WO2003106955A1 - Sensor und verfahren zur herstellung eines sensors - Google Patents

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WO2003106955A1
WO2003106955A1 PCT/DE2003/000422 DE0300422W WO03106955A1 WO 2003106955 A1 WO2003106955 A1 WO 2003106955A1 DE 0300422 W DE0300422 W DE 0300422W WO 03106955 A1 WO03106955 A1 WO 03106955A1
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sensor
pressure
membrane
semiconductor material
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PCT/DE2003/000422
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Roland Guenschel
Richard Muehlheim
Bernhard Zappel
Stefan Pinter
Hubert Benzel
Joerg Muchow
Kurt Weiblen
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0042—Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/14—Housings
    • G01L19/147—Details about the mounting of the sensor to support or covering means
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
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    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/484—Connecting portions
    • H01L2224/4847—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a wedge bond
    • H01L2224/48472—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a wedge bond the other connecting portion not on the bonding area also being a wedge bond, i.e. wedge-to-wedge

Definitions

  • the invention relates to a sensor made of a semiconductor material and a method for producing a sensor according to the preamble of the independent claims.
  • Micromechanical silicon pressure sensors are already known, a membrane being produced by the introduction of a cavern in a silicon chip.
  • Such a silicon sensor is disclosed, for example, in German published patent application DE 199 57 556.
  • the cavern is generated for example by anisotropic KOH etching.
  • the sensor according to the invention and the method according to the invention with the features of the independent claims has the advantage that a simple and cost-effective design for the production of a sensor is proposed.
  • the sensor according to the invention is used to measure high pressures, the sensor according to the invention nevertheless having a high overload safety.
  • the sensor according to the invention has the advantage that the influence of temperature is low and the temperature hysteresis is small.
  • the pressure sensor according to the invention is provided in particular as a piezoresistive pressure sensor.
  • a high bursting safety of the pressure sensor according to the invention, ie the suitability of the pressure sensor for measuring high pressures, is achieved in particular by a large aspect ratio of the cavity taken out of the semiconductor material from its rear side.
  • the inventive large aspect ratio is in particular by means of a Trench etching brought about. Furthermore, it is advantageous that when using a Trencheauluies the transition radii from the cavern wall to the membrane are large compared to the anisotropic etching, whereby the mechanical stresses in the material can be reduced and thus the allowable pressure load can be increased. According to the invention, however, it is also envisaged to use an isotropic etching process, for example by means of etching with acids, in order to obtain large transition radii. In the case of isotropic etching, however, the transition radii are sometimes so great that the stress under pressure or the elastic deformation of the membrane on the upper side or front side of the semiconductor material is so small that the pressure sensitivity is thereby small.
  • means for measuring the deformation of the membrane region are provided on the front side of the semiconductor material. This is an accurate, relatively temperature-independent, stable and sensitive measurement of a force, which deforms the membrane, in particular a pressure, possible.
  • piezoelectric resistors are provided according to the invention in particular, but measuring resistors or measuring means based on another effect can also be provided.
  • an evaluation circuit it is particularly advantageous for an evaluation circuit to be monolithically integrated in the semiconductor material together with the membrane.
  • the sensor according to the invention can be produced more cheaply and manufactured with greater accuracy.
  • FIG. 1 shows a known micromechanical silicon pressure sensor according to the prior art
  • Figure 2 shows a semiconductor substrate with a sensor according to the invention
  • Figure 3 shows a first construction variant of the sensor according to the invention
  • Figure 4 shows a second construction variant of the sensor according to the invention
  • Figure 5 shows a third construction variant of the sensor according to the invention
  • Figure 6 shows a fourth construction variant of the sensor according to the invention
  • Figure 7 shows a fifth construction variant the sensor according to the invention.
  • FIG. 1 shows the generally common structure of micromechanical silicon pressure sensors.
  • a silicon substrate 150 is provided with a cavity 155, which leaves a membrane not provided with a reference numeral.
  • the silicon substrate 150 is connected to a drilled glass 140, which is soldered to a base 120 with a solder 130.
  • the base 120 is connected to a pressure connection pipe 110.
  • measuring resistors not provided with a reference numeral and located on the upper side of the silicon substrate 150 are connected via one or more bonding wires 160 to a connection pin 170, which are electrically separated from the base 120 by means of an indentation 180.
  • Cavity 155 of the silicon sensor has a typical etched slope that is approximately truncated pyramidal. This results in a trapezoidal cross-section.
  • This truncated pyramidal recess below the sensor membrane results from the use of a silicon substrate which has a (100) orientation because a KOH etch has different etch rates in different crystal directions.
  • a disadvantage in the known silicon sensor proves that the pressure-engaging surface, the truncated pyramidal recess at its largest cross-section, ie at the back of the silicon substrate, is authoritative. Furthermore, it proves disadvantageous that an edge is formed in the transition region between the bevelled side surface of the truncated pyramidal recess and the membrane surface, which has a very small radius.
  • the silicon sensor in the prior art has only a low bursting pressure.
  • the silicon chip 150 is anodically bonded to a glass intermediate layer 140 of sodium-containing glass, such as Pyrex and soldered by means of a solder 130 on a metal base 120.
  • the transition radii between the cavity edge and the membrane are very small due to the etching method used, for example KOH etching, which results in high mechanical stresses at the transition, which reduce the bursting strength. This is especially true for the time-etched membranes for higher pressure ranges, since there the radii are particularly small.
