EP1537394A1 - Soi bauteil mit stegen zur vereinzelung - Google Patents

Soi bauteil mit stegen zur vereinzelung

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EP1537394A1
EP1537394A1 EP03735275A EP03735275A EP1537394A1 EP 1537394 A1 EP1537394 A1 EP 1537394A1 EP 03735275 A EP03735275 A EP 03735275A EP 03735275 A EP03735275 A EP 03735275A EP 1537394 A1 EP1537394 A1 EP 1537394A1
Authority
EP
European Patent Office
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sensor element
layer
area
sensitive
activatable
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03735275A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Oliver Stoll
Franz Laermer
Gilbert Moersch
Gottfried Flik
Klaus Kuettner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1537394A1 publication Critical patent/EP1537394A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M17/00—Testing of vehicles
    • G01M17/007—Wheeled or endless-tracked vehicles
    • G01M17/0072—Wheeled or endless-tracked vehicles the wheels of the vehicle co-operating with rotatable rolls
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    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
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    • Y10T29/49007—Indicating transducer
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    • Y10T29/49124—On flat or curved insulated base, e.g., printed circuit, etc.
    • Y10T29/4913—Assembling to base an electrical component, e.g., capacitor, etc.
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T29/49124—On flat or curved insulated base, e.g., printed circuit, etc.
    • Y10T29/49155—Manufacturing circuit on or in base
    • Y10T29/49156—Manufacturing circuit on or in base with selective destruction of conductive paths

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a component, in particular a deformation sensor, with a sensor element according to the preamble of the main claim.
  • Application DE 101 56 406.6 describes a method for separating and mounting strain gauges on a deformable membrane, such as those used in high-pressure sensors, for example for diesel common rail applications or in direct petrol injection.
  • the method described in the cited publication is primarily aimed at mass production of deformation sensors which are sensitive, for example, to force or pressure, with the strain gauges, which are produced in a batch process on a wafer, being separated using a predetermined breaking point, which is initially generated in the form of a horizontal predetermined breaking point by applying a layer of porous silicon on a wafer. Then the actual strain gauges are then produced, for which purpose monocrystalline or polycrystalline silicon is grown on the porous layer and then doped in regions, so that the strain gauges are formed in the doped regions.
  • the object of the present invention was to provide an alternative method to DE 101 56 406.6 for producing a component with a sensor element, in particular a deformation sensor with a strain gauge.
  • the method according to the invention has the advantage over the prior art that it is possible to dispense with the production or use of a porous layer as the sacrificial layer, so that the comparatively complex production steps associated therewith can be omitted.
  • the method according to the invention can be used very well for the mass production of components with a sensor element, in particular deformation sensors with a strain gauge, i.e. it is suitable for batch production and it can be used in existing production lines or methods for mounting the sensor element on the component and the connection of the sensor element to the component, in particular a steel part with a membrane provided in some areas, as used for pressure sensors and from DE 101 56 406.6 are known to be integrated.
  • the method according to the invention is also suitable for the manufacture and assembly of temperature sensors, magnetic sensors or as a manufacturing process in the field of integrated electronics, in particular for the manufacture and assembly of integrated electronic circuits, so-called ASICs.
  • the trench surrounding the area of the sensor element to be produced with the sensitive area and at least part of the electrical structures can be carried out with the aid of standard surface-micromechanical processes such as anisotropic plasma etching of trench trenches according to DE 42 41 045 C 1 or sacrificial layer etching. Such processes are established in the production of surface micromechanical components such as acceleration or rotation rate sensors in series production.
  • the predetermined breaking points as connecting points run over trench trenches created perpendicular to the surface of the substrate with the highest possible aspect ratio, while according to DE 101 56 406.1 the predetermined breaking points provided there within the layer structure, that is, in a vertical arrangement with respect to the substrate surface, which is more complex to manufacture and more susceptible to production fluctuations.
  • DE 101 56 406.6 it is necessary to first separate the sensor elements produced by sawing before assembly or connection to the metallic components. This sawing process can be dispensed with in the method according to the invention.
  • the advantages of the method according to the invention lie on the one hand in the good controllability of the process technology used, the comparatively low costs incurred, the avoidance of disadvantages which result from the production of a porous layer in accordance with DE 101 56 406.6, and the complete freedom of design of the geometric shape of the sensor element to be produced, the circumferential trenches to be produced and the arrangement of the electrical structures, since these can be defined, for example, by a photolithographic process.
  • the method according to the invention allows a very good control of the mechanical stability or the desired mechanical instability of the predetermined breaking point due to the good controllability of the individual method steps.
  • the thickness of the strain resistors or strain gauges produced can be set very precisely via the layer thickness of the polycrystalline or monocrystalline silicon layer used, the thicknesses of the strain gauges preferably being between 1 ⁇ m and 20 ⁇ m.
  • the mechanical stability of the at least one connection point which is designed as a predetermined breaking point, can be set very easily via the thickness of the activatable layer and / or the shape of the connection point in a top view.
  • Trench trenches that are as vertical as possible with the highest possible aspect ratio, ie a ratio of the height to the width of the trench trenches of preferably more than 10: 1, are produced from the surface of the activatable layer to the depth of the sacrificial layer.
  • the removal of the sacrificial layer after the creation of the circumferential trench, which extends in depth to the sacrificial layer, can be carried out particularly easily by a conventional isotropic etching process, for example gas phase etching with HF steam. In this way, the sacrificial layer is removed from under the sensor element to be produced, so that it is initially held in a self-supporting manner with the aid of the at least one connection point above the cavity created by removing the sacrificial layer.
