FI91328C - Kapasitiiviset paineanturit - Google Patents

Description

i 91328

Kapasitiiviset paineanturit. -Kapacitiva tryckgivare

Keksinto koskee kapasitiivisia paineantureita, ts. paine-antureita, joissa kaytetaan kalvoa. jonka paineesta aiheu-tuva liike muuttaa anturin kapasitanssia ja aikaansaa siten ulostulon, joka edustaa anturiin kohdistettua painetta.

Kapasitiiviset paineanturit ovat tunnettuja, ja niita kaytetaan kapasitiivisissa mittamuuntimissa. mikrofoneissa, puhkaisulevyissa, resonaattoreissa. våråhte1 ijoissa ja vastaavissa laitteissa. Monet sellaisten kapasitiivisten antureiden sove 1lutukset ede1lyttavat. etta anturit ovat erittain pienet, esimerkiksi suuruusluokkaa 4 mm x 4 mm, josta johtuen antureita on vaikeata kasitella ja siten myos vaikeata valmistaa yksitellen.

Esil la olevan keksinnon tavoitteena on aikaansaada mene-telma kapas itiivisten antureiden eravalmistusta vårten.

Esil la olevan keksinnon eraan suoritusmuodon mukaisesti aikaansaadaan menetelma kapasitiivisten antureiden eravalmistusta vårten, joka menetelma kasittaa vaiheet. j oissa: a) aikaansaadaan sahkoisesti eristava kerros puolijohde-ainetta olevan levyn toiselle puolelle, b) muodostetaan joukko onteloita mainittuun levyyn poista-malla ainakin osa eristavaa kerrosta, jolloin jaljelle jaaneet levyn osat toimivat kalvona, ja jolloin ontelot on jarjestetty moneen riviin ja sarakkeeseen puolijohde-levy1 le.

c) muodostetaan ainakin yksi ennalta maaratyn syvyinen uurre puolijohdelevyyn jokaisen ontelon yhteyteen poista-malla ainakin osa eristavaa kerrosta.

d) liitetaan puolijohdelevy johtamattomaan alustaan yhdistetyn levyn muodostamiseksi, jonka eristava kerros 2 koskettaa alustaa, jol lom alusta on varustettu puolijohde-levyssa olevien onteloiden elektrodei1 la, jotka on sovitet-tu siten, etta ne sijaitsevat onteloissa liitettaessa puolijohdelevya alustaan, ja jolloin jokaisella elektro-dilla on lapivienti, joka ulottuu siihen liittyvasta ontelosta ja paattyy ontelon ulkopuolella olevaan pistee-seen, e) aikaansaadaan aariviivat paineantureiden joukolle, f) leikataan puolijohdelevya eristyskerrokse1 la varustetun puolen vastakkaiselta puolelta sellaiseen syvyyteen ja sel-laisesta kohdasta, etta tunkeudutaan jokaiseen uurteeseen ja paljastetaan, eraassa menetelman vaiheessa, sahkoisen lapiviennin loppupaa, ja g) leikataan yhdistetty levy pitkin aariviivoja siten, etta erotetaan paineanturit toisistaan.

Jokainen uurre voi avautua ainakin siihen kuuluvan anturin kahdelle puolelle kun anturi lopuksi muodostetaan, ja siihen liittyva sahkoinen lapivienti voi paattya uurteessa. mikali sahkojohdin on liitettava siihen suoraan, kun loppupaa on paljastettu. Jos kuitenkin on kaytettava planaari-tekniikkaa sahko1 iitantaa vårten, jokainen lapivienti ulottuu siihen liittyvan uurteen ulkopuolelle. jolloin uurre yhdessa siihen kuuluvan leikkauksen kanssa eristaa puoli-johdelevyn paarungon siita osasta. joka on yhteydessa lapi-vientiin, ja johon osaan tehdaan sahkoliitanta lapivientia vårten.

Vaikka on edullista aikaansaada eristava kerros, jonka paksuus on sellainen, etta ontelot voidaan muodostaa pois-tamalla vain osa tata kerrosta, saattaa eraissa tapauksissa olla va1ttamatonta poistaa myos osa laheisesta puolijohde-kerroksesta. Eristavan kerroksen, ja tarpeen vaatiessa puolijohdekerroksen poistaminen voidaan toteuttaa etsaamal-la, ja ymmarretaan. etta yhden ainoan etsausvaiheen kaytta-minen eristavan kerroksen yhteydessa on yksinkertaisempaa ja halvempaa kuin jos jouduttaisiin kayttamaan toista 91328 3 etsausvaihetta puo1 ijohdekerroksen yhteydessa. Lisaksi ainoa etsausvaihe eristavan kerroksen yhteydessa voidaan toteuttaa suuremmalla. nimittain ± 1% tarkkuude1 la. verrat-tuna tarkkuuteen ± 5% puolijohdelevyn etsauksen yhteydessa. Mikali koko eristava kerros on poistettava. voidaan kayttaa "autostop"-etsaustekniikkaa, jolloin etsausprosessl auto-maattisesti lopetetaan, kun puolijohdelevy on saavutettu.

