DE3204602A1

DE3204602A1 - Bei hohen temperaturen einsetzbare, aus schichten aufgebaute silicium-bauelemente

Info

Publication number: DE3204602A1
Application number: DE19823204602
Authority: DE
Inventors: Leslie Bruce Palo Alto Calif. Wilner; Herbert Vernon San Francisco Calif. Wong
Original assignee: Becton Dickinson and Co
Current assignee: Meggitt Orange County Inc
Priority date: 1981-02-12
Filing date: 1982-02-10
Publication date: 1982-09-09
Also published as: FR2499770B1; FR2513441A1; DE3249594C2; JPS57148378A; FR2499770A1; FR2513441B1; DE3204602C2; GB2093272A; GB2093272B; US4400869A

Description

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32Ü4602

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Bei hohen Temperaturen einsetzbare, .aus Schichten
aufgebaute Silicium-Bauelemente

Die .vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Herstellung von Druck-Meßumformern in Miniatur-Bauweise und insbesondere die Herstellung solcher Umformer, die im Rahmen ihres Einsatzes erhöhte Tempc-. raturen aushalten. Solche Umformer sind so aufgebaut, daß sie eine Membran besitzen, die ein Profil aufweist, um die induzierte Spannungsbelastung zu steuern und in den Flächen der Piezo-Meßwiderstände zu konzentrieren und diese Spannungen den Meßstellen in solcher Weise

zuzuleiten, daß auf den Flächen, auf denen die Umformer montiert werden, Druckunterschiede wahrgenommen werden. Insbesondere betrifft ' die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Silicium-Membran-Druck-Meßumformern oder Halbleitern durch Verwendung zweier

speziell orientierter Silioiüm-Plättchen, die mittels eines Diffusibnsverfahrens, bei dem reduzierte und woniger kostspielige Betriebsparameter angewandt werden, miteinander verbunden werden, sowie auf diese Weise hergestellte Druck-Meßumformer oder Halbleiter. Die

dabei erhaltenen Umformer und/oder Halbleiter besitzen eine Meßfilm-Oberfläche,: die Bor-reich, in extremem Maße eben und außergewöhnlich gleichmäßig über ihre gesamte Ausdehnung hinweg ist.

Die Technik der Herstellung von Druck-Meßumformern
durch Diffusion von Piezo-Meßelementen in eiine Silicium-Membran ist wohl bekannt. In diesem Zusammenhang wird a\if die US-PS 4 065 970 verwiesen, in der ein einzelnes Silicinm-Pluttchen verwendet wird. . libonl a 1 1 :.

- ίο -

Bezug genommen wird auf die US-PS 3 858 150, in der eine aus mehreren Silicium-Plättchen-Schichten bestehende Anordnung offenbart wird. Das Problem bei den Vorrichtungen nach dem Stand der Technik liegt darin, daß sie keine genügende Isolation der Spannung s-rMeßstellen gegenüber der Membran bieten, die höheren Temperaturen ausgesetzt ist. Aus diesem Grunde versagt der Druck-Meßumformer, wenn er den höheren Temperaturen ausgesetzt wird, die üblicherweise in der Industriepraxis erreicht werden. \

Im Gegensatz hierzu macht die vorliegende Erfindung ein vereinfachtes Verfahren zur Formulierung von Silicium-Membran-Druck-Meßumformern oder Halbleitern verfügbar, die für Anwendungen im Hochtemperaturbereich oberhalb von 15O⁰C, der gewöhnlichen Höchsttemperatur für solche Vorrichtungen, eingesetzt werden;· dieses Verfahren ist vereinfacht und wird in einfacher Weise bei Bearbeitungstemperaturen und -drücken durchgeführt, die bei sehr viel niedrigeren Werten liegen, als sie bisher erreicht wurden, wodurch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, für die Ä-rbeitsgänge einer Massenartikelherstellung seh# v^kel pe&ser geeignet ist.

Umformer oder Halbleiter gemäß der vorliegenden Erfindung kann, aus zwei Schichten aus Silicium-Plättchen hergestellt· werden, die durch eine Hochtemperatur-Bindung miteinander verbunden' v/erden. Beide Plättchen

'- ' sind· Silioium-Eihkristall-Plättchen. ' Ein Plättchen wird, vorzugsweise vor dor Verbindung mit dem zweiten Plättchen, durch Ätzen so geformt, daß es eine hoch-0 wirksame, den Druck zusammenfassende Membran gemäß den Lehren der oben erwähnten US-PS 4 065 970 bildet. -Wenn auch ein solches vorhergehendes Ät-:;on nicht unbedingt orforcler.1 ich ist, so wird diese; Λrbo.it«weise doch a]b

- 11 -

rationellerer Weg zu dem hergestellten Fertigprodukt angesehen und deshalb bevorzugt, wenn gemäß der vorliegenden Erfindung Druck-Meßumformer formuliert werden. Das andere Plättchen, in diesem Falle das Meß-Plättchen, ist nach .Beendigung der Bearbeitung, gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung äußerst dünn und vorzugsweise dadurch mit einem Muster versehen, daß Spannungs-Meßstellen an den Stellen hoher Spannungsbelastung der Membran eingeätzt werden, sobald die beiden Schichten nach dem Verfahren der Erfindung miteinander vereinigt worden sind.

