WO2010112246A1 - Sensoranordnung zum erfassen von hohen drücken - Google Patents

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WO2010112246A1
WO2010112246A1 PCT/EP2010/051138 EP2010051138W WO2010112246A1 WO 2010112246 A1 WO2010112246 A1 WO 2010112246A1 EP 2010051138 W EP2010051138 W EP 2010051138W WO 2010112246 A1 WO2010112246 A1 WO 2010112246A1
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WO
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sensor
sensor element
membrane
opening
carrier
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PCT/EP2010/051138
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English (en)
French (fr)
Inventor
Marcus Ahles
Hubert Benzel
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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Priority to EP10701550A priority patent/EP2414802A1/de
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    • G—PHYSICS
    • 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
    • G01L7/00—Measuring the steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by mechanical or fluid pressure-sensitive elements
    • G01L7/02—Measuring the steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by mechanical or fluid pressure-sensitive elements in the form of elastically-deformable gauges
    • G01L7/08—Measuring the steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by mechanical or fluid pressure-sensitive elements in the form of elastically-deformable gauges of the flexible-diaphragm type
    • G01L7/082—Measuring the steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by mechanical or fluid pressure-sensitive elements in the form of elastically-deformable gauges of the flexible-diaphragm type construction or mounting of diaphragms

Definitions

  • the invention relates to a sensor arrangement for detecting high pressures with a micromechanical sensor element which is arranged on a carrier and is mounted on this carrier, for example on a metal base or in a housing.
  • a membrane is formed, which spans a cavity with a rear opening.
  • the carrier has a through opening and is connected to the rear side of the sensor element in such a way that the through opening opens into the rear opening of the cavern.
  • Such a sensor arrangement with a silicon chip as a sensor element is described in the German patent application DE 10 2004 006 199 A1.
  • a membrane is formed, in which piezoresistors for signal detection are integrated.
  • the membrane was exposed here by etching the back side of the chip substrate. Accordingly, the diameter of the rear opening of the resulting cavern under the membrane is at least as large as the membrane diameter.
  • the sensor element was then bonded to a metallized backplate glass support so that the glass support with the sensor element can be soldered to a metal support.
  • the glass carrier is used in this structure to reduce the resulting during assembly and acting on the sensor element mechanical stress.
  • the pressurization of the sensor membrane takes place here via a passage opening in the glass carrier, which opens into the cavern under the membrane.
  • This through-opening is usually produced by ultrasonic drilling, laser treatment, sandblasting or temperature treatment by embossing in the glass carrier. This results in microdefects in the sidewall of the through-hole opening, while the top of the glass slide is largely free of such defects.
  • annular recess is formed in the back of the sensor element, which is arranged over the edge region of the passage opening of the carrier, so that the connection surface between the sensor element and carrier does not reach to the edge of the passage opening.
  • the annular recesses can be made round, rectangular or square, advantageously adapted to the shape of the membrane.
  • the shape of the passage opening in the carrier is independent of this.
  • a mechanical stress maximum occurs within the glass carrier, which is proportional to the pressure to be measured.
  • this voltage maximum is thus either in a region below the defect-free glass surface or in the edge region of the passage opening, the wall of which identifies microdefects.
  • cracks first form at the point of maximum stress in the glass just below the silicon-glass compound, which can ultimately lead to a breakup in the connection area.
  • the sensor membrane can be relatively small, as is advantageous for the detection of high pressures, even if the passage opening in the carrier is larger than the membrane.
  • the passage opening should namely not fall below a minimum size, since in too small holes particles, dirt or other media can collect and set, which affects the function of the sensor assembly.
  • the implementation of the measures according to the invention requires only a simple modification of the standard manufacturing process of the sensor elements. Both the carrier and the housing or the mounting surface remain unaffected.
  • the membrane area should be relatively small for measurements in higher pressure ranges. Since the membrane size is independent of the size of the passage opening due to the recess formed in the back of the sensor element according to the invention, the membrane area can also be smaller than the cross-sectional area of the passage opening, wherein the membrane shape is arbitrary. Thus, the membrane may be round or square, such. B. rectangular or square. To further reduce the sensitivity, the membrane can be formed annular as a boss membrane. The particular advantage here is that circuit parts can be arranged in the stiffened middle region of such a ring membrane in order to keep the chip area as small as possible.
  • the annular depression in the rear side of the sensor element merges into the rear opening of the cavern.
  • an adjustment offset between the sensor element and the carrier can be compensated in a simple manner with the help of the circumferential recess.
  • the circumferential depression in the rear side of the sensor element can also be formed at a distance from the rear opening of the cavity.
  • a groove is formed in the outer edge region of the annular depression in the sensor element rear side.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a first sensor arrangement 10 according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of a second sensor arrangement 20 according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic sectional view of a third sensor arrangement 30 according to the invention
  • FIGS. 4a to 4d illustrate a first variant of the method for producing the sensor arrangement 10 shown in FIG. 1 on the basis of schematic sectional representations and FIGS FIGS. 5a to 5d illustrate a second variant of the method for producing the sensor arrangement 10 shown in FIG. 1 on the basis of schematic sectional representations.
  • the sensor arrangement 10 shown in FIG. 1 serves to detect high pressures.
  • the sensor arrangement 10 comprises a micromechanical sensor element 1 1, which is arranged on a carrier 1 with a passage opening 2.
