DE3236848A1

DE3236848A1 - Kapazitiver druckgeber und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3236848A1
Application number: DE19823236848
Authority: DE
Inventors: Daniel Harrison 06033 Glastonbury Conn. Grantham; James Loyce 06424 East Hampton Conn. Swindal
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1981-10-13
Filing date: 1982-10-05
Publication date: 1983-04-21
Also published as: IE53531B1; CA1185453A; FR2514502B1; IT1153237B; US4415948A; GR76997B; DK441082A; JPS5873166A; GB2107472A; BR8205851A; GB2107472B; NL191545C; FR2514502A1; BE894631A; IE822452L; AU1162983A; LU84413A1; JPH0365486B2; NL8203936A; NL191545B

Description

United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Kapazitiver Druckgeber und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf mit einem Hohlraum versehene kapazitive Druckgeber, die aus zwei Siliciumteilen bestehen, welche mit aufgestäubtem Borsilicatglas durch thermisches Verbinden mit Feldunterstützung miteinander verbunden worden sind.

Ein im wesentlichen vollständig aus Silicium bestehender kapazitiver Druckgeber ist in der US-PS 3 634 727 beschrieben. Diese Vorrichtung besteht aus zwei Platten aus in der Mitte ausgehöhltem Silicium, die mit isolierendem Oxid überzogen und dann miteinander verbunden worden sind, entweder durch metallisierende Oxide und anschließendes Hartlöten oder einfach mittels Glas mit niedrigem Schmelzpunkt. Eine solche Vorrichtung hat einen Durchmesser in der Grössenordnung von 25,4 Millimetern und von Haus aus ein relativ hohes Verhältnis von unerwünschter statischer parasitärer

Kapazität zu variabler Kapazität in Abhängigkeit vom Druck.

Das Verfahren zum Miteinanderverbinden der beiden Siliciumplatten, das aus der vorgenannten US-Patentschrift bekannt ist, ist kompliziert und teuer. Darüberhinaus erfordert die Vorrichtung gemäß dieser US-Patentschrift das Verarbeiten von zwei Scheiben, um nur einen einzigen kapazitiven Druckgeber herzustellen. Die Verwendung von billigen Siliciumdruckgebern macht es erforderlich, diese in Massenproduktionstechnik herzustellen. Beispielsweise könnte das Verarbeiten von zwei größeren Scheiben zum Herstellen einer beträchtlichen Anzahl von kleineren Kondensatoren (in der Größenordnung von einem halben Zentimeter in der größten Abmessung) die Kosten beträchtlich reduzieren. Es muß jedoch ein vollständiger Verschluß zwischen den beiden Teilen jedes auf einer Scheibe gebildeten Druckgebers gewährleistet sein.

Ein besseres Verfahren zum Herstellen von Silicium-Silicium-Verschlüssen arbeitet mit .aufgestäubtem Borsilicatglas. Die verglasten Siliciumteile werden im Vakuum durch ein elektrisches Gleichfeld gegenseitig angezogen, und zwar bei einer Temperatur in der Größenordnung von 500⁰C. Das ist in dem NASA Tech Brief B74-10263, Januar 1975, "Low Temperature Electrostatic Silicon-To-Silicon Seals Using Sputtered Borosilicate Glass", beschrieben.

Der Vorteil der Verwendung von Silicium als Grundmaterial für mit einem Hohlraum versehene kapazitive Druckgeber besteht darin, daß sie den äußeren elektrischen Anschluß an innere Kondensatorbelagflächen gestattet, ohne daß komplexe mechanische Gebilde erforderlich sind. Die bekannte Mikroschaltungstechnologie zum Verarbeiten von Silicium gekoppelt mit der feldunterstützten Verbindungs-

technik gemäß dem NASA Tech Brief bietet die Möglichkeit einer Massenproduktion von extrem kleinen, empfindlichen kapazitiven Druckgebern auf äußerst reproduzierbare Weise. Wenn kapazitive Druckgeber in ihren größten Abmessungen in der Größenordnung von einem halben Zentimeter liegen, ist die Kapazität sehr klein, sofern sich nicht die beiden kapazitiven Beläge extrem nahe beieinander befinden. Die Nähe der beiden kapazitiven Beläge hat bislang die Verwendung der feldunterstützten Verbindungstechnik bei der Herstellung von extrem kleinen kapazitiven Druckgebern aus Silicium verhindert.