So wird nach der vorliegenden Erfindung ein Doppelschicht-Meßumformer mit einer außergewöhnlich gleichmäßigen und ebenen dünnen Schicht als Meßschicht und ei-

ner dickeren Schicht als Membränschicht hergestellt. Die dünnere Schicht wird dadurch gebildet, daß leicht dotiertes Silicium selektiv von dem Teil der Meßschicht im Zuge der abschließenden Bildung derselben abgeätzt wird, der zuvor stark mit Silicium dotiert wurde. Die

starke Dotierung der Meßschicht ist wegen des zu bevorzugenden Ätzens erforderlich, das im Zuge ihrer Bearbeitung stattfindet, jedoch ist sie auch für ihre Wirkungsweise als Piezo-Widerstand zweckmäßig, da der Temperaturkoeffizient des Meßsystem-Faktors niedrig ist

und der Temperaturkoeffizient des Widerstandes hoch genug ist, daß ein solcher Abfall des Meßsystem-Faktors mit der Temperatur durch Verwendung einer geeigneten Widerstands-Reihe kompensiert wird.

Andererseits kann ein Halbleiter-Baue]ement, aufgebaut
aus einem £ius mehreren Schichten bestehenden Silicium-Plättchen, das eine beliebig festgelegte Orientieruno und Dicke besitzen kann und eine; Tso1 i erschirhi: .Mir.

ft β * ·*

Siliciumdioxid besitzt, hergestellt werden. In diesem Falle enthält die Isolierschicht 15 % oder weniger Boroxid. Zusätzlich enthält das Bauelement eine elektrisch aktive Schicht gleichmäßiger Dicke von etwa 1 um aus Einkristall-Silicium, in der solche Anordnungen wie Widerstände, Feldeffekt-Transistoren und Piezo-Widerstände gebildet werden.können. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Isolierschicht nicht nur den mechanischen Träger bildet, sondern auch als Kühlblock für die aktive Schicht dient; Sie kann so. ausgebildet werden, daß sie in der aktiven Schicht eine niedrige .Gesamt-Spannungsbelastung ' oder eine örtlich konzentrierte Spannungsbelastung hervorruft.

Betrachtet man die Bedingungen für die Durchführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung im allgemeinen, so werden zwei dünne Silicium-Plättchen ausgewählt, die nach dem hier beschriebenen Verfahren miteinander verbunden werden sollen. Das·"Membran"-Silicium-Plättchen wird (100)-orientiert, auf beiden Seiten poliert und erhält, wie im Vorstehenden erörtert, auf einer Seite eine Anordnung spannungskonzentrierender Druck-Membranen eingeätzt, deren lineare Merkmale in der / 110_7-Richtung ausgerichtet sind. Das Meß-Plättchen aus Silicium ist eines vom η-Typ und ist leicht dotiert und (100)-orientiert und (_ 110_7-indizifrt.

•Vorzugsweise wird es auf einer Seite poliert und auf der anderen Seite eben geläppt. Dieses Plättchen wird mit einer Bor-"Vorablagerungs"-Schicht versehen, wobei das Bor auf seiner'polierten Seite niedergeschlagen 0 wird. Vorzugsweise wird nach diesem Verfahrensschritt das Plättchen in einem Raum niedriger Luftfeuchtigkeit aufbewahrt, sofern es nicht sofort weiter verwendet •wird, um eine Hydratisierung der aufgebrachten Ror-Schicht ?:u verzögern.

