WO2010023006A1 - Verfahren zur herstellung von drucksensorelementen - Google Patents
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- WO2010023006A1 WO2010023006A1 PCT/EP2009/058518 EP2009058518W WO2010023006A1 WO 2010023006 A1 WO2010023006 A1 WO 2010023006A1 EP 2009058518 W EP2009058518 W EP 2009058518W WO 2010023006 A1 WO2010023006 A1 WO 2010023006A1
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- 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
- G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
- G01L9/0052—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
- G01L9/0055—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements bonded on a diaphragm
Definitions
- the invention relates to a method for the production of pressure sensor elements, starting from a metal support, in the back of blind openings for exposing sensor membranes are introduced and on the front side of an insulating layer and a resistive thin film are applied before the pressure sensor elements are separated.
- Such pressure sensor elements with a metal membrane can be used in a wide pressure range of for example 10 to 3000 bar.
- the pressurization of the sensor membrane takes place here via the rear bag opening.
- the consequent deflection of the sensor membrane is detected by means of circuit elements which are arranged on the front side of the membrane and formed in the resistive thin film.
- German Patent DE 197 36 306 is the production of such pressure sensor elements in multiple use.
- the known method is based on a metal carrier whose rear side is machined to produce a plurality of sensor structures.
- a thin-film structure with a resistive functional layer is applied, in which circuit elements for signal detection and, if necessary, evaluation are then formed. Only then does the separation of the Pressure sensor elements, for example by sawing, laser cutting or water jet cutting.
- the front side of the metal carrier is first provided with a closed insulating layer, on which then the following layers of the thin film structure are deposited.
- the functional layer can be realized for example in the form of a NiCr or NiCrSi layer.
- the thin-film structure often comprises a contact layer, e.g. NiCr / Pd / Au, and a passivation layer, e.g. made of SiN.
- the insulating layer typically consists of a vitreous material, such as SiOx, is a few microns thick and is under compressive stress. As a result, it often comes when separating the pressure sensor elements to a chipping of the insulation layer in the region of the cutting edges.
- the front side of the metal carrier is structured before the application of the insulating layer in accordance with the contours of the pressure sensor elements to be separated. Accordingly, in the subsequently applied closed insulating layer, a curvature with a partially smaller layer thickness is formed in the edge region of the pressure sensor elements, which curvature acts as a predetermined breaking point when the pressure sensor elements are separated.
- the insulation layer itself can be structured according to the contours of the pressure sensor elements to be separated.
- the front side of the metal carrier remains flat and thus compatible with the usual standard semiconductor processes, e.g. Spin coating of photoresist.
- the structuring of the insulation layer in the context of the invention in question can also be carried out in addition to the front side structuring of the metal carrier.
- trenches or grooves are produced along the cut edges of the pressure sensor elements to be separated.
- the cross-sectional shape of these trenches essentially depends on whether a chemical or mechanical structuring method is used and which tools are used in the case of a mechanical structuring method.
- Trenches or grooves with a V-shaped, rectangular or semi-elliptical cross section can be produced particularly easily. For this come preferably mechanical Methods such as milling and grinding in question and erosion and etching as a chemical process.
- the insulating layer can be easily patterned using a photolithographically patterned etching mask in a dry or wet chemical etching process, the cross-sectional shape of the resulting etching trench depending on the type of etching process.
- etching trenches with a rectangular cross-section are predominantly formed, while in a wet-chemical etching process, V-groove-shaped etching trenches are more likely to be produced.
- An essential advantage of such a dry or wet-chemical structuring of the insulation layer compared to a mechanical structuring of the insulation layer and / or the metal support is that complicated pressure sensor geometries and the resulting patterns can be easily realized.
- a structured insulation layer can alternatively also be produced by a deposition using shadow mask technology.
- 1 shows a schematic sectional view through a first metal carrier 10 with insulating layer
- 2a-c show sectional views of three metal carriers 10, 20, 30 with structured front side
- FIGS. 3a-c show three cutting patterns 40, 50, 60 for the production of pressure sensor elements according to the invention.
- a section of a plate-shaped metal carrier 10 is shown, which is also referred to below as a benefit.
