WO1996013705A1 - Verfahren zum herstellen von durchführungen elektrischer leitungen durch gasdichte verbindungen zwischen glas und silizium o.dgl. und von gasdichten durchführungen durch solche verbindungen und von drucksensoren mit solchen durchführungen - Google Patents

Verfahren zum herstellen von durchführungen elektrischer leitungen durch gasdichte verbindungen zwischen glas und silizium o.dgl. und von gasdichten durchführungen durch solche verbindungen und von drucksensoren mit solchen durchführungen Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for producing bushings for electrical lines through gas-tight connections between glass and silicon or the like. and of gas-tight bushings through such connections and of pressure sensors with such bushings on glass.
  • Electrostatic bonding between glass and silicon (instead of silicon, within the scope of this invention there are also all other materials which together with glass are suitable for permitting electrostatic bonding; for example gallium, gallium arsenide, germanium etc.) is known to be carried out in that - In particular sodium-containing - glass panes with highly precise surfaces, for example made of pyrex, applied flat to corresponding silicon wafers and connected under the action of heat and electrostatic energy, an ion migration occurring between the two wafers, which causes electrostatic polarization of the layers and thus after omission of the heat and the applied electrical Energy potential creates a strong, permanent electrostatic connection.
  • PIE is gas-tight, where different materials alternate with each other ⁇ .
  • trostat isches the current state of the art elec ⁇ bonding, if at the surface Oberflä ⁇ a glass sheet, a metallic conductor is passed through that region, is to be bonded in the electrostatically.
  • the conductor may be gas-tightly connected to the glass, for example by vapor deposition, to the silicon or the like. however, it cannot be connected gas-tight when bonding.
  • peeling tests it was possible to show in the laboratory that, for example, after conventional bonding tests, chromium as a conductor cannot be connected to silicon, but it adheres well to glass.
  • the professional world was previously of the opinion that the surface properties of the panes to be connected are important for gas-tight bonding and that larger bumps between the panes prevent electrostatic bonding.
  • bushings for example in the case of pressure sensors, where pressure tightness is a requirement, were produced by drilling holes in the glass pane by means of electrochemical discharge processes, the side walls of which were then metallized in order to provide an electrical contact on the underside to the conductive doped silicon applied there by means of electrostatic bonding. The remaining hole openings in the glass were also occasionally closed with synthetic resin. The effort involved in producing such bushings is very large. Such an implementation is described, for example, in "UETP-MEMS Course Packaging" (1993) under 4.1.1.3. described. In the same publication on page 64, reference is made to a horizontal implementation which, during 6 complex work steps, embeds a conductor horizontally in a layer of SiO 2.
  • Fig. 8 shows another known alternative with a no less complex manufacturing process.
  • the invention is therefore based on the object of eliminating the problems mentioned and of creating a corresponding new simplified method and corresponding implementations and in particular a new pressure sensor.
  • the process should be simple, as far as possible without using a large amount of equipment and, above all, should also be inexpensive for smaller quantities.
  • the Feedthroughs should enable good electrical conduction without disturbing the gas tightness of the connection between the glass and silicon panes, and the pressure sensor should accordingly be inexpensive to manufacture.
  • the inventive method for producing at least one implementation of at least one electrical line through a gas-tight connection between a glass element and a silicon element (semiconductor element) or the like. on glass by means of electrostatic bonding, avoids complex equipment and ensures a gas-tight, high-strength connection.
  • a metallic conductor with a certain length and a certain thickness is adhered in particular exclusively to the surface of the glass element, after which the silicon element is placed on the glass element, and regardless of the resulting unevenness between the two Elements are electrostatically bonded to one another under heat, so that the glass connects to the silicon in the area next to the metallic conductor to the surface of the glass element.
  • the preferred maximum thickness was 3 ⁇ m and the minimum conductor length — depending on the material — was preferably 3-500 ⁇ m.
  • the conductor is interrupted in the area in which the glass and silicon touch it at the same time and on the side of the silicon element (semiconductor element) or the like to be assigned to the glass element.
  • At least one layer is conductively doped, which, in the assembled state, touches the two ends of the conductor, which delimit the interruption, at least in the region of the interruption of the conductor, after which the two elements are joined together and electrostatically (anodically) bonded to one another under heat, so that the Glass with the doped silicon between and next to the two conductor ends electrostatically bonded in the area of the interruption.
  • the metallic conductor is vapor-deposited or sputtered onto the glass element in a thickness of approximately 50 nm and preferably Al, Cr, or Ni, Ti or Pt is chosen as the conductor material.
  • Chrome in particular, is characterized by simple application and high adhesive strength to the glass, which, unlike aluminum, does not lead to the formation of an oxide layer.
  • the concept of the invention thus creates gas-tight bushings of electrical lines through electrostatically bonded connections between a glass element and a silicon element or the like. on glass, in which at least one metallic conductor adheres firmly to the surface of the glass element is attached, wherein the conductor is "pinched" either over a certain length between the glass and silicon, or we ⁇ is iquess interrupted once in its length, and wherein conductively doped him in the latter case at the two ends, which delimit the interruption
  • Contacting silicon of the silicon element is provided, which is electrostatically bonded to the glass element in the area of the interruption.
  • Such a novel implementation can be used in many ways and creates a new practical constructive element in micromechanical sensor construction.
  • Such connections could even be prefabricated on a modular basis in order to be attached or installed on or in micromechanical or microelectronic structures if required.
  • a thickness of approx. 50nm on the glass element is favorable for the metallic conductor, whereby excellent bonds were achieved even in the laboratory test with thicknesses of around 100n without the conductor having to be mechanically displaced to adjust the distance between the surfaces ⁇ Chen to reduce the two elements. According to the invention, however, it is presumably even possible to achieve bonds at distances of around 150 nm.
  • Metallic conductors possibly made from one of the metals Al, Cr, Ni or from an alloy thereof, have proven themselves, whereby they are easy to contact if they have a greater structural extension than the silicon element on the side of the connection to be contacted .
  • comb-shaped sensors or actuators can be realized, which are then improved and can be used more universally if the silicon element has a three-layer structure, the layer facing the metallic conductor being p- or n-doped and on borders an undoped layer which adjoins an n- or p-doped layer, the latter being micromechanically structured in such a way that a plurality of parallel conductor tracks which are electrically separated from one another lie opposite the at least one metallic conductor.
  • Such a structure creates the possibility of pixel-by-pixel detection of changes in state in the area of the sensor, especially since the doped comb-shaped conductor tracks with the comb-shaped metallic conductors define measuring points in the plane like a coordinate system.
  • the invention is not restricted to comb-shaped structures in the narrower sense. The only important thing here is the idea of the invention to provide a plurality of conductors and counterparts which are separate from one another.
  • a concrete application example of the measures according to the invention results in a pressure sensor with an implementation as described above.
  • the invention with all its facets is of course not limited to capacitive sensors. It affects / 13705 CMB95 / 0934
  • Fig.l is a schematic diagram of a cross section through a
  • FIG. 2 shows the basic sketch of a comparable structure according to the invention prior to electrostatic bonding
  • 3 shows the structure according to FIG. 2 after bonding
  • FIG. 4 shows a structure with a plurality of parallel metallic conductors which are opposed by a plurality of parallel, doped conductor tracks in the silicon element
  • 5 shows a novel pressure sensor according to the invention in section
  • 6 shows a particularly simple implementation variant, without interrupting the conductor, in elevation
  • 7 shows a section through FIG. 6 along lines VII VII
  • FIG. 8 shows a section through a structure according to the prior art
  • FIG. 9 shows a variant with a four-layer bushing according to the invention.
  • FIG. 1 corresponds to the task, namely to make a metallic conductor 5a gas-tight between a glass pane 1 and a semiconductor wafer 2 made of silicon.
  • a gas-tight connection can be established by means of electrostatic bonding, which delimits a cavity 6 machined out of the silicon.
  • the silicon wafer 2 was p-doped along a lower layer 7; the metallic conductor 5a is divided into two sections 5b and 5c, the interruption between 5b and 5c being opposed by a section 7b of a p-doped layer in such a way that the ends of the conductor sections 5b and 5c connect via 7b. Since the cavity 6 was only worked out of the silicon element 2 after p-doping, a p-doped layer is missing there. The professional world was of the opinion that such a structure cannot be connected by electrostatic bonding, since the region 7b of the layer cannot connect to the glass pane 1 due to the relatively large distance (e.g. 50 nm). Such a gas-tight bushing is preferably produced by the methods disclosed here. However, it is also new and inventive per se (see claim 7).
  • FIG. 3 refutes this view and shows a bonded structure according to the invention. It can be clearly seen that in region 7b the glass surface has migrated slightly in the direction of silicon in order to interrupt the metallic conductor 5b, c by a bond connection enter into. At this point there is a gas-tight connection 3b as well as at point 3a.
  • Fig. 8 shows a known structure that is similar at first glance.
  • a flat electrode 5b is applied to a glass pane 1 and, together with an n-doped silicon pane 2, delimits a cavity 6 which is closed in a pressure-tight manner.
