DE4201578A1 - Kapazitiver sensor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem kapazitiven Sensor nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der EP-A 13 69 352 sind bereits kapazitive Sensoren bekannt, die durch Bonden von Bonddrähten auf den Sili­ zium-Plättchen kontaktiert werden. Die dafür vorgesehenen Flächen, die sogenannten Bondpads, werden durch Ausnehmungen der darüberliegenden Silizium-Plättchen gebildet. Weiterhin werden Methoden offen­ bart, wie durch Aufbringen von elektrisch leitfähigen Pasten auf der Stirnseite eines Silizium-Plattenverbundes Bondpads auf der oberen Silizium-Platte erzeugt werden.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße kapazitive Sensor mit den kennzeichnenden Merk­ malen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Bond­ sockel exakt definiert sind. Durch die Bearbeitung der Bondsockel durch Ätzen wird die Größe der durch Bondsockel verursachten Streu­ kapazität exakt kontrolliert. Zum einen wird dadurch ein geringerer Wert der Streukapazität erreicht, zum anderen ist der Wert dieser Streukapazität exakt genau reproduzierbar und kann daher bei der Auswertung des Sensors berücksichtigt werden. Die Verwendung von Ätzprozessen erlaubt die Prozesse zur Herstellung der Sensoren eben­ falls für die Herstellung der Bondsockel zu verwenden. Es ist daher möglich, die Bondsockel zu bearbeiten, ohne weitere Bearbeitungs­ schritte in den Herstellungsprozeß aufzunehmen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen kapazitiven Sensors möglich. Besonders vorteilhaft wird dabei die Kontaktfläche zwischen dem Bondsockel und dem darunterlie­ genden Silizium-Plättchen kleiner als die Fläche zum Aufbringen des Bonddrahtes. Auf diese Weise wird die Streukapazität des Sensors verringert, ohne daß höhere Anforderungen an die Justiergenauigkeit des Bondprozesses gestellt werden. Besonders einfach wird der Bond­ sockel mit einem trapezförmigen Querschnitt hergestellt, da ein solcher Querschnitt besonders einfach durch Ätzung von nur einer Seite des Silizium-Plättchens aus erreicht werden kann. Zur Verrin­ gerung der Streukapazität des Sensors sollte ein solcher trapezförmiger Bondsockel mit der kürzeren der parallelen Seiten des Trapezes mit einem darunterliegenden Silizium-Plättchen verbunden sein. Bei der Nutzung von zweiseitigen Ätzprozessen können besonders einfach Bondsockel mit einem sechseckigen Querschnitt erzeugt werden. Eine einfache Methode, die Kontaktfläche zwischen dem Bondsockel und dem darunterliegenden Silizium-Plättchen zu verringern, besteht in der Ätzung des unterhalb des Bondsockels liegenden Siliziumplättchens. Bei ausreichender Stabilität des Bondsockels kann sogar die durch den Bondsockel verursachte Streukapazität nahezu Null werden, indem das unterhalb des Bondsockels liegende Siliziumplättchen eine Aus­ nehmung aufweist. Besonders vorteilhaft werden diese Bondsockel bei kapazitiven Sensoren eingesetzt, die aus drei Siliziumplättchen be­ stehen. Um die Stabilität des Bondsockels der Oberplatte zu erhöhen, kann dabei die Mittelplatte als Stütze ausgebildet werden. Bei diesen Sensoren wird der Bondsockel der Mittelplatte besonders ein­ fach mit einem näherungsweise trapezförmigen Querschnitt mit in etwa der halben Dicke der Mittelplatte ausgebildet. Auf diese Weise kön­ nen die in der Regel zweiseitig erfolgenden Ätzprozesse für die Her­ stellung der beweglichen Elektrode besonders effektiv zur Herstel­ lung des Bondsockels benutzt werden.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Bondsockel mit trapezförmigem Querschnitt, Fig. 2 ein unterhalb des Bondsockels bearbeitetes Siliziumplättchen, Fig. 3 einen Bondsockel mit sechseckigem Querschnitt, Fig. 4 eine Ausnehmung unterhalb des Bondsockels, Fig. 5 einen kapazitiven Sen­ sor aus drei Siliziumplättchen mit erfindungsgemäßem Bondsockel und Fig. 6a, b, c verschiedene Ausgestaltungen des näherungsweise trapezförmigen Bondsockels.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt zwei Siliziumplättchen 1, 2, die aufeinanderliegen, wobei das Siliziumplättchen 1 einen Bondsockel 10 aufweist, auf dem ein Bonddraht 4 befestigt ist. Die beiden Siliziumplatten 1 und 2 sind fest miteinander verbunden. Diese feste Verbindung wird in der Regel durch einen Silizium-Bondprozeß hergestellt. Dabei werden die Siliziumplatten 1, 2 durch chemische Vorbehandlung oder thermische Oxidation mit einem dünnen Oxidfilm versehen. Durch Aufeinanderlegen und einer Temperaturnachbehandlung entsteht eine unlösbare Verbin­ dung zwischen den beiden Siliziumplättchen 1, 2. Es sind jedoch auch andere Verbindungstechniken wie Kleben, anodisches Bonden, Schweißen oder durch die Verwendung von Hilfsschichten wie bei­ spielsweise Glas vorstellbar. Durch den Bonddraht 4 wird das Sili­ ziumplättchen 1 elektrisch kontaktiert. Über den Bonddraht 4 und an­ deren hier nicht gezeigten Anschlüssen für das Siliziumplättchen 2 kann die Kapazität zwischen dem Siliziumplättchen 1 und dem Sili­ ziumplättchen 2 gemessen werden. Die kapazitiven Sensoren weisen be­ wegliche Elektroden auf, durch die die Kapazität zwischen den Sili­ ziumplättchen ein Maß für beispielsweise eine Beschleunigung, Nei­ gung oder Drehrate ist. Die konkrete Ausgestaltung eines solchen Sensors ist hier nicht Gegenstand der Erfindung, in Fig. 5 wird ein entsprechendes Beispiel gezeigt. Parallel zur veränderlichen Kapazi­ tät des Sensors ist eine Streukapazität geschaltet, deren Wert im wesentlichen durch die Kontaktfläche zwischen dem Siliziumplättchen 1 und dem Siliziumplättchen 2 bestimmt wird. Durch die erfindungsge­ mäße Ausgestaltung der Bondsockel 10 bis 15 wird die Streukapazität, die von den Bondsockeln verursacht wird, reduziert bzw. reproduzier­ bar definiert. Fig. 1 zeigt dazu einen Bondsockel 10, der in einer Richtung einen trapezförmigen Querschnitt aufweist. Die Ober- und Unterseite dieses Trapezes sind parallel zueinander, die schrägen Seitenwände haben einen Winkel von ca. 70,5° zueinander. Bondsockel mit diesem Querschnitt lassen sich durch anisotropes Ätzen mit einer basischen Ätzlösung in 100 orientiertem Silizium erzeugen. Die dazu notwendige Ätzung erfolgt nur von einer Seite des Siliziumplättchens 1, in diesem Fall der Seite, die dem Siliziumplättchen 2 zugewandt ist. Die dazu notwendigen Ätzprozesse sind dem Fachmann geläufig. Die Stirnseite der hier gezeigten Siliziumplättchen 1 und 2 bzw. des Bondsockels 10 entstand durch Zersägen eines größeren Siliziumwafer­ verbundes.