Leikkaus voidaan jårjestaa osolttamaan kunkin anturin kaksi kulma-aluetta, ja se voi olla suuruusluokkaa 45* olevassa kulmassa piirtoihln nåhden. Vaihtoehtoisesti leikkaukset voivat olla samansuuntaiset jokaisen anturin jonkin reunan kanssa, anturin reunassa olevan kaistan osoittamiseksi.

Leikkausvaihe voidaan toteuttaa ennen irtileikkausvaihetta. jolloin viimeksimainittu johtaa puo1ijohdelevyyn leikkauk-sin tehtyjen åariviivojen osoittamien osien poistamiseen, jolloin jokaisen sahkoisen lapiviennin paa paljastuu tata seuraavaa ulkoiseen piiriin kytkemista vårten. Nama vaiheet voidaan kuitenkin suorittaa painvastaisessa jarjestyksessa, niin etta irtileikkaaminen suoritetaan ensin ja sitten jokainen erillinen anturi leikataan siihen kuuluvan sahko-lapiviennin tai jokaisen sahkolapiviennin paån paljastami-seksi.

Onteloiden muoto nahtyna tasokuvantona voi olla pyorea, vaikka muut muodot, kuten suorakaiteet tai kolmiot sallivat pakkaustiheyden nostamisen.

Eravalmistusta voidaan viela helpottaa kayttamalla puoli-johdelevya, jonka paksuus on suurempi kuin lopuksi vaa-dittavan jokaisen anturin kalvon paksuus, jolloin puoli-johdelevy tulee helpommin kasiteltavaksi. jonka jalkeen puolijohdelevyn paksuutta pienennetaan vaadittuun paksuuteen ennen irtileikkausvaihetta.

Tata vaihetta puolijohdelevyn paksuuden pienentamiseksi 4 voidaan kayttaa muissa kapasitiivisten antureiden valmis-tusmenetelmisssa, jolloin esilla olevan keksinnon toisen suoritusmuodon mukaisesti aikaansaadaan menetelma kapa-sitiivisen anturin valmistamiseksi, joka menetelma kasittaa vaiheet, joissa: a) muodostetaan ainakln yksi ontelo puo11johdeainetta ole-vaan levyyn, b) liitetaan puolijohdeainetta oleva levy johtamattomaan alustaan, jolloin aikaansaadaan ainakin yksi taysin suljet-tu ontelo siina puolijohdelevyn osassa, joka muodostaa ontelon toisen puolen ja toimii kaytossa kalvona, ja c) poistetaan osa mainitusta puolijohdelevyn osasta, joka toimii kalvona, silta puolijohdelevyn puolelta, joka on toisella puolella kuin se puoli joka on liitetty alustaan, jotta aikaansaataisiin kalvo, jolla on ennalta maaratty, anturin vaadittavaan painealueeseen soveltuva paksuus.

On selvaa edellisesta, etta tama esilla olevan keksinnon toinen suoritusmuoto aikaansaa erittain edullisen menetel-man eri alueilla toimivien kapasitiivisten paineantureiden valmistamiseksi, koska kaikkien antureiden perusvalmistus voi vastata yhta yksinkertaista paksuuden vahentamis-vaihetta, esimerkiksi hiertamalla, jota kaytetaan antureiden virittamiseksi vaadittavaan herkkyyteen.

Kapasitiivisen paineanturin loiskapasitanssi voidaan mini-moida maksimoimalla puo1ijohdekerroksen paalla olevan eris-tavan kerroksen paksuus, mutta tassa on tasapainoiltava oksidikerroksen paksuuden maksimoinnin ja puo1ijohdekerroksen tehokkaan liittamisen valilla. On toivottavaa valvoa antureiden loiskapasitanssia valmistuksen aikana ja niiden eravalmistuksen aikana esilla olevan keksinnon ensimmaisen suoritusmuodon mukaisesti voidaan lisata vaihe, jossa aikaansaadaan joutilas lapivienti ennalta valittua paineantureiden ryhmaa vårten, jolloin jokainen joutilas lapivienti on taysin samanlainen kuin vastavassa anturissa oleva elektrodiin liittyva lapivienti, mutta sahkoisesti 91328 5 eril låan elektrodista. Olettaen ettå eriståvå kerros on tasapaksu, saadaan anturiin kohdistuvasta paineesta riippu-va muuttuva kapasitanssi våhentåmållå joutilas kapasitanssi todellisesta kapasitanssista. Siten mainittua, joutilailla elektrodei1 la varustettua anturia voidaan kåyttåå laadun-valvonnan vålineenå siihen liittyvån anturierån valvomi-seksi.

Esil lå olevan keksinnon kolmannen suoritusmuodon mukaisesti aikaansaadaan menetelmå kapasitiivisen paineanturin valmis-tamiseksi, jol loin menetelmå kåsittåå vaiheet, joissa: a) muodostetaan ainakin yksi ontelo puolijohdemateriaalia olevaan levyyn, ja b) liitetåån puolijohdeainetta oleva levy johtamattomaan alustaan. jol loin aikaansaadaan ainakin yksi tåysin suljet-tu ontelo. jonka toisen puolen muodostaa puolijohdelevy, joka kåytosså toimii kalvona, jol loin ontelon muodostamisvaihe kåsittåå uurteen muodosta-misen ontelon tai jokaisen ontelon ympåri, jonka ympåri-ulottuvan uurteen syvyyttå vaihdellaan anturin painealueen muuttamiseksi.