  • evaluation electronics and / or control electronics assigned to the sensor element are at least partially integrated in the vicinity of the generated strain gauges or strain resistors or more generally of the generated sensitive area. This leads to further cost savings.
  • the inventive method is particularly suitable for the cost-effective production of high-pressure sensors with a steel membrane, which can be used for pressures up to 1800 bar, and for the production of strain gauges that can be used in a force sensor in a batch process.
  • FIGS. 1 a to 1d show different method steps when structuring a sensor element out of a layer arrangement in section
  • FIG. 2 shows a plan view of FIG. 1d
  • FIGS. 3a to 3d starting from FIG Sensor element on a carrier in different method steps
  • FIGS. 4a to 4c show different exemplary embodiments for executing the sensor element connected to the component in a top view, starting from FIG. embodiments
  • FIG. 1 shows a substrate 21, for example a silicon wafer, on which a sacrificial layer 20, for example made of silicon oxide, is located.
  • An activatable layer 10 is applied to the sacrificial layer 20 and consists, for example, of polycrystalline or monocrystalline silicon.
  • FIG. 1 a there is a sandwich structure with the layer sequence silicon-silicon oxide-silicon. If a monocrystalline silicon layer is used as the activatable layer 10, a commercially available SOI wafer can also be used as the sandwich structure according to FIG.
  • FIG. 1 b explains how the activatable layer 10 is structured in a second method step.
  • a sensitive area 12 for example in the form of a strain gauge or a strain resistance, is generated superficially in regions in the activatable layer 10 by ion implantation or diffusion.
  • evaluation electronics 72 can already be integrated on the activatable layer 10 at this stage.
  • a metallization can also be applied for subsequent electrical contacting of the sensitive area 12 or for an evaluation circuit or control electronics applied to the activatable layer 10.
  • FIG. 1b shows how, in addition to the plurality of sensitive areas 12, contact areas 13 in the form of metallic contact pads have also been applied to the activatable layer 10.
  • Such a Wheatstone bridge circuit 14 has a plurality of sensitive areas 12, in particular four strain gauges, and contact areas 13 or conductor tracks which have been applied or integrated on the activatable layer 10 or in the region of the surface of the activatable layer 10, and optionally also an integrated evaluation circuit.
  • a passivation layer (not shown) can also be applied to the activatable layer 10. This passivation layer is then opened in the area of the contact points 13 in the further course or alternatively remains open during the generation in the areas 13.
  • FIG. 1c shows how, in a further method step, using a standard photolithographic process, trenches 11 are etched into the activatable layer 10, which extend as far as the sacrificial layer 20. These trenches 11 are trench trenches made as vertically as possible with the highest possible aspect ratio. At the same time, the final geometric shape of the strain gauges generated is determined in plan view with the help of this standard photolithographic process.
  • connection points 25 designed as predetermined breaking points, which connect these regions with parts of the activatable layer 10 that lie outside of the trenches 11 enclosed areas connect.
  • connection points 25 is, after removing the sacrificial layer 20 below the sensor element 15, to initially hold the relevant area of the activatable layer 10, which is enclosed by the trenches 11, in a self-supporting manner, but at the same time as weak a mechanical connection as possible with remaining parts the activatable layer 10 should be present, which can be easily broken (predetermined breaking point).
  • connection points 25, as shown in FIG. 2 preferably have a triangular design.
  • connection point 25 that are statically optimized for the individual case are also possible.
  • the sacrificial layer 20 in the region below the activatable layer 10, which is enclosed by the trenches 11, is then removed via the trenches 11 that are produced.
  • this removal of the sacrificial layer is preferably carried out by HF gas phase etching.
  • connection point 25 can be adjusted in a very simple manner by the thickness of the monocrystalline or polycrystalline layer 10 applied to the sacrificial layer 20 and also by the shape of the connection point 25 in a top view.
  • FIG. 2 explains a top view of FIG. It can be seen here that the trenches 11 are each interrupted by four connection points 25, the trenches 11 each enclosing a sensor element 15 which is connected to the activatable layer 10 via the connection points 25 and is held cantilevered above the cavity 27. It can also be seen in FIG. 2 that each of the sensor elements 15 has four contact surfaces 13, via which the four provided sensitive regions 12 can be electrically controlled or read out, which are designed in the form of strain gauges and each form a wheatstone within the sensor element 15. see bridge circuit 14 are interconnected.
  • FIG. 3a shows how the layer structure according to FIG. 1d is initially held on a clamping device 40, for example an electrostatic chuck, with the sensor elements 15 held cantilevered over the connection points 25.
  • 3b shows how one of the sensor elements 15 is fixed and raised with a preset force with the aid of a gripper 50, for example a vacuum gripper, so that the connection points 25 are broken open by simultaneously holding the substrate 21 with the clamping device 40.
  • a gripper 50 for example a vacuum gripper
  • FIG. 3d further shows that a plurality are arranged in front of carriers 70 on a belt and are each provided with a sensor element 15 one after the other.
  • the method according to FIGS. 3a to 3d is a pick-and-place assembly principle, which is preferably operated as a continuous process.
  • this adhesive is then cured, for example in an oven.
  • an assembly method can also be used in which the carriers 70 are held by a workpiece carrier during the adjustment and the assembly of the sensor elements 15.