Die Erfindung befaßt sich mit Verbesserungen an extrem kleinen kapazitiven Druckgebern aus Silicium und mit. Verbesserungen der Verfahren zum Herstellen dieser Druckgeber in großem Produktionsmaßstab unter Anwendung der bekannten Mikroschaltungs- und Dünnfilmtechnologie.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß Oberflächendefekte in einem oder beiden Siliciumteilen, die durch feldunterstützte Verbindungstechnik miteinander verbunden werden, Feldkonzentrationen ergeben, die eine Lichtbogenbildung begünstigen, was zum Kurzschließen des Feldes und deshalb zu einem ungleichmäßigen Verbinden der beiden Siliciumteile mit der zwischen ihnen befindlichen Borsilicatschicht führt.

Gemäß der Erfindung werden kapazitive Druckgeber, die aus einem Hohlraum bestehen, der durch zwei Elemente aus dotiertem Silicium gebildet wird, die durch Borsilicatglas durch ein Verfahren des feldunterstützten Verbindens miteinander verbunden werden, mit einem Borsilicatglasüberzug über im wesentlichen der gesamten kapazitiven Belagoberfläche wenigstens eines der Siliciumteile versehen. In einer Ausgestaltung der Erfindung enthält ein Silicium-Borsilicatglas-Silicium-Druck-

geber Borsilicatglas in dem druckempfindlichen Hohlraum, um mehr Dielektrikum zwischen den Belägen oder Platten des Kondensators bereitzustellen. Weiter beinhaltet das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Siliciumdruckgebers unter Verwendung von zwei Siliciumteilen, die durch Borsilicatglas mittels einer feldunterstützten Verbindungstechnik miteinander verbunden werden, den Schritt, eines der Siliciumteile von dem anderen mit Borsilicatglas dielektrisch zu isolieren und dadurch das Kurzschließen des Feldes während des Verbindungsprozesses zu vermeiden.

Die Erfindung ermöglicht die Herstellung von kapazitiven Silicium-Silicium-Druckgebern, bei denen die sich ergebenden Kondensatorbeläge einen sehr engen Abstand haben, ohne daß Schwierigkeiten bei der Anwendung der feldunterstützten Verbindungstechnik bei der Herstellung der Druckgeber auftreten .

Obgleich bislang noch nicht vollständig geklärt, wird angenommen, daß der prinzipielle vorteilhafte Mechanismus, auf dem die Erfindung basiert, die verbesserte Dielektrizitätskonstante des Borsilicatglases (etwa 4,2) ist, gegenüber der des Vakuums (etwa 1,0), das zwischen den beiden Siliciumteilen vorhanden ist. Weiter wird es für möglich gehalten, daß die hohe Dielektrizitätskonstante des Borsilicatglases auf der Siliciumoberflache als letzter Schritt vor dem feldunterstützten Verbinden dazu führt, daß das Feld an scharfen Flächen etwas zertreut wird, wodurch die Feldkonzentration an scharfen, örtlich begrenzten Stellen reduziert wird.

Die Erfindung kann unter Beachtung der folgenden Beschreibung unter Verwendung der bekannten Dünnfilm- und Mikroschaltungstechniken ausgeführt werden.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

die Fig. 1 bis 3 vereinfachte Querschnittansichten

von kapazitiven Silicium-Glas-Silicium-Druckgebern nach der Erfindung und

die Fig. 4 bis 8 Querschnittansichten von Silicium-

scheiben, die bei der Herstellung des als Beispiel in Fig. 1 dargestellten Druckgebers verarbeitet werden .