  • the cavity 6 is essentially enclosed by a connection between the n-doped silicon and the glass.
  • Only at the point at which the electrode 5b is to be contacted to the outside is a p-doped silicon piece 18 inserted in the surface of the n-doped silicon, which is connected to the glass pane 1 via an elevation 17 of the n-doped silicon and touches the electrode 5b at the same time.
  • the silicon piece 18 is guided outward like a ladder and there is equipped with an aluminum pad 5a, on which an electrical contact can be made.
  • the following processes are therefore necessary to produce this known structure: l) application of the electrode 5b on the glass 1;
  • n-doped silicon is applied to the n-doped wafer 2 (this can be done, for example, in a vacuum by heating and diffusing in large areas of borgas take place that makes the n-doped wafer 2 completely p-conductive on its entire surface, but at least on one side.);
  • the two relatively complex process steps 4) and 5) are thus omitted, only the most important steps being mentioned and additional ones to be taken into account in practice, as is known to the person skilled in the art.
  • FIG. 4 symbolically shows a structure with a plurality of conductors 5d-i and 5k-p, the ends of which, as per FIG. 3 are connected at points 7c-h by p-doped silicon.
  • the p-doping is not everywhere here, but rather is only continuous in stripes, so that (symbolically) six parallel, independent lines are implemented.
  • This structure shows how simple and diverse bushings according to the invention can be designed and which practical sensors / actuator structures can be designed as a result.
  • sensitive tactile elements for example, which can detect pressure changes in terms of coordinates, could also be constructed in this way.
  • miniaturized fingerprint sensors can be created in this way, for example, which can identify a fingerprint of a person.
  • the mechanical deformability of the silicon wafer 2 must of course also be selected accordingly for such structures.
  • the choice of doping is, as is known per se, related to the desired conductor materials and the desired positive or negative electrical potential.
  • Such structures can also be easily combined with other structures of other sensors, e.g. a CCD chip could also be attached to the free side of the glass pane 1, which detects 1: 1 any changes in the position of the metal conductors 5k-p, or e.g. also any interference phenomena between the metal conductors 5k-p and the underside of the silicon element 2.
  • the movable membrane at this point depending on the pressure values applied to its upper side and depending on the depth of the cavity 6, approximates the conductors 5k -p.
  • the effects occurring here could be recorded by a CCD chip and made processable. Support could come from a - preferably coherent - light source applied laterally to the glass pane, as explained in more detail in the aforementioned second application.
  • FIG. 5 shows symbolically an application example of the invention, which can also be used independently for itself.
  • the silicon element 2 which is formed as a membrane in its central region
  • an electrical insulation layer made of silicon oxide which adheres to at least three support points (11a, b) is supported.
  • Parts 2 and 10 are connected to one another via conventional measures.
  • the silicon dioxide layer may have grown together with the silicon of part 2;
  • a layer of glass is placed between the two panes 2 and 10, which allows electrostatic bonding together with the electrostatic bonding between the panes 1 and 2 in one operation.
  • the cavity 6 is evacuated and equipped with a getter 14 in order to capture any remaining gas molecules.
  • getter 14 is dispensed with.
  • the cavity 6 of this variant contains gas, such as air, nitrogen, or the like. with a reference pressure pO, which corresponds, for example, to a maximum measurement pressure p 1 to be expected in the air gap 15.
  • pO reference pressure
  • the membrane is stretched or arched slightly upward into the air gap 15 under normal pressure conditions. If the ambient air pressure or measuring pressure pl exceeds the reference pressure pO, this leads to a pushing back of the membrane or of the element 2 above the conductor 5b. With a corresponding voltage application of this conductor 5b via its connecting piece 5c and the n-doped part of the element 2 and the second silicon wafer 10, this leads to capacitive or electrostatic charge displacements on the components mentioned, which, as is known, are measured therefrom to be able to conclude the measuring pressure.
  • a pressure sensor construction according to the invention can also have only two layers, in which case an additional measurement variable is required, such as a high-frequency distance measurement superimposed on the capacitance measurement.
  • FIG. 1 As an example of a possible structure - to be supplemented by the bushings according to the invention - for such a two-layer mechanical structure, reference is made to FIG. 1 and the associated description parts of the article "A MOS Switched-Capacitor Readout Amplifier for capacitive Pressure Sensors" "YEPark et al., IEEE Custom IC Conf. 1983, pp. 380-384, reference being made, the circuit published under FIG. 2 also being applicable to other variants according to the invention.
  • an electrostatically generated pressure between glass 1 and first silicon wafer 2 is regulated.
  • the capacitive measuring electrodes are then effective between the first silicon wafer 2 and the second silicon wafer 10, or vice versa.
  • FIG. 8 shows a variant of the known variant according to FIG. 8 of this application.
  • an additional work step is installed there, namely covering the through-contacting p-doped conductors again with silicon or n-doped silicon, so that the p-doped conductors carried out are completely enclosed by silicon or n-doped silicon.
  • FIGS. 6 and 7 show a glass plate 1 on which a silicon body 2 with a cavity 6 is bonded so that the cavity 6 is separated from the environment in a pressure-tight manner.
  • An electrical and metallic conductor 5 is inserted into the cavity through the bond connection. It can be seen from the sectional illustration that the glass 1 is nestled against the conductor 5 in the region next to the conductor 5 and on its remaining surface, which is opposite the silicon element 2, and is connected to the latter in a pressure-tight manner.
  • the small cavities - possibly present but not yet proven - drawn in directly next to the conductor 5 are obviously so small that gas passage is not possible, as was roughly considered above.
  • the decisive factor is obviously the length 1 (depending on the selected metal and glass) preferably greater than 100 ⁇ m, in particular greater than 300 ⁇ m or 500 ⁇ m, and the thickness d (depending on the selected metal and the bonding properties of the selected glass) preferably less than 5 ⁇ m, in particular less than 3 ⁇ m.
  • a pressure sensor described can of course also act as a temperature sensor in that the gas enclosed in the cavity 6 has different internal pressures depending on the ambient heat, so that changes in the position of the membrane are also an indication of temperature changes.
  • FIG. 9 shows an example of an inventive variant in which a particularly well-sealing four-layer connection is implemented in the area of the conductor leadthrough: a conductor (e.g. chrome) is applied to a glass plate (e.g. Pyrex). Another layer of glass (e.g. Pyrex) is applied to it, in particular sputtered on. The conductor is thus firmly enclosed between two glass layers, so that no gas passage is possible between the conductor and the glass layer. To further produce the gas-tight bushing, the second glass layer is connected to a silicon layer arranged above it, in particular by means of bonding. As a result, a gas-tight implementation is achieved again, which e.g. used as with sensors according to Fig. 1-3.
  • a conductor e.g. chrome
  • a glass plate e.g. Pyrex
  • Another layer of glass e.g. Pyrex
  • the conductor is thus firmly enclosed between two glass layers, so that no gas passage is possible between the conductor
  • the thickness of the conductor and / or the second glass layer is preferably approximately 10 ⁇ m.
  • DE-U-9102748.9 also describes a method in which Pyrex glass is applied to contacts. However, the task on which this process is based and the resultant result are different from one another: While the teaching of DE-U assumes a leveling (leveling), this is not necessary in accordance with the invention. The new method according to the invention surprisingly also overcomes unevenness caused by metallic conductors without the steps being compensated (see p. 19 paragraph 1 of DE-U).
  • the variant shown in FIG. 9 offers electrical insulation from the silicon layer.
  • another inventive idea results from the application of an anti-adhesive layer 19 to the conductor 5d and, if appropriate, the areas of the Pyrex glass lying underneath.
  • the non-stick layer 19 avoids a static connection of the inside of the silicon component to the inside of the Pyrex glass or to the top of the conductor 5d. Without this non-stick layer, it can happen that at high external pressures or small distances between the two layers there is contact, which leads to an adhesion connection that can no longer be released. This new effect is also useful for the other objects in the other figures.
  • non-stick layers It was also discovered in a new and inventive way to use previously known materials for diffusion barriers as non-stick layers.
  • a diffusion barrier known per se, is preferably used as a non-stick layer 19.
  • Such non-stick layers therefore usually consist of an AxBy compound.
  • A corresponds to an element from the element group of chromium and neighboring elements and B corresponds to an element made of oxygen, carbon, silicon or neighboring elements.
  • This aspect of the invention can now also be used in a wide variety of other sensors and components, not shown in the present invention, with mutually opposing layers which should not adhere to one another by means of adhesive forces.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Durchführungen (4) elektrischer Leitungen (5) durch gasdichte Verbindungen (3) zwischen Glas- und Siliziumelementen (1 und 2) o.dgl. mittels elektrostatischem Bonden und gasdichte Durchführungen (4) durch solche Verbindungen (3) und einen Drucksensor mit einer solchen Durchführung (4). Bei einer Variante ist der Leiter (5) mit bestimmter Länge (1) überdeckt und höchstens (d) dick; bei einer anderen Variante ist der Leiter (5) selbst unterbrochen und der Unterbrechung ist p- oder n-dotiertes Silizium zur elektrischen Verbindung gegenübergestellt.

