DE69729753T2

DE69729753T2 - 5 Mikrometer tiefer spitzer Kanalhohlraum durch oxidierendes Fusion Bonding von Silizium Substraten und Stop Ätzung

Info

Publication number: DE69729753T2
Application number: DE69729753T
Authority: DE
Inventors: I. Nadim MALUF; R. John LOGAN; Gertjan Van Sprakelaar
Original assignee: Lucas Novasensor Inc
Current assignee: Panametrics LLC
Priority date: 1996-10-07
Filing date: 1997-10-06
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2017-10-07
Also published as: DE69729753D1; AU4801297A; WO1998015807A1; EP1012552A1; US6629465B1; EP1012552B1; US6038928A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Mikrobearbeitete Drucksensoren werden heutzutage in viele Erzeugnisse integriert, in welchen es unpraktisch war, größere herkömmliche Drucksensoren zu integrieren. Mikrobearbeitete Drucksensoren werden in so unterschiedliche Geräte wie medizinische Instrumente, Laborgeräte, Industrieanlagen und Kraftfahrzeugschaltungen integriert. Kleinere, präzisere Drucksensoren werden für neue Gerätegenerationen in den Gebieten Medizin, Analyse und Industrie benötigt, doch müssen die Kosten dieser Drucksensoren niedrig bleiben, um Instrumente und Geräte zu vernünftigen Preisen zu liefern.
Mikrobearbeitete Drucksensoren, welche Absolutdruck messen, sind etwas leichter herzustellen als mikrobearbeitete Drucksensoren, welche Überdruck oder einen Druckunterschied messen. Ein typischer mikrobearbeiteter Absolutdrucksensor wird durch Bilden eines Hohlraums in einer ersten Siliziumscheibe und dann Anbringen einer zweiten Siliziumscheibe an der ersten Scheibe und Verdünnen der zweiten Scheibe über dem Hohlraum hergestellt, wodurch eine Membran über einer abgedichteten Kammer gebildet wird. Der Absolutdrucksensor misst den Druck durch Erfassen, wie stark der auf die Vorderseite der Membran wirkende Druck die Membran in die abgedichtete Kammer biegt. Da Standardherstellungsverfahren eine sehr reine Umgebung vorsehen, wenn die zweite Scheibe an der den Hohlraum enthaltenden Scheibe angebracht wird, dringt im Wesentlichen kein Schmutz bzw. keine Verunreinigungen, welche das Durchbiegen der Membran beeinträchtigen können, in die Kammer ein. Weiterhin können die Kammer und die Membran mit recht präzisen Maßen hergestellt werden, da die Kammer gegenüber der weiteren Bearbeitung, welche die Maße des Hohlraums und/oder der Membran verändern könnte, abgedichtet und isoliert ist.
Mikrobearbeitete Drucksensoren, welche einen Überdruck oder Druckunterschied messen, sind schwieriger herstellen als mikrobearbeitete Absolutdrucksensoren. Der Hohlraum in der ersten Siliziumscheibe muss während der Bearbeitung offen bleiben oder muss an einem Punkt während der Bearbeitung geöffnet werden, um den Kanal zur Rückseite der Membran vorzusehen, welcher erforderlich ist, damit der Überdruck oder Druckunterschied gemessen werden kann. Schmutz oder Verunreinigungen aus den Bearbeitungsschritten können in den Hohlraum eindringen und im Hohlraum verbleiben, was die Membran beim Biegen beeinträchtigt und bewirkt, dass der Drucksensor falsche Anzeigewerte des vom Drucksensor gemessenen Drucks liefert.
Da der Hohlraum gegenüber einer weiteren Bearbeitung offen liegt, sind zudem der Hohlraum und die Rückseite der Membran weiteren Bearbeitungsschritten ausgesetzt, welche etwas von den Materialien wegätzen können, aus welchen der Hohlraum und die Membran konstruiert sind. Wenn die Membrandicke verringert wird, biegt sich die Membran unter einem bestimmten Druck stärker als eine Membran mit der erwarteten Dicke. Die dünnere Membran liefert demzufolge einen Drucksensor mit einer weniger genauen Druckanzeige als erwartet. Die dünnere Membran kann auch während Gebrauch leichter reißen, was zu Problemen mit der Zuverlässigkeit führt. Weiterhin kann die Form der Membran während der folgenden Bearbeitung geändert werden, und wenn Teile des die Membran tragenden Hohlraums entfernt werden, kann die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Drucksensors nachteilig beeinflusst werden. Die Form des die Membran tragenden Hohlraums bestimmt die Form (Länge und Breite) der Membran, und wenn die Form der Membran des Drucksensors von seiner erwarteten Form abweicht, liefert der Drucksensor einen ungenaueren Druckanzeigewert. Wenn zuviel von den Tragwänden des Hohlraums entfernt wird, kann die Membran zu groß sein, um den ihr auferlegten Kräften zu widerstehen, und die Membran geht kaputt.
