DE3635462C2 - - Google Patents
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0098—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means using semiconductor body comprising at least one PN junction as detecting element
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Herstellung eines Drucksensors zur Messung der Druckdifferenz
zwischen der Meßatmosphäre und einer Hohlkammer
durch differenzdruckabhängige Änderung des Drainstroms
eines in einem Halbleitersubstrat gebildeten
Feldeffekt-Transistors.
Üblicherweise wird die Druckmessung unter Ausnutzung
mechanischer Veränderungen einer Bourdon'schen Röhre,
eines Faltenbalgs, einer Membran oder dergleichen zur
Messung des Druckes in der Atmosphäre oder in einer
Flüssigkeit durchgeführt. Diese Methode findet wegen
ihrer niedrigen Kosten und ihrer Einfachheit allgemein
weit verbreitete Anwendung. Mittels der Entwicklung der
elektronischen Technologie wird die Entwicklung eines
Drucksensors angestrebt, der die Druckänderungen in Form
eines elektrischen Ausgangs-Signals mißt, damit man mit
diesem weiter arbeiten kann. Der Drucksensor, der die
differenzdruckabhängige Änderung eines abgegebenen elektrischen
Signals mißt, eignet sich dazu, in einfacher
Weise mit einem System der Datenverarbeitung verbunden
zu werden, und ermöglicht eine bequeme automatische
Messung und Steuerung. Außerdem vermag die Operation der
Ausgabe der Meßwerte direkt in Form elektrischer Signale
die Drücke mit hoher Genauigkeit zu messen und eine
raschere Antwort-Geschwindigkeit zu bewirken und macht
es einfacher, Meßgeräte mit kleineren Abmessungen und
niedrigerem Gewicht verfügbar zu machen.
Dementsprechend hat man verschiedene Typen von Drucksensoren
untersucht und entwickelt, wie sie im Folgenden
aufgelistet sind:
- (1) Drucksensor mit auf einer Metallmembran befestigtem Metallfolien-Dehnungsmeßgerät;
- (2) Drucksensor mit Silicium-Membran;
- (3) Drucksensor unter Benutzung eines piezoelektrischen Materials wie PVDF oder ZnO;
- (4) Quarz-Drucksensor;
- (5) Drucksensor unter Ausnutzung der Kapazitätsänderung.
Von diesen konventionellen Drucksensoren, wie sie oben
aufgeführt sind, ist der Drucksensor (1) mit einem auf
einer Metallmembran befestigten Metallfolien-Dehnungsmeßgerät
ein Drucksensor, bei dem die Änderungen des
elektrischen Widerstandes der Metallfolie aufgrund ihrer
Spannung/Dehnung gemessen werden, wobei die Metallfolie
aufgrund der Verformung der Membran unter dem Druck gedehnt
wird. Der Vorteil liegt darin, daß hohe Drücke
gemessen werden können, und auch die Temperaturcharakteristik
sowie die Beständigkeit über einen langen Zeitraum
hinweg sind vorzüglich. Der Nachteil ist jedoch
der, daß die Empfindlichkeit solcher Sensoren schwach
ist und daß es schwierig ist, sie in kleinerer und
leichterer Bauweise herzustellen.
Der Drucksensor (2) mit Silicium-Membran beruht auf dem
Piezowiderstands-Effekt, daß der spezifische Widerstand
des Si sich verändert, wenn Druck auf den Si-Kristall einwirkt.
Der Drucksensor, der Si als Material verwendet,
kann in Massenproduktion gefertigt werden und eignet
sich zur Integration mit peripheren Schaltungen durch
den Einsatz der Halbleiter-Technik, während eine Temperatur-
Kompensationsschaltung erforderlich ist, da eine
hohe Temperaturabhängigkeit besteht. Tatsächlich werden
auch Drucksensoren mit einer Temperatur-Kompensationsschaltung,
die integriert mit dem Si-Drucksensor auf dem
gleichen Si-Substrat ausgebildet ist, gefertigt. Der
Drucksensor dieses Typs hat jedoch den Nachteil, daß er
teuer ist und daß das Sensor-Element aufgrund der
schlechten mechanischen Festigkeit der Si-Membran leicht
beschädigt werden kann.
Der Drucksensor (3) unter Benutzung eines piezoelektrischen
Materials wie PVDF oder ZnO ist ein Drucksensor,
der auf dem piezoelektrischen Effekt beruht, daß die
piezoelektrischen Stoffe eine elektromotorische Kraft
erzeugen, wenn sie unter Druck verformt werden. Der
Vorteil besteht darin, daß ein solcher Drucksensor eine
geringe Größe und ein niedriges Gewicht besitzt und daß
seine Abgabeleistung hoch ist. Der Nachteil besteht
darin, daß die Nachweisgenauigkeit schlecht ist und daß
die Gefahr besteht, daß durch Schwingungen verursachtes
Signalrauschen aufgenommen wird.