Ympåri ulottuva uurre voi olla vaon muotoinen, jol loin uurre edesauttaa 1 iittåmisprosessia ja aikaansaa lineaari-semman kapasitanssi/paine -vasteen.

Puolijohdelevy voi olla p-tyyppistå tai n-tyyppistå seos-tettua piitå. mutta se voi olla mitå tahansa muutakin puo1 ijohtavaa ainetta, kuten esimerkiksi germaniumia.

Alusta tai muu elin, jonka påålle aikaansaadaan jokaisen anturin elektrodi ja yksi tai useampia låpivientejå, on edullisimmin lasia, jonka låmpolaajenemiskerroin sekå Poissonin luku hyvin sopivat kåytettyyn puolijohdeainee-seen, ja jolla on suuri ominaisvastus.

Kåytettåesså piitå puolijohdeaineena on lasi, joka tunne-taan nimella Corning 7070 tai Schott 8248, osoittautunut 6 erityisen edulliseksi tuotettaessa paineantureita, joilla on erinomainen 1ampostabii 1isuus ja pieni hystereesi.

Seuraavassa selitetaan yksityiskohtaisemmin esilla olevan keksinnon mukaisaa paineantureita esimerkin nojalla, viita-ten oheisiin piirustuksiin. joissa:

Kuvio 1 on poikkileikkaus esilla olevan keksinnon mukaisesta paineanturista;

Kuvio 2 on kaaviollinen tasoesitys kuvion 1 mukaisen paineanturin eravalmistuksesta;

Kuvio 3 on suuremmassa mittakaavassa oleva yksityis- kohta kuviosta 2;

Kuvio 4 esittaa kaaviol1isesti esilla olevan keksinnon mukaisen eråvalmistusprosessin vaiheita;

Kuviot 5-8 esittavat erilaisia maskeja. joita kaytetaan kuvion 4 mukaisessa prosessissa;

Kuvio 9 on samankaltainen kuvanto kuin kuviossa 3, mutta esittaen vaihtoehtoista anturia; ja

Kuvio 10 on samanlainen kuvanto kuin kuviossa 1, mutta esittaen erasta toista vaihtoehtoista suoritusmuotoa.

Viitaten ensin kuvioon 1. siina esitetaan poikkileikkauk-sena esilla olevan keksinnon mukainen kapasitiivinen paine-anturi, joka kasittaa etsaamalla mieluummin piita olevaan puolijohdeainelevyyn 2 muodostetun ontelon 1. Ontelo sulje-taan liittamalla puolijohdelevy 2 alustaan 3, joka on johtamaton ja mielellaan lasia, jolloin erityisen edullista on kayttaa Corning 7070- tai Schott 8248- lasia. Puoli-johtava levy 2 on varustettu sahkoisesti eristavalla kei— roksella eli paallystykse1 la 4, joka edullisesti on 91328 7 piidioksidia tai piinitridia, ennen ontelon 1 muodostamis-ta. Oksidikerros 4 sijaitsee puolijohdelevyn 2 ja alustan 3 valissa kun nåmå liitetåån yhteen yhdistetyn levyn muodos-tamiseksi. Ennen 1 iitosprosessia alustaan 3 muodostetaan metal likerros 5, johon liitetaan ontelon 1 ulkopuolella paattyva såhkoinen lapivienti 6.

Kuvion 1 mukaisen paineanturin eravalmistus esilla olevan keksinnon eraan suoritusmuodon mukaan, voidaan tehda otta-malla levy puolijohtavaa ainetta, kuten piitå, ja muotoile-malla siihen joukko onteloita 1, jotka jarjestetaan moneen riviin ja sarakkeeseen. kuten kuviossa 2 esitetaan. Kuvi-osta 2 nahdaan. etta ontelot 1 ovat tasokuvannossa pyorei-ta, ja etta maaratyn rivin (tai sarakkeen) vierekkaisten onteloitten keskipisteet ovat toisiinsa nahden sivuun siirretyt jolloin onteloiden 1 keskipisteiden sijainti-paikat maaratyssa rivissa muodostavat sahakuvion. Puolijohtavaa ainetta oleva levy 2 varustetaan piidioksidi- tai nitridikerrokse11 a 4 levyn si 11a puolella. johon ontelot 1 muodostetaan. jolloin ontelot tehdaan etsaamalla oksidikei— roksen lapi puolijohdeaineeseen asti. Jokaista onteloa 1 ynparoi rengasmainen ymparoiva uurre eli vako 1'. Vaon sy-vyytta voidaan vaihdella siihen kuuluvan anturin paine-alueen muuttamiseksi.