Es ist wünschenswert, dass ein Drucksensor eine rechteckige Querschnittform aufweist, wie sie in 1(a) gezeigt wird, um die Gesamtmaße des Sensors zu minimieren. Die Mindestgröße und die geometrischen Maße werden durch die Mindestlänge l_d und die Breite der Membran 101 (für einen bestimmten Druck) und die Mindestlänge l_f und die Breite des Rahmens 102, welcher für das Anbringen des Sensors 100 an einer geeigneten Baugruppe erforderlich ist, bestimmt.
Eine Art von mikrobearbeitetem Überdrucksensor wird mit Hilfe von anisotropen Rückflächenätzverfahren zum Ätzen einer einzelnen Scheibe und Freilegen einer über einem Siliziumrahmen getragenen dünnen Siliziumscheibe hergestellt, wie dies in 1(b) gezeigt wird. Die Scheibe wird dann von der Rückseite geätzt, um eine dünne Membran auszubilden, auf welcher die Piezowiderstände mit Hilfe typischer Mittel wie Implantation und Diffusionen gebildet werden.
In Wirklichkeit ist aber bekannt, dass die Form des rückseitig geätzten Aufbaus durch die kristallographischen Ebenen des Siliziums beschränkt ist. Wenn (100) Siliziumscheiben verwendet werden, wie dies oft der Fall ist, nimmt der Hohlraum die Form eines Trapezes an, welches sich von der Außenfläche des Substrats zur Membran hin verjüngt, wie in 1(b) gezeigt wird. Dadurch wird die Chipfläche über die erwünschten geometrischen Mindestmaße (1(a)) hinaus um einen Betrag proportional zur Dicke d der Scheibe, welcher durch die Formel 0,708*d wiedergegeben wird, erheblich vergrößert. Häufig verwendete Scheiben der Größen 4 Zoll (101,60 mm) und 6 Zoll (152,40 mm) sind zum Beispiel typischerweise 500–700 μm dick, was u einer unnötigen Zunahme der Chipfläche von 700 bis 1.000 μm führt.
Alternative Herstellverfahren haben gezeigt, dass die nachteilige Wirkung der Neigung der kristallographischen Ebenen auf die Gesamtchipfläche bei Absolutdrucksensoren verringert oder eliminiert werden kann. Die Siliziumfusionsbindung, bei welcher zwei Siliziumscheiben miteinander verbunden werden können, so dass sie ein Bauelement bilden, wird verwendet, um eine obere Scheibe 201, welcher später zum Bilden der Membran verdünnt wird, über einem zuvor geätzten Hohlraum 202 in einer unteren Scheibe 203 zu verbinden. Die Einzelheiten der Siliziumfusionsbindung sind in der Literatur veröffentlicht. Wie in 2 gezeigt wird, wird ein Hohlraum 202 in die Vorderseite der unteren Scheibe 203 geätzt und eine Membran wird durch Fusionsbinden einer Scheibe 201 über dem Hohlraum und Verdünnen der oberen Scheibe zum Ausbilden einer Membran hergestellt. Die Hohlraumwände sind jetzt nach innen geneigt, wobei sie konisch aufeinander zu laufen, je weiter die Wände von der Membran entfernt sind. Der abgedichtete Hohlraum bildet ein festes und gesteuertes Druckumfeld für den Absolutdrucksensor 200.
Es gibt Probleme mit der Ausdehnung des obigen Verfahrens auf die Herstellung von Überdrucksensoren 300 durch Durchätzenlassen des vorderseitigen Hohlraums durch die gesamte Scheibe, wodurch ein Druckeinlass 301 an der Rückseite gebildet wird, wie in 3 gezeigt wird, bevor die obere Scheibe aufgebracht und die Membran gebildet wird. Zwar ist der Vorschlag theoretisch möglich, doch ist er aufgrund der Probleme, die sich aufgrund des Festsetzens von winzigen Partikeln in dem Hohlraum während der Bearbeitung ergeben, unpraktisch. Die Partikel beeinträchtigen das ordnungsgemäße Funktionieren der Membran, was zu einer fehlerhaften Anzeige des Drucks führt. Zur Vermeidung dieses Problems wird es nötig, den rückseitigen Druckeinlass nach Fertigstellung der gesamten vorderseitigen Bearbeitung zu bilden, so dass in dem Hohlraum Sauberkeit garantiert wird. Das Problem bei diesem letzten Ätzschritt liegt darin, die Unversehrtheit der dünnen Membran und der Hohlraumwände, welche die dünne Membran tragen, sicherzustellen. Sobald der rückseitige Druckeinlass vollständig geätzt ist, sollte das Ätzen mit anderen Worten sofort gestoppt werden und die dünne Membran bzw. die Kammerwände, die jetzt der Ätzchemie ausgesetzt sind, sollten nicht geätzt werden.
