DE3723561A1

DE3723561A1 - Druckwandler und verfahren zu seiner fertigung

Info

Publication number: DE3723561A1
Application number: DE19873723561
Authority: DE
Inventors: Koichi Murakami
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1986-07-18
Filing date: 1987-07-16
Publication date: 1988-01-21
Also published as: JPS6325982A; US4838088A; GB2194344B; GB8717059D0; GB2194344A; DE3723561C2; JPH0750789B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Druck wandler zum Bestimmen des Drucks eines Strömungsmittels und Erzeugen eines dem Druck entsprechenden elektrischen Signals, und richtet sich insbesondere auf einen solchen Druckwandler mit einer innerhalb eines Sensorchips ausge bildeten Bezugsdruckkammer.

Fig. 12 zeigt einen bekannten Druckwandler, wie er in der vorläufigen japanischen Patentveröffentlichung 58 63 826 offenbart ist.

Die in Fig. 12 dargestellte Vorrichtung dient der Messung von absoluten Drücken. Ein Drucksensorchip 1 ist mittels einer Kleberschicht 7 auf einem Sockel 4 befestigt, welcher seinerseits mittels einer weiteren Kleberschicht 8 auf einem Hohlschaft 5 befestigt ist. Der Sensorchip 1 ist über Leiterdrähte 2 mit Anschlußstiften 3 verbunden und in einer Unterdruck-Bezugskammer 10 eingeschlossen, welche durch hermetisch abdichtende Befestigung, z.B. durch Schweißen oder Löten, einer Kappe 6 auf dem Hohlschaft 5 und Verschließen eienr Öffnung 12 der Kappe mittels eines Tropfens Lot 9 unter Vakuum gebildet ist. Ein zu messender Druck beaufschlagt die Unterseite des Sensorchips 1 durch eine Bohrung 11 des Hohlschafts 5 und eine Bohrung des Sockels 4 hindurch.

Dieser bekannte Druckwandler ist insofern nachteilig, als die Unterdruck-Bezugskammer 10 in Form eines Gehäuses ausgebildet ist, wobei der Einbau des Sensorchips 1 in das Gehäuse sowie das Abdichten desselben unter Vakuum einen großen Arbeitsaufwand erfordern. Außerdem müssen die Werk stoffe für den Sockel 4 sowie für die Kleberschichten 7 und 8 äußerst sorgfältig gewählt werden, um durch unterschied liche Wärmedehnungskoeffizienten hervorgerufene Spannungen zwischen dem Sensorchip 11 und dem Hohlschaft 5 zu vermeiden.

Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Druckwand lers, welcher mühelos montierbar ist und dadurch eine Verringerung der Fertigungskosten ermöglicht, sowie eines Verfahrens für die Fertigung eines solchen Druckwandlers.

Ein solcher Druckwandler umfaßt gemäß der Erfindung eine Unterlage, eine druckempfindliche Membranschicht, eine zwischen der Unterlage und der Membranschicht angeordnete Membrantragschicht mit einer Öffnung, welche an beiden Seiten durch die Unterlage bzw. durch die Membranschicht verschlossen sind, so daß sie einen als Bezugsdruckkammer dienenden, hermetisch verschlossenen inneren Hohlraum bildet, und eine Einrichtung zum Umwandeln einer Bewegung der Membranschicht in ein elektrisches Signal.

Die Membranschicht umfaßt beispielsweise eine sich über den Hohlraum erstreckende und somit eine Deckwand desselben bildende innere Schicht mit einer Anzahl von zum Hohlraum hin offenen Öffnungen und eine auf der inneren Schicht ausgebildete Deckschicht, welche die Öffnungen verschließt und dadurch den Hohlraum hermetisch abdichtet.

Bei einem Verfahren für die Fertigung eines solchen Druck wandlers ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß in einem ersten Schritt eine Tragschicht auf einer Unterlage gebildet wird, daß in einem zweiten Schritt eine innere Schicht auf der Tragschicht gebildet und durch Ätzen Löcher in der inneren Schicht ausgebildet werden, daß in einem dritten Schritt durch Ätzen durch die Löcher der inneren Schicht hindurch ein Hohlraum in der Tragschicht gebildet wird, und daß in einem vierten Schritt eine Deck schicht auf der inneren Schicht gebildet wird, um den Hohl raum abdichtend zu verschließen. Diese Verfahrensschritte werden in der genannten Reihenfolge vom ersten zum vierten Schritt ausgeführt.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A eine Schnittansicht eines Druckwandlers in einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 1B eine Draufsicht auf den Druckwandler nach Fig. 1A,

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Druckfühlers mit einem in einem Druckfühlergehäuse montierten Druckwandler gemäß der Erfindung,

Fig. 3A bis 3G Schnittansichten zur Darstellung aufeinander folgender Schritte eines Verfahrens für die Fertigung des Druckwandlers in der ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4A bis 4C Schnittansichten zur Darstellung eines im Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform anwend baren Verfahrensschritts zur Bildung einer Deck schicht auf einer gelochten Schicht,

Fig. 5 eine Schnittansicht eines Druckwandlers in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6A eine Schnittansicht eines Druckwandlers in einer dritten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6B eine Draufsicht auf den Druckwandler nach Fig. 6A,

Fig. 7A bis 7G Schnittansichten zur Darstellung der aufein ander folgenden Verfahrensschritte bei der Fertigung des Druckwandlers der dritten Ausführungsform,

Fig. 8A eine Schnittansicht eines Druckwandlers in einer vierten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 8B eine Draufsicht auf den Druckwandler nach Fig. 8A,

Fig. 9A bis 9H Schnittansichten zur Darstellung aufeinander folgender Verfahrensschritte bei der Fertigung des Druckwandlers der vierten Ausführungsform,

Fig. 10 eine Schnittansicht eines Druckwandlers in einer fünften Ausführungsform,

Fig. 11A eine Schnittansicht eines Druckwandlers in einer sechsten Ausführungsform,

Fig. 11B eine Draufsicht auf den Druckwandler nach Fig. 11A und

Fig. 12 eine Schnittansicht eines bekannten Druckfühlers.