  • the sensor element 1 1 is mounted on the carrier 1, for example in a housing or on a support base, wherein the carrier 1 is used to reduce the resulting mechanical stresses.
  • the sensor element 11 is a silicon chip, in whose upper side a membrane 12 is formed with piezoresistive transducer elements 16 for signal detection.
  • the sensor element 1 1 could also be made of a different semiconductor material.
  • the membrane 12 spans a cavity 13 which has been produced by trench etching of the chip back side.
  • the carrier 1 is a glass carrier 1 with a smooth, defect-free upper side, which is largely free of microdefects.
  • the passage opening 2 in the glass carrier 1 was realized in the form of a bore 2. Accordingly, the wall of the through hole 2 is rough and micro-cracked.
  • the sensor element 1 1 is arranged on the glass carrier 1 that the bore 2 opens into the rear opening 14 of the cavity 13.
  • Sensor element 1 1 and glass substrate 1 was prepared by anodic bonding.
  • the weak point of the sensor arrangement 10 described here thus lies in the region of the glass carrier 1 which adjoins the edge of the connecting surface between the silicon chip 11 and the glass carrier 1.
  • the membrane diameter is smaller than the diameter of the bore 2.
  • annular depression 15 has been produced in the chip rear side, which is arranged above the edge region of bore 2.
  • the recess 15 here represents a superficial widening of the rear opening 14 of the cavity 13, since the recess 15 merges into the cavity 13.
  • sensor elements are usually used with relatively small sensor membrane and relatively large membrane thickness. Therefore, the sensor membrane of these sensor elements is often much smaller than the
  • FIG. 2 shows a sensor arrangement 20 with a particularly small sensor membrane 22, which was produced by means of a backside trench process and a stop layer 27 buried in the silicon of the sensor element 21.
  • the stop layer 27 may consist, for example, of an oxide layer which has been introduced into a silicon wafer over the entire surface or else in a structured manner. After exposing the membrane 22, the stop layer 27 can optionally be removed, for example by a wet-chemical etching process or a dry etching process; it is also possible to use an HF vapor or gas phase etching step.
  • piezoresistors 26 were integrated for signal detection, and the side of the membrane 22 parts of an evaluation circuit 28 are arranged.
  • the sensor element 21 was also bonded to a polished glass carrier 1 with a through-hole 2, so that the bore 2 opens into the cavity 23 under the sensor membrane 22.
  • an annular recess 25 is formed in the back of the sensor element 21, which concentrically and here at a distance from the rear opening
  • the width of the recess 25 was selected according to the manufacturing and adjustment tolerances in the connection of silicon chip 21 and glass substrate 1.
  • a sensor assembly 30 is shown with an annular membrane 32, which is also referred to as Bossmembran.
  • annular membrane 32 which is also referred to as Bossmembran.
  • Such ring membranes have a comparatively low sensitivity and a relatively high membrane bursting pressure and are therefore particularly suitable for the detection of high pressures.
  • piezoresistors 36 for detecting the membrane deflection are integrated here.
  • Parts of an evaluation circuit 38 are arranged laterally of the membrane structure. At this point, it should be noted that circuit parts can also be arranged in the stiffened middle region 321 of the membrane structure in order to produce the parts which are required for the
  • the ring membrane 32 was also exposed by means of a backside trench process and a stop layer 37 buried in the silicon of the sensor element 31. In this case, an annular cavern 33 with an annular rear opening 34 was created below the annular membrane 32. It was also in the
  • annular recess 35 is formed, which is arranged concentrically and here at a distance from the rear opening 34 of the cavity 33.
  • the sensor element 31 was also bonded to a polished glass carrier 1 with a through-hole 2, so that the bore 2 opens into the annular cavity 33 under the ring membrane 32.
  • the annular recess 35 was positioned over the edge region of the passage opening 2, so that the connection surface between the sensor element 31 and the carrier 1 does not reach the edge of the passage opening 2 and the maximum stress 3 lies in a region below the smooth carrier top side.
  • the annular recess 35 in the back of the sensor element 31 was here generated in a two-stage trench step to a groove 39 in the outer
  • This groove 39 or the adjacent elastic lip 391 in the back of the chip additionally contributes to stress reduction in the glass substrate 1, which increases the bursting strength of the sensor arrangement 30 as a whole.
  • circuit elements such as e.g. Piezo resistor 16 for signal detection and circuit parts 18 for signal processing and signal evaluation on the front side of a silicon wafer 40 and 50 generated.
  • FIG. 4 a shows a detail of a silicon wafer 40, in whose upper side piezoresistors 16 and circuit parts 18 of three sensor elements are integrated and whose rear side is provided with a corresponding masking layer 41.
  • the exposure of the sensor membranes 12 takes place in a second etching step by trenches.
  • the trench process is a sequence of i-sotropic plasma etching with SF 6 in alternation with sidewall passivation, so that material removal takes place essentially only in the depth and not in the lateral direction.
  • the trench process begins here with a passivation step, in which the walls of the wide recesses 42 are passivated. The ion bombardment during the subsequent etching step first removes the passivation at the bottom of the recesses 42 and then further into the
  • FIG. 4 c shows the silicon wafer 40 after completion of the trench process, in which the caverns 13 are formed under the sensor membranes 12.
  • the recesses 42 form an extension of the rear openings 14 of these caverns 13.
  • the edge region of a recess 42 represents an annular recess according to the invention in the back of a sensor element, which merges here into the cavern 13 under the sensor membrane 12.