Fig. 2 zeigt zwei Siliziumplättchen 1, 2, einen trapezförmigen Bondsockel 11 und darunter gelegene Gräben 5. Auf die Darstellung der Bonddrähte wurde verzichtet. Der trapezförmige Bondsockel 11 wurde wieder durch die Verwendung von anisotropen Ätzprozessen in 100 orientiertem Silizium erzeugt. Die Ätzung erfolgte durch Ätzung von der Oberseite des Siliziumplättchens 1. Dieser Bondsockel 11 ist mit der längeren der parallelen Seite mit dem Siliziumplättchen 2 verbunden. In das Siliziumplättchen 2 sind jedoch Gräben 5 einge­ bracht, die die Kontaktfläche zwischen Bondsockel 11 und Silizium­ plättchen 2 verringern. Durch diese Maßnahme wird die durch den Bondsockel 11 verursachte Streukapazität zwischen Siliziumplättchen 1 und 2 gering gehalten. Für die Herstellung der Gräben 5 sind eine Vielzahl von Ätzprozessen anwendbar. Neben anisotropen basischen Ätzlösungen können auch Plasmaätzprozesse wie beispielsweise das reaktive Ionenätzen verwendet werden. Die Tiefe der Gräben 5 richtet sich dabei nach der Dicke einer eventuellen dielektrischen Zwischen­ schicht zwischen den Siliziumplättchen 1 und 2. Die Tiefe der Gräben 5 sollte größer sein, als die Dicke einer dielektrischen Schicht zwischen dem Siliziumplättchen 1 und Siliziumplättchen 2. Beim Sili­ ziumdirektbonden durch eine chemisch oxidierte Oberfläche ist die dielektrische Schicht zwischen den Siliziumplättchen 1 und 2 in der Größenordnung von einigen 10 nm, die Gräben 5 müssen daher in diesem Fall nur einige µm tief sein, um die Streukapazität merklich zu verringern. Die Stirnseite wurde wieder durch Zersägen eines größe­ ren Siliziumwaferverbundes erzeugt.