Description

Verfahren zum Herstellen von Durchführungen elektrischer Lei¬ tungen durch gasdichte Verbindungen zwischen Glas und Silizium o.dgl. und von gasdichten Durchführungen durch solche Verbindungen und von Drucksensoren mit solchen Durchführungen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Durchführungen elektrischer Leitungen durch gasdichte Ver¬ bindungen zwischen Glas und Silizium o.dgl. und von gasdichten Durchführungen durch solche Verbindungen und von Drucksensoren mit solchen Durchführungen auf Glas.
Es ist bekannt, z.B. bei Drucksensoren, die einen gasdicht umschlossenen Hohlraum aufweisen, Siliziumscheiben mit Glas- Scheiben zu verbinden, wobei innerhalb der Verbindungslinie der Hohlraum gebildet ist. Solche Verbindungen sind insofern geeignet, als Glas und Silizium einen sehr ähnlichen Ausdeh¬ nungskoeffizienten aufweisen. Als Verfahren für das Herstel¬ len derartiger Verbindungen hat sich elektrostatisches (bzw. anodisches) Bonden bewährt, da dieses Verfahren eine gute Verbindung ermöglicht, die sich durch absolute Gasdichtheit auszeichnet. Elektrostatisches Bonden zwischen Glas und Sili¬ zium (anstelle von Silizium liegen im Rahmen dieser Erfindung auch sämtliche anderen Materialien, die zusammen mit Glas geeignet sind, elektrostatisches Bonden zu erlauben; z.B. Gallium, Galliumarsenid, Germanium usw.) erfolgt bekannter¬ weise dadurch, dass - insbesondere natriumhaltige - Glas¬ scheiben mit hochgenauen Oberflächen, z.B. aus Pyrex, flächig an entsprechende Scheiben aus Silizium angelegt und unter Einwirkung von Wärme und elektrostatischer Energie verbunden werden, wobei es zwischen den beiden Scheiben zu einer Ion¬ enwanderung kommt, die eine elektrostatische Polarisierung der Schichten und dadurch nach Weglassen der Wärme und des angelegten elektrischen Energiepotentials eine starke, dauer- hafte elektrostatische Verbindung bewirkt.
Der Nachteil bei solchen Verbindungsverfahren ist der, dass - nach herkömmlichem Wissensstand - die Verbindung dort nicht
PIE gasdicht ist, wo unterschiedliche Materialien einander ab¬ wechseln. So ist z.B. nach heutigem Stand der Technik elek¬ trostatisches Bonden nicht erfolgreich, wenn an der Oberflä¬ che einer Glasscheibe ein metallischer Leiter durch jenes Gebiet geführt ist, in dem elektrostatisch gebondet werden soll. Der Leiter mag zwar mit dem Glas z.B. durch Aufdampfen gasdicht verbunden sein, mit dem Silizium o.dgl. lässt er sich jedoch beim Bonden nicht gasdicht verbinden. In Schäl- versuchen konnte im Labor gezeigt werden, dass z.B. nach her- kömmlichen Bondversuchen Chrom als Leiter mit Silizium nicht verbindbar, jedoch gut auf Glas haftend ist. Abgesehen davon war die Fachwelt bislang der Meinung, dass für gasdichtes Bonden die Oberflächenbeschaffenheit der zu verbindenden Scheiben wichtig ist und grössere Unebenheiten zwischen den Scheiben elektrostatisches Bonden verhindern.
So führt beispielsweise das relevante Buch "Mikrosystemtechnik für Ingenieure" von W. Menz (1993) unter 9.5 an, dass ein enger Kontakt zwischen Glasplatte und Siliziumscheibe ebenso wie Ebenheit der beiden Oberflächen nötig ist. Selbst wenn es also gelungen wäre, zwischen dem erwähnten Metalleiter und dem Silizium doch eine gute Verbindung herzustellen, so wäre noch als Problem verblieben, den Leiter entweder in der Glasscheibe oder in der Siliziumscheibe zu versenken, um die beiden Scheiben völlig plan aneinanderlegen zu können. Dieses war nach herrschender Meinung jedoch nur mit einigem Aufwand möglich und zum Beispiel bei einem Beschleunigungssensor, wie in Abb. 6.4.3. im erwähnten Buch dargestellt, durchgeführt. Die Praxis verlangt von solchen Beschleunigungssensoren keine Vakuumdichtheit, die bei der dargestellten Ausführung auch nicht gegeben ist.
Aus diesen Gründen wurden Durchführungen z.B. bei Drucksenso- ren, wo Druckdichtheit Bedingung ist, dadurch hergestellt, dass man mittels elektrochemischer Entladungsvorgänge Löcher in die Glasscheibe bohrte, deren Seitenwände danach metalli¬ siert wurden, um an der Unterseite einen elektrischen Kontakt zu dem dort mittels elektrostatischem Bonden aufgebrachten, leitfähigen dotierten Silizium zu bewirken. Die noch verblie¬ benen Bohrungsöffnungen im Glas wurden ausserdem fallweise noch mit Kunstharz verschlossen. Der Aufwand bei der Herstel- lung derartiger Durchführungen ist sehr gross. Eine solche Durchführung ist beispielsweise in "UETP-MEMS Course Packa- ging" (1993) unter 4.1.1.3. beschrieben. In derselben Publikation auf Seite 64 ist auf eine horizontale Durchführung hingewiesen, die während 6 aufwendigen Arbeitsschritten einen Leiter horizontal in eine Schicht aus Siθ2 einbettet.
Als Alternative wurden auch metallisierte Kunstharze in die oben erwähnten Bohrungen eingeführt, was jedoch Probleme mit der Dichtheit und mit dem Kontakt zum Silizium oder den dort dotierten Leitern, bzw. mit der Alterung verursachen kann.
Fig.8 zeigt eine andere bekannte Alternative mit nicht weniger aufwendigem Herstellungsverfahren.
Als weitere Alternative wurden Lösungen vorgeschlagen, bei denen auf die Verwendung einer Glasscheibe zugunsten einer zweiten Siliziumscheibe verzichtet wurde, wobei die beiden Siliziumscheiben durch Zusammenwachsen des Siliziums verbun- den wurden, was jedoch höchste Anforderungen an den Arbeits¬ platz (Reinstraumtechnik) stellt und zudem aufwendige Vor¬ richtungen benötigt. Solche Anforderungen sind dann noch ver¬ tretbar, wenn riesige Stückzahlen von entsprechend herge¬ stellten mikromechanischen/mikroelektronischen Bauteilen er- zeugt werden, nicht aber bei kleineren Stückzahlen.
Der Erfindung liegt - ausgehend vom erwähnten Stand der Tech¬ nik - somit die Aufgabe zugrunde, die erwähnten Probleme zu beseitigen und ein entsprechendes neues vereinfachtes Verfah- ren sowie entsprechende Durchführungen und insbesondere einen neuen Drucksensor zu schaffen. Das Verfahren soll einfach sein, möglichst ohne grossen Geräteaufwand auskommen und vor allem auch für kleinere Stückzahlen kostengünstig sein. Die Durchführungen sollen gute elektrische Leitung ermöglichen, ohne die Gasdichtheit der Verbindung zwischen den Glas- und Siliziumscheiben zu stören und der Drucksensor soll dementsprechend kostengünstig herstellbar sein.
Gelöst werden diese Aufgaben beispielhaft erstmals durch die Anwendung des neuen Verfahrens gemäss Anspruch 1 oder 3 bzw. durch die neuartige Durchführung gemäss Anspruch 6 oder 7 bzw. durch den neuartigen Drucksensor nach Anspruch 12.
Das erfindungsgemässe Verfahren zum Herstellen von wenigstens einer Durchführung wenigstens einer elektrischen Leitung durch eine gasdichte Verbindung zwischen einem Glaselement und einem Siliziumelement (Halbleiterelement) o.dgl. auf Glas, mittels elektrostatischem Bonden vermeidet aufwendige Gerätschaften und stellt eine gasdichte, hochfeste Verbindung sicher. Bei ihrer Herstellung wird dabei insbesondere aus- schliesslich auf der Oberfläche des Glaselementes ein metal¬ lischer Leiter mit einer bestimmten Länge und bestimmter Dicke festhaftend aufgebracht, wonach auf das Glaselement das Siliziumelement aufgelegt wird, und ungeachtet der sich dar¬ aus ergebenden Unebenheit zwischen den beiden Elementen mit¬ einander unter Hitze elektrostatisch gebondet wird, so dass sich das Glas mit dem Silizium im Bereich neben dem metalli- sehen Leiter mit der Oberfläche des Glaselementes verbindet.