  • the anisotropic etching process results in shallow cavern walls, i. Cavern walls with a low aspect ratio, in particular a slope of 54 degrees. This creates a large opening in the silicon. The larger this area, the more force is applied to the chip when pressure is applied.
  • the bonding area i. the bonding area between the silicon sensor 150 and the glass 140 becomes smaller, thereby increasing the surface load in the pulling direction. This leads to a low pressure resistance.
  • the construction of a pressure sensor by means of a glass intermediate layer therefore represents a limitation of the bursting strength.
  • a PN-etching stop is used for the generation of the cavern 155 or for the production of very thin membranes.
  • the membrane must be designed to have a very small edge length. This can only happen up to a certain limit, because the membrane can not be made smaller than the extent of the piezo-resistive resistors.
  • the etching stop must be omitted and a "thick" membrane etched on time.
  • FIG. 2 shows the semiconductor sensor 50 according to the invention.
  • a semiconductor substrate 51 which is provided in particular as a silicon substrate 51, has a front side 58 and a rear side 59. From its rear side 59, the semiconductor substrate 51 is treated such that it forms different thicknesses in different areas.
  • the semiconductor substrate 51 is formed in a first region not denoted by a reference numeral in a first thickness provided with the reference numeral 52 and in a membrane region provided with the reference numeral 54 in a second thickness designated by the reference numeral 53 educated.
  • the first thickness 52 is greater than the second thickness 53.
  • the depression provided on the rear side 59 of the semiconductor substrate 51 for producing the thinner membrane region 54 has in its "wall region" a transitional region provided with the reference numeral 55 in FIG Membrane region 54 has a radius provided with the reference numeral 550 in Figure 2.
  • the wall of the transition region 55 is shown in an enlarged view in Figure 2, in which a specific surface structure 56 can be seen for the method used in the production of the recess or cavern, which is introduced into the rear side 59 of the silicon substrate 51 for producing the membrane region 54, is provided with the reference numeral 500 in FIG.
  • the transition area 55 between the first thickness 52 and the second thickness 53 has a high aspect ratio according to the invention, ie its depth is large compared to its lateral extent, so that the "walls" of the transition area 55 are comparatively steep
  • the pressing action comes from the back 59 forth, only a lower compressive force is applied to the semiconductor substrate 51 from the back 59 forth than in the truncated pyramid cavern 155 of the prior art, because the pressure application area around the 1.
  • the introduction of the cavern 500 into the semiconductor substrate 51 by means of a trench etching process has the advantage that the radii of curvature 550 large ge are nug, so that arise between the transition region 55 and the membrane region 54 in the load case no excessive voltage spikes in the substrate material.
  • This makes it possible to increase the pressure load of the semiconductor sensor 50 and to make this technology available for higher pressures.
  • an isotropic etching process for example by means of etching with acids, used to obtain large transition radii 550.
  • these radii 550 are partially so great in isotropic etching that, because of the resulting lower deformation of the diaphragm region 54, a lower pressure sensitivity of the sensor 50 results.
  • the edge region of the transition region 55 has a characteristic surface structure 56 which is caused by the fact that, in the trench etching process, the depth of the cavern 500 is alternately increased with accelerated charged particles and the surface of the cavity 500 is passivated.
  • the inventively large aspect ratio is caused because during the etching phases of the trench etching process, preferably the membrane region 54 is etched away from its rear side and the passivated sidewalls of the transition region 55 remain.
  • Trenching with a high aspect ratio produces quasi-perpendicular cavern walls in the transitional region 55, as a result of which a high bursting compressive strength is achieved because essentially only the membrane region 54 is suitable as a pressure application surface.
  • construction variants which are particularly suitable for sensors that can withstand higher pressures.
  • Such construction variants are characterized according to the invention in that comparatively large transition radii 550 are provided between the transition region 55 and the membrane region 54, that the cavern walls in the transition region 55 are steep or vertical, and that no glass is used in the construction technique or glass is avoided.
  • the pressure range for the sensor 50 according to the invention can be extended to the order of 1000 bar.
  • the sensor according to the invention represents a cost-effective variant of previous sensors for this magnitude of pressures.
  • capacitive sensors also with this method and improve to avoid temperature-induced deformation of the sensor chip. In capacitive sensors leads a deformation of the sensor chip, ie in particular the Membrane region 54, to a deflection of the membrane, which ultimately means a change in the output signal.
  • intermediate plates are provided with an adapted temperature expansion coefficient.
  • the coefficient of thermal expansion of such intermediate plates on a pedestal should be chosen so that it lies between that of the base and the subsequent intermediate plate.
  • the coefficient of thermal expansion of the intermediate plate connected to the silicon chip 50 should preferably match the coefficient of thermal expansion of the semiconductor material used, i. in particular of the silicon, in order to transmit as little as possible thermal expansion effects to the sensor 50.
  • it can be soldered or glued. Another possibility is to weld together the base and the first intermediate plate and also to weld the other intermediate plates together.
  • FIG. 3 shows a first construction variant of the sensor according to the invention.
  • the sensor chip 50 is fastened on a base 20 by means of a solder layer 30.
  • the glass intermediate plate is dispensed with and the chip 50 is fastened directly, ie only by means of a thin intermediate layer 30, on the base 20.
  • the chip 50 can be glued or metallized and soldered on the back.
  • the material of the base 20 is particularly important because it must have a coefficient of thermal expansion close to that of the silicon chip 50.