- the metal carrier 10 forms the starting material for a mass production of pressure sensor elements with a metal diaphragm 11.
- blind openings 12 were produced in the back of the metal carrier 10 with conventional processing methods.
- the front side of the metal carrier 10 has been structured in addition to the rear side.
- V-grooves 13 were introduced into the front of the metal carrier 10, which extend along the cut edges of the pressure sensor elements to be separated. Only then was a closed, glassy insulating layer 14 applied to the front of the utility 10, then on the thin-film piezoresistive circuit elements are to be realized for signal detection.
- the insulating layer 14 is curved in accordance with the surface structure of the metal carrier 10 in the region 15 of the cutting edges. Due to the geometry of the V-grooves 13, the curvature of the insulation layer 14 forms a predetermined breaking point, ie the isolation layer 14 can be separated here particularly easily without flaking or cracking during the singulation process. Additional structuring of the insulating layer 14 is usually not required, but may vary depending on the thickness and Material composition of the insulation layer still be useful.
- FIG. 2a again shows the metal carrier 10 with V-grooves 13 shown in FIG. 1 prior to the application of the insulating layer.
- the cross section of the trenches 23 in the front side of the metal carrier 20 in the variant shown in Fig. 2b is rectangular.
- Both the V-grooves 13 and the trenches 23 were mechanically produced by milling or grinding.
- the trenches 33 in the front of the metal carrier 30 shown in Fig. 2c were chemically generated, for example, by erosion. Therefore, these trenches 33 are semi-oval in cross-section.
- the patterns 40, 50, 60 illustrated in Figures 3a-c represent three different arrangements of pressure sensor elements having three different geometries and illustrate the inventive aspect of mass production.
- the pressure sensor elements 41 in FIG. 3a have a square top surface and are arranged next to one another continuously, so that no waste is produced during the singulation, if one disregards the edge region of the metal carrier. Accordingly, the contours of the pressure sensor elements 41 form a grid with square meshes. These contours can easily be transferred to the surface of a metal carrier in a mechanical process such as milling or grinding. In the case of FIG. 3b, the upper side of the pressure sensor elements 51 is circular.
- the pressure sensor elements 51 are spaced apart, arranged in staggered rows, so that when separating a considerable part of the metal carrier remains as waste.
- the contours of the pressure sensor elements 51 can also be easily transferred mechanically into the surface of a metal carrier, in contrast to the one shown in FIG. 3c illustrated variant.
- the top of the pressure sensor elements 61 is 8-square.
- the sensor elements 61 are arranged in adjacent staggered rows. With this geometry and arrangement of the pressure sensor elements 61, it is advisable to structure only the insulation layer corresponding to the sensor element contours, since such structuring can be carried out dry or wet-chemically and can be generated with these methods equally easy different trenches in the insulation layer.
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Abstract
Es werden Maßnahmen vorgeschlagen, durch die ein unkontrolliertes flächiges Abplatzen der Isolationsschicht beim Vereinzeln von Drucksensorelementen vermieden wird, wobei diese Drucksensorelemente ausgehend von einem Metallträger (10) hergestellt werden, in dessen Rückseite Sacköffnungen (12) zum Freilegen von Sensormembranen (11) eingebracht werden und auf dessen Vorderseite eine Isolationsschicht (14) und eine resistive Dünnschicht aufgebracht werden, bevor die Drucksensorelemente vereinzelt werden. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, entweder die Vorderseite des Metallträgers (10) vor dem Aufbringen der Isolationsschicht (14) entsprechend den Konturen der zu vereinzelnden Drucksensorelemente zu strukturieren oder die Isolationsschicht selbst entsprechend den Konturen der zu vereinzelnden Drucksensorelemente zu strukturieren.
Description
Beschreibung
Verfahren zur Herstellung von Drucksensorelementen
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Drucksensorelementen, ausgehend von einem Metallträger, in dessen Rückseite Sacköffnungen zum Freilegen von Sensormembranen eingebracht werden und auf dessen Vorderseite eine Isolationsschicht und eine resistive Dünnschicht aufgebracht werden, bevor die Drucksensorelemente vereinzelt werden .