Samanaikaisesti kun ontelot 1 ja ymparoivat vaot 1’ muodostetaan, muodostetaan (etsaamalla) uurteet jokaisen anturin kahteen kulmaan 12. 13 syvyyteen. joka olennaisesti vastaa vakojen 1' syvyytta.

Lasilevy sellaisesta lasista. kuten Corning 7070 tai Schott 8248. otetaan alustan 3 muodostamista vårten, ja lasin toi-selle puolelle paallystetaan joukko pyoreita elektrodeja 5 seka niihin liittyvat lapiviennit 6. jolloin nama lapivien-nit ovat niita, jotka sahkoisesti liittyvat vastaavaan elektrodiin 5. Kuten kuviosta 3 kuitenkin nahdaan, tehdaan myos joutilaat lapiviennit 7 ennalta valitulle maaralle θ antureita maaratyssa erassa, jotka joutilaat lapiviennit ovat olennaisesti samanlaiset kuin lapiviennit 6, mutta sahkoisesti eristettyja elektrodeista 5. Elektrodit 5 ja lapiviennit 6 ja 7 voivat olla kaksikerrosrakennetta; toi-nen kerros NiCr (nikke 1ikromia) alustaa 3 vastaan seka toinen kerros Au (kultaa) piidioksidikerrosta 4 vastaan. Elektrodit 5 muodostetaan lasialustaan 3 siten, etta kun sen paalle asetetaan puolijohdelevy 2, sijaitsevat elektrodit 5 kunkin ontelon 1 sisapuolella vastapååta kalvoa D, joka on muodostettu poistamalla puolijohdeainetta. Puolijohdelevy 2 ja lasialusta 3 liitetaan taman jalkeen yhteen, edullisimmin kayttaen kenttavaikutteista 1 iitostekniikkaa, jota joskus nimitetaan anodiseksi 1 iittamiseksi tai Mai lory-1iittamiseksi tai såhkostaattiseksi 1 iittamiseksi. Tuloksena oleva puolijohdelevyn 2 ja lasialustan 3 valinen liitos dioksidikerroksen 4 kautta, seka metal 1ilapivientien 6 ja 7 ja dioksidikerroksen 4 ja alustan valilla oleva liitos muodostaa tyhjό-vertailuonteIon 1 jokaista anturia vårten. Taman ansiosta voidaan puolijohtavan kalvon D ja elektrodin 5 valista kapasitanssia kayttaa absoluuttisena paineanturina. Alusta 3 ja dioksidikerros 4 muotoutuvat 1iitosvaiheen aikana niin, etta nama kaksi komponenttia liittyvat toisiinsa muodostaen hermeettisen tiivisteen, ja lampopuristus. joka aiheutuu kenttavaikutteisesta liitos-tekniikasta vetaa fyysisesti dioksidikerrosta 4 ja alustaa 3 erittain tiiviiseen kosketukseen lapivienteihin 6 ja Ί , jopa siina maarin. etta hermeettinen tiiviys on pysyvaa. kuten on selitetty tarkemmin amerikkalaisessa patentti-hakemuksessa no. (SPEZ 4451).

Ennen tai sen jalkeen kun puolijohdelevy 2 on liitetty alustaan 3, jaetaan alusta moneen suorakaiteeseen sarjalla vaakasuoria (katsottuna kuviosta 2) hilaviivoja 8 seka sarjalla pystysuoria (nahtyna kuviosta 2) hilaviivoja 9, jolloin hilaviivat 8 ja 9 ovat suorassa kulmassa toisiinsa nahden. Siten hilaviivat 8 ja 9 jakavat aariviivoin kunkin paineanturin, ja kun puolijohdelevy 2 on liitetty alustaan 91328 9 3. leikataan puo1 ijohdelevy 2 Pitkin viivojen 10 joukkoa ja viivojen 11 joukkoa. jol loin viivat 10 ja 11 ovat suorassa kulmassa toisiinsa nahden mutta kulmassa hi laviivoihin 8 ja 9 nahden. Soveliaasti tama kulma on noin 45*. Leikkaukset pitkin viivoja 10 ja 11 ovat niin syvia, etta ne tunkeutu-vat jokaisen paineanturin kulmauurteisiin 12 ja 13. Hila-viivat voidaan aikaansaada etsaamalla tai muulla tavoin.

Kun leikkaukset 10 ja 11 on tehty. jaetaan yhdistetty paineantureiden levy nyt pitkin viivoja 8 ja 9 eril listen paineantureiden tuottamiseksi. Tal la toimenpitee1 la poiste-taan myos puolijohdekerros jokaisen paineanturin kulma-alueista 12 ja 13 lapivientien 6 ja 7 påiden paljastami-seksi. Siten lapiviennit on paljastettu sahkoliitantaå vårten lankoihin tai muihin sahkojohtimiin. Siten voidaan sahkosignaaleja ottaa lapiviennista 6, jotka signaalit muuttuvat kalvon D taipuman mukaisesti, jonka aiheuttaa kalvoon kohdistuva paine, ja joka muuttaa anturin kapasi-tanssia.