  • the masking layer 41 is removed before the silicon wafer 40 is bonded with its structured rear side to a polished glass substrate 1 with through-holes 2.
  • the through-holes 2 are arranged so that they each open into a cavern 13 under a sensor membrane 12 and the annular recesses 42 are arranged in the wafer rear side in each case over the edge region of a through hole 2.
  • the sensor elements 1 for example, by sawing, isolated, whereby the glass substrate 1 is severed. 4d shows the sensor arrangements 10 after the singulation process and before assembly in a housing.
  • a groove can also be created in the two-mask process.
  • a first mask 51 in the form of a structured oxide layer is first applied to the rear side of the silicon wafer 50.
  • this first mask 51 for example made of oxide, size, shape and position of the annular depression according to the invention are defined in the rear side of the sensor elements.
  • a second mask 52 is applied, with the size, shape and position of the caverns and thus also the sensor membranes is defined.
  • This may be, for example, a resist mask.
  • FIG. 5a shows a silicon wafer 50 with such a doubly masked backside.
  • the mask 52 are smaller than the openings in the first mask 51 and arranged within the region of these openings in the first mask 51.
  • caverns 13 are now generated in the wafer back side through the openings in the second mask, which is shown in Fig. 5b.
  • a second trench step takes place via the openings in the first mask 51, which have a larger opening cross-section than the caverns 13. Accordingly, not only the caverns 13 are further deepened in this second trench step to the sensor membranes 12th expose.
  • the rear openings 14 of the caverns 13 are superficially extended, which is illustrated by Fig. 5c. These extensions of the rear openings 14 each represent an annular circumferential recess 15 in the wafer backside, which merges into a cavern 13 under a sensor membrane 12.
  • the two-mask process also makes it possible to produce a circumferential recess 25 or 35 which, as shown in FIGS. 2 and 3, is arranged at a distance from the rear opening 24 or 34, so that the connection surface between sensor element 21 or 31 and Carrier 1 does not reach to the edge of the through hole 2.
  • the mask 51 is structured in such a way that a ring remains outside the rear opening 24 or 34 and within the groove 25 or 35.
  • the silicon wafer 50 with its structured rear side is formed on a polished glass substrate 1 with through-holes 2 after the first masking layer 51 has also been removed.
  • the through-bores 2 are here also arranged and dimensioned so that they each open into a cavern 13 under a sensor membrane 12 and the annular extension 15 of the rear-side openings 14 is arranged above the edge region of a through-bore 2. Only then are the sensor elements 1 1, for example by sawing, isolated, whereby the glass carrier 1 is severed.
  • Fig. 5d shows the resulting sensor assemblies 10 prior to assembly in a housing.
  • a groove in the outer edge region of the annular recess in the back of the chip can be generated here simply by modification of the second step of the trench.
  • Chip back side is spaced from the rear opening of the cavern.
  • inventive structure of the sensor element of the claimed sensor arrangement can alternatively also be produced in an isotropic or anisotropic wet-chemical process.
  • the invention is not limited to sensor arrangements with piezore-sistivem transducer principle but also includes, for example, sensor arrangements with a capacitive, inductive or piezoelectric signal detection.

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Abstract

Es wird ein einfacher und kostengünstiger Aufbau mit einer hohen Überlastsicherheit für eine Sensoranordnung (10) zum Erfassen von hohen Drücken vorgeschlagen. Die Sensoranordnung (10) umfasst ein mikromechanisches Sensorelement (11), das auf einem Träger (1) angeordnet ist und über diesen Träger (1) beispielsweise in einem Gehäuse montiert wird. In der Oberseite des Sensorelements (11) ist eine Membran (12) ausgebildet, die eine Kaverne (13) mit einer rückseitigen Öffnung (14) überspannt. Der Träger (1) weist eine Durchgangsöffnung (2) auf und ist so mit der Rückseite des Sensorelements (11) verbunden, dass die Durchgangsöffnung (2) in die rückseitige Öffnung (14) der Kaverne (13) mündet. Erfindungsgemäß ist in der Rückseite des Sensorelements (11) eine ringförmige Vertiefung (15) ausgebildet, die über dem Randbereich der Durchgangsöffnung (2) angeordnet ist, so dass die Verbindungsfläche zwischen Sensorelement (11) und Träger (1) nicht an den Rand der Durchgangsöffnung (2) heranreicht.

Description

Beschreibung
Titel
Sensoranordnung zum Erfassen von hohen Drücken
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zum Erfassen von hohen Drücken mit einem mikromechanischen Sensorelement, das auf einem Träger angeordnet ist und über diesen Träger, beispielsweise auf einem Metallsockel oder in einem Gehäuse, montiert wird. In der Oberseite des Sensorelements ist eine Membran ausgebildet, die eine Kaverne mit einer rückseitigen Öffnung überspannt. Der Träger weist eine Durchgangsöffnung auf und ist so mit der Rückseite des Sensorelements verbunden, dass die Durchgangsöffnung in die rückseitige Öffnung der Kaverne mündet.
