DE2503781C2

DE2503781C2 - Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl später voneinander zu trennender Druckmeßwandler in Halbleiterbauweise

Info

Publication number: DE2503781C2
Application number: DE2503781A
Authority: DE
Inventors: William F. Portola Valley Calif. Hare; Alfons Sunnyvale Calif. Vindasius
Original assignee: National Semiconductor Corp
Current assignee: National Semiconductor Corp
Priority date: 1974-03-27
Filing date: 1975-01-30
Publication date: 1984-06-28
Also published as: JPS5759675B2; GB1476582A; FR2266314A1; FR2266314B1; US3909924A; JPS50129187A; DE2503781A1; CA1016668A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem bereits bekannten Verfahren dieser Art (US-PS 37 57 414) werden vorzugsweise mit der äußeren Umgebung in Verbindung stehende Ausnehmungen vorgesehen und den Umgebungsdruck messende Differenzdruckmeßwandler hergestellt. Nach dem bekannten Verfahren können die die Stützplatte durchsetzenden Ausnehmungen auch fortgelassen und die Gesamlanordnung unter Vakuum dicht verbunden werden, um Absolutdruckmeßwandler herzustellen.

Es ist ferner bekannt. Hydrazin als Ätzmittel bei der Bearbeitung von Halbleiterbauelementen zu verwenden (US-PS 31 60 539).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem es möglich wird, aus ein und demselben zur Herstellung einer Vielzahl von Druckincßwandlern dienenden Substrat- und Stützplattenkörper nach gemeinsamer Durchführung der elektrischen Prüfung wahlweise entweder Absolutdruckmeßwandler oder Differenzdiuekmeßwandler herzustellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Stützplatte an ihrer mit dem Halbleitersubstrat zu verbindenden Oberseite mit einer die Ausnehmungen überdeckenden Oxidschicht versehen wird und daß die hermetisch dicht geschlossenen Hohlräume in dein Halbleitersubstrat zur

to Herstellung von Differenzdruckmeßwandlern durch Durchstechen der die Ausnehmungen in der Stützplatte überlagernden Bereiche der Oxidschicht mit der äußeren Umgebung verbunden werden.
Möglichkeiten zur vorteilhaften weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 und 3 angegeben.

Durch die Erfindung wird insbesondere erreicht, daß bei einer Vielzahl auf einem gemeinsamen Substratoder Stützplattenkörper hergestellter Druckmeßwandler vor deren Trennung voneinander Membranen mit fehlerhafter Dehnungskennlinie, beispielsweise aufgrund eines Lecks, bereits bei der X-Y-Koordinaten-Schrittnrüiung an dem Plattenkörper erkennbar sind.
Die elektrische Prüfung der Druckmeßwandler-Plattenkörper kann erfolgen, während die Druckmeßwandler noch als Absolutdruckmeßwandler vorliegen. Nach dem elektrischen Prüfvorgang lassen sich die mit anderen gleichartigen Druckmeßwandlern in einer gemeinsamen Platte zusammengefaßten Absolutdruekineßwandler durch Durchstechen der die jeweils eine Ausnehmung in der Siützplatte überlagernden, eine Membran bildenden Bereiche der Oxidschicht mit der äußeren Umgebung verbinden und dadurch den jeweiligen Druckmeßwandler in einen Differen/.druckmcßwandler verwandeln. Fehlerhafte Dehnungskennlinien der Membran, die beispielsweise auf ein Leck in der Glasdichtung zurückzuführen sind, lassen sich schon bei der Prüfung mit dem X-Y-Koordinaten-Schrittprüfgeräl erkennen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im nachlolgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform näher erläutert, in weicher ist

Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung eines Druck-Meßwandlers,
Fig. 2 in schaubildlicher Darstellung ein Schnitt durch den Hohlraum des Halbleitersubstrats am Druck-Meßwandler von Fig. 1, aus welchem die dünne, biegsame Membran des Hohlraums und die Ausnehmung in der Stützplatte ersichtlich sind,

F i g. 3 ein Querschnitt durch einen Teil einer entsprcchend dem crfindungsgemäßcn Verfahren hergestellten Stützplatte über einen Bereich von drei Druck-Meßwandlern,

F i g. 4 ein F i g. 3 ähnlicher Querschnitt des gleichen Ausschnitts der Stülzplatte nach Verbindung mit dem Halbleitersubstrat im Anschluß an die elektrische Prüfung und vor Fertigstellung, und

Fig.5 ein Querschnitt durch einen Teil eines Siliziumplättchens, in welchem drei Druck-Meßwandler ausgebildet sind.

bo Fi g. 1 veranschaulicht einen in bekannter Weise ausgebildeten Druck-Meßwandler in Form eines Halbleiter-Druckmeßfühlers 11 mit einer piezoresisiiven Meßbrücke 12, die durch p-Diffusion von vier Widerstandszweigen in die auf einem η'-Substrat ausgebildete n- Epitaxialschicht hergestellt sind. Der Druckmcßfühlcr ist an einer Keramikplatte 13 befestigt. Ein Druekrohr-Ansehlußstiiek 14 isi in abgedichteter Weise an der I Interseite der Keramikplatte 13 befestigt und steht über

eine Druckrohröffnung 15 in der Keramikplatte 13 mit dein Druckmeßbereich in Verbindung. Auf der Keramikplatte 13 sind weiterhin ein Pufferverstärker 16 und z. B. ein Rechenverslärker 17 befestigt, mit dem das von der Meßbrücke 12 abgegebene Ausgangssignal über den Pufferverstärker 16 auf einen gewünschten Ausgangssignalwert verstärkt wird.

