JP2005529347A - センサおよびセンサを製作するための方法 - Google Patents

Abstract

センサおよび方法が提案される。この場合、センサは、高い圧力を測定するために適している。この場合、半導体材料（５１）には、大きなアスペクト比を備えた空洞（５００）が加工されている。

Description

背景技術
本発明は、独立請求項の上位概念部に記載した形式の、半導体材料から成るセンサおよびセンサを製作するための方法から出発する。すでにマイクロマシニング型のシリコン圧力センサ、つまり、マイクロマシニング技術を用いて製作されたシリコン圧力センサが公知である。この場合、空洞の加工によってシリコンチップにダイヤフラムが形成される。このようなシリコンセンサは、たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９５７５５６号明細書に開示されている。この場合、空洞は、たとえば異方性のＫＯＨエッチングによって形成される。

発明の利点
独立請求項の特徴を備えた本発明によるセンサおよび本発明による方法は従来のものに比べて、センサの製作に対する簡単なかつ廉価な構造が提案されるという利点を有している。特に本発明によるセンサは高い圧力を測定するために使用される。にもかかわらず、この場合、本発明によるセンサは高い過負荷安全性を有している。さらに、本発明によるセンサは、温度影響が僅かであり、温度ヒステリシスが小さいという利点を有している。本発明による圧力センサは、特にピエゾ抵抗型の圧力センサとして設けられている。本発明による圧力センサの高い破裂安全性、すなわち、高い圧力の測定に対する圧力センサの適性は、特に半導体材料の裏面から切り欠かれた空洞の大きなアスペクト比によって得られる。本発明による大きなアスペクト比は、特にトレンチエッチングプロセスによって得られる。さらに、有利には、トレンチエッチングプロセスの使用時には、空洞壁からダイヤフラムへの移行曲率半径が、異方性のエッチングに比べて大きく寸法設定されている。これによって、材料内の機械的な応力が減少させられ、したがって、許容可能な圧力負荷を高めることができる。しかし、本発明によれば、酸を用いたエッチングによる等方性のエッチングプロセスを使用し、これによって、大きな移行曲率半径を得ることも提案されている。しかし、等方性のエッチング時には、移行曲率半径が部分的に大きくなり、これによって、半導体材料の上面もしくは表面におけるダイヤフラムの圧力作用時の歪みもしくは弾性変形が小さくなり、これによって、感圧性が小さくなる。

従属請求項に記載した手段によって、独立請求項に記載したセンサもしくは方法の有利な構成および改良形が可能となる。

半導体材料の表面に、ダイヤフラム領域の変形量を測定するための手段が設けられていると特に有利である。これによって、ダイヤフラムを変形させる力作用、特に圧力作用の、比較的温度と無関係の安定した敏感な正確な測定が可能となる。ダイヤフラム領域の変形量を測定するための手段として、本発明によれば、特にピエゾ抵抗が設けられている。しかし、別の効果に基づく測定抵抗もしくは測定手段が設けられていてもよい。

本発明によれば、半導体材料にダイヤフラムと一緒にモノリシックに評価回路が組み込まれて設けられていると特に有利である。これによって、本発明によるセンサをより廉価に製作することができ、より大きな精度で製作することができる。

実施例の説明
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

図１には、マイクロマシニング型のシリコン圧力センサ、つまり、マイクロマシニング技術を用いて製作されたシリコン圧力センサの一般的に慣用の構造が示してある。シリコン基板１５０は空洞１５５を備えている。この空洞１５５は、符号を付していないダイヤフラムを残している。シリコン基板１５０は、孔を備えたガラス１４０に結合されている。このガラス１４０ははんだ１３０によって基台１２０にはんだ付けされている。この基台１２０は圧力接続管１１０に接続されている。さらに、符号を付していない、シリコン基板１５０の上面に位置する測定抵抗は、１つまたはそれ以上のボンディング線材１６０を介して接続ピン１７０に接続されている。この接続ピン１７０はガラス部材１８０によって基台１２０から電気的に分離されている。