In Fig. 3 werden zwei Siliziumplättchen 1, 2 und ein Bondsockel 13 gezeigt. Der Bondsockel 13 weist einen sechseckigen Querschnitt auf, wobei die jeweils einander gegenüberliegenden Seiten zueinander parallel sind. Dieser Bondsockel 13 wurde durch zweiseitige Ätzung eines 100 orientierten Siliziumwafers hergestellt. Im hier gezeigten Beispiel ist die erzeugte Bondfläche genauso groß wie die Kontakt­ fläche zwischen Bondsockel 13 und Siliziumplättchen 2. Durch dieses Ausführungsbeispiel wird somit das Verhältnis von Bondfläche zu Kontaktfläche nicht verbessert. Als Vorteile sind hier anzuführen, daß die Streukapazität exakt definiert wird, und daß ein Ätzprozeß von beiden Seiten des Siliziumplättchens 1 angewendet werden kann.

In Fig. 4 werden zwei Siliziumplättchen 1, 2 gezeigt, wobei das Siliziumplättchen 1 einen Bondsockel 14 und das Siliziumplättchen 2 eine Ausnehmung 21 aufweist. Der Bondsockel 14 wurde wieder durch zweiseitige Ätzung des Siliziumplättchens 1 hergestellt. Im Gegen­ satz zum Bondsockel 13 aus Fig. 3 wurde beim hier gezeigten Bond­ sockel 14 auch die Stirnseite durch einen Ätzprozeß exakt defi­ niert. Durch die Ausnehmung 21 wird die durch den Bondsockel 14 ver­ ursachte Streukapazität zwischen Siliziumplättchen 1 und Silizium­ plättchen 2 nahezu auf Null verringert. Voraussetzung für die Ver­ wendung der Ausnehmung 21 ist, daß die beim Bonden der Bonddrähte auf den Bondsockeln auftretenden Kräfte die Bondsockel nicht zerstö­ ren. Wenn das Siliziumplättchen 1 die übliche Dicke von einigen Hun­ dert Mikrometer aufweist, so können die beim Bonden auftretenden Kräfte von den Bondsockeln toleriert werden. Die Herstellung der Ausnehmung 21 erfolgte in Fig. 4 durch die Verwendung eines zwei­ seitigen Ätzprozesses in 100 orientiertem Silizium. In äquivalenter Weise können andere, auch einseitige, Ätzprozesse angewendet werden.

In Fig. 5 wird ein kapazitiver Beschleunigungssensor gezeigt, der aus einer Oberplatte 1, einer Mittelplatte 2 und einer Unterplatte 3 aus einkristallinem Silizium aufgebaut ist. Aus der Mittelplatte 2 ist die bewegliche Elektrode 22 bestehend aus einem Biegebalken 31 und einer seismischen Masse 32 herausstrukturiert. Zur Kontaktierung weist die Oberplatte 1 einen Bondsockel 12 und die Mittelplatte ei­ nen Bondsockel 15 auf. Der Bondsockel 12 der Oberplatte 1 ist über eine Stütze 23 mit der Unterplatte 3 verbunden. Die Oberplatte 1 ist im Bereich der beweglichen Elektrode 22 nur teilweise dargestellt, um einen Einblick in den Sensor zu gewähren. Zwischen den einzelnen Siliziumplättchen sind jeweils dünne isolierende Filme gelegen.