  • the materials “Kovar”, “Invar”, “Vakodil” are used singly or in combination with one another as the material for the base 20.
  • the base 20 is in particular a TO8 socket or in another form, for example as a socket with a screw-in thread As is shown in FIG. 3, the base 20 is connected to a pressure connection tube 10, which no longer applies the pressure on the backside of FIG designated membrane region 54 passes.
  • one or more bonding wires 60 are provided, which comprise the measuring resistors provided on the front side of the semiconductor chip 50 and also not shown in FIG.
  • connection pin 70 or a printed circuit board 71 (FIG ), wherein the terminal pin 70 is provided by an insulation 80, which is provided in particular as a glaze, electrically isolated from the base material, if the terminal pin 70 is passed through the base 20.
  • insulation 80 which is provided in particular as a glaze, electrically isolated from the base material, if the terminal pin 70 is passed through the base 20.
  • Any metal solder such as AuSn20 or SnCu3In0.5 or glass solder can be used as solder.
  • FIG. 4 shows a second construction variant of the sensor according to the invention is shown, in which the base 20 made of a material with arbitrary
  • Thermal expansion coefficient such as steel
  • the pressure connection tube 10 connected to the base 20, is provided.
  • a first intermediate plate 32 which consists of a material having an adapted temperature expansion coefficient.
  • the intermediate plate 32 is either glued or soldered with respect to the sensor chip 50 or the base 20 or also, in particular by laser welding, welded. This results in the first intermediate layer 30 between the base 20 and the first intermediate plate 32 and the second intermediate layer 34 between the first intermediate plate 32 and the sensor chip 50th
  • the material of the first intermediate plate 32 may also consist of silicon or polysilicon according to the second embodiment of the invention. Furthermore, the connection between the silicon chip and the intermediate plate can also be effected by anodic bonding, if a pyrex layer applied to the chip 50 or the intermediate plate 32 is applied as the second intermediate layer 34. The connection between the first intermediate plate 32 and the base 20 can be filled with soft solder for thermal decoupling.
  • FIG. 5 additionally shows a protective cap 90 which protects the structure of the sensor 50 on the base 20.
  • the first intermediate layer 30, the first intermediate plate 32 and the second intermediate layer 34 are shown in FIG.
  • a material is preferably used which has a coefficient of thermal expansion which lies between the temperature expansion coefficient of the base 20 and the coefficient of thermal expansion of the second intermediate plate 36. This ensures that the different length expansions over the temperature of the materials used are distributed to the different levels of the intermediate plate stack, whereby the maximum mechanical stresses in the materials can be kept small. This leads to a low temperature influence of the sensor and a low temperature hysteresis or drift, at the same time high bursting strength.
  • the protective cap 90 is located, the open or pressure-tight closed, for example, vacuum-tight welded, may be designed to realize a reference, differential or absolute pressure sensor.
  • the cap 90 can be designed so that its bursting strength is above the bursting strength of the silicon membrane, whereby leakage of the structure or bursting of the membrane can be avoided.
  • FIG. 6 shows a fourth construction variant of the pressure sensor.
  • the chip 50 is mounted on a discharge nozzle.
  • the pressure connection can, as shown here by way of example, be carried out with a screw thread 6 and a cone seal 5, but also be realized by means of a nozzle with O-ring seal or the like.
  • the same reference numerals in FIG. 5 again denote the same parts or elements of the sensor or the sensor structure.
  • a printed circuit board 71 is provided in FIG. 6, which is connected by means of the or more bonding wires 60 to the pressure measuring means located on the front side of the sensor membrane.
  • the chip 50 is thus electrically over the Circuit board 71 is connected, which in turn is connected to a plug 72 in the protective cap 90.
  • FIG. 7 shows a fifth construction variant with a brazed intermediate socket 33.
  • the in turn existing base 20 and the intermediate socket 33 are erfmdungshunt in the fifth construction variant by means of the first intermediate layer 30 in particular brazed and connected together such that the first intermediate layer 30 is loaded with increasing pressure on the sensor 50 to pressure.
  • the second intermediate layer 34 By means of the second intermediate layer 34, the chip 50 is then connected to the intermediate socket 33.
  • the second intermediate layer 34 is provided in particular from a creep-resistant solder and also brazed.
  • solder of the first intermediate layer 30 is loaded in the fifth construction variant on pressure, it is according to the invention also possible to provide the first intermediate layer 30 with soft solder in the fifth construction variant, since this, in the event that it is subjected to pressure, can also withstand very high pressures.

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Abstract

Es wird ein Sensor und ein Verfahren vorgeschlagen, wobei der Sensor zur Messung von hohen Drücken geeignet ist, wobei in ein Halbleitermaterial (51) eine Kaverne (500) mit grossem Aspektverhältnis eingebracht ist.