Der die Druckrohröffnung 15 und den Halbleiter-Druckmeßfühler 11 aufweisende Bereich det Keramikplatte 13 ist durch eine abgedichtet mit der Keramikplatte verbundene Meiallhaube 19 abgedecki. Mehrere Dickfilm-Trimmwidcrstände sind an einem Rand 58 der Keramikplatte 13 und außerhalb des abgedeckten Bereichs angeordnet. Der Einfachheit halber sind hier nur zwei Trimmwiderstände 21 und 22 dargestellt. Die Eingangs- und Ausgangs-Anschlußklemmen befinden sich am gegenüberliegenden Rand 23 der Keramikplatte, wobei auch hier wiederum lediglich zwei Anschlußklemmen 24 und 25 dargestellt sind.

In F i g. 2 ist der Halbleiter-Druckmeßfühler 11 schaubildlich aufgeschnitten dargestellt. Der Halbleiter-Druckmeßfühler 11 besteht aus einem η+-Halbleiter-Substrat 26 von etwa 279,4 μΐη Dicke, auf dem eine 25,4 μΐη dicke n-Epiiaxialschicht 27 aufgebracht ist. Das η ♦ -Halbleiter-Substrat ist in einem mittigen Bereich des Halbleiter-Substrats 26 weggeätzt, wodurch ein Hohlraum ausgebildet ist. der auf seiner Oberseite lediglich durch die 25,4 μιη dicke n-Epitaxialschicht 27 abgedeckt ist, weiche als Membran 28 dient. Halbleiter-Substrat 26, Epitaxialschicht 27 und Membran 28 sind aus einem jo einzigen Siliziumkristall hergestellt. Die als das Oberteil ausgebildeten Teile 26,27 und 28 werden dann im Vakuum unier Zuhilfenahme eines Bindemittels mit einem /weiten Halbleilcrplättchen 29 abgedichtet verbunden, das eine Stützplatle für das Oberteil 26, 27, 28 bildet. Wenn der Druck-Meßwandler als Differenzdruck-Meßwandler und nicht als Absolutdruck-Meßwandler ausgebildet sein soll, wird in der Stützplatte 29 eine durchgehende Ausnehmung 31 ausgebildet, welche bis zum Hohlraum 32 durchgeführt ist, so daß sich der unterhalb der Membran 28 befindliche Hohlraum 32 auf Umgebungsdruck befindet. Das in der Zeichnung dargestellte Bauelement ist nicht maßstabsgerecht; in Wirklichkeit weisen das Oberteil 26, 27, 28 und die Stützplatte 29 die Abmessungen von etwa 2,92 · 4,19 mm bei 610 μιη Dikke auf. Die Abmessungen des Hohlraums 32 betragen dabei etwa 1,52 ■ 2,92 mm, bei einer Höhe von 280 μιη.

Bei bekannten I lerstellungsverfahren erfolgt die Ausbildung der Ausnehmungen 31 in der Stützplatte 29 vor der elektrischen Sondenprüfung des noch in der Platte befindlichen Bauelements, so daß demzufolge die Membran 28 bei der Prüfung nicht druckbelastet und veriormt ist. Die elektrische Prüfung der Memb'aneigcnsehaftcn erfolgt üblicherweise in einem späteren Zeitpunkt bei der Herstellung des in F i g. 2 dargestellten ^r>r> Druck-Meßwandlers.

Entsprechend der Darstellung in Fig. 3 werden bereits in einem frühen Zeitpunkt bei dem erfindungsgemiiß vorgeschlagenen Herstellungsverfahren thermisch cr/eugte Oxidschichten 33 und 34 auf Oberseile und bo Unterseite der Stützplatte 29 ausgebildet. Vermittels bekannter Maskierungstechniken werden dann öffnungen 35 vurbestimmter Grolle von /. B. 560 μιη Durchmesser in der unteren Oxidschicht 34 ausgebildet, wobei die Lage und die gegenseitigen Abstände dieser öfl'nun- t,"> gen so bemessen sind, daß die öffnungen jeweils genau /u einem Hohlraumbereich ausgerichtet sind. Das Sili/iiimmatmül der Stütznlatte 29 wild dannvermittels eines Ätzmittels wie z. B. Hydrazin(NY2H< ■ H2O) weggeätzt, so daß in der Siliziumplatte eine Ausnehmung 31 entsteht, jedoch die etwa 0,8 μιη dicke Oxidschicht 33 nicht angegriffen wird. Am Boden jeder Ausnehmung bleibt dahe^r ein kleiner Bereich 36 von beispielsweise 51 um Durchmesser stehen.

