DE4130044A1

DE4130044A1 - Halbleiter-drucksensor

Info

Publication number: DE4130044A1
Application number: DE4130044A
Authority: DE
Inventors: Yukihiko Tanizawa; Hiroshi Okada; Kazuhisa Ikeda; Tsuyoshi Fukada
Original assignee: NipponDenso Co Ltd
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1990-09-10
Filing date: 1991-09-10
Publication date: 1992-03-12
Anticipated expiration: 2011-09-11
Also published as: DE4130044C2; US5877039A; US5289721A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiter-Drucksensor mit einer Membran, die durch anisotropes Ätzen eines monokristallinen Siliziumsubstrats gebildet wird, das eine Oberflächenorientierung von im wesentlichen (110) oder (100) aufweist.

Fig. 21 zeigt einen herkömmlichen Halbleiter-Drucksensor. Dieser herkömmliche Halbleiter-Drucksensor weist eine zurückspringende bzw. eine Vertiefung bildende Membran 4a auf, die im wesentlichen eine quadratische Form besitzt und durch anisotropes Ätzen eines monokristallinen Siliziumsubstrats 1a gebildet wird, welches eine Oberflächenorientierung von im wesentlichen (110) aufweist. Mit dieser Oberflächenorientierung sind Dehnungsmeßstreifen zur Bildung einer Brückenschaltung in der Peripherie bzw. dem Randbereich und im Zentrum der Membran 4a angeordnet.

Wie aus Fig. 22 zu erkennen ist, ist ein membranfreier Bereich 5 des Substrats 1a mit einer Basis 3 zusammengefügt, die beispielsweise auf Pyrex-Glas besteht (Warenzeichen). Die Basis 3 weist ein Druckaufbringungsloch 31 auf, über das Druck von der Außenseite her auf eine zurückspringende bzw. vertiefte Fläche der Membran 4 aufgebracht wird.

In der japanischen Patentschrift 60-13 314 ist ein weiteres Beispiel eines derartigen Halbleiter-Drucksensors beschrieben. Dieser bekannte Sensor weist eine achteckige Membran auf, deren Seiten sich parallel zu zwei verschiedenen Kristallachsen auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrats erstrecken, das eine Oberflächenorientierung von (110) besitzt. Bei dem diese Oberflächenorientierung aufweisenden Sensor sind alle Dehnungsmeßstreifen im wesentlichen im Randbereich der Membran angeordnet. Diese Anordnung verhindert eine lokale Konzentration von Spannungen und erhöht die maximal zulässige Größe des aufgebrachten Drucks.

Bei einem herkömmlichen Halbleiter-Drucksensor, der ein mit der Basis verbundenes Substrat aus monokristallinem Silizium aufweist, ist die Membran einer Wärmespannung ausgesetzt, die auf einen Unterschied in dem Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Substrat und der Basis zurückzuführen ist. Diese Wärmespannung in der Membran ist Schwankungen unterworfen und führt dazu, daß die aus den Dehnungsmeßstreifen bestehende Brückenschaltung ein der jeweiligen Wärmespannung entsprechendes Ausgangssignal liefert. Dieses Ausgangssignal ist eine unerwünschte Signalkomponente (in Form einer Offset-Spannung), die mit einem Drucksignal vermischt bzw. diesem überlagert ist. Diese Offset-Spannung ist gewöhnlich nichtlinear in bezug auf eine Temperaturänderung und kann daher mit einer einfachen elektronischen Schaltung kaum kompensiert werden, wodurch die Meßgenauigkeit des Drucksensor verschlechtert wird. Bislang wurden keine wirksamen Maßnahmen vorgeschlagen, mit denen dieses Problem gelöst werden könnte.

Es ist weiterhin bekannt, bei der Herstellung von Halbleiter-Drucksensoren ein Halbleitersubstrat unter Berücksichtigung jeder der beiden Hauptebenen (110) und (100) dazu verwenden und dieses Substrat (vorzugsweise anisotrop) zu ätzen, um eine Membran zu bilden. Dies wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 23 und 24 näher erläutert.

Ein in diesen Figuren gezeigtes Halbleitersubstrat 1a weist eine Oberlfächenorientierung (110) auf. Dehnungsmeßstreifen 2a sind symmetrisch angeordnet, um auf einer vorderen Hauptebene des Siliziumsubstrats 1a eine Brückenschaltung zu bilden. In dem das Symmetriezentrum der Dehnungsmeßstreifen als Ätz-Zentrum verwendet wird, wird eine hintere Hauptebene des Siliziumsubstrats 1a durch anisotropes Ätzen in eine abgeschnittene bzw. stumpfe Pyramide geformt, um eine dünne Membran 4a zu bilden.

In einer Richtung, die senkrecht zur Hauptebene verläuft, fällt das Zentrum "s" einer Ätz-Startfläche S2, die durch eine Photomaske, über die das anisotrope Ätzen durchgeführt wird, definiert ist, mit einem mittleren Punkt (Meßzentrum) "g" der Dehnungsmeßstreifen 2a zusammen.

Die Membran 4a wird aufgrund eines Druckunterschieds zwischen seiner Vorder- und Rückseite durchgebogen, wodurch die Dehnungsmeßstreifen ihren jeweiligen Widerstandswert entsprechend ändern, so daß an einem Ausgangsanschluß der Brückenschaltung ein Spannungssignal geliefert wird.

Eine integrierte Halbleiterschaltung, die gwöhnlich als externe Schaltung ausgebildet ist und bipolare Transistoren zur Verstärkung des Signals aus der Brückenschaltung und zur Temperaturkompensation dieses Signals aufweist, kann auch auf dem Siliziumsubstrat 1a angeordnet werden, um die Größe des Halbleiter-Drucksensors zu verringern. Um derartige bipolare Transistoren herzustellen, ist es erforderlich, auf dem Siliziumsubstrat 1a eine Epitaxialschicht zu bilden, wobei das Substrat 1a den Aus-Winkel aufweisen muß, um Kristalldefekte auf dieser Epitaxialschicht zu verringern. D. h. die Hauptebene des Substrats muß um mehrere Grad bezüglich den Ebenen (110) und (100) geneigt sein.

Wenn das den Aus-Winkel aufweisende Substrat anisotrop geätzt wird, werden zwei sich von den Seiten der Membran 4a erstreckende Schrägflächen (z. B. die in den Fig. 23 und 24 gezeigten Schrägflächen 18 und 19) aufgrund des Aus- Winkels bezüglich der Hauptebene des Substrats unterschiedlich geneigt. Wenn der Aus-Winkel in den Fig. 23 und 24 3° beträgt, weist die Schrägfläche 18 einen Winkel von 32,3° bezüglich der Hauptebene (110) auf, während die Schrägfläche 19 einen Winkel von 38,3° bezüglich dieser Ebene aufweist.

