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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines halbleiterbasierten Drucksensors mit einer aus einem Substrat geätzten Messmembran, einen halbleiterbasierten Drucksensor mit einer aus einem Substrat geätzten Messmembran erhältlich durch das Verfahren und ein halbleiterbasierter Drucksensor mit einer strukturierten Messmembran.
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Halbleiterbasierte Drucksensoren, die gelegentlich auch MEMS-Drucksensoren genannt werden, werden regelmäßig aus aufeinander angeordneten Lagen, insb. Siliziumlagen, aufgebaut, und unter Verwendung von in der Halbleitertechnologie üblichen Verfahren, wie z.B. Ätzprozessen, Oxidationsverfahren, Implantationsverfahren, Bondverfahren und/oder Beschichtungsverfahren hergestellt. Dabei werden die einzelnen Lagen, sowie ggfs. zwischen benachbarten Lagen vorgesehene Verbindungsschichten, z.B. Isolationsschichten, entsprechend der ihnen im Sensor zukommenden Funktion präpariert bzw. strukturiert.
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Derartige halbleiterbasierte Drucksensoren umfassen für gewöhnlich Komponenten, die einer mechanischen Belastung ausgesetzt sein können. Ein Beispiel hierfür sind Funktionselemente von in den Drucksensoren integrierten elektromechanischen Wandlern, die einer von der zu erfassenden Messgröße abhängigen mechanischen Belastung ausgesetzt werden, die vom Wandler in eine von der Messgröße abhängige elektrische Größe umwandelt wird.
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Mechanische Belastungen bewirken zwangsläufig Spannungen die einzelne Strukturelemente und/oder mit einzelnen Strukturelementen verbundene weitere Strukturelemente mechanisch beanspruchen. Das stellt solange kein Problem dar, wie die Belastungen eine für den Sensor vorgegebene häufig als Überlastfestigkeit bezeichnete Belastungsgrenze nicht überschreiten. Es kommt jedoch in der Praxis immer wieder vor, dass Sensoren Überbelastungen ausgesetzt werden.
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Die Gefahr einer Überbelastung ist insb. bei Differenzdrucksensoren besonders groß, die dazu eingesetzt werden Druckdifferenzen Δp zwischen zwei im Vergleich zur Druckdifferenz Δp großen Drücken p1, p2 zu messen. Da diese Sensoren empfindlich genug sein müssen, um die dem kleineren der beiden Drücken entsprechenden Systemdruck überlagerte Druckdifferenz Δp messtechnisch erfassen zu können, stellen vor allem einseitige Überlasten, bei denen nur eine Seite einer Messmembran des Differenzdrucksensors mit dem Systemdruck beaufschlagt wird, dem kein auf die gegenüberliegenden Seite der Messmembran einwirkender Gegendruck entgegenwirkt, ein Problem dar.
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Dabei sind Sensoren, die Bereiche mit spitzen Winkeln aufweisen, besonders empfindlich gegenüber mechanischen Belastungen, da sich an spitzen Winkeln Kerbspannungen konzentrieren, die im Falle einer Überbelastung Spannungsrisse oder sogar Spannungsbrüche verursachen können.
