DE102004006197A1

DE102004006197A1 - Mikromechanischer Drucksensor

Info

Publication number: DE102004006197A1
Application number: DE102004006197A
Authority: DE
Inventors: Joerg Muchow; Hubert Benzel; Roland Guenschel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-07-04
Filing date: 2004-02-09
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2024-02-10
Also published as: ITMI20041331A1; DE102004006197B4

Abstract

Die Erfindung beschreibt einen mikromechanischen Drucksensor, der aus wenigstens einem ersten Bauelement und einem zweiten an das erste Bauelement angrenzenden Bauelement besteht. Dabei ist vorgesehen, dass das erste Bauelement wenigstens eine Membran und eine Kaverne umfasst. Weiterhin ist vorgesehen, dass die Kaverne derart ausgestaltet ist, dass das zu messende Medium durch die Kaverne Zugang zur Membran erhält. Darüber hinaus ist im zweiten Bauelement eine Öffnung vorgesehen, die das zu messende Medium zur Kaverne führt. Der Kern der Erfindung besteht nun darin, dass wenigstens ein Teil der Kaverne eine übergangslose Verlängerung der Öffnung im zweiten Bauelement darstellt.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Druckssensor bzw. einem Verfahren zur Herstellung eines Druckssensors, bei dem eine Druckdifferenz in Abhängigkeit von der Verformung einer Membran gemessen wird.

Aus der DE 197 01 055 A1 und der DE 199 57 556 A1 sind mikromechanische Halbleiter-Druckssensoren bekannt, die einen Rahmen aus einem Halbleitersubstrat und eine auf dem Rahmen angeordnete Membran aufweisen. Auf der Membran sind dabei verschiedene piezoresistive Messwiderstände angebracht, die bei einer Deformation der Membran bzw. der Widerstände (infolge einer Druckdifferenz zwischen Oberseite und Unterseite der Membran) ihren Widerstandswert ändern. Der Rahmen und die Membran werden dabei aus einem Siliziumssubstrat durch Maskierung und nachfolgender Ätzung der Rückseite ausgebildet. Vorzugsweise wird dabei eine Kaliumhydroxid-Ätze (KOH-Ätze) zur Herstellung einer sich in Richtung auf die Unterseite der Membran verjüngenden pyramidenstumpfförmigen Aussparung mit trapezförmigem Querschnitt verwendet.

In der DE 41 30 044 C2 ist ein Halbleiterdrucksensor beschrieben, der auf einer Basis aus einem Borsilikat-Glas ein Siliziumsubstrat mit einer Membran enthält. Die Membran wird dabei unter Verwendung einer KOH-Wasserlösung oder dergleichen aus dem Siliziumssubstrat anisotrop geätzt, wobei eine Vertiefung mit typischen Winkelmaßen entsteht. Die Basis weist demgegenüber ein zentrales Druckaufbringungsloch auf, über das die Membran mit der Außenseite kommunizieren kann.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung beschreibt einen mikromechanischen Druckssensor, der aus wenigstens einem ersten Bauelement und einem zweiten an das erste Bauelemente angrenzenden Bauelement besteht. Dabei ist vorgesehen dass das erste Bauelement wenigstens eine Membran und eine Kaverne umfasst. Weiterhin ist vorgesehen dass die Kaverne derart ausgestaltet ist, dass das zu messende Medium durch die Kaverne Zugang zur Membran erhält. Darüber hinaus ist im zweiten Bauelement eine Öffnung vorgesehen, die das zu messende Medium zur Kaverne führt. Der Kern der Erfindung besteht nun darin, dass wenigstens ein Teil der Kaverne eine übergangslose Verlängerung der Öffnung im zweiten Bauelement darstellt.

Erfindungsgemäß besteht die Kaverne im ersten Bauelement aus einem Hohlraum, der sich wenigstens in zwei Teile aufteilen lässt. Dabei stellt eine zweite Kaverne den Zugang zur Membran und die erste Kaverne einen Übergang von der Öffnung im zweiten Bauelement zur zweiten Kaverne dar. Vorteilhafterweise ist dabei vorgesehen, dass die zweite Kaverne wenigstens einen Teil der ersten Kaverne darstellt. Darüber hinaus besitzt in einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung die zweite Kaverne einen kleineren Durchmesser als die erste Kaverne. Die hat den Vorteil, dass eine Verjüngung des Zugangs des zu messenden Mediums durch die Öffnung im zweiten Bauelement auf die Membran vollständig im ersten Bauelement stattfindet.