Gemäß Fig. 1 besteht ein kapazitiver Silicium-Glas-Silicium-Druckgeber 10 aus einem Siliciumsubstrat 11, in welchem ein kreisförmiger Sockel 12 gebildet ist und welches eine metallische untere Fläche 13 hat, die aus dünnen Schichten aus Nickel und Gold bestehen kann (wie mit Bezug auf die Fig. 4-8 ausführlicher beschrieben), die das Anschließen von elektrischen Anschlußleitungen gestatten. Die obere Fläche des Sockels 12 bildet eine Platte oder einen Belag eines Kondensators, dessen andere Platte oder anderer Belag die untere Fläche eines Siliciumteils 14 ist. Die obere Fläche des Siliciumteils 14 hat metallische Schichten 15 ähnlich den Schichten 13. Die beiden Siliciumteile 11, 14 haben gegenseitigen Abstand und sind durch Borsilicatglas 16 miteinander verbunden, das in Schritten (die im folgenden beschrieben sind) so aufgebracht und geätzt worden ist, daß sich der gewünschte Abstand zwischen den kapazitiven Belagflächen, die durch die Teile 12 und 14 gebildet werden, ergeben hat und daß das Dielektrikum 17 über dem Sockel 12 so gebildet worden ist, daß eine Licht-

bogenbildung zwischen dem Sockel 12 und dem Teil 14 während des feldunterstützten Verbindens vermieden wird. Bei der Herstellung des Druckgebers 10 erfolgt die gesamte topologische Bearbeitung auf einer Scheibe, die das Teil 12 enthält, und eine Scheibe, die das Teil 14 enthält, wird nur mit der Metallisierung 15 versehen. Die Herstellung der Borsilicatglasschicht 16, 17 über dem gesamten Siliciumteil 11 einschließlich des Sockels 12 erfolgt während der topologischen Bearbeitung der Scheibe einschließlich des Siliciums 11. Die Metallisierung 13, 15 kann, nachdem die beiden Scheiben miteinander verbunden worden sind, durch feldunterstütztes Verbinden aufgebracht werden, und zwar mittels HF-Zerstäubung oder durch Aufdampfung mittels Elektronenstrahl oder Widerstandserwärmung, wobei es sich um bekannte Verfahren handelt.

Gemäß Fig. 2 wird ein etwas anderer Druckgeber 18 aus einem Siliciumteil 11a hergestellt, das eine ringförmige Vertiefung 20 hat, die in es eingeätzt ist, so daß ein kreisförmiger Sockel 12a vorhanden ist, auf den Borsilicatglas 16a aufgebracht ist, das die Kondensatorbeläge voneinander trennt. Darüber hinaus legt das Borsilicatglas 16b den Abstand zwischen den Siliciumteilen 11a und 14a fest und in ihm ist ein Loch 22 herausgeätzt, über das ein dünner Metallfilm 24 mit dem Sockel 12a in Kontakt kommen kann. Die Borsilicatglasschicht 16c kann durch Zerstäubung auf das Silicium oder auf das Metall aufgebracht werden, um eine Lichtbogenbildung während des feldunterstützten Verbindens gemäß der Erfindung zu vermeiden. Die Verwendung von Borsilicatglas 16a, 16b zusammen mit der geätzten Vertiefung 20 in dem Siliciumteil· 11a ergibt eine Verbesserung in der Abmessungskontro^e.

Eine aiternative Ausführungsform der Erfindung in Form eines Druckgebers 26 ist in Fig. 3 gezeigt. Bei diesem

erhalten zwei Scheiben eine topologische Bearbeitung, wobei eine erste Scheibe 11b eine Vertiefung 20a hat, die in sie eingeätzt ist, so daß ein kreisförmiger Sockel 12b vorhanden ist, ähnlich wie es mit Bezug auf das Siliciumteil 11a beschrieben worden ist. Andererseits ist eine weitere Scheibe mit einem Siliciumteil 14b mit zerstäubtem Borsilicatglas 16d versehen, das so geformt ist, daß es für die genannte Abmessungskontrolle sorgt, mit einem dünnen Metallfilm 24a, der einen kapazitiven Belag bildet, welcher mit dem Siliciumteil 14b elektrisch verbunden ist, und mit aufgestäubtem Borsilicatglas 16e, das für die dielektrische Isolierung gemäß der Erfindung sorgt. Die Herstellung des Druckgebers 26 unterscheidet sich von der Herstellung der Druckgeber 10 und 18, da sie erfordert, zwei Scheiben topologisch zu bearbeiten und die beiden Scheiben in Deckung zu bringen, bevor sie durch feldunterstützte Verbindungstechnik miteinander verbunden werden. Andererseits gleicht die Herstellung des Druckgebers 26 der Herstellung des Druckgebers 10, da das gesamte Borsilicatglas auf derselben Scheibe vorhanden ist.

