DE4132232A1

DE4132232A1 - Verfahren zur herstellung kapazitiver sensoren und kapazitiver sensor

Info

Publication number: DE4132232A1
Application number: DE4132232A
Authority: DE
Inventors: Jiri Dipl Ing Dr Marek; Martin Dipl Ing Dr Willmann; Guenther Dipl Ing Findler; Helmut Dipl Phys Dr Baumann; Michael Dipl Ing Dr Offenberg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1991-09-27
Filing date: 1991-09-27
Publication date: 1993-04-01
Also published as: CH684611A5; JPH05203669A; US5355569A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung von kapa zitiven Sensoren, nach der Gattung des Hauptanspruches und einem Sensor nach der Gattung des Anspruches 11.

Aus der EP 03 69 352 sind schon Verfahren zur Herstellung von kapa zitiven Beschleunigungssensoren bekannt. Dabei wird eine mittlere Platte, die aus einkristallinem Silizium besteht, mit einer Ober- und einer Unterplatte verbunden. Die Sensoren werden verein zelt, indem die drei verbundenen Platten mit einem Laserstrahl oder einer Säge zerteilt werden. Durch Ungenauigkeiten beim Zerteilen sind die Sensoren, insbesondere bei der Massenherstellung nicht gleich, sondern haben Streukapazitäten mit variierenden Größen, die die Meßsignale verfälschen oder verändern.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, daß die Streukapazi tät, die parallel zur Meßkapazität geschaltet ist, exakt definiert ist. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß die Anforderungen an die Justierung und Genauigkeit der Schnitte beim Zerteilen verrin gert werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfah rens möglich. Besonders vorteilhaft werden dabei die Gräben auf nur einer oder beiden Seiten des Wafers oder der Platten eingebracht, da so die ohnehin für die Bearbeitung des Wafers oder der Platten not wendigen Prozesse für die Herstellung der Gräben genutzt werden. Vorteilhaft bestehen Wafer und zwei weitere Platten aus einkristal linem Silizium und werden durch Silizium-Direkt-Bonden oder, mittels Hilfsschichten, durch anodisches Bonden, Kleben, Schweißen oder Löten verbunden, da die für die Bearbeitung und Verbindung von Sili zium benötigten Prozesse gut bekannt sind. Durch die parallele Her stellung einer Vielzahl von Sensoren durch einen Wafer-Platten-Ver bund werden die Herstellungskosten für die Sensoren verringert. Das Vereinzeln der Sensoren durch Sägen ist besonders kostengünstig und einfach, da das Sägen aus der Halbleitertechnik sehr gut bekannt ist. Beim Vereinzeln mit einem Laserstrahl werden die Sensoren nur minimal verschmutzt. Durch die Verwendung von Maskierungs- und Ätz prozessen lassen sich Gräben mit hoher Präzision erzeugen. V-förmige Gräben sind besonders einfach herzustellen, da ihr Querschnitt in 100-Silizium kaum durch Überätzung beeinflußt wird. Bei der Verwend ung von Gräben mit wannenförmigem Querschnitt sind besonders große Toleranzen sowohl der Schnittbreite wie auch der Justierung des Schnittes zulässig.

Durch Doppelgräben kann der Querschnitt der Gräben unabhängig von der Breite des Schnittes gewählt werden und die Bruchgefahr beim Sägen wird verringert.

Der erfindungsgemäße Sensor weist eine gut definierte Größe der Ver bindungsfläche zwischen Wafer und Platten auf, die unabhängig von Justierfehlern beim Zerteilen oder von Schwankungen der Schnitt breite ist. Die Streukapazität der Sensoren ist somit exakt defi niert und kann bei der Auswertung des Sensorsignals berücksichtigt werden.