Eine Möglichkeit zur Durchführung des abschließenden Ätzens bei gleichzeitiger Gewährleistung der Unversehrtheit der Membran und Hohlraumwände ist das Schleifen der unteren Scheibe, bis der Hohlraum freiliegt, wie von Petersen et al. in dem Artikel „Silicon Fusion Bonding for Pressure Sensors", Proceedings of IEEE Solid-State Sensor and Acuator Workshop, (Hilton Head, NC), 1988, S. 144 offenbart wird. Dieses Verfahren gibt einen in 3 dargestellten Drucksensor an die Hand. Andere haben eine Oxidschicht über dem Hohlraum aufgebracht oder thermisch gezüchtet, um diesen und die Membran während dieses rückseitigen Ätzens zu schützen. Siehe z. B. U.S. Pat. Nr. 5,295,395 und GB-A-2,293,920. Die in diesen Patenten offenbarten Drucksensoren können unter anderen Problemen leiden. Bei Durchführen des Ätzens unter Bedingungen, welche einen flachen Hohlraum in der ersten Scheibe erzeugen, wie in U.S. Pat. Nr. 5,295,395 und GB-A-2,293,920 gezeigt, bleibt die dünne Membran während der Bearbeitung oft an dem unteren Boden des Hohlraums kleben. Diese Haftreibung verringert die Anzahl funktionsfähiger Sensoren, die aus einer Scheibe erzeugt werden, was die Herstellungskosten funktionsfähiger Sensoren erhöht. Das Entfernen der in der Kammer des Drucksensors des Patents ,395 aufgebrachten dicken Oxidschicht führt auch dazu, dass ein Teil des Siliziums der Kammer und/oder der Membran entfernt werden, da es verhältnismäßig lange dauert, das gesamte dicke Oxid in der Kammer zu entfernen. Ätzreste können auch in dem Hohlraum zurückbleiben und die Bewegung der Membran beeinträchtigen, wenn die an dem Hohlraum der ersten Kammer vor dem Fusionsbinden ausgebildete Oxidschicht mit Hilfe reaktiver Ione geätzt wird.
In GB-A-2,293,920 wird auf einer ersten Silizium-Grundsubstanz vor dem Bonden eine Oxidschicht ausgebildet (Seite 12, Zeilen 24–27).
Da Drucksensoren mit kleineren Maßen hergestellt werden, wird es viel schwieriger, Überdrucksensoren sauber und präzise mit geringer Abweichung der Membran- und Hohlraummaße herzustellen. Geringfügige Bearbeitungsabweichungen, die bei größeren Drucksensoren hingenommen werden können, senken die Produktionsrate annehmbar genauer und präziser Miniatur-Überdrucksensoren. Kleine Abweichungen der Membrandicke oder -länge bzw. -form führen zu großen Abweichungen des von dem Drucksensor angezeigten Drucks. Daher ist ein neues Verfahren für die Herstellung eines Überdrucksensors nötig, um die vorgenannten Probleme zu lösen.
ZUSAMMENFASSENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung gibt ein Verfahren zum Herstellen eines Miniatur-Überdrucksensors und einer Grundsubstanz, aus welcher der Drucksensor hergestellt wird, an die Hand.
Nach einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Struktur an die Hand gegeben, welches zum Ausbilden eines Drucksensors brauchbar ist, wobei das Verfahren umfasst:

a) Ätzen einer ersten Silizium-Grundsubstanz, um einen Hohlraum zu bilden, wobei der Hohlraum Wände besitzt und der Hohlraum eine Öffnung an mindestens einer Oberfläche der ersten Silizium-Grundsubstanz aufweist;
b) Formen einer zusammengesetzten Struktur durch Fusionsbindung der ersten Silizium-Grundsubstanz an eine zweite Silizium-Grundsubstanz, so dass ein Teil der zweiten Silizium-Grundsubstanz die Öffnung des Hohlraums der ersten Silizium-Grundsubstanz bedeckt, und Ausführen der Fusionsbindung in einer mit Sauerstoff angereicherten Umgebung, wodurch ein dünner schützender Oxidfilm an den Wänden des Hohlraums und am Teil der zweiten Silizium-Grundsubstanz gebildet wird;
c) Ätzen der zusammengesetzten Struktur, um einen Kanal in der zusammengesetzten Struktur zu bilden, wobei der Kanal sich zu einer Oberfläche der zusammengesetzten Struktur öffnet und wobei der Kanal als eine Wand den schützenden Oxidfilm aufweist; und
d) Ätzen des schützenden Oxidfilms, der die Wand des Kanals bildet, um eine Passage durch die zusammengesetzte Struktur und in den Hohlraum innerhalb der ersten Silizium-Grundsubstanz bereit zu stellen.