Description

Sensor und Verfahren zur Herstellung eines Sensors
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Sensor aus einem Halbleitermaterial und einem Verfahren zur Herstellung eines Sensors nach der Gattung der nebengeordneten Ansprüche. Es sind bereits mikromechanische Siliziumdrucksensoren bekannt, wobei durch die Einbringung einer Kaverne in einem Siliziumchip eine Membran erzeugt wird. Ein solcher Siliziumsensor ist beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift DE 199 57 556 offenbart. Hierbei wird die Kaverne beispielsweise durch anisotropes KOH- Ätzen erzeugt.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Sensor und das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche hat demgegenüber den Vorteil, dass ein einfacher und kostengünstiger Aufbau für die Herstellung eines Sensors vorgeschlagen wird. Insbesondere dient der erfindungsgemäße Sensor der Messung hoher Drücke, wobei der erfindungsgemäße Sensor dennoch eine hohe Überlastsicherheit aufweist. Weiterhin hat der erfindungsgemäße Sensor den Vorteil, dass der Temperatureinfluss gering und die Temperaturhysterese klein ist. Der erfindungsgemäße Drucksensor ist insbesondere als Piezoresistiver Drucksensor vorgesehen. Eine hohe Berstsicherheit des erfindungsgemäßen Drucksensors, d.h. die Eignung des Drucksensors zur Messung hoher Drücke, wird insbesondere durch ein großes Aspektverhältnis der aus dem Halbleitermaterial von seiner Rückseite her herausgenommenen Kaverne erzielt. Das erfindungsgemäße große Aspektverhältnis wird insbesondere mittels eines Trenchätzprozesses herbeigeführt. Weiterhin ist von Vorteil, dass bei der Verwendung eines Trenchätzprozesses die Übergangsradien von der Kavernenwand zur Membran groß sind im Vergleich zum anisotropen Ätzen, wodurch die mechanischen Spannungen im Material reduziert und damit die zulässige Druckbelastung erhöht werden kann. Erfindungsgemäß ist es jedoch auch vorgesehen, einen isotropen Ätzprozess, beispielsweise mittels Ätzen mit Säuren, zu verwenden, um große Übergangsradien zu erhalten. Beim isotropen Ätzen sind allerdings die Übergangsradien teilweise so groß, dass die Verspannung bei Druckeinwirkung bzw. die elastische Verformung der Membran auf der Oberseite bzw. Vorderseite des Halbleitermaterials so klein ist, dass die Druckempfindlichkeit dadurch klein wird.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den nebengeordneten Ansprüchen angegebenen Sensors bzw. des Verfahrens möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass auf der Vorderseite des Halbleitermaterials Mittel zur Messung der Verformung des Membranbereichs vorgesehen sind. Hierdurch ist eine genaue, vergleichsweise temperaturunabhängige, stabile und empfindliche Messung einer Krafteinwirkung, welche die Membran verformt, insbesondere eine Druckeinwirkung, möglich. Als Mittel zur Messung der Verformung des Membranbereichs sind erfindungsgemäß insbesondere Piezo-Widerstände vorgesehen, es können jedoch auch auf einem anderen Effekt beruhende Messwiderstände bzw. Messmittel vorgesehen sein.
Erfindungsgemäß ist es insbesondere von Vorteil, dass in dem Halbleitermaterial zusammen mit der Membran monolithisch eine Auswerteschaltung integriert vorgesehen ist. Dadurch kann der erfindungsgemäße Sensor kostengünstiger hergestellt werden und mit einer größeren Genauigkeit hergestellt werden.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen Figur 1 einen bekannten mikromechanischen Siliziumdrucksensor nach dem Stand der Technik, Figur 2 ein Halbleitersubstrat mit einem erfindungsgemäßen Sensor, Figur 3 eine erste Aufbauvariante des erfindungsgemäßen Sensors, Figur 4 eine zweite Aufbauvariante des erfindungsgemäßen Sensors, Figur 5 eine dritte Aufbauvariante des erfindungsgemäßen Sensors, Figur 6 eine vierte Aufbauvariante des erfindungsgemäßen Sensors und Figur 7 eine fünfte Aufbauvariante des erfindungsgemäßen Sensors.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist der allgemein übliche Aufbau von mikromechanischen Siliziumdrucksensoren dargestellt. Ein Siliziumsubstrat 150 ist mit einer Kaverne 155 versehen, welche eine nicht näher mit einem Bezugszeichen versehene Membran stehen lässt. Das Siliziumsubstrat 150 ist mit einem mit einer Bohrung versehenen Glas 140 verbunden, welches mit einem Lot 130 auf einen Sockel 120 gelötet ist. Der Sockel 120 ist mit einem Druckanschlussrohr 110 verbunden. Weiterhin sind nicht näher mittels eines Bezugszeichens versehene und auf der Oberseite des Siliziumsubstrats 150 befindliche Messwiderstände über einen oder mehrere Bonddrähte 160 mit einem Anschlussstift 170 verbunden, welche mittels einer Einglasung 180 von dem Sockel 120 elektrisch getrennt sind.