3 2(K 6 02

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Nach der Bor-Abscheidung auf dem Meß-Plättchen wird die Bor-Seite des Meß-Plättchens auf die glatte Seite des Membran-Plättchens montiert und so ausgerichtet, daß die / 110_7-Indices parallel sind. In dieser Verbindung wird die Ausrichtung mit H^ilfe von Paraffinwachs blok-■ kiert, damit die Ausrichtung wahrend der nachfolgenden •Verfahrensschritte beibehalten bleibt. Die beiden Schichten werden dann unter Temperatur und Druck zusammengepreßt, um sie zunächst miteinander zu verbinden.
Danach werden die Schichten einer hohen Temperatur ausgesetzt, wodurch die Diffusion der beiden aneinandergrenzenden Oberflächen-Schichten ineinander bewirkt "wird. ■

Eines der Merkmale der vorliegenden Erfindung besteht

darin, daß vor der Vereinigung der beiden Plättchen nur die Membran-Schicht mit SiD₂ beschichtet wird. Auf diese Weise findet während der nachfolgenden Diffusion der beiden aneinandergrenzenden Schichten ineinander, durch die.die Bildung des Plattchen-Paares für den als End-

produkt herzustellenden Druck-Meßuinformc-'jr bewirkt wird, eine gleichzeitige Diffusion von Bor in die Meßschicht hinein und von Boroxid in den SiO--überzug der Membran-

. · schicht hinein statt. Die Verfahrensweisen nach dem Stand der Technik benutzten bisher SiO„-Beschichtungen auf. beiden Schichten vor deren Vereinigxing. Die zweite Si0_o-Schicht wirkt in der Weise, daß sie das Fortschreiten der Diffusion des Bors in die Meß schicht hinein vermindert, während bei der vorliegenden Erfindung die entstehende Bor-reiche Schicht während des Diffu-

sionsvorgangs kontinuierlich angereichert wird.

Hinsicht.1 .ich der weiteren tkiarbfiituncj des iiunniohr mil
einander vcrbunduncn IV' ärtehen-Panroü kann ri.ir McC-

plättchen-Seite des Plättchen-Paares anschließend geläppt werden, um ihre Dicke zu verringern. Nach diesem Arbeitsgang des Läppens wird das Membranplättchen selektiv geätzt, um den leicht dotierten Teil des verbliebenen Meßplättchens abzustreifen, wonach nur eine Bor-reiche Folie zurückbleibt.

Anschließend findet die weitere Bearbeitung statt, darunter das Einätzen des Deformationsmeß-Brückenmusters in die Meß schicht des Plättchen-Paares und'das Anbringen von einzelnen Druck-Sensoren und. Aluminium-Leitungsdrähten zur Montage der Meßumformer-Teile mit dem gemäß der' vorliegenden Erfindung formulierten Plättchen-Paar.

Im Hinblick auf die im Vorstehenden, dargelegten sowie weitere Ziele wird die vorliegende Erfindung anschließend im einzelnen beschrieben, wobei weitere Ziele und Vorteile der Erfindung sowie die beanspruchten Maßnahmen und Produkte aus der nachstehenden Beschreibung deutlich werden. . ·

Die Zeichnungen Fig. la bis Ii stellen im'Schnitt diagrammartige Teilansichten der aufeinander folgenden Schritte der Bearbeitung der beiden Plättchen dar, die v.untichMfc nJ κ aun jedem Material hprausyesiahnittune Formkörper vorliegen und dann gemäß der vor]legenden Erfindung weiter bearbeitet werden.

Fig. 2 stellt eine vergrößerte Schnittansicht eines Plättchenpaars dar, das· nach den in Fig..1 wiedergegebenen Verfahrenssschrittcin hergestellt wurde.

Fig. 3 ist eine diagrammartige Darstellung einer Presse, wie sie für die Vereinigung der zwei Plättchenpaare gemäß einem Verfahrensschritt der Erfindung geeignet ist. .

Von den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche Teile auf mehreren Abbildungen bezeichnen, zeigt Fig·, la ein Silicium-Meßplättchen 10 und ein Siliciutu-Membranplättchen 12,· bevor diese mit Hilfe der Verfahrensschritte der vorliegenden Erfindung miteiticinder verbunden wurden. Auf der einen Seite des Membranplättchens 12, wie es in Fig. Ib dargestellt ist, ist eine Anordnung von spannungskonzentrierenden Druck-Membranen 14 eingeätzt, wobei die Längsachse der Membranen in der /. 110_7-Richtung ausgerichtet ist. Weiterhin

umfaßt, wie im 'folgenden näher " beschrieben wird, ein Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung die Tatsache, daß die ebene oder Meß-Seite 4.1 des Membranplättchens 12 bei 42 mit einem solchen Profil versehen ist, daß die überstehenden Teile, die später als Abfall abge-

schnitten werden, nischenförmig ausgespart sind. Diese Profilausbildung hat weiterhin die Wirkung, daß während der nachfolgenden Arbeitsgänge reliefartige Kanäle in einer der miteinander verbundenen Oberflächen ausgebildet werden. Vorzugsweise liegt die Abmessung dieser

Aussparung im Bereich von 1 bis 5 μΐη.

