildet werden, die sämtliche Unstetigkeitsstellen im Verlauf der Innenwand der Ausnehmung 04 beseitigen. Auf der Membranseite 02 ist nach Abschluss des dritten Ätzschrittes eine Membran 07 erzeugt, die an ihren Randbereichen jeweils mit den Radien 06 in schräg zur Haupterstreckungsebene der Sensorplatte 01 verlaufende obere Seitenwände 08 übergeht. Die oberen Seitenwände 08 gehen wiederum mit Radien 06 in gegenläufig schräg verlaufende untere Seitenwände 09 über, die wiederum über Radien 06 in eine Öffnung 10 in der Ebene der Öffnungsseite 03 übergehen.
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Abbildung d) zeigt einen komplettierten Drucksensorchip 11, der in einem abschließenden Verbindungsschritt erzeugt wurde. Dazu wurde zuvor ein zweiter Wafer als eine Verstärkungsplatte 12 bereitgestellt, die über eine Bondfläche 13 mit der Sensorplatte 01 verbunden wird. In der Verstärkungsplatte 12 befindet sich eine Durchgangsöffnung 14, welche in eine Druckkammer 15 mündet, die ihrerseits durch die zweifach erweiterte Ausnehmung 04 gebildet ist. Es ist ersichtlich, dass die Radien 06 im Bereich der Öffnung 10 wiederum ohne Unstetigkeitsstellen an das Material der Verstärkungsplatte 12 anschließen.
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In bevorzugten Ausführungsformen liegt die Waferdicke der Sensorplatte 01 und der Verstärkungsplatte 12 zwischen 150 bis 1000 µm, besonders bevorzugt beträgt sie etwa 400 µm. Die Dicke der Membran 07 liegt im Bereich zwischen 20 µm und etwa der Hälfte der Waferdicke, vorzugsweise beträgt die Membrandicke etwa 120 µm. Die Membran 07 hat einen Durchmesser oder eine axiale Erstreckung im Bereich zwischen 200 und 4000 µm, vorzugsweise etwa 1000 µm. Andere Abmessungen sind möglich, insbesondere wenn dies auf Grund des jeweiligen Anwendungsfalls des Drucksensorchips zweckmäßig ist.
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2 zeigt eine leicht abgewandelte Vorgehensweise bei der Herstellung des Drucksensorchips, wiederum in vier Abbildungen. Der wesentliche Unterschied zu den in Bezug auf 1 beschriebenen Schritten besteht darin, im zweiten Strukturierungsschritt eine andere Ätztiefe gewählt wird, sodass die Ätztiefe des zweiten Ätzschrittes geringer als ½ der Ätztiefe des ersten Ätzschrittes ist. Es ergibt sich eine achteckige Struktur der Ausnehmung 04, wie es in Abbildung b) gezeigt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 01 -
- Sensorplatte
- 02 -
- Membranseite
- 03 -
- Öffnungsseite
- 04 -
- Ausnehmung
- 05 -
- erweiterte Ätzbereiche
- 06 -
- Radien
- 07 -
- Membran
- 08 -
- obere Seitenwände
- 09 -
- untere Seitenwände
- 10 -
- Öffnung
- 11 -
- Drucksensorchip
- 12 -
- Verstärkungsplatte
- 13 -
- Bondfläche
- 14 -
- Durchgangsöffnung
- 15 -
- Druckkammer
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19723334 A1 [0002]
- US 5520054 [0003]
- US 7514287 B2 [0004]
- DE 102008035017 A1 [0005]