Vorteilhafterweise werden die Materialien, aus denen das erste und das zweite Bauelemente bestehen derart gewählt, dass sie harmonisch miteinander verbunden werden können. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass das erste Bauelement wenigstens teilweise aus Silizium und/oder das zweite Bauelement wenigstens teilweise aus Glas besteht. Weiterhin wird vorteilhafterweise die Membran und das erste Bauelement aus dem gleichen Material hergestellt. Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird auf der Seite des zweiten Bauelementes, die dem ersten Bauelement gegenüberliegt, wenigstens teilweise eine Schicht aufgebracht, um eine Aufrauung der Oberfläche auf dieser Seite durch den Herstellungsprozess zu verhindern. Bei dieser Schicht kann es sich beispielsweise um eine metallhaltige Schicht, um Fotolack oder anders geartete Schicht handeln, die dem gleichen Zweck dient. Vorzugsweise findet die Messung des Drucks über Piezoelemente auf der Membran statt. Dazu wird das Medium mit dem zu messenden Druck durch die Öffnung im zweiten Bauelement geführt. Erfindungsgemäß sind die Dimensionen der ersten Kaverne und der Öffnung im zweiten Bauelement so aufeinander abgestimmt, dass der Übergang von der Öffnung zu der ersten Kaverne einen stetigen Verlauf zeigt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Öffnung und die erste Kaverne im wesentlichen gleiche Durchmesser besitzen.

In einer besonderen Ausbildung der Erfindung umfasst der Herstellungsprozess des Drucksensors verschiedene Schritte, die unterschiedlich kombiniert werden können. Während ein Schritt die Herstellung einer Membran in einem ersten Bauelement, beispielsweise durch einen Trenchprozess umfasst, beinhaltet ein anderer Schritt das Verbinden des ersten Bauelements mit einem zweiten Bauelement. Dieses zweite Bauelement weist eine Öffnung auf, durch die ein weiterer Trenchprozess im ersten Bauelement durchgeführt werden kann. Optional kann auch das Verbinden des ersten und des zweiten Bauelements vor der Herstellung der Membran im ersten Bauelement erfolgen.

Vorteilhafterweise werden ein erster und ein zweiter Trenchprozess gleichzeitig ausgeführt. Alternativ hierzu kann es sich dabei auch um denselben Trenchprozess handeln, wobei die Membran und/oder die Kaverne im ersten Bauelement erst durch einen Trenchprozess durch die Öffnung im zweiten Bauelement erzeugt wird. Werden zwei Trenchprozesse durchgeführt, so ist in einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, die Trenchtiefe, d. h. die Tiefe bis zu der Material aus dem ersten Bauelement herausgelöst wird, des ersten und des zweiten Trenchprozesses aufeinander abzustimmen.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird im ersten Bauelement vor dem Verbinden mit dem zweiten Bauelement eine Kaverne erzeugt. Diese Kaverne kann beispielsweise durch einen ersten Trenchprozess hergestellt werden. Dabei werden vorteilhafterweise auf dem ersten Bauelement Markierungen angebracht, die eine Ausrichtung des zweiten Bauelements auf das erste Bauelement beim Verbinden erleichtern. Dies kann beispielsweise die Ausrichtung der Öffnung des zweiten Bauelements auf die Kaverne im ersten Bauelement ermöglichen. Eine gängige Methode, Markierungen anzubringen besteht dabei darin, Justagekavernen z.B. kreuzförmig zu gestalten.

Vorteilhafterweise werden zur Herstellung der Kavernen Trenchprozesse verwendet, die ein hohes Aspektverhältnis, d. h. Tiefen zu Breiten Verhältnis aufweisen. Durch derartige Trenchprozesse können definierte Vertiefungen mit steilen Seitenwänden in einem Substrat erzeugt werden.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird als zweites Bauelement ein Glaswafer aus einem Glasmaterial verwendet, welches wenigstens eine Öffnung aufweist. Zur Herstellung der wenigstens einen Öffnung im Glaswafer sind verschiedene Herstellungsschritte vorgesehen. Vorteilhafterweise wird dabei die zunächst die Glasoberfläche des Glaswafers geschliffen, poliert oder geläppt. In einem weiteren Verfahrensschritt werden eine oder mehrere Öffnungen in den Glaswafer gebohrt. Dies kann beispielsweise durch eine Ulltraschallbohrung, einer Laserbohrung oder einer Sandstrahlung erfolgen. Typischerweise werden bei derartigen Materialbehandlungen Masken eingesetzt, um eine gewünschte Positionierung der Öffnungen zu erreichen. Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich, wenn der so gebohrte Glaswafer einer thermischen Behandlung (Temperung) unterzogen wird. Durch diese thermische Behandlung erhöht sich vorteilhafterweise die Berstfestigkeit des Glaswafers. Anschließend erfolgt ein Feinschleifen, Polieren oder Läppen der Glasoberflächen. Das Läppen erzeugt dabei eine rauere Oberfläche als beispielsweise das Schleifen oder Polieren und ermöglicht so eine bessere Haftung einer optionalen Oberflächenbeschichtung.