In einem weiteren Verfahrenssehritt und wie in Fig. Ib dargestellt wird das Meßplättchen 10, das aus einem Scheibchen aus leicht dotiertem Silicium des Negativ-Typs, das .(100) orientiert und /110^7 indiziert ist,
bestehen' kann, vor der Heiterverarbeitung des SiIicium-Meßplättchens a\if der einen Seite poliert und auf der gegenüberliegenden Seite eben geläppt. Nach diesei: Bearbeitung wird eine "Vorcib.lageruncjs"-Mc'h.i eht -nur, H.X-.,

auf der polierten Seite 43 des Meßplättchens niedergeschlagen.

. Diese Abscheidung wird in einem üblichen Ofen durchgeführt, in dem B_O» bei HOO⁰C im Laufe von etwa 7 min abgelagert wird. Anschließend wird das Werkstück etwa 35 min bei HOO⁰C gehalten, um eine gleichmäßige vorherige Ablagerung des Bors in dem Meßplättchen herbeizuführen. So besitzt, wie in Fig. Ic dargestellt ist, die Meßplättchen-Schicht 10 auf ihrer polierten Seite 43 eine Bor-Schicht 16.

Während dieser vorbereitenden Bearbeitung der Meßschicht und vor ihrer Verbindung mit der Membranschxcht wird die Membranschxcht 12 ebenfalls in der Weise vorbereitend bearbeitet, daß auf ihr eine SiO»-Schicht 18 ■ niedergeschlagen wird, wie dies in Fig. Ic dargestellt ist. Unter Bezug auf Fig. Id wird nunmehr die Meß-' schicht 10 mit der Membranschxcht 12 kombiniert und/ oder mit dieser vereinigt und, wie vorstehend angemerkt, mit Wachs in passender Ausrichtung fixiert, wobei die Bor-Seite 16 der Meßschicht 10 die ebene Seite 41 der Membran-Schicht 12 berührt' und die Indices /~110_7 parallel ausgerichtet wurden. Das vereinigte Plättchen-Paar wird dann in eine Presse· eingespannt. Hier wird auf Fig. 3 Bezug genommen, die eine Presse für diesen Zweck zeigt, die einen Rahmen 28 mit einem Amboß 30 aus massivem Silicium und einen pneumatischen Balg 34 aus nichtrostendem Stahl besitzt, wobei ein geläpptes Silicum-Plättchen 32 als Puffer zwischen den Balg 34 und das Meß-Plättchen 10 gelegt wird. ·

Die Arbeitsweise, das Plättchen-Paar -zunächst miteinander zu verbinden, besteht darin, einen leichten Über-

: 5'V-. X' .

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druck in der Blase von etwa 0,14 bar (2 psij zu erzeugen. Die Presse wird dann auf 850⁰C beheizt. Anschließend, nachdem das Temperaturniveau von 850⁰C erreicht ist, wird der überdruck auf einen Wert von 4,14 bar (60 psi) erhöht tind 6 h bei der Temperatur von 850⁰C auf diesem Wert gehalten. Die Temperatur wird so gewählt, daß sie oberhalb des Schmelzpunktes des Bp⁰T liegt, jedoch nicht hoch genug ist, um die Lebensdauer de a nichtrostenden Balgs nachhaltig zu verkürzen. Die relativ lange Verweilzeit ermöglicht, daß örtliche B-O-,-Konzentrationen in die Aussparungen des Meßplättchens fließen und dadurch eine gewisse anfängliche Diffusion des B_O_ in das SiO- stattfinden kann. Nach der Beendigung der Verweilzeit wird der überdruck entfernt,

bevor die Presse abgekühlt wird.

Anschließend wird entsprechend dem Verfahrensgang der vorliegenden Erfindung das verbundene Plättchen-Paar der Presse entnommen und in einen üblichen Diffusionsofen gelegt, in dem das Paar 2 h auf 1035⁰C erhitzt

wird, um "die endgültige Diffusion des B„O_ in das Sio„ bewirken. Das Bor hat während dieses Diffusionsvorgangs weiterhin die Wirkung, daß die letzte freiliegende Schicht des Meßplättchens durch Diffusion von der D₀O.,-Quelle her dotiert wird. Das heißt, das Bor diffundiert weiter in das Meßplättchen 10 hinein, so daß, wenn das Meßplättchen 10 nachfolgend im Laufe des weiteren Verfahrens geläppt wird, der Bor-dotierte Teil des Meßplättchens während des nachfolgenden Ätzens leicht freigelegt werden kann. Fig. Ie zeigt das kombinierte