Bei diesem Verfahren zeigt sich überraschend und entgegen der Meinung der Fachwelt, dass die sich durch den aufgedampften metallischen Leiter ergebende Unebenheit und Inhomogenität an den zu verbindenden Oberflächen der Elemente kein Nachteil sind bzw. die gasdichte Verbindung nicht verhindern, sofern der Leiter nicht eine gewisse Dicke über- und eine gewisse Länge unterschreitet, im Bereich, in dem beide Elemente gleichzeitig den Leiter berühren. Möglicherweise hilft beim Aufbau dieser Verbindung überraschenderweise sogar der an¬ grenzende metallische Leiter, indem er am Anfang des Bondpro¬ zesses als Initialleiter mithilft, eine elektrische Ionenwan¬ derung aus dem Glas ins Silizium zu ermöglichen. Diese Wände- rung ist vielleicht gerade wegen der guten Leiteigenschaften des Metalles besonders stark im Bereich der metallischen Lei¬ ter, so dass es gerade in deren Umfeld zu einer raschen Pola¬ risierung und damit verbunden zu einer starken elektrostati- sehen Haftkraft zwischen dem Glas und dem Silizium kommt. Wie bekannt, kann und wird eine solche Kraft zwischen metalli¬ schem Leiter (z.B. Chrom, Aluminium usw.) und Silizium offen¬ sichtlich nicht erzeugt, denn auch bei einer erfindungsge- mäss hergestellten Verbindung lässt sich mittels Schälversu- chen das Silizium relativ leicht vom metallischen Leiter, nicht jedoch vom Glas daneben lösen. Trotzdem ist überra¬ schenderweise eine erfindungsgemäss hergestellte Durchführung durch eine solche Verbindung gasdicht. Vermutlich ergibt sich dieses aus den enorm starken elektrostatischen Flächenpres- sungskräften, die das Silizium mit dem Metall in eine Press¬ verbindung zwingen und/oder aus einer möglichen Getterwirkung des Metalleiters und/oder aus einer stellenweisen derartigen Reduktion von frei bleibenden Durchtrittsquerschnitten, dass diese durch Gasmoleküle bzw. Gasionen blockiert und damit selbstdichtend abgedichtet werden. Bei Aluminium und oder Chrom hat sich als bevorzugte Maximaldicke 3 μm und als minimale Leiterlänge hat sich - materialabhängig - bevorzugt 3-500 μm ergeben.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Leiter im Bereich, in dem ihn gleichzeitig das Glas und Silizium berühren, unterbrochen ist und an der dem Glaselement zuzu¬ ordnenden Seite des Siliziumelementes (Halbleiterelementes) o.dgl. wenigstens eine Schicht leitend dotiert ist, die im montierten Zustand wenigstens im Bereich der Unterbrechung des Leiters die beiden, die Unterbrechung begrenzenden, Enden desselben berührt, wonach die beiden Elemente zusammengefügt werden und miteinander unter Hitze elektrostatisch (anodisch) gebondet werden, so dass sich das Glas mit dem dotierten Silizium zwischen und neben den beiden Leiterenden im Bereich der Unterbrechung elektrostatisch verbondet. Wichtig ist bei dieser Ausgestaltung der Erfindung offensichtlich, dass der metallische Leiter als solcher nicht durchgehend durchgeführt wird, sondern dass er unterbrochen wird und dass an der Un¬ terbrechung eine elektrostatische Bondung herbeigeführt wird, die im Gegensatz zur erstbeschriebenen Lösung eine vollstän¬ dige Bondverbindung zwischen den gasdicht zu trennenden Räu- men ergibt. Gegenüber der erstbeschriebenen Lösung kann diese Variante auch verkürzt ausgeführt werden, da schon geringe Stücke einer Bondverbindung hervorragende Vakuumdichtheit herstellen.
Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der metallische Leiter in einer Dicke von ca. 50nm auf das Glaselement auf¬ gedampft oder aufgesputtert und als Leitermaterial vorzugs¬ weise AI, Cr, oder Ni, Ti oder Pt gewählt. Vor allem Chrom zeichnet sich durch einfaches Aufbringen und hohe Haftfestig- keit am Glas aus, wobei es im Gegensatz zu Aluminium nicht zu einer Oxidschichtbildung kommt.
Als verfahrenstechnisch einfach hat sich erwiesen, die lei¬ tende Dotierung des Siliziumelementes zunächst über dessen gesamte Fläche aufzubringen, worauf der Bereich der dotierten Schicht, der im montierten Zustand an die Durchführung an¬ grenzt (z.B. ausserhalb eines Sensorelementes im Kontaktie- rungsbereich für Anschlüsse oder innerhalb eines Sensors, wenn dieser mit Hohlräumen versehen ist) , mikromechanisch z.B. mittels Ätzen entfernt wird, so dass im gebondeten Zu¬ stand die übrige Schicht des Siliziumelements - die vorzugs¬ weise andersartig, jedoch ebenfalls leitend dotiert wurde - dem durchgeführten metallischen Leiter in einem Abstand ge¬ genüberliegt, wie dies bei den verschiedensten Sensoren be- kannterweise erforderlich ist, z.B. bei kapazitiven Schwin- gungs- oder Drucksensoren, bei Gas- oder Gasflussensoren usw.
Das Konzept der Erfindung schafft somit gasdichte Durchfüh- rungen elektrischer Leitungen durch elektrostatisch gebondete Verbindungen zwischen einem Glaselement und einem Silizium¬ element o.dgl. auf Glas , bei denen wenigstens ein metalli¬ scher Leiter festhaftend an der Oberfläche des Glaselements angebracht ist, wobei der Leiter entweder über eine bestimmte Länge zwischen Glas und Silizium "eingeklemmt" ist oder we¬ nigstens einmal in seiner Länge unterbrochen ist, und wobei ihm im letzteren Fall an den beiden Enden, die die Unterbre- chung begrenzen, leitfähig dotiertes Silizium des Silizium¬ elementes kontaktierend zur Seite gestellt ist, das mit dem Glaselement im Bereich der Unterbrechung elektrostatisch ge- bondet ist.
Eine solche neuartige Durchführung kann vielfältig angewendet werden und schafft im mikromechanischen Sensorenbau ein neues praktisches konstruktives Element. Es könnten solche Verbin¬ dungen sogar bausteinmässig vorgefertigt werden, um bei Be¬ darf an bzw. in mikromechanische bzw. mikroelektronische Kon- struktionen angebaut bzw. eingebaut zu werden.
Wie schon oben erwähnt, ist für den metallischen Leiter eine Dicke von ca. 50nm auf dem Glaselement günstig, wobei auch bei Dicken um lOOn im Laborversuch noch hervorragende Bondungen erreicht wurden, ohne dass der Leiter mechanisch versetzt werden musste, um den Abstand zwischen den Oberflä¬ chen der beiden Elemente zu verringern. Vermutlich lassen sich jedoch erfindungsgemäss sogar Bondungen bei Abständen um 150nm erreichen. Metallische Leiter, gegebenenfalls aus einem der Metalle AI, Cr, Ni oder aus einer Legierung daraus, haben sich bewährt, wobei sie dann einfach zu kontaktieren sind, wenn sie an der zu kontaktierenden Seite der Verbindung eine grössere bauliche Erstreckung als das Siliziumelement aufwei¬ sen.
Als praktischer Aufbau, vor allem für kapazitiv arbeitende Sensoren, zeigt sich, wenn das Siliziumelement an seiner leitfähigen Schicht p-dotiert ist, während es im übrigen Be¬ reich ebenso leitfähig n-dotiert (oder umgekehrt) ist, so dass der metallische Leiter und das Siliziumelement (dessen n-dotierter Bereich - oder umgekehrt p-dotierter Bereich) zwei parallele, elektrisch voneinander getrennte Leiter bil¬ den. Kapazitive Änderungen zwischen diesen beiden können, wie an sich bekannt, mühelos detektiert werden. Gegebenenfalls können solche Aufbauten jedoch auch als Mikroaktuatoren An¬ wendung finden.
Für Sensoren oder Aktuatoren, die flächenmässig aufgeteilt sind, empfiehlt sich eine Weiterbildung der Erfindung, bei der mehrere zueinander parallele metallische Leiter vorgese¬ hen sind, wobei jedem Leiter ein streifenförmiger Bereich leitfähig dotierten Siliziums des Siliziumelements kontak- tierend zur Seite gestellt ist, wobei die streifenformigen Bereiche voneinander elektrisch getrennt sind. Mit einem sol¬ chen Aufbau lassen sich kammförmige Sensoren oder Aktuatoren realisieren, die dann noch verbessert und universeller an¬ wendbar sind, wenn das Siliziumelement dreischichtig aufge- baut ist, wobei die dem metallischen Leiter zugewandte Schicht p- oder n-dotiert ist und an eine nichtdotierte Schicht grenzt, die an eine n- oder p-dotierte Schicht an- schliesst, wobei letztere mikromechanisch so strukturiert ist, dass mehrere parallele, voneinander elektrisch getrennte Leiterbahnen dem wenigstens einen metallischen Leiter gegenüberliegen.
