DE4130044C2 - Halbleiter-Drucksensor - Google Patents
Halbleiter-DrucksensorInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiter-Drucksensor mit einer
Membran, die durch anisotropes Ätzen eines monokristallinen
Siliziumsubstrats gebildet wird gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 bzw. 11, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung
eines Halbleiter-Drucksensors gemäß Anspruch 13.
Fig. 19 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. 20 zu erkennen ist, ist ein membranfreier Bereich 5 des
Substrats 1a mit einer Basis 3 zusammengefügt, die beispielsweise
aus Pyrex-Glas besteht (Warenzeichen), d. h. einem Borosilikatglas,
das derart aufgebaut ist, dass es eine gute chemische Beständigkeit
und einen geringen Ausdehnungskoeffizienten auszeichnet, so dass
es mit Si eine anodische Bindung eingehen kann und einen Si
ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten hat. 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 JP 60-13314 B2 ist ein
Halbleiter-Drucksensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 bzw. 11 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 (100) 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) zu
verwenden und dieses Substrat (vorzugsweise anisotrop) zu ätzen,
um eine Membran zu bilden. Dies wird nachstehend unter
Bezugnahme auf die Fig. 21 und 214 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) "g1' der Dehnungsmeßstreifen
2a zusammen.
Die Membran 4a wird aufgrund eines Druckunterschieds
zwischenseiner Vorder- und Rückseite durchgebogen,
wodurch die Dehnungsmeßstreifen ihren jeweiligen Widerstandswert
entsprechend ändern, so daß an einem Ausgangsanschluß der
Brückenschaltung ein Spannungsignal geliefert wird.
Eine integrierte Halbleiterschaltung, die gewöhnlich 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. 21 und 214 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.
Durch die Erfindung war daher das Problem zu lösen, einen
Halbleiter-Drucksensor zu schaffen, bei dem die Genauigkeit der
Temperaturkompensation merklich verbessert ist, wobei erreicht
werden sollte, 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.
Bei einem gattungsbildenden Halbleiter-Drucksensor gemäß JP 55-24408 A
treten folgende Probleme auf:
Da in diesem bekannten Fall - ebenso wie bei einer Anordnung nach
US 4,691,575 - eine Oberflächenorientierung des Siliziumsubstrats
von (100) vorgesehen ist, entsteht bei Verwendung einer einfachen
Ätzmaske, wie sie z. B. in der Fig. 2 gezeigt ist, eine im wesentlichen
quadratische Membran, wie sie in Fig. 21 dargestellt ist. Diese hat
jedoch den Nachteil, dass sich die Wärmeausdehnungskoeffizienten
in Abhängigkeit vom Abstand zum Zentrum der Membran stark
händern. Um diese negative Beeinflussung der Ausgangscharakteristik
der durch die Dehnungsmessstreifen gebildeten brückenschaltung zu
verhindern, ist eine aufwendige Temperaturkompensationsschaltung
notwendig.
Andererseits kann auch bei einem Silziumsubstrat mit einer
Oberflächenorientierung von (100) eine achteckige Membran mit
folgenden zwei Verfahren hergestellt werden:
Gemäß einem ersten Verfahren wird eine nahezu runde Maske als
Ätzmaske verwendet, wobei jedoch einer wäßrigen KOH-Ätzlösung
IPA (Isopropylalkohol) oder EPA (Ethylendiamin und Pyrozaterkal)
beigemengt wird.
Gemäß einem zweiten Verfahren wird eine im wesentlichen
kreuzförmige Ätzmaske verwendet und eine wäßrige KOH-Lösung als
Ätzflüssigkeit eingesetzt.
Bei beiden Verfahren ergeben sich jedoch folgende Probleme.
Gemäß dem ersten Verfahren besitzt die Ätzflüssigkeit aufgrund des
beigemengten IPAs eine geringe Ätzgeschwindigkeit, weshalb die
Flüssigkeit sehr hoch sein muß. Da jedoch die
Verdampfungstemperatur von IPA gering ist, ändert sich während des
Herstellungsverfahrens die Konzentration des IPAs sehr stark, so daß
keine Reproduzierbarkeit des Verfahrens gewährleistet ist. Auch der
Einsatz von EPA erweist sich als ungünstig, da es außerordentlich
giftig ist.