0 Plättchen-Paar nach diesem letzten Diffusionsvorganq in einem Diffusionsofen üblicher Bauart, wobei die diffundierten und vereinigten Schichten 22 aus Poroxid und Siliciumdioxid dargesie.1 J t sind. Nach diesem Di f Pur. .i-■ onsvorgang wird die Plättchencchichh 10 mechanisch :.u

einer dünnen Schicht geläppt, wie sie in Fig. If dargestellt ist. Vorzugsweise liegt die Dicke des Meßplättchens nach diesem mechanischen Läppen im Bereich von 12,7 bis 63,5 μηι (0,0005 bis 0,0025 inch). ·

Gemäß einem zusätzlichen Merkmal der vorliegenden Erfindung wird an dieser Stelle das Meßplättchen 10 vorzugsweise in einer heißen, mit Alkohol gepufferten Alkali-A'tzlösung geätzt, um den aus leicht dotiertem Silicium bestehenden Teil des Meßplättchens zu entfernen oder abzustreifen und nur die Bor-reiche Folie zurückzulassen, die im wesentlichen von dem Meßplättchen 10 nach diesem Verfahrensschritt übrig bleibt. Durch Anwendung dieser chemischen Ätzung wird eine außerordentlich ebene Folienoberfläche 45 erzeugt, die eine um

vieles bessere Grundlage für die anschließend daraus hergestellten Verformungsmeßeinrxchtungen liefert, als sie bisher jemals hergestellt wurde. Die erhaltene Meßfolie 10 ist weiterhin in einem bisher unvorstellbaren Maße extrem einheitlich. Die Schwelle der Ä'tzbeständig-

^: ' 19

keit liegt innerhalb des Bereichs von etwa 5 χ 10 bis

20
1 χ 10 Bor-Atomen pro 1 cm³ der daraus resultierenden übrig bleibenden Meßschichtfolie.

Die überstehenden Teile 16 der Meßschicht 10,. wie sie in Fig. Ig dargestellt sind, werden anschließend ober-

IiS hii.lb der Aussparungen 42 in dor Membran-Schicht 22 mechanisch entfernt. Wie im Vorstehenden erwähnt, ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß die Meß schicht .12 mit dem Aussparungsprofil 4 2 versehen wird, um die Einheitlichkeit der Bindung bei der Siliciumoxid-Bor-

.30 oxid-Diffusion von der einen Schicht in die andere bei der durch Diffusion erfolgenden Voreinigung der Meßschicht 10 mit der Membransch.i ent 1? be»j niedrigeren

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Arbeitetemperaturen und Drücken zu erhöhen. Nach erfolgter Entfernung der überstehenden Teile 16 hat das Plättchenpaar im Schnitt das in Fig. lh dargestellte Aussehen.

Im Anschluß an die mechanische Entfernung des Überhangs wird eine maskierende Oxid-Schicht 24 auf der Meßplättchen-Seite des Plättchen-Paares bei einer Temperatur von 1030⁰C in einer feuchten, sauerstoffhaltigen Umgebung hergestellt. Diese Oxid-Schicht besitzt eine Dicke von etwa 0,5 μΐη, wobei etwa während ihrer Ablagerung 0,25 μΐη der verbliebenen Meßschicht 10 verbraucht werden, die, wie oben beschrieben, nunmehr in Form einer Folie vorliegt. Die Oxidfilm-Schicht ist. in Fig. Ii dargestellt.

Somit -lassen sich mit der im Vorstehenden beschriebenen Verfahrensweise Plättchen zur Verwendung als Silicium-Membran-Druck-Meßumformer herstellen, die bei höheren Temperaturen einsetzbar sind_r was Fachleute begrüßen werden. Darüber hinaus können mit gewissen Abwandlungen 0 solcher Verfahrensweisen auch Halbleiter hergestellt •werden. Die Arbeitsschritte des Verfahrens bedienen sich im Vergleich zu den Verfahren nach dem Stand der Technik wesentlich reduzierter Betriebspararjeter, so daß das Verfahren in diesem Sinne für die Mtissonnrtikel-IIerstellung wegen der verminderten Anfordoj uiujen hinsichtlich Druck und Temperatur sowie weniger komplizierter mechanischer Vorgänge ideal ist.