Die Kaverne 155 des Siliziumsensors weist eine typische Ätzschräge auf, die in etwa pyramidenstumpfartig geformt ist. Hierdurch ergibt sich ein trapezförmiger Querschnitt. Diese pyramidenstumpfförmige Aussparung unterhalb der Sensormembran ergibt sich bei der Verwendung eines Siliziumsubstrats, welches eine (100)-Orientierung aufweist, weil eine KOH-Ätzung unterschiedliche Ätzraten in unterschiedliche Kristallrichtungen aufweist. Als nachteilig erweist sich bei dem bekannten Siliziumsensor, dass als Druckangriffsfläche die pyramidenstumpfförmige Aussparung an ihrem größten Querschnitt, d.h. an der Rückseite des Siliziumsubstrats, maßgebend ist. Weiterhin erweist es sich als nachteilig, dass im Übergangsbereich zwischen der abgeschrägten Seitenfläche der pyramidenstumpfförmigen Aussparung und der Membranfläche eine Kante ausgebildet wird, welche einen sehr geringen Radius aufweist. Hierdurch entstehen im Material sehr große Spannungen, beispielsweise durch Rissbildungen. Hierdurch weist der Siliziumsensor beim Stand der Technik nur einen geringen Berstdruck auf. Beim in Figur 1 dargestellten Aufbau des Siliziumdrucksensors gemäß dem Stand der Technik ist der Siliziumchip 150 auf eine Glaszwischenschicht 140 aus natriumhaltigem Glas, beispielsweise Pyrex, anodisch gebondet und mittels eines Lotes 130 auf einen Metallsockel 120 gelötet. Für eine Anwendung bei höheren Drücken ergeben sich aus dem Sensoraufbau gemäß dem Stand der Technik folgende kritische Stellen:
Die Übergangsradien zwischen der Kavernenflanke und der Membran sind durch die verwendete Ätzmethode, beispielsweise KOH-Ätzen, sehr klein, wodurch sich am Übergang hohe mechanische Spannungen ergeben, die die Berstdruckfestigkeit herabsetzen. Dies trifft vor allem für die zeitgeätzten Membranen für höhere Druckbereiche zu, da dort die Radien besonders klein sind. Durch das anisotrope Ätzverfahren ergeben sich flache Kavernenwände, d.h. Kavernenwände mit einem geringen Aspektverhältnis, insbesondere eine Steigung von 54 Grad. Hierdurch entsteht eine große Öffnung im Silizium. Je größer diese Fläche ist, desto mehr Kraft wirkt auf den Chip bei angelegtem Druck. Gleichzeitig wird die Bondfläche, d.h. die Verbindungsfläche zwischen dem Siliziumsensor 150 und dem Glas 140 kleiner, wodurch die Flächenbelastung in Zugrichtung größer wird. Dies führt zu einer geringen Druckfestigkeit. Der Aufbau eines Drucksensors mittels einer Glaszwischenschicht stellt daher eine Einschränkung der Berstdruckfestigkeit dar.
Für die Erzeugung der Kaverne 155 bzw. für die Erzeugung von sehr dünnen Membranen wird ein PN-Ätzstopp verwendet. Bei hohen Drücken muss die Membran so ausgelegt werden, dass sie eine sehr kleine Kantenlänge hat. Dies kann nur bis zu einer bestimmten Grenze geschehen, weil die Membran nicht kleiner gemacht werden kann als die Ausdehnung der Piezo-resistiven Widerstände. In diesem Fall muss auf den Ätzstopp verzichtet und eine „dicke" Membran auf Zeit geätzt werden.
In Figur 2 ist der erfindungsgemäße Halbleitersensor 50 dargestellt. Ein Halbleitersubstrat 51, welches insbesondere als Siliziumsubstrat 51 vorgesehen ist, weist eine Vorderseite 58 und eine Rückseite 59 auf. Von seiner Rückseite 59 aus wird das Halbleitersubstrat 51 derart behandelt, dass es in unterschiedlichen Bereichen unterschiedliche Dicken ausbildet. Das Halbleitersubstrat 51 ist in einem nicht näher mit einem Bezugszeichen bezeichneten ersten Bereich in einer mit dem Bezugszeichen 52 versehenen ersten Dicke ausgebildet und in einem mit dem Bezugszeichen 54 versehenen Membranbereich in einer mit dem Bezugszeichen 53 versehenen zweiten Dicke ausgebildet. Hierbei ist die erste Dicke 52 größer als die zweite Dicke 53. Erfindungsgemäß ist es insbesondere vorgesehen, dass der erste Bereich sich rings um den Membranbereich 54 erstreckt. Dies ist in Figur 2 lediglich angedeutet, weil es sich in Figur 2 um eine Schnittdarstellung des Halbleitersubstrats 51 handelt. Auf der Vorderseite 58 des Halbleitersubstrats 51 sind mit dem Bezugszeichen 57 versehene Mittel zur Messung der Verformung des Membranbereichs 54 vorgesehen. Hierbei handelt es sich insbesondere um piezoresistive Widerstände 57. Die zur Erzeugung des dünneren Membranbereichs 54 erfindungsgemäß vorgesehene Vertiefung auf der Rückseite 59 des Halbleitersubstrats 51 weist in ihrem „Wandbereich" einen in der Figur 2 mit dem Bezugszeichen 55 versehenen Übergangsbereich auf, welcher beim Übergang zum Membranbereich 54 einen in der Figur 2 mit dem Bezugszeichen 550 versehenen Radius aufweist. Die Wandung des Übergangsbereichs 55 ist in Figur 2 in einer vergrößerten Darstellung dargestellt, in welcher eine für das bei der Herstellung der Vertiefung verwendete Verfahren spezifische Oberflächenstruktur 56 erkennbar ist. Die Vertiefung bzw. Kaverne, die zur Erzeugung des Membranbereichs 54 in die Rückseite 59 des Siliziumsubstrats 51 eingebracht ist, ist in Figur 2 mit dem Bezugszeichen 500 versehen.
