DE2830121A1

DE2830121A1 - Verfahren zur herstellung von mit piezowiderstandseffekt arbeitenden drucksensoren

Info

Publication number: DE2830121A1
Application number: DE19782830121
Authority: DE
Inventors: Horst Dr Irmler
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1978-07-08
Filing date: 1978-07-08
Publication date: 1980-01-17
Also published as: GB2025692A; JPS5512800A

Description

BROWN, BOVERI & CIE . AKTIENGESELLSCHAFT Lp U£) _

MANNHEIM BROWN BOVERl

Mp.-Nr. 595/78 Mannheim, den 7- Juli 1978

ZFE/P3-Pp/dr

"Verfahren zur Herstellung von mit Pie ζ owider Standseffekt arbeitenden Drucksensoren"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von mit Piezowiderstandseffekt arbeitenden Drucksensoren, je Sensor aus mindestens zwei miteinander zu verbindenden Siliziumteilen, aus einer druckempfindlichen, piezoelektrischen Membrane aus monokristallinem Silizium mit Diffusions-Gebieten unterschiedlichen Leitungstyps und mit metallischen Kontakten und aus einem mit einem Hohlraum versehenen Halbleiterkörper, vorzugsweise aus polykristallinem Silizum.

Derartige Drucksensoren finden als Druckmeßumformer in der Meß- und Regelungstechnik Verwendung.

Es sind bereits Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Drucksensoren vorgeschlagen worden, bei denen diese aus mehreren Siliziumteilen zusammengesetzt werden (DE-Patentanmel- i düngen P 27 53 378.4 und P 27 53 273.6). Beim erstgenannten j älteren Vorschlag bestehen die Teile mit elektronischer Funktion aus monokristallinem Silizum und die sonstigen TedLe aus polykristallinem'Silizium. Beim zweitgenannten älteren -Vorschlag bestehen alle Teile aus monokristallinem Silizum.

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In beiden Fällen erfolgt das Zusammenfügen der Teile durch Thermomigration. Zur Verbindung dient Aluminium, das in Silizum migriert.

Diese metallischen Verbindungen sind stabiler als die bisher bekannten Verbindungen mittels Metall-Legierungen (DE-Zeitschrift "Regelungstechnische Praxis", 1977, H. 6, S. 162 - 165). - Auf die letztgenannte LiteratursteUe wird im übrigen auch hinsichtlich des grundsätzlichen Aufbaues und der Wirkungsweise der Drucksensoren verwiesen. - Es ist jedoch möglich, daß eine metallische Verbindung einer Temperaturwechselbeanspruchung über längere Zeitspannen hinweg nicht standhält. Da man je nach dem Druckbereich, für den die Sensoren bestimmt sind, bis auf Membrandicken von einigen Mikrometern herabgehen muß, sind bei der Herstellung der Membrane große Anforderungen an die Genauigkeit der Dicke, an deren Reduzierbarkeit sowie an die Ebenheit der Membrane zu stellen. Bei sehr kleinen Dicken bricht das spröde Silizium 3=icht.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren der eingangs genannten Gattung hinsichtlich der Membranherstellung und der Verbindung derselben mit dem Halbleiterkörper zu verbessern, insbesondere sollen in ihren technischen Werten reproduzierbare und langzeitig stabile Drucksensoren entstehen.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß erfindungsgemäß auf jeweils die zur Verbindung mit der Membrane bestimmten, vorzugsweise geläppten Stirnflächen des Halbleiteik öprers Glas-j pulver aufgetragen und die nach vorderseitiger Diffusion von ihrer Rückseite her mechanisch oder chemisch auf die gewünschte; Membrandicke reduzierte Membrane bei einer Temperatur unterhalb j der Diffusionstemperatur aufgeschmolzen wird.

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Um Blasen aus dem Glas zu entfernen, wird das Glaspulver vorzugsweise vor dem Aufbringen der Membrane während eines ersten Schmelzprozesses auf die Stirnflächen aufgeschmolzen. Danach erfolgt dann die Verbindung der Membrane mit dem Halbleiterkörper in einem zweiten Schmelzprozeß.

Weiterhin wird vorteilhaft ein Glas mit einem Entspannungspunkt zwischen 570 K und 680 K, einem Schmelzpunkt unter 1100 K und \ mit einem dem des Siliziums etwa entsprechenden Wärmeausdehnungs koeffizienten verwendet.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines Zink-Bor-Silikatj Kombination^-Glases, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient dem des Siliziums besonders nahe kommt.