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Ein Beispiel hierfür sind piezoresistive Drucksensoren, die eine mit einem zu messenden Druck beaufschlagbare Messmembran aufweisen. Diese Drucksensoren werden regelmäßig hergestellt, in dem in einen Siliziumwafer mittels eines anisotropen Ätzverfahren, z.B. eines mit Kaliumhydroxid (KOH) ausgeführten anisotropen Ätzverfahren, eine Ausnehmung eingeätzt wird. Dabei bildet ein die Ausnehmung umgebender Rand einen Träger, der die Messmembran trägt. Ein derartig geätzter Wafer wird an einer Grenzfläche, die sich auf der der Messmembran abgewandten Seite des Siliziumwafers befindet, anschließend mit einem Gegenkörper, bspw. in Form eines weiteren Siliziumwafers, gefügt. Hierdurch entsteht an der Grenzfläche ein spitzer Winkel von typischerweise ca. 54,7°, an welchem bei entsprechender Druckbelastung Kerbspannungen auftreten, so dass es in einem genügend großen Belastungsfall, bspw. in dem Überlastfall, zu Spannungsrissen bzw. Spannungsbrüchen kommen kann.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die bei Drucksensoren an spitzen Winkeln auftretende Kerbspannung zu minimieren.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1, den halbleiterbasierten Drucksensor erhältlich durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 5 und den halbleiterbasierten Drucksensor gemäß Patentanspruch 6.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines halbleiterbasierten, insbesondere piezoresistiven Drucksensors mit einer aus einem Substrat geätzten Messmembran, umfasst die folgenden Schritte:
- - Bereitstellen des Substrats, welches ein Halbleitermaterial, insbesondere ein Silizium aufweist;
- - Erzeugen der Messmembran durch Ätzen des Substrates mittels eines zweistufigen Ätzprozesses, wobei der zweistufige Ätzprozess vorsieht, dass in einem ersten Schritt ein anisotroper Ätzprozess zum Erzeugen einer ersten Aussparung mit in Bezug zu einer ersten Oberfläche des Substrates im Wesentlichen rechtwinkligen Seitenwänden und in einem zweiten dem ersten Schritt nachfolgenden Schritt ein anisotroper nasschemischer KOH-Ätzprozess zur Erzeugung einer an die erste Aussparung anschließenden zweiten Aussparung mit sich zu einer der ersten Oberfläche abgewandten zweiten Oberfläche des Substrates hin konisch verjüngenden Seitenwänden durchgeführt wird;
- - Fügen des Substrates mit der geätzten Messmembran mit einem Gegenkörper, insbesondere einen ein Halbleitermaterial, ganz besonders einen ein Silizium aufweisenden Gegenkörper, wobei das Substrat mit dem Gegenkörper derartig gefügt wird, dass ein an die erste und zweite Aussparung angrenzendes randseitiges Verbindungselement mit einem entsprechenden Randbereich des Gegenkörpers gefügt wird, so dass ein Winkel von in etwa 90° zwischen den Seitenwänden der ersten Aussparung und einer Ebene, in der eine erste Oberfläche des Gegenkörpers liegt, gebildet wird.
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Erfindungsgemäß wird zur Erzeugung der Messmembran eine Kombination aus einem anisotropen Ätzprozess zur Erzeugung von senkrechten Seitenwänden und einem anisotropen nasschemischen KOH-Ätzprozess angewandt, wobei zuerst mittels des anisotropen Ätzprozesses ein erster Teil der Ausnehmung bzw. eine erste Ausnehmung und anschließen mittels des anisotropen nasschemischen KOH-Ätzprozesses ein zweiter Teil der Ausnehmung bzw. eine zweite Ausnehmung erzeugt wird. Hierdurch können die für gewöhnlich entstehenden spitzen Winkel vermieden werden, indem der entsprechende Winkel von ca. 54,7° auf ca. 90° erhöht wird, so dass die nachteiligen Kerbspannungen reduziert werden. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist weiterhin im zweiten Schritt die Nutzung des KOH-Ätzprozesses mit hoher reproduzierbarer Strukturtreue und als kostengünstiger Batchprozess möglich.
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Eine erste vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Substrat und/oder der Gegenkörper in Form eines Halbleiter-Wafers, insbesondere eines Silizium-Wafers, mit einer Materialstärke von einigen hundert Mikrometer bereitgestellt wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass eine Ätztiefe der ersten und zweiten Aussparung derartig gewählt wird, dass die Messmembran eine Materialstärke im Bereich von 10-250 Mikrometern, bevorzugt im Bereich von 15-200 Mikrometern, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 20-150 Mikrometern aufweist.
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Wiederum eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass für den anisotropen Ätzprozess ein reaktives Ionenätzverfahren oder eine davon abgewandelte Variante, insbesondere ein reaktives lonentiefenätzverfahren, verwendet wird.
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Die Erfindung betrifft weiterhin einen halbleiterbasierten, insbesondere piezoresistiven Drucksensor mit einer aus einem Substrat geätzten Messmembran erhältlich durch das zuvor beschriebene Verfahren.