Ennen irt ileikkausvaihetta puolijohdelevy 2 voidaan hier-taa, hioa tai sen paksuutta muutoin muuttaa. jotta aikaan-saataisiin haluttu paineantureiden painealue. Esimerkiksi kaytettaessa 600 um paksua puo1 ijohdelevya 2, tuotettaisiin paineanturi alueelle 0 - 13,8 Mpa, kun taas ohentamalla puolijohdelevya 150 umriin, tuotettaisiin anturi alueelle 0 - 206 kPa, naiden paksuuksien viitatessa tosiasiassa jokaisen anturin todelliseen kalvon D paksuuteen ontelon halkaisijan ollessa olennaisesti 4.8 mm. Ontelon halkaisi-jan ollessa 2 mm, tuottaisi 380 um paksu kalvo anturin alueelle 0 - 13.8 MPa, ja 70 um:n kalvo anturin aleelle 0 - 206 kPa.

Ymmårretaan, etta samaa perusvalmistustekniikkaa voidaan kayttåa tuottamaan levy paineantureita. joka sitten hierre-taan, hiotaan tai muutoin ohennetaan, puolijohtavan kerrok-sen osalta, toivotun painealueen aikaansaamiseksi. Osa 10 levya voltaislln sltten jakaa tuottamaan taman alueen erllllsla paineantureita, jonka jalkeen loput yhdistetysta levysta ohennettaislin edelleen, puo11johtavan kerroksen osalta, erl painealueen omaavlen paineanturelden aikaansaa-miseksi, ja niln edelleen. Vaihtoehtolsesti voidaan kasi-tella kokonaisia yhdlstelmalevyja tuottamaan paineantureita, joilla on sama painealue.

Puolljohdelevyyn 2 muodostetut ontelot 1 ovat syvyydeltaan mleluummln 2 ym, ja kuten jo mainittiin, halkaisijaltaan 4,8 mm. Vaot l'voivat syvyydeltaan olla luokkaa 25 um, jol-loin kulmauurtei11a 12, 13 on samaa luokkaa oleva syvyys. Jokaisen paineanturin kokonaismitta voi olla 8 mm x 8 mm, ja hilaviivojen 8 ja 9 leveys 200 um, jotta saataisiin helppo yhdistetyn levyn irtileikkaaminen erillisiksi paine-antureiksi.

Anturit voivat kuitenkin olla kooltaan vain neljanneksen edellisesta, ts. 4 mm x 4 mm, ja siina tapauksessa ontelot voivat olla 1 - 2 um syvia, vakojen 1' ollessa edelleenkin luokkaa 25 um syvia.

Kayttamalla joutilaita lapivienteja 7 eran eraissa antu-reissa on mahdollista valvoa taman eran paineantureiden loiskapasitansseja, ja siten aikaansaada valine laadun-valvontaa vårten.

Kuvio 9 on samantapainen kuin kuvio 3, mutta esittaa vaihto-ehtoista suoritusmuotoa, jossa lapiviennit 6 paljastavat leikkaukset on tehty samansuuntaisesti antureiden eraan reunan kanssa, jotta aikaansaataisiin suorakaiteen muotoi-set uurteet 14 kuvion 3 suoritusmuodon kolmiomaisten uur-teiden 12, 13 sijasta. Kuvio 9 esittaa yhta anturia, joka on varustettu todellisella lapivienni1 la 6 ja joutilaalla lapivienni1 la 7. Niissa antureissa, joissa ei ole joutilaita lapivienteja, voitaisiin lapivienti 6 sijoittaa kuvion 9 katkoviivan osoittamalla tavalla.

91328 11

Lapivientien 6 paissa oleviin 11itoslevyihin 15 liitetaan johdot, jolloin lasin ja puolijohteen liltoslevyt ovat slvuun siirrettyja puolijohdelevyn paksuuden johdosta. Tama rakenne el kuitenkaan sovi ns. juotoståpla-1 iitostekniik-kaan. joka vaatii tasaista pintaa liitoksia vårten. On mah-dollista kayttaa olemassa olevia puo1 ijohdeplanaariteknii-kolta 1 i itoslevyjen tuottamiseksi samalle puolijohdekerrok-sen 2 pinnalle, kuten on esitetty kohdissa 16 ja 17 kuvios-sa 10, joka esittaa sellaista jarjestelyå ennen liitos-vaihetta. Levy 16 liittyy ainoastaan puolijohdekerrokseen 2, kun taas levy 17 liittyy låpiviennin 6 paassa olevaan 1 iitåntålevyyn 15 puo1 ijohdekerroksen 2 pååty- eli sivuosan 18 kautta, joka on sahkoisesti eristetty tamån kerroksen paaosasta sahausura1 la. jota osoitetaan kohdassa 19 kuvi-ossa 10. Tama leikkaus 19 tehdaan 1 iitosprosessin jalkeen, ja vako 21 muodostetaan samalle viivalle kuin vako 1', jotta estettaisiin 1eikkaustoimenpidetta vahingoittamasta lapivientia 6. Huomataan, etta puolijohdekerroksen 2 osa 18' tulee olemaan sahkoa johtavassa yhteydessa lapivientilevyyn 15 kun 1 iitosprosessi on valmis. koska talla osalla ei ole eristavaa kerrosta 4.