Ein solcher Aufbau schafft die Möglichkeit pixelweiser Erfassung von Zustandsänderungen im Bereich des Sensors, zu- mal die dotierten kammförmigen Leiterbahnen mit den kammför- migen metallischen Leitern gleich einem Koordinatensystem Messpunkte in der Ebene definieren. Dabei ist die Erfindung jedoch nicht auf kammförmige Aufbauten im engeren Sinn ein¬ geschränkt. Wichtig ist dabei lediglich der Erfindungsge- danke, mehrere voneinander getrennte Leiter und Gegenstücke dazu vorzusehen.
Als konkretes Anwendungsbeispiel der erfindungsgemässen Mass- nahmen ergibt sich ein Drucksensor mit einer Durchführung wie oben beschrieben.
Die Erfindung mit all ihren Facetten ist selbstverständlich nicht auf kapazitive Sensoren eingeschränkt. Sie betrifft /13705 CMB95/ 0934
sämtliche Aufbauten, bei denen elektrische Energie über den elektrischen Leitungsweg durch gasdichte Trennwände hindurch - zu welchen Zwecken auch immer - übertragen werden soll. Anhand eines beispielhaften, mittels Skizzen dargestellten Ausführungsbeispieles wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen dabei:
Fig.l eine Prinzipskizze eines Querschnittes durch eine
Verbindung zwischen einer Siliziumscheibe und einer Glasscheibe entsprechend der Aufgabenstellung, die praktisch kaum realisierbar ist;
Fig.2 die Prinzipskizze eines vergleichbaren erfindungsge- mässen Aufbaus vor dem elektrostatischen Bonden; Fig.3 den Aufbau gemäss Fig.2 nach dem Bonden und Fig.4 einen Aufbau mit mehreren parallelen metallischen Leitern, denen mehrere parallele, dotierte Leiterbah¬ nen im Siliziumelement gegenüberliegen; Fig.5 einen erfindungsgemässen neuartigen Drucksensor im Schnitt; Fig.6 eine besonders einfache Durchführungsvariante, ohne Unterbrechung des Leiters, im Aufriss; Fig.7 einen Schnitt durch Fig.6 entlang den Linien VII VII, Fig.8 einen Schnitt durch einen Aufbau gemäss Stand der Technik und Fig.9 eine Variante mit einer erfindungsgemässen Vier¬ schichtdurchführung.
Die Figuren werden zusammenhängend beschrieben. Gleiche Be¬ zugszeichen bedeuten gleiche Bauteile. Funktionsähnliche Bau- teile tragen gleiche Bezugszeichen mit unterschiedlichen In¬ dizes. Die Erfindung ist durch die beispielhafte Darstellung der Figuren nicht eingeschränkt. In ihrem Rahmen liegen viel¬ mehr unterschiedliche Varianten und Ausführungen, auch solche mit Bauteilen, die zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch nicht auf dem Markt sind - wie beispielsweise unterschiedliche Materia¬ lien mit denselben Eigenschaften wie die beschriebenen. Ins¬ besondere ist die Erfindung nicht auf Drucksensoren einge¬ schränkt; vielmehr können durch sie alle Sensoren, Aktoren bzw. Aktuatoren mit erforderlichen elektrischen Durchführun¬ gen durch miteinander verbundene, an sich nicht leitende Schichten sinnvoll verbessert bzw. deren Herstellung erleich¬ tert werden.
Der in Fig.l gezeigte Aufbau entspricht der Aufgabenstellung, nämlich einen metallischen Leiter 5a zwischen einer Glas¬ scheibe 1 und einer Halbleiterscheibe 2 aus Silizium gasdicht durchzuführen. Im Bereich der Durchführung 4a ist es gemäss dem Stand der Technik schwierig, Gasdichtheit herzustellen, da sich der Leiter 5a nicht gasdicht mit dem Silizium verbin¬ den lässt. An der Stelle 3a lässt sich jedoch mittels elek¬ trostatischem Bonden eine gasdichte Verbindung herstellen, die einen aus dem Silizium herausgearbeiteten Hohlraum 6 begrenzt.
Fig.2 zeigt einen vergleichbaren, jedoch erfindungsgemässen Aufbau vor dem Bonden. Die Siliziumscheibe 2 wurde entlang einer unteren Schicht 7 p-dotiert; der metallische Leiter 5a in zwei Teilstücke 5b und 5c unterteilt, wobei der Unterbre¬ chung zwischen 5b und 5c ein Stück 7b einer p-dotierten Schicht gegenüberliegt und zwar so, dass sich die Enden der Leiterstücke 5b und 5c über 7b verbinden. Da der Hohlraum 6 erst nach dem p-Dotieren aus dem Siliziumelement 2 herausge- arbeitet wurde, fehlt dort eine p-dotierte Schicht. Die Fach¬ welt war der Ansicht, dass ein solcher Aufbau nicht durch elektrostatisches Bonden verbindbar ist, da sich der Bereich 7b der Schicht infolge des relativ grossen Abstandes (z.B. 50nm) nicht mit der Glasscheibe 1 verbinden könne. Bevorzugt wird eine solche Gasdichte Durchführung nach den hier geoffenbarten Verfahren hergestellt. Sie ist jedoch auch per se neu und erfinderisch, (vgl. Anspruch 7)
Die symbolische Darstellung gemäss Fig.3 widerlegt diese An- sieht und zeigt einen erfindungsgemäss gebondeten Aufbau. Deutlich erkennbar ist, dass im Bereich 7b die Glasoberfläche leicht in Richtung Silizium gewandert ist, um in der Unter¬ brechung des metallischen Leiters 5b,c eine Bondverbindung einzugehen. An dieser Stelle herrscht ebenso eine gasdichte Verbindung 3b wie an der Stelle 3a.
Einen auf den ersten Blick ähnlichen bekannten Aufbau zeigt Fig.8. dort ist auf einer Glasscheibe 1 eine flache Elektrode 5b aufgebracht, die gemeinsam mit einer n-dotierten Siliziumscheibe 2 einen druckdicht abgeschlossenen Hohlraum 6 begrenzt. Der Hohlraum 6 ist dabei im wesentlichen von einer Verbindung zwischen dem n-dotierten Silizium und dem Glas umschlossen. Lediglich an der Stelle, an der die Elektrode 5b nach aussen kontaktiert werden soll, ist in der Oberfläche des n-dotierten Siliziums ein p-dotiertes Siliziumstück 18 eingesetzt, das über einer Erhebung 17 des n-dotierten Siliziums mit der Glasscheibe 1 verbunden ist und dabei gleichzeitig die Elektrode 5b berührt. Das Siliziumstück 18 ist dabei leiterähnlich nach aussen geführt und dort mit einem Aluminiumpad 5a bestückt, an dem eine elektrische Kontaktierung vorgenommen werden kann. Zur Herstellung dieses bekannten Aufbaus sind somit folgende Vorgänge nötig: l) Aufbringen der Elektrode 5b auf dem Glas 1;
2) Freiätzen des Hohlraumes 6 und einer Ausnehmung für die Aufnahme des Stückes 18;
3) Abdecken der freigeätzten Flächen und Aufbringen des p-dotierten Siliziums; 4) Entfernung der Abdeckungen nach 3;
5) Aufbringen des Aluminiumpads 5a am Stück 18;
6) Verbinden des Glases mit dem Silizium, wobei dies unter Umständen noch Schwierigkeiten mit sich bringen kann, weil z.B. beim Bonden die p- und n-dotierten Schichten sich geringfügig anders verhalten können.
Vorzugsweise werden jedoch bei allen Varianten folgende
Verfahrensschritte durchgeführt:
1) auf dem Glas gleichzeitig die Elektrode 5b bzw. 5k-p und das Leiterstück 5c bzw. 5d-i aufgebracht;
3) p-dotiertes Silizium auf der n-dotierten Scheibe 2 aufgebracht (Dies kann beispielsweise im Vakuum durch Erwärmung und grossflächiges Eindiffundieren von Borgas erfolgen, das die n-dotierte Scheibe 2 an ihrer gesamten Oberfläche, wenigstens aber an einer Seite, vollständig p-leitend macht.);
2) Herausätzen des Hohlraumes 6 und 6) Verbinden des Glases 1 mit dem Silizium 2 bzw. den Schichten 7.
Erfindungsgemäss entfallen somit die zwei relativ aufwendigen Verfahrensschritte 4) und 5) , wobei nur die wesentlichsten Schritte erwähnt wurden und in der Praxis noch zusätzliche zu berücksichtigen sind, wie dem Fachmann bekannt ist.