Als Folge davon ist es möglich, daß das Zentrum "s" der Ätz- Startfläche, das mit dem Meßzentrum "g" in der zur Hauptebene senkrecht verlaufenden Richtung zusammenfällt, mit dem Zentrum der Membran 4a, d. h. dem Zentrum "b" einer Ätz-Endfläche S1, nicht zusammenfällt. Aufgrund dessen erhalten insbesondere zwei im Zentrum der Membran 4a auf gegenüberliegenden Seiten der Brückenschaltung angeordnete Dehnungsmeßstreifen eine abweichende Dehnungs-/ Widerstandscharakteristik, wodurch die Ausgangscharakteristik der Brückenschaltung negativ beeinflußt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiter-Drucksensor zu schaffen, bei dem die Genauigkeit der Temperaturkompensation merklich verbessert ist. Insbesondere soll mit der Erfindung erreicht werden, daß ein solcher Halbleiter-Drucksensor eine verbesserte Ausgangscharakteristik aufweist, der eine Membran, die aus einem einen Aus-Winkel aufweisenden Siliziumsubstrat anisotrop herausgeätzt ist, sowie Dehnungsmeßstreifen aufweist, die auf der Membran zur Bildung einer Brückenschaltung angeordnet sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Der erfindungsgemäße Halbleiter-Drucksensor weist demzufolge ein Siliziumsubstrat, das eine Oberflächenorientierung vom im wesentlichen (110) oder (100) besitzt, eine aus dem Substrat gebildete Membran, auf der Membran angeordnete Dehnungsmeßstreifen sowie eine mit dem Substrat verbundene Basis auf, wobei die Membran eine achteckige Form besitzt, deren Seiten rechtwinklig zu Achsen <100<, in <110< bzw. <111< verlaufen. Es ist zulässig, daß das Substrat bezüglich der Ebene (110) oder (100) einen Aus-Winkel von mehreren Grad aufweist. Diese Art von Aus-Winkel wird vorzugsweise verwendet, um auf dem Substrat eine Epitaxialschicht wachsen zu lassen und um in dieser Epitaxialschicht integrierte Transistoren zu bilden.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird ein Halbleiter- Drucksensor vorgeschlagen, der ein Halbleitersubstrat, dessen Hauptebene bezüglich einer Ebene (110) oder (100) einen vorbestimmten Aus-Winkel besitzt, eine durch anisotropes Ätzen des Halbleitersubstrats gebildete Membran sowie eine Vielzahl von Dehnungsmeßstreifen aufweist, die auf der Membran symmetrisch angeordnet sind, wobei das Symmetriezentrum der Dehnungsmeßstreifen mit dem Zentrum des Bodens der Membran in einer senkrecht zur Hauptebene verlaufenden Richtung zusammenfällt.

Gemäß einer weiteren Fortbildung der Erfindung ist eine auf der Ätz-Startfläche des Substrats ausgebildete polygonale Form bei einer Halbdrehung asymmetrisch, während die Form der Membran bei einer Halbdrehung symmetrisch ist.

Der erfindungsgemäße Halbleiter-Drucksensor ist auch für andere Sensoren, wie beispielsweise Halbleiter- Feuchtigkeitssensoren, verwendbar, die eine anisotrop geätzte Membran und Dehnungsmeßstreifen aufweisen, die zur Bildung einer Brückenschaltung symmetrisch auf der Membran angeordnet sind.

Nach einem Finite-Elemente-Verfahren durchgeführte Berechnungen an experimentell hergestellten Sensoren haben ergeben, daß der die erfindungsgemäß vorgesehene achteckige Membran aufweisende Halbleiter-Drucksensor im Vergleich zu dem herkömmlichen Halbleiter-Drucksensor, der eine quadratische Membran, ein Halbleitersubstrat und eine mit dem Substrat verbundene, gegenüber dem letzteren einen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisende Basis aufweist, die Verteilung der Wärmespannung in der Membran vergleichmäßigen kann.

Der erfindungsgemäße Halbleiter-Drucksensor mit einer achteckigen Membran, die eine Oberflächenorientierung von (110) aufweist, wird daher von Temperaturschwankungen nicht beeinflußt, so daß ein Fehler in seinem Ausgangssignal minimal ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Halbleiter-Drucksensor mit einer achteckigen Membran sind die Dehnungsmeßstreifen um vorbestimmte Entfernungen voneinander beabstandet, auf der Membran symmetrisch angeordnet und zur Bildung einer Brückenschaltung verbunden, so daß ein Meßzentrum, das einen zwischen den Dehnungsmeßstreifen liegenden Punkt bzw. deren Mittelpunkt bildet, in der zur Hauptebene senkrecht verlaufenden Richtung mit dem Zentrum der Ätz-Endfläche anstelle mit dem Zentrum der Ätz-Startfläche zusammenfällt.

Obgleich das Zentrum der Ätz-Startfläche mit dem Zentrum der Ätz-Endfläche in der zur Hauptebene senkrecht verlaufenden Richtung während der anisotropen Ätzung des Siliziumsubstrats nicht zusammenfällt, sind die Dehnungsmeßstreifen als Folge davon entlang der Hauptebene um das Zentrum der tatsächlich gebildeten Membran herum symmentrisch angeordnet, d. h. um das Zentrum "b" der Ätz- Endfläche herum. Die Ausgangscharakteristik der Dehnungsmeßstreifen unterliegt daher keinerlei Schwankungen.

Der erfindungsgemäße Halbleiter-Drucksensor, der in dem Siliziumsubstrat den Aus-Winkel hervorruft, ermöglicht daher eine sehr hohe Genauigkeit in seiner Brückenschaltung, die mit derjenigen Genauigkeit vergleichbar ist, die bei einem Siliziumsubstrat ohne Aus-Winkel realisiert werden kann.

Der erfindungsgemäß vorgesehene Aus-Winkel des Siliziumsubstrats ermöglicht auf der Hauptebene des Substrats die Bildung einer Epitaxialschicht, die im wesentlichen keinerlei Defekte aufweist, wodurch exzellente Eigenschaften der in der Epitaxialschicht gebildeten bipolaren Transistoren sichergestellt sind, da die Eigenschaften dieser Transistoren von der jeweiligen Qualität der Epitaxialschicht wesentlich beeinflußt werden. Die bipolaren Transistoren werden als Fühl-Sensorverstärker sowie für eine Temperatur-Kompensationsschaltung verwendet.

Die Widerstandswerte der Dehnungsmeßstreifen ändern sich aufgrund einer Spannung nicht stark, während der Stör/Nutzsignal-Abstand einer Ausgangsspannung der Brückenschaltung durch verschiedene Störungen beeinflußt wird, die von der Verdrahtung zwischen den Dehnungsmeßstreifen und dem Fühlverstärker usw. aufgenommen werden. Da die erfindungsgemäß vorgesehene Epitxialschicht eine hervorragende Qualität aufweist, sind gleichbleibend gute Eigenschaften der Transistoren sichergestellt, wobei gleichzeitig die Länge der Verdrahtung zwischen dem Fühlverstärker usw. und den Dehnungsmeßstreifen stark verringert wird, da die Transistoren für den Fühlverstärker usw. integriert sind.