  • a gripper 50 instead of a gripper 50, a different type of holding device can also be used, with which the sensor element can be grasped, the connection point broken open, and the sensor elements 15 can be adjusted and mounted on the carrier 70.
  • FIG. 4a shows a top view of a component 5 with a sensor element 15, which has been mounted and fixed on a steel support 70 with a membrane area 71 in accordance with the procedure according to FIG. 3d, the design of the sensor element 15 corresponding to the design based on FIG. 2 ,
  • four sensitive areas 12 are arranged in the form of expansion resistances in the compression area of the membrane 71, connected to one another via conductor tracks (not shown) to the Wheatstone bridge circuit 14 and can be electrically contacted via the contact surfaces 13.
  • FIG. 4b explains an alternative embodiment for the design of the sensor element 15 and its arrangement on the carrier 70 with the membrane region 71, which has the advantage of a reduced space requirement with almost the same functionality.
  • An electronic circuit 72 in the form of evaluation electronics or control electronics is preferably already integrated in the sensor element 15 according to FIGS. 4a or 4b. Here, however, care should be taken to ensure that the electronic circuit 72 is decoupled as well as possible from mechanical voltages, since components such as transistors and resistors have a voltage sensitivity that is often high.
  • FIG. 4c shows an arrangement in which, starting from the arrangement according to FIG. 4b, an electronic circuit 72 as evaluation electronics or control electronics outside the membrane region 71, which at the same time the deformation region of the deformation sensor, which is caused by the component 5 with the applied sensor element 15 is formed, has been attached, which is connected to the sensor element 15 via conductor tracks, not shown.
  • the electronic circuit 72 is designed in the form of a separate chip.
  • the Wheatstone bridge circuit 14 and the contact surfaces 13 are only shown schematically. With regard to further details of the method, reference is also made to the application DE 101 56 406.6.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (5), insbesondere eines Verformungssensors, mit einem Sensorelement (15) mit mindestens einem auf eine Dehnung oder Stauchung sensitiven Bereich (12) sowie damit in Verbindung stehenden elektrischen Strukturen (13, 14, 72) vorgeschlagen. Dazu wird auf oder in einem Substrat (21) eine Opferschicht (20) und auf der Opferschicht (20) eine aktivierbare Schicht (10) angelegt, wobei sich der sensitive Bereich (12) und zumindest ein Teil der elektrischen Strukturen (13, 14, 72) auf oder innerhalb einer aktivierbaren Schicht (10) befindet, und um den Bereich des zu erzeugenden Sensorelementes (15) mit dem sensitiven Bereich (12) und dem Teil der elektrischen Strukturen (13, 14, 72) ein umlaufender Graben (11) erzeugt, der von mindestens einer Verbindungsstelle (25) unterbrochen ist, die den Bereich des Sensorelementes (15) mit dem ausserhalb des umlaufenden Grabens (11) liegenden Teil der aktivierbaren Schicht (10) verbindet. Danach erfolgt ein Entfernen der Opferschicht (20) unter dem Bereich des Sensorelementes (15), ein Fixieren des Bereiches des Sensorelementes (15) mit einer Halteinrichtung (50), ein Aufbrechen der Verbindungsstellen (25) und ein Transfer des mit der Halteinrichtung (50) fixierten Sensorelementes (15) sowie ein Verbinden mit einem Träger (70) zu dem Bauteil (5).

Description

SOI BAUTEIL MIT STEGEN ZUR VEREINZELUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines Verformungssensors, mit einem Sensorelement nach der Gattung des Hauptanspruches.
Stand der Technik
In der Anmeldung DE 101 56 406.6 wird ein Verfahren zur Vereinzelung und Montage von Dehnmessstreifen auf einer verformbaren Membran beschrieben, wie sie in der Hochdrucksensorik, beispielsweise für Diesel-Common-Rail-Anwendungen oder in der Benzindirekteinspritzung, eingesetzt werden. Die in der genannten Veröffentlichung beschriebene Methode zielt vor allem auf eine Massenfertigung von Verformungssensoren, die beispielsweise auf Kraft bzw. Druck sensitiv sind, wobei eine Vereinzelung der Dehnungsmessstreifen, welche in einem Batch-Verfahren auf einem Wafer hergestellt werden, mit Hilfe einer Sollbruchstelle erfolgt, die zunächst in Form einer horizontalen Sollbruchstelle durch Aufbringen einer Schicht aus porösem Silizium auf einem Wafer erzeugt wird. Anschließend werden dann die eigentlichen Dehnungsmessstreifen hergestellt, wozu monokristallines oder polykristallines Silizium auf der porösen Schicht aufgewachsen und anschließend bereichsweise dotiert wird, so dass die Dehnmessstreifen in den dotierten Bereichen entstehen. Diese können danach mittels der Sollbruchstelle mit der aufgewachsenen Schicht von dem Wafer abgelöst werden. Die Vereinzelung der Dehnmessstreifen erfolgt abschließend durch Sägen, bevor sie auf einer Membran montiert werden. Der dazu eingesetzte Montageprozess ist in DE 101 56 406.6 ebenfalls beschrieben. Aufgabe der vorliegenden Erfindung war die Bereitstellung eines zu DE 101 56 406.6 alternativen Verfahrens zur Herstellung eines Bauteils mit einem Sensorelement, insbesondere eines Verformungssensors mit einem Dehnungsmessstreifen.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass auf die Herstellung bzw. die Verwendung einer porösen Schicht als Opferschicht verzichtet werden kann, so dass die damit verbundenen, vergleichsweise aufwändigen Fertigungsschritte entfallen können.