シリコンセンサの空洞１５５は一般的なエッチング斜面を有している。このエッチング斜面はほぼ角錐台形に成形されている。これによって、台形の横断面が得られる。センサダイヤフラムの下方のこの角錐台形の切欠きは、（１００）方位を有するシリコン基板の使用時に得られる。なぜならば、ＫＯＨエッチングが、異なる結晶方向への異なるエッチング率を有しているからである。公知のシリコンセンサでは、圧力作用面として角錐台形の切欠きがその最大の横断面、すなわち、シリコン基板の裏面において決定的であることが欠点であると分かった。さらに、角錐台形の切欠きの斜め面取りされた側面と、ダイヤフラム面との間の移行領域に縁部が形成されることが欠点であると分かった。この縁部は極めて僅かな曲率半径を有している。これによって、材料に極めて大きな応力が、たとえば亀裂形成によって生ぜしめられる。これによって、公知先行技術におけるシリコンセンサは僅かな破裂圧しか有していない。

図１に示した公知先行技術によるシリコン圧力センサの構造では、シリコンチップ１５０が、ナトリウム含有のガラス、たとえばＰｙｒｅｘから成るガラス中間層１４０に陽極接合されていて、はんだ１３０によって金属基台１２０にはんだ付けされている。圧力が比較的高い場合の使用事例に対して、公知先行技術によるセンサ構造から以下の臨界的な箇所が生ぜしめられる：
−空洞側面とダイヤフラムとの間の移行曲率半径が、使用されたエッチング法、たとえばＫＯＨエッチングによって極めて小さく寸法設定されている。これによって、移行部に高い機械的な応力が生ぜしめられる。この応力は破裂圧強さを低下させる。このことは、特に比較的高い圧力範囲に対する、時間に関連してエッチングされたダイヤフラムに当てはまる。なぜならば、そこでは、曲率半径が特に小さく寸法設定されているからである。
−異方性のエッチング法によって、平らな空洞壁、すなわち、僅かなアスペクト比を備えた空洞壁、特に５４゜の傾きが得られる。これによって、大きな開口がケイ素に生ぜしめられる。この面が大きければ大きいほど、圧力が加えられる場合にますます多くの力がチップに作用する。同時に接合面、すなわち、シリコンセンサ１５０とガラス１４０との間の結合面がより小さくなる。これによって、面負荷が引張り方向でより大きくなる。このことは、僅かな耐圧性を生ぜしめる。したがって、ガラス中間層を用いた圧力センサの構造は破裂圧強さを制限している。

空洞１５５の形成もしくは極めて肉薄のダイヤフラムの形成のためには、ＰＮエッチングストップが使用される。圧力が高い場合、ダイヤフラムは、極めて小さな縁長さを有しているように設計されなければならない。このことは、規定された限界までしか行うことができない。なぜならば、ダイヤフラムをピエゾ抵抗の伸びよりも小さくすることができないからである。この事例では、エッチングストップが省略されなければならず、「肉厚の」ダイヤフラムが時間に関連してエッチングされなければならない。

図２には、本発明による半導体センサ５０が示してある。特にシリコン基板５１として設けられた半導体基板５１は表面５８と裏面５９とを有している。この裏面５９から半導体基板５１は、異なる領域に異なる厚さを形成するように処理される。半導体基板５１は、符号を付していない第１の領域において、符号５２を付した第１の厚さで形成されていて、符号５４を付したダイヤフラム領域において、符号５３を付した第２の厚さで形成されている。この場合、第１の厚さ５２は第２の厚さ５３よりも大きく寸法設定されている。本発明によれば、特に第１の領域がダイヤフラム領域５４を環状に取り囲んで延びている。このことは、図２では暗示的でしかない。なぜならば、図２には、半導体基板５１の断面図が示してあるからである。半導体基板５１の表面５８には、符号５７を付した、ダイヤフラム領域５４の変形量を測定するための手段が設けられている。この手段は、特にピエゾ抵抗５７である。より肉薄のダイヤフラム領域５４を形成するために本発明により設けられた、半導体基板５１の裏面５９における凹設部はその「壁領域」に、図２に符号５５を付した移行領域を有している。この移行領域５５はダイヤフラム領域５４への移行部に、図２に符号５５０を付した曲率半径を有している。移行領域５５の壁は図２に拡大図で示してある。この拡大図には、凹設部の製作時に使用された方法に対して特有の表面構造５６を認めることができる。ダイヤフラム領域５４を形成するためにシリコン基板５１の裏面５９に加工された凹設部もしくは空洞は、図２に符号５００を付してある。