Al la esitetaan viela tasmal1isempi esimerkki kapasitiivis-ten antureiden eravalmistuksesta esil la olevan keksinnon mukaisesti.

Esimerkki

Kapasitiivisten piita olevien paineantureiden valmistus

Kapasitiivisten, piita olevien paineantureiden era-valmistusta vårten kaytettavat peruskomponentit olivat piikiekko 2 ja lasilevy 3, joilla oli samat halkaisijat. Seuraavassa esitetaan tyypillinen piikiekon valmistelu-prosessi otsikolla "Piilevyn kasittely". Kaytettaessa p-tyypin piita voidaan siita jattaa pois kohdat 3-8.

12

LasikomponentIt konelstett1In levyiksi, joiden halkaisija on eslm. 75 mm (3"), 4 mm paksuina, jotta aikaansaataislln vaadittu anturelden jåykkyys sekå jotta voitalsiin saada tilaa suurpainelaittei1 le ja kohdistustasoi1 le, jotka koneistetti in sopimaan niihin, ja jotka ovat linjassa pii-kiekkojen hilakuviolden kanssa.

Lasilevyt kii 1lotettiin pinnanlaatuun, joka oli parempi kuin 25 nm RMS.

Lasilevyt kuvioitiin sen jalkeen positiivise1 la resistilla kayttaen kuvion 8 maskia. Tassa tulisi huomata, etta tassa maskissa on joutilas johdin eli lapivienti 7 vain joka neljatta anturia vårten 1aadunva1vontatarkoituksiin, joista edella oli puhe.

Lasilevyt påallstettiin taman jalkeen perakkåin 10 nm nikke 1ikromi- ja 30 nm kultakerroksi1 la kayttaen magnetron isputterointi a.

Valoresisti poistettiin taman jalkeen jattaen kuvion 8 maskin maaritte lemat metalloinnit 5, 6, 7.

Pii- ja lasikomponentit liitettiin taman jalkeen yhteen kayttaen kenttåavusteista liitostekniikkaa.Toimenpide suo-ritettiin tyhjossa, jotta taattaisiin "nolla"-painerefe-renssi jokaisen paineanturin ontelossa 1, ja jotta taattaisiin hyva anturin lampotilastabii 1isuus.

N'åytteet kuumennett i in sen jalkeen 450* lampoti laan ja jannite 2 kV (pii positiivisena) johdettiin komponenttien yli sen jalkeen kun ne oli puristettu yhteen (oksidi 4 vasten metalloitua lasia 3). Jannite oli paalla 10 minuutin aj an.

Tama aikaansaa hermeettisen tiivistyksen sisaisen ontelon 1 ja ulkopuolen valille, meta11 ijohtimien eli lapivientien 6, 91328 13 7 yhdistaessa kummatkin alueet. jol loin lasia 3 vastaan oleva oksidi 4 on deformoitunut lapivientien reunojen ympari aikaansaaden vuotamattoman reitin, eli hermeettisen ti ivisteen.

Sen jalkeen kun komonentit oli liitetty toisiinsa, seuraa-vana vaiheena oli paallystaa alumiinia olevat kosketinlevyt (η. 1 UTti paksut) jokaisen erillisen anturin piin kåånto-puolelle. Tama aikaansaatiin kayttåen magnetronisputte-rointia sopivasti koneistetun maskin kanssa. Mikali alumii-nin sijasta kåytetaan toista metal lia (esim. kulta/alumii-ni), voidaan piiprosessoinnista jåttaa pois vaiheet 2-8 n-tyypin piin osalta.

Muodostettaessa laitteita alempia painealueita vårten, pii tarkkuushierretåån ennen tata paallystysprosessia vaadit-tavaan paksuuteen.

Prosessin seuraava vaihe kasitti tarkkuussahauksen. Ensin tehtiin vinot poikittaiset leikkaukset 10, 11 piihin 2, jonka jalkeen tehtiin vino poikittainen kohdistustasanne 11,3 mm valein. Nama leikkaukset 10, 11 paattyivat 25 um paahan lasi-pii -1 iitoksesta. Taman jalkeen kokoonpano leikattiin osiin Pitkin kohdistusviivoja 8, 9 erillisiksi anturikomponenteiksi. Tassa prosessissa uurretut kulmat 12, 13 jokaisessa piiosastossa 2 poistettiin, jolloin lasilla 3 olevat kosketinlevyt pa 1jastuivat.

Erilliset laitteet liitettiin sitten kokoojiin, ja kulta-johtimet liitettiin lasilla 3 ja piilla 2 oleviin koske-tinlevyihin.

Sen jalkeen kun oli kiinnitetty kotelo, johon sisaltyi paineaukko, anturit olivat valmiit testausta vårten.

On olennaista, etta piin ja lasin valmistelu seka molempien komponenttien liitos suoritetaan puhtaissa oloissa.

14

Piilewn kasittely

Materiaal1: 0.02 ohm-cm <111> Sb-seostettuja 7.5 cm (3") kiekkoj a.