Es ist darauf hinzuweisen, daß das gemäß den im Vorstehenden umrissenen Verfahrensweisen hergestellte Plcitt-0 chen-Paar darm nach den üblichen Arbeitstechniken der, Zusammenbaus mit den anderen Bauteilen für die Herstellung von Membrnn-Druck-Meßumfüi'mern weiter verarbeitet

wird. Das heißt, das Deformationsmeß-Brückenmuster wird in die Oxid-Schicht eingeätzt, die auf der Meß schicht 10 gebildet wurde. Dieser Schritt des Ätzens wird in einer sauren Fluorid-Lösung durchgeführt, wonach das weitere Einatmen des Brückenmusters in die Meß folie 10 mittels eines kombinierten Ätzmittels aus Hydrogenfluorid-Salpetersäure erfolgt. Nachdem dieses Deformationsmeß-Brückenmuster in die Oxid-Schicht 24 und die Meßschicht 10 eingeätzt wurde, wird das Plättchen-Paar' wieder maskiert, und es werden zum Zwecke der Metallisierung Fenster in die Oxid-Schicht 24 hinein geöffnet. Im Anschluß hieran wird Aluminium aufgelagert, und durch photographische Entwicklungsverfahren werden die "Kontakt-" und "Leiter-"Flächen festgelegt. Weiterhin wird der Aluminium-Film auf die Meßfolie aufgesintert.

Nach Durchführung dieser verschiedenartigen Arbeitsgänge werden einzelne Druck-Sensoren aus dem Plattenpaar würfelartig herausgeschnitten und nach Brauchbarkeit aussortiert. Dann werden in üblicher Weise Aluminium-Drähte angebracht, und die einzelnen Druck-Sensoren werden mittels Lötglas mit dem Silicium-Trägerglied verbunden und mit.den anderen Umformer-Teilen mit Hilfe von hochtemperaturbeständigen organischen Harzen zusammenmontiert.

Somit lehrt die vorliegende Erfindung ein Verfahren, das eine Bedarfslücke für Druckmessungen bei üblicherweise erreichten Temperaturen schließt, worauf besonders hinzuweisen ist, indem piezoelektrische·! Widerstands-Druck-Meßumforiuer aus Silicium mit einem ver*- qroßorten Arbe i i .sboreich formuliert v/erden, .dio. bei erhöhten Temperaturen doui.ljch oberhalb der b.i slicri gen HochsUtempiMatür von 150⁰C, bis hinauf r.u einer Temperatur von mindestens 300⁰C und einigen Fällen r.cgar bis

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.zu 450°C eingesetzt werden können, weil "die? Defcrmations-Meßglieder bei den höheren Temperaturen in angemessener Weise gegen die Membran isoliert sind. Darüber hinaus liefert das Verfahren der vorliegenden Erfindung diese Druck-Meßumformer in Minieiturgrößc mit großor ■ Empfindlichkeit und kleinen Zeitkonstanten sowie frei .von Hysterese.

Die Umformer und Halbleiter der Erfindung können in einfacher Weise mit Hilfe von Arbeitsgängen der Massenartikel-Herstellüng unter Einsatz relativ niedriger Arbeitstemperaturen und -drücke gefertigt werden. Diese niedrigen Betriebsparameter machen das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung und das mit diesem Verfahren hergestellte Produkt besonders unter Kostengesichts-

punkten wertvoll, wie Fachleute zu schätzen wissen werden.. Offensichtlich tragen sämtliche der vorgenannten Merkmale dazu bei, daß das Verfahren gemäß der vorlie-.genden Erfindung und die dadurch hergestellten Produkte in hohem Maße wirtschaftlich vorteilhaft sind.

Die hier offenbarten Verfahren und dadurch hergestellten Produkte stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist. ·

Leerseite

Claims

320Λ602

VON KREISLER SCHÖNWALD EISHOLD FUES VON KREISLER KELLER SELTING WERNER

Becton, Dickinson and Company, Paramus, New Jersey 07652, U.S.A.

PATENTANWÄLTE

Dr.-Ing. von KreisleH 1973

Dr.-Ing. K. Schönwald, Köln Dr.-Ing. K.W. Eishold, Bad Soden.

Dr. J. F. Fues, Köln

Dipl.-Chem. Alek von Kreisler, Köln Dipl.-Chem. Carola Keller, Köln Dipl.-Ing. G. Selling, Köln Dr. H.-K. Werner, Köln

DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF

D-5000 KÖLN 1

8.Februar 198 2

AvK/CtF

Fatentan Sprüche

Verfahren zur' Herstellung von bei hohen Temperaturen einsetzbaren Druck-Meßumformern umfassend die folgenden •Schritte:

(a) Auswählen eines Membran-Plättchens (12);

(b) Auswählen eines Meß-Plättcheris (10);

(c) Ablagern einer Bor-reichen Schicht (16) auf
einer Oberfläche der Meß-Schicht (10) in einem ersten Ablagerungsschritt;

gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

(d) Ablagern von Siliciumdioxid (18) auf einer
Oberfläche derMembran-Schichrt (12) in ' einem zweiten Ablagerungsschritt;

(e) Orientierung des Membran-Plättchens (12) zu dom Meß-Plättchen (10) in der Weise, daß die Borreiche Schicht (16) der Siliciumdioxid-Schicht (18) benachbart ist;