第１の厚さ５２と第２の厚さ５３との間の移行領域５５は、本発明によれば、高いアスペクト比を有している。すなわち、移行領域５５の深さが側方の延びに比べて大きいので、移行領域５５の「壁」が比較的急傾斜になっている。このことは、圧力作用が裏面５９から生じる圧力センサとしてのシリコン基板５１の使用時に、公知先行技術の角錐台形の空洞１５５の場合よりも僅かな押圧力しか半導体基板５１に裏面５９から加えられないという利点を有している。なぜならば、圧力作用面が、図１に示した角錐台形の空洞１５５の斜めの領域だけ減少させられているからである。このことは、特にダイヤフラム領域５４の面がそれぞれ同じである場合に当てはまる。さらに、トレンチエッチングプロセスによる半導体基板５１への空洞５００の加工によって、移行領域５５とダイヤフラム領域５４との間で負荷事例において過度に大きな応力ピークが基板材料に生ぜしめられない程度に、曲率半径５５０が十分に大きく寸法設定されているという利点が得られる。これによって、半導体センサ５０の圧力負荷を高めて、このテクノロジをより高い圧力に対して許容させることが可能となる。トレンチエッチングプロセスの代わりに、本発明によれば、大きな移行曲率半径５５０を得るために、たとえば酸を用いたエッチングによる等方性のエッチングプロセスを使用することができる。しかし、等方性のエッチング時には曲率半径５５０が部分的に大きく寸法設定されているので、ダイヤフラム領域５４の、これにより生ぜしめられる一層僅かな変形量のため、センサ５０の一層僅かな感圧性が結果的に生ぜしめられる。

トレンチエッチングプロセスの使用時には、移行領域５５の縁領域が特徴的な表面構造５６を有している。この表面構造５６は、トレンチエッチング法において、加速させられて負荷される粒子によって交互に空洞５００の深さが増加させられ、この空洞５００の表面が不動態化されることによって生ぜしめられる。空洞材料のこの交互の加工によって、本発明により大きなアスペクト比が生ぜしめられる。なぜならば、トレンチエッチングプロセスのエッチング段階の間、有利には、ダイヤフラム領域５４がその裏面からエッチング除去され続け、移行領域５５の、不動態化された側壁が存在し続けるからである。高いアスペクト比を備えたトレンチによって、いわば垂直な空洞壁が移行領域５５に形成される。これによって、高い破裂圧強さが達成される。なぜならば、圧力に対する作用面として、主として、ダイヤフラム領域５４しか考慮されないからである。

したがって、本発明により、以下に種々異なる構成を記載する。これらの構成は、特により高い圧力に耐えるセンサのために適している。このような構成は、本発明によれば、比較的大きな移行曲率半径５５０が移行領域５５とダイヤフラム領域５４との間に設けられており、移行領域５５における空洞壁が急傾斜であるかもしくは垂直であり、構造技術においてガラスが使用されないかもしくはガラスが回避されることによって特徴付けられる。

