DE112015001691T5

DE112015001691T5 - Drucksensor mit einer aufsatzdefinierten Membran

Info

Publication number: DE112015001691T5
Application number: DE112015001691.0T
Authority: DE
Inventors: Omar Abed
Original assignee: Silicon Microstructures Inc
Current assignee: Silicon Microstructures Inc
Priority date: 2014-07-29
Filing date: 2015-02-13
Publication date: 2017-03-09
Also published as: TW201610404A; WO2016018461A1; JP2017509860A; US20160033349A1; CN105874311A

Abstract

Strukturen und Verfahren zum Schützen von Membranen auf Drucksensoren. Ein Beispiel kann einen Drucksensor bereitstellen, welcher einen rückseitigen Hohlraum aufweist, welcher einen Rahmen unter einer Membran definiert, welche in einer Vorrichtungsschicht gebildet ist. Der Drucksensor kann weiterhin einen Aufsatz beinhalten, welcher mit der Vorrichtungsschicht durch eine Bindungsschicht verbunden ist. Eine Vertiefung für einen Referenzhohlraum kann in einem oder mehreren, dem Aufsatz, der Bindungsschicht und Membrane oder einem anderen Vorrichtungsschichtteil gebildet sein. Die Vertiefung kann eine Breite aufweisen die zumindest in einer Richtung schmaler als eine Breite des rückseitigen Hohlraums ist. In anderen Beispielen kann die Vertiefung so geformt sein, dass sie eine äußere Kante aufweist, die in einer äußeren Kante des rückseitigen Hohlraums liegt. Dies kann die Verbindung der Vorrichtungsschicht und des Rahmens verstärken. Die Vertiefung kann eine von der Vorrichtungsschicht und der rückseitigen Hohlraumverbindung weg beabstandete aktive Membran definieren.

Description

Querverweis zu verwandten Anmeldungen
Diese Anmeldung ist eine PCT-Anmeldung, welche die Priorität der United States provisorischen Patentanmeldungen Nr. 62/030,604, eingereicht am 29. Juli 2014 und 62/090,306, eingereicht am 10. Dezember 2014, welche hierin durch Verweis integriert sind, beansprucht.
Hintergrund
Druckmessvorrichtungen wurden in den vergangenen Jahren allgegenwärtig, zumal sie ihren Weg in viele Arten von Produkten gefunden haben. Verwendet in Automobil-, Industrie-, Verbraucher- und Medizinprodukten hat sich die Nachfrage nach Druckmessvorrichtungen sprunghaft erhöht und zeigt keine Anzeichen, sich zu vermindern.
Druckmessvorrichtungen können Drucksensoren sowie auch andere Komponenten beinhalten. Drucksensoren können typischerweise eine Scheidewand oder eine Membran beinhalten. Typischerweise ist diese Membran durch eine Erzeugung der Wheatstone-Brücke in einem Silikonwafer gebildet, anschließendem Wegätzen des Silikons von der gegenüberliegenden Oberfläche, bis eine dünne Silikonschicht unter der Wheatstone-Brücke gebildet ist. Die dünne Schicht ist eine Membran, welche durch einen dickeren, nicht geätzten Silikonwasserteil umgeben sein kann, der einen Rahmen bildet. Wenn ein Drucksensor in einer Druckmessvorrichtung einen Druck erfährt, kann die Membran reagieren, indem sie ihre Form ändert. Diese Änderung in der Form veranlasst eine oder mehrere Eigenschaften von elektronischen Komponenten auf der Membran dazu, sich zu ändern. Diese sich verändernden Eigenschaften können gemessen werden und aus diesen Messungen kann der Druck bestimmt werden.
Die elektronischen Komponenten sind oft Widerstände, die als eine auf der Membran angeordnete Wheatstone-Brücke eingerichtet sind. Wenn sich die Membran unter Druck verformt, ändert sich auch der Widerstand der Widerstände. Diese Änderung führt zu einer Ausgabe der Wheatstone-Brücke. Diese Änderung kann mittels Drähten oder Leitungen, welche an den Widerständen befestigt sind, gemessen werden.
Gewöhnliche Drucksensoren können aus einer Scheidewand oder einer Membran gebildet sein, welche an einem Rahmen befestigt und von einem solchen umgeben sind. In einigen Drucksensoren kann der Sensor eine Druckdifferenz zwischen zwei unterschiedlichen Orten messen, wie z. B. zwei Seiten eines Filters. Diese können als Relativdrucksensoren bezeichnet werden. In anderen Sensortypen kann eine Ausgabe mit einem bekannten, konsistenten Druck verglichen werden, welcher typischerweise ein Vakuum sein kann. Dieser Sensortyp kann als Absolutdrucksensor bezeichnet werden. In einem Absolutdrucksensor kann eine erste Seite der Membran gegenüber den zu messenden Medien ausgesetzt sein, während eine zweite Seite in Kontakt mit einer Referenzkammer sein kann, welche eine Vakuumkammer sein kann. Die erste Seite der Membran, welche gegenüber den Medien ausgesetzt ist, kann hohen Drücken ausgesetzt sein.
Dieser hohe Druck auf eine Membran kann zu einer hochkonzentrierten Zugkraft auf die Rahmenmembranverbindung führen. Diese Belastung kann Risse oder anderen Schaden in der Silikonkristallstruktur der Membran erzeugen. Dieser Schaden kann zu Fehlern in den Druckmessungen oder zu einer Funktionsuntüchtigkeit des Drucksensors führen.
Daher werden Strukturen und Verfahren benötigt zum Schutz einer Membran auf einem Drucksensor vor Schaden aufgrund von hohen Drücken.
Zusammenfassung
Entsprechend können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Strukturen und Verfahren zum Schutz einer Membran auf einem Drucksensor vor Schaden aufgrund hoher Drücke bereitstellen. Ein veranschaulichendes Beispiel kann einen Drucksensor bereitstellen, welcher einen ersten Waferteil aufweist, einschließlich eines Handhabungswafers oder einer Schicht, und eines Vorrichtungswafers oder einer Schicht, wobei der Handhabungswafer oder die Schicht einen rückseitigen Hohlraum aufweist, wobei der rückseitige Hohlraum eine Membran in dem Vorrichtungswafer oder der Schicht definiert. Der Drucksensor kann weiterhin eine Haftungsschicht über der Membran und einen Aufsatz über oder befestigt an der Haftungsschicht beinhalten. Die Haftungsschicht kann eine Oxidbeschichtung sein, welche auf dem Vorrichtungswafer, Aufsatzwafer oder beiden gebildet sein kann. In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein Referenzhohlraum in einer oder mehreren, der Membran, der Haftungsschicht, dem Aufsatz oder einer anderen Schicht oder einem anderen Teil des Drucksensors gebildet sein. Der Referenzhohlraum kann, unabhängig davon, in welcher Schicht oder in welchen Schichten sie liegt, eine seitliche oder ebene Breite aufweisen, welche schmaler ist als eine Breite des rückseitigen Hohlraums, in zumindest einer Richtung. In anderen Ausführungsformen kann der Referenzhohlraum so geformt sein, dass er eine äußere Kante aufweist, welche innerhalb einer äußeren Kante des rückseitigen Hohlraums liegt. Dies kann eine Verstärkung bereitstellen und eine Belastung bei einer Verbindung der Membran und des Rahmens reduzieren. Auch der schmalere Referenzhohlraum kann einen aktiven Teil der Membran definieren, so dass der aktive Teil der Membran von der Vorrichtungsschicht und einer rückseitigen Hohlraumverbindung beabstandet ist. (Wie hier verwendet, kann eine Membran durch einen rückseitigen Hohlraum und einen Rahmen definiert sein, während ein Teil der Membran, die aktive Membran, durch einen Referenzhohlraum definiert sein kann. Auch wie hier verwendet kann der generellere Begriff Membran entweder Membran oder aktive Membran bedeuten, insbesondere wo die Unterscheidung nicht wichtig ist). In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Vorrichtungswafer oder die Schicht aus einem Silikonwaferteil oder einem anderen Werkstoff gebildet sein, die Haftungsschicht kann Silikondioxid oder Glas oder einen anderen Werkstoff beinhalten, während der Aufsatz oder die Aufsatzschicht aus einem Silikonwaferteil, Silikondioxid oder Glas oder einem anderen Glas, einschließlich eines hitzebeständigen Glases mit einem Tieftemperaturkoeffizienten oder Temperaturkoeffizienten, welcher nahe bei jenem von Silikon liegt, wie z. B. Borsilikatglas einschließlich Pyrex^®, welches durch Corning Incorporated lizensiert ist, oder einem anderen Werkstoff umfassen.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können Sensoren bereitstellen, welche eine Herstellung vereinfachen. Wieder kann eine Membran oder ein Sensor hergestellt werden, indem zuerst eine Wheatstone-Brücke in einem Silikonwafer erzeugt wird und dann das Silikon unter der Wheatstone-Brücke weggeätzt wird, um eine dünne Membran aus Silikon zu bilden, welche die Wheatstone-Brücke enthält. Ein Faktor, welcher die Empfindlichkeit der Vorrichtung beeinflusst, kann die Nähe zu den Widerständen der Wheatstone-Brücke zu den Kanten der aktiven Membran sein. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können einen Drucksensor bereitstellen, in welchem die Kanten eines aktiven Teils der Membran durch die Anordnung des Referenzhohlraums bestimmt sind, anstatt durch den rückseitigen Hohlraum, welche von der Rückseite des Silikons geschnitten wird. Da der Referenzhohlraum viel dünner ist als der Hohlraum, welcher von der Rückseite des Silikons geschnitten ist, kann es während der Herstellung einfacher sein, die Wheatstone-Brücke mit den Kanten der aktiven Membran auszurichten. Die relative Dünnheit des Referenzhohlraum kann auch helfen, die Größe des Hohlraums zu steuern. Weiterhin können der Referenzhohlraum und die Wheatstone-Brücke auf derselben Seite der Vorrichtung sein, anstatt auf gegenüberliegenden Seiten, was sie einfacher ausrichtbar machen kann. Auch kann durch eine Anordnung des Referenzhohlraums in dem Vorrichtungswafer oder in der Haftungsschicht auf dem Vorrichtungswafer eine Ausrichtung während einer Bindung nicht so entscheidend sein kann wie im Vergleich dazu, wenn ein Referenzhohlraum in eine Aufsatzschicht oder in einen Wafer geätzt wird, weil die zweite Anordnung die Ausrichtung von zwei Wafern während einer Bindung erfordern kann.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch Drucksensoren bereitstellen, welche vor Schaden durch hohe Drücke in zumindest zwei Weisen geschützt sind. In gewöhnlichen Drucksensoren kann die Größe der Membran durch die Größe des Hohlraums, welcher in die Rückseite des Wafers geätzt ist, bestimmt sein. In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann diese Einschränkung auf die Größe des rückseitigen Hohlraums entfernt werden. Bezeichnenderweise ist die Größe des aktiven Teils der Membran nicht weiterhin durch die Größe des rückseitigen Hohlraums bestimmt und folglich kann die Größe des rückseitigen Hohlraums viel größer gemacht werden als die Größe des aktiven Teils der Membran. Da die Größe des rückseitigen Hohlraums zunimmt, kann eine an den Ecken des rückseitigen Hohlraums erzeugte Zugbelastung reduziert werden. Auch die Kante der aktiven Membran, wo am meisten Belastung erzeugt wird, ist nicht länger nahe an der Ecke des rückseitigen Hohlraums. Daher kann die höchste Belastung nicht nur reduziert werden, sondern auch der Ort der höchsten Belastung kann an eine obere Seitenecke der aktiven Membran versetzt werden und diese Belastung kann zusammenpressend anstatt ziehend sein. Silikon kann einer höheren Druckbelastung widerstehen als einer Zugbelastung bevor es zerbricht, was die Vorrichtung weiterhin vor Schaden schützt.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch einen Schaden, der durch hohe Drücke von Flüssigkeiten in dem rückseitigen Hohlraum verursacht wird, begrenzen, durch Begrenzung eines Betrages, welche die Membran auslenken kann. Speziell der Referenzhohlraum oberhalb des aktiven Teils der Membran kann eine Höhe oder eine Stärke aufweisen, so dass die Auslenkung der Membran begrenzt werden kann. Dies kann verhindern, dass die Membran mehr als einen Betrag ausgelenkt wird, bei welchem ein Schaden durch hohe oder übermäßig hohe Drücke entstehen kann. In einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann es wünschenswert sein, dass die Membran während eines normalen Betriebs für eine erste Distanz ausgelenkt wird. Es kann auch erwartet werden, dass ein Schaden auftritt, wenn es der Membran erlaubt ist, über eine zweite Distanz ausgelenkt zu werden, wobei die zweite Distanz größer ist als die erste. In diesem Beispiel kann der Referenzhohlraum eine Stärke oder eine Höhe aufweisen, so dass die Membran daran gehindert wird, über mehr als eine dritte Distanz ausgelenkt zu werden, wobei die dritte Distanz größer ist als die erste Distanz, um einen gewünschten Betrieb zuzulassen, aber kleiner ist als die zweite Distanz, um Schaden zu verhindern.
In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können verschiedene Schichten in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beinhaltet oder weggelassen werden. Zum Beispiel kann eine optionale Schicht von eutektisch-verbindbarem Metall oder einem anderen Werkstoff auf der Rückseite oder unterhalb der Vorrichtung platziert werden. Diese Schicht kann als eine dünne Schicht Gold auf der Rückseite oder unterhalb der Vorrichtung zum Zwecke einer Bindung gebildet sein. Diese Schicht kann eine Bindung zu einer zweiten integrierten Schaltungsvorrichtung, einem Vorrichtungspaket, einem Vorrichtungsgehäuse oder einer gedruckten oder flexiblen Schaltplatte oder anderen Substraten erleichtern. Eine optionale Schicht von Polysilikon oder einem anderen Werkstoff kann auf einer obersten Oberfläche einer Vorrichtungsschicht oder eines Wafers platziert oder gebildet sein. Diese optionale Schicht kann auf einer obersten Oberfläche der Vorrichtungsschicht und unter der Bindungs- oder Oxidschicht angeordnet sein. Das heißt die optionale Schicht kann zwischen einer Vorrichtungsschicht oder einem Wafer und einer Bindungs- oder Oxidschicht angeordnet sein.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können eine oder mehrere dieser und der anderen hierin beschriebenen Merkmale enthalten. Ein besseres Verständnis der Natur und der Vorteile der vorliegenden Erfindung kann durch Bezug auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung und die begleitenden Zeichnungen gewonnen werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 veranschaulicht eine Seitenansicht eines Drucksensors entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 veranschaulicht eine Draufsicht eines Drucksensors entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 veranschaulicht einen Teil eines Drucksensors, welcher entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wird;
4 veranschaulicht einen Teil eines Drucksensors, welcher entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wird;
5 veranschaulicht einen Teil eines Drucksensors, welcher entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wird;
6 veranschaulicht einen Teil eines Drucksensors, welcher entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wird;
7 veranschaulicht eine Seitenansicht eines Teils eines Drucksensors entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 veranschaulicht eine Seitenansicht eines Drucksensors entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 veranschaulicht einen Teil eines Drucksensors, welcher entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wird;
10 veranschaulicht einen Teil eines Drucksensors, welcher entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wird;
11 veranschaulicht eine Seitenansicht eines Teils eines Drucksensors entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
12 veranschaulicht eine Seitenansicht eines Teils eines Drucksensors entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
13 veranschaulicht eine Seitenansicht eines anderen Drucksensors entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
14 veranschaulicht eine Draufsicht eines Drucksensors entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
15 veranschaulicht einen Teil eines Drucksensors, welcher entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wird;
16 veranschaulicht eine Seitenansicht eines anderen Drucksensors entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
17 veranschaulicht eine Draufsicht eines Drucksensors entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
18 veranschaulicht einen Teil eines Drucksensors, welcher entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wird;
19 veranschaulicht einen Teil eines Drucksensors, welcher entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wird;
20 veranschaulicht einen Teil eines Drucksensors, welcher entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wird; und
21 veranschaulicht eine Seitenansicht eines anderen Drucksensors entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung der veranschaulichenden Ausführungsformen
1 veranschaulicht eine Seitenansicht eines Drucksensors entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Figur, wie die anderen, hierin beinhalteten Figuren, ist zu veranschaulichenden Zwecken gezeigt und begrenzt weder die möglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung noch die Ansprüche.