(f) Einwirkenlassen geeigneter Temperatur- und
Druck-Bedingungen auf die zueinander orientierten Plättchen, um eine lüftung zwischen der

Bor-reichen Schicht (16) und der Siliciumdioxid-Schicht (18) zu bewirken, in einem ersten Einwirkungsschritt;

(g) Einwirkenlassen geeigneter Temperatur-Bedingungen auf die zueinander orientierten Plättchen, um die Bor-reiche Schicht (16) gleichzeitig in das Meß-Plättchen (10) und die Siliciumdioxid-Schicht (18) auf dem Membran-Plättchen (12) hineindiffundieren zu lassen, in· einem zweiten Einwirkungsschritt;

(h) Entfernen eines wesentlichen Teils der Meß-

Schicht (10) von der der Membran-Schicht (12) abgeyandten Oberfläche, um eine Bor-reiche Meßschicht-Folie (10) herzustellen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des' Entfernens mechanisches Läppen und

• anschließendes chemisches Ätzen umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt .des Entfernens mechanisches Läppen der Meß-Folie (10) auf eine Dicke'innerhalb eines Bereichs von etwa 12,7 bis 63,5 um (0,0005 bis 0,0025 inch) umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dur Schritt t\o$ Entfernens vorauysswoiße das Atzen dos Meß-Plattchons (10) auf eine einheitliche Dicke umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einheitliche Dicke innerhalb eines Bereichs von etwa 5 x 10¹⁹ bis 1 χ ΙΟ²⁰ Bor-Al

verb-loibenden Meß-Folie (10) liegt.

etwa 5 χ 10 bis 1 χ 10 Bor-Atomen pro 1 cm³ der

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß <lf?r erste Einwirkung «schritt in einer Presse in der

Weise durchgeführt wird, daß zunächst ein überdruck von etwa 0,14 bar (2 psi) während einer Zeitspanne ausgeübt wird, die ausreicht, um die Temperatur auf eine Haft-Temperatur zu erhöhen, die oberhalb der Schmelztemperatur der Bor-reichen Schicht (16) liegt, und daß danach diese erhöhte' Temperatur 6 h bei einem erhöhten Druck oberhalb des Druckes von 0,14 bar (2 psi) aufrechterhalten wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der· erhöhte Druck etwa'4,14 bar (60 psi) beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Einwirkungsschritt in einem Diffusionsofen bei einer Temperatur und während einer Zeitspanne durchgeführt wird, die ausreichen, um die Bor-reiche Schicht (16) in die Siliciumdioxid-Schicht (18) hinein-

- diffundieren zu lassen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) die Zeit etwa 2 h beträgt und

(b) die Temperatur etwa 1035⁰C beträgt.

10. Verfahren, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bor-reiche Schicht (16) Boroxid ist.

11. Verfahren nach Anspruch 1,' dadurch gekennzeichnet, daß das Meß-Plättchen (10) und das Membran-Plättchen (12) Silicium-Plättchen sind.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem zweiten Ablageruiigsschritt das Membran-Plättchen (12) in (100)-Richtung orientiert wird, auf beiden Seiten poliert wird und auf einer Seite geätzt wirr¹,

wodurch eine Anordnung spannungskonzentrierender Druck-Membranen (14) gebildet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungskonzentrierenden Membranen (14)' ihre linearen Merkmale parallel zueinander und in der /~110_7-Richtung ausgerichtet aufweisen.

14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Meß-Plättchen (10) ein solches vom η-leitenden Typ ist.

15. . Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß

das Meß-Plättchen (10) vor .dem ersten Ablagerüngsschritt (100) orientiert, / 110_7 indiziert und auf einer Seite eben geläppt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die der geläppten Seite gegenüberliegende Seite des Meß-Plättchens (10) poliert wird, um die Bor-reiche Schicht (16) aufzunehmen.

17. Vorfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem zweiten Ablagerungsschritt die. Membran-Schicht (12) an der Seite (41), die die Siliciumdioxid-Ablagerung (18) aufnehmen soll, mit einem Profil (42) versehen wird.

18. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ätz-Scliritt mittels einer mit Alkohol gepufferten Alkali-A'tzlösung bei erhöhter Temperatur durchgeführt wird.

19. Vorfnhron mich Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß iior Itborhnng dos Meß-Pl'Utc-hons (10), dor durch tliojc·-

nigen ' Teile desselben gebildet wird, die über das in dem Profilherstellungsschritt gebildete Profil (42) der Membran-Schicht (12) hinausragen, mechanisch entfernt wird.