Ausgehend von der Technik nach Fig.2 und 3 zeigt Fig.4 symbo¬ lisch einen Aufbau mit mehreren durchgeführten Leitern 5d-i bzw. 5k-p, deren Enden wie gem. Fig.3 an den Stellen 7c-h durch p-dotiertes Silizium verbunden sind. Die p-Dotierung ist hier jedoch nicht überall, sondern jeweils nur strei¬ fenweise durchgängig, so dass (symbolisch) sechs parallele, unabhängige Leitungen durchgeführt sind. Orthogonal dazu befinden sich nach dieser Ausgestaltung der Erfindung in der Siliziumplatte 3 n- respektive p-dotierte, voneinander unabhängige parallele Leiterbahnen 16a-c, die durch p- respektive n-dotiertes Silizium und vorzugsweise durch einen Hohlraum 6 von den Leitern 5k-p getrennt sind. Dieser Aufbau zeigt, wie einfach und vielfältig erfindungsgemässe Durchführungen zu gestalten sind und welche praktischen Sensoren/Aktuatoren-Aufbauten dadurch gestaltet werden kön¬ nen. Bei entsprechendem, jedoch verfeinertem Aufbau liessen sich auf diese Art beispielsweise auch sensible Tast- druckelemente aufbauen, die koordinatenmässig Druckverände¬ rungen erfassen können. Bei entsprechend feinem Aufbau lies¬ sen sich derart beispielsweise miniaturisierte Fingerprint- sensoren schaffen, die einen Fingerabdruck einer Person iden¬ tifizieren können. Für solche Aufbauten muss natürlich auch die mechanische Verformbarkeit der Siliziumscheibe 2 entspre¬ chend gewählt werden. Diesbezüglich wird auf eine zweite Pa¬ tentanmeldung (Fingerprint) des Anmelders verwiesen, die als im Rahmen der Offenbarung dieser Anmeldung liegend gilt. Die Wahl der Dotierung (ob p- oder n-) hängt - wie an sich be¬ kannt - mit den gewünschten Leitermaterialien und dem ange¬ legten gewünschten positiven oder negativen elektrischen Potential zusammen.
Solche Aufbauten lassen sich bei Bedarf auch gut mit anderen Aufbauten anderer Sensoren kombinieren, z.B. könnte an der freien Seite der Glasscheibe 1 auch ein CCD-Chip angebracht sein, das 1:1 allfällige Änderungen an der Lage der Metallei- ter 5k-p erkennt, oder z.B. auch allfällige Interferenzer¬ scheinungen zwischen den Metalleitern 5k-p und der Unterseite des Siliziumelementes 2. Die bewegliche Membran an dieser Stelle nähert sich, in Abhängigkeit von den an ihre Oberseite aufgebrachten Druckwerten und in Abhängigkeit von der Tiefe des Hohlraumes 6, ziemlich den Leitern 5k-p. Die dabei auf¬ tretenden Effekte könnten, wie erwähnt, durch ein CCD-Chip erfasst und weiterverarbeitbar gemacht werden. Unterstützung könnte dabei von einer seitlich an die Glasscheibe angelegten - vorzugsweise kohärenten - Lichtquelle kommen, wie in der erwähnten zweiten Anmeldung näher ausgeführt ist.
Fig.5 zeigt symbolisch ein Anwendungsbeispiel der Erfindung, das für sich selbst auch unabhängig anwendbar ist. Ausgehend von dem Aufbau nach Fig.3 ist an der Oberseite des Silizium- elementes 2, das in seinem mittleren Bereich als Membran aus¬ gebildet ist, eine zweite, wesentlich biegesteifere Silizium¬ scheibe 10 über eine elektrische Isolationsschicht aus Sili¬ ziumoxid, die an wenigstens drei Auflagepunkten (11a,b) aus¬ gebildet ist, abgestützt. Die Teile 2 und 10 sind dabei über herkömmliche Massnahmen miteinander verbunden. Beispielsweise kann die Siliziumdioxidschicht mit dem Silizium des Teiles 2 verwachsen sein; es liegen aber im Rahmen der Erfindung auch Ausbildungen, bei denen zwischen die beiden Scheiben 2 und 10 eine Lage Glas gelegt ist, die ein elektrostatisches Bonden zusammen mit der elektrostatischen Bondung zwischen der Scheibe 1 und 2 in einem Arbeitsgang erlaubt. Zwischen der Membran und der Scheibe 10 ist ein Luftspalt 15 ausgebildet, der mit der Umgebungsluft in Verbindung steht, die Scheibe 10 selbst ist, wie der obere Teil des Elementes 2, n-dotiert. Da der metallische Leiter 5b über die Grenzschicht zwischen dem p-dotierten Bereich 7 und dem n-dotierten Bereich von letzte¬ rem elektrisch isoliert ist, schafft diese Anordnung drei übereinander liegende voneinander elektrisch isolierte Elek¬ troden, die für die Druckmessung in bekannter Weise mit einer Messelektronik 12 über Anschlusspads 9 beschaltet sind. Die Messelektronik 12 ist, wie bekannt, mit einem Interface 13 für den Anschluss an eine Informationsausgabevorrichtung ver- bunden.
In Fig.5 sind zwei Varianten gleichzeitig dargestellt. Bei der einen ist der Hohlraum 6 evakuiert und mit einem Getter 14 bestückt, um allfällige übrige Gasmoleküle einzufangen. Bei der anderen Variante wird auf den Getter 14 verzichtet. Der Hohlraum 6 dieser Variante beinhaltet Gas, z.B. Luft , Stickstoff, o.dgl. mit einem Referenzdruck pO, der z.B. einem maximal zu erwartenden Messdruck pl im Luftspalt 15 ent¬ spricht. Bei der letzteren, bevorzugten Variante ist es rela- tiv einfach, diese Druckverhältnisse bei der Produktion her¬ zustellen, da man leichter unter einem geringen Überdruck als unter evakuierten Bedingungen arbeiten kann. Als Alternative dazu könnte man auch mit einem freien, nicht definierten (Referenz-)Druck im Hohlraum 6 arbeiten, wenn nach Fertig- Stellung des Drucksensors eine entsprechende Eichung vorge¬ nommen wird. Bei der bevorzugten Variante ist die Membran bei Normaldruckverhältnissen leicht nach oben in den Luftspalt 15 gespannt bzw. gewölbt. Übersteigt der Umgebungsluftdruck bzw. Messdruck pl den Referenzdruck pO, so führt dies zu einem Zurückdrängen der Membrane bzw. des Elementes 2 über dem Lei¬ ter 5b. Bei entsprechender Spannungsbeaufschlagung dieses Leiters 5b über sein Anschlussstück 5c und des n-dotierten Teiles des Elementes 2 und der zweiten Siliziumscheibe 10 führt dies zu kapazitiven oder elektrostatischen Ladungsver- Schiebungen an den erwähnten Bauteilen, die, wie bekannt ge¬ messen werden, um daraus auf den Messdruck rückschliessen zu können. Als weitere Variante kann ein erfindungsgemässer Drucksensor¬ aufbau auch nur zweischichtig sein, wobei dann eine zusätzli¬ che Messgrösse erforderlich ist, wie beispielsweise eine der Kapazitätsmessung überlagerte, hochfrequente Abstandsmessung.
Als Beispiel für einen möglichen Aufbau - noch zu ergänzen durch die erfindungsgemässen Durchführungen - für einen sol¬ chen zweischichtigen mechanischen Aufbau wird auf Fig.l und die zugehörigen Beschreibungsteile des Artikels "A MOS Swit- ched-Capacitor Readout Amplifier for capacitive Pressure Sen¬ sors" Y.E.Park et.al., IEEE Custom IC Conf. 1983, pp. 380- 384, verwiesen, wobei die unter Fig. 2 ebenda veröffentlichte Schaltung auch bei anderen erfindungsgemässen Varianten anwendbar ist.
Im vorliegenden Fall wird je nach Anwendung eine elektrosta¬ tisch erzeugte Druckkraft zwischen Glas 1 und erster Siliziumscheibe 2 geregelt. Die kapazitiven Messelektroden sind dann zwischen der ersten Siliziumscheibe 2 und der zwei- ten Siliziumscheibe 10 wirksam, oder umgekehrt.
Selbstverständlich ist es nicht wesentlich, wie die Dotierung der Siliziumteile ausgeführt ist, sofern sich nur der beschriebene Effekt ergibt. Auch liegen Austauschmaterialien für die beschriebenen Materialien im Rahmen der Erfindung. Anstelle von elektrostatischen Spannungsmessungen können auch Änderungen der Kapazität als Messgrösse in die Messelektronik eingehen. Auf die übrige Detailbeschaltung des Druckmessensors braucht hier nicht näher eingegangen werden, da sie dem Fachmann in einer Vielzahl von Variationen bekannt ist. Beispielhaft wird auf das Buch "Halbleiter- Schaltungstechnik" zehnte Auflage von U. Tietze Ch. Schenk, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, London, Paris, Tokyo, Hong Kong, Barcelona, Budapest verwiesen, in dem solche Schaltungen beschrieben sind (beispielsweise wird auf 26.3.2 für kapazitive Feuchtesensoren verwiesen, wo mit Abbildung 25.50 eine Schaltung angegeben ist, die sowohl für Feuchtesensoren, aber auch für erfindungsgemässe Drucksensoren geeignet ist. Weiters wird verwiesen auf den Artikel "A High-Sensitivity Integrated-Circuit Capacitive Pressure Transducer" Wen H. Ko et.al., IEEE Transactions on Elektron Devices, Vol. ED-29, No. 1, January 1982, wo Schaltungen und mathematische Modelle für das Berechnen und Ausführen von kapazitiven Drucksensoren angegeben sind. Die in diesem Zitat unter Fig.8 wiedergegebene Konstruktion aus dem Stand der Technik zeigt übrigens eine Variante zu der bekannten Variante gemäss Fig.8 dieser Anmeldung. Allerdings ist dort noch eine zusätzlicher Arbeitsschritt eingebaut, nämlich die durchkontaktierenden p-dotierten Leiter wieder mit Silizium bzw. n-dotiertem Silizium zu überdecken, so dass die durchgeführten p-dotierten Leiter vollständig von Silizium bzw. n-dotiertem Silizium eingeschlossen sind.