Dieser Drucksensor kann einen Aufsatz 160 beinhaltet, welcher oben auf dem ersten Waferteil eines Drucksensors befestigt ist, wobei der erste Waferteil weiter einen Vorrichtungswafer oder eine Schicht 130 und einen Handhabungswafer oder eine Schicht 110 beinhaltet. Der Vorrichtungswafer oder die Schicht 130 kann durch den Handhabungswafer oder die Schicht 110 gestützt sein. Der Handhabungswafer oder die Schicht 110 kann einen rückseitigen Hohlraum 114 beinhalten, welcher eine Kante einer Seitenwand 112 definiert. Der rückseitige Hohlraum 114 kann sich von einer unteren Oberfläche des Handhabungswafers oder der Schicht 110 bis zu einer Unterseite 122 einer Oxidschicht 120 erstrecken. Die Vorrichtungsschicht 130 kann eine oder mehrere elektrische Komponenten 132 aufweisen, welche auf ihrer oberen Oberfläche gebildet sind. Die elektrischen Komponenten 132 können durch eine Oxidschicht 140 geschützt sein.
Der Aufsatz 160 kann eine Oxidschicht 150 auf einer unteren Oberfläche beinhalten, obwohl die Oxidschicht 150 in verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weggelassen werden kann. Der Aufsatz 160 kann an die Vorrichtungsschicht 130 durch eine Fusionsbindung der Oxidschicht 150 an der Oxidschicht 140 befestigt werden. Dort wo eine oder mehrere Oxidschichten 140 oder 150 weggelassen werden, kann der Aufsatz 160 an der Vorrichtungsschicht 130 durch Fusionsbindung des Aufsatzes 160 an die Oxidschicht 140 befestigt werden, indem die Oxidschicht 150 an die Vorrichtungsschicht 130 fusionsgebunden wird oder durch Fusionsbindung der Aufsatzschicht 160 direkt mit der Vorrichtungsschicht 130. Die Oxidschicht 150 kann vor einer Fusionsbindung geätzt werden, um eine Vertiefung zu bilden, welche den Referenzhohlraum 152 bilden kann. Der Referenzhohlraum 152 kann durch eine äußere Kante 154 definiert sein. Während der Referenzhohlraum 152 in der Oxidschicht 150 gebildet ist, kann der Referenzhohlraum 152 in dieser und anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in der Oxidschicht 150 gebildet sein und die Aufsatzschicht 160 kann in der Oxidschicht 150 und in der Oxidschicht 140 in der Vorrichtungsschicht 130 oder in jeder Kombination davon gebildet sein.
Der Referenzhohlraum 152 kann eine Breite aufweisen, die schmaler ist als eine Breite eines rückseitigen Hohlraums 114 in zumindest einer Richtung. Speziell kann eine Distanz 192 von einer Mittellinie des Drucksensors zu einer Kante 154 des Referenzhohlraum 152 kürzer sein als eine Distanz 154 von einer Mittellinie zu einer Kante 112 eines rückseitigen Hohlraums 114. Auf diese Weise kann ein durch die Kante 154 definierter aktiver Abschnitt einer Membran schmaler sein als die Membran, welche durch die Kante 112 definiert ist. In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann eine äußere Kante des Referenzhohlraum 152 innerhalb einer Kante des rückseitigen Hohlraums 114 sein, wobei die Kanten in dieser und anderen Ausführungsformen als vertikal betrachtet werden.
In herkömmlichen Drucksensoren kann der Aufsatz 160 fehlen. In solch einem Fall, da eine Membran oder eine Scheidewand, welche durch einen rückseitige Hohlraum gebildet ist, auslenkt, kann ein Verbindungspunkt zwischen einer Scheidewand und einem Rahmen eine große Zugkraft erfahren. In dieser Figur, wenn der Aufsatz 160 fehlen würde, wäre diese Kraft am Ort 124 konzentriert. Diese Konzentration der Kraft kann zu Rissen oder einem anderen Schaden bei oder in der Nähe des Ortes 124 führen.
Entsprechend können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen Aufsatz oder eine andere verstärkende Struktur bereitstellen, wie z. B. der Aufsatz 160, wobei ein Referenzhohlraum, wie z. B. Referenzhohlraum 152, schmaler sein kann als ein rückseitiger Hohlraum, wie z. B. der rückseitige Hohlraum 114. In diesem Fall kann der Ort 124 durch den Aufsatz 160 verstärkt werden. Auch der Ort der höchsten Belastung kann sich von dem Ort 124 zum Ort 159 bewegen. Die Belastung am Ort 159 ist zusammendrückend anstatt ziehend, wenn ein Druck auf die Unterseite der Membran 122 angewandt wird. Weiterhin, selbst wenn ein oder mehrere Risse oder ein anderer Schaden bei oder in der Nähe des Ortes 124 erscheinen, sind die Risse weg von dem aktiven Membranbereich, welcher durch den Referenzhohlraum 152 definiert ist.
Ebenso kann, in herkömmlichen Drucksensoren, eine Membran oder eine Scheidewand einen Betrag auslenken, welcher Schaden an dem Drucksensor verursachen kann. Dies kann durch die Anwesenheit von unvorhergesehenen hohen Drücken oder Flüssigkeiten in dem rückseitigen Hohlraum oder durch ein anderes Ereignis auftreten.
Entsprechend können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen Referenzhohlraum bereitstellen, welcher eine Höhe oder Stärke aufweist, welche eine maximale Auslenkung der aktiven Membran begrenzt. In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann diese Höhe oder Stärke dergestalt sein, dass eine aktive Membran in der Lage sein kann, für einen gewünschten Betrieb genügend ausgelenkt zu werden, aber nicht genügend, um einen Schaden an dem Drucksensor zu verursachen. Im Speziellen kann die Kante 154 eine Höhe aufweisen, welche es der aktiven Membran erlaubt, für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Drucksensors genügend ausgelenkt zu werden, aber nicht genügend, um einen Schaden oder einen Riss zu verursachen. Stattdessen wird die aktive Membran so ausgelenkt, dass sie einen oberen Teil des Referenzhohlraums 152 erreicht und nicht weitergehen kann, selbst wenn der Druck weiterhin ansteigt, wodurch verhindert wird, dass ein Schaden verursacht wird. Das heißt, der obere Teil des Referenzhohlraum 152 kann als ein Auslenkungsstopp wirken, um Schaden an dem Drucksensor zu verhindern. In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Oberseite des Referenzhohlraums 152 und die Unterseite des Aufsatzes 160 einen oder mehrere Sockel oder andere Strukturen aufweisen, welche eine Höhe des Referenzhohlraums 152 und die maximale Auslenkung der aktiven Membran bestimmen.
In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Strukturen, welche in verschiedenen Drucksensoren verwendet werden, verschiedene Größen und Breiten aufweisen. Zum Beispiel kann der Handhabungswafer oder Abschnitt eine Dicke von 250 bis 600 μm aufweisen, wenngleich es dünner als 250 oder dicker als 600 μm sein kann. Der Vorrichtungswafer oder die Schicht 130 kann erheblich dünner sein, zumal er die Membran bildet. Diese Stärke kann 15–25 μm sein, obwohl sie dünner als 15 oder dicker als 25 μm sein kann. Der Aufsatzwafer oder Schicht 160 oder andere Aufsatzwafer oder Schichten können eine Stärke aufweisen, die zumindest ungefähr 150 μm beträgt, obwohl sie schmaler oder dicker als 150 μm sein können. Die verdeckten oder Bindungsoxidschichten 120, 140 und 150 können eine Stärke zwischen 0,1 und 3 μm aufweisen, obwohl sie dünner oder dicker als dieser Bereich sein können. Der Referenzhohlraum 136, wie auch die anderen Referenzhohlräume in anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, können eine Stärke oder eine Höhe von 100 nm bis 500 nm aufweisen, obwohl sie in anderen Ausführungsformen von 50 bis 1000 nm betragen kann. Eine spezielle Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann einen Referenzhohlraum aufweisen, welcher eine Höhe von 4000 A aufweist.
In dieser und anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann eine optionale Schicht 117 von eutektisch bindendem Metall oder einem anderen Werkstoff auf der Rückseite oder unterhalb des Handhabungswafers platziert sein. Diese Schicht kann aus einer dünnen Schicht von Gold auf der Rückseite oder unterhalb der Vorrichtung zu Bindungszwecken gebildet sein. Die Schicht 117 kann eine Bindung zu einer zweiten integrierten Schaltungsvorrichtung, einem Vorrichtungspacket, einem Vorrichtungsgehäuse oder einer gedruckten oder flexiblen Schaltplatte oder einem anderen Substrat erleichtern. Die optionale Schicht 117 wurde in den anderen Figuren der Klarheit halber weggelassen.