1. RCA-puhdista piikiekot (kuvio 4a)

Kaantopuolen n+ seostus 2. Alkuoksidl: kasvatetaan 0.6 um oksldia måråsså Ch :ssa; T * 1100‘C.

3. Levitetåån resisti etupuolelle.

4. Poistetaan oksidi kiekkojen takapinnasta 7:1 puskuroidussa HF:ssa (BHF:ssa).

5. Poistetaan resisti hoyryavassa typpihapossa.

6. Fosforin seostus uunissa (POCls): T - 1050*C, aika 30 min, kuiva N=.

7. Poistetaan oksidi 7:1 BHF:ssa (kuvio 4b).

Kasvatetaan etupuolen oksidi 9. Kasvatetaan terminen oksidi.

T *= 1100‘C, marka Oz. aika - 180 min, ennakoitu de« - 0,6 um (kuvio 4c).

10. Mitataan oksidin paksuus, do», Nanospec.-interferenssimenetelmalla.

Kuvion kehittaminen 11. ve+ resisti valo 1 itograf i a 1 la kayttaen kuvion 5 maskia.

91328 15 12. Koneistetaan kohdistustasanteet linjassa kuvion 5 maskin hilakuvion mukaisesti (mukaanlukien låvistajå).

Kiekot on sitten huo le 11isesti puhdistettava.

13. ve+ resisti valolitografialla kayttaen kuvion 6 mask i a.

14. Etsataan oksidi 7.1 BHF:sså. Ennakoitu etsausaika 12 min. (Kuvio 4d).

15. Poistetaan resisti hoyryavassa typpihapossa.

16. Seostetaan Si3R*. <±mi - 150 nm (kuvio 4e) .

17. Valolitografia. ve+ resisti kayttaen kuvion 7 maskia.

18. Kuivaetsataan Si3N^, cLn - 150 nm. Etsaa 50% yli.

19. Poistetaan resisti hoyryavassa typpihapossa.

Vaon etsaaminen 20. Pi in etsaus. Oksidin upotusetsaus 20:1 BHF:ssa 15 s ajan, sen jålkeen pi in etsaus HF : HNO3 : CHaCOOH 2-3 minuutin ajan. (Seurataan kuvion 7 maskia).

21. Mitataan etsaussyvyys. Toistetaan vaihe 18 kalkyloidun ajan verran 25 um etsaussyvyyden saamiseksi vaoille 1' (kuvio 4f).

22. Poistetaan Si3N.* ortofosforihapossa, T - 160*C. poistoaika * 90 minuuttia.

Piin etsaus 23. Kuivaetsataan Si CCU:sså 2 um syvyyteen (Seurataan kuvion 6 maskia) ontelon 1 muodostamiseksi (kuvio 4g).

16 24. Mitataan cU« paksuus monessa pisteessa tasalsuuden varmlstamlseksl.

Nahdaån, etta esil la oleva keksinto tarjoaa menetelman kapasitiivisten paineantureiden eråvalmistusta vårten, menetelman edustaessa merkittavaa edistysta alal la. Perus-valmistusmenetelmaå voidaan soveltaa kayttaen puolijohde-kerroksia tai levyja. joiden paksuus on sellainen, etta niita voidaan hyvin kasitella, ja jotka kuitenkin voidaan ohentaa valmistuksen loppuvaiheissa vaaditun painealueen aikaansaamiseksi maarattya anturia vårten.

i

Claims (15)