Der Übergangsbereich 55 zwischen der ersten Dicke 52 und der zweiten Dicke 53 weist erfindungsgemäß ein hohes Aspektverhältnis auf, d.h. seine Tiefe ist im Vergleich zu seiner seitlichen Ausdehnung groß, sodass die „Wände" des Übergangsbereichs 55 vergleichsweise steil sind. Dies hat den Vorteil, dass bei der Verwendung des Siliziumsubstrats 51 als Drucksensor, wobei die Druckeinwirkung von der Rückseite 59 her kommt, lediglich eine geringere Druckkraft auf das Halbleitersubstrat 51 von der Rückseite 59 her ausgeübt wird als bei der pyramidenstumpfförmigen Kaverne 155 des Standes der Technik, weil die Druckangriffsfläche um die schrägen Bereiche der pyramidenstumpfförmigen Kaverne 155 aus Figur 1 verringert ist. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Hache des Membranbereichs 54 jeweils gleich ist. Weiterhin ergibt sich durch die Einbringung der Kaverne 500 in das Halbleitersubstrat 51 mittels eines Trenchätzprozesses der Vorteil, dass die Krümmungsradien 550 groß genug sind, damit sich zwischen dem Übergangsbereich 55 und dem Membranbereich 54 im Belastungsfall keine zu großen Spannungsspitzen im Substratmaterial ergeben. Hierdurch ist es möglich, die Druckbelastung des Halbleitersensors 50 zu erhöhen und diese Technologie für höhere Drücke zugänglich zu machen. Statt des Trenchätzprozesses kann erfindungsgemäß ein isotroper Ätzprozess, beispielsweise mittels Ätzen mit Säuren, verwendet werden, um große Übergangsradien 550 zu erhalten. Diese Radien 550 sind jedoch beim isotropen Ätzen teilweise so groß, dass wegen der dadurch hervorgerufenen geringeren Verformung des Membranbereichs 54 eine geringere Druckempfindlichkeit des Sensors 50 resultiert.
Bei der Verwendung eines Trenchätzprozesses weist der Randbereich des Übergangsbereichs 55 eine charakteristische Oberflächenstruktur 56 auf, welche dadurch hervorgerufen wird, dass bei dem Trenchätzverfahren abwechselnd mit beschleunigten geladenen Teilchen die Tiefe der Kaverne 500 vergrößert und die Oberfläche der Kaverne 500 passiviert wird. Durch diese abwechselnde Bearbeitung des Kavernenmaterials wird das erfindungsgemäß große Aspektverhältnis hervorgerufen, weil während der Ätzphasen des Trenchätzprozesses bevorzugt der Membranbereich 54 von seiner Rückseite her weggeätzt und die passivierten Seitenwände des Übergangsbereichs 55 bestehen bleiben. Durch das Trenchen mit hohem Aspektverhältnis werden quasi senkrechte Kavernenwände im Übergangsbereich 55 erzeugt, wodurch eine hohe Berstdruckfestigkeit erreicht wird, weil als Angriffsfläche für den Druck im Wesentlichen nur der Membranbereich 54 in Frage kommt.
Erfindungsgemäß werden daher im Folgenden verschiedene Auf bauvarianten vorgestellt, welche insbesondere für Sensoren geeignet sind, die höhere Drücke aushalten. Solche Aufbauvarianten zeichnen sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass vergleichsweise große Übergangsradien 550 zwischen dem Übergangsbereich 55 und dem Membranbereich 54 vorgesehen sind, dass die Kavernenwände im Übergangsbereich 55 steil bzw. senkrecht sind und dass in der Aufbautechnik kein Glas verwendet wird bzw. Glas vermieden wird.
Durch die Vermeidung von Glas in der Aufbau- und Verbindungstechnik kann der Druckbereich für den erfindungsgemäßen Sensor 50 bis in eine Größenordnung von 1000 bar erweitert werden. Hierdurch stellt der erfmdungsgemäße Sensor eine kostengünstige Variante zu bisherigen Sensoren für diese Größenordnung von Drücken dar. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, vorhandene Herstellprozesse von Drucksensoren größtenteils beizubehalten, wie beispielsweise der Halbleiterprozess des Siliziumchips 51 oder vorhandene Sensorgehäuseteile. Weiterhin ist es erfindungsgemäß möglich, kapazitive Sensoren ebenfalls mit dieser Methode aufzubauen und zu verbessern, um temperaturbedingte Verformungen des Sensorchips zu vermeiden. Bei kapazitiven Sensoren führt eine Verformung des Sensorchips, d.h. insbesondere des Membranbereichs 54, zu einer Auslenkung der Membran, was letztlich eine Änderung des Ausgangssignals bedeutet.
Bei den in den Figuren 3 bis 7 dargestellten Aufbauvarianten der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, trotz der Vermeidung von Glas eine Temperaturentkopplung zwischen dem Halbleitersubstrat 51 und seiner Umgebung zu erreichen. Hierzu sind insbesondere Zwischenplatten mit angepasstem Temperaturausdehnungskoeffizient vorgesehen. Durch Kaskadierung von zwei oder mehreren Zwischenplatten kann dieser Effekt verbessert werden. Der Temperaturausdehnungskoeffizient von solchen Zwischenplatten auf einem Sockel sollte dabei so gewählt sein, dass er zwischen dem des Sockels und dem der darauf folgenden Zwischenplatte liegt. Der Temperaturausdehnungskoeffizient der Zwischenplatte, die mit dem Siliziumchip 50 verbunden ist, sollte möglichst dem Temperaturausdehnungskoeffizienten des verwendeten Halbleitermaterials, d.h. insbesondere des Siliziums, entsprechen, um möglichst wenig Temperaturausdehnungseffekte an den Sensor 50 zu übertragen. Zur Verbindung der Zwischenplatten untereinander, zum Sockel und zum Chip, kann gelötet oder geklebt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Sockel und die erste Zwischenplatte aufeinanderzuschweißen bzw. auch die anderen Zwischenplatten aufeinanderzuschweißen.