In dieser und in anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann eine optionale Schicht 137 aus Polysilikon oder einem anderen Werkstoff auf der oberen Oberfläche der Vorrichtungsschicht oder des Wafers 110 platziert oder gebildet sein. Die optionale Schicht 137 kann auf einer oberen Oberfläche der Vorrichtungsschicht 130 und unter der Bindungs- oder Oxidschicht 140 angeordnet sein. Das heißt, die optionale Schicht 137 kann zwischen der Vorrichtungsschicht oder Wafer 130 und der Bindungs- oder Oxidschicht 140 angeordnet sein. Die Polysilikonschicht 137 kann eine Feldabschirmung bereitstellen zum Stabilisieren der elektrischen Leistung der Widerstände oder anderer Komponenten 132 auf der oberen Oberfläche der Vorrichtungsschicht 130. Die optionale Schicht 137 wurde in den anderen Figuren der Klarheit halber weggelassen.
Wiederum kann der Referenzhohlraum 152 eine Breite aufweisen, die schmaler ist als eine Breite des rückseitigen Hohlraums 114 in zumindest einer Richtung. In dieser und in anderen Ausführungsformen kann der Referenzhohlraum 152 so ausgemessen und ausgerichtet werden, dass er innerhalb die äußeren Grenzen des rückseitigen Hohlraums 114 passt. Das Ergebnis kann sein, dass die Vorrichtungsmembran in ihrer Größe durch die Vertiefung 152 im Aufsatz 160 definiert ist anstatt durch den rückseitigen Hohlraum 114, wie es herkömmlich ist. Ein Beispiel ist in der nachfolgenden Figur gezeigt.
2 veranschaulicht eine Draufsicht eines Drucksensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wiederum kann der Aufsatz 160 auf einem ersten Waferteil einschließlich eines Handhabungswafers oder Schicht 110 und Vorrichtungswafers oder Schicht 130 platziert werden. In diesem Beispiel kann die Vertiefung 152 Kanten 154 aufweisen, welche so angeordnet sind, um innerhalb der Kanten 112 desrückseitigen Hohlraums 114 zu passen. In diesem Beispiel kann die Vertiefung 152 den Bereich der aktiven Membran des Drucksensors definieren. In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die aktive Membran verschiedene Größen aufweisen. Zum Beispiel kann sie 240 × 240 μm groß sein. Die aktive Membranstärke kann in der Größenordnung von 20 μm sein. Solch eine Membran oder eine Scheidewand kann in der Lage sein, Drücke bis zu 20 Bar, 120 Bar oder mehr zu messen.
Die verschiedenen hier gezeigten Schichten können weggelassen werden und andere können konsistent mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einbezogen werden. Ein spezielles Beispiel eines Herstellungsverfahrens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den nachfolgenden Figuren gezeigt.
3 veranschaulicht einen ersten Waferteil entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dieser Waferteil kann den Vorrichtungswafer oder Schicht 130 und Handhabungswafer oder Schicht 110, verbunden durch eine Oxidschicht 230 und dann ausgedünnt beinhalten. In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann eine solche Struktur kommerziell verfügbar sein. In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Oxidschicht 120 auf einen ersten Wafer 110 aufgewachsen werden. Eine zweite oder Vorrichtungswafer 130 können auf die obere Seite der Oxidschicht 120 fusionsgebunden werden. Der Vorrichtungswafer 130 kann auch eine Oxidschicht beinhalten, nicht gezeigt, oder eine Oxidschicht 120 kann auf einer unteren Seite des Vorrichtungswafers 130 aufgewachsen werden. In noch weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Vorrichtungsschicht 130 als eine Epitaxialschicht auf einer Oxidschicht 120 aufgewachsen werden.
In 4 kann der rückseitige Hohlraum 114 gebildet sein. Der rückseitige Hohlraum 114 kann durch Ätzen, z. B. unter Verwendung von Tiefreaktivionenätzung (Deep Reactive Ion Etching, DRIE), Mikrobearbeitung oder eine andere Technik gebildet sein. Der rückseitige Hohlraum 114 kann sich von der Unterseite des Handhabungswafers oder Schicht 110 bis zu einer Unterseite 122 der verdeckten Oxidschicht 120 erstrecken. Eine oder mehrere elektrische Komponenten 132 können auf, oder gebildet in oder auf, einer oberen Oberfläche des Vorrichtungswafers 130 platziert sein. Zum Beispiel können piezoelektrische Widerstände in eine obere Oberfläche des Vorrichtungswafers oder Schicht 130 eingesetzt oder implantiert sein. Verbindungsleiterbahnen können auf der oberen Oberfläche des Vorrichtungswafers oder Schicht 130 gebildet sein. Eine Oxidschicht oder eine Bindungsschicht 140 können über der Vorrichtungsschicht 130 aufgewachsen sein. Diese Oxidschicht 140 kann helfen, die Komponenten 132 zu schützen.
In 5 kann der Aufsatz 160 bereitgestellt sein. Eine Oxidschicht 150 kann auf einer unteren Seite des Aufsatzes 160 aufgewachsen sein.
In 6 kann eine Öffnung 152 in die Oxidschicht 150 auf der unteren Seite von 160 geätzt sein. Der hierdurch entstandene Aufsatz kann an die Struktur in 4 befestigt werden zum Erzeugen eines Drucksensors wie in 1 gezeigt.
7 veranschaulicht eine Seitenansicht eines Teils eines Drucksensors entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wiederum kann der Handhabungswafer 110 einen Vorrichtungsschichtwafer 130 stützen. Eine verdeckte Oxidschicht 120 kann zwischen dem Handhabungswaferteil 110 und dem Vorrichtungswaferteil 130 angeordnet sein. Der rückseitige Hohlraum 114 kann sich von einer unteren Seite eines Handhabungswafers 110 zu einer unteren Seite 122 der Oxidschicht 120 erstrecken. Die Oxidschicht 140 kann oben auf dem Vorrichtungswafer 130 aufgewachsen sein und eine Oxidschicht 150 kann auf einer unteren Seite des Aufsatzwafers oder Schicht 160 aufgewachsen sein, obwohl in verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine oder mehrere Oxidschichten 140 oder 150 weggelassen werden können. Die Oxidschichten 140 und 150 können fusionsgebunden sein, um den Aufsatz 160 mit der Vorrichtungswaferschicht 130 zu verbinden. Der Aufsatz 160 kann eine Vertiefung 152 beinhalten, welche durch Seitenwände oder Kanten 154 definiert ist. Die Kanten 154 können flach sein oder andere Formen aufweisen.
Wiederum können andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Drucksensoren bereitstellen, welche eine Vertiefung aufweisen, welche zumindest in einer Richtung schmaler ist als ein rückseitiger Hohlraum. Ein Beispiel ist in der nachfolgenden Figur gezeigt,
8 veranschaulicht eine Seitenansicht eines Drucksensors entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In diesem Beispiel kann der Aufsatz 810 auf einer oberen Seite der Vorrichtungswaferschicht 130 befestigt sein. Der Aufsatz 810 kann eine Vertiefung 812 beinhalten, welche Kanten 814 definiert. Die Vertiefung 812 kann eine Breite aufweisen, die in einer ersten Richtung schmaler ist als eine Breite des rückseitigen Hohlraums 114 in dieselbe Richtung. Das heißt, eine Distanz 892 einer Mittellinie des Drucksensors zu einer äußeren Kante 814 der Vertiefung 812 kann kürzer sein als eine Distanz von der Mittellinie zu einer Kante 112 des rückseitigen Hohlraums 114. In dieser und in anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Kanten 814 so angeordnet sein, dass sie innerhalb die Kante 112 des rückseitigen Hohlraums 114 passen, wiederum aus einer vertikalen Ansicht. Auch kann, während dieses Beispiel betrachtet wird, der Hohlraum 812 im Aufsatz 810 gebildet sein, in anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Vertiefung 812 im Aufsatz 810, in der Oxidschicht 140, in der Vorrichtungsschicht 130 oder jeder Kombination davon gebildet sein.
Wie zuvor können verschiedene Techniken verwendet werden, um diese Drucksensoren herzustellen. Ähnliche Schritte zu jenen, welche in 3 bis 6 gezeigt wurden, können verwendet werden, um den Handhabungswafer oder Schicht 110, Oxidschicht 120, Vorrichtungsschicht oder Wafer 130 und Oxidschicht 140 zu bilden. Beispiele, wie der Aufsatz 810 gebildet werden kann, sind in den nachfolgenden Figuren gezeigt.