構造・結合技術におけるガラスの回避によって、本発明によるセンサ５０に対する圧力範囲を１０００ｂａｒのオーダにまで拡張することができる。これによって、本発明によるセンサは、圧力のこのオーダに対する従来のセンサに比べて廉価な構成を成している。このために、本発明によれば、有利には、圧力センサの既存の製作プロセス、たとえばシリコンチップ５１の半導体プロセスまたは既存のセンサハウジング部分を大部分維持することが可能となる。さらに、本発明によれば、容量型のセンサを同じくこの方法によって形成し、センサチップの、温度による変形を回避するために改善することが可能となる。容量型のセンサでは、センサチップ、すなわち、特にダイヤフラム領域５４の変形がダイヤフラムの変位を生ぜしめる。このことは、最終的に出発信号の変化を意味している。

図３〜図７に示した本発明の種々異なる構成では、ガラスの回避にもかかわらず、半導体基板５１とその周辺との間の熱分離を達成することが提案されている。このためには、特に適合された熱膨張係数を備えた中間プレートが設けられている。２つまたはそれ以上の中間プレートの縦続接続によって、この効果を改善することができる。この場合、基台に設けられたこのような中間プレートの熱膨張係数は、基台の熱膨張係数と、この基台に続く中間プレートの熱膨張係数との間に位置するように選択されていることが望ましい。シリコンチップ５０に結合された中間プレートの熱膨張係数は、可能な限り、使用される半導体材料、すなわち、特にケイ素の熱膨張係数に相当しており、これによって、可能な限り僅かな熱膨張効果がセンサ５０に伝達されることが望ましい。中間プレートを基台とチップとに対して互いに結合するためには、はんだ付けまたは接着を行うことができる。別の可能性は、基台と第１の中間プレートとを互いに溶接するかもしくは別の中間プレートを互いに溶接することにある。

図３には、本発明によるセンサの第１の構成が示してある。センサチップ５０ははんだ層３０によって基台２０に固定されている。この場合、ガラス中間プレートが省略され、チップ５０が直接基台２０に固定される、すなわち、薄膜の中間層３０を介してしか基台２０に固定されない。この場合、チップ５０は接着することができるかまたは裏面で金属化することができ、はんだ付けすることができる。基台２０の材料は特に重要である。なぜならば、この材料は、シリコンチップ５０の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有していなければならないからである。基台２０の有利な材料として、本発明によれば、良好な強さと同時に僅かな熱膨張係数を達成するために、鉄−ニッケル−鋼を使用することが提案されている。本発明によれば、基台２０のための材料として、材料「Ｋｏｖａｒ」、「Ｉｎｖａｒ」、「Ｖａｋｏｄｉｌ」の使用が個々にまたは互いに組み合わせて提案されている。基台２０は、本発明によれば、特にＴＯ８型基台としてまたは別の形で、たとえば螺入ねじ山（図５参照）を備えた基台として設けられている。基台２０は、図３に示したように、圧力接続管１０に接続されている。この圧力接続管１０は圧力を、図３にもはや詳細に示していないダイヤフラム領域５４の裏面に案内する。さらに、図３および後続の図４〜図６には、１つまたはそれ以上のボンディング線材６０が設けられている。このボンディング線材６０は、半導体チップ５０の表面に設けられた、図３に同じく示していない測定抵抗を接続ピン７０もしくはプリント配線板７１（図６参照）に接続する。この場合、接続ピン７０が基台２０を貫いて案内される事例では、接続ピン７０が、特にガラス部材として設けられた絶縁体８０によって基台材料から電気的に絶縁されて設けられている。はんだとして、あらゆる金属はんだ、たとえばＡｕＳｎ２０またはＳｎＣｕ３Ｉｎ０．５もしくはガラスはんだを使用することができる。