20. Verfahren' nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es zusätzlich die folgenden Schritte umfaßt:

(a) Herstellung einer maskierenden Oxid-Schicht
•(24) auf der Meßplättchen--Folie (10) ;

(b) Einätzen eines Deformationsmeß-Brückenmusters
in das' maskierende Oxid (24) und die Meßplättchen-Folie (10); und

. (c) · Bildung von Fenstern zu Kontaktflächen und Leiterflächen auf der Oberfläche der Meßplattchen-Folie (10)..

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) anschließend an den Schritt der Bildung in einem dritten Ablagerungsschritt ein Äluminium-FiIm auf der mit dem Oxid (24) beschichteten Meßschicht-Folie (10) abgelagert wird und

(b) nach dem Schritt der Bildung der Aluminium-Film auf die Meßschicht (10) aufgesintert wird.

22. Anordnung zur Verwendung als Druck-Meßumformer und Halbleiter, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Silicium-Plättchen (12) ^; mit einer ersten Seite (10,22), in die Siliciumdioxid und Boroxid hineindiffundiert sind, enthält, wobei diese erste Seite einen monokristallinen Silicium-Film besitzt, der reich an darin verteiltem Bor ist, und der Plättchen-Film eine gleichmäßige Dicke· mit einer sich über seine ganze Ausdehnung hinwery nrstreckenden Bor-Konzentration innerhalb eine^ Bereichs von etwa 5 χ 10 bis 1 χ 10* Bor-Atoinen pro ] cp'^j (Ur, Films aufweist.

23. Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß in die zweite Seite des Silicium-Plättchens (12) eine Anordnung von spannungskonzentrierenden Druck-Membranen

(14) eingeätzt ist·.

24. Anordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungskonzentrierenden Druck-Membranen (14) ihre linearen Merkmale parallel zueinander und in der / 110 /-Richtung ausgerichtet aufweisen.

25. Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Silicium-Plättchenfilm ein Meßplättche.nfilm ist und (100)-orientiert und ^~110_7-indiziert ist und daß das Silicium-Plättchen (100)-orientiert und /~110_7-indiziert' ist.

26. Anordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß ein Deformationsmeß-Brückenmuster in den Silicium-Meßplättchenfilm eingeätzt ist.

27. Anordnung für einen Hochdruck-Meßumformer, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) sie ein (100)-orientiertes Silicium-Plättchen (12) enthält; :.

(b) eine erste Seite dec Silicium-Plättchens (12) poliert ist und darin eingeritzt eine Anordnung spannungskonzentrierender Druck-Membranen (14) aufweist;

(c)' die spannungskonzentrierenden-Druck-Membranen

(14) j.eweils lineare Merkmale besitzen, die parallel zueinander sind;

(d) diese linearen Merkmale in der / 110 /-Richtung

■limiii ' — —

ausgerichtet sind; . """

(e) auf der zweiten Seite des Silicium-p]ättchens
(12) sich ein Bor-reicher Silicium-Meßplättchenfilm (10,22) befindet;

(f) dieser Silicium-Meßplättchenfilm (10,22) (100)-orientiert und ^~110_7-iridi.ziert ist;

(g) auf diesem Silicium-Meßpiattchonfilm (.1.0,2?.)
auf dessen dem Silicium-Plättchen (12) abgewandter Seite eine maskierende Oxid-Schicht

(24) aufgebracht ist; und
(h) in die maskierende Oxid-Schicht (24) und den

Silicium-Meßplättchenfilm (10,22) ein Deformationsmeß-Brückenmuster eingeätzt ist.

28. . Anordnung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Deformationsmeß-Plättchenfilm eine gleichmäßige Dicke mit einer sich über seine ganze Ausdehnung hinweg erstreckenden Bor-Konzentration innerhalb eines Be-

19 reichs von etwa 5 χ 10 1 cm³ des Films aufweist.

19 20

reichs von etwa 5 χ 10 bis 1 χ 10 Bor-Atomen pro

29. Bauelement zur Verwendung als Halbleiter, dadurch ge~ kennzeichnet, daß es

(a) eine Isolierschicht aus·Siliciumdioxid, die den mechanischen Träger des Bauelements darstellt und einen Gehalt an Boroxid von 15 % oder weniger aufweist, und

(b) eine elektrisch aktive Schicht aus Einkristall-Silicium mit einer gleichmäßigen Dicke von etwa 1 um

enthält, wobei in der elektrisch wirksamen Schicht Feldeffekt-Transistoren oder Pieao-Widerstünde gebiliU-t. werden könnem und die Isolierschicht als Kühl block Tür die elektrisch aktive Schicht wirkt.

Ui. Rmiolomont nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht so ausgebildet wird, daß sie in dor aktiven Schicht eine Gesamt-Spannungr.belastung und örtlich konzentrierte Spannungsbelastungen hervorruft.