Der Quarz-Drucksensor (4) macht sich die Eigenschaft von
Quarz zunutze, daß dessen Schwingungsfrequenz sich
linear mit dem Druck ändert. Ihm haftet der Nachteil an,
daß er teuer ist und seine Herstellung in kleinerer und
leichterer Bauweise schwierig ist.
Der Drucksensor (5) nimmt die Bewegung der Membran als
elektrostatische Kapazitätsänderung auf. Kürzlich wurde
ein ultrakleiner Drucksensor auf der Basis einer
elektrostatischen Kapazitätsänderung unter Verwendung
einer Si-Membran entwickelt. Es wird dargelegt, daß ein
ultrakleiner Drucksensor des auf der Basis einer elektrostatischen
Kapazitätsänderung arbeitenden Typs empfindlicher
und stabiler ist als der Si-Drucksensor auf
der Basis des Piezowiderstand-Effekts. Der Nachteil
liegt darin, daß der ultrakleine Drucksensor des auf der
Basis einer elektrostatischen Kapazitätsänderung arbeitenden
Typs einen außerordentlich kleinen Wert der elektrostatischen
Kapazität besitzt, d. h. daß die Impedanz
extrem hoch ist und daß die Wahrscheinlichkeit besteht,
daß sie durch das äußere Rauschen beeinflußt wird.
Wie im Vorstehenden dargelegt wurde, genügen die konventionellen
Drucksensoren nicht den Anforderungen in
bezug auf Leistung oder Preis und haben verschiedene
Probleme, die gelöst werden müssen, bevor sie zum praktischen
Einsatz kommen.
Aus EP-A-01 57 541 ist ein Feldeffekt-Drucksensor auf
einem Halbleitersubstrat bekannt, mit einer durch Einwirkung
einer Druckdifferenz zwischen ihren beiden Seiten
beweglich verformbaren membranartigen Gate-Elektrode.
Die resultierende Kapazitätsänderung äußert sich
durch eine Änderung des Drain-Stroms des Feldeffekttransistors.
Die DE-OS 34 45 775 betrifft einen kapazitiven Halbleiterdruckaufnehmer
mit einem Silicium-Einkristallsubstrat,
auf dem eine p⁺-leitende Schicht ausgebildet
ist, die in einem weggeätzten Bereich des Silicium-Einkristallsubstrates
freiliegt und dort ein druckempfindliches
Membranteil bildet, weiterhin mit einer Silicium-
Epitaxialschicht, die auf der p⁺-leitenden Schicht aufgebracht
ist, mit einer die Silicium-Epitaxialschicht
überdeckenden Isolatorschicht und einem auf dieser aufgebrachten
leitenden Belag und mit einer durch Öffnungen
in dem leitenden Belag und der Isolatorschicht ausgeätzten
Aushöhlung in der Silicium-Epitaxialschicht, so daß
der leitende Belag zusammen mit dem Membranteil einen
druckempfindlichen Meßkondensator bildet.
In der DE-OS 36 08 633 wurde ein Drucksensor vorgeschlagen,
der in ultrakleiner Größe und zu geringen Kosten
mit Hilfe der Halbleitertechnik unter Einsatz eines
Feldeffekt-Transistors gefertigt werden kann.
Bei diesem Feldeffekt-Drucksensor wird eine Hohlkammer
in dem oberen Teil des Gate-Isolierfilms des Feldeffektors
angeordnet; die Gate-Elektrode, die durch den
Druck beweglich verformt werden kann, wird auf dem
Gate-Isolierfilm vermittels der Hohlkammer gebildet. Die
vermittels der Hohlkammer auf dem Gate-Isolierfilm angeordnete
Gate-Elektrode wird unter dem Druck beweglich
verformt, so daß der Abstand zwischen der Gate-Elektrode
und dem Gate-Isolierfilm sich ändert, wodurch eine Änderung
der an dem Kanal anliegenden Elektroden-Feldstärke
verursacht wird. Als Folge davon läßt sich die Druckdifferenz
in Form der Änderung des Drain-Stroms des
Feldeffekt-Transistors nachweisen.