Gemäß dem zweiten Verfahren erfolgt die Ätzung unter einer kreuz
förmigen Ätzmaske, wodurch die achteckige Form erzeugt wird. Da
jedoch der Ätzvorgang tief unter die Ätzmaske in lateraler Richtung
vordringt, besteht die große Gefahr, daß die Ätzmaske sehr leicht
bricht oder absplittert, wodurch wiederum eine einfache
Reproduzierbarkeit der achteckigen Membranform erschwert wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiter-
Drucksensor mit einer verbesserten Ausgangscharakteristik auf
einfache Weise reproduzierbar herzustellen.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Halbleiter-Drucksensors durch die
Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw 11 und hinsichtlich des
Herstellungsverfahrens durch die Merkmale des Patentanspruchs 13
gelöst.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen kann mittels einer
einfachen Ätzmaske, wie Sie in Fig. 2 dargestellt ist, und unter
Verwendung einer leicht handhabaren Ätzlösung (wäßrige KOH-
Lösung) ein Drucksensor geschaffen werden, der eine gegenüber
Temperaturschwankungen außerordentlich gute
Ausgangscharakteristik aufweist.
Aus der Literaturstelle "J. C. Greenwood, Silicon and Mechanical
Sensors, J. Phys. E: Sci, Instrum. 21 (1988) 1114-1128" sind lediglich
die Grundlagen zur Herstellung von aus Silizium bestehenden
mechanischen Sensoren beschrieben. Die besonderen Vorteile der
Verwendung eines Siliziumsubstrats mit einer Oberflächenorientierung
von (110) in Kombination mit der achteckigen Gestalt der Membran
sind jedoch dieser Druckschrift nicht zu entnehmen.
Ferner ist aus der Literaturstelle "D. Schubert et al., Drucksensor mit
piezoresistiven Widerständen aus polykristallinem Silizium, msr 31
(1988) 8, S. 341-344" ein Drucksensor bekannt, der jedoch im
wesentlichen auf einem Piezowiderstandseffekt beruht. Auch wenn
aus dieser Druckschrift die Problematik der Temperaturabhängigkeit
bekannt ist, unterscheidet sich jedoch diese Druckmeßtechnik
grundsätzlich von der erfindungsgemäßen Druckmeßtechnik, die
Dehnungsmeßstreifen verwendet.
Auch aus der Druckschrift D5 "H. A. Kayal et al.,
Anwendungsspezifische intelligente Sensoren", Elektronik 9/
1988, S. 112-117 sind lediglich allgemein
Silizium-Drucksensoren bekannt, die mit in einer Brückenschaltung
verschalteten Dehnungsmeßstreifen arbeitet. Die starke
Temperaturabhängigkeit wird jedoch gemäß dieser Druckschrift mit
einer aufwendigen integrierten Kompensationsschaltung verringert.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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
11b11 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 U. S. W. 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 U. S. W. und den
Dehnungsmeßstreifen stark verringert wird, da die Transistoren für
den Fühlverstärker u. s. w. 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/NutzsignalAbstands sowie eine deutliche Verringerung der
Herstellungskosten erzielt.
Der Halbleiter-Drucksensor wird nachstehend anhand der Beschreibung von
Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen Fig. 1(a) eine Draufsicht auf ein Substrat
eines Halbleiter-Drucksensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der
Erfindung;
Fig. 1(a) eine Draufsicht auf ein Substrat eines Halbleiter-
Drucksensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 1(b) eine Querschnittsansicht entlang einer Linie A-A der
Fig. 1(a);
Fig. 1(c) eine Querschnittsansicht entlang einer Linie C-C der
Fig. 1(a),
Fig. 1(d) eine Querschnittansicht entlang einer Linie B-B der
Fig. 1(a);
Fig. 2 anhand einer Draufsicht eine Ätzmaske, die zur
Herstellung des Halbleiter-Drucksensors gemäß diesem
Ausführungsbeispiel verwendet wird;
Fig. 3(a) und 3(b) 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 anhand einer Draufsicht einen Teil eines
Halbleiter-Drucksensors gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel;
Fig. 9(a) eine Querschnittsansicht entlang einer Linie A-A der
Fig. 8;
Fig. 9(b) eine Querschnittsansicht entlang einer Linie B-B der
Fig. 8;
Fig. 9(c) eine Querschnittsansicht entlang einer Linie C-C der
Fig. 8;
Fig. 10 eine für Vergleichzwecke vorgesehene Draufsicht auf
einen Teil eines Halbleiter-Drucksensors, der keinen Aus-Winkel
aufweist;
Fig. 11 eine für Vergleichszwecke vorgesehene Draufsicht auf
einen Teil eines Halbleiter-Drucksensors, der einen Aus-Winkel
aufweist;
Fig. 12-18 Querschnittsansichten zur Erläuterung von
Verfahrensstufen bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen
Halbleiter-Drucksensors;
Fig. 19(a) eine Drauf sicht auf ein Substrat eines
herkömmlichen Halbleiter-Drucksensors;
Fig. 19(b) eine Querschnittsansicht entlang einer Linie A-A der
Fig. 19(a);
Fig. 19(c) eine Querschnittsansicht entlang einer Linie B-B der
Fig. 19(a);
Fig. 20 eine Querschnittsansicht eines weiteren herkömmlichen
Halbleiter-Drucksensors;
Fig. 21 eine Draufsicht auf einen Teil einer Membran eines
herkömmlichen Halbleiter-Drucksensors;
und
Fig. 22 einen Querschnittansicht entlang einer Linie A-A der
Fig. 21.