Auf diese Weise wird eine Isolation zwischen den verschiedenen Sen­ sorteilen sichergestellt. Auf den Bondsockel 12, den Bondsockel 15 und die Unterplatte 3 ist eine Metallisierung 30 aufgebracht, die das Bonden der Bonddrähte 4 auf den Siliziumoberflächen gestattet. Für eine klarere Darstellung wurde auf die Bonddrähte zum Bondsockel 12 und 15 verzichtet.

Durch Anlegen einer Beschleunigung an den Sensor wird die bewegliche Elektrode 22 aus ihrer Ruhelage ausgelenkt. Wegen des geringen Ab­ standes der seismischen Masse 32 zur Oberplatte 1 bzw. zur Unter­ platte 3 verändert sich die zwischen den Platten gemessene Kapazi­ tät. Die Kapazitätsänderung stellt ein Maß für die anliegende Be­ schleunigung dar. Die Genauigkeit der Messung der Kapazitätsänderung wird durch die parallel zur Meßkapazität geschaltete Streukapazität begrenzt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Bondsockel wird die Streukapazität verringert und so die Empfindlichkeit des Sensors verbessert.

Der Bondsockel 12 weist einen trapezförmigen Querschnitt auf. Die Herstellung eines solchen Querschnittes wurde beispielsweise zur Fig. 1 oder 2 beschrieben. Die Stütze 23 dient dazu, den Bondsockel 12 beim Bondprozeß mechanisch abzustützen. Die Stütze 23 weist kei­ nen elektrischen Kontakt zum Rest der Mittelplatte 2 auf. Wenn der Abstand zwischen Stütze 23 und Rest der Mittelplatte 2 groß genug ist, wird so ein kapazitives Überkoppeln des Bondsockels 12 zur Mittelplatte 2 fast vollständig unterdrückt. Der Bondsockel 15 weist einen näherungsweise trapezförmigen Querschnitt auf und wurde durch zweiseitige Ätzung der Mittelplatte 2 hergestellt. Dabei wurden aus­ schließlich die zur Herstellung der bewegten Elektrode 22 ohnehin notwendigen Ätzprozesse genutzt. Die dabei entstehenden Querschnitte des Bondsockels 15 werden in Fig. 6 im Detail beschrieben. Die Me­ tallisierung 30 wird durch Aufdampfen von beispielsweise Aluminium erzeugt. Um nur einen streifenförmigen Bereich des Sensors mit der Metallisierung 30 zu versehen, wird eine Schattenmaske verwendet.

In Fig. 6 werden verschiedene mögliche Querschnitte des Bondsockels 15 gezeigt. Der Bondsockel 15 wird durch zweiseitige Ätzung der Mittelplatte 2 hergestellt. Da dabei ausschließlich die Ätzprozesse für die Herstellung der beweglichen Elektrode genutzt werden, können diese Querschnitte vom Herstellungsprozeß des beweglichen Sensorteils abhängen. In Fig. 6 werden drei mögliche Querschnitte des Bondsockels 15 gezeigt, die den Begriff näherungsweise trapezförmig definieren. In Fig. 6a wird mit 25 ein näherungsweise trapezförmiger Bondsockel 15 mit zwei Spitzen 44 gezeigt. Dieser Querschnitt ist jedoch insofern näherungsweise trapezförmig, da die Oberseite 45 parallel zur Unterseite 42 ist und zwei schräge Wände 41 und 43 mit einem relativen Winkel zueinander von 70,5° vorhanden sind. Dieser Querschnitt ähnelt somit näherungsweise dem in Fig. 1 gezeigten trapezförmigen Querschnitt des Bondsockels 10. Ähnliches gilt für die Fig. 6b. Die Oberseite 45 ist parallel zur Unterseite 42, die Seitenwände 41 und 43 weisen einen Winkel von 70,5° auf. Die, nicht zum Trapez gehörenden Seiten 45, sind relativ kurz und haben nur einen geringen Winkel zur Oberseite 45. Auch diese Struktur wird daher als näherungsweise trapezförmig bezeichnet. Die Figur nach 6c ist insofern trapezförmig, als daß ein Großteil ihrer Fläche durch ein Trapez mit den Seiten 41, 42 und 43 abgedeckt werden kann. Als Unterschied zur geometrischen Form des Trapezes bleibt nur der vergleichsweise geringe Buckel 46. Welche dieser drei möglichen Querschnitte des Bondsockels 15 durch den Ätzprozeß erzielt wird, hängt von der Prozeßführung für die Herstellung des beweglichen Sensorteils 22 ab. Vorteilhaft für das Bonden ist der Querschnitt wie er in Fig. 6a und Fig. 6b gezeigt wird.