Bei diesem Feldeffekt-Drucksensor wird die vermittels
der Hohlkammer auf dem Gate-Isolierfilm wie oben beschrieben
angeordnete Gate-Elektrode unter dem Druck
beweglich verformt, so daß der Abstand zwischen der
Gate-Elektrode und dem Gate-Ioslierfilm sich ändert,
wodurch eine Änderung der an dem Kanal anliegenden Feldstärke
verursacht wird. Demzufolge läßt sich die Druckdifferenz
in Form der Änderung des Drain-Stroms des
Feldeffekt-Transistors nachweisen. Aufgrund der verschiedenen
Untersuchungen ist die Schwankung der Abgabeleistung
aufgrund der Temperaturschwankung und der alterungsbedingten
Schwankungen vergleichsweise groß.
In Form dieses Feldeffekt-Drucksensors wird nämlich ein
Drucksensor vom Absolut-Druck-Typ konstruiert, der so
ausgelegt ist, daß je nach Bauweise die Hohlkammer unter
einem konstanten Druck oder Vakuum gehalten wird.
Der Feldeffekt-Drucksensor vom Absolut-Druck-Typ hält
die Hohlkammer unter einem konstanten Druck, um die
bewegliche Verformung der Metallfolien-Membran auf dem
oberen Teil des Gate-Isolierfilms des Feldeffekt-
Transistors unter dem Einfluß der Druckschwankung der
äußeren Atmosphäre auszunutzen. In dem Drucksensor vom
Absolut-Druck-Typ ist es erforderlich, dafür zu sorgen,
daß die Hohlkammer vollständig luftdicht ist, damit die
Hohlkammer unabhängig von den alterungsbedingten Schwankungen
auf einem konstanten Druck oder unter einem konstanten
Vakuum gehalten wird. Das Abstandhalter-Material
zur Bildung der Hohlkammer muß streng ausgewählt werden,
und die Haftfähigkeit zwischen dem Abstandhalter und der
Membran aus der metallischen Folie muß genügend
hoch sein.
Weiterhin sind, wenn in der praktischen Fertigung die
geschlossene Hohlkammer unter konstanten Druck gesetzt
wird, die durch die Temperatur der Hohlkammer bewirkten
Druckänderungen groß, und die metallische Membran wird
verschoben, was Schwankungen der Abgabeleistung des
Feldeffekt-Transistors verursacht.
Infolgedessen ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung,
einen neuen Feldeffekt-Drucksensor zur Messung des
Differenzdrucks zwischen der Meßatmosphäre und einer
Hohlkammer verfügbar zu machen, der den vorgeschlagenen
Feldeffekt-Drucksensor dahingehend verbessert, daß die
Schwankungen der Abgabeleistung aufgrund der Temperaturänderung
und der Alterungsschwankungen bis zum äußerst
Möglichen gesteuert werden können.
Die Lösung des oben genannten Problems besteht in der
Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines
Feldeffekt-Drucksensors zur Messung der Druckdifferenz
zwischen der Meßatmosphäre und einer Hohlkammer mit den
Merkmalen des Anspruchs 1.
Weitere Ausgestaltungen sind den Ansprüchen 2 bis 6 zu
entnehmen.
In solchen Anordnungen wie der oben beschriebenen wird
die über der Hohlkammer auf dem Gate-Isolierfilm angeordnete
Gate-Elektrode durch die Druck-Differenz zwischen
der Meßatmosphäre und der mit der Außenluft als
Bezugsatmosphäre in Verbindung stehenden Hohlkammer beweglich
deformiert, wodurch die an dem Kanal anzulegende
Feldstärke verändert wird. Als Folge davon wird die
Druckdifferenz in Form der Änderung des Drain-Stroms des
Feldeffekt-Transistors nachgewiesen.
Die Öffnung in dem Halbleiter-Substrat ist vorgesehen,
damit der Drucksensor als Drucksensor vom Differenzdruck-
Typ verfügbar gemacht wird, dessen Hohlkammer mit
dem äußeren Teil in Verbindung steht. Die Membran erleidet
nur dann eine Verschiebung, wenn die Druckdifferenz
ohne Einwirkung des Drucks auf die Gate-Elektrode, die
wie in dem Drucksensor vom Absolut-Druck-Typ aus der Membran
besteht, verursacht wird. Somit werden normalerweise
in der Membran oder in dem Abstandhalter, die die
Hohlkammer bilden, keine Verzerrungen verursacht. Als
Folge davon läßt sich ein Sensor mit längerer Nutzungsdauer
erhalten, der keine durch Temperaturschwankungen
und Alterungsschwankungen bedingte Änderungen der
Festigkeit erleidet.