Eine derartige Sensoranordnung mit einem Silizium-Chip als Sensorelement wird in der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2004 006 199 A1 beschrieben. In der Chip-Oberseite ist eine Membran ausgebildet, in die Piezowiderstände zur Signalerfassung integriert sind. Die Membran wurde hier durch Ätzen der Rück- seite des Chipsubstrats freigelegt. Dementsprechend ist der Durchmesser der rückseitigen Öffnung der dabei entstehenden Kaverne unter der Membran mindestens so groß wie der Membrandurchmesser. Das Sensorelement wurde dann auf einen Glasträger mit metallisierter Rückseite gebondet, so dass der Glasträger mit dem Sensorelement auf einen Metallträger gelötet werden kann. Der Glasträger dient bei diesem Aufbau zur Reduzierung des bei der Montage entstehenden und auf das Sensorelement wirkenden mechanischen Stresses. Die Druckbeaufschlagung der Sensormembran erfolgt hier über eine Durchgangsöffnung im Glasträger, die in die Kaverne unter der Membran mündet. Diese Durchgangsöffnung wird üblicherweise durch Ultraschallbohrung, Laserbehand- lung, Sandstrahlung oder Temperaturbehandlung mittels Prägung im Glasträger erzeugt. Dabei entstehen Mikrodefekte in der Seitenwandung der Durchgangs- öffnung, während die Oberseite des Glasträgers weitgehend frei von solchen Defekten ist.
Insbesondere bei der Erfassung hoher Drücke ist der gesamte Aufbau der be- kannten Sensoranordnung besonderen Stressbelastungen ausgesetzt, die in
Überlastsituationen auch zu einem Bruch in der Sensoranordnung führen können. Dabei spielt die Tatsache, dass die Bruchfestigkeit von Silizium größer ist als die von Glas, eine wesentliche Rolle.
Offenbarung der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein einfacher und kostengünstiger Aufbau mit einer hohen Überlastsicherheit für eine Sensoranordnung der eingangs ge- nannten Art vorgeschlagen.
Erfindungsgemäß ist dazu in der Rückseite des Sensorelements eine ringförmige Vertiefung ausgebildet, die über dem Randbereich der Durchgangsöffnung des Trägers angeordnet ist, so dass die Verbindungsfläche zwischen Sensorelement und Träger nicht an den Rand der Durchgangsöffnung heranreicht.
Die ringförmigen Vertiefungen können rund, rechteckig oder quadratisch ausgeführt werden, vorteilhafter weise an die Form der Membran angepasst. Dabei ist die Form der Durchgangsöffnung im Träger unabhängig davon.
Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, dass an der Stelle, an der das Siliziumsubstrat auf die Glasoberfläche trifft, ein mechanisches Spannungsmaximum innerhalb des Glasträgers auftritt, das proportional zum zu messenden Druck ist. Je nach dem, ob die rückseitige Öffnung im Siliziumsubstrat größer oder kleiner als die Durchgangsöffnung im Glasträger ist, liegt dieses Span- nungsmaximum also entweder in einem Bereich unterhalb der defektfreien Glasoberfläche oder im Randbereich der Durchgangsöffnung, deren Wandung Mikrodefekte ausweist. Im Berstfall bilden sich zunächst am Ort des Spannungsmaximums Risse im Glas knapp unterhalb der Silizium-Glas-Verbindung, die letztlich zu einem Auseinanderbrechen im Verbindungsbereich führen können. Es ist fer- ner erkannt worden, dass Sensoranordnungen, deren mechanisches Spannungsmaximum im Bereich unterhalb der defektfreien Glasoberfläche liegt, einen deutlich höheren Berstdruck haben, als Sensoranordnungen, bei denen das mechanische Spannungsmaximum in der Nähe der mikrodefektbehafteten Wandung der Durchgangsöffnung liegt, da sich in diesem Bereich im Belastungsfall bevorzugt Risse ausbilden bzw. wachsen. Davon ausgehend wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das mechanische
Spannungsmaximum zwischen Sensorelement und Träger durch ein geeignetes Layout der Rückseite des Sensorelements gezielt in einen möglichst defektarmen Bereich zu verlagern, und zwar unabhängig von der Form und Größe der Sensormembran. Die Sensormembran kann dabei, wie es für die Erfassung ho- her Drücke von Vorteil ist, relativ klein sein, auch wenn die Durchgangsöffnung im Träger größer als die Membran ist. Die Durchgangsöffnung sollte nämlich eine Mindestgröße nicht unterschreiten, da sich in zu kleinen Bohrungen Partikel, Schmutz oder sonstige Medien sammeln und festsetzten können, was die Funktion der Sensoranordnung beeinträchtigt. Vorteilhafterweise erfordert die Umsetzung der erfindungsgemäßen Maßnahmen lediglich eine einfache Modifikation des Standard-Herstellungsprozesses der Sensorelemente. Sowohl der Träger als auch das Gehäuse bzw. die Montagefläche bleiben davon unberührt.
Wie bereits erwähnt, sollte die Membranfläche für Messungen in höheren Druckbereichen relativ klein sein. Da die Membrangröße aufgrund der erfindungsgemäß ausgebildeten Vertiefung in der Rückseite des Sensorelements unabhängig von der Größe der Durchgangsöffnung ist, kann die Membranfläche auch kleiner sein als die Querschnittsfläche der Durchgangsöffnung, wobei die Membranform beliebig ist. So kann die Membran rund oder auch eckig sein, wie z. B. rechteckig bzw. quadratisch. Zur weiteren Reduzierung der Empfindlichkeit, kann die Membran ringförmig als Bossmembran ausgebildet werden. Der besondere Vorteil ist hierbei, dass im versteiften Mittelbereich einer solchen Ringmembran Schaltungsteile angeordnet werden können, um die Chipfläche möglichst klein zu hal- ten.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung geht die ringförmige Vertiefung in der Rückseite des Sensorelements in die rückseitige Öffnung der Kaverne über. In diesem Fall kann mit Hilfe der umlaufenden Vertiefung auf einfache Weise ein Justageversatz zwischen dem Sensorelement und dem Träger ausgeglichen werden. - A -
Ist die Membran sehr klein im Vergleich zur Durchgangsöffnung im Träger, so kann die umlaufende Vertiefung in der Rückseite des Sensorelements auch mit Abstand zur rückseitigen Öffnung der Kaverne ausgebildet werden.