Ein in einer ersten Ausführungsform der Erfindung in Fig. 1A und 1B dargestellter Druckwandler hat die Form eines Chips mit einer Siliziumunterlage 21. In einer Ober fläche der Unterlage 21 ist ein hochdotierter Diffusions bereich 22 ausgebildet, welcher als untere Elektrode ver wendet wird. Der Leitfähigkeitstyp des Diffusionsbereichs 22 ist demjenigen der Unterlage 21 entgegengesetzt. In dieser Ausführungsform ist der Diffusionsbereich ein p⁺-leitender Halbleiter, während die Unterlage 21 ein n-leitender Halbleiter ist. Auf der Oberfläche des hoch dotierten Diffusionsbereichs 22 ist eine untere Isolier schicht 23 gebildet.

Zu dem Druckwandler gehören ferner eine auf der unteren Isolierschicht 23 gebildete Membrantragschicht 24, eine auf dieser gebildete obere Isolierschicht 26 und eine auf der oberen Isolierschicht 26 gebildete Deckschicht 28 von einer vorbestimmten Stärke.

In der Tragschicht 24 ist ein Hohlraum 26 ausgebildet, und die obere Isolierschicht 26 ist von zahlreichen kleinen Öffnungen 27 durchsetzt. Der Hohlraum 25 ist vollständig von einer Wandung der Tragschicht 24 umgeben. An der Unterseite ist der Hohlraum 25 durch die untere Isolier schicht 23 und an der Oberseite durch die obere Isolier schicht 26 abgeschlossen. Die kleinen Öffnungen 27 sind in der die Deckwand des Hohlraums 25 bildenden oberen Isolierschicht 26 ausgebildet und, wie in Fig. 1B zu erkennen, in einem regelmäßigen Muster angeordnet.

Die Deckschicht 28 ist in dieser Ausführungsform aus einem leitenden Material und wird als obere Elektrode verwendet. Durch das Aufbringen der Deckschicht 28 auf die von den Öffnungen durchsetzte obere Isolierschicht 26 unter einem bestimmten Bezugsdruck, z.B. einem Vakuum von 10 torr oder darunter, ist der Hohlraum 25 hermetisch abdichtend ver schlossen.

Auf der Deckschicht 28 ist eine schützende Isolierschicht 29 ausgebildet. Die untere Isolierschicht 23 sowie die schützende Isolierschicht 29 weisen jeweils eine Kontakt öffnung auf, durch welche hindurch jeweils ein metallener Leiter 30 mit der oberen bzw. der unteren Elektrode 28 bzw. 22 verbunden ist.

In der ersten Ausführungsform bilden die obere Isolier schicht 26, die Deckschicht 28 und die schützende äußere Isolierschicht 29 zusammen eine druckempfindliche Membrane 31. Eine innere Schicht der Membrane 31 ist allein durch die obere Isolierschicht 26 gebildet. Der Hohlraum 25 hat die Funktion einer (Unterdruck)-Bezugsdruckkammer, und der im Hohlraum 25 herrschende Bezugsdruck beaufschlagt die Unterseite der Membrane 31. Bei Anstieg eines zu messenden Drucks bewegt sich die Memrbane 31 einwärts in Richtung auf die Unterlage 21.

Die Kapazitanz C zwischen zwei parallelen Platten bestimmt sich gewöhnlich aus dem Abstand d zwischen den Platten, der Oberflächengröße A der Platten und einer Dielektrizi tätskonstante e ₀ eines zwischen den Platten vorhandenen Mediums, so daß also

C = e₀A/d (1)

Eine Bewegung der Membrane 31 durch den zu messenden Druck bewirkt eine Änderung des Abstands zwischen der oberen und der unteren Elektrode 28 bzw. 22 und dadurch eine entspre chende Änderung der Kapazitanz zwischen den beiden Elekt troden 28 und 22. Der in Fig. 1A und 1B dargestellte Druck wandler ist somit ohne Zuhilfenahme einer zusätzlichen Bezugs-Unterdruckkammer zur Messung von absoluten Drücken verwendbar.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines Druckfühlers unter Verwen dung des Druckwandlers nach Fig. 1A und 1B.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Druckfühler ist der die Form eines Sensorchips 37 aufweisende Druckwandler nach Fig.1A und 1B in einem Gehäuse angeordnet, welches einen Boden 34 aus Kunststoff und einen von einem Durchlaß durchsetzten Deckel 39 aufweist. Der Sensorchip 37 ist mittels einer Kleberschicht 35 auf dem Boden 34 befestigt und über Leiter drähte 38 mit Anschlüssen 36 verbunden.

Die Befestigung des Sensorchips 37 auf dem Boden 34 braucht nicht hermetisch dicht abzuschließen. Für die Kleber schicht 35 wird vorzugsweise ein nachgiebiger oder flexibler Kleber verwendet, beispielsweise ein Kleber auf der Basis von Silikonharz oder Polytetrafluoräthylen, um durch unter schiedliche Wärmedehnungskoeffizienten des Kunststoff bodens 34 und des Sensorchips 37 hervorgerufenen Spannungen vorzubeugen.