Weiter ist vorteilhaft, dass das erfindungsgemäße Verfahren sehr gut zur massenhaften Herstellung von Bauteilen mit einem Sensorelement, insbesondere Verformungssensoren mit einem Dehnungsmessstreifen, eingesetzt werden kann, d.h. es eignet sich zur Batch- Fertigung und es kann in bestehende Fertigungslinien bzw. Verfahren zur Montage des Sensorelementes auf dem Bauteil und die Verbindung des Sensorelementes mit dem Bauteil, insbesondere einem Stahlteil mit einer bereichsweise vorgesehenen Membran, wie sie für Drucksensoren eingesetzt und aus DE 101 56 406.6 bekannt sind, integriert werden. Daneben eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren aber auch für die Herstellung und Montage von Temperatursensoren, magnetischen Sensoren oder auch als Fertigungsverfahren im Bereich der integrierten Elektronik, insbesondere zur Herstellung und Montage von integrierten elektronischen Schaltungen, sogenannten ASIC's.
Vorteilhaft ist weiter, dass der um den Bereich des zu erzeugenden Sensorelementes mit dem sensitiven Bereich und zumindest einem Teil der elektrischen Strukturen umlaufende Graben mit Hilfe oberflächenmikromechanischer Standardprozesse wie beispielsweise a- nisotropes Plasmaätzen von Trenchgräben gemäß DE 42 41 045 C 1 oder Opferschichtätzen erfolgen kann. Derartige Prozesse sind bei der Herstellung oberflächenmikromechanischer Bauteile wie Beschleunigungs- oder Drehratensensoren in der Serienfertigung e- tabliert.
Vorteilhaft ist zudem, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Sollbruchstellen als Verbindungsstellen über senkrecht zu der Oberfläche des Substrates erzeugten Trenchgräben mit einem möglichst hohem Aspektverhältnis verlaufen, während gemäß DE 101 56 406.1 die dort vorgesehenen Sollbruchstellen innerhalb des Schichtaufbaus, d.h. in einer vertikalen Anordnung bezogen auf die Substratoberfläche, vorliegen, was aufwändiger in der Herstellung und anfälliger gegenüber Fertigungsschwankungen ist. Daneben ist es gemäß DE 101 56 406.6 erforderlich, die erzeugten Sensorelemente vor der Montage bzw. der Verbindung mit den metallischen Bauteilen durch Sägen zunächst zu vereinzeln. Auf diesen Sägeprozess kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verzichtet werden.
Insgesamt liegen die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahren einerseits in der guten Beherrschbarkeit der eingesetzten Prozesstechnik, den vergleichsweise niedrigen anfallenden Kosten, der Umgehung von Nachteilen, die sich aus der Erzeugung einer porösen Schicht gemäß DE 101 56 406.6 ergeben, und der völligen Designfreiheit der geometrischen Form des zu erzeugenden Sensorelementes, der zu erzeugenden umlaufenden Gräben und der Anordnung der elektrischen Strukturen, da diese beispielsweise durch einen fotolithographischen Prozess definiert werden können. Überdies erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren aufgrund der guten Beherrschbarkeit der einzelnen Verfahrensschritte eine sehr gute Kontrolle der mechanischen Stabilität bzw. der angestrebten mechanischen Instabilität der Sollbruchstelle.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.
So ist besonders vorteilhaft, dass die Dicke der erzeugten Dehnwiderstände bzw. Dehnungsmessstreifen über die Schichtdicke der eingesetzten polykristallinen oder monokristallinen Siliziumschicht sehr genau eingestellt werden kann, wobei die Dicken der Dehnungsmessstreifen bevorzugt zwischen 1 μm und 20 μm liegen. Daneben kann die mindestens eine Verbindungsstelle, die als Sollbruchstelle ausgebildet ist, in ihrer mechanischen Stabilität sehr einfach über die Dicke der aktivierbaren Schicht und/oder die Form der Verbindungsstelle in Draufsicht eingestellt werden.
Zur Erzeugung des umlaufenden Grabens hat sich als besonders vorteilhaft der Einsatz eines anisotropen Plasmaätzverfahrens herausgestellt, wie es aus DE 42 41 045 Cl bekannt ist. Dabei werden von der Oberfläche der aktivierbaren Schicht bis in die Tiefe der Opferschicht möglichst senkrechte Trenchgräben mit einem möglichst hohen Aspektverhältnis, d.h. einem Verhältnis von Höhe zu Breite der Trenchgräben, von bevorzugt mehr als 10: 1, erzeugt. Das Entfernen der Opferschicht nach dem Erzeugen des umlaufenden Grabens, der in der Tiefe bis zur Opferschicht reicht, kann besonders einfach durch ein übliches isotropes Ätzverfahren, beispielsweise ein Gasphasenätzen mit HF-Dampf, erfolgen. Auf diese Weise wird die Opferschicht unter dem zu erzeugenden Sensorelement entfernt, so dass dieses zunächst freitragend mit Hilfe der mindestens einen Verbindungsstelle über dem durch Entfernen der Opferschicht erzeugten Hohlraum gehalten wird.