Nachstehend wird zunächst anhand der Fig. 1-9 ein erstes
Ausführungsbeispiel des Halbleiter-Drucksensors
beschrieben.
In ähnlicher Weise wie der in Fig. 20 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 monokris
tallinen 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), d. h. einem Borosilikatglas,
das derart aufgebaut ist, dass es sich durch eine gute chemische
Beständigkeit und einen geringen Ausdehnungskoeffizienten
auszeichnet, so dass es mit Si eine anodische Bindung eingehen
kann und einen Si ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten hat. Ein
derartiges Borosilikatglas, das im folgenden als Pyrex-Glas
bezeichnet wird 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. 1(a) bis 1(d) 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 gm
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-Drucksensor 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 Dehungsmeßstreifen 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-WasserLösung. Wie aus Fig. 1(a)
hervorgeht wird die Membran 4 als Folge dieses Verfahrenschritts zu
einem Achteck geformt, das durch gerade Linien definiert ist, die
rechtwinklig zu den Achsend <100<, <110< bzw. <111< verlaufen.
Die Fig. 1(b) bis 1(d) zeigen Querschnittsansichten entlang
jeweiliger Hauptebenen der achteckigen Membran 4, wobei Fig. 1(b)
eine Querschnittsansicht der Membran 4 entlang einer Linie A-A
darstellt, welche parallel zur Achse <110< verläuft. Bei dem in Fig.
1(b) gezeigten Schnitt ist jedes Ende der Membran um einen Winkel
von ungefähr 451 geneigt. Fig. 1(c) zeigt eine Querschnittsansicht der
Membran 4 entlang einer Linie C-C, die senkrecht zur Achse <III<
verläuft. In der Schnittansicht der Fig. 1(c) ist jedes Ende der
Membran 4 im wesentlichen senkrecht. Fig. 1(d) zeigt eine
Querschnittsansicht der Membran 4 entlang einer Linie B-B, die sich
parallel zur Achse <100< erstreckt. Bei dem Querschnitt der Fig. 1(d)
ist jedes Ende der Membran 4 um ungefähr 351 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 Vout 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 Vout (p = O) einschließlich der thermischen
Fehler-Offsetspannung wie folgt ausdrücken:
Vout (p = O) = Vin . (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 I ∈ TI wie folgt ausdrücken:
|∈ T| = |∫TBTαp - αsdT|
= |-2,4 . 10-9 . T2 + 0,6 . 10-6 . T + ∈ 0
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 I ∈ TI 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 Vout (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 Ll/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 gm, während die Dicke (h2) der Membran
4 zwischen 20 und 60 gm liegt. Ein Passivierungsfilm (aus Oxid und
dergleichen) f, der eine Dicke zwischen 0,1 und 2 gm 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 Ll/L ≦
1,04.
Unter Zugrundelegung der in Fig. 6 gezeigten Meßergebnisse
werden nunmehr die tatsächlichen Daten des HalbleiterDrucksensors
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 Vout (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 Vout (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 Vout (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.