91328 17

1. Menetelmå kapasitiivisten antureiden eråvalmistusta vårten, tunnettu siita, etta menetelma kåsittåa vaiheet, joissa: a) aikaansaadaan sahkoisesti eristava kerros (4) puolijohdeai-netta olevan levyn (2) toiselle puolelle, b) muodostetaan joukko onteloita (1) mainittuun levyyn (2) poistamalla ainakin osa eriståvåå kerrosta (4), jolloin jåljelle jaaneet levyn osat toimivat kalvona, ja jolloin ontelot (1) on jarjestetty moneen riviin ja sarakkeeseen puoli j ohde1evy11e, c) muodostetaan ainakin yksi ennalta mååråtyn syvyinen uurre (12,13;14) puolijohdelevyyn jokaisen ontelon (1) yhteyteen poistamalla ainakin osa eriståvåå kerrosta (4), d) liitetåan puolijohdelevy johtamattomaan alustaan (3) yhdis-tetyn levyn muodostamiseksi, jonka eriståvå kerros (4) kosket-taa alustaa (3), jolloin alusta on varustettu puolijohdelevysså (2) olevien onteloiden (1) elektrodeilla (5), jotka on sovi-tettu siten, etta ne sijaitsevat onteloissa (1) liitettaesså puolijohdelevyå (2) alustaan (3), ja jolloin jokaisella elekt-rodilla (5) on låpivienti (6), joka ulottuu siihen liittyvåstå ontelosta ja paattyy ontelon (1) ulkopuolella olevaan pistee-seen, e) aikaansaadaan åariviivat (8,9) paineantureiden joukolle, f) leikataan (10,11; 19) puolijohdelevyå eristyskerroksella (4) varustetun puolen vastakkaiselta puolelta sellaiseen syvyyteen ja sellaisesta kohdasta, etta tunkeudutaan jokaiseen uurteeseen (12,13/14) ja paljastetaan, erååsså menetelmån vaiheessa, såhkoisen låpiviennin (6) loppupåå, ja g) leikataan yhdistetty levy pitkin ååriviivoja (8,9) siten, ettå erotetaan paineanturit toisistaan.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelma, tunnettu siitå, ettå jokainen uurre (12,13; 14) aukeaa kyseisen anturin 18 ainakin kahdelle sivulle, kun anturi lopuksi muodostetaan, ja ettå siihen liittyvå såhkolåpivienti (6) pååttyy uurteessa (12,13/14) ja paljastuu sen jalkeen såhkoliitannan suoraa låpivientiin kytkemistå vårten.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmå, tunnettu siitå, ettå jokainen såhkolåpivienti (6) paåttyy vastaavan uurteen (21) ulkopuolisessa uurteessa (14), jolloin uurre (21) toimii yhdesså siihen liittyvån leikkauksen (19) kanssa eris-tåakseen puolijohdelevyn (2) pååosan siitå osasta (18), joka on yhteydesså kyseiseen låpivientiin (6), ja ettå mainittu osa (18) pidetåån muodostetussa anturissa ja osaan (18) tehdåån såhkoliitåntå (17) låpivientiå (6) vårten.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmå, tunnettu siitå, ettå se lisåksi kåsittåå vaiheen, jossa aikaansaadaan kehåuurre (11) jokaisen ontelon ympårille.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmå, tunnettu siitå, ettå sekå ontelon muodostus- ettå uurteen muodostusvaiheet kåsittåvåt piilevyn osan poistamisen.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmå, tunnettu siitå, ettå leikkaukset (10,11) on jårjestetty osoittamaan anturin kahden kulma-alueen ååriviivat.

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen menetelmå, tunnettu siitå, ettå leikkaukset ovat samansuuntaiset jokaisen anturin eråån reunan kanssa kaistaleen osoittamiseksi ååriviivoin anturin tållå reunalla.

8. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmå, tunnettu siitå, ettå leikkausvaihe toteutetaan ennen irtileikkaus-vaihetta, jolloin irtileikkausvaiheessa puolijohdelevyn (2) ååriviivoin osoitetut osat poistetaan jokaisen såhkolåpiviennin (6) loppupåån paljastamiseksi tåmån jålkeen tapahtuvaa ulkoi- 91328 19 seen piiriin liittåmistå vårten.

9. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmå, tunnettu siitå, ettå irtileikkaaminen suoritetaan ennen leikkausvai-hetta, jolloin jokainen erillinen anturi leikataan siihen kuu-luvan såhkolåpiviennin (6) tai jokaisen såhkdlåpiviennin paån paljastamiseksi.

10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmå, tunnettu siita, ettå vierekkaiset ontelot (1) maarå-tysså rivisså tai sarakkeessa ovat toistensa suhteen sivulle siirrettyja.

11. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmå, tunnettu siita, ettå siihen lisåksi kuuluu vaihe, jossa puolijohdelevyn (2) paksuutta pienennetåån vaadittuun paksuu-teen ennen irtileikkausvaihetta.

12. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmå, tunnettu siitå, ettå se lisåksi kåsittåå vaiheen, jossa erån antureiden jokaiseen ennalta mååråttyyn joukkoon kuuluvaan anturiin muodostetaan toinen såhkoisesti johtava låpivienti (7) alustalle, jonka toisen låpiviennin (7) pinta-ala on oleelli-sesti yhtå suuri kuin anturin ensimmåisen låpiviennin (6) pinta-ala, ja joka toinen låpivienti (7) ulkonee kulloisestakin elektrodista (5), mutta ei ole såhkoisesti liitetty siihen.

13. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmå, tunnettu siitå, ettå såhkolåpivienti (6,7) tai jokainen såhkolåpivienti (6,7) jokaisessa anturissa on hermeettisesti tiivistetty eriståvån kerroksen ja alustan vålisså.

14. Jonkin edellå esitetyn patenttivaatimuksen mukainen menetelmå, tunnettu siitå, ettå menetelmå lisåksi kåsittåå vaiheen: poistetaan osa mainituista puolijohdelevyn 20 (2) jaljelle jaåvistå osista, jotka toimivat kalvona, silta puolijohdelevyn (2) puolelta, joka on toisella puolella kuin se puoli joka on liitetty alustaan, jotta aikaansaataisiin kalvot, joilla on ennalta maaratty, anturin vaadittavaan painealueeseen soveltuva paksuus.

15. Jonkin edellå esitetyn patenttivaatimuksen mukainen menetelmå, tunnettu siita, etta ontelon muodostamisvai-he kåsittaS uurteen (1') muodostamisen ontelon tai jokaisen ontelon ympari, jonka ympariulottuvan uurteen (1') syvyyttå vaihdellaan anturin painealueen muuttamiseksi. 91328 21