Die Maße der Kammer und der Membran ändern sich während der Bearbeitung wenig. Bauelemente wie Piezoresistoren oder kapazitative Komponenten werden auf der Membran der Grundsubstanz hergestellt, um einen Drucksensor an die Hand zu geben.
Nach einer zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird auch eine Struktur vorgesehen, welche bei der Ausbildung eines Überdrucksensors oder Differenzialdrucksensors nützlich ist, wobei die Struktur durch das Verfahren der ersten erfindungsgemäßen Ausgestaltung hergestellt wird und ein Bodenteil umfasst, das Wände aufweist, die einen Hohlraum ausbilden, und ein Membranteil, das über dem Hohlraum positioniert ist, um eine Kammer zu bilden, die den Hohlraum einschließt, und wobei das Bodenteil Silizium umfasst; das Membranteil Silizium umfasst; die Struktur eine Passage von einer Oberfläche der Struktur in die Kammer aufweist; die Wände des Hohlraums einen Winkel mit der Membran von nicht mehr als 90 Grad bilden; und die Kammer eine Tiefe von mehr als 5 Mikron aufweist.
Die Erfindung beruht unter anderem auf der technischen Erkenntnis, dass ein Verfahren zur Herstellung eines Überdrucksensors, wie es oben beschrieben wird, Überdrucksensoren erzeugt, welche eine hohe Steifigkeit und hohe Maßtreue aufweisen. Dieses Verfahren erfordert weniger Bearbeitungsschritte, um eine Haftreibung zu vermeiden, als andere Verfahren und das Verfahren bietet einen kostengünstigen Weg zur Herstellung von Miniatur-Überdrucksensoren, welche Überdruck präzis erfassen. Diese und weitere technischen Erkenntnisse und Vorteile gehen aus dieser Beschreibung hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1(a) ist ein vereinfachtes Querschnittdiagramm eines idealen Drucksensors mit einem Tragrahmen, dessen Seitenwände vertikal sind;
1(b) ist ein vereinfachtes Querschnittdiagramm eines wie üblich hergestellten Drucksensors, bei dem die Seitenwände des Tragrahmens geneigt sind;
2 ist ein vereinfachtes Querschnittdiagramm eines Absolutdrucksensors mit einer fusionsgebundenen Siliziummembran;
3 ist ein vereinfachtes Querschnittdiagramm, welches die Bildung eines Überdrucksensors entweder durch Ätzen des Hohlraums von 2 durch die ganze Bodenscheibe hindurch oder durch Schleifen der Bodenscheibe zwecks Öffnen des Hohlraums von 2 veranschaulicht;
4 ist ein vereinfachter Verfahrensfluss, welcher die Bildung eines Überdrucksensors durch Ätzen eines Druckeinlasses von der Rückseite zeigt; und
5 ist eine vereinfachte Zeichnung des Drucksensors, welcher am Übergangspunkt zwischen dem Hohlraum und dem Kanal eine Lippe aufweist.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
Siliziumdrucksensoren wurden mit Hilfe von 400 oder 500 Mikron dicken Siliziumscheiben durch das in 4 gezeigte Verfahren hergestellt. Eine (100) N-Substratscheibe (Bodenscheibe) 401 wird zuerst auf beiden Seiten mit einer Schutzschicht wie zum Beispiel Siliziumnitrid beschichtet. Die Schutzschicht auf der Vorderseite der Scheibe wird strukturiert und ein Hohlraum 402 wird mit Hilfe eines anisotropen Ätzmittels wie zum Beispiel wässriges KOH geätzt. Diese anisotrope Ätzung bildet einen Hohlraum mit Wänden, welche im Allgemeinen von der Oberfläche der Scheibe zum Boden des Hohlraums zusammenlaufen, wie in 4(a) gezeigt wird. Die Tiefe des Hohlraums kann durch Ändern der Ätzzeit gesteuert werden.
Die Länge und Breite bzw. der Durchmesser des Hohlraums an der Oberfläche, welche die Membran tragen soll, werden anhand der gewünschten Länge und Breite der Membran gewählt. Wenn die Tiefe des Hohlraums kleiner als 2*tan(α)*d ist, wobei d die Scheibendicke ist und α der Winkel zwischen den Ebenen (100) und (111) des Siliziums (54,7°) ist, dann ist es wünschenswert, den Hohlraum zu ätzen, bis die Ätzung an den sich schneidenden Ebenen (111) stoppt. Der geätzte Hohlraum ist am tiefsten Punkt des Hohlraums vorzugsweise 5–500 Mikron tief, wenn er vor Ausbildung eines Kanals in z. B. den Boden des Hohlraums von der gegenüberliegenden Seite der Scheibe gemessen wird. Der geätzte Hohlraum ist bevorzugter mindestens etwa 200 Mikron tief. Das Nitrid wird anschließend entfernt.