Eine Möglichkeit zur weiteren Prozessvereinfachung und Verbesserung der Prozesskontrolle, insbesondere hinsichtlich der erzeugten Schichtdicke und der Erzeugung von Versetzungen, ergibt sich bei der Verwendung handelsüblicher SOI- Wafer („Silicon-On- Isolator"), d.h. es ist nun auch möglich, eine versetzungsarme, monokristalline, aktivierbare Schicht einzusetzen.
Schließlich ist vorteilhaft, wenn die dem Sensorelement zugeordnete Auswerteelektronik und/oder Ansteuerelektronik zumindest zum Teil in der Umgebung der erzeugten Dehnungsmessstreifen bzw. Dehnwiderstände oder allgemeiner des erzeugten sensitiven Bereiches integriert ist. Dies führt zu weiteren Kostenersparnissen.
Das erfindungemäße Verfahren eignet sich besonders zur kostengünstigen Produktion von Hochdrucksensoren mit einer Stahlmembran, die für Drücke bis zu 1800 bar eingesetzt werden können, sowie zur Herstellung von Dehnungsmessstreifen, die in einem Kraftsensor einsetzbar sind, im Rahmen eines Batch-Verfahrens.
Zeichnungen
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur la bis Figur ld verschiedene Verfahrensschritte beim Herausstrukturieren eines Sensorelementes aus einer Schichtanordnung im Schnitt, Figur 2 eine Draufsicht auf Figur ld, Figur 3a bis Figur 3d, ausgehend von Figur ld, das Herausbrechen eines Sensorelementes und den Transfer und das Fixieren des herausgebrochenen Sensorelementes auf einem Träger in verschiedenen Verfahrensschritten, und Figur 4a bis Figur 4c verschiedene Ausführungsbeispiele zur Ausführung des mit dem Bauteil verbundenen Sensorelementes in Draufsicht, ausgehend von Figur ld. Ausführungsbeispiele
Die Figur 1 zeigt ein Substrat 21, beispielsweise einen Siliziumwafer, auf dem sich eine Opferschicht 20, beispielsweise aus Siliziumoxid, befindet. Auf der Opferschicht 20 ist eine aktivierbare Schicht 10 aufgebracht, die beispielsweise aus polykristallinem oder monokristallinem Silizium besteht. Insofern liegt gemäß Figur la eine Sandwichstruktur mit der Schichtabfolge Silizium-Siliziumoxid-Silizium vor. Wenn eine monokristalline Siliziumschicht als aktivierbare Schicht 10 eingesetzt wird, kann als Sandwichaufbau gemäß Figur la auch ein handelsüblicher SOI- Wafer eingesetzt werden.
Die Figur 1 b erläutert, wie in einem zweiten Verfahrensschritt eine Strukturierung der aktivierbaren Schicht 10 vorgenommen wird. Dazu wird in der aktivierbaren Schicht 10 bereichsweise oberflächlich durch Ionenimplantation oder Diffusion ein sensitiver Bereich 12, beispielsweise in Form eines Dehnungsmessstreifens bzw. eines Dehnwiderstandes, erzeugt. Gleichzeitig kann, insbesondere bei einer monokristallinen aktivierbaren Schicht 10, auch in diesem Stadium bereits eine Auswerteelektronik 72 auf der aktivierbaren Schicht 10 integriert werden. Weiter kann in diesem Stadium auch eine Metallisierung für eine spätere elektrische Kontaktierung des sensitiven Bereiches 12 bzw. für eine auf der aktivierbaren Schicht 10 aufgebrachte Auswerteschaltung oder Ansteuerelektronik aufgebracht werden. Insbesondere ist in Figur lb dargestellt, wie neben der Mehrzahl von sensitiven Bereichen 12 auf der aktivierbaren Schicht 10 auch Kontaktflächen 13 in Form von metallischen Kontaktpads aufgebracht worden sind.
Bevorzugt wird bereits in dem Verfahrensschritt gemäß Figur lb mit einer Mehrzahl von Dehnwiderständen bzw. Dehnungsmessstreifen 12 und mit Hilfe von elektrischen Strukturen, insbesondere den Kontaktflächen 13 und nicht dargestellten Leiterbahnen, für jedes zu erzeugende Sensorelement 15 eine Wheatstone'sche Brückenschaltung 14 oder eine o- der mehrere Halbbrücken einer Wheatstone'schen Brückenschaltung 14 erzeugt.
Eine derartige Wheatstone'sche Brückenschaltung 14 weist mehrere sensitive Bereiche 12, insbesondere vier Dehnungsmessstreifen, und Kontaktflächen 13 bzw. Leiterbahnen auf, die auf der aktivierbaren Schicht 10 oder im Bereich der Oberfläche der aktivierbaren Schicht 10 aufgebracht bzw. integriert worden sind, sowie optional auch eine integrierte Auswerteschaltung. Zum Schutz der Kontaktflächen 13, der sensitiven Bereiche 12 und/oder auch einer gegebenenfalls bereits angelegten Auswerteelektronik bzw. Ansteuerelektronik kann zusätzlich auch eine nicht dargestellte Passivierschicht auf die aktivierbare Schicht 10 aufgebracht werden. Diese Passivierschicht wird im Bereich der Kontaktstellen 13 im weiteren Verlauf dann geöffnet bzw. bleibt alternativ schon bei der Erzeugung in den Bereichen 13 geöffnet.