Fig. 3A bis 3G zeigen Schritte eines Verfahrens für die Fertigung des Druckwandlers nach Fig. 1A und 1B.

In einem in Fig. 3A gezeigten ersten Schritt wird in der Oberfläche der Siliziumunterlage 21 der hochdotierte Diffusionsbereich 22 gebildet, worauf dann die untere Isolierschicht 23 durch thermische Oxidation der Silizium oberfläche gebildet wird.

Bei dem in Fig. 3B gezeigten folgenden Schritt wird eine Polysilikonschicht in einer Stärke von einigen Mikrometern auf die Oberfläche der unteren Isolierschicht 23 aufge dampft. Anschließend werden nicht notwendige Teile der Polysilikonschicht durch Ätzen entfernt, so daß allein ein Bereich 32 zurückbleibt. Die verbleibende Polysilikon schicht 24 wird, mit Ausnahme eines mittleren Bereichs 33, durch Ionnenimplantation oder nach einem anderen Verfahren mit Bor dotiert, so daß die Borkonzentration wenigstens 10²² Atome pro cm³ beträgt.

In dem in Fig. 3C gezeigten Schritt wird die aus SiO₂ und/oder Si₃N₄ bestehende obere Isolierschicht 26 durch ther mische Oxidation oder Aufdampfen auf die Polysilikonschicht 24 aufgebracht. Darauf werden dann die kleinen Öffnungen 27 in einem sich über den mittleren Bereich 33 der Polysilikon schicht 24 erstreckenden mittleren Bereich der oberen Isolierschicht 26 ausgebildet. Um einer seitlichen Erwei terung der Öffnungen 27 vorzubeugen, werden sie vorzugs weise in einem trockenen Ätzverfahren hergestellt, z.B. durch reaktive Ionenätzung.

Bei dem in Fig. 3D gezeigten Schritt wird in der Poly silkonschicht 24 der Hohlraum 25 ausgebildet, indem der undotierte mittlere Bereich 33 durch die Öffnungen 27 der oberen Isolierschicht 26 hindurch weggeätzt wird. Durch Verwendung einer stark alkalischen Äthflüssigkeit, z.B. Äthylendiamin oder KOH ist es möglich, allein den nicht mit Bor dotierten mittleren Bereich 33 wegzuätzen, so daß der hoch dotierte Umfangsbereich der Polysilikonschicht 24 zurückbleibt.

In dem in Fig. 3E gezeigten folgenden Schritt wird eine dünne leitende Schicht von einer vorbestimmten Stärke durch Vakuumbedampfung, Kathodenzerstäubung, Plasmabedamp fung od. dergl. in einem Vakuum von 10 torr oder darunter auf die obere Isolierschicht 26 aufgebracht. Aus dieser Schicht wird durch Entfernen von nicht notwendigen Teilen der leitenden Schicht durch Photoätzen die obere Elektrode 28 gebildet. Auf diese Weise wird der Unterdruckraum 25 durch Verschließen der Öffnungen 27 mit der oberen Elektrode 28 abdichtend verschlossen.

Dabei muß verhindert werden, daß das für die obere Elektrode 28 verwendete Material durch die Öffnungen 27 dringt und sich in Form einer Schicht auf der unteren Isolierschicht 23 niederschlägt, da die Dielektrizitätskonstante des auf der unteren Isolierschicht 23 niedergeschlagenen Schicht die Charakteristik des Druckwandlers beeinflussen würde,

so daß jeder Wandler eine andere Charakteristik erhalten könnte. Die Ausbildung einer solchen unerwünschten Schicht läßt sich dadurch vermeiden, daß man die Größe der Öff nungen 27 möglichst verringert und/oder daß man das Material für die obere Elektrode 28 von der Seite her schräg auf bringt, wie in Fig. 4A bis 4C dargestellt.

Bei dem in Fig. 3F gezeigten Schritt wird die äußere Iso lierschicht 29 durch thermische Oxidation oder Aufdampfen auf der oberen Elektrode 28 ausgebildet, worauf in der äußeren Isolierschicht 29 sowie in der unteren Isolier schicht 23 durch Fotoätzung jeweils eine Kontaktöffnung ausgebildet wird.

Bei dem in Fig. 3G dargestellten Schritt werden schließ lich die metallenen Leiter 30 hergestellt, indem man eine Schicht aus Metall, z.B. Aluminium, aufbringt und nicht benötigte Bereiche der Metallschicht durch Fotoätzen ab trägt. Damit ist dann der Druckwandler nach Fig. 1A und 1B fertiggestellt.

Wie durch die vorstehend genannte Gleichung (1) zum Aus druck kommt, ist das Ausgangssignal des so gestalteten Druckwandlers proportional dem Abstand d zwischen der oberen und der unteren Elektrode 28 bzw. 22. Eine Änderung des Abstands d, d.h. eine entsprechende Bewegung der Membrane 31 in Abhängigkeit von Änderungen des ihre Außen seite beaufschlagenden Drucks, ist abhängig von dem Material, den Abmessungen und der Stärke der Membrane 31. In Fig. 1A und 1B ist die Membrane 31 zwar jeweils rechteckig darge stelt, sie kann jedoch auch kreisförmig oder in einer beliebigen anderen Form ausgebildet sein.

Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. Bei dem in Fig. 5 gezeigten Druckwandler handelt es sich ebenfalls um einen kapazitiven Wandler. Der hochdotierte Halbleiterbereich 22 der Ausführungsform nach Fig. 1A ist hier durch eine leitende Schicht 54 ersetzt, welche die untere Elektrode bildet. Die leitende Schicht 54 ist auf der Oberseite einer Isolierschicht 53 gebildet, welche ihrerseits auf der Oberseite der Silizium- Unterlage 21 ausgebildet ist. Es kann jedoch auch eine Unterlage aus einem isolierenden Material verwendet werden, z. B. aus Glas.

Eine dritte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 6A, 6 B und 7 A bis 7G dargestellt. Bei dieser dritten Ausfüh rungsform handelt es sich um einen Piezowiderstands- Druckwandler, in welchem eine Druckänderung in eine Wider standsänderung umgewandelt wird.

Der in Fig. 6A und 6B gezeigte Druckwandler umfaßt eine Siliziumunterlage 40, eine untere Isolierschicht 41, eine Tragschicht 42 mit einem Hohlraum 43, eine von zahlreichen kleinen Öffnungen 45 durchsetzte obere Isolierschicht 44, eine dünne Deckschicht 46 von vorbestimmter Stärke, eine äußere Isolierschicht 47 und ein oder mehrere Piezo widerstandselemente 47. Die untere Isolierschicht 41 ist auf der Oberfläche der Unterlage 40 ausgebildet. Die Trag schicht 42 ist auf der unteren Isolierschicht 41 gebildet. Die von Öffnungen durchsetzte obere Isolierschicht 44 ist auf der Tragschicht 42 gebildet und bildet die obere Wand oder Decke des Hohlraums 43. Die Deckschicht 46 ist in dieser Ausführungsform aus einem isolierenden Material und auf der oberen Isolierschicht 44 ausgebildet. Im Hohlraum 43 herrscht ein vorbestimmter Bezugsdruck, und der Hohlraum ist durch das Aufbringen der Deckschicht 46 auf die von Öffnungen durchsetzte obere Isolierschicht 44 abdichtend verschlossen.

Die Piezo-Widerstandselemente 47 aus Polysilikon sind an vorbestimmten Stellen an der Oberfläche der Deckschicht 46 ausgebildet. Sie sind durch die äußere Isolierschicht 48 abgedeckt und geschützt. Die äußere Isolierschicht 48 ist mit Kontaktöffnungen versehen, durch welche hindurch die Piezo-Widerstandselemente 47 mit metallenen Leitern 49 verbunden sind.

Wie schon bei dem in Fig. 1A und 1B dargestellten Druck wandler dient der Hohlraum 43 auch hier als (Unterdruck)- Bezugsdruckkammer, welche durch eine aus der oberen Isolier schicht 44, der Deckschicht 46 und der äußeren Isolier schicht 48 gebildete Membrane 50 abgeschlossen ist. Bei einem Anstieg des sie beaufschlagenden Drucks bewegt sich die Membrane 50 einwärts zur Unterlage 40 hin. Durch diese Bewegung oder Verformung der Membrane 50 treten in den Piezo-Widerstandselementen 47 Spannungen auf, welche eine Änderung ihres jeweiligen Widerstands bewirken. Dement sprechend läßt sich der Druck über den Widerstand der Piezo- Widerstandselemente 47 messen. Der Druckwandler nach Fig. 6A und 6B ist aufgrund seines Aufbaus für die Messung von absoluten Drücken verwendbar, so daß seine Montage ebenso einfach bewerkstelligbar ist wie in der ersten Ausführungsform.

Fig. 7A bis 7G zeigen die Schritte eines Verfahrens für die Fertigung der dritten Ausführungsform des Druckwandlers. In einem in Fig. 7A gezeigten ersten Schritt wird die untere Isolierschicht 41 durch Passivieren der Oberfläche der Siliziumunterlage 40 gebildet. Das Passivieren geschieht durch thermische Oxidation.

Darauf wird dann die Polysilikonschicht 42 durch Aufdampfen von Polysilikon in einer Schichtstärke von einigen Mikro metern auf die Oberfläche der unteren Isolierschicht 41 gebildet. Dann werden nicht notwendige Bereiche der Poly silikonschicht durch Fotoätzen entfernt, so daß allein ein mit 51 bezeichneter Bereich zurückbleibt. Die Polysilikon schicht 42 wird dann durch Ionnenimplantation oder in einem anderen Verfahren mit Bor dotiert, mit Ausnahme eines mitleren Bereichs 52, welcher später zur Bildung des Hohl raums 43 entfernt wird. Somit wird also allein der Umfangs bereich der Polysilikonschicht 42 hoch mit Bor dotiert, so daß sich eine Borkonzentration von wenigstens etwa 10²⁰ Atomen pro cm³ ergibt.

Der in Fig. 7B gezeigte zweite Schritt besteht darin, daß auf der Oberseite der Polysilikonschicht 42 die obere Isolierschicht 44 aus SiO₂, Si₃N₄ und/oder einem anderen Material durch thermisches Oxidieren, Aufdampfen oder nach einem anderen Verfahren gebildet wird. Anschließend werden in der oberen Isolierschicht 44 durch Ätzen die regelmäßig darin angeordneten Öffnungen 45 ausgebildet. Die Öffnungen 45 liegen in dem den mittleren Bereich 52 der Polysilikonschicht 42 überdeckenden Bereich der oberen Isolierschicht 44. Für die Bildung der Öffnungen 45 eignet sich am besten ein trockenes Verfahren wie z.B. reaktive Ionenätzung.