In Figur 3 ist eine erste Aufbauvariante des erfindungsgemäßen Sensors dargestellt. Der Sensorchip 50 ist mittels einer Lotschicht 30 auf einem Sockel 20 befestigt. Hierbei wird auf die Glaszwischenplatte verzichtet und der Chip 50 wird direkt, d.h. lediglich mittels einer dünnen Zwischenschicht 30, auf dem Sockel 20 befestigt. Der Chip 50 kann hierbei geklebt oder auf der Rückseite metallisiert und gelötet werden. Das Material des Sockels 20 ist besonders wichtig, denn es muss einen Temperaturausdehnungskoeffizienten besitzen, der dem des Siliziumchips 50 nahe kommt. Als bevorzugte Materialien des Sockels 20 ist es erfindungsgemäß vorgesehen, Eisen-Nickel-Stahl zu verwenden, um eine gute Festigkeit bei gleichzeitig geringem Temperaturausdehnungskoeffizient zu erreichen. Erfindungsgemäß ist als Material für den Sockel 20 die Verwendung der Materialien „Kovar", „Invar", „Vakodil" einzeln oder in Kombination miteinander vorgesehen. Der Sockel 20 ist erfindungsgemäß insbesondere als TO8-Sockel oder in anderer Form wie beispielsweise als Sockel mit Einschraubgewinde (Fig 5) vorgesehen. Der Sockel 20 ist, wie in Figur 3 dargestellt, mit einem Druckanschlussröhrchen 10 verbunden, welches den Druck auf die Rückseite des in Figur 3 nicht mehr einzeln bezeichneten Membranbereichs 54 leitet. Weiterhin ist in Figur 3 und in den weiteren Figuren 4 bis 6 ein oder mehrere Bonddrähte 60 vorgesehen, der die auf der Vorderseite des Halbleiterchips 50 vorgesehenen und in der Figur 3 ebenfalls nicht dargestellten Messwiderstände mit einem Anschlussstift 70 bzw. einer Leiterplatte 71 (Figur 6) verbinden, wobei der Anschlussstift 70 mittels einer Isolierung 80, welche insbesondere als eine Einglasung vorgesehen ist, von dem Sockelmaterial elektrisch isoliert vorgesehen ist, falls der Anschlussstift 70 durch den Sockel 20 hindurchgeführt wird. Als Lot kann jedes Metalllot z.B. AuSn20 oder SnCu3In0,5 bzw. Glaslot verwendet werden.
In Figur 4 ist eine zweite Aufbauvariante des erfindungsgemäßen Sensors gezeigt, bei dem der Sockel 20 aus einem Material mit beliebigen
Temperaturausdehnungskoeffizienten, beispielsweise aus Stahl, bestehen kann. Wiederum ist das Druckanschlussröhrchen 10, verbunden mit dem Sockel 20, vorgesehen. Es wird zwischen dem Sockel 20 und dem Sensorchip 50 eine erste Zwischenplatte 32 vorgesehen, welche aus einem Material besteht, welches einen angepassten Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweist. Die Zwischenplatte 32 ist gegenüber dem Sensorchip 50 bzw. dem Sockel 20 entweder geklebt oder gelötet oder auch, insbesondere durch Laserschweißen, verschweißt. Hierdurch ergeben sich die erste Zwischenschicht 30 zwischen dem Sockel 20 und der ersten Zwischenplatte 32 bzw. die zweite Zwischenschicht 34 zwischen der ersten Zwischenplatte 32 und dem Sensorchip 50.
Das Material der ersten Zwischenplatte 32 kann gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung auch aus Silizium bzw. Polysilizium bestehen. Weiterhin kann die Verbindung zwischen dem Siliziumchip und der Zwischenplatte auch durch anodisches Bonden erfolgen, wenn eine auf dem Chip 50 oder der Zwischenplatte 32 aufgebrachte Pyrex- Schicht als zweite Zwischenschicht 34 aufgebracht wird. Die Verbindung zwischen der ersten Zwischenplatte 32 und dem Sockel 20 kann zur thermischen Entkopplung mit Weichlot ausgefüllt werden.