Der erfindungsgemäße Sensor weist somit eine bekannte und gut repro duzierbare Streukapazität auf.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 drei Sensoren vor dem Vereinzeln und Fig. 2 und Fig. 3 jeweils einen Sensor nach der Erfindung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist mit 3 ein einkristalliner Wafer bezeichnet, aus dem bewegliche Sensorteile 1 herausstrukturiert sind. Der Wafer 3 ist mit leitfähigen Platten 2 und 4 verbunden, die gegen den Wafer 3 isoliert sind. Als Materialien für den kristallinen Wafer 3 kommen Silizium, Galliumarsenid und Quarz in Frage. Die Platten 2, 4 be stehen z. B. aus Silizium, Galliumarsenid, Quarz oder Glas. Die Verarbeitung des Wafers 3 erfolgt zweckmäßigerweise durch Maskie rungs- und Ätztechniken. Besonders vorteilhaft werden dabei aniso trope Ätztechniken, wie sie für einkristalline Materialien bekannt sind, verwendet. Die Platten 2 und 4 werden ebenfalls durch Maskie rungs- und Ätztechniken bearbeitet. Die Leitfähigkeit des Wafers 3 oder der Platten 2,4 kann auch durch aufgebrachte dünne, leitfähige Schichten erreicht werden. Die Verbindung des Wafers 3 mit den Platten 2 und 4 erfolgt durch Silizium-Direkt-Bonden, anodi sches Bonden, Kleben, Schweißen oder Löten. Durch die Verbindung des Wafers 3 mit den Platten 2 und/oder 4 werden eine Vielzahl von Sen soren parallel hergestellt. In der Fig. 1 sind exemplarisch 3 Sen soren gezeigt. Um zu einzelnen Sensoren zu gelangen werden die Plat ten 2 und 4 und der Wafer 3 durch Schnitte entlang der Zerteilungs linien 6 zerteilt. Diese Schnitte erfolgen durch Sägen oder Mate rialabtrag mit einem Laserstrahl. Auf oder neben den Zerteilungs linien 6 sind Gräben 16, 17, 18 vorgesehen. Dabei können verschie dene Querschnitte wie beispielsweise V-förmig 15, wannenförmig 16 oder Doppelgräben 17 hier als Doppel-V-Gräben verwendet werden.

Das Signal der Sensoren wird durch Messung einer Kapazitätsänderung des beweglichen Sensorteils 1 bezüglich der Platten 2, 4 gewonnen. Parallel zur Sensorkapazität ist eine Streukapazität vorhanden. Der Wert dieser Streukapazität wird im wesentlichen durch die Größe der Verbindungsfläche zwischen dem Wafer 3 und den Platten 2 und 4 ver ursacht. Ohne die eingebrachten Gräben 15, 16, 17 würde die Größe dieser Kontaktfläche von Sensor zu Sensor, aufgrund der Justierun genauigkeit der Schnitte und aufgrund der Variation der Schnitt breite beim Zerteilen, erheblich variieren. Durch die Gräben wird somit eine exakte Definition der Streukapazität erreicht.

Die V-förmigen Gräben 15 sind beispielsweise in Silizium besonders einfach herzustellen. Die wannenförmigen Gräben 16 sind auch für breitere Schnitte und bei größerer Justierungenauigkeit beim Zer teilen einsetzbar. Für breite Schnitte bei relativ geringen Justie rungenauigkeiten sind Doppelgrabenstrukturen, beispielsweise dop pelte V-förmige Gräben 17 einsetzbar. Die Doppelgrabenstrukturen sind auch vorteilhaft um die Zerteilung durch Sägen zu vereinfachen, da sie die beim Sägen auftretenden Kräfte besser tolerieren und so die Bruchgefahr geringer ist. Dies gilt auch für parallele, wannen förmige Gräben. Die Gräben können dabei sowohl im Wafer 3 wie auch auf der dem Wafer zugewandten Seite der Platten 2 und/oder 4 einge bracht werden. Die ebenfalls in der Fig. 1 gezeigten Gräben 18 auf der nach außen gewandten Seite der Platten (2, 4) dienen nur einer Kontrolle der Justierung beim Zerteilen und haben keinen Einfluß auf die Definition der Streukapazität.

Fig. 2 zeigt einen Sensor mit einem beweglichen Sensorteil 1, der aus einem Wafer 3 herausstrukturiert wurde und mit zwei Platten 2 und 4 versehen ist. In den Randbereichen sind Ausnehmungen 25, 26 zu sehen. Diese Ausnehmungen 25, 26 entstanden durch Zerteilen eines V-förmigen Grabens. In der Fig. 2 ist die Ausnehmung 25 etwas klei ner als die Ausnehmung 26. Dieser Unterschied ist auf eine Justier ungenauigkeit beim Vereinzeln des Sensors zurückzuführen, er hat jedoch keinen Einfluß auf den Wert der Streukapazität. Die hier gezeigten Ausnehmungen können auch durch das Zerschneiden eines Doppel-V-Grabens entstehen.