In dem in Fig. 7C gezeigten Schritt wird der Hohlraum 43 ausgebildet, indem der mittlere Bereich 52 der Polysilikon schicht 42 durch die Öffnungen 45 der oberen Isolierschicht 44 hindurch weggeätzt wird. Bei Verwendung einer stark alkalischen Ätzflüssigkeit, z.B. Äthylendiamin oder KOH, wird der hoch dotierte Umfangsbereich der Polysilikonschicht nicht mit angegriffen und bleibt somit zurück.

In dem in Fig. 7D gezeigten Schritt wird der Hohlraum 43 durch Aufbringen der äußeren isolierenden Deckschicht 46 von vorbestimmter Stärke auf die von den Öffnungen durch setzte obere Isolierschicht 44 abdichtend verschlossen, während der Sensorchip dabei in einer Unterdruckkammer gehalten wird, in welcher ein Vakuum von 10 torr oder darunter herrscht. Dadurch herrscht dann auch in dem ab dichtend verschlossenen Hohlraum 43 ein vorbestimmter Unterdruck als Bezugsdruck. Das Aufbringen der äußeren isolierenden Deckschicht 46 erfolgt durch Aufdampfen im Vakuum, Kathodenzerstäubung oder nach einem anderen Ver fahren, worauf anschließend überflüssige Teile der Schicht durch Fotoätzen entfernt werden.

Beim Aufbringen der äußeren Isolierschicht oder Deckschicht 46 kann sich eine Schicht des für die Deckschicht verwen deten Materials durch die Öffnungen 45 hindurch auf der unteren Isolierschicht 41 niederschlagen. Eine derartige Schicht hat jedoch nur einen geringen Einfluß auf die Charakteristika eines Piezowiderstands-Druckwandlers.

In einem in Fig. 7E dargestellten Schritt werden die Piezo widerstandselemente 47 ausgebildet, indem eine Polysilikon schicht durch Aufdampfen auf die Deckschicht 46 aufgebracht wird und überflüssige Bereiche der Polysilikonschicht dann durch Fotoätzen entfernt werden. Die aus Polysilikon gebildeten Piezowiderstandselemente 47 sind bis zu einem vorbestimmten Grad mit Verunreinigungen dotiert.

In einem in Fig. 7F gezeigten Schritt wird die äußere Isolierschicht 48 auf die Piezowiderstandselemente 47 und die Deckschicht 46 aufgebracht, worauf dann die Kontakt öffnungen durch Fotoätzen in der äußeren Isolierschicht 48 ausgebildet werden. In dem in Fig. 7G gezeigten Schritt werden dann die metallenen Leiter 49 ausgebildet, indem eine Schicht aus einem Metall, z.B. Aluminium, aufgebracht und entsprechend einem vorbestimmten Muster geätzt wird. Damit ist dann der in Fig. 6A und 6B gezeigte Druckwandler fertiggestellt.

In der dritten Ausführungsform kann anstelle der Silizium unterlage auch eine isolierende Unterlage verwendet werden, wobei dann die untere Isolierschicht 41 wegfallen kann.

Eine vierte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 8A, 8 B und 9 A bis 9 H dargestellt. In dieser vierten Ausführungs form hat ein Druckwandler eine erste und eine zweite von Öffnungen durchsetzte Schicht 56 bzw. 60, um das Eindringen von Deckschichtmaterial durch die Öffnungen zu verhindern.

Wie in der Ausführungsform nach Fig. 1A und 1B handelt es sich bei der Ausführungsform nach Fig. 8A und 8B um einen Druckwandler des kapazitiven Typs mit einer n-leitenden Unterlage 21, einem hoch dotierten, n⁺-leitenden Diffu sionsbereich 22, welcher die untere Elektrode bildet, einer unteren Isolierschicht 23, einer Tragschicht 24 mit einem Hohlraum 25, einer die obere Elektrode darstellenden Deck schicht 28, einer äußeren Isolierschicht 29 und metallenen Leitern 30.

Bei dem Druckwandler nach Fig. 8A und 8B sind die inneren Schichten der Membrane 31 anders als in der ersten Ausfüh rungsform, in welcher nur eine einzige von Öffnungen durch setzte obere Isolierschicht 26 vorhanden ist, durch die erste und die zweite jeweils von Öffnungen durchsetzte Isolierschicht 56 bzw. 60 und eine Zwischenschicht 58 gebildet.

Die erste Isolierschicht 56 ist auf der Tragschicht 24 aus gebildet, so daß sie den Hohlraum 25 überdeckt. Sie hat im Bereich des Hohlraums 25 eine Vielzahl von ersten Öffnungen 57. Die Zwischenschicht 58 ist von zahlreichen Durchlässen 59 durchsetzt und auf der ersten Isolierschicht 56 ausge bildet. Die zweite Isolierschicht 60 hat eine Vielzahl von zweiten Öffnungen 61 und ist auf die Zwischenschicht 58 aufgebracht. Die Durchlässe 59 und Öffnungen 61 sind jeweils über dem Hohlraum 25 angeordnet.