Fig. 1 zeigt eine Querschnitts-Ansicht des Aufbaus eines
Feldeffekt-Drucksensors vom Differenzdruck-Typ gemäß
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung der Kennlinie
der Druckabhängigkeit der elektrostatischen Kapazität
eines Kondensators, der den Druck aufnimmt, errichtet
auf dem oberen Teil des Gate-Bereichs des Feldeffekt-
Transistors.
Fig. 3 und Fig. 4 zeigen jeweils Querschnitt-Ansichten
zur Veranschaulichung von Verfahren, bei denen die Hohlkammer
unter Verwendung des gemäß der vorliegenden Erfindung
einzusetzenden Poly-α-methylstyrols hergestellt
wird.
In der Beschreibung und in den Zeichnungen sind gleiche
Teile durch gleiche Bezugszahlen bezeichnet.
In den Zeichnungen ist ein Feldeffekt-Drucksensor gemäß
der vorliegenden Erfindung dargestellt, der die Charakteristik
aufweist, daß der Drain-Strom des Feldeffekt-
Transistors sich unter dem Einfluß des an den Kanal
anzulegenden Feldes ändert und die Gate-Elektrode des
oberen Teils des Kanals als Hilfs-Gate-Elektrode direkt
auf dem Gate-Isolierfilm angeordnet ist, wie die Haupt-Gate-
Elektrode über die Hohlkammer und die Löcher in dem
Gate-Isolierfilm mit dem äußeren Teil in Verbindung
steht, so daß die Haupt-Gate-Elektrode durch die Druckdifferenz
zwischen der Meßatmosphäre und der mit der
Außenluft als Bezugsatmosphäre in Verbindung stehenden
Hohlkammer beweglich verändert wird, wodurch die elektrostatische
Kapazität des aus der Haupt-Gate-Elektrode
und der Hilfs-Gate-Elektrode bestehenden Kondensators
verändert wird, so daß auch die an dem Kanal anliegende
Feldstärke sich ändert.
Der Feldeffekt-Drucksensor der vorliegenden Erfindung
wird hinsichtlich weiterer Einzelheiten unter Bezugnahme
auf eine erste Ausführungsform der Fig. 1 beschrieben.
Bezeichnet werden in Fig. 1 durch die Bezugszahlen
- 1 ein Silicium-Substrat,
- 2 eine Source-Elektrode,
- 3 eine Drain-Elektrode,
- 4 ein Kanal,
- 5 einen Gate-Isolierfilm oder eine Gate-Isoliermembran,
- 6 eine Haupt-Gate-Elektrode (Membran),
- 7 eine Hilfs-Gate-Elektrode und
- 8 eine Hohlkammer oder einen Hohlraum. Die Bezugszahl
- 9 bezeichnet eine Öffnung, die den auf dem Silicium- Substrat 1 gebildeten äußeren Teil mit der Hohlkammer 8 verbindet. Die Bezugszahl
- 10 bezeichnet den Differenzdruck zwischen dem Meßraum und der Hohlkammer 8.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, besteht der Aufbau des
Feldeffekt-Drucksensors gemäß der vorliegenden Erfindung
darin, daß eine Hilfs-Elektrode, d. h. eine Hilfs-
Gate-Elektrode 7 auf dem Gate-Isolierfilm 5 des Feldeffekt-
Transistors gebildet wird. Weiterhin wird ein
Abstandhalter 11 darüber aufgetragen. Nach dem Entfernen
des Abstandhalters 11 auf der Gate-Region mittels eines
Arbeitsganges des Ätzens wird die aus einer Metallfolie
bestehende Haupt-Elektrode 6 auf dem verbliebenen Abstandhalter
11 gebildet. Außerdem wird vorher in dem
Silicium-Substrat 1 eine Öffnung 9 freigehalten, so daß
die Hohlkammer 8 so eingerichtet wird, daß sie mit der
Bezugsatmosphäre, d. h. dem äußeren Teil des Silicium-
Substrats, in Verbindung steht.