Die Figur lc zeigt, wie in einem weiteren Verfahrensschritt unter anderem mit Hilfe eines fotolithographischen Standardprozesses Gräben 1 1 in die aktivierbare Schicht 10 eingeätzt werden, die bis zur Opferschicht 20 reichen. Diese Gräben 11 sind möglichst senkrecht ausgeführte Trenchgräben mit möglichst hohem Aspektverhältnis. Gleichzeitig wird mit Hilfe dieses fotolithographischen Standardprozess auch die endgültige geometrische Form der erzeugten Dehnungsmessstreifen in Draufsicht festgelegt.
Beim Erzeugen der Gräben 11 ist wichtig, dass die von den Gräben 11 eingeschlossenen Bereiche der aktivierbaren Schicht 10, die später das Sensorelement 15 bilden sollen, als Sollbruchstellen ausgeführte Verbindungsstellen 25 aufweisen, die diese Bereiche mit Teilen der aktivierbaren Schicht 10, die außerhalb der von den Gräben 11 umschlossenen Bereiche liegen, verbinden. Bevorzugt sind mehrere Verbindungsstellen 25, beispielsweise zwei oder vier, vorgesehen.
Die Aufgabe der Verbindungsstellen 25 besteht darin, nach einem Entfernen der Opferschicht 20 unterhalb des Sensorelementes 15 den betreffenden Bereich der aktivierbaren Schicht 10, der von den Gräben 11 eingeschlossen ist, zunächst freitragend zu halten, wobei jedoch gleichzeitig eine möglichst schwache mechanische Verbindung mit verbliebenen Teilen der aktivierbaren Schicht 10 vorliegen sollte, die leicht gebrochen werden kann (Sollbruchstelle).
In Draufsicht haben die Verbindungsstellen 25, wie in Figur 2 dargestellt, bevorzugt ein dreieckförmiges Design. Es sind jedoch auch andere, statisch auf den Einzelfall optimierte Ausführungsformen für die Verbindungsstelle 25 möglich.
Nach dem erläuterten Trenchprozess, der bevorzugt durch anisotropes Plasmaätzen erfolgt, wird dann über die erzeugten Gräben 11 die Opferschicht 20 in dem Bereich unterhalb der aktivierbaren Schicht 10, der von den Gräben 1 1 umschlossen wird, entfernt. Dieses Entfernen der Opferschicht geschieht im Fall einer Siliziumoxid-Opferschicht bevorzugt durch HF-Gasphasenätzen.
Nach diesem Verfahrensschritt ergibt sich ein Aufbau gemäß Figur ld, d.h. das zu erzeugende Sensorelement 15 mit den zugeordneten sensitiven Bereichen 12 wird nur noch ü- ber die Verbindungsstellen 25 über einem durch Entfernen der Opferschicht 20 erzeugten Hohlraum 27 gehalten.
Die mechanische Stabilität der Verbindungsstelle 25 kann dabei in sehr einfacher Weise durch die Dicke der auf die Opferschicht 20 aufgebrachten monokristallinen oder polykristallinen Schicht 10 sowie auch durch die Form der Verbindungsstelle 25 in Draufsicht eingestellt werden.
Die Figur 2 erläutert eine Draufsicht auf Figur ld. Dabei ist erkennbar, dass die Gräben 1 1 jeweils von vier Verbindungsstellen 25 unterbrochen sind, wobei die Gräben 11 jeweils ein Sensorelement 15 umschließen, das über die Verbindungsstellen 25 mit der aktivierbaren Schicht 10 verbunden und über dem Hohlraum 27 freitragend gehalten wird. Weiter ist in Figur 2 erkennbar, dass jedes der Sensorelemente 15 über vier Kontaktflächen 13 verfügt, über die die jeweils vier vorgesehenen sensitiven Bereiche 12 elektrisch ansteuerbar bzw. auslesbar sind, die in Form von Dehnungsmessstreifen ausgeführt und innerhalb des Sensorelementes 15 jeweils zu einer Wheatstone' sehen Brückenschaltung 14 miteinander verschaltet sind.
Insgesamt ist gemäß Figur 2 eine Vielzahl von Sensorelementen 15 auf einem gemeinsamen Substrat 21 erzeugt worden, die im Folgenden vereinzelt werden.
Die Figur 3a zeigt dazu, wie der Schichtaufbau gemäß Figur ld mit den über die Verbindungsstellen 25 freitragend gehaltenen Sensorelementen 15 zunächst auf einer Klemmvorrichtung 40, beispielsweise einem elektrostatischen Chuck, gehalten wird. Daneben ist gemäß Figur 3b dargestellt, wie eines der Sensorelemente 15 mit Hilfe eines Greifers 50, beispielsweise eines Vakuumgreifers, mit einer voreingestellten Kraft fixiert und angehoben wird, so dass die Verbindungsstellen 25 durch das gleichzeitige Festhalten des Substrates 21 mit der Klemmvorrichtung 40 aufgebrochen werden. Insgesamt wird dadurch das Sensorelement 15 von der Verbindung mit dem Substrat 21 bzw. der aktivierbaren Schicht 10 gelöst, was in Figur 3c dargestellt ist. Anschließend wird dann das von dem Greifer 50 fixierte Sensorelement 15 auf einen Träger 70 transferiert, der im erläuterten Beispiel als Stahlträger oder Stahlsubstrat mit einem oberflächlich vorgesehenen Membranbereich 71 ausgebildet ist, so dass das mit dem Träger 70 verbundene Sensorelement 15 als Verformungssensor dienen kann. Die Figur 3d zeigt in diesem Zusammenhang weiter, dass eine Mehrzahl vor Trägern 70 auf einem Band angeordnet sind, und nacheinander jeweils mit einem Sensorelement 15 versehen werden. Insofern handelt es sich bei dem Verfahren gemäß den Figuren 3a bis 3d um ein Pick-and-Place-Montageprinzip, das bevorzugt als Durchlaufverfahren betrieben wird.