In Fig. 3 wird ein Sensor mit einem beweglichen Sensorteil 1 ge zeigt, der aus einem Wafer 3 herausstrukturiert wurde und mit Plat ten 2 und 4 versehen ist. In den Randbereichen ist der Sensor mit Ausnehmungen 21 und 22 versehen. Auch in dieser Figur ist die Justierungenauigkeit beim Vereinzeln der Sensoren durch die unter schiedliche Größe der Ausnehmungen 21 und 22 dargestellt. Die Aus nehmungen 21 und 22 entstanden durch Zerteilen eines wannenförmigen Grabens.

Durch die Ausnehmungen 21, 22, 25, 26 wird erreicht, daß unabhängig von der Schnittgenauigkeit und/oder Schnittbreite die Verbindungs fläche zwischen dem Wafer 3 und der Platten 2, 4 immer gleich bleibt. Da die Streukapazität, die der Nutzkapazität überlagert ist, im wesentlichen durch die Verbindungsfläche bestimmt ist, ist durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die störende Streu kapazität auch bei einer Massenfertigung der Sensoren immer gleich, so daß Fertigungsstreuungen stark verringert sind.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von kapazitiven Sensoren, insbesondere für Beschleunigung, Neigung oder Drehrate, bei dem Sensoren aus einem mindestens oberflächlich leitfähigen einkristallinen Wafer (3) hergestellt werden, der mit mindestens einer mindestens oberfläch lich leitfähigen Platte (2, 4) verbunden wird, wobei Wafer (3) und Platte (2, 4) gegeneinander isoliert sind, und der Verbund von Wafer (3) und Platte (2, 4) entlang von Zerteilungslinien (6) zerteilt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest teilweise in den Wafer (3) und/oder die Platte (2, 4) Gräben (15, 16, 17) eingebracht werden, die auf oder parallel zu Zerteilungslinien (6) liegen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gräben (15, 16, 17) auf der Unterseite (8) und/oder der Oberseite (7) des Wafers (3) oder der dem Wafer (3) zugewandten Seite der Platte (2, 4) eingebracht werden.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wafer (3) und die zwei Platten (2, 4) aus einkristallinem Silizium sind, daß der Wafer (3) zwischen den beiden Platten (2, 4) liegt und daß die Verbindung zwischen den Platten (2, 4) und dem Wafer (3) durch Silizium-Direkt-Bonden, anodisches Bonden, Kleben, Schweißen oder Löten erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß eine Vielzahl von Sensoren parallel hergestellt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß das Zerteilen durch Sägen erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß das Zerteilen mit einem Laserstrahl erfolgt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Gräben (15, 16, 17) durch Maskierungs- und Ätz prozesse erzeugt werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Gräben (15) ein V-förmiges Profil haben und der Abstand der Kanten (14) größer ist als die Summe von maximaler Schnittbreite und Justierungenauigkeit bei der Zerteilung.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Gräben (16) einen wannenförmigen Querschnitt haben und der Abstand der Kanten (13) größer ist als die Summe von maximaler Schnittbreite und Justierungenauigkeit bei der Zerteilung.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Zerteilungslinien (6) zwischen zwei paral lelen Gräben (17) liegen, daß der Abstand zwischen den Innenkanten (10) der Gräben kleiner ist als die minimale Schnittbreite, und daß die Weite der Außenkanten (11) der Gräben größer ist als die Summe der maximalen Schnittbreite und der Justierungenauigkeit bei der Zerteilung.

11. Kapazitiver Sensor, insbesondere für Beschleunigung, Neigung oder Drehrate, der durch Bearbeitung mindestens eines mindestens oberflächlich leitfähigen einkristallinen Wafers (3) hergestellt ist, bei dem mindestens eine weitere mindestens oberflächlich leit fähige Platte (2, 4) mit dem Wafer (3) verbunden ist, die gegen den Wafer (3) isoliert ist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest teil weise die Randbereiche des Wafers (3) und/oder der Platte (2, 4) Aus nehmungen (21, 22, 25, 26) aufweist.

12. Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus nehmung (21, 22) die Form eines zerteilten wannenförmigen Grabens (16) hat.

13. Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus nehmung (25, 26) die Form eines zerteilten V-förmigen Grabens (15) hat.

14. Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeich net, daß der Wafer (3) zwischen zwei Platten (2, 4) liegt, daß der Wafer (3) und die leitfähigen Platten (2, 4) aus einkristallinem Silizium bestehen, gegeneinander isoliert sind, und durch anodisches Bonden, Silizium-Direkt-Bonden, Kleben, Schweißen oder Löten verbun den sind.