図４には、本発明によるセンサの第２の構成が示してある。このセンサでは、基台２０が、任意の熱膨張係数を備えた材料、たとえば鋼から成っていてよい。同じく圧力接続管１０が基台２０に接続されて設けられている。この基台２０とセンサチップ５０との間には第１の中間プレート３２が設けられる。この第１の中間プレート３２は、適合された熱膨張係数を有する材料から成っている。中間プレート３２はセンサチップ５０もしくは基台２０に対して接着されているかまたははんだ付けされているかまたは特にレーザ溶接によって溶接されている。これによって、第１の中間層３０が基台２０と第１の中間プレート３２との間に得られるかもしくは第２の中間層３４が第１の中間プレート３２とセンサチップ５０との間に得られる。

第１の中間プレート３２の材料は、本発明の第２の構成によれば、ケイ素もしくは多結晶シリコンから成っていてもよい。さらに、シリコンチップと中間プレートとの間の結合は、チップ５０または中間プレート３２に被着されるＰｙｒｅｘ層が第２の中間層３４として被着される場合に、陽極接合によって行うこともできる。第１の中間プレート３２と基台２０との間の結合部は、熱的な分離のために、軟ろうで充填することができる。

基台２０の熱膨張係数が、センサ５０のために使用される半導体材料の熱膨張係数から極めて遠く離されている場合には、図５に示した第３の構成による構造が適している。種々異なる材料の異なる熱膨張によって生ぜしめられる、基台２０と半導体センサ５０との間の高い応力を回避するために、第３の構成では、２段式の構造が使用されている。図４に示した同じ符号は、図５でも同じくセンサの同じ構成要素もしくは部分を示している。図５には、付加的にさらに保護キャップ９０が示してある。この保護キャップ９０は、基台２０に設けられたセンサ５０の構造を防護する。図４に示したような第１の中間層３０、第１の中間プレート３２および第２の中間層３４の代わりに、図５には、基台２０の熱膨張係数に対するセンサ５０の熱膨張係数のより良好な補償調整のために、第１の中間層３０、第１の中間プレート３２、第２の中間層３４、第２の中間プレート３６および第３の中間層３８が設けられている。第１の中間プレート３２に対して、有利には、基台２０の熱膨張係数と第２の中間プレート３６の熱膨張係数との間に位置する熱膨張係数を有する材料が使用される。これによって、使用された材料の温度を上回る異なる長さ膨張が中間プレートスタックの種々異なる平面に分配されることが保証される。これによって、材料における最大の機械的な応力を小さく保つことができる。これによって、センサの僅かな温度影響および僅かな温度ヒステリシスもしくは温度ドリフトと同時に高い破裂圧強さが生ぜしめられる。図５には、保護キャップ９０が記入してある。この保護キャップ９０は開放してまたは圧力密に閉鎖されて、たとえば真空密に溶接されて形成することができ、これによって、基準圧センサ、差圧センサまたは絶対圧センサが実現される。安全性理由から、絶対圧センサの場合、キャップ９０は、その破裂圧強さがシリコンダイヤフラムの破裂圧強さを上回って位置するように設計され得る。これによって、構造の非シール時のまたはダイヤフラムの破裂時の媒体流出を回避することができる。

図６には、圧力センサの第４の構成が示してある。この場合、チップ５０は圧力管片に組み付けられている。圧力接続は、ここでは例示的に示したように、螺入ねじ山６と円錐形シール部材５とによって行うことができるものの、Ｏリングシール部材またはこれに類似のシール部材を備えた管片によって実現することもできる。図５に示した同じ符号は、同じくセンサもしくはセンサ構造体の同じ部分もしくはエレメントを示している。図３〜図５と異なり、図６には、接続ピン７０の代わりにプリント配線板７１が設けられている。このプリント配線板７１は１つまたはそれ以上のボンディング線材６０によって、センサダイヤフラムの表面に位置する圧力測定手段に接続されている。これによって、チップ５０はプリント配線板７１を介して電気的に接続されている。さらに、このプリント配線板７１は、保護キャップ９０に設けられたコネクタ７２に接続されている。