Zwar kann eine isotrope Ätzung der Siliziumscheibe, wie zum Beispiel eine ionenreaktive Ätzung mit Hilfe von SF₆, Cl₂, CCl₄ oder anderen Ätzmitteln, verwendet werden, doch ist die Verwendung einer anisotropen Ätzung in z. B. wässrigem Kaliumhydroxid bei 100°C bevorzugt, welche Hohlraumwände bildet, die wie oben beschrieben im Allgemeinen zusammenlaufen, so dass der Boden des Hohlraums eine kleinere Fläche als der obere Teil des Hohlraums an der Oberfläche der Scheibe aufweist. Der Chip oder Drucksensor ist daher sehr klein und hat einen Platzbedarf von etwa 1 mm × 1 mm oder sogar 500 Mikron × 500 Mikron.
Zum Bilden der Membran 403 wird eine (110) N-Deck- bzw. Bauelementscheibe verwendet. Die Deckscheibe weist gewöhnlich eine auf einer Fläche aufgebrachte Siliziumepitaxialschicht auf, wenn die Membran eine Dicke von unter etwa 50 Mikron aufweisen soll. Die Dicke der Epi-Schicht beruht auf der gewünschten Dicke der Membran und wird durch Verfahren ermittelt, die in dem Gebiet gut bekannt sind. Die Dicke, Breite, Länge und die Konstruktionsmaterialien der Membran werden durch in dem Gebiet gut bekannte Verfahren ausgewählt, die auf dem Differentialdruckbereich beruhen, dem der Drucksensor ausgesetzt werden soll.
Die Deck- und Bodenscheiben werden behandelt, um die Oberflächen der mit einander zu verbindenden Scheiben hydrophil zu machen. Die Scheiben werden z. B. mit heißem Ätzwasser oder einer heißen Schwefelsäure und Wasserstoffperoxidlösung oder einem anderen starken Oxidans behandelt, welches Wasser an der Oberfläche der Scheiben haften lässt. Die Deck- und Bodenscheiben werden so zusammengesetzt, dass der Hohlraum in der Bodenscheibe durch die (eventuelle) Epi-Schicht der Deckscheibe abgedeckt wird, wodurch eine Kammer in den beiden Grundsubstanzen gebildet wird. Neben der Unterstützung während der Fusionsbindung trägt diese Oberflächenbehandlung dazu bei, die beiden Scheiben zusammenzuhalten, wenn sie in einen Ofen umgesetzt werden, in dem das Bonden stattfinden soll.
Die beiden Scheiben werden in einer oxydierenden Umgebung bei einer Temperatur von rund 950 bis 1.100°C etwa 10 bis 60 Minuten lang fusionsgebunden und wärmebehandelt, um die Bindung zwischen den Scheiben zu stärken. Während dieses Vorgangs bildet sich eine dünne Oxidschicht 404 auf den Siliziumwänden des Hohlraums in der Bodenscheibe und auf dem Teil der Deckscheibe, der dem Hohlraum zugewandt ist und eine obere Wand der Kammer bildet. Diese dünne Oxidschicht, typischerweise etwa 100 bis 500A dick, dient während der folgenden Bearbeitung als eine Ätzstoppschicht. Die oxydierende Umgebung umfasst für gewöhnlich Sauerstoffgas, welches allein verwendet oder mit einem Edelgas wie Stickstoff oder Argon gemischt werden kann. Die Konzentration des Sauerstoffs in dem Gasgemisch kann so gewählt werden, dass eine gewünschte Dicke des dünnen Oxids auf den Kammerwänden möglich wird. Siliziumfusionsbindung ist ein gut bekannter Prozess, welcher von Petersen et al. in dem Artikel „Silicon Fusion Bonding for Pressure Sensors," Proceedings of IEEE Solid-State Sensor and Actuator Workshop, (Hilton Head, NC), 1988, S. 144, eingehend beschrieben wurde. Vorzugsweise weist die dünne Oxidschicht eine Dicke von unter etwa 300 Å auf, so dass jeder der in einem späteren Bearbeitungsschritt freigelegte Teil der dünnen Schicht sich leicht entfernen lässt, ohne dass sich Rückstände bilden, die sich in der Kammer festsetzen und eine normale Biegung der Membran beeinträchtigen können, und ohne dass eine erhebliche Menge Silizium von der Membran und den Hohlraumwänden weggeätzt wird.
Die Deckscheibe wird mit Hilfe eines Schleif- und Poliervorgangs, der üblicherweise verwendet und handelsüblich ist, verdünnt, um die Membran 403 zu bilden. Alternativ kann die Deckscheibe durch Verwendung elektrochemischen Ätzens entweder mit einem Ätzstopp (ein gesperrter pn-Übergang) oder mit einem zeitgesteuerten Ätzen für Dickensteuerung verdünnt werden.