In einer Ausbildung der Erfindung wird ein erstes Bauelement, welches vorzugsweise aus einem Halbleitermaterial besteht mit einem zweiten Bauelement verbunden, welches Öffnungen bzw. Bohrungen aufweist. Um den Justieraufwand zu reduzieren, der die Ausrichtung der Öffnungen auf schon bereits im ersten Bauelement vorhandene Kavernen zu verringen bzw. zu vermeiden, ist in dieser speziellen Ausführungsform vorgesehen, lediglich einen Trenchprozess nach der Verbindung der beiden Bauelement durch die Öffnung im zweiten Bauelement durchzuführen. Dabei wird vorteilhafterweise eine Kaverne bzw. eine Membran erzeugt, die für die Erfassung eines Drucks genutzt werden kann. Durch eine derartige Selbstjustage bei der Herstellung der Kaverne als Verlängerung der Öffnung kann ein Versatz der Kaverne im ersten Bauelement zu den Öffnungen im zweiten Bauelement vermieden werden. Weiterhin entstehen beim Übergang von dem einen Bauelement zu dem anderen Bauelement keine Stufen, wodurch die Überdruckfestigkeit an diesem Materialübergang erhöht wird.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.

Zeichnungen
Mit den nachfolgenden Zeichnungen soll der schematische Aufbau des Drucksensors bzw. das Herstellungsverfahren des Drucksensors dargestellt werden. Dabei ist in der 1 ein Drucksensor gemäß dem Stand der Technik und in der 2 ein Drucksensor mit dem nachfolgend beschriebenen Herstellungsverfahren dargestellt. 3 schließlich zeigt verschiedene Schritte, die während des Herstellungsverfahrens des Drucksensors durchgeführt werden.
Ausführungsbeispiel
Ein in 1 dargestellter Sensoraufbau stellt den Stand der Technik dar. Dabei ist ein Sensorchip 1 auf einer Glaszwischenschicht bzw. ein Glassockel 2 aus natriumhaltigem Glas anodisch gebondet. Der Glassockel 2 ist auf der Rückseite metallisiert und auf einem Metallsockel 4 (bspw. einen TO8-Sockel) mit Lot 3 befestigt. Der Sensorchip 1 aus dem Stand der Technik kann dabei aus einer reinen Widerstandsbrücke mit piezoresistiven Widerständen 6 oder kombiniert mit einer Auswerteschaltung 7 bestehen, die zusammen mit den Piezowiderständen 6 in einem Halbleiterprozesse integriert werden. Die piezoresistiven Widerstände 6 und/oder die Auswerteschaltung 7 werden über eine entsprechende Kontaktierung 8 zu einem Anschluss 5 weitergeführt, der eine Weiterleitung der Messsignale zu Steuer- und Regeleinrichtungen ermöglicht.
Die Membran wird bei dem in 1 dargestellten Drucksensor nach dem Stand der Technik durch anisotropes Ätzen z. B. mit KOH oder TMAH hergestellt. Bei einer Anwendung des Drucksensors im Bereich hoher Drücke kann es bei dem geschilderten Sensoraufbau jedoch zu einer verkürzten Lebensdauer kommen, da diese Bauweise lediglich für niedrige bis mittlere Druckbereiche ausgelegt ist. Charakteristisch sind dabei beispielsweise kleine Übergangsradien zwischen Kavernenflanke und Membran. Diese Übergangsradien sind vor allem bei zeitgeätzten Membranen besonders klein. Durch diese kleinen Übergangsradien ergeben sich am Übergang hohe mechanische Spannungen, die die Berstfestigkeit herabsetzen. Weiterhin ergibt sich durch das anisotrope Ätzen eine typische Kaverne 9 mit flachen Kavernenwände, die Steigungen von 54° aufweisen. Diese flachen Kavernenwände bieten dem angelegten Druck eine sehr große Angriffsfläche, auf die das unter Druck stehende Medium Kraft auf den Siliziumchip 1 auswirken kann. Gleichzeitig wird, wie in 1 dargestellt, bei dem Ätzprozess mit den flachen Kavernenwänden im Siliziumchip 1 auch die Bondfläche (Verbindungsfläche Silizium – Glas) kleiner, wodurch die Flächenbelastung noch erhöht wird. Beide Punkte (große Fläche der Kavernenwände und kleine Bondfläche) führen zu einer geringeren Berstfestigkeit. Die bei diesem Übergang Silizium – Glas entstandene Stufe (Bereich 13 in 1) führt bei Druckbelastungen zu hohen mechanische Spannungen im Glas, welches ebenfalls die Berstfestigkeit vermindert. Zur Vermeidung von weiteren negativen Einflüssen werden für den Glassockel 2 meistens Gläser verwendet, die einen an das Silizium angepassten Temperaturkoeffizienten zeigen. Somit kann erreicht werden, dass eine geringere Langzeitdrift, eine geringere Temperaturabhängigkeit bzw. Temperaturhysterese im Sensorausgangssignal erzeugt wird.