Wie anhand F i g. 4 ersichtlich, wird dann die Stützplatte 29 beispielsweise durch geschmolzene Glasfritte !inter Vakuum abgedichtet mit dem Halbleiter-Substrat 26 verbunden, wobei darauf geachtet wird, daß die Ausnehmungen 3i in der Stützplatte genau zu den Hohlräumen 32 ausgerichtet sind.

Durch Verbindung der Stützplattc 29 mit dem Halbleiter-Substrat 26 entsteht eine Vielzahl von Hohlräumen, die an einer Wandseite durch die biegsame Membran 28, und auf der entgegengesetzten Wandseite teilweise durch den Bereich 36 begrenzt sind. Die kleinen Bereiche 36 widerstehen aufgrund ihrer geringen Ausdehnung ohne weiteres dem auf sie aufgrund des inneren Hohlraums lastenden Druck gegenüber Vakuum. Die auf diese Weise ausgebildeten Druck-Meßwandler weisen Hohlräume 32 auf. Da die Hohlräume luftleer sind, stehen die Membranen 28 unter Druck und sind nach innen zum Hohlraum hin verformt. In diesem Zustand lassen sich die in den Membranen 28 ausgebildeten Meßbrücken 12 mittels der bekannten X-Y-Koordinaten-Schrittprüfgeräte leicht elektrisch durchmessen. Alle fehlerhaften Meßwandler wie z. B. solche, die ein Leck in der Glasdichtung aufweisen, werden bei der Prüfung als Ausschuß markiert.

Zu einem späteren Zeitpunkt, der entweder auf die elektrische Prüfung der Platte folgt, bevor diese in einzelne Bauelemente unterteilt wird, oder im Anschluß an die Aufteilung der Platte in Bauelemente, jedoch vor Einbau derselben in ein Druck-Meßwandlergerät, werden dil· Bereiche 36 vermittels einer Nadel oder eines Dorns 37 durchgestochen, um die Ausnehmungen 31 vermittels der so ausgebildeten Öffnungen mit den Hohlräumen 32 zu verbinden. In F i g. 5 ist ein Abschnitt einer Platte nach Ausbildung dieser öffnungen dargestellt, wobei die einzelnen Bauelemente noch in einer Platte miteinander verbunden sind.

Da bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren die Dehnungskennlinien der Membranen 28 bereits dann elektrisch ausgemessen weiden können, wenn die Meßwandler-Bauelemente noch einen Teil der Platte bilden, läßt sich die Ausbeute an brauchbaren Meßwandlern bereits in einem frühen Zeitpunkt des Herstellungsverfahrens ermitteln, was zu einer beträchtlichen Senkung der bei der Herstellung von Druck-Meßwandlern anfallenden Kosten führt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl später voneinander zu trennender Druckmeßwandler in Halbleiterbauweise, bei dem auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrat eine Halbleiterschicht ausgebildet wird, eine Vielzahl in gegenseitigen Absländen angeordneter Hohlräume in das Halbleitersubstrat eingeätzt wird, wobei ein Teil der Halbleiterschicht als biegsame Membran belassen wird, und eine aus dem gleichen Halbleitermaterial bestehende Stützplatte mit einer Vielzahl in gegenseitigen Abständen angeordneter, jeweils zu den Hohlräumen in dem Halbleitersubstrat ausgerichteter Ausnehmungen versehen und unter Vakuum mit dem Halbleitersubstrat hermetisch dicht verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützplatte (29) an ihrer mit dem Halbleitersubstrat (26) zu verbindenden Oberseite mit einer die Ausnehmungen (31) überdeckenden Oxidschicht (33) versehen wird und daß die hermetisch dicht geschlossenen Hohlräume in dem Halbleitersubstrat (26) zur Herstellung von Differenzdruckmeßwandlern durch Durchstechen der die Ausnehmungen (31) in der Stützplatte (29) überlagernden Bereiche (36) der Oxidschicht (33) mit der äußeren Umgebung verbunden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Halbleitermaterial bestehende Stützplatte (29) auf ihrer Oberseite und ihrer Unterseite jeweils mit einer Oxidschicht (33 bzw. 34) versehen, in der auf der Unterseite der Stützplatte ausgebildeten Oxidschicht (34) eine Maske mit in gegenseitigen Abständen angeordneten, jeweils zu einem Hohlraum (32) in dem Halbleitersubstrat ausgerichteten öffnungen ausgebildet und dann das hinter jeder Öffnung befindliche Halbleitermaterial unter Ausbildung eines Teils einer bis zu der auf der Oberseite der Stützplatte (29) befindlichen Oxidschicht (33) führenden Ausnehmung (31) durch Ätzen entfernt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (31) in der Stützplatte (29) vermittels Hydrazin ausgeätzt werden.