Im Vergleich zu einem herkömmlichen Drucksensor, der entweder mit einem separaten Fühlverstärker oder aber mit einem Fühlverstärker ausgestattet ist, der zusammen mit den Dehnungsmeßstreifen auf einem keinem Aus-Winkel aufweisenden Siliziumsubstrat integriert ist, wird daher mit der Erfindung eine wesentliche Verbesserung des Stör/Nutzsignal- Abstands sowie eine deutliche Verringerung der Herstellungskosten erzielt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a eine Draufsicht auf ein Substrat eines Halbleiter-Drucksensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 1b eine Querschnittsansicht entlang einer Linie A-A der Fig. 1a;

Fig. 1c eine Querschnittsansicht entlang einer Linie C-C der Fig. 1a;

Fig. 1d eine Querschnittsansicht entlang einer Linie B-B der Fig. 1a;

Fig. 2 anhand einer Draufsicht eine Ätzmaske, die zur Herstellung des Halbleiter-Drucksensors gemäß diesem Ausführungsbeispiel verwendet wird;

Fig. 3a und 3b bevorzugte Abmessungen des erfindungsgemäßen Halbleiter-Drucksensors;

Fig. 4 den Schaltplan einer erfindungsgemäßen Brückenschaltung;

Fig. 5 ein Diagramm von Wärmespannungs-Verteilungen in einer Durchmesserrichtung von Membranen;

Fig. 6 ein Diagramm zur Erläuterung von Änderungen in einer Offset-Spannung einer Brückenschaltung bzgl. einer Temperaturänderung;

Fig. 7 bestimmte Abmessungen einer in Fig. 6 gezeigten Probe;

Fig. 8 ein Diagramm zur Erläuterung von Änderungen in einer Offset-Spannung eines Drucksensors, bei dem ein Halbleiter verwendet wird, der unterschiedlich zu dem Halbleiter in Fig. 6 ist;

Fig. 9 Abmessungen einer in Fig. 8 verwendeten Probe;

Fig. 10 anhand einer Draufsicht einen Teil eines Halbleiter-Drucksensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;

Fig. 11a eine Querschnittsansicht entlang einer Linie A-A der Fig. 10;

Fig. 11b eine Querschnittsansicht entlang einer Linie B-B der Fig. 10;

Fig. 11c eine Querschnittsansicht entlang einer Linie C-C der Fig. 10;

Fig. 12 eine für Vergleichzwecke vorgesehene Draufsicht auf einen Teil eines Halbleiter- Drucksensors, der keinen Aus-Winkel aufweist;

Fig. 13 eine für Vergleichszwecke vorgesehene Draufsicht auf einen Teil eines Halbleiter- Drucksensors, der einen Aus-Winkel aufweist;

Fig. 14-20 Querschnittsansichten zur Erläuterung von Verfahrensstufen bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Halbleiter-Drucksensors;

Fig. 21a eine Draufsicht auf ein Substrat eines herkömmlichen Halbleiter-Drucksensors;

Fig. 21b eine Querschnittsansicht entlang einer Linie A-A der Fig. 21a;

Fig. 21c eine Querschnittsansicht entlang einer Linie B-B der Fig. 21a;

Fig. 22 eine Querschnittsansicht eines weiteren herkömmlichen Halbleiter-Drucksensors;

Fig. 23 eine Draufsicht auf einen Teil einer Membran eines herkömmlichen Halbleiter-Drucksensors; und

Fig. 24 eine Querschnittansicht entlang einer Linie A-A der Fig. 23.

Nachstehend wird zunächst anhand der Fig. 1-9 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiter- Drucksensors beschrieben.

In ähnlicher Weise wie der in Fig. 22 gezeigte Halbleiter- Drucksensor weist der Halbleiter-Drucksensor dieses Ausführungsbeispiels ein Substrat 1 und eine Basis 3 auf. Das Substrat 1 weist eine Membran 4 auf und wird aus einem monokristallinen Siliziumchip hergestellt, der in eine rechteckige Form geschnitten ist, von der jede Seite ungefähr 3 mm beträgt. Die Basis 3 besteht aus Pyrex-Glas (Warenzeichen) und ist unter Verwendung eines anodischen Befestigungsverfahrens mit einem membranfreien Bereich 7, d. h. einer am Randbereich der Membran 4 befindlichen Substratbasis 5 des Substrats 1 verbunden. Die Basis 3 weist ein Druckbeaufschlagungsloch 31 auf, über das zu messender Druck auf eine zurückspringende bzw. eine Vertiefung bildende Fläche der Membran 4 aufgebracht wird. Zu diesem Zeitpunkt wird auf eine flache Fläche der Membran 4 ein Bezugs- bzw. Referenzdruck ausgeübt.

Die Substratbasis 5 wird nach dem Ätzen des Substrats 1 übriggelassen und erstreckt sich von einer Ätz-Endfläche E her zur Basis 3 hin.

Wie aus den Fig. 1a bis 1d zu erkennen ist, ist das Substrat 1 ungefähr 0,3 mm dick und hat eine Oberflächenorientierung von im wesentlichen (110). Die anisotrop geätzte Membran 4 im Zentrum des Substrats 1 hat eine achteckige Form. Die Membran 4 ist ungefähr 40 µm dick und wird durch Seiten definiert die orthogonal bzw. rechtwinklig zu Achsen <100<, <110< bzw. <111< verlaufen. Jede erste Seite 11 ist ungefähr 0,54 mm lang, jede zweite Seite 12 ist ungefähr 0,84 mm lang und jede dritte Seite 13 ist ungefähr 0,48 mm lang.

Vier Dehnungsmeßstreifen 2a-2d werden ausgebildet, in dem in die Rand- und Zenralbereiche der Membran 4 Verunreinigungen eindotiert werden, deren Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt zu dem des Substrats 1 ist. Die Dehnungsmeßstreifen 2a-2d sind derart miteinander verbunden, daß die in Fig. 4 gezeigte Brückenschaltung gebildet wird.

Nachfolgend werden Beispiele zur Herstellung dieses erfindungsgemäßen Halbleiter-Drucksensors erläutert.

Zur Ausbildung der Dehnungsmeßstreifen 2a bis 2d auf einem monokristallinen Siliziumwafer, der eine Oberflächenorientierung von im wesentlichen (110) aufweist, wird eine übliche Halbleiter-Verfahrenstechnik herangezogen. Daraufhin wird eine Verdrahtung und Passivierung ausgeführt und es werden Kontaktlöcher sowie Bondierungs- bzw. Verbindungs-Anschlußflächen ausgebildet. Die Dehnungsmeßstreifen 2a-2d sind um eine Achse <110< herum, die durch das Zentrum der Membran 4 verläuft, symmetrisch angeordnet. Die Längsachsen der Dehnungsmeßstreifen sind entlang der Achse <110< orientiert. Die Dehnungsmeßstreifen 2a und 2d sind an der Peripherie bzw. dem Randbereich der Membran 4 angeordnet, während die Dehnungsmeßstreifen 2b und 2c im Zentrum derselben angeordnet sind.

Zur Ausbildung einer in Fig. 2 gezeigten Ätzmaske, wie beispielsweise eines Oxydfilms, auf der Rückseite des Wafers wird ein Photolithographieverfahren eingesetzt. Der Wafer bzw. die Halbleiterscheibe wird daraufhin anisotropisch geätzt, beispielsweise unter Verwendung einer KOH-Wasser- Lösung. Wie aus Fig. 1a hervorgeht wird die Membran 4 als Folge dieses Verfahrenschritts zu einem Achteck geformt, das durch gerade Linien definiert ist, die rechtwinklig zu den Achsen <100<, <110< bzw. <111< verlaufen.