In einer besonders vorteilhaften Variante der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist im äußeren Randbereich der ringförmigen Vertiefung in der Sensorelementrückseite eine Nut ausgebildet. Dadurch ist der auf dem Träger aufsitzende Randbereich der Vertiefung geringfügig elastisch, was zu einer besseren Vertei- lung des auf die Verbindung zwischen Sensorelement und Träger wirkenden mechanischen Stresses führt.
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 dem unabhängigen Patentanspruch 1 nach- geordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung. Anhand der Figuren werden auch zwei Verfahrensvarianten für die Herstellung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung und insbesondere eines geeigneten Sensorelements erläutert.
Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer ersten erfindungsgemäßen Sensoranordnung 10,
Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Sensoranordnung 20,
Fig. 3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer dritten erfindungsgemäßen Sensoranordnung 30,
Fig. 4a bis 4d veranschaulichen eine erste Verfahrensvariante zur Herstellung der in Fig. 1 dargestellten Sensoranordnung 10 anhand von schematischen Schnittdarstellungen und Fig. 5a bis 5d veranschaulichen eine zweite Verfahrensvariante zur Herstellung der in Fig. 1 dargestellten Sensoranordnung 10 anhand von schematischen Schnittdarstellungen.
Ausführungsformen der Erfindung
Die in Fig. 1 dargestellte Sensoranordnung 10 dient zum Erfassen von hohen Drücken. Dazu umfasst die Sensoranordnung 10 ein mikromechanisches Sen- sorelement 1 1 , das auf einem Träger 1 mit einer Durchgangsöffnung 2 angeordnet ist. Das Sensorelement 1 1 wird über den Träger 1 beispielsweise in einem Gehäuse oder auf einem Haltesockel montiert, wobei der Träger 1 zur Reduzierung der dabei entstehenden mechanischen Spannungen dient.
Bei dem Sensorelement 1 1 handelt es sich um einen Siliziumchip, in dessen O- berseite eine Membran 12 ausgebildet ist mit piezoresistiven Wandlerelementen 16 zur Signalerfassung. Das Sensorelement 1 1 könnte aber auch aus einem anderen Halbleitermaterial gefertigt sein. Die Membran 12 überspannt eine Kaverne 13, die durch Trenchätzen der Chiprückseite erzeugt worden ist. Bei dem Träger 1 handelt es sich um einen Glasträger 1 mit einer glatten, defektfreien Oberseite, die weitgehend frei von Mikrodefekten ist. Die Durchgangsöffnung 2 im Glasträger 1 wurde in Form einer Bohrung 2 realisiert. Dementsprechend ist die Wandung der Durchgangsöffnung 2 rau und mikrorissbehaftet. Das Sensorelement 1 1 ist so auf dem Glasträger 1 angeordnet, dass die Bohrung 2 in die rückseitige Öffnung 14 der Kaverne 13 mündet. Die Verbindung zwischen
Sensorelement 1 1 und Glasträger 1 wurde durch anodisches Bonden hergestellt.
Da die Bruchfestigkeit von Glas kleiner ist als die von Silizium, tritt bei hoher Druckbelastung ein mechanisches Spannungsmaximum an der Stelle im Glas- träger auf, an der die Siliziumoberfläche auf den Glasträger trifft. Die Schwachstelle der hier beschriebenen Sensoranordnung 10 liegt also in dem Bereich des Glasträgers 1 , der an den Rand der Verbindungsfläche zwischen Siliziumchip 1 1 und Glasträger 1 angrenzt.
Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Membrandurchmesser kleiner als der Durchmesser der Bohrung 2. Um zu vermeiden, dass die Verbindungsflä- che zwischen Siliziumchip 1 1 und Glasträger 1 bis an den Rand der Bohrung 2 heranreicht, wurde in der Chiprückseite eine ringförmige Vertiefung 15 erzeugt, die über dem Randbereich der Bohrung 2 angeordnet ist. Die Vertiefung 15 stellt hier eine oberflächliche Erweiterung der rückseitigen Öffnung 14 der Kaverne 13 dar, da die Vertiefung 15 in die Kaverne 13 übergeht. Mit Hilfe der ringförmigen
Vertiefung 15 wurde das mechanische Spannungsmaximum 3 aus dem bruchkritischen Randbereich der Bohrung 2 in einen Bereich unterhalb der mikrodefekt- freien Trägeroberseite verlagert. Da die statische und dynamische Festigkeit des Glases im Bereich der glatten Oberfläche wesentlich besser ist als im Bereich der mikrorissbehafteten Bohrung, ist der Berstdruck der hier dargestellten Sensoranordnung 10 vergleichsweise hoch.