Die ersten und zweiten Öffnungen 57 bzw. 61 sind zueinander versetzt ausgebildet, so daß sie einander in der in Fig. 8B gezeigten Draufsicht nicht überlappen. Die Durchlässe 59 der Zwischenschicht 58 verbinden jeweils eine erste Öffnung 57 mit einer zweiten Öffnung 61. Dabei reicht jeweils ein Ende jedes Durchlasses 59 über eine erste Öffnung 57 und das andere Ende desselben über eine zweite Öffnung 61 hin weg. Wie man in Fig. 8B erkennt, sind jeweils die gleichen Anzahlen von ersten Öffnungen 57, Durchlässen 59 und zweiten Öffnungen 61 vorhanden und in einem rechteckigen Muster angeordnet, dessen einzelne Elemente jeweils aus einer ersten Öffnung 57, einem Durchlaß 59 und einer zweiten Öffnung 61 bestehen. Bei jedem dieser Elemente sind die erste Öffnung 57 und die zweite Öffnung 61 senkrecht und parallel zueinander versetzt angeordnet, während sich der Durchlaß 59 von der ersten Öffnung 57 quer zur zweiten Öffnung 61 erstreckt, so daß insgesamt ein gekröpfter Durch laß entsteht.

Der Wandler nach Fig. 8A und 8B hat die gleiche Wirkungs weise wie der in Fig. 1A und 1B gezeigte Wandler.

Fig. 9A bis 9H zeigen aufeinander folgende Schritte eines Verfahrens für die Fertigung des Wandlers nach Fig. 8A und 8B.

In dem in Fig. 9A gezeigten Schritt wird zunächst der hoch dotierte Diffusionsbereich 22 in der Oberfläche der Unter lage 21 ausgebildet, darauf wird durch thermische Oxidation die untere Isolierschicht 23 gebildet und schließlich wird die Polysilikonschicht 24 auf die untere Isolierschicht 23 aufgebracht. Zur Bildung der Polysilikonschicht wird eine Polysilikonschicht mit einer Stärke von mehreren Mikro metern durch Vakuumbedampfung aufgebracht, worauf über flüssige Teile durch Fotoätzen entfernt werden, so daß allein ein Bereich 66 zurückbleibt. Darauf wird dann die Polysilikonschicht 24 mit Ausnahme eines mittleren Bereichs 67 stark mit Bor dotiert. Das Dotieren kann beispielsweise durch Ionenimplantation erfolgen. Die Dotierungskonzentra tion des den abgedeckten mittleren Bereich 67 umgebenden Umfangsbereichs der Schicht 24 beträgt wenigstens etwa 10²⁰ Atome pro cm³.

In einem in Fig. 9B gezeigten nächsten Schritt wird die erste Isolierschicht 56 aus SiO₂ und/oder Si₃N₄ durch Bedampfen im Vakuum auf die Polysilikonschicht 24 aufge bracht und mit den ersten Öffnungen 57 versehen.

In einem in Fig. 9C gezeigten folgenden Schritt wird die Zwischenschicht 58 durch Vakuumbedampfung der ersten Isolier schicht 56 mit einer Polysilikonschicht und Entfernen von überflüssigen Teilen gebildet, so daß nur ein Bereich 68 zurückbleibt. Die Polysilikon-Zwischenschicht 58 wird dann stark mit Bor dotiert, mit Ausnahme derjenigen Bereiche, welche anschließend weggeätzt werden sollen, um die Durch lässe 59 zu bilden. Die Dotierungskonzentration beträgt wiederum wenigstens etwa 10²⁰ Atome pro cm³.

In dem in Fig. 9D gezeigten Schritt wird die zweite Isolierschicht 60 aus SiO₂ und/oder Si₃N₄ durch Vakuumbedam fung oder thermische Oxidation auf der Polysilikon-Zwischen schicht 58 gebildet und anschließend an vorbestimmten Stellen mit den zweiten Öffnungen 61 versehen, so daß diese sich nicht mit den ersten Öffnungen 57 überlappen.

Bei dem in Fig. 9E gezeigten Schritt werden die Durchlässe 59 und der Hohlraum 25 durch Wegätzen der Bereiche 69 der Zwischenschicht 58 und des mittleren Bereichs 67 der Poly silikon-Tragschicht 24 durch die zweiten und ersten Öff nungen 61 bzw. 57 hindurch ausgebildet. Das Ätzen erfolgt mittels einer stark alkalischen Ätzflüssigkeit, durch welche die stark dotierten Bereiche der Schichten 58 und 24 kaum angegriffen werden.

In dem in Fig. 9F gezeigten Schritt wird eine dünne leitende Schicht von vorbestimmter Stärke durch Vakuumbedampfen, Kathodenzerstäubung, Plasmabedampfung oder nach einem sonstigen Verfahren auf die zweite Isolierschicht 60 auf gebracht, während der Chip in einer Unterdruckkammer gehal ten wird, in welcher ein Vakuum von wenigstens etwa 10 torr herrscht. Zur fertigen Ausbildung der Deckschicht 28 werden überflüssige Bereiche der leitenden Schicht durch Fotoätzen entfernt. Die Deckschicht 28 überdeckt die zweiten Öffnungen 61 und dichtet damit den Hohlraum 25 ab.

In diesem Falle kann in dem Hohlraum 25 auf der unteren Isolierschicht 23 keine leitende Schicht entstehen, da die ersten Öffnungen 57 nicht unterhalb der jeweiligen zweiten Öffnungen 61 liegen, sondern diesen gegenüber versetzt angeordnet sind.

In dem in Fig. 9G dargestellten Schritt wird durch ther mische Oxidation oder Vakuumbedampfen die äußere Isolier schicht 29 ausgebildet und mit Kontaktöffnungen versehen. In dem in Fig. 9H gezeigten Schritt werden dann die metallenen Leiter 30 ausgebildet, womit der in Fig. 8A und 8B gezeigte Wandler fertiggestellt ist.