Die Fig. 1b bis 1d zeigen Querschnittsansichten entlang jeweiliger Hauptebenen der achteckigen Membran 4, wobei Fig. 1b eine Querschnittsansicht der Membran 4 entlang einer Linie A-A darstellt, welche parallel zur Achse <110< verläuft. Bei dem in Fig. 1b gezeigten Schnitt ist jedes Ende der Membran um einen Winkel von ungefähr 45° geneigt. Fig. 1c zeigt eine Querschnittsansicht der Membran 4 entlang einer Linie C-C, die senkrecht zur Achse <111< verläuft. In der Schnittansicht der Fig. 1c ist jedes Ende der Membran 4 im wesentlichen senkrecht. Fig. 1d zeigt eine Querschnittsansicht der Membran 4 entlang einer Linie B-B, die sich parallel zur Achse <100< erstreckt. Bei dem Querschnitt der Fig. 1d ist jedes Ende der Membran 4 um ungefähr 35° geneigt bzw. abgeschrägt.

Der Wafer wird daraufhin zurechtgeschnitten und unter Verwendung eines anodischen Bondierungs- bzw. Verbindungsverfahrens an der aus Pyrex-Glas bestehenden Basis 3 befestigt, worauf Verbindungs-Anschlußflächen und Eingangs/Ausgangs-Stifte (Pins) mit Golddrähten an dem zurechtgeschnittenen Wafer befestigt werden usw.

Da die Struktur und die Herstellungsverfahren eines derartigen Halbleiter-Drucksensors bekannt sind, wird auf ihre weitere Erläuterung an dieser Stelle verzichtet.

Eine thermische Fehler-Offsetspannung, die an einem Ausgangsanschluß der Brückenschaltung (Fig. 4) auftritt, wird nachfolgend näher erläutert.

Unterschiede im jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Basis 3 und dem Substrat 1 sowie zwischen dem Substrat 1 und dem auf diesem ausgebildeten Oxyd- und Passivierungsfilm 5 rufen in der Membran 4 eine thermische bzw. Wärmespannung hervor. Diese Wärmespannung schwankt, wodurch die genannte thermische Fehler-Offsetspannung hervorgerufen wird.

Fig. 5 zeigt eine Verteilung der durch die Pyrex-Basis in Durchmesserrichtung der Membran 4 hervorgerufene Wärmespannung, die durch Analyse mittels eines Finite- Element-Verfahrens erhalten wurde. In dieser Figur stellt eine Kurve A die Verteilung der Wärmespannung in Durchmesserrichtung bei einem Halbleiter-Drucksensor des vorliegenden Ausführungsbeispiels dar, während eine Kurve B eine Verteilung der Wärmespannung in Durchmesserrichtung des in Fig. 21 gezeigten herkömmlichen Halbleiter-Drucksensors wiedergibt, dessen Membran eine quadratische Form mit gleichen Abständen zwischen gegenüberliegenden Seiten aufweist. Die in Fig. 5 gezeigte Analyse wurde bei einem Temperaturunterschied von 100°C, einem Unterschied in dem Wärmeausdehungskoeffizienten von 1 · 10^-7 (°C^-1) und bei einer Druckdifferenz von 0 durchgeführt.

Wie aus Fig. 5 deutlich zu erkennen ist, schwankt die Wärmespannung in der Membran 4 des Halbleiter-Drucksensors A des vorliegenden Ausführungsbeispiels nur sehr schwach im Vergleich zu den herkömmlichen Halbleiter-Drucksensor B. Insbesondere ist hervorzuheben, daß die Wärmespannung im Zentrum der Membran 4 des vorliegenden Ausführungsbeispiels im wesentlichen gleich derjenigen im Randbereich ist. Dies bedeutet, daß an einem Ausgangsanschluß V_out der Brückenschaltung des vorliegenden Ausführungsbeispiels im wesentlichen keine thermische Fehler-Offsetspannung anliegt.

Gemäß vorliegendem Ausführungsbeispiel ist der Unterschied in der Wärmespannung zwischen den im Zentrum der Membran 4 befindlichen Dehnungsmeßstreifen 2b und 2c und den im Randbereich der Membran 4 angeordneten Dehnungsmeßstreifen 2a und 2d demzufolge sehr klein, wodurch die thermische Fehler-Offsetspannung merklich verringert wird.

In der in Fig. 4 gezeigten Brückenschaltung läßt sich eine Gesamt-Offsetspannung V_out (p=0) einschließlich der thermischen Fehler-Offsetspannung wie folgt ausdrücken:

V_out (p=0) = V_in · (Rb · Rc-Ra · Rd)/{(Ra+Rb) · (Rc+Rd)}

In dieser Gleichung sind mit Ra, Rb, Rc und Rd die jeweiligen Widerstandswerte der Dehnungsmeßstreifen 2a, 2b, 2c bzw. 2d bezeichnet. Eine an die Membran 4 angelegte Druckdifferenz p hat den Wert 0. Die Widerstandswerte der Dehnungsmeßstreifen 2a bis 2d ändern sich in Abhängigkeit von der Wärmespannung sowie den Schwankungen in den Temperaturkoeffizienten (TCR) der Dehnungsmeßstreifen selbst.

Wenn ein Wärmeausdehnungskoeffizient von Pyrex-Glas αp=3,2 · 10^-6 (°C^-1) und ein Wärmeausdehnungskoeffizient von Silizium αs = 4,8 · 10^-9 T + 2,6 · 10^-6 (°C^-1) beträgt bei einer Temperatur von T (°C) in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis ungefähr 150°C, läßt sich eine Wärmespannung Ç∈TÇ wie folgt ausdrücken:

In dieser Gleichung ist mit TB eine Temperatur bezeichnet, bei der das Substrat 1 mit der Basis 3 verbunden wird, während ∈0 die Wärmespannung bei einer Temperatur T von 0°C. bezeichnet. Aus dieser Gleichung geht hervor, daß die Wärmespannung eine Temperaturabhängigkeit aufweist.

In der obenstehenden Gleichung ist die quadratische Komponente für die Temperatur T eine nichtlineare Komponente der Temperaturabhängigkeit der Wärmespannung, wobei diese nichtlineare Komponente, wie vorstehend erläutert, bei der Temperaturkompensation mehr Probleme bereitet, als ein absoluter Wert der Wärmespannung.

Die auf eine Temperaturänderung zurückzuführende Wärmespannung Ç∈TÇ ändert die Widerstandswerte der Dehnungsmeßstreifen 2a bis 2d. In der Brückenschaltung der Dehnungsmeßstreifen 2a bis 2d rufen tatsächlich die Änderungen in den Widerstandswerten der Dehnungsmeßstreifen 2a bis 2d (insbesondere der Unterschied der Wärmespannung der im Randbereich befindlichen Dehnungsmeßstreifen 2a und 2d und den im Zentrum befindlichen Dehnungsmeßstreifen 2b und 2c) die thermische Fehler-Offsetspannung hervor (in der Hauptsache ein Wärmespannungs-Ausgangssignal), wie aus der vorstehenden Gleichung der Offsetspannung V_out (p=0) zu erkennen ist.

Es wurden verschiedene Halbleiter-Drucksensoren gemäß diesem Ausführungsbeispiel experimentell hergestellt. Die jeweiligen Membranen dieser Sensoren hatten verschiedene Seitenlängen-Verhältnisse. Eine Spannung in der thermischen Fehler-Offsetspannung bezüglich einer Temperaturänderung wurde für jeden dieser Sensoren gemessen. Für Vergleichszwecke wurde weiterhin ein Sensor hergestellt, der eine quadratische Membran mit identischen Seitenlängen besaß. Fig. 5 zeigt das Ergebnis dieser Messungen, wobei in dieser Figur dem als Vergleich dienenden Sensor der Wert 1 zugeordnet ist. Während der jeweiligen Messung war die Druckdifferenz zwischen beiden Seiten der jeweiligen Membran gleich 0, die Temperatur wurde von 25°C bis 120°C geändert, die Länge jeder ersten Seite 11 betrug 1, die Entfernung zwischen den zweiten Seiten 12, die parallel zueinander sind und senkrecht zu den ersten Seiten verlaufen, betrug L, die Entfernung zwischen den ersten Seiten 11, die parallel zueinander verlaufen, betrug L′ und ein Verhältnis L′/L betrug 1,04 (s. Fig. 7).