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
stattdessen 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. 8 und 9 wird nunmehr ein weiteres
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiter-Drucksensors
näher erläutert.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Halbleiter-Siliziumsubstrat
anisotrop geätzt, dessen Hauptebene bezüglich einer Ebene (110)
oder (100) einen vorgegebenen Aus-Winkel aufweist, um dadurch
gemäß der Darstellung in Fig. 8 eine achteckige Membran 4 für den
Drucksensor zu bilden. Der grundsätzliche Aufbau dieses
Ausführungsbeispiels entspricht nahezu dem des in den Fig. 1
und 20 gezeigten Drucksensors.
Fig. 9(a) ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie A-A der
Fig. 8, Fig. 9(b) ist eine Querschnittsansicht entlang B-B der Fig. 8
und Fig. 9(c) ist schließlich eine Querschnittsansicht entlang einer
Linie C-C der Fig. 8. Wie aus Fig. 9(C) hervorgeht, weist das
Halbleitersubstrat 1 dieses Ausführungsbeispiels einen Aus-Winkel
von 3° auf.
Ähnlich dem in Fig. 20 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
nunmehr 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.
Bai 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 52 des Substrats 1 haben die
parallelen Seiten d1 und d4 hingegen unterschiedliche Längen.
Zu Vergleichzwecken zeigt Fig. 10 eine unter Verwendung einer
rotationssymmetrischen Photomaske auseinem Substrat mit einer
Oberflächenorientierung von (110), das keinen AusWinkel aufweist,
anisotrop herausgeätzte Membran 4, während Fig. 11 eine unter
Verwendung einer rotationssymmetrischen Photomaske aus einem
Substrat mit einer Ooberflächenorientierung von (110) und einem
Aus-Winkel von 3 0 anisotrop herausgeätzte Membran 4.
Um die gleiche Form wie bei der in Fig. 8 gezeigten Membran 4 zu
erreichen, haben Seiten d1 und d4 einer in Fig. 10 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. 10, 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
Äz-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. 8 ist mit dem Bezugszeichen Δx 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 Δx 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
et der Aus-Winkel bezeichnet. Wenn die Seite L1 eine Länge von L1,
die Seite L2 eine Länge von L2, die Seite d1 eine Länge 11 und die
Länge d4 eine Länge von 12 aufweist, gilt folgende Beziehung:
L1 = 11 + 2e{tan35,3°/tan(35,3 + α)}
L2 = 12 + 2e{tan35,3°/tan(35,3 - α)}
Wenn L1 = L2, ergibt sich folgendes:
L1 - L2 = 2e . tan35,3°{[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/√2).
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 12 bis 18 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. 12). 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. 13). 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. 15). 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. 16). 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. 18).
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 Δx wie folgt:
Δx = (e/2) . {[(1/tan(54,7° - α)] - [1/tan(54,7° + α,)]}
wobei 54,7° bedeutet: (90° - tan-1(1/√2)).
Claims (18)
1. Halbleiter-Drucksensor mit einem Siliziumsubstrat (1) mit 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), dadurch gekennzeichnet, daß
das Substrat (1) eine Oberflächenorientierung von (110) besitzt und die
Membran (4) eine achteckige Gestalt aufweist, deren Seiten rechtwink
lig zu Achsen <100<, <110< und <111< verlaufen.
2. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) und die Basis (3) unter
schiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
3. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptebene des Substrats (1) einen
Aus-Winkel von mehreren Grad bezüglich der 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) bezüg
lich 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 die Membran (4) bildende achteckige
Vertiefung durch anisotropes Ätzen das Substrats (1) geformt ist.
7. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die achteckige Vertiefung zwei parallele
erste Seiten, die jeweils eine Länge l besitzen, und zwei parallele
zweite Seiten aufweist, die voneinander um eine Entfernung L beab
standet sind und sich im wesentlichen 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 um 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), wobei eine Oberfläche des
ersten Substrats eine Aussparung besitzt und ein zweites monokristalli
nes Siliziumsubstrat mit einer Oberflächenorientierung von (100) auf
weist, wobei die andere Oberfläche des ersten Substrats und das
zweite Substrat miteinander verbunden sind und die Dehnungsmess
streifen-Widerstände auf dem zweiten Substrat mit der Oberflächen
orientierung von (100) ausgebildet sind.
11. Halbleiter-Drucksensor mit einer achteckigen Membran (4), die durch
anisotropes Ätzen eines Halbleitersubstrats (1) gebildet ist, einer Viel
zahl von symmetrisch auf der Membran (4) angeordneten Dehnungs
meßstreifen (2a-2d) und mit einer mit dem Substrat (1) verbundenen
Basis (3), dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptebene des Substrats
einen vorbestimmten Aus-Winkel bezüglich einer Ebene (110) aufweist
und das Symmetriezentrum der Dehnungsmeßstreifen (2a-2d) mit dem
Zentrum des Bodens der Membran (4) in einer senkrecht zur Hauptebe
ne verlaufenden Richtung zusammenfällt.
12. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß eine auf einer Ätz-Startfläche (S) des Substrats (1) ausgebildete
polygonale Form asymmetrisch bezüglich einer Drehung um 180° ist,
und daß die achteckige Membran (4) symmetrisch bezüglich einer Dre
hung um 180° ist.
13. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Drucksensors mit folgenden
Schritten: Bilden eines Halbleitersubstrats (1), dessen Hauptebene ei
nen vorgebenen Aus-Winkel bezüglich einer Ebene (110) aufweist; Bil
den eines Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen (2a, 2d) in einem plan ge
machten Bereich, in welchem auf einer Oberfläche des Halbleiter
substrats (1) eine Membran (4) auszubilden ist, und Bilden einer Steu
ereinrichtung einschließlich einer Einrichtung zur Verstärkung von Aus
gangssignalen 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 vor
gegebener Form, die in einem plan gemachten Bereich auf einem Iso
lierfilm (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 der Maske (42)
und Bilden einer Ätzöffnung; Anisotropes Ätzen des Halbleitersubstrats
(1) durch die Ätzöffnung hindurch unter Verwendung einer Ätzflüssig
keit, 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).
14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrum der Ätz-Startfläche (S) des
Substrats (1) vor dem Beginn des Ätzens gegenüber dem nach Been
digung des Ätzens vorgesehenen Zentrum der Membran (4) um eine
vorgegebene Entfernung verschoben ist.
15. Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Entfernung in Über
einstimmung mit dem Aus-Winkel der Hauptebene des Substrats (1)
sowie der Tiefe des anisotropen Ätzens festgelegt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß die Maske eine sechseckige oder acht
eckige 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
parallelen 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 Zentrumsli
nie 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.
17. Verfahren nach Anspruch 15,
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 vorge
gebene Entfernung Δx, die durch folgende Gleichung definiert ist:
Δx = (e/2) . {[(1/tan(Θ - α)] - [(1/tan(Θ + α)]}
verschoben ist, wobei in der Gleichung mit e die Tiefe des anisotropen Ätzens, mit α der Aus-Winkel und mit Θ ein Winkel bezeichnet ist, der durch die Orientierung der Hauptebene des Halbleitersubstrats be stimmt wird, wobei Θ den Wert 35,3° hat, wenn die Oberflächenorien tierung der Hauptebene (110) ist.
Δx = (e/2) . {[(1/tan(Θ - α)] - [(1/tan(Θ + α)]}
verschoben ist, wobei in der Gleichung mit e die Tiefe des anisotropen Ätzens, mit α der Aus-Winkel und mit Θ ein Winkel bezeichnet ist, der durch die Orientierung der Hauptebene des Halbleitersubstrats be stimmt wird, wobei Θ den Wert 35,3° hat, wenn die Oberflächenorien tierung der Hauptebene (110) ist.
18. Verfahren nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Differenz (11-12) zwischen der
Länge (11) der Seite (d1) und der Länge (12) der Seite (d4) der Maske,
die parallel zueinander und rechtwinklig zur Richtung des Aus-Winkels
verlaufen, wie folgt definiert ist:
11 - 12 = 2e . tanΘ . {[(1/tan(Θ - α)] - [(1/tan(Θ + α)]}
wobei mit e die Tiefe des anisotropen Ätzens und mit Θ ein Winkel be zeichnet ist, der in Übereinstimmung mit der Orientierung der Hauptebene des Halbleitersubstrats festgelegt ist, wobei Θ den Wert 35,3° hat, wenn die Oberflächenorientierung der Hauptebene (110) ist.
11 - 12 = 2e . tanΘ . {[(1/tan(Θ - α)] - [(1/tan(Θ + α)]}
wobei mit e die Tiefe des anisotropen Ätzens und mit Θ ein Winkel be zeichnet ist, der in Übereinstimmung mit der Orientierung der Hauptebene des Halbleitersubstrats festgelegt ist, wobei Θ den Wert 35,3° hat, wenn die Oberflächenorientierung der Hauptebene (110) ist.
Applications Claiming Priority (2)
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