Die Druckgeber 18, 26 können eine Metallisierung auf ihren entgegengesetzten äußeren Flächen haben, damit, elektrische Leitungen an sie angeschlossen werden können, was der Einfachheit halber jedoch nicht dargestellt worden ist.

Ein Verfahren zum Herstellen eines kapazitiven Druckgebers nach der Erfindung ist in den Fig. 4-8 gezeigt. Eine in Fig. 4 gezeigte Scheibe 11 aus dotiertem Silicium, das entweder vom N- oder vom P-Typ sein kann und bis zu einem Gehalt von wenigstens 10 Fremdatomen pro Kubikzentimeter mit Phosphor, Arsen od.dgl. dotiert worden ist, kann einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 0,33 Λ cm haben und größenordnungsmäßig 300-400 μπι dick sein. Unter Verwendung von bekannten Maskier-, Lichtlack- und Ätz-

BAD ORIG|_NAL

- y- ίο.

techniken wird die Scheibe 11 so weggeätzt, daß mehrere Sockel 12 erzeugt werden, und zwar einer für jede Vorrichtung, die in der Scheibe hergestellt wird, und mit einer Höhe in der Größenordnung von 6 μΐη. Der Durchmesser jedes Sokkels 12 kann in der Größenordnung von 0,5 cm od.dgl. liegen. Die Sockel 12 können einen gegenseitigen Abstand in der Größenordnung von 0,33 cm haben.

In dem nächsten Schritt, der in Fig. 5 dargestellt ist, wird eine Borsilicatglasschicht 29 auf die Scheibe 11 bis zu einer Dicke in der Größenordnung von 8 oder 9 μπι aufgestäubt. Dann wird in dem nächsten Schritt, der in Fig. 6 gezeigt ist, die Borsilicatglasschicht 29 weggeätzt, so daß eine Gitterstruktur 16 zurückbleibt, durch die sich Vertiefungen 30 jeweils um die Sockel 12 in der Scheibe 11 ergeben. Das Ätzen in dem in Fig. 6 gezeigten Schritt läßt sich leicht ausführen, da das Silicium durch Borsilicatglasätzmittel (wie beispielsweise Flußsäure) nicht angegriffen wird.

In dem Schritt 7 wird eine zusätzliche Borsilicatglasschicht 32 auf die Oberfläche der Scheibe 1Ί und der Borsilicatglasmatrix 16 gemäß der Erfindung aufgestäubt, um ein Dielektrikum 17 über den Sockeln 12 herzustellen. Da die Abmessungssteuerung durch das Aufstäuben der Schicht (Fig. 5) und Wegätzen derselben bis zu dem Silicium (Fig.6) erfolgt, kann die Schicht 32 einfach bis zu der gewünschten Abmessung in der Größenordnung von 0,5 μπι aufgestäubt werden, ohne daß irgendein weiteres Ätzen erforderlich ist.

Fig. 8 zeigt die letzten Schritte der Herstellung des kapazitiven Druckgebers 10. Eine zweite Scheibe 14 kann hergestellt werden, indem sie bis zu einer gewünschten Dicke, beispielsweise in der Größenordnung von 200 μΐη, geläppt wird, so daß eine flexible Membran gebildet wird. Die Scheibe 14 wird dann in die Nähe der Scheibe 11 gebracht, wobei

- η η.

nur eine grobe Ausrichtung erforderlich ist, woraufhin die beiden Scheiben auf eine Temperatur in der Größenordnung von 500 ⁰C in einer Vakuumkammer, die auf einen Druck von etwa 1,33 * 10 mbar evakuiert worden ist, erhitzt werden und eine Gleichspannung in der Größenordnung von 75-125 V von der Scheibe 14 (+) zu der Scheibe 11 (-) für eine Zeit von größenordnungsmäßig 5-10 min angelegt wird. Bekanntlich bewirkt das elektrostatische Feld, daß sich die beiden Scheiben gegenseitig anziehen, während die Hitze einen Verschluß der evakuierten Kammern bewirkt, die um jeden Sockel 12 vorhanden sind. Die Scheiben 11, 14 können jeweils eine Metallisierung 13 bzw. 15 haben. Beispielsweise kann eine erste Schicht 13a, 15a mit einer Dicke in der Größenordnung von 50 nm aus Nickel wegen dessen Affinität zum Silicium aufgebracht werden, woran sich eine zweite Schicht 13b, 15b mit einer Dicke von etwa 500 nm aus Gold anschließt, um eine geeignete Oberfläche für das Anschließen von elektrischen Anschlußleitungen zu schaffen. Die miteinander verbundenen Scheiben 11, 14 können dann in Chips zerschnitten werden (beispielsweise durch Sägen), wie es durch die gestrichelten Linien 38 angedeutet ist, um einzelne Druckgeber 10 des in Fig. 1 gezeigten Typs herzustellen. Wenn die Metallisierung aus Al, Cr oder Ni allein besteht, könnte sie vor dem Verbindungsschritt aufgebracht werden. Das Verbinden erfolgt aber bei einer Temperatur oberhalb der eutektischen Temperatur von Gold und Silicium (und das Nickel isoliert sie nicht voneinander), weshalb das Gold nach dem Verbinden aufgebracht werden muß.