Zur Messung höherer Drücke werden üblicherweise Sensorelemente mit relativ kleiner Sensormembran und relativ großer Membrandicke verwendet. Deshalb ist die Sensormembran dieser Sensorelemente häufig deutlich kleiner als die
Durchgangsöffnung im Träger. Diese kann nämlich nicht beliebig verkleinert werden, da zu enge Durchgangsöffnungen leicht verstopfen, so dass die Sensorfunktion gestört ist.
Fig. 2 zeigt eine Sensoranordnung 20 mit einer besonders kleinen Sensormembran 22, die mittels eines rückseitigen Trenchprozesses und einer im Silizium des Sensorelements 21 vergrabenen Stoppschicht 27 hergestellt wurde. Die Stoppschicht 27 kann beispielsweise aus einer Oxidschicht bestehen, die ganzflächig oder auch strukturiert in einen Siliziumwafer eingebracht wurde. Nach dem Frei- legen der Membran 22 kann die Stoppschicht 27 optional entfernt werden, beispielsweise durch einen nasschemischen Ätzprozess oder einen Trockenätzpro- zess, auch möglich ist ein HF-Dampf- oder Gasphasenätzschritt. In die Membran 22 wurden Piezowiderstände 26 zur Signalerfassung integriert, und seitlich von der Membran 22 sind Teile einer Auswerteschaltung 28 angeordnet.
Wie im Falle der Sensoranordnung 10 wurde auch das Sensorelement 21 auf einen polierten Glasträger 1 mit einer Durchgangsbohrung 2 gebondet, so dass die Bohrung 2 in die Kaverne 23 unter der Sensormembran 22 mündet. Erfindungsgemäß ist in der Rückseite des Sensorelements 21 eine ringförmige Vertiefung 25 ausgebildet, die konzentrisch und hier mit Abstand zur rückseitigen Öffnung
24 der Kaverne 23 über dem Randbereich der Durchgangsöffnung 2 angeordnet ist, so dass die Verbindungsfläche zwischen Sensorelement 21 und Träger 1 nicht an den Rand der Durchgangsöffnung 2 heranreicht und das Spannungsmaximum 3 in einem Bereich unterhalb der glatten Trägeroberseite liegt. Die Breite der Vertiefung 25 wurde entsprechend den Herstell- und Justagetoleranzen bei der Verbindung von Siliziumchip 21 und Glasträger 1 gewählt.
In Fig. 3 ist eine Sensoranordnung 30 mit einer ringförmigen Membran 32 dargestellt, die auch als Bossmembran bezeichnet wird. Derartige Ringmembranen weisen eine vergleichsweise geringe Empfindlichkeit und einen relativ hohen Membranberstdruck auf und eignen sich daher besonders für die Erfassung hoher Drücke. In den äußeren Randbereich der Ringmembran 32 sind auch hier Piezowiderstände 36 zur Erfassung der Membranauslenkung integriert. Seitlich von der Membranstruktur sind Teile einer Auswerteschaltung 38 angeordnet. An dieser Stelle sei angemerkt, dass auch im versteiften Mittelbereich 321 der Membranstruktur Schaltungsteile angeordnet werden können, um die für das
Sensorelement erforderliche Chipfläche zu reduzieren. Auch die Ringmembran 32 wurde mittels eines rückseitigen Trenchprozesses und einer im Silizium des Sensorelements 31 vergrabenen Stoppschicht 37 freigelegt. Dabei wurde unterhalb der Ringmembran 32 eine ringförmige Kaverne 33 mit einer ringförmigen rückseitigen Öffnung 34 erzeugt. Außerdem wurde in der
Rückseite des Sensorelements 31 eine ringförmige Vertiefung 35 ausgebildet, die konzentrisch und hier mit Abstand zur rückseitigen Öffnung 34 der Kaverne 33 angeordnet ist. Mit dem Trenchprozess sind neben runden ringförmigen Strukturen auch rechteckige oder quadratische möglich
Wie in den Fällen der Sensoranordnungen 10 und 20 wurde auch das Sensorelement 31 auf einen polierten Glasträger 1 mit einer Durchgangsbohrung 2 ge- bondet, so dass die Bohrung 2 in die ringförmige Kaverne 33 unter der Ringmembran 32 mündet. Die ringförmige Vertiefung 35 wurde dabei über dem Randbereich der Durchgangsöffnung 2 positioniert, so dass die Verbindungsfläche zwischen Sensorelement 31 und Träger 1 nicht an den Rand der Durchgangsöffnung 2 heranreicht und das Spannungsmaximum 3 in einem Bereich unterhalb der glatten Trägeroberseite liegt. Die ringförmige Vertiefung 35 in der Rückseite des Sensorelements 31 wurde hier in einem zweistufigen Trenchschritt erzeugt, um eine Nut 39 im äußeren
Randbereich der ringförmigen Vertiefung 35 auszubilden. Diese Nut 39 bzw. die angrenzende elastische Lippe 391 in der Chiprückseite trägt zusätzlich zur Stressreduzierung im Glasträger 1 bei, was die Berstfestigkeit der Sensoranordnung 30 insgesamt erhöht.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten für die Herstellung eines Sensorelements, wie es in Verbindung mit den Figuren 1 , 2 und 3 beschrieben worden ist. Nachfolgend werden zwei besonders vorteilhafte Verfahrensvarianten, nämlich ein Einmaskenprozess anhand der Figuren 4a bis 4d und ein Zweimaskenprozess anhand der Figuren 5a bis 5d, beschrieben.