Üblicherweise werden die Kavernen vor dem anodischen Bonden hergestellt (siehe in 1 den Stand der Technik). Die Öffnungen im Glassockel 2, durch das das Medium mit dem zu messenden Druck auf die Membran geleitet wird, werden dabei durch einen Justagevorgang möglichst gut mit dem Sensorchip 1 zur Deckung gebracht. Bei anisotrop geätzten Membranen sind die Kavernen bzw. Öffnungen im Silizium grundsätzlich sehr groß. Werden die Membranen jedoch getrencht, so können auch kleine Kavernen bzw. Öffnungen im Silizium hergestellt werden, die so groß wie Durchgangsöffnungen im Glassockel sein können. Bei der Justage der Öffnungen im Glassockel auf die Sensorchips kommt es dabei im Rahmen der Justagetoleranzen von einigen Mikrometern zwangsläufig dazu, das Stufen im Übergang Silizium – Glas entstehen, egal wie die Membranen hergestellt werden. Solche Stufen (Bereich 13) sind jedoch kritisch, da an der Übergangsstelle hohe mechanische Spannungen entstehen, wenn der Sensor durch das Anlegen des Druckes belastet wird. An der Übergangsstelle treten Tangentialkräfte auf, die an der Innenseite der Druckzuführung maximal werden (siehe dazu 1 – Bereich 13). Da die Bruchfestigkeit von Glas geringer ist als die von Silizium, können im Glas Risse entstehen, die bei einem bestimmten Druck zum Bruch des Glases und damit des gesamten Sensors führen können. Dieser Berstdruck kann jedoch stark vergrößert werden, wenn diese Stufen vermieden werden.
Eine weitere Möglichkeit, die Berstfestigkeit des Glases bzw. des Glaswafers mit den Öffnungen zu erhöhen besteht darin, den Glaswafer nach der Bohrung der Öffnungen mit einem speziellen Temperschritt zu behandeln. Zur Herstellung eines Glaswafers mit einem oder mehreren Öffnungen wird zunächst die Glasoberfläche eines Glaswafers geschliffen bzw. geläppt. Anschließend können durch verschiedene Verfahren die Öffnungen bzw. Durchgangslöcher in den Glaswafer gebohrt werden. Typischerweise werden dabei Verfahren wie das Ulltraschallbohren, das Laserschneiden bzw. -bohren oder das Sandstrahlen eingesetzt. Um die Öffnungen entsprechend auf dem Glaswafer zu positionieren, werden bei dem Bohrvorgang Maskierungen beispielsweise durch eine „Schattenmaske" verwendet. Im Glasmaterial des Glaswafers können sich kleinere (Mikro-) oder größere (Makro-) Risse ausgebildet haben, beispielsweise bereits bei der Herstellung des Glaswafers oder durch die vorgenommene Bohrung. Da diese Risse maßgeblich die Berstfestigkeit des Glaswafers beeinflussen, ist in einem speziellen Ausführungsbeispiel vorgesehen, nach der Bohrung der Öffnungen (Durchgangslöcher) den Glaswafer einer thermischen Behandlung (Temperung) auszusetzen. Wird bei einer derartigen Temperung eine Temperatur erreicht, die in der Nähe der Transformationstemperatur (i.d.R. zw. 500 °C und 800 °C je nach Glassorte) des verwendeten Glasmaterials liegt, so verschmelzen kleinere Risse derart, dass eine rissfreie, glattere Oberfläche entsteht. Größere Risse bzw. Kratzer oder Kerben in der Oberfläche werden abgerundet. Insgesamt kann mit dieser thermischen Behandlung eine größere mechanische Belastbarkeit bzw. Berstfestigkeit des Glases erreicht werden. Abschließend erfolgt ein Feinschleifen/Läppen bzw. Polieren der Glasoberflächen auf die Zieldicke des Glaswafers. Das Polieren auf der Unterseite ist optional. Soll die Rückseite metallisiert werden, ist eine raue Oberfläche vorzuziehen, die besser durch Läppen erzeugt werden kann. Durch die damit erreichte Oberflächenvergrößerung haftet die Rückseitenmetallisierung besser.
Eine weitere Möglichkeit, den Berstdruck zu erhöhen besteht in der Reduzierung des Durchmessers der Glasbohrung. Dies hat jedoch ebenfalls Auswirkungen auf die Sensormembran, weswegen eine Verkleinerung der Glasöffnung nur bis zu gewissen Grenzen erfolgen kann. So muss ein Mindestdurchmesser der Glasöffnung eingehalten werden, damit die Bohrung nicht durch Partikel im zu messenden Medium verstopft wird.
Ein Sensor, der für hohe Drücke angepasst ist, sollte allgemein folgende Eigenschaften aufweisen:

– kleine Übergangsradien Kavernenflanke – Membran
– senkrechte Kavernenwände
– selbstjustierender Übergang im Siliziumglas