In 9 kann eine Schicht von Silikonnitrid 910 auf einer unteren Seite des Aufsatzes 810 abgeschieden werden. Eine Öffnung 912 kann in der Silikonnitridschicht 910 gebildet sein. Eine Oxidschicht kann dann aufgewachsen werden. Diese Oxidschicht kann ein begrenztes Wachstum auf einem Silikonnitrid 910 aufweisen, aber sie kann Silikon, welches nicht geschützt ist und bei dem Hohlraum 912 freigelegt ist, verbrauchen. Dieses Oxid kann in 10 entfernt werden, um die Vertiefung 812 zu bilden. Die Silikonnitridschicht 910 kann auch entfernt werden und dort kann der resultierende Aufsatz 810 mit der Oxidschicht 140 oben auf der Vorrichtungswaferschicht 110 fusionsgebunden werden zum Bilden des Drucksensors, welcher in 8 gezeigt ist. In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Oxidschicht 140 weggelassen werden und der Aufsatz 810 kann an die Vorrichtungsschicht 130 gebunden werden.
11 veranschaulicht eine Seitenansicht eines Teils eines Drucksensors entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie zuvor kann der Handhabungswafer oder die Schicht 110 verwendet werden, um den Vorrichtungswafer oder die Schicht 130 zu stützen. Der Handhabungswafer 110 kann einen rückseitigen Hohlraum 114 aufweisen, welcher sich von einer Unterseite des Handhabungswafers oder Schicht 110 zu einer unteren Seite der Oxidschicht 120 erstreckt. Eine Oxidschicht 140 kann oben auf dem Vorrichtungswafer 130 aufgewachsen werden. Der Aufsatz 8io kann an die Oxidschicht 140 fusionsgebunden werden. Speziell kann Silikon oder eine untere Seite des Aufsatzes 8io an die Oxidschicht 140, welche auf einem Vorrichtungswafer oder Schicht 130 aufgewachsen worden sein kann, fusionsgebunden sein. Wiederum kann die Vertiefung 812 durch die Kanten 814 definiert sein. Die Kanten 814 können, wie gezeigt, flach sein oder andere Formen aufweisen.
Wiederum können die Kanten 814 des Hohlraums 812 andere Formen aufweisen. Ein Beispiel ist in der nachfolgenden Figur gezeigt.
12 veranschaulicht ein Beispiel, in welchem eine Kante 814 des Hohlraum 812 gekrümmt sein kann. Diese Krümmung kann durch den einfach unidirektionalen Verbrauch von Silikon im Aufsatz 810 verursacht sein, wenn eine Oxidschicht auf einer unteren Seite des Aufsatzes 810 aufgewachsen wird.
13 veranschaulicht eine Seitenansicht eines weiteren Drucksensors entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie zuvor kann dieser Drucksensor einen Aufsatz 160 beinhalten, welcher auf einem Oberteil eines ersten Waferteils, welcher den Vorrichtungswafer oder Schicht 130 und den Handhabungswafer oder Schicht 110 beinhaltet, befestigt sein. Der Vorrichtungswafer oder Schicht 130 kann durch den Handhabungswafer oder Schicht 110 gestützt sein. Der Handhabungswafer oder Schicht 110 kann einen rückseitigen Hohlraum 114 beinhalten, welcher eine Kante der Seitenwand 112 definiert. Der rückseitige Hohlraum 114 kann sich von einer unteren Oberfläche des Handhabungswafers oder Schicht 110 zu einer Unterseite 122 der Oxidschicht 120 erstrecken. Die Vorrichtungsschicht 130 kann eine oder mehrere elektrische Komponenten 132 aufweisen, welche auf jeder oberen Oberfläche gebildet sind. Die elektrischen Komponenten 132 können durch die Oxidschicht 140 geschützt sein.
Der Aufsatz 160 kann eine Oxidschicht 150 auf einer unteren Oberfläche beinhalten, obwohl die Oxidschicht 150 in dieser und in anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weggelassen werden kann. Der Aufsatz 160 kann an eine Vorrichtungsschicht 130 durch Fusionsbindung der Oxidschicht 150 an der Oxidschicht 140 befestigt sein. Dort wo keine Oxidschicht 150 verwendet wird, kann der Aufsatz 160 direkt mit der Oxidschicht 140 fusionsgebunden werden. Die Oxidschicht 140 kann vor einer Fusionsbindung geätzt werden, um eine Vertiefung zu bilden, welche der Referenzhohlraum 142 ist. Das Ätzen der Oxidschicht 140, oder anderer Oxidschichten, stellt insofern einen Vorteil bereit, als dass das Ätzen eines Oxids traditionell ein sehr gut gesteuerter Prozessschritt ist. Auch kann die Stärke des Referenzhohlraums präzise durch die Dicke der thermischen Oxidschicht 140 gesteuert werden, was auch ein sehr gut gesteuerter Prozess ist. Der Referenzhohlraum 142 kann durch eine äußere Kante 144 definiert sein. Während in diesem Beispiel der Referenzhohlraum als sich durch die Oxidschicht 140 erstreckend gezeigt ist, kann sich er Referenzhohlraum 142 in verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nur teilweise durch die Oxidschicht 140 erstrecken. Im Vergleich zum Bilden eines Referenzhohlraums in dem Aufsatz 160 (wie in 1 gezeigt) kann die Bildung des Referenzhohlraums in die Oxidschicht 140 die Ausrichtung des Aufsatzes mit der Membran vereinfachen. Dies kann zumindest teilweise auf den Tatsachen beruhen, dass der Aufsatz 160 nur verwendet wird, um den Referenzhohlraum abzudecken und selbst nicht den Referenzhohlraum oder die aktive Membran definiert. Auch kann, während der Referenzhohlraum 142 in der Oxidschicht gebildet sein kann, der Referenzhohlraum 142 in anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in der Oxidschicht 140, der Oxidschicht 150, der Oxidschicht 140, Aufsatz 160 oder in Kombinationen davon gebildet sein.
Der Referenzhohlraum 142 kann eine Breite aufweisen, die schmaler ist als eine Breite des rückseitigen Hohlraums 114, zumindest in eine Richtung. Speziell kann eine Distanz 192 von einer Mittellinie des Drucksensors zu einer Kante 144 des Referenzhohlraum 142 kürzer sein als eine Distanz 194 von einer Mittellinie zu einer Kante 112 des rückseitigen Hohlraums 114. Auf diese Weise kann ein aktiver Teil einer Membran, welcher durch eine Kante 144 definiert ist, schmaler als die aktive Membran sein, welche durch die Kante 112 definiert ist.
In herkömmlichen Drucksensoren kann der Aufsatz 160 fehlen oder der Aufsatz 160 kann eine Vertiefung aufweisen, welche eine Öffnung bildet, die breiter ist als ein entsprechender rückseitiger Hohlraum. In solch einem Fall, zumal eine Membran oder eine Scheidewand, welche durch einen rückseitigen Hohlraum gebildet ist, auslenkt, kann ein Verbindungspunkt zwischen einer Scheidewand und einem Rahmen eine große Zugkraft erfahren. In dieser Figur, wenn der Aufsatz 160 fehlen würde, würde diese Kraft am Ort 124 konzentriert. Diese Konzentration der Kraft kann zu Rissen oder einem anderen Schaden am oder in der Nähe des Ortes 124 führen.
Entsprechend, wie oben beschrieben, können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen Aufsatz oder eine andere verstärkende Struktur bereitstellen, wie z. B. den Aufsatz 160, wobei ein Referenzhohlraum, wie z. B. die Referenzhohlraum 142, schmaler sein kann als ein rückseitiger Hohlraum, wie z. B. der rückseitige Hohlraum 114. In diesem Fall kann der Ort 124 durch den Aufsatz 160 verstärkt werden. Auch der Ort der höchsten Belastung bewegt sich von dem Ort 124 zum Ort 149. Die Belastung am Ort 149 wirkt zusammendrückend anstatt ziehend, wenn Druck auf die Unterseite der Membran 122 ausgeübt wird. Weiterhin, selbst wenn ein oder mehrere Risse oder ein anderer Schaden am oder in der Nähe des Ortes 124 erscheint, sind die Risse weg vom Membranbereich, welcher durch den Referenzhohlraum 142 definiert ist.
Auch kann eine Membran oder eine Scheidewand in herkömmlichen Drucksensoren um einen Betrag auslenken, welcher einen Schaden an dem Drucksensor verursachen kann. Dies kann aufgrund der Anwesenheit von unvorhergesehenen hohen Drücken von Flüssigkeiten in dem rückseitigen Hohlraum oder durch andere Ereignisse auftreten.