Derartige Drucksensorelemente mit einer Metallmembran können in einem weiten Druckbereich von beispielsweise 10 bis 3000 bar eingesetzt werden. Die Druckbeaufschlagung der Sensormembran erfolgt hier über die rückwärtige Sacköffnung. Die dadurch bedingte Auslenkung der Sensormembran wird mit Hilfe von Schaltungselementen erfasst, die auf der Vorderseite der Membran angeordnet und in der resistiven Dünnschicht ausgebildet sind.
Gegenstand der deutschen Patentschrift DE 197 36 306 ist die Herstellung derartiger Drucksensorelemente im Mehrfachnutzen. Das bekannte Verfahren geht von einem Metallträger aus, dessen Rückseite bearbeitet wird, um eine Vielzahl von Sensorstrukturen zu erzeugen. Auf die unstrukturierte Vorderseite des Metallträgers wird ein Dünnschichtaufbau mit einer resistiven Funktionsschicht aufgebracht, in der dann Schaltungselemente zur Signalerfassung und ggf. -auswertung ausgebildet werden. Erst danach erfolgt die Vereinzelung der
Drucksensorelemente, beispielsweise durch Sägen, Laserstrahlschneiden oder Wasserstrahlschneiden.
In der Praxis wird die Vorderseite des Metallträgers zuerst mit einer geschlossenen Isolationsschicht versehen, auf der dann die folgenden Schichten des Dünnschichtaufbaus abgeschieden werden. Die Funktionsschicht kann beispielsweise in Form einer NiCr- oder NiCrSi-Schicht realisiert werden. Des Weiteren umfasst der Dünnschichtaufbau häufig eine Kontaktschicht, z.B. aus NiCr/Pd/Au, und eine Passivierungsschicht, z.B. aus SiN. Die Isolationsschicht besteht typischerweise aus einem glasartigen Material, wie SiOx, ist einige μm dick und steht unter kompressivem Stress. Dadurch bedingt, kommt es beim Vereinzeln der Drucksensorelemente häufig zu einem Abplatzen der Isolationsschicht im Bereich der Schnittkanten. Dies führt zu einem relativ hohen Ausschuss bei der Produktion der Drucksensorelemente. Aber selbst wenn die Funktionsfähigkeit eines betroffenen Drucksensorelements zunächst nicht beeinträchtigt ist, kann sich die unsauber abgebrochene Kante der Isolationsschicht negativ auf die Lebensdauer des Sensorelements auswirken. Das Ausmaß dieses Abplatzens ist vom Vereinzelungsverfahren, von der Schichtspannung und von der Schichthaftung der Isolationsschicht abhängig und deshalb nur schwer kontrollierbar.
Offenbarung der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung werden Maßnahmen vorgeschlagen, durch die ein unkontrolliertes flächiges Abplatzen der Isolationsschicht beim Vereinzeln der Drucksensorelemente vermieden wird.
Dies wird erfindungsgemäß durch eine indirekte oder direkte Strukturierung der Isolationsschicht entsprechend den Konturen der Drucksensorelemente erreicht.
Im Fall der indirekten Strukturierung wird die Vorderseite des Metallträgers vor dem Aufbringen der Isolationsschicht entsprechend den Konturen der zu vereinzelnden Drucksensorelemente strukturiert. Dementsprechend bildet sich in der anschließend aufgebrachten geschlossenen Isolationsschicht im Randbereich der Drucksensorelemente eine Krümmung mit einer teilweise geringeren Schichtdicke aus, die beim Vereinzeln der Drucksensorelemente als Sollbruchstelle fungiert .
Alternativ dazu kann auch die Isolationsschicht selbst entsprechend den Konturen der zu vereinzelnden Drucksensorelemente strukturiert werden. In diesem Fall bleibt die Vorderseite des Metallträgers plan und somit kompatibel mit den üblichen Standard-Halbleiterprozessen, wie z.B. Spincoating von Photolack. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Strukturierung der Isolationsschicht im Rahmen der hier in Rede stehenden Erfindung auch ergänzend zur Vorderseitenstrukturierung des Metallträgers vorgenommen werden kann.