Diese Eigenschaften werden erfindungsgemäß durch einen im folgenden Ausführungsbeispiel und in 2 dargestellten Drucksensor erfüllt. Die großen Übergangsradien werden dabei durch ein anderes Membran-Herstellverfahren erreicht. Ein mögliches Membran-Herstellverfahren, mit dem entsprechend große Übergangsradien erzeugt werden können, ist das sogenannte Trenchen (z. B. ASE-Prozess), mit dem ein hohes Aspektverhältnis (Verhältnis der Tiefe zu Breite der erzeugten Kaverne) erreicht werden kann. Durch das Trenchen werden quasi senkrechte Kavernenwände und damit kleine Druckangriffsflächen erzeugt, wodurch eine hohe Berstdruckfestigkeit erreicht wird. Nach dem erfindungsgemäßen Herstellverfahren, wie es in 3a bis d dargestellt wird, kann die Kaverne im Silizium exakt auf die Glasöffnung ausgerichtet und eine Stufenbildung somit vermieden werden.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Drucksensors werden, wie in 3a dargestellt, Kavernen mit einem Durchmesser d (200) in einem ersten Trenchätzschritt in die Rückseite eines den Sensorchip bildenden Materials 100 aus bspw. Silizium hergestellt. Der Trenchätzschritt erzeugt dabei bspw. mittels einer Maske aus vorzugsweise Fotolack oder einer strukturierten Hardmaske (z.B. Siliziumoxid) eine dünne Membran in dem Siliziummaterial 100. Optional können vor dem ersten Trenchätzschritt auf der Siliziumvorderseite durch geeignete Herstellungsprozesse Piezowiderstände 6 und/oder Teile der Halbleiterschaltung 7 zur Auswertung der Sensorsignale aufgebracht werden.
Da beim vorliegenden Herstellungsverfahren zu einem späteren Zeitpunkt ein zweiter Trenchätzschritt erfolgt, muss die Trenchtiefe des zweiten Trenchätzschritts vorgehalten werden, um später die gewünschte Membrandicke zu erhalten.
Wie in 3b dargestellt ist, erfolgt im nächsten Schritt das anodische Bonden einer mit Löchern ausgestatteten Glassplatte 110 auf den vorgetrenchten Silizium-Wafer 100, wobei die Löcher in der Glasplatte 110 auf Justagemarken im Silizium 100 justiert werden und einen Durchmesser von D (250) aufweisen. Die Justagemarken im Silizium 100 können dabei beim ersten Trenchätzschritt zusammen mit den Kavernen eingebracht werden. Besonders ist dabei zu bemerken, dass die Löcher der Glassplatte 110 einen größeren Durchmesser (D>d) als die Öffnungen der im ersten Trenchätzschritt erzeugten Kavernen aufweisen, um im zweiten Trenchätzschritt eine Stufenbildung zwischen der Glasplatte 110 und dem Silizium-Wafer 100 zu verhindern.
Optional kann die gelochte Glasplatte 110 vor oder nach dem anodischen Bonden auf der Rückseite (der Silizium abgewandte Seite) metallisiert werden (Schicht 120 in den 3b bis 3d). Das hat beim Trenchen den Vorteil, dass die Glasoberfläche nicht angeätzt und damit nicht rau werden kann. Falls der Sensorchip in ein Gehäuse gelötet wird, muss ohnehin metallisiert werden, vorzugsweise mit CrNiVAg oder CrNiVAu (statt Chrom kann auch Titan verwendet werden). Die Metallisierung bedeutet dabei keinen zusätzlich erforderlichen Herstellungsschritt, sondern stellt lediglich eine Vorverlegung eines notwendigen Prozessschritts dar. Um eine Kontamination der Trenchanlage mit z. B. Gold und Silber (oberste Schicht) zu vermeiden, kann die Metallisierung vor oder nach dem anodischen Bonden nur teilweise erfolgen, zum Beispiel kann mit Chrom metallisiert werden und erst nach dem zweiten Trenchätzschritt die restliche Metallisierung mit z. B. NiVAu aufgebracht werden. Alternativ kann die Glasrückseite auch z.B. mit Fotolack zum Schutz von Anätzungen beschichtet werden. Nach dem Trenchen muss der Lack jedoch wieder entfernt werden.