Bei dem wie oben beschrieben aufgebauten Drucksensor
wird der obere Teile des Gate-Isolierfilms 5 des Feldeffekt-
Transistors mit der Hohlkammer 8 versehen, und
ein Kondensator wird durch die Haupt-Gate-Elektrode 6
und die Hilfs-Gate-Elektrode 7 gebildet, die aus Metallfolie
bestehen. Die Hohlkammer 8 steht mit der Bezugsatmosphäre
über die Öffnung 9 in Verbindung, die in dem
Silicium-Substrat eröffnet ist. Die Membran aus der
Metallfolie, die die Haupt-Gate-Elektrode 6 ist, die aus
der Metallfolie des Oberteils des Hohlraums 8 besteht,
wird durch die Druck-Differenz zwischen der Meßatmosphäre
und der Bezugsatmosphäre beweglich variiert. Wenn
die Membran durch die Druck-Differenz verschoben wird,
ändert sich die elektrostatische Kapazität des Kondensators,
der durch die Haupt-Gate-Elektrode 6 und die
Hilfs-Gate-Elektrode 7, die aus der Metallfolie bestehen,
gebildet wird, mit der Druckdifferenz, wodurch der
Drain-Strom I D sich entsprechend der nachstehenden Gleichung
ändert:
Hierin bedeuten
µ die Träger-Mobilität,
W, L und V TH jeweils die Kanalbreite, die Kanallänge und die Schwellenspannung des Feldeffekt-Transistors,
V G die Gate-Spannung und
C mix eine gemischte elektrostatische Kapazität aus der elektrostatischen Kapazität C i des Gate-Isolierfilms 5 und der elektrostatischen Kapazität C cav der Hohlkammer 8, die sich durch Verbindung in Reihe ergibt aus der elektrostatischen Kapazität, die sich an dem Hohlraum zwischen der Hilfs-Gate- Elektrode 7 und der Haupt-Gate-Elektrode 6 ausbildet.
µ die Träger-Mobilität,
W, L und V TH jeweils die Kanalbreite, die Kanallänge und die Schwellenspannung des Feldeffekt-Transistors,
V G die Gate-Spannung und
C mix eine gemischte elektrostatische Kapazität aus der elektrostatischen Kapazität C i des Gate-Isolierfilms 5 und der elektrostatischen Kapazität C cav der Hohlkammer 8, die sich durch Verbindung in Reihe ergibt aus der elektrostatischen Kapazität, die sich an dem Hohlraum zwischen der Hilfs-Gate- Elektrode 7 und der Haupt-Gate-Elektrode 6 ausbildet.
Die Mischkapazität C mix läßt sich errechnen nach der
Formel
Die Kapazität C cav der Hohlkammer 8 ändert sich, wie
oben angegeben ist, mit dem Abstand zwischen der Hilfs-
Gate-Elektrode 7 und der Haupt-Gate-Elektrode 6. Die
Abstandsänderung hängt von der Druckdifferenz zwischen
der Meßatmosphäre und der Bezugsatmosphäre ab.
Der Feldeffekt-Drucksensor ermittelt den Druck in Abhängigkeit
von dem Zustand als Variation der Abgabeleistung
(d. h. als Veränderung des Drain-Stromes) des Feldeffekt-
Transistors, wobei der Zustand anzeigt, wie die elektrostatische
Kapazität des aus der Hilfs-Gate-Elektrode 7
und der Haupt-Gate-Elektrode 6 (Metallfolien-Membran)
über die Hohlkammer 8 der Gate-Region des Oberteils des
Feldeffekt-Transistors bestehenden Kondensators sich
aufgrund der Druckdifferenz ändert. Es ist schwierig,
die Druckdifferenz mittels direkter Messung der elektrostatischen
Kapazität des durch die Druckdifferenz zu
verändernden Kondensators zu messen, weil die elektrostatische
Kapazität so klein ist, daß sie nur mehrere
Picofarad (pF) beträgt. Jedoch sind der Feldeffekt-Transistor
und der Kondensator integriert, und die Veränderung
des Druckes wird nachgewiesen als Veränderung des
Drain-Stromes des Feldeffekt-Transistors, so daß die
Ausgangs-Impedanz des Elements gesenkt werden kann, die
Einflüsse durch Rauschen oder dergleichen vermindert werden
und die Druckmessung erleichtert wird.
Weiterhin verstärkt der Feldeffekt-Drucksensor die Änderung
der elektrostatischen Kapazität durch die Druckdifferenz
des Kondensators, um sie als Veränderung des
Drain-Stromes des Feldeffekt-Transistors nachzuweisen,
so daß der Druck mit hoher Empfindlichkeit gemessen
werden kann. Da außerdem der Druck-Meßbereich und die
Empfindlichkeit hauptsächlich durch die Material-Qualität
und die Dicke der metallischen Membran sowie die
Abmessungen der Hohlkammer bestimmt werden, kann der
Druck-Meßbereich von sehr kleinen bis zu großen Werten
des Drucks durch die geeignete Wahl der Element-Struktur
des metallischen Folien-Materials frei festgelegt werden.