Bei der Strukturierung der Vorderseite des Metallträgers werden Gräben bzw. Nuten entlang der Schnittkanten der zu vereinzelnden Drucksensorelemente erzeugt. Die Querschnittsform dieser Gräben bzw. Nuten hängt im Wesentlichen davon ab, ob ein chemisches oder mechanisches Strukturierungsverfahren angewendet wird und im Falle eines mechanischen Strukturierungsverfahrens, welche Werkzeuge eingesetzt werden. Besonders einfach lassen sich Gräben bzw. Nuten mit V-förmigem, rechteckigem oder halb-elliptischem Querschnitt erzeugen. Dafür kommen bevorzugt mechanische
Verfahren, wie Fräsen und Schleifen, in Frage sowie Erodieren und Formätzen als chemisches Verfahren.
Die Isolationsschicht kann einfach mit Hilfe einer photolithographisch strukturierten Ätzmaske in einem trocken- oder nasschemischen Ätzprozess strukturiert werden, wobei die Querschnittsform des resultierenden Ätzgrabens von der Art des Ätzverfahrens abhängt. In einem trockenchemischen Ätzprozess entstehen vorwiegend Ätzgräben mit einem rechteckigen Querschnitt, während in einem nasschemischen Ätzprozess eher V-nutförmige Ätzgräben erzeugt werden. Ein wesentlicher Vorteil einer solchen trocken- oder nasschemischen Strukturierung der Isolationsschicht gegenüber einer mechanischen Strukturierung der Isolationsschicht und/oder des Metallträgers ist, dass auch komplizierte Drucksensorgeometrien und die daraus resultierenden Schnittmuster einfach realisiert werden können. Eine strukturierte Isolationsschicht kann alternativ auch durch eine Abscheidung mit Schattenmaskentechnik erzeugt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen.
Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch einen ersten Metallträger 10 mit Isolationsschicht,
Fig. 2a-c zeigen Schnittdarstellungen von drei Metallträgern 10, 20, 30 mit strukturierter Vorderseite, und
Fig. 3a-c zeigen drei Schnittmuster 40, 50, 60 für die erfin- dungsgemäße Herstellung von Drucksensorelementen.
Ausführungsformen der Erfindung
In Fig. 1 ist ein Ausschnitt aus einem plattenförmigen Metallträger 10 dargestellt, der im Folgenden auch als Nutzen bezeichnet wird. Der Metallträger 10 bildet das Ausgangsmaterial für eine Massenfertigung von Drucksensorelementen mit einer Metallmembran 11. Dazu wurden in der Rückseite des Metallträgers 10 mit konventionellen Bearbeitungsverfahren Sacköffnungen 12 erzeugt. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel wurde neben der Rückseite auch die Vorderseite des Metallträgers 10 strukturiert. Durch Fräsen oder Schleifen wurden V-Nuten 13 in die Vorderseite des Metallträgers 10 eingebracht, die entlang der Schnittkanten der zu vereinzelnden Drucksensorelemente verlaufen. Erst danach wurde eine geschlossene, glasartige Isolationsschicht 14 auf die Vorderseite des Nutzens 10 aufgebracht, auf der dann in Dünnschichttechnik piezoresistive Schaltungselemente zur Signalerfassung realisiert werden sollen. Die Isolationsschicht 14 ist entsprechend der Oberflächenstruktur des Metallträgers 10 im Bereich 15 der Schnittkanten gekrümmt. Aufgrund der Geometrie der V-Nuten 13 bildet die Krümmung der Isolationsschicht 14 eine Sollbruchstelle, d.h. beim Vereinzelungsprozess lässt sich die Isolationsschicht 14 hier besonders einfach auftrennen ohne Abplatzungen oder Rissbildung. Eine zusätzliche Strukturierung der Isolationsschicht 14 ist in der Regel nicht erforderlich, kann aber je nach Dicke und
Materialzusammensetzung der Isolationsschicht dennoch sinnvoll sein.