In beiden Fällen werden zunächst Schaltungselemente, wie z.B. Piezowiderstän- de 16 zur Signalerfassung und Schaltungsteile 18 zur Signalverarbeitung und Signalauswertung auf der Vorderseite eines Siliziumwafers 40 bzw. 50 erzeugt.
Im Fall des Einmaskenprozesses werden die Kaverne unter der Sensormembran und auch die erfindungsgemäße ringförmige Vertiefung mit Hilfe einer einzigen Maske erzeugt, die auf die Waferrückseite aufgebracht wird. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Lackmaske oder auch eine Oxidmaske handeln. Fig. 4a zeigt einen Ausschnitt aus einem Siliziumwafer 40, in dessen Oberseite Piezowi- derstände 16 und Schaltungsteile 18 von drei Sensorelementen integriert sind und dessen Rückseite mit einer entsprechenden Maskierschicht 41 versehen ist.
In einem ersten isotropen Ätzschritt, bei dem nicht nur in die Tiefe sondern auch in lateraler Richtung geätzt wird, wobei die Maske 41 unterätzt wird, werden brei- te Ausnehmungen 42 erzeugt. Das Ergebnis dieses Ätzschritts ist in Fig. 4b dargestellt.
Das Freilegen der Sensormembranen 12 erfolgt in einem zweiten Ätzschritt durch Trenchen. Bei dem Trenchprozess handelt es sich um eine Abfolge von i- sotropem Plasmaätzen mit SF6 im Wechsel mit einer Seitenwandpassivierung, so dass der Materialabtrag im wesentlichen nur in der Tiefe und nicht in lateraler Richtung erfolgt. Der Trenchprozess beginnt hier mit einem Passivierschritt, bei dem die Wandungen der breiten Ausnehmungen 42 passiviert werden. Durch den lonenbeschuss beim anschließenden Ätzschritt wird zunächst die Passivie- rung am Boden der Ausnehmungen 42 wieder entfernt und dann weiter in die
Tiefe geätzt. Die Passivierung an der Seitenwandung der Ausnehmung 42 bleibt dabei erhalten. Der Trenchprozess wird solange fortgesetzt, bis die gewünschte Membrandicke erreicht ist. Dazu kann der Trenchprozess beispielsweise zeitlich begrenzt werden, durch eine Insitu-Tiefenmessung oder auch durch eine Stoppschicht innerhalb des Wafers. Fig. 4c zeigt den Siliziumwafer 40 nach Abschluss des Trenchprozesses, bei dem die Kavernen 13 unter den Sensormembranen 12 entstanden sind. Die Ausnehmungen 42 bilden eine Erweiterung der rückseitigen Öffnungen 14 dieser Kavernen 13. Jeweils der Randbereich einer Ausnehmung 42 stellt eine erfindungsgemäße ringförmige Vertiefung in der Rückseite eines Sensorelements dar, die hier in die Kaverne 13 unter der Sensormembran 12 übergeht.
Anschließend wird die Maskierschicht 41 entfernt, bevor der Siliziumwafer 40 mit seiner strukturierten Rückseite auf einen polierten Glasträger 1 mit Durchgangsbohrungen 2 gebondet wird. Die Durchgangsbohrungen 2 sind so angeordnet, dass sie jeweils in eine Kaverne 13 unter einer Sensormembran 12 münden und die ringförmige Ausnehmungen 42 in der Waferrückseite jeweils über dem Randbereich einer Durchgangsbohrung 2 angeordnet sind. Erst nach dem Bondpro- zess werden die Sensorelemente 1 1 , beispielsweise durch Sägen, vereinzelt, wobei auch der Glasträger 1 durchtrennt wird. Fig. 4d zeigt die Sensoranordnun- gen 10 nach dem Vereinzelungsprozess und vor der Montage in einem Gehäuse.
Wie beim Einmaskenprozess kann auch beim Zweimaskenprozess eine Nut erzeugt werden. Bei zweistufiger Auslegung des ersten Ätzschritts des voranstehend beschriebenen Einmaskenprozess kann auch eine Nut im äußeren Rand- bereich der ringförmigen Vertiefung erzeugt werden.
Im Unterschied zu der voranstehend beschriebenen Verfahrensvariante wird beim Zweimaskenprozess zunächst eine erste Maske 51 in Form einer strukturierten Oxidschicht auf die Rückseite des Siliziumwafers 50 aufgebracht. Mit die- ser ersten Maske 51 , beispielsweise aus Oxid, werden Größe, Form und Position der erfindungsgemäßen ringförmigen Vertiefung in der Rückseite der Sensorelemente definiert. Auf die so maskierte Rückseite des Siliziumwafers 50 wird eine zweite Maske 52 aufgebracht, mit der die Größe, Form und Position der Kavernen und damit auch der Sensormembranen definiert wird. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Lackmaske handeln. Fig. 5a zeigt einen Siliziumwafer 50 mit einer dermaßen zweifach maskierten Rückseite. Die Öffnungen in der zwei- ten Maske 52 sind hier kleiner als die Öffnungen in der ersten Maske 51 und innerhalb des Bereichs dieser Öffnungen in der ersten Maske 51 angeordnet.
In einem ersten Trenchschritt werden nun über die Öffnungen in der zweiten Maske 52 Kavernen 13 in der Waferrückseite erzeugt, was in Fig. 5b dargestellt ist.