Hinsichtlich von anderen kompensierenden Auswerteschaltungen wird beispielsweise verwiesen auf "A Capacitive Pressure Sen¬ sor with Low Impedance Output and Active Suppression of Parasitic Effects" B. Puers et.al., in "Sensors and Actua- tors",A21-A23 (1990) pp. 108-114/Elsevier Sequoia/Netherlands.
Weitere theoretische Grundlagen zur digitalen Sensorauswer¬ tung können entnommen werden dem Artikel "A Digital Readout Technique for Capacitive Sensor Applications" Joseph T. Kung et.al., IEEE J. Solid-State Circuits, Vol. 23, No. 4, Seite 972-977, August 1988.
Weiters wird auf die hochgenaue geschaltete Kapazitätsmess- brücke in "Microsensors" 1991, New York, IEEE Press, Seiten 329ff verwiesen, die gegebenenfalls auch ersetzt werden kann, durch einen LVDT Signal Conditioner, der bei einer Grundkapa¬ zität von lOOpF 0.1-lpF aufzulösen vermag. Als solcher Bau¬ teil könnte beispielsweise ein Typ Philips (R) NE5520 verwen¬ det werden.
Die symbolischen und hinsichtlich der Dimensionen stark über¬ triebenen Darstellungen von Fig.6 und 7 zeigen eine Glas¬ platte 1, auf der ein Siliziumkörper 2 mit einem Hohlraum 6 aufgebondet ist, so dass der Hohlraum 6 druckdicht von der Umgebung getrennt ist. Ein elektrischer und metallischer Lei¬ ter 5 ist durch die Bondverbindung in den Hohlraum einge¬ führt. Aus der Schnittdarstellung kann man ersehen, dass das Glas 1 im Bereich neben dem Leiters 5 und an seiner übrigen Oberfläche, die dem Siliziumelement 2 gegenüber liegt, gegen dieses geschmiegt und mit diesem druckdicht verbunden ist. Die unmittelbar neben dem Leiter 5 eingezeichneten kleinen - möglicherweise vorhandenen, jedoch noch nicht nachgewiesenen - Hohlräume sind offensichtlich so klein, dass ein Gasdurch¬ tritt nicht möglich ist, wie weiter oben ansatzweise überlegt wurde. Entscheidend ist dabei offensichtlich die Länge 1 (in Abhängigkeit vom gewählten Metall und Glas) bevorzugt grösser als 100 μm, insbesondere grösser als 300 μm oder 500 μm und die Dicke d (in Abhängigkeit vom gewählten Metall und den Bondeigenschaften des gewählten Glases) bevorzugt kleiner als 5 μm, insbesondere kleiner als 3 μm.
Ein beschriebener Drucksensor kann selbstverständlich auch als Temperatursensor wirken, indem das im Hohlraum 6 einge¬ schlossene Gas in Abhängigkeit von der Umgebungswärme unter¬ schiedlichen Innendruck aufweist, so dass Änderungen an der Lage der Membran auch ein Indikativ für Temperaturänderungen sind.
Die dargestellten Flächen von Elektroden für kapazitive Mes¬ sungen sind rechteckig; im Rahmen der Erfindung liegen jedoch auch Varianten mit runden Flächen, die u.U. für die kapazi¬ tive Auswertung bessere Ergebnisse liefern als rechteckige. Auch ist das Verwenden von mehreren parallel arbeitenden Sen¬ soren nicht näher beschrieben, jedoch liegen im Rahmen der Erfindung selbstverständlich auch solche, an sich bekannte, Lösungen, wie sie z.B. der Messwertsverbesserung und dem Ab¬ gleich von Störeinflüssen dienen, bei denen mehrere, nach unterschiedlichen Kriterien arbeitende Sensoren integriert sind, um Störeinflüsse auszugleichen. Bei der Anwendung der erfindungsgemässen Leitungsdurchführung ist als ein mögliches Anwendungsgebiet auch ausdrücklich auf Beschleunigungs- und Vibrationssensoren verwiesen, die in der Regel in einem druckdicht abgeschlossenen Raum bewegte Teile mit elektrischen Bauteilen aufweisen. Als Beispiel wird auf einen solchen Sensor im Kapitel 4.81. des Buches "Sensoren, Prinzipien und Anwendungen" von Peter Hauptmann, Carl Hanser Verlag, München, Wien, verwiesen.
Fig.9 zeigt beispielhaft eine erfinderische Variante, bei der eine besonders gut abdichtende VierSchichtVerbindung im Be¬ reich der Leiterdurchführung realisiert ist: Ein Leiter (z.B. Chrom) ist auf einer Glasplatte (z.B. Pyrex) aufgebracht. Auf ihm ist eine weitere Glasschicht (z.B. Pyrex) aufgebracht, insbesondere aufgesputtert. Der Leiter ist somit fest zwi¬ schen zwei Glasschichten eingeschlossen, so dass zwischen Leiter und Glasschicht kein Gasdurchtritt möglich ist. Zur weiteren Herstellung der gasdichten Durchführung ist die zweite Glasschicht insbesondere mittels Bonden mit einer darüber angeordneten Siliziumschicht verbunden. Als Ergebnis wird wieder eine gasdichte Durchführung erreicht, die z.B. bei wie bei Sensoren entsprechend den Fig.1-3 zum Einsatz gelangt. Die Dicke des Leiters und/oder der zweiten Glas- schicht beträgt bevorzugt ca lOμm. Das DE-U-9102748.9 beschreibt zwar auch ein Verfahren bei dem auf Kontakte Pyrex Glas aufgebracht wird. Die diesem Vorgang zu Grunde liegende Aufgabe und das daraus resultierende Ergebnis sind jedoch unterschiedlich zueinander: Während die Lehre der DE-U von einem Ausgleich von Stufen ausgeht (einebnen) ist gerade das erfindungsgemäss nicht erforderlich. Durch das erfindungsgemäss neue Verfahren werden überraschender Weise auch Unebenheiten die durch metallische Leiter entstehen überwunden, ohne dass die Stufen ausgeglichen werden (siehe S. 19 Absatz 1 der DE-U).
Die in Figur 9 gezeigte Variante bietet demgegenüber eine elektrische Isolierung gegenüber der Silizium Schicht. Eine weitere erfinderische Idee ergibt sich gemäss Figur 9 aus dem Aufbringen einer Antihaftschicht 19 auf den Leiter 5d und gegebenenfalls die daneben liegenden Bereiche des darunter liegenden Pyrex-Glases. Die Antihaftschicht 19 vermeidet, ein statisches Verbinden der Innenseite des Siliziumbauteiles mit der Innenseite des Pyrex-Glases bzw. mit der Oberseite des Leiters 5d. Ohne diese Antihaftschicht kann es vorkommen, dass bei hohen Aussendrücken oder geringen Abständen zwischen den beiden Schichten eine Berührung erfolgt, die zu einer Athesionsverbindung führt, die nicht mehr gelöst werden kann. Dieser neue Effekt ist auch sinnvoll bei den übrigen Gegenständen in den übrigen Figuren anzuwenden.
Neu und erfinderisch wurde weiters entdeckt, bisher bekannte Materialen für Diffusionssperren als Antihaftschichten zu verwenden. Bevorzugt wird eine solche an sich bekannte Diffussionssperre als Antihaftschicht 19 verwendet. Solche Antihaftschichten bestehen daher in der Regel aus einer Verbindung AxBy. A entspricht dabei einem Element aus der Elementengruppe von Chrom und benachbarten Elementen und B entspricht einem Element aus Sauerstoff, Kohlenstoff, Silizium oder benachbarten Elementen. Dieser Erfindungsaspekt ist neu auch bei verschiedensten anderen, in der vorliegenden Erfindung nicht dargestellten, Sensoren und Bauteilen mit einander gegenüberliegenden Schichten, die nicht durch Athäsionskräfte aneinander haften sollen, verwendbar.