Claims (11)

1. Kapazitiver Sensor, insbesondere zur Messung einer Beschleuni­ gung, Neigung oder Drehrate, der mindestens zwei aufeinanderliegen­ de, leitfähige, gegeneinander isolierte, einkristalline Sili­ zium-Plättchen aufweist, wobei aus mindestens einem der Sili­ zium-Plättchen eine bewegliche Elektrode herausstrukturiert ist, die mit mindestens einem anderen Silizium-Plättchen einen Plattenkonden­ sator bildet, wobei mindestens ein Silizium-Plättchen durch minde­ stens einen Bonddraht elektrisch angeschlossen ist, und darüberlie­ gende Silizium-Plättchen über dem Anschluß eine Ausnehmung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß für den Anschluß des Bonddrahts (4) Tei­ le der Silizium-Plättchen (1, 2, 3) als Bondsockel (10 bis 15) aus­ gebildet sind, daß die Bondsockel (10 bis 15) durch Ätzen bearbeitet sind und daß die Kontaktfläche zwischen den Bondsockeln (10 bis 15) und darunterliegenden Silizium-Plättchen (1, 2, 3), durch Ätzung des Bondsockels (10 bis 15) oder des darunterliegenden Silizium-Plätt­ chens (1, 2, 3) definiert ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche für das Aufbringen des Bonddrahts (4) größer ist als die Kontaktflä­ che zwischen dem Bondsockel (10 bis 15) und dem darunterliegenden Siliziumplättchen (1, 2, 3).

3. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Bondsockel (10, 11, 12) mindestens eines Silizium­ plättchens (1, 2, 3) in mindestens einer Richtung einen trapezförmi­ gen Querschnitt aufweist.

4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bond­ sockel (10) mit der kürzeren der parallelen Seiten des Trapezes mit einem weiteren Silizium-Plättchen (1, 2, 3) verbunden ist.

5. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bondsockel (13, 14) mindestens eines Siliziumplättchens (1, 2, 3) in einer Richtung einen secheckigen Querschnitt aufweist.

6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das unterhalb des Bondsockels (10 bis 15) liegende Silizium-Plättchen (1, 2, 3) in dem Bereich, der unterhalb des Bond­ sockels (10 bis 15) liegt, durch Ätzen bearbeitet ist.

7. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das unterhalb des Bondsockels (10 bis 15) liegende Silizium-Plättchen (1, 2, 3) in dem Bereich, der unterhalb des Bond­ sockels (10 bis 15) liegt, eine Ausnehmung (21) aufweist.

8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß drei Silizium-Plättchen (1, 2, 3) als Ober- (1), Mit­ tel- (2) und Unterplatte (3) verwendet werden, und daß die bewegli­ che Elektrode (22) aus der Mittelplatte (2) ausgebildet ist.

9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Bondsockels (12) der Oberplatte (1) die Mittelplatte (2) als Stütze (23) mit sechseckigem Querschnitt in einer Richtung ausgebildet ist, und daß die Stütze (23) mit dem Bondsockel (12) und der Unterplatte (3) verbunden ist.

10. Sensor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Bondsockel (15) der Mittelplatte (2) in einer Richtung einen nähe­ rungsweise trapezförmigen Querschnitt (25, 26, 27) aufweist, und daß der Abstand zwischen den parallelen Seiten des näherungsweise tra­ pezförmigen Querschnitts (25, 26, 27) in etwa der halben Dicke der Mittelplatte (2) entspricht.

11. Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Bond­ sockel (15) durch Ätzung von beiden Seiten der Mittelplatte (2) er­ zeugt wurde.