Der Feldeffekt-Drucksensor in der Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung weist den Druck nach mittels der
Änderung des Drain-Stromes des Feldeffekt-Transistors als durch
den Druck bewirkte Änderung der elektrostatischen Kapazität
des aus der Hilfs-Gate-Elektrode 7 und der Haupt-
Gate-Elektrode 6 (Metallfolien-Membran) über die Hohlkammer
8 der Gate-Region des Oberteils des Feldeffekt-
Transistors bestehenden Kondensators, wie in Fig. 1
dargestellt ist. In dem Feldeffekt-Drucksensor, der
eine Hilfs-Gate-Elektrode wie diese aufweist, wird die
Hilfs-Gate-Elektrode 7 unmittelbar auf dem Gate-Isolierfilm
5 gebildet, so daß die Gleichspannung zum Betrieb
des Transistors vermittels der Hilfs-Gate-Elektrode 7
ohne Veränderungen der Transistor-Charakteristik und
Driften des Drain-Stromes angelegt werden kann.
In dem Feldeffekt-Drucksensor der vorliegenden Erfindung
steht außerdem die Hohlkammer 8 mit der Bezugsatmosphäre
über die in dem Silicium-Substrat 1 geschaffene Öffnung
9 wie oben beschrieben in Verbindung, so daß es nicht
erforderlich ist, daß in der Hohlkammer 8 der Druck oder
das Vakuum konstant gehalten werden müssen, und ein
hoher Grad der Luftdichtheit der Hohlkammer wie im
Fall des Drucksensors vom Absolut-Druck-Typ wird nicht
verlangt. Außerdem wird der Druck im Inneren der Hohlkammer
8 nicht stark von Temperaturänderungen beeinflußt.
Die Metallfolie, die die Haupt-Gate-Elektrode
6 bildet, arbeitet als Membran, die sich aufgrund der
Druckdifferenz zwischen der mit der Hohlkammer 8 in
Verbindung stehenden Bezugsatmosphäre und der auf die
Haupt-Gate-Elektrode 6 einwirkende Meßatmosphäre beweglich
verändert. Wenn die Membran infolge der Druckdifferenz
verformt wird, ändert sich die elektrostatische
Kapazität des aus der Metallfolien-Membran und der
Hilfs-Gate-Elektrode 7 gebildeten Kondensators entsprechend
mit der Druckdifferenz. Die Änderung der elektrostatischen
Kapazität mit der Druckdifferenz wird als
Druck nachgewiesen in Form der Änderung der abgegebenen
Leistung des Feldeffekt-Transistors. Da die Membran nur
dann verschoben wird, wenn eine Druckdifferenz auftritt,
entsprechend der Differenzdruck-Gleichung ohne daß ein
konstanter Druck, wie bei dem Drucksensor des Absolut-Druck-Typs,
einwirkt, wird normalerweise keine Verzerrung
der Membran oder des Abstandhalters verursacht. Wie
im Vorstehenden beschrieben wurde, weist der Feldeffekt-
Drucksensor vom Differenz-Druck-Typ der vorliegenden
Erfindung im Vergleich zu dem Feldeffekt-Drucksensor vom
Absolut-Druck-Typ die folgenden Vorteile auf:
- 1) Da bei dem Drucksensor vom Differenz-Druck-Typ die Hohlkammer über die Öffnung mit der Bezugsatmosphäre in Verbindung steht, ist es unnötig, in der Hohlkammer den Druck oder das Vakuum konstant zu halten. Die vollständige Luftdichtigkeit der Hohlkammer oder die vollständige Verklebung von Abstandhalter und Metallfolie-Membran werden nicht verlangt.
- 2) Da die Hohlkammer mit der Bezugsatmosphäre in Verbindung steht, sind die Einflüsse von Temperaturschwankungen im Inneren der Hohlkammer auf die Druckänderungen klein, was eine nur geringfügige bewegliche Änderung der Metallfolien-Membran aufgrund der Temperaturschwankungen zur Folge hat.
- 3) Absoluter Druck wirkt, anders als bei dem Feldeffekt-Drucksensor vom Absolut-Druck-Typ, nicht auf die Metallfolien- Membran ein; die bewegliche Veränderung der Membran tritt nur dann ein, wenn zwischen der Hohlkammer und der Meßatmosphäre eine Druckdifferenz verursacht wurde, so daß normalerweise keine Verzerrung der Membran oder des Abstandhalters stattfindet, was eine Fertigung von Sensoren ermöglicht, die eine längere Nutzungsdauer haben.