Entsprechend können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen Referenzhohlraum bereitstellen, welcher eine Höhe oder Stärke aufweist, welche eine maximale Auslenkung der Membran begrenzt. In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann diese Höhe oder Stärke so sein, dass eine Membran in der Lage ist, für einen gewünschten Betrieb genügend ausgelenkt zu sein, aber nicht genügend, um einen Schaden am Drucksensor zu verursachen. Im Speziellen kann die Kante 144 eine Höhe aufweisen, welche es der Membran erlaubt, für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Drucksensors genügend auszulenken, aber nicht genügend, um Schaden oder Risse an der Membran zu verursachen. Stattdessen lenkt die Membran so aus, dass sie einen obersten Teil des Referenzhohlraum 142 erreicht und nicht weitergehen kann bevor ein Schaden verursacht wird. Das heißt der obere Teil des Referenzhohlraum 142 kann als ein Auslenkungsstopp wirken, um einen Schaden am Drucksensor zu verhindern. In dieser und in anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können eine oder mehrere Oberflächen, wie z. B. die obere Oberfläche des Referenzhohlraums 142, ein oder mehrere Sockel oder andere Strukturen aufweisen, welche als ein Stopp oder eine Begrenzung des Betrages, welcher eine aktive Membran auslenken kann, wirken können.
Wiederum können die Strukturen, welche in verschiedenen Drucksensoren verwendet werden, in verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verschiedene Größen und Breiten aufweisen. Zum Beispiel kann der Handhabungswafer oder Teil eine Stärke von 250 bis 600 μm aufweisen, obwohl er dünner sein kann als 250 oder dicker als 600 μm. Der Vorrichtungswafer oder Schicht 130 kann beachtlich dünner sein, zumal er die Membran bildet. Diese Dicke kann 15 bis 25 um betragen, obwohl sie dünner als 15 oder dicker als 25 μm sein kann. Aufsatzwafer oder Schicht 160 und andere Aufsatzwafer oder Schichten können eine Stärke aufweisen, die zumindest ungefähr 150 μm beträgt, obwohl er schmaler oder dicker als 150 μm sein kann. Die verdeckte oder Bindungsoxidschicht 120, 140 und 150 kann eine Stärke zwischen 0,1 und 3 μm aufweisen, obwohl sie dünner oder dicker sein kann als dieser Bereich. Der Referenzhohlraum 142, wie auch mit anderen Referenzhohlraumen in anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, können eine Stärke oder eine Höhe von 100 nm bis 500 nm aufweisen, obwohl sie in anderen Ausführungsformen von 50 bis 1000 nm betragen kann. Eine spezielle Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann einen Referenzhohlraum aufweisen, welcher eine Höhe von 4000 A hat.
Wiederum kann der Referenzhohlraum 142 eine Breite aufweisen, die zumindest in einer Richtung schmaler ist als eine Breite des rückseitigen Hohlraums 114. In dieser und in anderen Ausführungsformen kann der Referenzhohlraum 142 so ausgemessen und ausgerichtet sein, dass er in den rückseitigen Hohlraum 114 passt. Das Resultat ist, dass die Vorrichtungsmembran in ihrer Größe durch den Hohlraum 142 in der Oxidschicht 140 definiert ist anstatt durch den rückseitigen Hohlraum 114, wie es herkömmlich ist. Ein Beispiel ist in der nachfolgenden Figur gezeigt.
14 veranschaulicht eine Draufsicht eines Drucksensors entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wiederum kann der Aufsatz 160 auf einem ersten Waferteil einschließlich eines Handhabungswafers oder Schicht 110 und Vorrichtungsschicht oder Wafer 130 platziert sein. In diesem Beispiel kann der Referenzhohlraum 142 Kanten 144 aufweisen, welche angeordnet sind, um in die Kanten 112 des rückseitigen Hohlraums 114 zu passen. In diesem Beispiel kann der Referenzhohlraum 142 den Bereich der aktiven Membran des Drucksensors definieren. In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die aktive Membran verschiedene Größen aufweisen. Zum Beispiel kann sie 240 × 240 μm sein. Die Stärke der Membran kann in der Größenordnung von 20 μm sein. Solch eine Membran oder Scheidewand kann in der Lage sein Drücke bis zu 20 Bar, 120 Bar oder mehr zu messen.
Die verschiedenen hier gezeigten Schichten können weggelassen werden und andere können ergänzt werden, konsistent mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein spezielles Beispiel eines Herstellungsverfahrens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den nachfolgenden Figuren gezeigt.
15 veranschaulicht einen Teil eines Drucksensors, welcher hergestellt wird. Dieser Teil kann auf dieselbe oder in ähnlicher Weise wie der in 4 gezeigte Teil gebildet werden. Zusätzlich kann eine Vertiefung in der Schicht 140 gebildet werden, welche einen Referenzhohlraum 142 bildet. Wieder, während der Referenzhohlraum 142 als sich durch die Oxidschicht erstreckend gezeigt ist, kann sich der Referenzhohlraum 142 in anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nur teilweise durch die Oxidschicht 140 erstrecken. Ein Aufsatz 160, entweder mit oder ohne Oxidschicht 150, kann über dem Referenzhohlraum 142 platziert werden, um den Drucksensor von 13 zu bilden.
16 veranschaulicht eine Seitenansicht eines weiteren Drucksensors entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie zuvor kann dieser Drucksensor einen Aufsatz 160 beinhalten, welcher an einem Oberteil eines ersten Waferteils befestigt ist, welcher den Vorrichtungswafer oder Schicht 130 und den Handhabungswafer oder Schicht 110 beinhaltet. Der Vorrichtungswafer oder Schicht 130 kann durch den Handhabungswafer oder Schicht 110 gestützt werden. Der Handhabungswafer oder Schicht 110 kann einen rückseitigen Hohlraum 114 beinhalten, welcher eine Kante der Seitenwand 112 definiert. Der rückseitige Hohlraum 114 kann sich von einer unteren Oberfläche des Handhabungswafers oder Schicht 110 zu einer unteren Oberfläche der Oxidschicht 120 erstrecken. Die Vorrichtungsschicht 130 kann eine oder mehrere elektrische Komponenten 132 aufweisen, welche in ihrer oberen Oberfläche gebildet sind. Die elektrischen Komponenten 132 können durch eine Oxidschicht 140 geschützt sein.
Der Aufsatz 160 kann eine Oxidschicht 150 auf einer unteren Oberfläche beinhalten, obwohl die Oxidschicht 150 in dieser und in anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weggelassen werden kann. Der Aufsatz 160 kann an einer Vorrichtungsschicht 130 durch Fusionsbindung einer Oxidschicht 150 mit einer Oxidschicht 140 befestigt sein. Dort wo die Oxidschicht 150 nicht verwendet wird kann der Aufsatz direkt mit der Oxidschicht 140 fusionsgebunden werden oder der Aufsatz kann direkt an die Vorrichtungsschicht 130 gebunden werden. Die Oxidschicht 140 kann vor einer Fusionsbindung geätzt werden, um einen oberen Teil eines Hohlraums zu bilden, welcher Referenzhohlraum 142 ist. Die Vorrichtungsschicht 130 kann auch geätzt werden, um einen unteren Teil eines Referenzhohlraum 134 zu bilden. Der Referenzhohlraum 134 kann durch äußere Kanten 144 und 136 definiert sein. Im Vergleich zur Bildung eines Referenzhohlraum in dem Aufsatz 160 (wie in 1 gezeigt) kann die Bildung des Referenzhohlraum in der Oxidschicht 140 und der Vorrichtungsschicht 130 die Ausrichtung des Aufsatzes 160 mit der Membran vereinfachen. Dies kann zumindest teilweise aufgrund der Tatsache sein, dass der Aufsatz 160 nur verwendet wird, um den Referenzhohlraum abzudecken und nicht selbst den Referenzhohlraum definiert, während der Referenzhohlraum 134 in der Oxidschicht 140 und der Vorrichtungsschicht 130 gebildet wird, kann die Oxidschicht 130 in anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weggelassen werden und der Referenzhohlraum 134 in der Vorrichtungsschicht 130 gebildet sein.
Der Referenzhohlraum 136 kann eine Breite aufweisen, die zumindest in eine Richtung schmaler ist als die Breite des rückseitigen Hohlraums 114. Speziell kann eine Distanz 192 von einer Mittellinie des Drucksensors zur Kante 144 und 136 des Referenzhohlraum 134 kürzer sein als eine Distanz 134 von einer Mittellinie zu einer Kante 112 des rückseitigen Hohlraums 114. Auf diese Weise kann ein aktiver Teil einer Membran durch die Kanten 144 und 136 definiert sein und schmaler sein als die Membran, welche durch die Kante 112 definiert ist.