Eine fünfte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 10 dargestellt. Der hier gezeigte Druckwandler hat eine Membrane von der gleichen Art wie der in Fig. 8A, 8 B dar gestellte, während seine untere Elektrode 71 in der gleichen Weise ausgeführt ist wie die untere Elektrode 54 des in Fig. 5 gezeigten Wandlers. Die untere Elektrode ist hier in Form einer dünnen leitenden Schicht auf eine Isolier schicht 70 aufgebracht, welche ihrerseits auf der Silizium unterlage 21 ausgebildet ist. Möglich ist auch die Verwen dung einer isolierenden Unterlage.

Fig. 11A und 11B zeigen eine sechste Ausführungsform der Erfindung. Bei dem hier dargestellten Wandler handelt es sich um einen Piezowiderstands-Druckwandler mit einem oder mehreren Piezowiderstandselementen 47 der in Fig. 6A dar gestellten Art, wobei jedoch die Membrane 50 des in Fig. 11A und 11B gezeigten Wandlers in der gleichen Weise ausgebildet ist wie die Membrane des Wandlers nach Fig. 8A. Wie man in Fig. 11A erkennt, bestehen die inneren Schichten der Membrane 50 aus einer ersten Isolierschicht 74 mit einer Anzahl von ersten Öffnungen 75, einer Zwischenschicht 76 mit einer entsprechenden Anzahl von Durchlässen 77 und einer zweiten Isolierschicht 78 mit einer entsprechenden Anzahl von zweiten Öffnungen 79. In Fig. 11B ist zu erken nen, daß die Öffnungen 75, 79 und Durchlässe 77 in der gleichen Weise angeordnet sind wie bei dem in Fig. 8A und 8B gezeigten Wandler.

Die dünne isolierende Deckschicht 46 ist auf der zweiten Isolierschicht 78 ausgebildet. Die Piezowiderstandselemente 47 aus Polysilikon sind an vorbestimmten Stellen auf der Deckschicht 46 gebildet, durch die äußere Isolierschicht 48 abgedeckt und mit den metallenen Leitern 49 verbunden.

Wie man aus vorstehender Beschreibung erkennt, werden die Bezugsdruckkammer und das druckempfindliche Element des erfindungsgemäßen Druckwandlers gleichzeitig ausgebildet. Dies ermöglicht die Fertigung von großen Anzahlen von Sensorchips mit darin integrierten Unterdruck- bzw. Bezugs druckkammern durch gleichzeitige Bearbeitung einer Charge von Siliziumwafers, wodurch eine entsprechende Verringerung der Stückkosten erzielbar ist.

Das Verfahren für die Fertigung des erfindungsgemäßen Druckwandlers ist mit Verfahren für die Fertigung von integrierten Schaltungen kompatibel. Deshalb können auf ein und demselben Chip elektronische Elemente für die Verarbeitung des Ausgangssignals des Druckwandlers unter gebracht oder ausgebildet werden.

Ferner läßt sich eine vorgegebene Stärke der druckempfind lichen Membrane genau einhalten. Daher ermöglicht die Erfindung eine Verkleinerung der Abmessungen der Membrane und damit des Chips insgesamt, so daß sich eine weitere Verringerung der Fertigungskosten erzielen läßt.

Claims

1. Druckwandler gekennzeichnet durch eine Unterlage (21, 40), durch eine Schichtmembrane (31,50), durch eine zwischen der Unterlage und der Schichtmembrane angeordnete Tragschicht (24, 42) mit einer darin ausgebil deten Öffnung, deren beide Seiten zur Bildung eines als Bezugsdruckkammer dienenden, hermetisch abgedichteten Hohl raums (25, 43) durch die Unterlage bzw. durch die Schicht membrane verschlossen sind, und durch eine Einrichtung (22, 30, 47, 54) zum Umwandeln einer Bewegung der Schicht membrane in ein elektrisches Signal.

2. Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schichtmembrane eine sich zur Bildung einer Innenwandfläche des Hohlraums über die Öff nung des Tragschicht erstreckende, von einer Anzahl von in den Hohlraum mündenden Öffnungen (27, 45, 57, 59, 61) durchsetzte innere Schicht (26, 44, 56, 58, 60, 74, 76, 78) und eine auf der inneren Schicht ausgebildete Deckschicht (28, 46) aufweist, welche die Öffnungen zur Abdichtung des Hohlraums verschließt.

3. Druckwandler nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die innere Schicht eine erste Schicht (26, 44, 56, 74) aus einem Werkstoff aufweist, welcher von einem Werkstoff der Tragschicht verschieden ist.

4. Druckwandler nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß er nach einem einen ersten Schritt zur Bildung der Tragschicht auf der Unterlage, einen zweiten Schritt zur Bildung der inneren Schicht auf der Tragschicht und zur Bildung der Öffnungen in der inneren Schicht durch Ätzen, einen dritten Schritt zur Bildung des Hohlraums in der Tragschicht durch Ätzen durch die Öffnungen der inneren Schicht hindurch und einen vierten Schritt für die Bildung der Deckschicht auf der inneren Schicht und zum Abdichten des Hohlraums umfassenden Verfahren gefertigt ist.

5. Druckwandler nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Tragschicht aus Silizium und die erste Schicht der Schichtmembrane aus einem isolierenden Werkstoff ist.