Die Verwendung von Glas zur Verbindung des Halbleiterkörpers mit der Membrane und insbesondere die Verwendung des letztgenannten Glases führen zu einem Bauelement, bei dem die Belastung der Verbindungstelle durch mechanische Spannungen, insbesondere! hervorgerufen durch Temperaturwechselbeanspruchung, weitgehend vermieden ist.

Vorzugsweise wird von einer für die Simultandiffusion von mehreren Membranen geeigneten Siliziumscheibe ausgegangen, diese nach der Diffusion auf ihrer Vorderseite mit lack abgedeckt, dann von ihrer Rückseite her durch Ätzen und/oder Läppen auf die gewünschte Membrandicke reduziert und schließlich zerteilt.

Man kann nach diesem Verfahren vorteilhaft von einer Siliziumscheibe einer Anfangs-Dicke von 150 bis 200/um ausgehen, also einer in der Halbleitertechnik üblichen Verarbeitungsdicke ohne besondere Bruchgefahr. Dabei kann man dennoch zu Membranen mit Dicken von einigen Mikrometern gelangen und die gewünschte Dicke auch genau einstellen. Die Herstellung, ausgehend von einer großen Siliziumecheibe, einem sogenannten Wafer, ist an sich aus der vorgenannten DE-Zeitschrift bekannt.

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Die Erfindung wird nachfolgend unter Vergleich mit der bisherigen Technik anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen:

^* schematisch die bisherige Technik und den bis- und 2 herigen Aufbau;

Fig. 3 schematisch einen Halbleiterkörper, von dem erfindungsgemäß ausgegangen wird;

Fig. 4 einen fertigen Drucksensor mit dem Halbleiterkörper nach Fig. 3?

Fig. 5 ein Herstellungsbeispiel für eine Membrane und Fig. 6 eine große Siliziumscheibe mit mehreren Membranen

Die Figuren 1 und 2 zeigen schematisch, die bisherige Herstellung eines Drucksensors. Ein solcher Drucksensor besteht aus einem Siliziumkörper, der aus einem Halbleiterkörper 1 und einem Teil 2 zusammengesetzt ist. Im Halbleiterkörper 1 ist eine Öffnung 3 für die Verbindung zum zu messenden Medium, z.B. einer Flüssigkeit, vorgesehen. Der Flüssigkeitsdruck wölbt eine Membrane 4 am Teil 2, und es entsteht aufgrund dieser Deformation ein piezoelektrischer Effekt. Die Dicke der Membrane kann 10/um bis zu 1 mm betragen. Die Verbindung des Halbleiterkörpers 1 mit dem Teil 2 geschieht nach den älteren Vorschlägen wie bereits beschrieben, durch Thermomigration von Aluminum. Es ist weiterhin bekannt, den Halbleiterkörper 1 mit dem Teil 2 mit Hilfe einer Goldlegierung zusammenzulöten. In allen Fällen liegt eine metallische Verbindung vor, die mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnet.ist. Das Silizium ist η-leitend und ent-

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hält dünne.mäanderförmige Dotierungsstrecken,die hoch p-dotiert sind. Ferner sind die entsprechenden metallischen Kontakte bzw. Abnahmeelektroden 6 auf dieser Membrane enthalten. Die Dotierungen sind in lateraler Richtung und in -vertikaler Richtung angebracht. Die Dotierungen .7, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind, werden nach der üblichen Diffusionstechnologie mit Oxidmasken durchgeführt. Die Hohlräume 8a und 8b in den Teilen 1 und 2 (Fig. 1) werden mit einem mechanischen Verfahren oder mit einem Erosionsverfahren hergestellt. Dabei kann zum Schluß ein Ätzprozeß zur Verbesserung der Oberflächengüte der Innenflächen der beiden Teile erfolgen. Die Einstellung der Membrandicke geschieht im vorgenannten bekannten Fall durch Mikrofunkenerosion.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ebenfalls von dem Halbleiterkörper 1 mit der Öffnung 2 ausgegangen, die Stirnflächen 9 des Halbleiterkörpers 1 werden jedoch geläppt. Auf diese Stirnflächen 9 wird ein Glaspulver 10 aufgetragen und aufgeschmolzen.. Das Glaspulver 10 sollte einen Schmelzpunkt haben, der mögliehst unter 1100 E, vorzugsweise unter 1073 K, liegt, so daß die Diffusion nicht in Mitleidenschaft gezogen wird. Nach dem Aufschmelzen des Glaspulvers 10, das in einer Dicke von etwa 10/um aufgetragen wird, entweichen aus dieser Glasschicht 10 beim Aufschmelzprozeß die Blasen. Im Anschluß daran wird die fertig diffundierte und mit metallischen Kontakten (nicht dargestellt) versehene Halbleitertablette bzw. Membrane 11, die sich bereits in der gewünschten Dicke von z.B. einigen Ai bis 1 mm je nach Druckbereich befindet, aufgeschmolzen.