Weiter sei erwähnt, dass die Justage der Sensorelemente 15 mit Hilfe des Greifers 50 relativ zu den Trägern 70 auf der eingesetzten Transportvorrichtung 60 bevorzugt wie in DE 101 56 406.6 beschrieben erfolgt.
Nach der Montage der Sensorelemente 15 auf den Trägern 70, wobei die Sensorelemente 15 beispielsweise durch einen Kleber auf den Trägern 70 gehalten werden, erfolgt dann eine Härtung dieses Klebers, beispielsweise in einem Ofen.
Alternativ zu dem Durchlaufverfahren gemäß Figur 3c und der dabei eingesetzten Transportvorrichtung 60 kann auch ein Montageverfahren eingesetzt werden, bei dem die Träger 70 durch einen Werkstückträger bei der Justage und der Montage der Sensorelemente 15 gehalten werden.
Im Übrigen sei noch erwähnt, dass anstelle eines Greifers 50 auch eine anders geartete Halteeinrichtung eingesetzt werden kann, mit der das Sensorelement erfasst, die Verbindungsstelle aufgebrochen und eine Justage und eine Montage der Sensorelemente 15 auf dem Träger 70 erfolgen kann.
Ein wesentlicher Vorteil des erläuterten Verfahrens liegt in der Vielzahl der damit erzeugbaren geometrischen Formen der Sensorelemente 15, die so an den jeweiligen Anwendungsfall optimiert ausgeführt werden können. Daneben können die sensitiven Bereiche 12 oder Dehnungsmessstreifen je nach Bedarf auch auf unterschiedliche Weise auf dem Träger 70 oder relativ zu dem Membranbereich 71 angeordnet werden. Die Figur 4a zeigt dazu eine Draufsicht auf ein Bauteil 5 mit einem Sensorelement 15, das entsprechend dem Vorgehen nach Figur 3d auf einem Stahlträger 70 mit einem Membranbereich 71 montiert und fixiert worden ist, wobei das Design des Sensorelementes 15 dem Design ausgehend von Figur 2 entspricht. Insbesondere ist gemäß Figur 4a vorgesehen, dass vier sensitive Bereiche 12 in Form von Dehnwiderständen im Stauchbereich der Membran 71 angeordnet, über nicht dargestellte Leiterbahnen zu der Wheatstone'schen Brückenschaltung 14 miteinander verschaltet und über die Kontaktflächen 13 elektrisch kontaktierbar sind.
Bei der Anordnung gemäß Figur 4a wird im Fall der Ausführung der aktivierbaren Schicht 10 aus monokristallinem Silizium insbesondere ausgenutzt, dass der longitudinale k-Faktor und der transversale k-Faktor von monokristallinem Silizium unterschiedliche Vorzeichen aufweisen.
Die Figur 4b erläutert eine alternative Ausführungsform für das Design des Sensorelementes 15 und dessen Anordnung auf dem Träger 70 mit dem Membranbereich 71, das den Vorteil eines verringerten Flächenbedarfes bei nahezu gleicher Funktionalität hat.
Bevorzugt ist eine elektronische Schaltung 72 in Form einer Auswerteelektronik oder einer Ansteuerelektronik bereits in das Sensorelement 15 gemäß den Figuren 4a oder 4b integriert. Hierbei ist aber auf eine möglichst gute Entkoppelung der elektronischen Schaltung 72 gegenüber mechanischen Spannungen zu achten, da Bauelemente wie Transistoren und Widerstände eine vielfach hohe Spannungssensitivität aufweisen.