Zur Erzeugung eines glatten Übergangs Glasbohrung – Trenchöffnung wird ein zweiter Trenchätzschritt durchgeführt. Wie in 3c dargestellt, wird die gebondete Glasplatte 110 dabei beim zweiten Trenchätzschritt als Maske verwendet. Der Übergang der verschiedenen Durchmesser der Öffnungen in der Glasplatte 110 und der im ersten Trenchätzschritt erzeugten Kavernen im Silizium-Wafer 100 wird dabei ins Silizium verlagert.
Der zweiter Trenchätzschritt wird vorzugsweise mit einem ASE-Prozess durchgeführt. Die natriumhaltigem Glasplatte 110 mit darin befindlichen Durchgangsöffnungen wird hier als Trenchmaske benutzt, da sie ähnlich wie SiO₂ oder bestimmte Fotolacke eine hohe Selektivität beim Siliziumätzen besitzt. Ist der Durchmesser der Glaslöcher D (250) größer als der Durchmesser d (200) der Kaverne beim ersten Trenchätzprozess im Silizium, so wird der Glasdurchmesser D (250) in das Silizium übertragen, sodass ein stufenfreier Übergang vom Silizium zum Glas entsteht. Dieser stufenlose Übergang ist deutlich in der 3c bzw. in der 2 im Bereich 12 zu erkennen. Ein in der Praxis unvermeidlicher Versatz der Öffnungen im Glas und der im Silizium befindlichen Kavernen beim Aufbringen von Öffnungen ähnlicher Dimensionen wird somit verhindert. Durch diese Verlagerung befindet sich die Stufe im Silizium, welches eine höhere Festigkeit als Glas besitzt und somit eine höhere mechanische Spannung aufnehmen kann. Mit dieser Verlagerung der Stufe und der beim Trenchen entstehenden größeren Rundungsradien der Stufe können höhere Berstdrücke erreicht werden. Da die Glasplatte 110 als Maske verwendet wird und nicht abgelöst werden muss, ergibt sich eine Selbstjustage beim zweiten Trenchätzschritt. Da bei diesem zweiten Trenchätzschritt das Silizium sowohl in der Verlängerung der Glasöffnung als auch in der Membran geätzt wird, muss die Trenchtiefe mit dem ersten Trenchätzschritt abgestimmt werden. Günstigerweise wird im ersten Trenchätzschritt zur Erzeugung der Membran eine Kaverne 10 erzeugt, bei der die Trenchtiefe des zweiten Trenchätzschritts vorgehalten wird. Während des zweiten Trenchätzschritts wird dann eine weitere Kaverne 11 im Silizium-Wafer 100 erzeugt, die teilweise die Kaverne 10 vergrößert und die Membran ausdünnt.
Das Vereinzeln der Sensoren beispielsweise durch Auseinandersägen der hergestellten Glas-Silizium Verbindungen ist in 3d angedeutet. Diese einzelnen Druckssensoren können anschließend mit Standardprozessen in entsprechende Gehäuse montiert werden. Die Befestigung des Drucksensors an der Halterung und die Kontaktierung an die Auswerteschaltungen entsprechen dabei denen eines auf konventionelle Art hergestellten Drucksensors (1). Eine gängige Methode dabei ist, den Chip auf Glas zu kleben oder auf eine entsprechende Sensorhalterung zu löten.
Mit dem in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Verfahren kann somit ein Druckssensor hergestellt werden, wie er beispielsweise in 2 dargestellt ist. Die wesentlichen Änderungen im Vergleich zu einem Drucksensor nach dem Stand der Technik, wie er in 1 dargestellt ist, bestehen darin, dass am Übergang vom Sensorchip 14 zum Glas Element 2 kein Versatzes bzw. keine Stufe auftritt. Deutlich ist das im Bereich 12 der 2 im Vergleich zum Bereich 13 der 1 zu erkennen. Weiterhin ist im Vergleich der beiden Figuren zu erkennen, dass der Sensorchip 14 dem Medium, welches hinsichtlich des Drucks vermessen werden soll, eine geringere Fläche entgegenbringt. Durch diese kleinere Fläche wirkt auf den Sensorchip 14 eine geringere Kraft im Vergleich zu einem Sensorchip 1, welche in Verbindung mit der höheren Bondfläche zwischen Sensorchip 14 und Glassockel 2 zu einer höheren Berstfestigkeit führt.