Eine Membran oder eine Scheidewand kann in herkömmlichen Drucksensoren auch um einen Betrag auslenken, welcher Schaden am Drucksensor verursachen kann. Dies kann durch die Anwesenheit von unvorhergesehenen hohen Drücken von Flüssigkeiten in dem rückseitigen Hohlraum oder durch andere Ereignisse auftreten.
Demgemäß können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen Referenzhohlraum bereitstellen, welcher eine Höhe oder Stärke aufweist, welche eine maximale Auslenkung der Membran begrenzt. In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann diese Höhe oder Stärke so sein, dass die Membran in der Lage ist, für den gewünschten Betrieb genügend auszulenken, aber nicht genügend, um Schaden am Drucksensor zu verursachen. Speziell können die Kanten 136 und 144 eine Höhe aufweisen, welche es der Membran erlaubt, für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Drucksensors genügend auszulenken, aber nicht genug, um Schaden oder einen Riss der Membran zu verursachen. Stattdessen lenkt die Membran so aus, dass sie einen Oberteil eines Referenzhohlraums 142, 134 erreicht und nicht weitergehen kann, bevor ein Schaden verursacht wird. Das bedeutet, dass der Oberteil des Referenzhohlraums 134 als ein Auslenkungsstopp wirken kann, um einen Schaden am Drucksensor zu verhindern. In dieser und in anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können eine oder mehrere Oberflächen, wie z. B. die obere Oberfläche des Referenzhohlraum 134, eine oder mehrere Sockel oder andere Strukturen beinhalten, welche als ein Stopp oder eine Begrenzung auf den Betrag, welcher eine aktive Membran auslenken kann, wirken können.
Wiederum können die Strukturen, welche in Drucksensoren verwendet werden, in verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verschiedene Größen und Breiten aufweisen. Der Handhabungswafer oder Teil kann z. B. eine Stärke von 250 bis 600 μm aufweisen, obwohl er dünner als 250 oder dicker als 600 μm sein kann. Der Vorrichtungswafer oder Schicht 130 kann beachtlich dünner sein, da er/sie die Membran bildet. Diese Stärke kann 15–25 μm sein, obwohl sie dünner als 15 oder dicker als 25 μm sein kann. Der Aufsatzwafer oder Schicht 160 und andere Aufsatzwafer oder Schichten können eine Stärke aufweisen, die zumindest ungefähr 150 μm beträgt, obwohl sie schmaler oder dicker sein können als 150 μm. Die verdeckte oder Bindungsoxidschicht 120, 140 und 150 kann eine Stärke zwischen 0,1 und 3 μm aufweisen, obwohl sie dünner oder dicker sein kann als dieser Bereich. Der Referenzhohlraum 134, wie auch die anderen Referenzhohlräume in anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, kann eine Stärke oder eine Höhe von 100 nm bis 500 nm aufweisen, obwohl sie in anderen Ausführungsformen von 50 bis 1000 nm betragen können. Eine spezielle Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann einen Referenzhohlraum mit einer Höhe von 4000 A aufweisen.
Wiederum kann der Referenzhohlraum 134 eine Breite aufweisen, die zumindest in einer Richtung schmaler ist als eine Breite des rückseitigen Hohlraums 114. In dieser und in anderen Ausführungsformen kann der Referenzhohlraum 134 so ausgemessen und ausgerichtet sein, dass er in den rückseitigen Hohlraum 114 passt. Das Ergebnis ist, dass die aktive Membran der Vorrichtung in ihrer Größe durch den Referenzhohlraum in der Oxidschicht 140 und Vorrichtungsschicht 130 definiert ist anstatt durch den rückseitigen Hohlraum 114, wie es herkömmlich ist. Ein Beispiel ist in der nachfolgenden Figur gezeigt.
17 veranschaulicht eine Draufsicht eines Drucksensors entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wiederum kann der Aufsatz 160 auf einem ersten Wafer einschließlich des Handhabungswafers oder Schicht 110 und Vorrichtungsschicht 130 platziert sein. In diesem Beispiel kann der Referenzhohlraum 142 Kanten 144 aufweisen, welche angeordnet sind, um in die Kanten 112 des rückseitigen Hohlraums 114 zu passen. In diesem Beispiel kann der rückseitige Hohlraum 142 den Bereich der aktiven Membran des Drucksensors definieren. In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die aktive Membran verschiedene Größen aufweisen. Sie kann z. B. 240 × 240 μm betragen. Die Stärke der Membran kann in der Größenordnung von 20 μm sein. Solch eine Membran oder Scheidewand kann in der Lage sein, Drücke bis zu 20 Bar, 120 Bar oder mehr zu messen.
Die verschiedenen hier gezeigten Schichten können weggelassen werden oder andere können konsistent mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergänzt werden. Ein spezielles Beispiel des Herstellungsverfahrens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den nachfolgenden Figuren gezeigt.
Der Drucksensorteil in 18 kann auf dieselbe oder in ähnlicher Weise gebildet sein wie der Drucksensorteil von 3. Zusätzlich kann eine Vertiefung in einen Oberteil der Vorrichtungsschicht 130 geätzt sein, um einen unteren Teil des Referenzhohlraum 134 zu bilden. In 19 kann die Oxidschicht 140 über der Vorrichtungsschicht 130 gebildet sein. Diese Oxidschicht kann am Ort gehalten werden, um die Vorrichtung 132 zu schützen oder die Oxidschicht 140 kann geätzt werden, um den Referenzhohlraum 134, welcher durch die Seiten 144 und 136 definiert ist, zu bilden, wie in 20 gezeigt.
In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Drucksensorbereich von 20 durch Aufwachsen der Oxidschicht 140 über die Vorrichtungsschicht 130 und Ätzen durch die Oxidschicht 140 in den Oberteil der Vorrichtungsschicht 130 gebildet werden, um einen Referenzhohlraum 134, welcher durch die Seiten 144 und 136 definiert ist, zu bilden.
In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Membran Strukturen wie z. B. Sockel, Rennbahnen und andere Strukturen beinhalten. Beispiele können im US-Patent Nr. 8 381 596 gefunden werden, welches hiermit durch Verweis enthalten ist. Ein Beispiel ist in der nachfolgenden Figur gezeigt.
21 veranschaulicht eine Seitenansicht eines weiteren Drucksensors entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie zuvor kann dieser Drucksensor einen Aufsatz 160 beinhalten, welcher auf einem Oberteil eines ersten Waferteils, welcher den Vorrichtungswafer oder Schicht 130 und den Handhabungswafer oder Schicht 110 beinhaltet, befestigt sein. Der Vorrichtungswafer oder Schicht 130 kann durch den Handhabungswafer oder Schicht 110 gestützt sein. Der Handhabungswafer oder Schicht 110 kann einen rückseitige Hohlraum 114 beinhalten, welcher eine Kante der Seitenwand 112 definiert. Der rückseitige Hohlraum 114 kann sich von einer unteren Oberfläche des Handhabungswafers oder Schicht 110 zu einer Unterseite 122 der Oxidschicht 120 erstrecken. Die Vorrichtungsschicht 130 kann eine oder mehrere elektrische Komponenten 132 aufweisen, welche in Sockel 138 gebildet sind, wobei der Sockel 138 eine beispielhafte Struktur ist, welche in der Vorrichtungsschicht 130 gebildet ist. Die elektrischen Komponenten 132 können durch eine Oxidschicht 140 geschützt sein, obwohl dies hier der Klarheit halber nicht gezeigt ist.