Nachdem die zweite Maske 52 entfernt worden ist, erfolgt ein zweiter Trenchschritt über die Öffnungen in der ersten Maske 51 , die einen größeren Öffnungsquerschnitt aufweisen als die Kavernen 13. Dementsprechend werden in diesem zweiten Trenchschritt nicht nur die Kavernen 13 weiter vertieft, um die Sensormembranen 12 freizulegen. Außerdem werden auch die rückseitigen Öffnungen 14 der Kavernen 13 oberflächlich erweitert, was durch Fig. 5c veranschaulicht wird. Diese Erweiterungen der rückseitigen Öffnungen 14 stellen je- weils eine ringförmig umlaufende Vertiefung 15 in der Waferrückseite dar, die in eine Kaverne 13 unter einer Sensormembran 12 übergeht.
Der Zweimaskenprozess ermöglicht auch die Herstellung einer umlaufenden Vertiefung 25 bzw. 35, die wie in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt mit Abstand zur rück- seitigen Öffnung 24 bzw. 34 angeordnet ist, so dass die Verbindungsfläche zwischen Sensorelement 21 bzw. 31 und Träger 1 nicht an den Rand der Durchgangsöffnung 2 heranreicht. Hierzu wird die Maske 51 derart strukturiert, dass ein Ring außerhalb der rückseitigen Öffnung 24 bzw. 34 und innerhalb der Rille 25 bzw. 35 stehen bleibt.
Wie beim Einmaskenprozess wird der Siliziumwafer 50 mit seiner strukturierten Rückseite auf einen polierten Glasträger 1 mit Durchgangsbohrungen 2 gebon- det, nachdem auch die erste Maskierschicht 51 entfernt worden ist. Die Durchgangsbohrungen 2 sind auch hier so angeordnet und dimensioniert, dass sie je- weils in eine Kaverne 13 unter einer Sensormembran 12 münden und die ringförmige Erweiterung 15 der rückseitigen Öffnungen 14 jeweils über dem Randbereich einer Durchgangsbohrung 2 angeordnet ist. Erst danach werden die Sensorelemente 1 1 , beispielsweise durch Sägen, vereinzelt, wobei auch der Glasträger 1 durchtrennt wird. Fig. 5d zeigt die resultierenden Sensoranordnungen 10 vor der Montage in einem Gehäuse. Eine Nut im äußeren Randbereich der ringförmigen Vertiefung in der Chiprückseite kann hier einfach durch Modifikation des zweiten Trenchschritts erzeugt werden. Außerdem können mit Hilfe des voranstehend beschriebenen Zweimaskenprozesses bei entsprechender Auslegung der ersten Maskierschicht auch Sensorelemente erzeugt werden, bei denen die ringförmige Vertiefung in der
Chiprückseite von der rückseitigen Öffnung der Kaverne beabstandet ist.
Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Struktur des Sensorelements der beanspruchten Sensoranordnung alternativ auch in ei- nem isotropen oder anisotropen nasschemischen Prozess erzeugt werden kann.
Zudem beschränkt sich die Erfindung nicht auf Sensoranordnungen mit piezore- sistivem Wandlerprinzip sondern umfasst beispielsweise auch Sensoranordnungen mit einer kapazitiven, induktiven oder piezoelektrischen Signalerfassung.

Claims

Ansprüche
1 . Sensoranordnung (10) zum Erfassen von hohen Drücken mit einem mikromechanischen Sensorelement (1 1 ), das auf einem Träger (1 ) angeordnet ist und über diesen Träger (1 ) montiert wird, - wobei in der Oberseite des Sensorelements (1 1 ) eine Membran
(12) ausgebildet ist, die eine Kaverne (13) mit einer rückseitigen Öffnung (14) überspannt, und wobei der Träger (1 ) eine Durchgangsöffnung (2) aufweist und so mit der Rückseite des Sensorelements (1 1 ) verbunden ist, dass die Durchgangsöffnung (2) in die rückseitige Öffnung (14) der Kaverne (13) mündet; d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in der Rückseite des Sensorelements (1 1 ) eine ringförmige Vertiefung (15) ausgebildet ist, die über dem Randbereich der Durchgangsöffnung (2) angeordnet ist, so dass die Verbin- dungsfläche zwischen Sensorelement (1 1 ) und Träger (1 ) nicht an den Rand der Durchgangsöffnung (2) heranreicht.
2. Sensoranordnung (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der Membran (12) kleiner ist als die Querschnittsfläche der Durch- gangsöffnung (2).
3. Sensoranordnung (30) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (32) ringförmig als Bossmembran ausgebildet ist.
4. Sensoranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Vertiefung (15) in der Rückseite des Sensorelements (1 1 ) in die Kaverne (13) übergeht.
5. Sensoranordnung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Vertiefung (25) in der Rückseite des Sensor- elements (21 ) mit Abstand zur rückseitigen Öffnung (24) der Kaverne (23) ausgebildet ist.
6. Sensoranordnung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn- zeichnet, dass im äußeren Randbereich der ringförmigen Vertiefung (35) eine Nut (39) ausgebildet ist.
7. Sensoranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (11 ) ausgehend von einem Halbleitersub- strat, insbesondere einem Siliziumsubstrat (40), gefertigt ist, dass es sich bei dem Träger (1 ) um einen Glasträger handelt und dass die Rückseite des Sensorelements (1 1 ) gegen den Glasträger (1 ) gebondet ist.
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