Eine dielektrische Schicht (z. B. Oxid, Nitrid) wird aufgebracht oder gezüchtet, gefolgt von dem Ausbilden der piezoresistiven p-Erfassungselemente mit Hilfe von Ionenimplantierung, Aufbringen einer oberen Isolierschicht, Kontaktöffnen durch die Isolierschicht und Aufbringen und Strukturieren des Metalls (z. B. Al) für elektrische Kontakte. Anstelle des Ausbildens der piezoresistiven Erfassungselemente können auch kapazitative Erfassungselemente durch auf dem Gebiet bekannte Verfahren gebildet werden. In den US Patenten Nr. 4,904,978 und 5,614,678, deren Offenbarungen durch Erwähnung hierin zum Inhalt dieser Anmeldung werden, werden Möglichkeiten der Herstellung piezoresistiver Erfassungselemente eingehender erläutert. Die nicht gebondete Oberfläche der Deckscheibe kann während folgender Bearbeitungsschritte durch eines von mehreren Mitteln, wie z. B. Aufbringen einer Oxidschicht auf die Oberfläche, mechanische Spannvorrichtungen oder Aufwachsen von Glas- oder Siliziumdioxidplatten, welche verhindern, dass die Ätzlösung die nicht gebondete Fläche der Scheibe angreift, geschützt werden.
Die Schutzschicht auf der Rückseite der Substratscheibe ist jetzt für eine Siliziumätzung strukturiert, um einen Kanal 405 von der Oberfläche der Substratscheibe zur Kammer zu bilden. Die Ätzung wird in wässrigem Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) durchgeführt, wobei die Masseprozente von 5% bis 25% reichen. Das TMAH ätzt die Scheibe so, dass die Wände des gerade gebildeten Kanals im Allgemeinen in der Scheibe zusammenlaufen. Aufgrund der hohen Selektivität dieses Ätzmittels gegenüber Siliziumoxid (> 1000 bis 1) stoppt dieses Ätzmittel im Wesentlichen, sobald das die Wände des Hohlraums auskleidende dünne Oxid von der Rückseite 406 freiliegt. Dies verhindert, dass das Ätzmittel die Membran und/oder die Kammerwände angreift, wodurch deren Unversehrtheit gewahrt wird. Freiliegende Aluminiumteile auf der Vorderseite werden durch Auflösen von Silizium in der TMAH-Lösung geschützt, wie durch Schnakenburg et al. „TMAHW Etchants for Silicon Micromachining", Technical Digest of the International Conference on Solid State Sensors and Actuators, Trandsducers '91, San Francisco, CA, 1991, S. 815 offenbart wird. Teile der Vorderseite können offensichtlich durch andere Mittel geschützt werden, zum Beispiel Aufbringen einer Oxidschicht, die nach Beenden des Ätzens entfernt wird, oder wie oben beschrieben auf andere Weise. Weiterhin können auch andere Ätzverfahren mit hoher Selektivität gegenüber Oxid verwendet werden. Beispiele umfassen Ethylen-Diaminpyrocathecollösungsgemische (EDP) oder ionenreaktives Ätzen mit Hilfe von Chemikalien auf Fluorbasis. Alle obigen Verfahren sind handelsüblich.
Dieses Siliziumätzen kann unter Bedingungen durchgeführt werden, welche eine „Lippe" 501 an der Grenzfläche zwischen dem Kanal und dem Hohlraum erzeugen, wie in 5 gezeigt wird. Ein ausreichend große Fläche der Rückseite der Bodenscheibe bleibt ohne Maske, so dass das Ätzmittel einen Teil der dünnen Oxidschicht des Hohlraums während des Ätzens freilegt. Die freigelegte Spitze erscheint als eine kleine Pyramide, wenn der Hohlraum anisotrop geätzt wurde, wie vorstehend beschrieben ist. Wenn der Kanal mit Hilfe von z. B. TMAH anisotrop geätzt wird, wird das Ätzen vorzeitig gestoppt, bevor das Ätzmittel sein Ätzen entlang der (111) Ebenen zu der dünnen Oxidschicht beendet hat. Wenn der Kanal isotrop geätzt wird, wird der Kanal breit genug und tief genug geätzt, um einen Teil der Siliziumwand des Hohlraums zu entfernen und einen Teil der dünnen Oxidschicht freizulegen. Die Lippe verhindert, dass Klebstoff, welcher zum Ankleben des Drucksensors an einem Unterteil verwendet wird, die Wand des Kanals hinaufwandert bzw. -fließt und die Membran unbrauchbar macht.