In den oben beschriebenen Anordnungen wird die mittels
der Hohlkammer oder dem Isolierfilm, der expandiert oder
kontrahiert werden kann, auf dem Gate-Isolierfilm angeordnete
Haupt-Gate-Elektrode durch die Kraft beweglich
deformiert, so daß sich der Abstand zwischen der
Haupt-Gate-Elektrode und der Hilfs-Gate-Elektrode ändert,
wodurch eine Änderung der am Kanal anliegenden
Feldstärke verursacht wird. Als Folge davon wird der
Druck in Form der Änderung des Drain-Stroms des Feldeffekt-
Transistors nachgewiesen. Außerdem wird die
Gleichspannung zum Betrieb des Transistors vermittels
der Hilfs-Gate-Elektrode angelegt, um Veränderungen
der Transistor-Charakteristik und Driften des Drain-
Stromes zu verhüten.
Bei dem Feldeffekt-Drucksensor der vorliegenden Erfindung
wird eine Hohlkammer auf der Grundplatte angeordnet,
eine Elektrode wird im unteren Teil des hohlen
Teils gebildet, und eine bewegliche Elektrode wird im
oberen Teil der Hohlkammer gebildet. Zur Herstellung
einer derartigen Hohlkammer wird aus einem sublimierenden
oder in der Wärme zersetzlichen Material ein in
einem bestimmten Muster gestalteter Film auf dem Substrat
gebildet, und der gemusterte Film wird mit einem
organischen und/oder anorganischen Material bedeckt, das
wärmebeständig ist. Danach wird das sublimierende oder
in der Wärme zersetzliche Material erhitzt und durch die
Öffnung entfernt, wodurch eine winzige Hohlkammer
gebildet wird.
In der vorliegenden Erfindung wird ein Material eingesetzt,
das bei Erhitzen sublimiert oder sich zersetzt.
Diese Materialien werden während des Arbeitsganges des
Erhitzens verdampft und durch die Öffnung entfernt,
wodurch die Höhlung hergestellt wird. Naphthalin,
Campher, Ammoniumformiat, Iod, Poly-α-methylstyrol oder
dergleichen kommen als sublimierendes oder zersetzliches
Material in Betracht. Ein Fall, in dem Poly-α-methylstyrol
verwendet wird, wird im Folgenden als Beispiel
beschrieben.
Fig. 3 zeigt Darstellungen des Verfahrens zur Bildung
des winzigen Hohlraums auf dem Feldeffekt-Transistor
(FET) mit Hilfe von Poly-α-methylstyrol. Der Isolierfilm
11 aus SiO₂, Si₃N₄ oder dergleichen, der ein Abstandhalter
wird, wird auf dem Siliciumsubstrat 1 gebildet,
um den Isolierfilm im Gate-Bereich des FET zu ätzen
{Fig. 3(a)}. Eine Lösung von Poly-α-methylstyrol in
Methylcellosolveacetat wird zur Bildung des Films durch
Spinnbeschichten auf das Silicium-Plättchen aufgebracht.
Das Poly-α-methylstyrol wird nivelliert und geätzt, so
daß der Isolierfilm aus dem Abstandhalter den Umfang des
Poly-α-methylstyrols 12 umgibt, wie in Fig. 3(b) dargestellt,
so daß das Poly-α-methylstyrol und der Isolierfilm
in ihrer Dicke gleich werden. Weiterhin wird eine
Schicht aus Aluminium, Nickel oder SiO₂ 6 auf diesen
Filmen gebildet, und anschließend wird die Öffnung 9 am
Endstück des gemusterten Poly-α-methylstyrols mittels
Ätzens des Siliciums von der Rückseite des Silicium-
Plättchens hergestellt {Fig. 3(c)}. Schließlich wird das
Poly-a-methylstyrol 12 zersetzt und aus der Phase der
Fig. 3(c) durch einen Arbeitsgang des Erhitzens auf
150°C oder mehr im Vakuum durch die Öffnung entfernt,
wodurch der winzige Hohlraum 8 in dem FET gebildet wird
{Fig. 3(d)}. Wenn der Hohlraum unter Einsatz von Poly-
α-methylstyrol hergestellt wird, wie in Fig. 3(d) gezeigt
ist, kann die Öffnung in dem hohlen Endteil angebracht
sein. Weiterhin läßt sich der Hohlraum selbst
dann einfach herstellen, wenn die Form des Hohlraums
kompliziert ist. Dies wird in Fig. 4 für eine andere
Ausführungsform beschrieben. Fig. 4(a) zeigt, daß das
Poly-α-methylstyrol so gemustert ist, daß auf dem Substrat
zwei Hohlräume verbunden werden können. Der Film
aus Al oder aus Ni 16 wird auf das Muster 14,
15 aus Poly-a-methylstyrol laminiert. Danach wird nur
die Rückseite eines Hohlraum-Teils der beiden Hohlraum-
Teile geätzt, wodurch die Öffnung 9 in dem Substrat
gebildet wird {Fig. 4(b)}. Anschließend erfolgt das
Erhitzen auf die Temperatur von 150°C im Vakuum, so daß