Aus Fig. 6 ist zu erkennen, daß die Schwankungen dann zu Null werden, wenn gilt: l/L = 0,4. Die in Fig. 6 gezeigte Kurve kann sich jedoch in Abhängigkeit von dem Passivierungsfilm, der Dicke der Membran usw. mehr oder weniger ändern.

In Fig. 3 sind Beispiele für Abmessungen des erfindungsgemäßen Halbleiter-Drucksensors angegeben. Die Basis 3 wird beispielsweise aus einem Borsilikat-Glas wie Pyrex (Warenzeichen) hergestellt und hat im wesentlichen eine quadratische Form, wobei jede Seite eine Breite (S) von 2,5 bis 5,5 mm und eine Höhe (H) von 1 bis 5 mm besitzt. Die Basis weist das zentrale Druckaufbringungsloch 31 auf, über das die Membran 4 mit der Außenseite kommuniziert. Der Durchmesser liegt vorzugsweise zwischen 0,5 und 1,5 mm.

Das die achteckige Membran 4 aufweisende Siliziumsubstrat 1 ist mit der Oberseite der Basis 3 verbunden. Die Dicke (h1) des Substrats 1 liegt zwischen 200 und 400 µm, während die Dicke (h2) der Membran 4 zwischen 20 und 60 µm liegt. Ein Passivierungsfilm (aus Oxid und dergleichen) f, der eine Dicke zwischen 0,1 und 2 µm aufweist, ist auf der Oberfläche des Substrats 1 ausgebildet.

Die Membran 4 kann eine Form haben, die einer achteckigen Form recht nahe kommt, oder irgendeine andere Form. Die Außendurchmesser L und L′ der achteckigen Membran 4 sollten vorzugsweise jeweils zwischen 1,0 und 3,0 mm liegen, wobei für das Verhältnis der Außendurchmesser gelten sollte: L = L′ oder L′/L 1,04.

Unter Zugrundelegung der in Fig. 6 gezeigten Meßergebnisse werden nunmehr die tatsächlichen Daten des Halbleiter- Drucksensors näher erläutert.

Ein Halbleiter-Drucksensor für ein Fahrzeug ist für eine Voll-Ausgangsspannung von minimal 40 Millivolt (in einem vorgegebenen Druckbereich von beispielsweise 0-750 mHg zur Steuerung eines Motors) und für eine Offset- Ausgangsspannungsschwankung V_out (p=0) von maximal ± 1 Millivolt ausgelegt (was derjenigen Ausgangsspannung entspricht, die im drucklosen Zustand abgegeben wird), wenn der betreffende Drucksensor die herkömmliche quadratische Membran (l/L = 1) besitzt.

Um den Offset-Fehler für einen Standard-Temperaturbereich von -30°C bis 125°C innerhalb ± 1% zu halten, muß folgende Gleichung erfüllt werden:
(Offsetfehler des quadratischen Drucksensors) · x = ± 0,01.

In dieser Gleichung ist mit x eine Schwankung der Offset- Ausgangsspannung V_out (p=0) bei einer Temperaturänderung bezeichnet. Durch Einsetzen von Zahlenwerten ergibt sich folgendes:

{(1 mV)/(40 mV)} · x = ±0,01 (1%)

x = ±0,4 (40%).

Somit ergibt sich, daß der Wert von V_out (p=0) auf 40% derjenigen Schwankung verringert werden muß, die bei dem Drucksensor mit einer quadratischen Membran (l/L = 1) auftritt. In diesem Fall muß das Verhältnis l/L in einen Bereich zwischen 0,25 und 0,65 gebracht werden, wie aus Fig. 6 entnommen werden kann. Die Charakteristik-Kurve der Fig. 6 kann sich zwar in Abhängigkeit von der Position und Größe jedes Dehnungsmeßstreifens sowie der Größe des Chips mehr oder weniger ändern, jedoch werden die auftretenden Schwankungen die Meßgenauigkeit des Sensors dann niemals verschlechtern, wenn der Sensor die unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläuterten Daten bzw. Spezifikationen einhält.

Bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel hat die Oberflächenorientierung des Silizium-Halbleitersubstrats 1 einen Wert von (110). Die Erfindung ist jedoch ebenso anwendbar bei einem Halbleitersubstrat, das eine Oberflächenorientierung von (100) aufweist.

Das Halbleitersubstrat mit einer Oberflächenorientierung von (110) ist jedoch vorzuziehen. Der Grund hierfür wird nachfolgend erläutert.

Im Vergleich zu dem Siliziumsubstrat mit der Oberflächenorientierung von (100) ist ein Siliziumsubstrat mit einer Oberflächenorientierung (110) in bezug auf den Druck linearer, d. h. es besitzt eine bessere Linearität und ermöglicht dadurch die Vereinfachung einer Signalverarbeitungsschaltung. Obgleich eine derartige Nichtlinearität in einem gewissen Ausmaß durch geeignete Einstellung der Positionen und Größen der Dehnungsmeßstreifen kompensiert werden kann, müssen die Dehnungsmeßstreifen auf dem Substrat mit der Oberflächenorientierung (100) im Randbereich der Membran, wie in Fig. 9 gezeigt, angeordnet werden, da bei einer Anordnung im Zentrum der Membran keine ausreichende Linearität erzielbar ist, wie dies beim Substrat mit der Oberflächenorientierung (110) der Fall ist. Die Dehnungsmeßstreifen auf dem Substrat mit der Oberflächenorientierung (100) werden daher kaum nachgeahmt bzw. verwendet.

Fig. 8 zeigt ein Ergebnis der Messung einer Schwankung der Offset-Ausgangsspannung V_out in bezug auf eine Temperaturänderung bei einem Halbleiter-Drucksensor, der eine gemäß der Erfindung hergestellte achteckige Membran aufweist, bei dem jedoch ein Siliziumsubstrat mit der Oberflächenorientierung (100) verwendet ist. Die Messung wurde auf ähnliche Weise wie unter Bezugnahme auf Fig. 6 erläutert durchgeführt. Aus Fig. 8 geht hervor, daß die Schwankung der Offset-Ausgangsspannung V_out (p=0) dieses Halbleiter-Drucksensors dann zu Null wird, wenn das Verhältnis l/L in einem Bereich von ungefähr 0,1 bis 0,2 liegt. Unter Berücksichtigung des vorstehenden Beispiels ist ein bevorzugter Bereich des Längenverhältnisses somit wie folgt gegeben: 0<1/L<0,5.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Dehnungsmeßstreifen 2a bis 2d durch Eindotierung von Verunreinigungen in die Oberfläche (110) des monokristallinen Siliziumsubstrats gebildet. Die Dehnungsmeßstreifen können statt dessen auch Polysilizium- Widerstände sein, die auf der Membran ausgebildet sind.