Die freigesetzte dünne Oxidschicht 406 wird entfernt, um den Kanal so mit der Kammer zu verbinden, dass der Druck von einem Fluid in dem Kanal auch auf eine Seite der Membran des Drucksensors wirkt, wie in 4(d) gezeigt wird. Das freigelegte Oxid 406 wird mit Hilfe von wässriger Fluorwasserstoffsäure (gepuffert oder ungepuffert), gasförmigem HF, einem Plasmaoxidätzen mit Hilfe von CHF₃/CF₄ oder anderen Ätzmitteln, die bekanntermaßen Oxid bevorzugt entfernen, entfernt. Da die Oxidschicht dünn ist, ist wenig Ätzen zum Entfernen des Oxids erforderlich und die Membran und die Kammer bleiben im Wesentlichen intakt, bei wenig oder gar keiner Änderung ihrer Maße. Ein Nassätzen wird bevorzugt verwendet, wenn im Wesentlichen die gesamte schützende Oxidschicht aus dem Inneren der Kammer entfernt werden soll.
Ein Überdrucksensor 400, der durch das gerade beschriebene Verfahren hergestellt wurde, kann sehr klein sein (1 mm × 1 mm oder sogar nur 500 Mikron × 500 Mikron). Die Membran des Drucksensors ist auch vor allen Kräften an der Grenzfläche zwischen dem Boden des Sensors und dem Material, auf welchem der Sensor angebracht ist, isoliert, da die Bodenscheibe, in welcher der Hohlraum ausgebildet ist, die Membran vor Spannungen an der Grenzfläche Sensor/Bindung isoliert und da die Bodenscheibe aus dem gleichen Material wie die die Membran tragende Scheibe gefertigt ist. Da die Membran von den Spannungen an der Grenzfläche Sensor/Bindung isoliert ist, reagiert der Drucksensor im Wesentlichen nur auf die Drücke der Fluide, die der Sensor messen soll, was die Genauigkeit des Drucksensors verbessert.
Die Membran kann von Spannungen einer Grenzfläche Sensor/Bindung durch Fusionsbindung einer dritten Siliziumscheibe an einem Drucksensor in einer mit Sauerstoff angereicherten Umgebung und Ätzen eines Kanals in der dritten Scheibe, bis das Ätzen die dünne Oxidschicht auf der dritten Siliziumschicht erreicht, welche zwischen dieser Scheibe und dem Drucksensor, an dem die dritte Scheibe befestigt ist, ausgebildet ist, isoliert werden. Das Oxid wird dann geätzt, um den Kanal zur Kammer in dem Drucksensor zu öffnen, vorzugsweise mit Hilfe eines Nassätzmittels, um zu verhindern, dass kleine Klumpen oder Schuppen aus Oxid in den Hohlraum fallen. Weitere Scheiben können an dieser Struktur fusionsgebunden und geätzt werden, bis ein Sensor der gewünschten Höhe oder Dicke erhalten wird. Dieses Verfahren kann verwendet werden, um die Genauigkeit eines herkömmlichen Drucksensors (Überdrucksensor wie in 1 dargestellt oder Absolutdruckmesser) oder eines Überdrucksensors dieser Erfindung zu verbessern.
Wie vorstehend beschrieben weist der erfindungsgemäße Überdrucksensor vorzugsweise eine Lippe an der Grenzfläche zwischen dem Kanal und dem Hohlraum in der Bodenscheibe auf. Die Lippe verhindert, dass zum Ankleben eines Drucksensors an seiner Halterung verwendeter Klebstoff mit der Membran in Kontakt kommt und deren Biegefähigkeit ändert.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Struktur, die dazu verwendet werden kann, einen Drucksensor zu bilden, umfassend: a) Ätzen einer ersten Silizium-Grundsubstanz (401), um einen Hohlraum (402) zu bilden, wobei der Hohlraum Wände besitzt und der Hohlraum eine Öffnung an mindestens einer Oberfläche der ersten Silizium-Grundsubstanz aufweist; b) Formen einer zusammengesetzten Struktur durch Fusionsbindung der ersten Silizium-Grundsubstanz (401) an eine zweite Silizium-Grundsubstanz (403), so dass ein Teil der zweiten Silizium-Grundsubstanz (403) den Hohlraum (402) der ersten Silizium-Grundsubstanz (401) bedeckt und Ausführen der Fusionsbindung in einer mit Sauerstoff angereicherten Umgebung, durch Formen eines dünnen schützenden Oxidfilms (404) an den Wänden des Hohlraums (402) und dem Teil der zweiten Silizium-Grundsubstanz (403); c) Ätzen der zusammengesetzten Struktur, um einen Kanal (405) in der zusammengesetzten Struktur zu bilden, wobei der Kanal sich zu einer Oberfläche der zusammengesetzten Struktur öffnet und wobei der Kanal als eine Wand (406) den schützenden Oxidfilms (404) aufweist; und d) Ätzen des schützenden Oxidfilms (404), der die Wand (406) des Kanals (405) bildet, um eine Passage durch die zusammengesetzte Struktur und in den Hohlraum (402) innerhalb der ersten Silizium-Grundsubstanz (401) bereit zu stellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mit Sauerstoff angereicherte Umgebung im Wesentlichen aus Sauerstoff besteht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schritt des Ätzens der ersten Silizium-Grundsubstanz (401), um den Hohlraum (402) zu bilden, anisotropisches Ätzen der ersten Silizium-Grundsubstanz (401) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Kanal (405) durch Ätzen der ersten Silizium-Grundsubstanz (401) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, weiterhin umfassend eine Fusionsbindung einer dritten Silizium-Grundsubstanz an die erste Silizium-Grundsubstanz (401) in einer mit Sauerstoff angereicherten Umgebung und Ätzen der dritten Silizium-Grundsubstanz, um einen zweiten Kanal zu bilden, der an den ersten Kanal angrenzt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Ätzens der zusammengesetzten Struktur, um den Kanal (405) zu bilden, das anisotrope Ätzen der zusammengesetzten Struktur umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Ätzens der zusammengesetzten Struktur, um den Kanal (405) zu bilden, das Ätzen der zusammengesetzten Struktur mit einem Ätzmittel umfasst, das eine hohe Selektivität für das Ätzen von Silizium anstatt von Oxid aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Ätzmittel wässriges Tetramethyl-Ammoniumhydroxid umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Schritt des Ätzens der ersten Silizium-Grundsubstanz, um den Kanal (405) zu bilden, das anisotropische Ätzen der ersten Silizium-Grundsubstanz (401) umfasst, um den Hohlraum (402) unter Bedingungen zu bilden, die ausreichen um Hohlraumwände hervorzubringen, die in einer Richtung von der Oberfläche der Grundsubstanz, die geätzt wird, zum Inneren der Grundsubstanz zulaufen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Kanal (405) unter Verwendung eines anisotropischen Ätzmittels gebildet wird, das Kanalwände hervorbringt, die in einer Richtung von der Oberfläche der Grundsubstanz, die geätzt wird, zum Inneren der Grundsubstanz zulaufen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Ätzens des schützenden Oxidfilms (404) das Ätzen des schützenden Oxidfilms unter Verwendung eines feuchten Ätzmittels umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kanal unter Bedingungen geätzt wird, die ausreichen, einen Rand (501) zu bilden, in dem der Kanal (405) sich mit dem Hohlraum (402) verbindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Silizium-Grundsubstanz (403) eine Siliziumscheibe und eine epitaxiale Siliziumschicht umfasst, und wobei die epitaxiale Siliziumschicht der zweiten Silizium-Grundsubstanz (403) an die erste Silizium-Grundsubstanz (401) fusionsgebunden wird, um die zusammengesetzte Struktur zu bilden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend das Entfernen einer ausreichenden Menge des Teils der zweiten Silizium-Grundsubstanz (403), welche die Öffnung des Hohlraums (402) bedeckt, um eine Membran zu bilden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend das Entfernen einer ausreichenden Menge des Teils der zweiten Silizium-Grundsubstanz (403), welche die Öffnung des Hohlraums (402) bedeckt, um eine Membran zu bilden, durch Polieren der zweiten Silizium-Grundsubstanz.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, weiterhin umfassend das Entfernen des Teils der zweiten Silizium Grund-Substanz (403), welche die Öffnung des Hohlraums (402) bedeckt, um eine Membran zu bilden, durch isotropisches Ätzen der zweiten Silizium-Grundsubstanz.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ätzbedingungen so gewählt sind, dass die Wände des Hohlraums in eine Richtung von der Oberfläche der Scheibe zum Inneren der Scheibe zulaufen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlraum eine Tiefe von mehr als 5 Mikron aufweist.
Struktur, die dazu verwendet werden kann, einen Druckmesser-Sensor oder einen Differenzialdruck-Sensor zu bilden, wobei die Struktur durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17 hergestellt ist und ein Bodenteil (401) umfasst, das Wände aufweist, die einen Hohlraum (402) definieren, und ein Membranteil (403), das über dem Hohlraum (402) positioniert ist, um eine Kammer (402) zu bilden, die den Hohlraum einschließt und wobei das Bodenteil (401) Silizium umfasst; das Membranteil (403) Silizium umfasst; die Struktur eine Passage (405) von einer Oberfläche der Struktur in die Kammer (402) aufweist; die Wände des Hohlraums (402) einen Winkel mit der Membran (403) von nicht mehr als 90 Grad bilden; und die Kammer (402) eine Tiefe von mehr als 5 Mikron aufweist.
Struktur nach Anspruch 19, wobei die Struktur einen Rand (501) innerhalb der Passage (405) in die Kammer (402) aufweist.
Struktur nach Anspruch 19 oder 20, wobei das Bodenteil (401) aus einer ersten Siliziumscheibe gebildet wird und das Membranteil (403) aus einer zweiten Siliziumscheibe gebildet wird.
Struktur nach Anspruch 21, wobei das Bodenteil aus einer dritten Siliziumscheibe gebildet wird, die in einer mit Sauerstoff angereicherten Umgebung an die erste Siliziumscheibe fusionsgebunden wird.