Fig. 2a zeigt nochmals den in Fig. 1 dargestellten Metallträger 10 mit V-Nuten 13 vor dem Aufbringen der Isolationsschicht. Im Vergleich dazu ist der Querschnitt der Gräben 23 in der Vorderseite des Metallträgers 20 bei der in Fig. 2b dargestellten Variante rechteckig. Sowohl die V-Nuten 13 als auch die Gräben 23 wurden mechanisch durch Fräsen oder Schleifen erzeugt. Im Unterschied dazu wurden die Gräben 33 in der Vorderseite des in Fig. 2c dargestellten Metallträgers 30 chemisch erzeugt, beispielsweise durch Erodieren. Deshalb sind diese Gräben 33 im Querschnitt halb-oval.
Die in den Figuren 3a bis c dargestellten Schnittmuster 40, 50, 60 repräsentieren drei verschiedene Anordnungen von Drucksensorelementen mit drei unterschiedlichen Geometrien und veranschaulichen den erfindungsgemäßen Aspekt der Massenfertigung. Die Drucksensorelemente 41 in Fig. 3a haben eine quadratischen Oberseite und sind fortlaufend nebeneinander angeordnet, so dass bei der Vereinzelung kein Abfall entsteht, wenn man vom Randbereich des Metallträgers absieht. Dementsprechend bilden die Konturen der Drucksensorelemente 41 ein Gitter mit quadratischen Maschen. Diese Konturen können einfach in einem mechanischen Verfahren, wie Fräsen oder Schleifen, in die Oberfläche eines Metallträgers übertragen werden. Im Fall der Fig. 3b ist die Oberseite der Drucksensorelemente 51 kreisrund. Die Drucksensorelemente 51 sind voneinander beabstandet, in zueinander versetzten Reihen angeordnet, so dass bei der Vereinzelung ein beträchtlicher Teil des Metallträgers als Abfall verbleibt. Auch die Konturen der Drucksensorelemente 51 können einfach mechanisch in die Oberfläche eines Metallträgers übertragen werden, im Gegensatz zu der in Fig.
3c dargestellten Variante. Hier ist die Oberseite der Drucksensorelemente 61 8-eckig. Die Sensorelemente 61 sind in aneinander grenzenden zueinander versetzten Reihen angeordnet. Bei dieser Geometrie und Anordnung der Drucksensorelemente 61 empfiehlt es sich, lediglich die Isolationsschicht entsprechend den Sensorelementkonturen zu strukturieren, da eine solche Strukturierung trocken- oder nasschemisch vorgenommen werden kann und sich mit diesen Verfahren gleichermaßen einfach unterschiedlichste Grabenverläufe in der Isolationsschicht erzeugen lassen.
Claims
1. Verfahren zur Herstellung von Drucksensorelementen, ausgehend von einem Metallträger (10), in dessen Rückseite Sacköffnungen (12) zum Freilegen von Sensormembranen (11) eingebracht werden und auf dessen Vorderseite eine Isolationsschicht (14) und eine resistive Dünnschicht aufgebracht werden, bevor die Drucksensorelemente vereinzelt werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Vorderseite des Metallträgers (10) vor dem Aufbringen der Isolationsschicht (14) entsprechend den Konturen der zu vereinzelnden Drucksensorelemente strukturiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Vorderseite des Metallträgers (10) Gräben (13) entlang der Schnittkanten der zu vereinzelnden Drucksensorelemente eingebracht werden, die vorzugsweise einen V-förmigen, rechteckigen oder halb-elliptischen Querschnitt aufweisen.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnete, dass die Vorderseite des Metallträgers (10) durch Fräsen, Schleifen, Formätzen und/oder Erodieren strukturiert wird.
4. Verfahren zur Herstellung von Drucksensorelementen, ausgehend von einem Metallträger, in dessen Rückseite Sacköffnungen zum Freilegen von Sensormembranen eingebracht werden und auf dessen Vorderseite eine Isolationsschicht und eine resistive Dünnschicht aufgebracht werden, bevor die Drucksensorelemente vereinzelt werden, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Isolationsschicht entsprechend den Konturen der zu vereinzelnden Drucksensorelemente strukturiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht mit Hilfe einer photolithographisch strukturierten Ätzmaske in einem trocken- oder nasschemischen Ätzprozess strukturiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht mit Hilfe einer Schattenmaskentechnik abgeschieden und strukturiert wird.
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