Es ist möglich, ein Substrat mit der Oberflächenorientierung (110) mit einem monokristallinem Siliziumsubstrat mit der Oberflächenorientierung (100) zusammenzufügen und Dehnungsmeßstreifen-Widerstände auf dem Substrat mit der Oberflächenorientierung (100) auszubilden.

Zum Ätzen des jeweiligen Substrats können anstelle der KOH- Wasserlösung verschiedene andere Materialien verwendet werden. Die Basis 3 kann anstelle aus Pyrex-Glas aus irgendeinem anderem geeigneten Material hergestellt werden.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bilden die vier auf der Membran 4 angeordneten Dehnungsmeßstreifen 2a bis 2d eine Brückenschaltung. Der gleiche Effekt kann auch erreicht werden, indem eine Halbbrückenschaltung vorgesehen wird, die aus einer Kombination der Dehnungsmeßstreifen 2a und 2b oder 2c und 2d besteht.

Gemäß vorstehender Beschreibung weist der Halbleiter- Drucksensor des vorliegenden Ausführungsbeispiels ein monokristallines Siliziumsubstrat mit einer Oberflächenorientierung von im wesentlichen (110), eine auf dem Substrat ausgebildete achteckige Membran und eine Basis auf. Jede erste Seite der Membran hat eine Länge von 1, während ein Abstand zwischen den zwei zweiten Seiten der Membran L ist. Durch Änderung des Verhältnisses l/L kann der Einfluß der Wärmespannung beliebig geändert werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann das Wärmespannungs- Ausgangssignal dadurch nicht nur eliminiert, sondern auch beliebig geändert werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Wärmespannungs-Ausgangssignal folglich in vorteilhafter Weise zur Kompensation des Einflusses der Temperatur der Druckempfindlichkeit des Sensors herangezogen (diese Kompensation ist jedoch insofern nicht vollkommen, als sich die Druckempfindlichkeit von der Offsetspannung vollständig unterscheidet.) Der Halbleiter-Drucksensor des vorliegenden Ausführungsbeispiels liefert somit ein Ausgangssignal, das von einer Temperaturänderung im wesentlichen unbeeinflußt ist.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 10 und 11 wird nunmehr ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiter-Drucksensors näher erläutert.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Halbleiter- Siliziumsubstrat 1 anisotrop geätzt, dessen Hauptebene bezüglich einer Ebene (110) oder (100) einen vorgegebenen Aus-Winkel aufweist, um dadurch gemäß der Darstellung in Fig. 10 eine achteckige Membran 4 für den Drucksensor zu bilden. Der grundsätzliche Aufbau dieses Ausführungsbeispiels entspricht nahezu dem des in den Fig. 1 und 22 gezeigten Drucksensors.

Fig. 11a ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie A-A der Fig. 10, Fig. 11b ist eine Querschnittsansicht entlang B-B der Fig. 10 und Fig. 11c ist schließlich eine Querschnittsansicht entlang einer Linie C-C der Fig. 10. Wie aus Fig. 11c hervorgeht, weist das Halbleitersubstrat 1 dieses Ausführungsbeispiels einen Aus- Winkel von 3° auf.

Ähnlich dem in Fig. 22 gezeigten Drucksensor, weist der Drucksensor dieses zweiten Ausführungsbeispiels eine bipolare integrierte Schaltung 20 auf, die auf einer vorderen Hauptebene S3 eines membranfreien Bereichs 7 des Substrats 1 ausgebildet ist. Diese bipolare integrierte Schaltung 20 enthält einen Fühl-Verstärker zur Verstärkung einer Ausgangsspannung einer Brückenschaltung, eine Temperatur-Kompensationsschaltung zur Kompensation der verstärkten Ausgangsspannung bezüglich der Temperatur, sowie eine Leistungs-Verstärkungsschaltung zur leistungsmäßigen Verstärkung der temperaturkompensierten Ausgangsspannung.

Die Details der Membran 4 des zweiten Ausführungsbeispiels werden nunnehr erläutert.

Die Membran 4 ist ungefähr 40 mm dick. Der Boden bzw. eine Ätz-Endfläche E der Membran 4 wird durch acht Seiten L1 bis L8 definiert. Die Länge der Seiten L1 und L5 beträgt jeweils 0,84 mm, diejenige der Seiten L2, L4, L6 und L8 ungefähr 0,48 mm und diejenige der Seiten L3 und L7 jeweils ungefähr 0,54 mm.

Eine Ätz-Startfläche S2 des Quadrats 1 wird anisotrop derart geätzt, daß eine durch Seiten d1 bis d6 definierte secheckige Vertiefung entsteht. In senkrechter Richtung zur Ätz-Startfläche S2 gesehen, fällt die Seite L2 im wesentlichen mit der Seite d2, L4 mit d3, L6 mit d5 und L8 mit d6 zusammen. (Aufgrund des Aus-Winkels sind sie jedoch leicht gegeneinander verschoben.) Die Seite L1 verläuft parallel zur Seite d1 und L5 ist parallel zu d4.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist von Bedeutung, daß die Dehnungsmeßstreifen 2 symmetrisch um das Zentrum der durch die Ätz-Endfläche E definierten Membran 4 herum, d. h. um das Zentrum b der Ätz-Endfläche E herum, angeordnet sind und daß die parallelen Seiten L1 und L5 und L2 und L6, L3 und L7 bzw. L4 und L8 jeweils die gleichen Längen aufweisen, obgleich die Ätz-Startfläche S2 des Substrats den Aus-Winkel aufweist. Als Folge davon erhalten die Dehnungsmeßstreifen 2 wieder das ursprüngliche Layout, wenn die Membran 4 um 180° um das Zentrum b der Ätz-Endfläche E herum gedreht wird. Auf der Ätz-Startfläche S2 des Substrats 1 haben die parallelen Seiten d1 und d4 hingegen unterschiedliche Längen.

Zu Vergleichzwecken zeigt Fig. 12 eine unter Verwendung einer rotationssymmetrischen Photomaske aus einem Substrat mit einer Oberflächenorientierung von (110), das keinen Aus- Winkel aufweist, anisotrop herausgeätzte Membran 4, während Fig. 13 eine unter Verwendung einer rotationssymmetrischen Photomaske aus einem Substrat mit einer Oberflächenorientierung von (110) und einem Aus-Winkel von 3° anisotrop herausgeätzte Membran 4.

Um die gleiche Form wie bei der in Fig. 10 gezeigten Membran 4 zu erreichen, haben Seiten d1 und d4 einer in Fig. 12 gezeigten Ätz-Startfläche S2 die gleiche Länge. Folglich gilt: L1 = L5.

Wenn das in Fig. 13 gezeigte Substrat, das die Oberflächenorientierung (110) und den Aus-Winkel von 3° aufweist, mit dem gleichen Maskenmuster wie in Fig. 12, bei dem die Seiten d1 und d4 gleich lang sind, anisotrop geätzt wird, wird eine Seite L1 kürzer als eine Seite L5. Als Folge davon fällt das Zentrum s der Ätz-Startfläche, d. h. ein Meßzentrum g, nicht mit dem Zentrum b der Ätz-Endfläche E zusammen.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das Zentrum b der Ätz-Endfläche E, d. h. das Zentrum der Membran, auf das Meßzentrum g eingestellt und die Seiten d1 und d4 werden so justiert, daß die Seiten L1 und L5 die gleiche Länge haben. Die achteckige Form der Membran verbessert die Offset- Temperaturcharakteristik des Drucksensors im Vergleich zu einer quadratischen Membran.