Durch das einfache Herstellungsverfahren des Drucksensors kann eine beliebige Membrangeometrie gewählt werden. Neben runden Membranen sind somit durch einfache Maskierungen auch eckige oder ovale Membranen nutzbar.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird in einem ersten Herstellungsschritt des Drucksensors der mit gebohrten Öffnungen versehene Glaswafer 110, wie in 4a gezeigt, auf einen Halbleiterwafer 101 aufgebracht, wobei die beiden Wafer vorzugsweise anodisch gebondet werden. Günstigerweise wird dabei ein Siliziumwafer verwendet, da dabei die weitere Bearbeitung durch mikromechanische Prozesse besonders einfach gestaltet werden kann. Werden vor dem Trenchprozess durch die im Glaswafer 110 befindlichen Öffnungen auf der Oberseite des Wafers 101 Piezowiderstände bzw. Schaltungselemente aufgebracht, so sind die Öffnungen auf die entsprechenden Positionen der Piezowiderständen bzw. Schaltungselemente abzustimmen. Mittels eines Trenchprozesses (ASE-Prozess) wird im Wafer 101, wie in 4b gezeigt, eine Membran erzeugt. Die z.B. natriumhaltige Glasplatte 110 mit den darin befindlichen Durchgangsöffnungen wirkt dabei als Maske, da sie, ähnlich wie SiO₂ oder bestimmte Fotolacke, eine hohe Selektivität beim Siliziumätzen besitzt. Da die Glasplatte 110 als Maske verwendet wird, nicht auf vorhandene Öffnungen (Kavernen) im Silizium, sondern nur auf die Struktur (Piezowiderstände) auf der Vorderseite justiert und auch nicht wieder abgelöst werden muss, spricht man hier auch von Selbstjustage. Durch diese Vorgehensweise wird zusätzlich ein aufwendiger Strukturierungsprozess (z.B. Abscheiden von Siliziumoxid oder -nitrid, aufbringen einer Fotolackschicht, belichten, entwickeln, ätzen Oxid oder Nitrid, entfernen der Fotolackschicht) vermieden und spart somit Kosten.
Anschließend kann, wie in 4c gezeigt wird, der Drucksensor vereinzelt und in ein Gehäuse montiert werden. Dabei erfolgt die Montage durch Standardprozesse wie beispielsweise durch ein Kleben des vereinzelten Chips 190 auf Glas oder einer Metallisierung der Rückseite mit anschließendem löten.
Optional zu dem bereits beschriebenem Vorgehen kann die gelochte Glasplatte 110 auch vor oder nach dem Anodischen Bonden auf der Rückseite, d.h. der Silizium abgewandten Seite, mit einer Metallschicht 120 metallisiert werden. Dieses Vorgehen hat beim Trenchen den Vorteil, dass die Glasoberfläche nicht angeätzt wird und somit rau werden kann. Falls der Sensorchip 190 in ein Gehäuse gelötet wird, kann der dann notwendige Metallisierungsschritt gespart werden. Die Metallisierung erfolgt dabei vorzugsweise mit CrNiVAg oder CrNiVAu, wobei statt Cr auch Ti verwendet werden kann. Die Metallisierung stellt dabei keinen zusätzlichen Schritt dar, sondern wird nur vorverlegt.
Durch einen in 4a-c dargestellten Herstellungsprozess können Membransensoren in einem ersten Bauelement 101 hergestellt werden, deren Kavernen auf die Größe der Durchgangsöffnungen im zweiten Bauelement 110 abgestimmt sind. Eine Justage der beiden Bauelemente mit der damit verbundenen Justagetoleranz bei einer Vorfertigung der Kaverne im ersten Bauelement 101 ist somit nicht mehr nötig. Stufen im Übergang können somit vermieden werden. Um eine Kontamination der Trenchanlage mit z. B. Gold und Silber (oberste Schicht) zu vermeiden, kann die Metallisierung vor oder nach dem anodischen Bonden nur teilweise erfolgen, zum Beispiel kann mit Chrom metallisiert werden und erst nach dem zweiten Trenchätzschritt die restliche Metallisierung mit z. B. NiVAu aufgebracht werden. Alternativ kann die Glasrückseite auch z.B. mit Fotolack zum Schutz von Anätzungen beschichtet werden. Nach dem Trenchen muss der Lack jedoch wieder entfernt werden.