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Die Erfindung betrifft weiterhin auch einen halbleiterbasierten, insbesondere piezoresistiven Drucksensors mit einer strukturierten Messmembran aufweisend:
- - ein Substrat, welches ein Halbleitermaterial, insbesondere ein Silizium aufweist;
- - eine in dem Substrat befindliche von einer ersten Oberfläche des Substrates ausgehende erste Aussparung mit Seitenwänden, die in Bezug zu einer Ebene, in der die erste Oberfläche des Substrates liegt, im Wesentlichen rechtwinklig sind;
- - eine in dem Substrat an die erste Aussparung angrenzende zweite Aussparung mit sich zu einer der ersten Oberfläche abgewandten zweiten Oberfläche des Substrates hin konisch verjüngenden Seitenwänden;
- - einen Gegenkörper, welcher insbesondere ein Halbleitermaterial, ganz besonders ein Silizium aufweist, wobei der Gegenkörper mit dem Substrat derartig gefügt ist, dass ein an die erste und zweite Aussparung angrenzendes randseitig umlaufendes Verbindungselement mit einem entsprechenden Randbereich des Gegenkörpers gefügt ist, so dass sich ein Winkel von in etwa 90° zwischen den Seitenwänden der ersten Aussparung und einer Ebene, in der eine erste Oberfläche des Gegenkörpers liegt, bildet.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen halbleiterbasierten Drucksensors sieht vor, dass das Substrat und/oder der Gegenkörper ein Halbleiter-Wafer, insbesondere eine Silizium-Wafer, mit einer Materialstärke von einigen hundert Mikrometer umfasst.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen halbleiterbasierten Drucksensors sieht vor, dass eine Ätztiefe der ersten und zweiten Aussparung derartig bemessen ist, dass die Messmembran eine Materialstärke im Bereich von 10-250 Mikrometern, bevorzugt im Bereich von 15-200 Mikrometern, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 20-150 Mikrometern aufweist.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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- 1: einen Längsschnitt durch einen aus dem Stand der Technik bekannten halbleiterbasierten piezoresistiven Drucksensor, und
- 2: einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen halbleiterbasierten piezoresistiven Drucksensors.
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1 zeigt einen Längsschnitt durch einen aus dem Stand der Technik bekannten halbleiterbasierten piezoresistiven Drucksensor, der vorzugsweise auf Siliziumbasis hergestellt ist. Der Drucksensor weist einen Gegenkörper 3 und ein darauf angeordnetes Substrat 1 mit einer geätzten Messmembran 2 auf. Für gewöhnlich wird die Messmembran 2 durch eine in einem einzigen Verfahrensschritt hergestellte Aussparung erzeugt, die mittels eines anisotropen Ätzprozesses, beispielsweise eines nasschemischen KOH-Ätzprozesses, aus einem Siliziumwafer erzeugt wird. Durch eine Kaliumhydroxid-Lösung die zum Ätzen eingesetzt wird, entsteht, aufgrund der Kristallorientierung des Siliziumwafers, ein für das KOH-Ätzen typischer Winkel von ca. 54,7° zwischen den Seitenwänden der Aussparung und einer ersten Oberfläche des Siliziumwafers 1aa. Über eine Fügeschicht 6 wird das Substrat 1 mit der geätzten Messmembran 2 mit einem randseitig umlaufenden Verbindungselement 9 an den Gegenkörper 3 gefügt, so dass eine Druckkammer 11 unter der Messmembran 2 eingeschlossen wird. Das Fügen kann beispielsweise durch ein in der Halbleiter- und Mikrosystemtechnik bekanntes Bondverfahren, insbesondere ein Waferbondverfahren, erfolgen.
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Prinzipiell kann der halbleiterbasierte piezoresistive Drucksensor als Differenzdruck-, als Relativdruck- oder als Absolutdrucksensor ausgestaltet sein.
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Zur Erfassung von Differenzdrücken wird eine erste Seite der Messmembran 2 mit einem ersten Druck p1 beaufschlagt, und deren zweite Seite über einen durch den Gegenkörper 3 hindurch verlaufende Druckeinlasskanal 8 mit einem zweiten Druck p2 beaufschlagt. Bei dieser Ausführungsform bewirkt die auf die Messmembran 2 einwirkende Druckdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Druck p1, p2 eine vom zu messenden Differenzdruck Δp abhängige Auslenkung der Messmembran 2.
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Zur Erfassung von Relativdrücken wird die erste Seite der Messmembran 2 mit dem zu messenden Druck p beaufschlagt, und der zweiten Seite der Messmembran 2 wird anstelle des zweiten Drucks p2 ein Referenzdruck pref, z.B. ein Umgebungsdruck, zugeführt, bezogen auf den der auf die erste Seite einwirkende Druck p gemessen werden soll. Bei dieser Ausführungsform bewirkt die auf die Messmembran 2 einwirkenden Druckdifferenz zwischen dem Druck p und dem Referenzdruck pref eine vom zu messenden Relativdruck abhängige Auslenkung der Messmembran 2.