In Fig. 10 ist mit dem Bezugszeichen Δ x die Entfernung zwischen einem Zwischenpunkt (dem Zentrum s der Ätz- Startfläche) zwischen den Seiten d1 und d4 in einer Richtung x und dem Zentrum b der Ätz-Endfläche, d. h. dem Meßzentrum g, bezeichnet. Die Größe der Entfernung Δ x errechnet sich wie folgt:

Δx = (e/2) · {[(1/tan(35,3°-α)] - [1/tan(35,3°+α)]}

In dieser Gleichung ist mit e die Tiefe der anisotopen Ätzung und mit α der Aus-Winkel bezeichnet. Wenn die Seite L1 eine Länge von L1, die Seite L2 eine Länge von L2, die Seite d1 eine Länge l1 und die Länge d4 eine Länge von l2 aufweist, gilt folgende Beziehung:

L1 = 11 + 2e{tan 35,3°/tan(35,3+α)}
L2 = 12 + 2e{tan 35,3°/tan(35,3-α)}.

Wenn L1 = L2, ergibt sich folgendes:

L1-L2 = 2e · tan 35,3° · {[1/tan(35,3°-α)] - [1/tan(35,3°+α)]}

In Übereinstimmung mit dieser Berechnung wird ein Photo- Maskenmuster für die Membran vorbereitet. In den obigen Gleichungen hat 35,3° die Bedeutung von tan^-1(1/√).

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 14 bis 20 ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Halbleiter-Drucksensors erläutert.

Zunächst wird ein p-Typ-Siliziumsubstrat 10 mit einer Oberflächenorientierung von (110) und einem Aus-Winkel von 3° vorbereitet. Ein eine hohe Konzentration aufweisender n- Typ-Bereich 31 für einen vergrabenen Kollektor usw. wird in einem vorbestimmten Bereich (einem membranfreien Bereich 7, in dem die Membran 4 nicht ausgebildet wird) auf der Oberfläche des Substrats 10 unter Einsatz von Oxidation, Photolithographie und Verunreinigungs-Diffusionsverfahren ausgebildet. Eine eine niedrige Konzentration aufweisende n- Typ-Epitaxialschicht 32 für eine Kollektorregion usw. wird durch Aufwachsen auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats 10 ausgebildet (Fig. 14).

Daraufhin wird ein zur Isolierung eines pn-Übergangs eines Bipolartransistors vorgesehener, eine hohe Konzentration aufweisender p-Typ-Bereich 33 durch Diffusion von Verunreinigungen gebildet. Anschließend werden ein p-Typ- Basisbereich 34, ein eine hohe Konzentration aufweisender n- Typ-Emitterbereich 35 sowie ein eine hohe Konzentration aufweisender n-Typ-Kollektorbereich 36 mittels Oxidation, Photolithographie und Verunreinigungs-Diffusionsverfahren ausgebildet (Fig. 15).

Die die niedrige Konzentration aufweisende n-Typ- Epitaxialschicht 32 wird durch den die hohe Konzentration aufweisenden p-Typ-Bereich 33 aufgeteilt, wodurch ein Dehnungsmeßstreifen-Bereich 32a geformt wird, in welchem die Membran 4 auszubilden ist. In dem Dehnungsmeßstreifen- Bereich 32a bildet ein eine hohe Konzentration aufweisender p-Typ-Bereich 37 die Dehnungsmeßstreifen 2 (Fig. 17). Die Dehnungsmeßstreifen 2 können gebildet werden, wenn der p- Typ-Basisbereich 34 oder der die hohe Konzentration aufweisende n-Typ-Emitterbereich 35 gebildet werden.

In einem auf der Oberfläche des Substrats 10 ausgebildeten Silizium-Oxidfilm 38 werden Kontaktlöcher ausgebildet, worauf eine Elektrodenverdrahtung 39 durch die Kontaktlöcher hindurch angebracht wird. Daraufhin wird zur Passivierung beispielsweise ein PSG-Film 40 abgelagert. Während den Verfahrensstufen zur Ausbildung der Bipolartransistoren und Dehnungsmeßstreifen 2 werden auch verschiedene Widerstände gebildet, um dadurch die gewünschte bipolare integrierte Schaltung zu schaffen.

Auf einem plan gemachten Bereich auf der hinteren Hauptfläche des Wafers, auf der ein Isolierfilm 41 wie beispielsweise ein Oxid-Film ausgebildet ist, wird ein achteckiger Photowiderstand 42 ausgebildet (Fig. 18). Der Isolierfilm 41, der aus einem Oxidfilm oder einem Nitridfilm besteht und als Ätzmaske dient, wird gemäß Fig. 19 selektiv geöffnet. Nach Entfernung des Photowiderstands 42 wird das Siliziumsubstrat 10 unter Verwendung einer KOH-Wasserlösung oder dergleichen anisotrop geätzt, um eine achteckige Membran 4 mit der in Fig. 10 gezeigten Gestalt zu erzeugen (Fig. 20).

Das Substrat wird schließlich zurechtgeschnitten, unter Verwendung eines anodischen Verbindungsverfahrens mit einer aus Pyrex-Glas hergestellten Basis 3 verbunden und mit Golddrähten usw. an Verbindungs-Anschlußflächen sowie Eingangs/Ausgangsstifte angeschlossen bzw. gebondet.

Bei dem vorstehend erläuterten Herstellungsverfahren wird das eine Oberflächenorientierung (110) und einen Aus-Winkel von 3° aufweisende Substrat anisotrop geätzt. Die Erfindung ist jedoch auch für ein Siliziumsubstrat verwendbar, das eine Oberflächenorientierung von (100) und einen Aus-Winkel von 3° aufweist. In diesem Fall errechnet sich die Entfernung Δ x wie folgt:

Δx = (e/2) · {[(1/tan(54,7°-α)] - [1/tan(54,7°+α)]}

wobei 54,7° bedeutet: (90°-tan^-1(1/√)).

Claims

1. Halbleiter-Drucksensor mit einem Siliziumsubstrat (1) mit einer Oberflächenorientierung von im wesentlichen (110), einer aus dem Substrat (1) gebildeten Membran (4), Dehnungsmeßstreifen (2a-d), die auf der Membran (4) angeordnet sind, sowie mit einer mit dem Substrat (1) verbundenen Basis (3), wobei die Membran (4) eine achteckige Gestalt aufweist, deren Seiten rechtwinklig zu Achsen <100<, <110< bzw. <111< verlaufen.

2. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) und die Basis (3) unterschiedliche Wärmeausdehungskoeffizienten aufweisen.

3. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptebene des Substrats (1) einen Aus-Winkel von mehreren Grad bezüglich einer Ebene (110) aufweist.

4. Halbleiter-Drucksensor nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Membran (4) angeordneten Dehnungsmeßstreifen (2a-2d) zur Bildung einer Brückenschaltung (Fig. 4) verbunden sind.

5. Halbleiter-Drucksensor nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsmeßstreifen (2a-2d) bezüglich einer Achse <110<, die sich durch das Zentrum der Membran (4) erstreckt, derart symmetrisch angeordnet sind, daß die Längsachsen der Dehnungsmeßstreifen (2a, 2d) parallel zur Achse <110< verlaufen.