6. Druckwandler nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Tragschicht aus Polysilikon ist.

7. Druckwandler nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Einrichtung zum Umwandeln einer Bewegung der Membrane in ein elektrisches Signal vom kapazitiven Typ ist, bei welchem durch eine Bewegung der Membrane eine Änderung der Kapazitanz zwischen einer unter dem Hohlraum gebildeten unteren Elektrode und einer durch die Deckschicht der Schichtmembrane gebildeten oberen Elektrode bewirkbar ist.

8. Druckwandler nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Unterlage eine dicke Silizium schicht (21) eines ersten Leitertyps, einen in der dicken Schicht ausgebildeten und die untere Elektrode darstellen den hochdotierten Diffusionsbereich (22) eines dem ersten Leitertyps entgegengesetzten zweiten Leitertyps und eine auf dem Diffusionsbereich ausgebildete untere Isolierschicht (23) aufweist, welche eine untere Innenwandfläche des Hohlraums bildet.

9. Druckwandler nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die untere Elektrode (54, 71) auf der Unterlage ausgebildet ist.

10. Druckwandler nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Einrichtung zum Umwandeln einer Bewegung der Membrane in ein elektrisches Signal in der Schichtmembrane ausgebildete Piezowiderstandskomponenten (47) aufweist wobei die Bewegung der Schichtmembrane in eine Änderung des Widerstands der Piezowiderstandskomponen ten umwandelbar ist.

11. Druckwandler nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die innere Schicht der Schichtmembrane ferner eine auf der ersten Schicht (56, 74) ausgebildete Zwischenschicht (58, 76) und eine auf der Zwischenschicht ausgebildete zweite Schicht (60, 78) aufweist, und daß jede Öffnung der inneren Schicht eine in der ersten Schicht gebildete erste Öffnung (57, 75), eine an einer gegenüber der ersten Öffnung versetzten Stelle in der zweiten Schicht ausgebildete zweite Öffnung (61, 79) und einen in der Zwischenschicht ausgebildeten Durchlaß (59, 77) aufweist, welcher die erste und die zweite Öffnung miteinander ver bindet.

12. Druckwandler nach Anspruch 11, dadurch gekenn zeichnet, daß die Tragschicht und die Zwischenschicht aus Silizium sind und die erste und die zweite Schicht aus einem isolierenden Werkstoff sind.

13. Verfahren für die Fertigung eines Druckwandlers, dadurch gekennzeichnet, daß es einen ersten Schritt für die Bildung einer Tragschicht auf einer Unter lage, einen zweiten Schritt für die Bildung einer inneren Schicht auf der Tragschicht und für die Ausbildung von Öffnungen in der inneren Schicht durch Ätzen, einen dritten Schritt für die Ausbildung eines Hohlraums in der Trag schicht unter der inneren Schicht durch Ätzen durch die Öffnungen der inneren Schicht hindurch und einen vierten Schritt für die Bildung einer Deckschicht zum dichten Ver schließen des Hohlraums auf der inneren Schicht umfaßt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekenn zeichnet, daß die innere Schicht eine erste Schicht aus einem Material aufweist, welches vom Material der Trag schicht verschieden ist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekenn zeichnet, daß die Tragschicht aus Silizium ist und die erste Schicht aus einem isolierenden Material ist.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekenn zeichnet, daß die Tragschicht im ersten Schritt selektiv dotiert wird, so daß sie einen nicht dotierten mittleren Bereich und einen diesen umgebenden hoch dotier ten Umfangsbereich erhält, und daß der dritte Schritt aus geführt wird, indem der mittlere Bereich der Tragschicht weggeätzt wird, während der hoch dotierte Umfangsbereich ungeätzt bleibt.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekenn zeichnet, daß der dritte Schritt ausgeführt wird, indem man ein stark alkalisches Ätzmittel durch die Öff nungen der inneren Schicht hindurch auf den mittleren Bereich der Tragschicht einwirken läßt.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekenn zeichnet, daß der vierte Schritt in einem Vakuum ausgeführt wird, so daß der Hohlraum bis zu einem vorbe stimmten Unterdruck evakuiert wird.

19. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekenn zeichnet, daß im zweiten Schritt die erste Schicht auf der Tragschicht ausgebildet und mit ersten Öffnungen versehen wird, eine Zwischenschicht auf der ersten Schicht ausgebildet wird und eine zweite Schicht auf der Zwischen schicht ausgebildet und mit zweiten Öffnungen versehen wird, welche derart angeordnet sind, daß die ersten und zweiten Öffnungen einander nicht überlappen, und daß der dritte Schritt ausgeführt wird, indem die Zwischenschicht durch die zweiten Öffnungen hindurch selektiv geätzt wird, so daß eine Strömungsverbindung jeder zweiten Öffnung mit einer der ersten Öffnungen entsteht, und die Tragschicht durch die ersten und zweiten Öffnungen hindurch selektiv geätzt wird, um den Hohlraum darin auszubilden.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekenn zeichnet, daß die Tragschicht und die Zwischenschicht aus Silizium sind, daß die Tragschicht im ersten Schritt selektiv dotiert wird, so daß sie einen im dritten Schritt ungeätzt bleibenden hoch dotierten Umfangsbereich und einen von diesem umgebenen, im dritten Schritt wegzuätzenden undotierten mittleren Bereich erhält, und daß im zweiten Schritt die Zwischenschicht selektiv dotiert wird, so daß sie insgesamt hoch dotiert ist und eine Anzahl von un dotierten Bereichen erhält, welche jeweils über einer der ersten Öffnungen liegen und im dritten Schritt weggeätzt werden.