Claims

Mikromechanischer Drucksensor mit wenigstens – einem ersten Bauelement (14, 100) und – einem an das erste Bauelement (14, 100) angrenzenden zweiten Bauelement (2, 110), wobei vorgesehen ist, dass – das erste Bauelement (14, 100) wenigstens – eine Membran und – eine Kaverne (10, 11) aufweist und – die Kaverne (10, 11) einen Zugang des zu messenden Mediums zur Membran ermöglicht und – das zweite Bauelement (2, 110) eine Öffnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaverne (10, 11) eine Verlängerung der Öffnung darstellt.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaverne (10, 11) im ersten Bauelement (14, 100) eine erste Kaverne (11) und wenigstens eine zweite Kaverne (10) aufweist, wobei – die zweite Kaverne (10) an die Membran angrenzt und – die erste Kaverne (11) einen Übergang von der Öffnung im zweiten Bauelement (2, 110) zu der zweiten Kaverne (10) darstellt, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass – die zweite Kaverne (10) einen kleineren Durchmesser (200) als die erste Kaverne (11) aufweist und/oder – die zweite Kaverne (10) wenigstens einen Teil der ersten Kaverne (11) darstellt.
Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – das erste Bauelement (14, 100) mit dem zweiten Bauelement (2, 110) anodisch verbunden ist und/oder – das erste Bauelement (14, 100) wenigstens teilweise Silizium aufweist und/oder – die Membran im ersten Bauelement (14, 100) aus dem gleichen Material wie das erste Bauelement (14, 100) besteht, und/oder – das zweite Bauelement (2, 110) wenigstens teilweise eine Metallisierung auf der dem ersten Bauelement (14, 100) gegenüberliegenden Seite aufweist, und/oder – das zweite Bauelement (2, 110) Glas, insbesondere Pyrex, Duran oder Tempax, aufweist und/oder – eine Druckmessung des Drucksensors durch Piezoelemente (6) auf der Membran erfolgt und/oder – das Medium mit dem zu messenden Druck durch die Öffnung im zweiten Bauelement (2, 110) geführt wird und/oder – die Dimensionen der ersten Kaverne und der Öffnung derart aufeinander abgestimmt sind, dass – der Übergang von der Wand der Öffnung zu der Wand der ersten Kaverne einen stetigen Verlauf aufweist und/oder – die Öffnung und die erste Kaverne im wesentlichen gleiche Durchmesser aufweisen.
Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors, insbesondere zur Herstellung eines Drucksensors nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zur Herstellung ein erstes Bauelement (14, 100, 101) mit einem, wenigstens eine Öffnung bzw. Bohrung aufweisenden zweiten Bauelement (2, 110) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Öffnung bzw. Bohrung im zweiten Bauelement (2, 110) ein Trenchprozess im ersten Bauelement (14, 100, 101) durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors nach Anspruch 4, wobei die Herstellung die Schritte – Herstellung einer Membran in einem ersten Bauelement (14, 100, 101) durch einen ersten Trenchprozess und – Verbinden des ersten Bauelements (14, 100, 101) mit einem, wenigstens eine Öffnung aufweisendem zweiten Bauelement (2, 110) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Trenchprozess im ersten Bauelement (14, 100, 101) durch die Bohrung des zweiten Bauelements (2, 110) durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass – der erste und der zweite Trenchprozess gleichzeitig ausgeführt werden oder – die Trenchtiefe des ersten und zweiten Trenchprozesses aufeinander abgestimmt werden, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass – die Trenchtiefe des zweiten Trenchprozesses der Trenchtiefe des ersten Trenchprozesses oder – die Trenchtiefe der Tiefe der Kaverne (10, 11) entspricht.
Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Trenchprozess im ersten Bauelement (14, 100) vor dem Verbinden mit dem zweiten Bauelement (2, 110) wenigstens eine Kaverne (10, 11) erzeugt, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass durch den ersten Trenchprozess Markierungen im ersten Bauelement (14, 100) angebracht werden, die eine Ausrichtung des zweiten Bauelements (2, 110) auf das erste Bauelement (14, 100) ermöglicht, wobei insbesondere vorgesehen ist, die Öffnung im zweiten Bauelement (2, 110) auf die Kaverne auszurichten.
Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass – durch den ersten Trenchprozess im ersten Bauelement (14, 100) eine zweite Kaverne (10) erzeugt wird und – durch den zweiten Trenchprozess im ersten Bauelement (14, 100) eine erste Kaverne (11) erzeugt wird, wobei vorgesehen ist, dass – die zweite Kaverne (11) an die Membran angrenzt und – die erste Kaverne (10) einen Übergang von der Öffnung im zweiten Bauelement (2, 110) zu der zweiten Kaverne (11) darstellt, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass – die zweite Kaverne (11) einen kleineren Durchmesser (200) als die erste Kaverne (10) aufweist und/oder – die zweite Kaverne (11) wenigstens einen Teil der ersten Kaverne (10) darstellt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass – das erste Bauelement (14, 100) mit dem zweiten Bauelement (2, 110) anodisch verbunden wird und/oder – das erste Bauelement (14, 100) wenigstens teilweise Silizium aufweist und/oder – die Membran im ersten Bauelement (14, 100) aus dem gleichen Material wie das erste Bauelement (14, 100) besteht, und/oder – auf der dem ersten Bauelement (14, 100) gegenüberliegenden Seite des zweiten Bauelement (2, 110) wenigstens teilweise eine metallisierende Schicht (120) aufgebracht wird, und/oder – das zweite Bauelement (2, 110) Glas, insbesondere Pyrex, Duran oder Tempax, aufweist und/oder – eine Druckmessung des Drucksensors durch Piezoelemente (6) auf der Membran erfolgt und/oder – das Medium mit dem zu messenden Druck durch die Öffnung im zweiten Bauelement (2, 110) geführt wird und/oder – die Dimensionen der ersten Kaverne (11) und der Öffnung derart aufeinander abgestimmt werden, dass – der Übergang von der Wand der Öffnung zu der Wand der ersten Kaverne (11) einen stetigen Verlauf aufweist und/oder – die Bohrung und die erste Kaverne (11) im wesentlichen gleiche Durchmesser aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Trenchprozess ein insbesondere mikromechanischer Prozess mit einem hohen Aspektverhältnis verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als zweites Bauelement (2, 110) ein Glaswafer aus einem Glasmaterial verwendet wird, wobei die Herstellung der wenigstens einen Öffnung im Glaswafers wenigstens die Schritte – Schleifen, polieren oder läppen der Glasoberfläche, und – Bohren von einer oder mehrere Öffnungen im Glaswafer, insbesondere durch eine Ultraschallbohrung, Laserbohrung, Sandstrahlung mittels einer Maske oder durch Prägen von Öffnungen durch einen Stempel, und – Thermische Behandlung des Glaswafers, und – Feinschleifen, polieren oder läppen der Glasoberfläche, bis die gewünschte Dicke des Glaswafers erreicht ist, aufweist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Temperatur, die bei der thermischen Behandlung des Glaswafers verwendet wird, in der Nähe der Transformationstemperatur des Glasmaterials liegt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch den einen Trenchprozess eine Kaverne und/oder eine Membran im ersten Bauelement (101) erzeugt wird.