6. Halbleiter-Drucksensor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (4) eine achteckige Vertiefung bildet, die durch anisotropes Ätzen das Substrats (1) geformt ist.

7. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die achteckige Vertiefung der Membran (4) zwei parallel erste Seiten, die jeweils eine Länge 1 besitzen und zwei parallel zweite Seiten aufweist, die voneinander um eine Entfernung L beabstandet sind und sich ungefähr rechtwinklig zu den ersten Seiten erstrecken, wobei das Verhältnis l/L im Bereich 0,25 bis 0,65 liegt.

8. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis l/L ungefähr 0,4 beträgt.

9. Halbleiter-Drucksensor nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsmeßstreifen (2a-2d) aus Polysilizium- Widerständen bestehen.

10. Halbleiter-Drucksensor nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) ein erstes Substrat mit einer Oberflächenorientierung von (110) und ein zweites monokristallines Siliziumsubstrat mit einer Oberflächenorientierung von (100) aufweist, wobei das erste und das zweite Substrat miteinander verbunden sind.

11. Halbleiter-Drucksensor mit einem Siliziumsubstrat (1) mit einer Oberflächenorientierung von im wesentlichen (100), einer aus dem Substrat (1) gebildeten Membran (4), Dehnungsmeßstreifen (2a-2d), die auf der Membran (4) angeordnet sind, sowie mit einer mit dem Substrat (1) verbundenen Basis (3), wobei die Membran (4) die Form einer achteckigen Vertiefung aufweist, deren Seiten rechtwinklig zu Achsen <100<, <110< bzw. <111< verlaufen und wobei zwei parallele erste Seiten der Vertiefung eine Länge 1 besitzen und zwei parallele zweite Seiten um eine Entfernung L voneinander beabstandet sind und sich rechtwinklig zu den ersten Seiten erstrecken, wobei das Verhältnis l/L im Bereich von 0 bis 0,5 liegt.

12. Halbleiter-Drucksensor mit einer achteckigen Membran (4), die durch anisotropes Ätzen eines Halbleitersubstrats (1) gebildet ist, dessen Hauptebene einen vorbestimmten Aus-Winkel bezüglich einer von Ebenen (110) und (100) aufweist, einer Vielzahl von symmetrisch auf der Membran (4) angeordneten Dehnungsmeßstreifen (2a-2d) und mit einer mit dem Substrat (1) verbundenen Basis (3), wobei das Symmetriezentrum der Dehnungsmeßstreifen (2a-2d) mit dem Zentrum des Bodens der Membran (4) in einer senkrecht zur Hauptebene verlaufenden Richtung zusammenfällt.

13. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf einer Ätz-Startfläche (S) des Substrats (1) ausgebildete polygonale Form asymmetrisch bezüglich einer Halbdrehung ist und daß die achteckige Membran (4) symmetrisch bezüglich einer Halbdrehung ist.

14. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Drucksensors mit folgenden Schritten:
Bilden eines Halbleitersubstrats (1), dessen Hauptebene einen vorgebenen Aus-Winkel bezüglich einer von Ebenen (110) und (100) aufweist;
Bilden eines Halbleiter-Dehnungsmeßstreifens (2a, 2d) in einem plan gemachten Bereich, in welchem auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats (1) eine Membran (4) auszubilden ist, und Bilden einer Steuereinrichtung einschließlich einer Einrichtung zur Verstärkung von Ausgangssignalen der Dehnungsmeßstreifen (2a-2d) in einem Bereich auf dem Halbleitersubstrat (1), der mit dem plan gemachten Bereich nicht zusammenfällt;
Vorbereiten einer Ätzmaske (42) mit einer Öffnung vorgegebener Form, die in einem plan gemachten Bereich auf einem Isolierfilm (41), der auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats (1), die der Oberfläche, auf der die Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen (2a-2d) ausgebildet worden sind, gegenüberliegt, zum Ätzen des Substrats (1) in die Membran (4) benötigt wird;
Selektives Entfernen des Isolierfilms (41) in Übereinstimmung mit der Maske (42) und Bilden einer Ätzöffnung;
Anisotropes Ätzen des Halbleitersubstrats (1) durch die Ätzöffnung hindurch unter Verwendung einer Ätzflüssigkeit, wodurch Flächen gebildet werden, die sowohl bezüglich der Hauptebene als auch bezüglich der Membran (4) schräg verlaufen; und
Verbinden einer Basis (3) mit dem die Membran (4) aufweisenden Halbleitersubstrats (1).

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrum der Ätz-Startfläche (S) des Substrats (1) vor dem Beginn des Ätzens gegenüber dem Zentrum der Membran (4) nach Beendigung des Ätzens um eine vorgegebene Entfernung verschoben ist.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Entfernung in Übereinstimmung mit dem Aus- Winkel der Hauptebene des Substrats (1) sowie der Tiefe des anisotropen Ätzens festgelegt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14-16, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske eine sechseckige oder achteckige Form aufweist, deren Längsachse in Richtung des Aus-Winkels des Substrats (1) verläuft, wobei zwei parallele Seiten (d1 und d4) der Maske rechtwinklig zu der Richtung des Aus-Winkels verlaufen und unterschiedliche Längen aufweisen, die jeweils kürzer als eine von zwei parallen Seiten (L1 und L5) der fertiggestellten Membran (4) sind, die rechtwinklig zu der Richtung des Aus-Winkels verlaufen; daß die Länge einer sich in die Richtung des Aus- Winkels erstreckenden Zentrumslinie der Maske länger als eine Entfernung zwischen zwei parallelen Seiten (L3 und L7) der fertiggestellten Membran (4) ist, die sich in der Richtung des Aus-Winkels erstrecken, und daß die anderen Seiten (d2, d3, d5 und d6) der Maske (4) die anderen Seiten (L2, L4, L6 bzw. L8) der fertiggestellten Membran (4) teilweise überlappen.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrum der Ätz-Startfläche, d. h. das Zentrum (s) der Maske gegenüber dem Zentrum der Ätz-Endfläche, d. h. dem Zentrum (b) der Membran (4) um eine vorgegebene Entfernung Δ x, die durch folgende Gleichung definiert ist: Δx = (e/2) · {[(1/tan(R-α)] - [1/tan(R+α)]}verschoben ist, wobei in der Gleichung mit e die Tiefe des anisotropen Ätzens, mit α der Aus-Winkel und mit R ein Winkel bezeichnet ist, der durch die Orientierung der Hauptebene des Halbleitersubstrats bestimmt wird, wobei R den Wert 35,3° hat, wenn die Oberflächenorientierung der Hauptebene (110) ist, und den Wert 54,7° hat, wenn die Oberflächenorientierung der Hauptebene (100) ist.

19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Differenz (l1-l2) zwischen der Länge (l1) der Seite (d1) und der Länge (l2) der Seite (d4) der Maske, die parallel zueinander und rechtwinklig zur Richtung des Aus-Winkels verlaufen, wie folgt definiert ist: l1-l2 = 2e · tanR · {[1/tan(R-α)] - [1/tan(R+α)]}wobei mit e die Tiefe des anisotropen Ätzens und mit R ein Winkel bezeichnet ist, der in Übereinstimmung mit der Orientierung der Hauptebene des Halbleitersubstrats festgelegt ist, wobei R den Wert 35,3° hat, wenn die Oberflächenorientierung der Hauptebene (110) ist.