Alternativ kann die elektronische Schaltung 72 aber auch außerhalb des Verformungsbereiches des Bauteils 5, d.h. insbesondere außerhalb des Membranbereiches 71, angebracht sein. Die Figur 4c zeigt hierzu eine Anordnung, bei der, ausgehend von der Anordnung gemäß Figur 4b, eine elektronische Schaltung 72 als Auswerteelektronik bzw. Ansteuerelektronik außerhalb des Membranbereiches 71, der gleichzeitig der Verformungsbereich des Verformungssensors, der durch das Bauteil 5 mit dem aufgebrachten Sensorelement 15 gebildet wird, angebracht worden ist, die über nicht dargestellte Leiterbahnen mit dem Sensorelement 15 in Verbindung steht. Bevorzugt ist in diesem Fall vorgesehen, dass die elektronische Schaltung 72 in Form eines separaten Chips ausgeführt ist. Generell sei zu den erläuterten Anordnungen noch betont, dass die Wheatstone'sche Brückenschaltung 14 und die Kontaktflächen 13 lediglich schematisch dargestellt sind. Hinsichtlich weiterer Verfahrensdetails wird zudem auch auf die Anmeldung DE 101 56 406.6 verwiesen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (5), insbesondere eines Verformungssensors, mit einem Sensorelement (15) mit mindestens einem auf eine Dehnung oder Stauchung sensitiven Bereich (12) sowie damit in Verbindung stehenden elektrischen Strukturen (13, 14, 72), wobei der sensitive Bereich (12) auf oder innerhalb einer aktivierbaren Schicht (10) angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf oder in einem Substrat (21) eine Opferschicht (20) und auf der Opferschicht (20) die aktivierbare Schicht (10) angelegt wird, dass auf oder in der aktivierbaren Schicht (10) der zumindest eine sensitive Bereich (12) und zumindest ein Teil der elektrischen Strukturen (13, 14, 72) angelegt werden, dass um den Bereich des zu erzeugenden Sensorelementes (15) mit dem mindestens einen sensitiven Bereich (12) und zumindest dem Teil der elektrischen Strukturen (13, 14, 72) ein umlaufender Graben (1 1) erzeugt wird, der von mindestens einer Verbindungsstelle (25) unterbrochen ist, die den Bereich des Sensorelementes (15) mit dem außerhalb des umlaufenden Grabens (11) liegenden Teil der aktivierbaren Schicht (10) verbindet, dass ein Entfernen der Opferschicht (10) unter dem Bereich des Sensorelementes (15) erfolgt, dass der Bereich des Sensorelementes (15) mit einer Halteinrichtung (50) fixiert und die Verbindungsstellen (25) aufgebrochen werden, und dass ein Transfer des mit der Halteinrichtung (50) fixierten Sensorelementes (15) und ein Verbinden mit einem Träger (70) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Opferschicht (20) eine Schicht aus Siliziumoxid, insbesondere auf einem Substrat (21) auf Silizium, und als aktivierbare Schicht (10) eine Schicht aus polykristallinem oder monokristallinem Silizium eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der sensitive Bereich (12) als Dehnwiderstand oder Dehnungsmessstreifen, insbesondere mit einer Dicke von 1 μm bis 20 μm, in einem Oberflächenbereich der aktivierbaren Schicht (10) o- der auf der Oberfläche aktivierbaren Schicht (10), insbesondere auf oder im Bereich von deren Oberseite oder Unterseite, erzeugt wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der sensitive Bereich (12) durch bereichsweise Dotierung der aktivierbaren Schicht (10), insbesondere mittels Ionenimplantation oder Eindiffusion von Fremdatomen, erzeugt wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf oder in einer Umgebung des sensitiven Bereiches (12) mindestens eine Kontaktfläche (13), insbesondere in Form einer oberflächlichen Metallisierung, erzeugt wird, ü- ber die der sensitive Bereich (12) elektrisch kontaktierbar ist.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Verbindungsstelle (25) als Sollbruchstellen ausgebildet wird, und dass die mechanische Stabilität der als Sollbruchstelle dienenden Verbindungsstelle (25) über die Dicke der aktivierbaren Schicht (10) und/oder die Form der Verbindungsstelle (25) in Draufsicht eingestellt wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der umlaufende Graben (11) in einem Trenchprozess, insbesondere einem anisotropen Plasmaätzverfahren, derart erzeugt wird, dass er von der Oberfläche der aktivierbaren Schicht (10) in der Tiefe bis zu der Opferschicht (20) reicht.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferschicht (20) nach dem Erzeugen des umlaufenden Grabens (11) durch Ätzen, insbesondere durch Gasphasenätzen mit HF-Dampf, derart unter dem Sensorelement (15) entfernt wird, dass dieses freitragend von der mindestens einen Verbindungsstelle (25) über einem Hohlraum (27) gehalten wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der sensitive Bereich (12) mit einer Mehrzahl von Dehnwiderständen oder Dehnungsmessstreifen angelegt wird, die mit Hilfe der elektrischen Strukturen (13, 14, 72) zu einer Wheatstone'schen Brückenschaltung (14) oder einer Halbbrücke einer Wheatstone- schen Brückenschaltung verschaltet werden.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der elektrischen Strukturen (13, 14, 72), insbesondere in Form einer Auswertelektronik (72) oder Ansteuerelektronik und/oder in Form von Kontaktflächen (13) und/oder einer Brückenschaltung (14), auf dem sensitiven Bereich (12) angelegt wird, oder dass zumindest ein Teil der elektrischen Strukturen (13, 14, 72), insbesondere in Form einer Auswertelektronik (72) oder Ansteuerelektronik und/oder in Form von Kontaktflächen (13) und/oder einer Brückenschaltung (14), auf oder innerhalb der aktivierbaren Schicht ( 10) angelegt wird.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbrechen der Verbindungsstellen (25) mit Hilfe eines Greifers, insbesondere eines Vakuumgreifers (50), erfolgt, der das herauszulösende Sensorelement (15) erfasst, und dass das Substrat (21) bei diesem Aufbrechen mit einer Halteeinrichtung, insbesondere einer elektrostatischen Klemmvorrichtung (40), fixiert wird.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (15) zumindest teilweise über einem Membranbereich (71) oder einem Verformungsbereich des Trägers (70) mit dem Träger (70), insbesondere einem Stahlsubstrat, verbunden, insbesondere verklebt, wird.
13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Sensorelementen (15) gleichzeitig auf dem Substrat (21) erzeugt werden, und dass die Sensorelemente (15) insbesondere einzeln nacheinander mit der Halteinrichtung (50) fixiert, nach Aufbrechen der mindestens einen Verbindungsstelle (25) transferiert und mit einem dem Sensorelement (15) zugeordneten Träger (70) verbunden werden.
14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die herausgebrochenen Sensorelemente (15) in einem Durchlaufverfahren relativ zu dem diesen jeweils zugeordneten Träger (70) justiert und auf diesem montiert werden.
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