Der Aufsatz 160 kann eine Oxidschicht 150 auf einer unteren Oberfläche beinhalten, obwohl die Oxidschicht 150 in dieser und in anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weggelassen werden kann. Der Aufsatz 160 kann an der Vorrichtungsschicht 130 durch Fusionsbindung der Oxidschicht 150 an der Oxidschicht 140 befestigt werden. Da wo die Oxidschicht 150 nicht verwendet wird kann der Aufsatz 160 direkt mit der Oxidschicht 140 fusionsgebunden sein. Die Oxidschicht 140 kann geätzt sein bevor sie fusionsgebunden wird, um einen oberen Teil einer Vertiefung zu bilden, welche den Referenzhohlraum 142 ist. Die Vorrichtungsschicht 130 kann auch geätzt sein, um Rennbahnen, Sockel oder andere Strukturen, welche einen Teilbereich eines Referenzhohlraums 134 bilden, zu bilden. Diese Strukturen können eine maximale Auslenkung einer aktiven Membran begrenzen, um einen Schaden an der Vorrichtung aufgrund der Anwesenheit von hohen Drücken in dem rückseitigen Hohlraum 114 oder aufgrund eines anderen Ereignisses zu verhindern. Der Referenzhohlraum 134 kann durch äußere Kanten 144 und 136 definiert sein. Im Vergleich zur Bildung eines Referenzhohlraums in dem Aufsatz 160 (wie in 1 gezeigt) kann die Bildung eines Referenzhohlraums in der Oxidschicht 140 und Vorrichtungsschicht 130 eine Ausrichtung des Aufsatzes 160 mit der Membran vereinfachen. Dies kann zumindest teilweise aufgrund der Tatsache sein, dass der Aufsatz 160 nur verwendet ist, um den Referenzhohlraum abzudecken und nicht selbst den Referenzhohlraum definiert.
Der Referenzhohlraum 136 kann eine Breite aufweisen, die zumindest in einer Richtung schmaler ist als eine Breite eines rückseitigen Hohlraums 114. Speziell kann eine Distanz 192 von einer Mittellinie des Drucksensors zur Kante 144 und 136 des Referenzhohlraums 134 kürzer sein als eine Distanz 194 von einer Mittellinie zu einer Kante 112 des rückseitigen Hohlraums 114. Auf diesem Wege kann ein aktiver Teil einer Membran, welcher durch die Kanten 133 und 136 definiert ist, schmaler sein als die Membran, welche durch die Kante 112 definiert ist.
In den obigen Beispielen und in anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein Referenzhohlraum durch irgendeine oder mehrere der Aufsatzschichten 810 oder 160, Oxidschichten 150 und 140 und Vorrichtungsschicht 130 gebildet sein. Eine oder mehrere dieser Schichten können weggelassen werden z. B. die Oxidschicht 150. Es können auch eine oder mehrere andere Schichten, welche nicht gezeigt sind, beinhaltet sein.
Die obige Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung wurde zum Zwecke der Veranschaulichung und Beschreibung vorgestellt. Es ist nicht beabsichtigt, erschöpfend zu sein oder die Erfindung auf eine präzise beschriebene Form zu begrenzen, und viele Modifikationen und Variationen sind im Lichte der obigen Lehre möglich. Die Ausführungsformen wurden gewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktischen Anwendungen zu erklären und es dabei anderen Fachleuten zu ermöglichen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen mit verschiedenen Modifikationen zu verwenden, so wie sie geeignet sind in einer besonderen Verwendung betrachtet zu werden. Folglich wird es verstanden werden, dass die Erfindung beabsichtigt, alle Modifikationen und Äquivalente innerhalb des Umfangs der nachfolgenden Ansprüche zu beinhalten.

Claims

Drucksensor umfassend: einen ersten Wafer, der einen rückseitigen Hohlraum aufweist, welcher sich von einer unteren Seite des ersten Wafers in den ersten Waferteil erstreckt, wobei der rückseitige Hohlraum eine innenseitige Oberfläche eines Rahmens definiert, wobei die innenseitige Oberfläche eine Membran beinhaltet; eine Bindungsschicht über dem ersten Waferteil; und einen Aufsatz über dem ersten Waferteil, wobei ein Referenzhohlraum auf der gegenüberliegenden Seite der Membran und dem rückseitigen Hohlraum ist, wobei der Referenzhohlraum eine Breite aufweist die in zumindest einer Dimension schmaler als die Breite des rückseitigen Hohlraums in der ersten Dimension ist.
Drucksensor nach Anspruch 1, wobei der Aufsatz eine Vertiefung der Unterseite aufweist, um den Referenzhohlraum zu bilden.
Drucksensor nach Anspruch 1, wobei der Referenzhohlraum in der Bindungsschicht liegt.
Drucksensor nach Anspruch 1, wobei die Membran einen Hohlraum in der Oberseite aufweist, um den Referenzhohlraum zu bilden.
Drucksensor nach Anspruch 1, wobei der Referenzhohlraum in mehr als einem der folgenden liegt: dem ersten Waferteil, der Bindungsschicht und dem Aufsatz.
Drucksensor nach Anspruch 1, wobei der Referenzhohlraum so positioniert ist, dass vertikale Kanten des Referenzhohlraums innerhalb der vertikalen Kanten des rückseitigen Hohlraums liegen.
Drucksensor nach Anspruch 1, wobei der Referenzhohlraum eine Höhe aufweist, welche eine Auslenkung der Membran begrenzt, um Schaden zu verhindern.
Drucksensor nach Anspruch 1, wobei der Aufsatz aus Silikon hergestellt ist.
Drucksensor nach Anspruch 1, wobei der Aufsatz aus Borsilikatglas gestaltet ist.
Drucksensor nach Anspruch 8, wobei die Bindungsschicht eine Oxidschicht ist.
Drucksensor nach Anspruch 1, weiterhin eine Polysilikonschicht zwischen dem ersten Waferteil und der Bindungsschicht umfassend.
Drucksensor umfassend: einen ersten Waferteil, der einen rückseitigen Hohlraum aufweist, welcher sich von einer unteren Seite auf dem ersten Waferteil in den ersten Waferteil erstreckt, wobei der rückseitige Hohlraum eine innenseitige Oberfläche eines Rahmens definiert, wobei die innenseitige Oberfläche eine Membran beinhaltet; eine Bindungsschicht auf einer oberen Oberfläche des ersten Waferteils; und einen Aufsatz über dem ersten Waferteil, wobei ein Referenzhohlraum unterhalb des Aufsatzes liegt und wobei der Referenzhohlraum eine Breite aufweist, die zumindest in einer ersten Dimension schmaler als eine Breite des rückseitigen Hohlraums in der ersten Dimension ist.
Drucksensor nach Anspruch 12, wobei der Referenzhohlraum in der Bindungsschicht liegt.
Drucksensor nach Anspruch 12, wobei der Referenzhohlraum in der Bindungsschicht und in dem ersten Waferteil liegt.
Drucksensor nach Anspruch 12, wobei der Referenzhohlraum zumindest in der Verbindungsschicht oder dem ersten Waferteil liegt.
Drucksensor nach Anspruch 15, wobei der Referenzhohlraum so positioniert ist, dass die vertikalen Kanten des Referenzhohlraum innerhalb vertikaler Kanten des rückseitigen Hohlraums liegen.
Drucksensor nach Anspruch 12, wobei der Referenzhohlraum eine Höhe aufweist, welche eine Auslenkung der Membran begrenzt, um Schaden zu verhindern.
Drucksensor nach Anspruch 12, weiterhin eine Polysilikonschicht zwischen dem ersten Waferteil und der Bindungsschicht umfasst.
Drucksensor umfassend: einen Handhabungswafer; einen Vorrichtungswafer, der mit dem Handhabungswafer durch eine erste Bindungsschicht verbunden ist, wobei der Handhabungswafer einen rückseitigen Hohlraum aufweist, welcher sich von einer unteren Oberfläche zu der ersten Bindungsschicht erstreckt; und einen Aufsatz, welcher durch eine zweite Bindungsschicht mit dem Vorrichtungswafer verbunden ist, wobei ein Referenzhohlraum unterhalb des Aufsatzes liegt und wobei der Referenzhohlraum eine äußere Kante aufweist, welche innerhalb einer äußeren Kante des rückseitigen Hohlraums passt.
Drucksensor nach Anspruch 19, wobei die zweite Bindungsschicht eine Oxidschicht auf der oberen Oberfläche der Vorrichtungsschicht aufweist.
Drucksensor nach Anspruch 19, wobei der Referenzhohlraum in der zweiten Bindungsschicht liegt.
Drucksensor nach Anspruch 19, wobei der Referenzhohlraum in der zweiten Bindungsschicht und in dem ersten Waferteil liegt.
Drucksensor nach Anspruch 19, wobei der Referenzhohlraum zumindest in der zweiten Bindungsschicht oder dem ersten Waferteil liegt.
Drucksensor nach Anspruch 19, wobei der Referenzhohlraum eine Höhe aufweist, welche eine Auslenkung der Membran begrenzt, um Schaden zu verhindern.
Drucksensor nach Anspruch 10, weiterhin eine Polysilikonschicht zwischen dem Vorrichtungswafer und der Bindungsschicht umfassend.