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Zur Erfassung von Absolutdrücken ist die unter der Messmembran 2 eingeschlossene Druckkammer 11 evakuiert, und durch die Messmembran 2 und das Substrat 1 vollständig nach außen abgeschlossen. In dem Fall entfällt der durch den Gegenkörper 3 hindurch verlaufende Druckeinlasskanal und der auf die erste Seite der Messmembran 2 einwirkende Druck p bewirkt eine vom zu messenden Absolutdruck abhängige Auslenkung der Messmembran 2.
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Die resultierende Auslenkung der Messmembran 2 wird in allen drei Fällen, beispielsweise über auf oder in der Messmembran 2 angeordnete Widerstands- bzw. Sensorelemente 7, z.B. zu einer Widerstandsmessbrücke zusammengeschaltete, piezoresistive Elemente, erfasst und in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt, das dann für eine weitere Verarbeitung und/oder Auswertung zur Verfügung steht.
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Der durch die KOH-Ätzung an der Fügeschicht 6 entstehende Winkel von ca. 54,7° sorgt dafür, dass es an dieser Stelle zu erhöhten Kerbspannungen (durch FKerb angedeutet) kommen kann.
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Um dies zu verhindern zeigt 2 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen halbleiterbasierten piezoresistiven Drucksensors. Die Messmembran 2 wurde hierbei erfindungsgemäß durch einen zweistufigen Ätzprozess aus dem Substrat 1 geätzt. Der zweistufige Ätzprozess sieht vor, dass zuerst durch einen ersten Ätzschritt eine erste Aussparung 4 mit im Wesentlichen rechtwinkligen Seitenwänden in Bezug zu der ersten Oberfläche des Substrates 1aa, und anschließend durch einen zweiten Ätzschritt, eine zweite Aussparung 5, die an die erste Aussparung 4 angrenzt, erzeugt wird, wobei durch den zweiten Ätzschritt die zweite Aussparung 5 mit sich zu einer der ersten Oberfläche 1aa abgewandten zweiten Oberfläche des Substrates 1ab hin konisch verjüngenden Seitenwänden 5a erzeugt wird. Hierbei werden in dem ersten Ätzschritt ein anisotroper Ätzprozess, beispielsweise ein reaktives Ionentiefenätzen, und in dem zweiten Ätzschritt ein anisotroper nasschemischer KOH-Ätzprozess, insbesondere der zuvor beschriebene KOH-Ätzprozess, eingesetzt. Die beiden Ätzschritte werden hierbei derartig aufeinander abgestimmt, dass eine Ätztiefe t der ersten und zweiten Aussparung 4, 5 derartig gewählt wird, dass die Messmembran eine Materialstärke im Bereich von 10-250 Mikrometern, bevorzugt im Bereich von 15-200 Mikrometern, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 20-150 Mikrometern aufweist. Die auf diese Weise erzeugte erste und zweite Aussparung 4, 5 bilden im gefügten Zustand zusammen die notwendige Druckkammer 11.
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Durch den zweistufigen Ätzprozess wird der Winkel zwischen den Seitenwänden der ersten Aussparung 4a und der ersten Oberfläche des Gegenkörpers 3aa im gefügten Zustand des Drucksensors, auf ca. 90° erhöht, so dass die an dieser Kante bzw. der Fügeschicht 6 auftretenden Kerbspannungen reduziert werden. Durch die Reduktion der auftretenden Kerbspannungen wird wiederum die nominale Berstfestigkeit (in 2 durch Fnom exemplarisch angedeutet) des Drucksensors erhöht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Substrat
- 1aa
- Erste Oberfläche des Substrats
- 1ab
- Zweite Oberfläche des Substrats
- 2
- Messmembran
- 3
- Gegenkörper
- 3aa
- Erste Oberfläche des Gegenkörpers
- 3ab
- Zweite Oberfläche des Gegenkörpers
- 4
- Erste Aussparung
- 4a
- Seitenwände der ersten Aussparung
- 5
- Zweite Aussparung
- 5a
- Seitenwände der zweiten Aussparung
- 6
- Fügeschicht
- 7
- Widerstandselement
- 8
- Druckeinlasskanal
- 9
- Verbindungselement
- 10
- Aussparung gemäß Stand der Technik
- 11
- Druckkammer
- t
- Ätztiefe
- α
- Winkel