Sämtliche im Detail zitierten Angaben zu konkreten Schal- tungsausfuhrungen und Varianten gelten als im Rahmen dieser Anmeldung liegend geoffenbart, zum Zwecke der vollständigen Information eines Fachmannes und möglicher späterer Kombination der Lehren. Bezugszeichenliste
1 Glasscheibe 2 Siliziumscheibe
3a,b,c gasdichte Verbindung
4a,b Durchführung 5a,b,c,d metallisch leitende Leiter
6 Hohlraum 7a,b p-dotierte Siliziumschicht austauschbar mit 8
8 n-dotierte Siliziumschicht austauschbar mit 7
9a,b,c Anschlusspads
10 zweite Siliziumscheibe lla.b Isolierschicht Siθ2 12 Messlogik, Messelektronik
13 Ausgabeinterface
14 Getter, nur optional vorgesehen zur Verbesserung des Vakuums im Hohlraum 6
15 Luftspalt 16a,b,c parallele Leiterbahnen
17 Erhebung
18 p-dotiertes Verbindungsstück

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen von wenigstens einer Durchfüh¬ rung (4) wenigstens einer elektrischen Leitung durch eine gasdichte Verbindung (3) zwischen einem Glaselement (1) und einem Halbleiterelement, insbesondere einem Silizium¬ element (2) o.dgl., dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche des Glaselementes (1) ein einstückiger oder unterbrochener metallisch leitender Leiter (5) von bestimmter Dicke (d) und bestimmter Länge (1) festhaftend aufgebracht wird, wonach die beiden Elemente (1 und 2) von solchen räumlichen Dimensionen gewählt werden, dass sich im Bereich des Leiters eine Überdeckung der Elemente von wenigsten einer Teillänge (1) des Leiters (5) ergibt, die von einem Leiterstück auf der einen Seite und von einem Leiterstück auf der anderen Seite der Verbindung (3) begrenzt ist, wonach die Elemente (1 und 2) zusammengefügt und miteinander durch Anlegen eines elektrischen Feldes unter Wärmezufuhr elektrostatisch gebondet werden, so dass sich die Oberflächen der beiden Elemente (1 und 2) im Be- reich neben dem metallischen Leiter (5) miteinander ver¬ binden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Leiter (5) in einer Dicke (d) von weniger als 5μm, vorzugsweise weniger als 3μm gewählt wird, wäh- rend die Teillänge (1) wenigstens lOOμm, vorzugsweise wenigstens 500 μm beträgt.
3. Verfahren zum Herstellen von wenigstens einer Durchführung (4) wenigstens einer elektrischen Leitung durch eine gas¬ dichte Verbindung (3) zwischen einem Glaselement (1) und einem Halbleiterelement, insbesondere einem Siliziumele¬ ment (2) o.dgl. mittels elektrostatischem Bonden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche des Glaselementes (1) ein unterbrochener metallisch leitender Leiter (5) mit einer Unterbrechung so in seiner Länge festhaftend aufgebracht wird, und dass an der dem Glaselement (1) zuzuordnenden Seite des Halbleiterelementes bzw. Siliziumelementes (2) o.dgl. we¬ nigstens eine Schicht (7) leitend dotiert wird, die im montierten Zustand wenigstens im Bereich der Unterbrechung des Leiters (5) die beiden, die Unterbrechung begrenzenden Enden desselben berührt, wonach die beiden Elemente (1 und 2) zusammengefügt und miteinander elektrostatisch gebondet werden, so dass sich die Schicht (7b) zwischen den beiden Enden im Bereich der Unterbrechung und neben dem metalli¬ schen Leiter (5) mit der Oberfläche des Glaselementes (1) verbindet.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Leiter (5) - vorzugsweise AI, Cr, oder Ni - in einer Dicke von ca. 50nm auf das Glaselement (1) aufgedampft oder aufgesputtert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich¬ net, dass die leitende Dotierung des Siliziumelementes (1) über dessen gesamte Fläche aufgebracht wird, worauf der Bereich der dotierten Schicht (7) , der im montierten Zu¬ stand an die Durchführung (4) angrenzt, mikromechanisch, z.B. mittels Ätzen, entfernt wird, so dass im gebondeten Zustand die übrige Schicht des Siliziumelements (2) - die vorzugsweise andersartig, jedoch ebenfalls leitend dotiert wurde - dem durchgeführten metallischen Leiter (5) in ei¬ nem Abstand gegenüberliegt.
6. Gasdichte Durchführung hergestellt nach einem der Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5.
7. Gasdichte Durchführung (4) elektrischer Leitungen durch elektrostatisch gebondete Verbindungen (3) zwischen einem Glaselement (1) und einem Siliziumelement (2) o.dgl., hergestellt nach einem der vorhergehenden Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein metallisch leitender Leiter (5) festhaftend an der Oberfläche des Glaselements (1) angebracht ist, wobei der Leiter (5) wenigstens einmal in seiner Länge unterbrochen ist, und wobei ihm an den beiden Enden, die die Unterbrechung be- grenzen, leitfähig dotiertes Silizium (7) des Siliziumele¬ mentes (2) kontaktierend zur Seite gestellt ist, das mit dem Glaselement (1) im Bereich der Unterbrechung elektro¬ statisch gebondet ist.
8. Durchführung (4) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn- zeichnet, dass der metallische Leiter (5) gegebenenfalls aus einem der Metalle AI, Cr, Ni oder aus einer Legierung daraus besteht und in einer Dicke von ca. 50nm auf dem Glaselement (1) aufgedampft oder aufgesputtert ist.
9. Durchführung (4) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Siliziumelement (2) an seiner ersten leitfähigen Schicht (7) p-dotiert ist, während es im übri¬ gen Bereich ebenso leitfähig n-dotiert ist, so dass der metallische Leiter (5b) und das Siliziumelement (2) (dessen n-dotierter Bereich) zwei parallele, elektrisch voneinander getrennte Leiter bilden.
10. Durchführung (4) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, da¬ durch gekennzeichnet, dass mehrere zueinander parallele metallische Leiter vorgesehen sind, und dass jedem Leiter ein streifenförmiger Bereich leitfähig dotierten Siliziums des Siliziumelements (2) kontaktierend zur Seite gestellt ist, wobei die streifenformigen Bereiche voneinander elek¬ trisch getrennt sind.
11. Durchführung (4) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, da¬ durch gekennzeichnet, dass das Siliziumelement (2) drei- schichtig aufgebaut ist, wobei die dem metallischen Leiter (5) zugewandte Schicht p- oder n-dotiert ist und an eine nichtdotierte Schicht grenzt, die an eine n- oder p-do¬ tierte Schicht anschliesst, wobei letztere mikromechanisch so strukturiert ist, dass mehrere parallele, voneinander elektrisch getrennte Leiterbahnen dem wenigstens einen me¬ tallischen Leiter (5) gegenüberliegen.
12. Drucksensor mit einer Durchführung (4) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die Durchführung (4) zu einem gasdichten Hohlraum (6) führt, in dem ein Vakuum oder ein Referenzdruck (pO) herrscht.
13. Drucksensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass er einen dreischichtigen Aufbau aufweist, bei dem ei¬ ne Glasplatte (1) den metallischen Leiter (5) und die Durchführung (4a) mit dem Siliziumelement (2) trägt, wobei der durch das Siliziumelement (2) und die Oberseite der Glasplatte (1) gebildete Hohlraum (6) evakuiert ist, und wobei das Siliziumelement (2) im wesentlichen p- oder n- dotiert ist und eine biegsame Membran über dem metalli- sehen Leiter (5b) bildet, die bei Aussendruckänderungen ihre Form verändert, und bei dem das Siliziumelement (2) an seiner der Glasplatte (1) abgewandten Seite eine zweite Siliziumscheibe (10) aus leitfähig dotiertem Silizium trägt, die als Referenzelektrode gegenüber dem ersten Siliziumelement (2) elektrisch isoliert ist und mit dessen Oberseite im Bereich der Membran einen Spalt (15) ein- schliesst.
14. Drucksensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Hohlraum (6) eine Getteranordnung (14) zur Auf- rechterhaltung des Vakuums angeordnet ist, und/oder dass auf die eine, andere, oder beide innen liegende(n) Seiten des Sensors mit einer Antihaftschicht (19) versehen ist, die bevorzugt aus einer Verbindung AxBy oder einer Mischung mehrerer solcher Verbindungen aufgebaut ist, wobei A Chrom oder ein benachbartes Element und B Sauerstoff, Kohlenstoff oder ein benachbartes Element ist.
15. Drucksensor nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass in dem Hohlraum (6) ein - vorzugsweise nicht flüchti¬ ges - Gas mit einem Referenzdruck (pO) eingeschlossen ist, 934
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der einem Druck entspricht, der im Bereich des höchsten zu erwartenden Messdruckes (pl) liegt.
16. Drucksensor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass der Referenzdruck (pO) innerhalb des Hohl- raumes (6) etwa dem Umgebungsdruck bei durchschnittlicher Wetterlage und durchschnittlicher Höhenlage entspricht, und/oder dass die Glasplatte (1) oder das Siliziumelement eine Messelektronik (12) tragen, die vorzugsweise eine Temperaturausgleichsschaltung umfasst.
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