das Poly-α-methylstyrol des Hohlraums 18 zersetzt wird,
wodurch der Hohlraum 18 gebildet wird {Fig. 4(c)}. Durch
Weiterführen des Vakuumerhitzens wird das Poly-α-methylstyrol
des anschließenden Hohlraums 19 ebenfalls zersetzt,
wodurch die zwei miteinander verbundenen Hohlräume
18, 19 gebildet werden {Fig. 4(d)}. Wenn sich die
mit dem äußeren Teil in Verbindung stehende Öffnung zu
einem Hohlraum hin erstreckt, kann der Hohlraum selbst
dann durch den Arbeitsgang des Erhitzens gebildet
werden, wenn die Gestalt des Hohlraums wie in diesem
Fall kompliziert ist. Das in der vorliegenden Erfindung
eingesetzte Poly-α-methylstyrol hat in den angegebenen
Ausführungsformen einen Polymerisationsgrad von etwa
360, jedoch liegt der Polymerisationsgrad des Poly-α-
methylstyrols zweckmäßigerweise im Bereich von etwa 50
bis etwa 5000. Wenn der Polymerisationsgrad zu niedrig
ist, wird der Erweichungspunkt des Poly-α-methylstyrols
niedriger, und bei der Musterbildung wird die Präzision
schlechter. Wenn demgegenüber der Polymerisationsgrad
hoch ist, wird die Viskosität der Lösung so groß, daß
das Auftragen schwierig wird. Bei dem Verfahren des
Herstellens des winzigen Hohlraums mit Hilfe eines
Stoffes, der durch Sublimation oder Zersetzung entfernt
wird, wie im Vorstehenden beschrieben wurden, läßt sich
der Hohlraum in einfacher Weise auch ohne die Anwendung
des Naßätzens bilden, und weiterhin können Hohlräume mit
einfacher oder komplizierter Form gebildet werden. Dies
ist in hohem Grade wirksam, wenn die die Hohlräume
nutzende Vorrichtung, insbesondere der Drucksensor oder
dergleichen, hergestellt wird.
Claims (6)
1. Verfahren zur Herstellung eines Feldeffekt-Drucksensors
zur Messung der Druckdifferenz zwischen der Meßatmosphäre
und einer Hohlkammer durch differenzdruckabhängige Änderung des
Drain-Stroms eines
in einem Halbleiter-Substrat gebildeten
Feldeffekt-Transistors mit einer Hohlkammer
in dem oberen Teil des Gate-Isolierfilms
einer durch Druck beweglich verformbaren Gate-Elektrode auf der Hohlkammer,
einer Öffnung im Halbleiter-Substrat, die die Hohlkammer mit dem Außenraum verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß man
einer durch Druck beweglich verformbaren Gate-Elektrode auf der Hohlkammer,
einer Öffnung im Halbleiter-Substrat, die die Hohlkammer mit dem Außenraum verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß man
- (a) im oberen Teil eines Siliciumsubstrates eine Source- Elektrode und eine Drain-Elektrode bildet,
- (b) auf das Siliciumsubstrat um den Gate-Bereich eine Isolierschicht aufbringt,
- (c) die Hohlkammer durch einen aus einem sublimierbaren oder in der Wärme zersetzlichen Material gestalteten Film in einem bestimmten Muster auf das Substrat aufbringt,
- (d) den Film nivelliert und derart ätzt, daß die Schichtdicke des Films der der Isolierschicht entspricht,
- (e) eine Gate-Elektrode auf der im Schritt (d) gebildeten Fläche bildet,
- (f) anschließend von der Rückseite des Substrates eine Öffnung zur Hohlkammer anbringt und
- (g) den die Hohlkammer ausfüllenden Film durch diese Öffnung im Substrat entfernt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
man eine Isolierschicht, bestehend aus SiO₂ oder Si₃N₄
aufbringt.
3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß man als sublimierbares oder in der Wärme zersetzliches
Material eine Lösung von Poly-α-methylstyrol
in Methylcellosolveacetat durch Spinnbeschichten aufbringt.
4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß man als Gate-Elektrode eine Schicht aus Aluminium,
Nickel oder Siliciumdioxid aufbringt.
5. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß man das sublimierbare oder in der Wärme zersetzliche
Material durch einen Arbeitsgang des Erhitzens
auf wenigstens 150°C im Vakuum durch die Öffnung entfernt.
6. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß man zusätzlich eine Hilfselektrode auf der
Feldfläche des Gate-Isolierfilms und der Hohlkammer
aufbringt.
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