Nach dem Aufschmelzen der Membrane/ist besonders der Haltepunkt des Glases 10 auszunutzen. Günstig sind Gläser, die ihren Entspannungspunkt zwischen 570 K und 680 K haben. Bei der Auswahl des Glases ist besonders darauf zu achten, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient etwa dem des Siliziums entspricht. Geeignet ist z.B. ein Zink-Bor-Silikat-KombinationS-Glas (Komposit-Glas) d Firma Schott und Gen., Mainz. Dieses Glas hat einen Anteil, der das Glas im Ausdehnungskoeffizienten so kompensiert, daß es dem des Siliziums entsprich

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In Fig. 5 ist schließlich angedeutet, wie eine Membrane 11 hergestellt werden kann. Ihre Dotierungslinien sind unter 12 angedeutet. Erfahrungsgemäß können solche Diffusionen auf plangeläppten und stark geätztem Silizium noch gut in einer Dicke von ca. 150 bis 200/um durchgeführt werden. Bei kleineren Dicken entsteht in der Produktion sehr leicht Bruchausschuß. Es wird daher erfindungsgemäß von Siliziumscheiben 13 in der üblichen Dicke von 150 bis 200/um ausgegangen. Diese Scheiben 13 werden dann auf der Seite 14- der Metallisierung bzw. Diffusion (hier vereinfacht Vorderseite genannt, obwohl die Orientierung unterschiedlich sein kann) mit einem lack 15 abgedeckt. Die "Rückseite" 16 der Siliziumscheibe 13 wird mit Hilfe eines Ätzprozesses oder eines gekoppelten läpp-Prozesses mit anschließen-

auf
der Ätzung bis/Gi e gewünschte Mejibrandicke abgetragen. Für den homogenen Ätzabtrag empfiehlt sich eine Ätzbehandlung, bei der

Scheibe 13 einer Bewegung unterzogen wird.

Figur 6 zeigt schließlich die Siliziumscheibe 13, von der aus in den genannten Diffusions- und Ätz- bzw. läpp-Prozesses eine Vielzahl von Aktivteilen bzw. Membranen 11 für die Drucksensoreri hergestellt warden kann. Der Durchmesser einer solchen Siliziumscheibe 13 kann z.B. zwischen 5 und 10 mm liegen.

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Claims

BROWN, BOVERI & CIE ■ AKTIENGESELLSCHAFT \£J l£%z

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Patentansprüche:

Verfahren zur Herstellung von mit Piezowiderstandseffekt arbeitenden Drucksensoren, je Sensor aus mindestens zwei miteinander zu verbindenden Siliziumteilen, aus einer druckempfindlichen, piezoelektrischen Membrane aus monokristallinem Silizium mit Diffusions-Gebieten unterschiedlichen leitungstyps und mit metallischen Kontakten und aus einem mit einem Hohlraum versehenen Halbleiterkörper, vorzugsweise aus polykristallinem Silizium, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeweils die zur Verbindung mit der Membrane (11) bestimmten, vorzugsweise geläppten Stirnflächen (9) des Halbleiterkörpers (1) Glaspulver (10) aufgetragen und die nach vorderseitiger Diffusion von ihrer Rückseite (16) her mechanisch oder chemisch auf die gewünschte Membrandicke reduzierte Membrane (11) bei einer Temperatur unterhalb der Diffusionstemperatur aufgeschmolzen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Glaspulver (10) vor dem Aufbringen der Membrane (11) während eines ersten Schmelzprozesses auf die Stirnflächen (9) aufgeschmolzen und während eines zweiten

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Schmelzprozesses der Halbleiterkörper (1) mit der Membrane (11) verbunden wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Glas mit einem Entspannungspunkt zwischen 570 E und 680 E, einem Schmelzpunkt unter 1100 E und mit einem dem des Siliziums etwa entsprechenden Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Zink-Bor-Silikat-Glases.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß von einer für die Simultandiffusion von mehreren Membranen (11) geeigneten Siliziumscheibe (13) ausgegangen wird, diese nach der Diffusion auf ihrer Vorderseite mit Lack abgedeckt, dann von ihrer Rückseite her durch Ätzen und/oder Läppen auf die gewünschte Membrandicke reduziert und schließlich zerteilt wird.

die Verwendung
6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch/einer

Siliziumscheibe (13) einer Anfangsdicke von 150 bis 200/um.

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