Ist der Temperaturausdehnungskoeffizient des Sockels 20 sehr weit vom Temperaturausdehnungskoeffizienten des für den Sensor 50 verwendeten Halbleitermaterials entfernt, eignet sich ein Aufbau gemäß einer dritten Aufbauvariante, welche in Figur 5 dargestellt ist. Um hohe Spannungen zwischen dem Sockel 20 und dem Halbleitersensor 50 zu vermeiden, welche durch unterschiedliche Temperaturausdehnungen der verschiedenen Materialien entstehen, ist bei der dritten Aufbauvariante ein zweistufiger Aufbau verwendet. Gleiche Bezugszeichen aus Figur 4 bezeichnen in Figur 5 wiederum gleiche Komponenten bzw. Teile des Sensors. In Figur 5 ist zusätzlich noch eine Schutzkappe 90 abgebildet, die den Aufbau des Sensors 50 auf dem Sockel 20 schützt. Anstelle der ersten Zwischenschicht 30, der ersten Zwischenplatte 32 und der zweiten Zwischenschicht 34 wie in Figur 4 ist in Figur 5 zur besseren Angleichung des Temperaturausdehnungskoeffizienten des Sensors 50 zum Temperaturausdehnungskoeffizienten des Sockels 20 die erste Zwischenschicht 30, die erste Zwischenplatte 32, die zweite Zwischenschicht 34, die zweite Zwischenplatte 36 und die dritte Zwischenschicht 38 vorgesehen. Für die erste Zwischenplatte 32 wird bevorzugt ein Material verwendet, welches einen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweist, der zwischen dem Temperaturausdehnungskoeffizienten des Sockels 20 und dem Temperaturausdehnungskoeffizienten der zweiten Zwischenplatte 36 liegt. Dadurch wird gewährleistet, dass die unterschiedlichen Längenausdehnungen über der Temperatur der verwendeten Materialien auf die verschiedenen Ebenen des Zwischenplatten-Stapels verteilt werden, wodurch die maximalen mechanischen Spannungen in den Materialien klein gehalten werden können. Dies führt zu einem geringen Temperatureinfluss des Sensors und zu einer geringen Temperaturhysterese bzw. -drift, bei gleichzeitig hoher Berstdruckfestigkeit. In Figur 5 ist die Schutzkappe 90 eingezeichnet, die offen oder druckdicht geschlossen, beispielsweise vakuumdicht verschweißt, ausgeführt sein kann, um einen Referenz-, Differenz- oder Absolutdrucksensor zu realisieren. Aus Sicherheitsgründen kann bei einem Absolutdrucksensor die Kappe 90 so ausgelegt werden, dass deren Berstdruckfestigkeit oberhalb der Berstdruckfestigkeit der Siliziummembran liegt, wodurch ein Medienaustritt bei Undichtigkeiten des Aufbaus oder beim Bersten der Membran vermieden werden kann.
In Figur 6 ist eine vierte Aufbauvariante des Drucksensors dargestellt. Hierbei ist der Chip 50 auf einem Druckstutzen montiert. Der Druckanschluss kann, wie hier beispielhaft gezeigt, mit einem Einschraubgewinde 6 und einer Konusdichtung 5 erfolgen, aber auch mittels eines Stutzens mit O-Ring-Dichtung oder ähnlichem realisiert sein. Gleiche Bezugszeichen aus der Figur 5 bezeichnen wiederum gleiche Teile bzw. Elemente des Sensors bzw. des Sensoraufbaus. Im Gegensatz zu den Figuren 3, 4 und 5 ist in Figur 6 anstelle des Anschlussstiftes 70 eine Leiterplatte 71 vorgesehen, die mittels des oder mehrerer Bonddrähte 60 mit den auf der Vorderseite der Sensormembran befindlichen Druckmessmitteln verbunden ist. Der Chip 50 ist damit elektrisch über die Leiterplatte 71 verbunden, welche wiederum mit einem Stecker 72 in der Schutzkappe 90 verbunden ist.
In Figur 7 ist eine fünfte Aufbauvariante mit einem hartgelöteten Zwischensockel 33 dargestellt. Der wiederum vorhandene Sockel 20 und der Zwischensockel 33 sind erfmdungsgemäß in der fünften Auf bauvariante mittels der ersten Zwischenschicht 30 insbesondere hartgelötet und derart miteinander verbunden, dass die erste Zwischenschicht 30 mit zunehmendem Druck auf den Sensor 50 auf Druck belastet wird. Mittels der zweiten Zwischenschicht 34 ist dann der Chip 50 mit dem Zwischensockel 33 verbunden. Hierbei ist die zweite Zwischenschicht 34 insbesondere aus einem kriechfesten Lot und ebenfalls hartgelötet vorgesehen. Da das Lot der ersten Zwischenschicht 30 in der fünften Auf bauvariante auf Druck belastet wird, ist es erfindungsgemäß auch möglich, bei der fünften Aufbauvariante die erste Zwischenschicht 30 mit weichem Lot vorzusehen, da dieses, für den Fall, dass es auf Druck belastet wird, ebenfalls sehr hohen Drücken standhalten kann.

Claims

Patentansprüche
1. Sensor aus einem Halbleitermaterial (51), wobei das Halbleitermaterial (51) eine erste Dicke (52) aufweist und wobei das Halbleitermaterial (51) in einem Membranbereich (54) eine zweite Dicke (53) aufweist, wobei die zweite Dicke (53) kleiner vorgesehen ist als die erste Dicke (52), wobei der Sensor einen Übergangsbereich (55) aufweist, wobei sich die Dicke des Halbleitermaterials (51) im Übergangsbereich (55) von der ersten Dicke (52) zur zweiten Dicke (53) verringert, dadurch gekennzeichnet, dass im Übergangsbereich (55) ein großes Aspektverhältnis vorgesehen ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich (55) eine Oberflächenstruktur (56) aufweist, wie sie durch Trenchätzen hervorgerufen wird.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor zur Druckmessung vorgesehen ist.
4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleitermaterial (51) Silizium vorgesehen ist.
5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial (51) eine Vorderseite (58) und eine Rückseite (59) aufweist, wobei der Übergangsbereich (55) Teil der Rückseite (59) ist, wobei auf der Vorderseite (58) Mittel (57) zur Messung der Verformung des Membranbereichs (54) vorgesehen sind.
6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Halbleitermaterial (51) monolithisch eine Auswerteschaltung integriert vorgesehen ist.
7. Verfahren zur Herstellung eines Sensors aus einem Halbleitermaterial (51), wobei ein Membranbereich (54) vorgesehen wird, wobei die Dicke (52, 53) des Halbleitermaterials (51) verringert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Verringerung der Dicke (52, 53) durch Trenchätzen durchgeführt wird.
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