図７には、硬ろう付けされた中間基台３３を備えた第５の構成が示してある。同じく既存の基台２０と、中間基台３３とは、本発明によれば、第５の構成において、第１の中間層３０によって特に硬ろう付けされていて、この第１の中間層３０がセンサ５０に対する圧力の増加につれて圧力負荷されるように互いに結合されている。その後、第２の中間層３４によって、チップ５０が中間基台３３に結合されている。この場合、第２の中間層３４は、特にクリープに対して強いはんだから成っていて、同じく硬ろう付けされて設けられている。第１の中間層３０のはんだは第５の構成では圧力負荷されるので、本発明によれば、第５の構成において、軟質のはんだを備えた第１の中間層３０を設けることも可能となる。なぜならば、軟質のはんだが、圧力負荷される事例に対して同じく極めて高い圧力に耐えることができるからである。

公知先行技術による公知のマイクロマシニング型のシリコン圧力センサを示す図である。

本発明によるセンサを備えた半導体基板を示す図である。

本発明によるセンサの第１の構成を示す図である。

本発明によるセンサの第２の構成を示す図である。

本発明によるセンサの第３の構成を示す図である。

本発明によるセンサの第４の構成を示す図である。

本発明によるセンサの第５の構成を示す図である。

符号の説明

５ 円錐形シール部材、 ６ 螺入ねじ山、 １０ 圧力接続管、 ２０ 基台、 ３０ 中間層、 ３２ 中間プレート、 ３３ 中間基台、 ３４ 中間層、 ３６ 中間プレート、 ３８ 中間層、 ５０ 半導体センサ、 ５１ 半導体基板、 ５２ 第１の厚さ、 ５３ 第２の厚さ、 ５４ ダイヤフラム領域、 ５５ 移行領域、 ５６ 表面構造、 ５７ ピエゾ抵抗、 ５８ 表面、 ５９ 裏面、 ６０ ボンディング線材、 ７０ 接続ピン、 ７１ プリント配線板、 ７２ コネクタ、 ８０ 絶縁体、 ９０ 保護キャップ、 １１０ 圧力接続管、 １２０ 基台、 １３０ はんだ、 １４０ ガラス、 １５０ シリコン基板、 １５５ 空洞、 １６０ ボンディング線材、 １７０ 接続ピン、 １８０ ガラス部材、 ５００ 空洞、 ５５０ 移行曲率半径

Claims (7)

1. 半導体材料（５１）から成るセンサであって、半導体材料（５１）が、第１の厚さ（５２）を有しており、半導体材料（５１）が、ダイヤフラム領域（５４）に第２の厚さ（５３）を有しており、該第２の厚さ（５３）が、第１の厚さ（５２）よりも小さく設定されており、当該センサが、移行領域（５５）を有しており、半導体材料（５１）の厚さが、第１の厚さ（５２）から第２の厚さ（５３）への移行領域（５５）で減少させられている形式のものにおいて、移行領域（５５）に大きなアスペクト比が設けられていることを特徴とする、半導体材料から成るセンサ。
2. 移行領域（５５）が、トレンチエッチングによって生ぜしめられるような表面構造（５６）を有している、請求項１記載のセンサ。
3. 当該センサが、圧力測定のために設けられている、請求項１または２記載のセンサ。
4. 半導体材料（５１）としてケイ素が設けられている、請求項１から３までのいずれか１項記載のセンサ。
5. 半導体材料（５１）が、表面（５８）と裏面（５９）とを有しており、移行領域（５５）が、裏面（５９）の一部であり、表面（５８）に、ダイヤフラム領域（５４）の変形量を測定するための手段（５７）が設けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサ。
6. 半導体材料（５１）にモノリシックに評価回路が組み込まれて設けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載のセンサ。
7. 半導体材料（５１）の厚さ（５２，５３）を減少させ、ダイヤフラム領域（５４）を設けて、半導体材料（５１）から成るセンサを製作するための方法において、厚さ（５２，５３）の減少をトレンチエッチングによって実施することを特徴とする、半導体材料から成るセンサを製作するための方法。

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