Ein kapazitiver Druckgeber 10 aus Einkristallsilicium vom

1 8

N-Typ, dotiert mit ungefähr 10 Phosphoratomen pro Kubikzentimeter und mit Abmessungen, die im wesentlichen gleich den vorstehend beschriebenen sind, hat eine Kapazität, die sich von einer nominellen statischen Kapazität bei einem absoluten Druck von O bar bis zu einer Kapazität bei einem

absoluten Druck von etwa 1 bar ändert, die etwa 8% größer als die nominelle statische Kapazität bei einem absoluten Druck von O bar ist. Selbstverständlich brauchen die beiden Scheiben 11, 14 weder vom selben Leitungstyp zu sein noch dasselbe Dotierungsmittel zu enthalten, da es zwischen ihnen zu keiner molekularen Wechselwirkung kommt. Ein Typ von Borsilicatglas, der sich bei der Herstellung von kapazitiven Druckgebern des hier beschriebenen Typs als brauchbar erwiesen hat, ist auf dem Markt unter der Bezeichnung Corning 7070 erhältlich. Es können jedoch auch andere Gläser verwendet werden, und einige Beispiele dafür finden sich in "Electromechanical Devices Utilizing Thin Si Diaphragms", Guckel et al, Applied Physics Letters, Band 31, Nr. 9, 1. November 1977.

In einigen Anwendungsfällen der Erfindung kann es erwünscht sein, daß weniger als die gesamte Oberfläche des Vakuumhohlraums mit Borsilicatglas überzogen ist. In einem solchen Fall könnte ein zusätzlicher Ä'tzschritt (im Anschluß an den Aufbringungsschritt in Fig. 7) vorgesehen werden, um das Borsilicatglas, das sich in den Vertiefungen 30 (Fig. 6) befindet, oder das Borsilicatglas, das nich't der Metallisierung 24a in der Ausführungsform in Fig. 3 überlagert ist, wegzuätzen. Das gilt insbesondere dann, wenn das Borsilicatglas sich auf dem Siliciumteil befindet, das den relativ beweglichen "Scharnier"-Teil einer Vorrichtung bildet (wie beispielsweise innerhalb der Vertiefung 20 in der Ausführungsform in Fig. 2, wenn diese so modifiziert wird, daß das Borsilicatglas auf die topologisch bearbeitete Scheibe 11 aufgebracht wird). In jedem Fall befindet sich bei dem Druckgeber nach der Erfindung das Borsilicatglas zwischen den operativen Teilen der beiden kapazitiven Beläge, da das die Stelle ist, wo das Vakuumdielektrikum die kleinste Abmessung hat und die Wahrscheinlichkeit einer Lichtbogenbildung während des feldunterstützten Verbindungsprozesses

am größten ist.

Ein Vergleich der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsformen zeigt, daß es für die Anwendung der Erfindung unwesentlich ist, ob ein oder beide kapazitiven Beläge tatsächlich aus Metall hergestellt sind oder nicht, weil das Borsilicatglas über einem Metallbelag aufgebracht werden kann, um denselben Vorteil zu ergeben wie in dem Fall, in welchem es über einer der Siliciumplatten aufgebracht wird. Das Borsilicatglas könnte im Rahmen der Erfindung auf beide Beläge des Kondensators aufgebracht werden, falls das notwendig oder erwünscht sein sollte.

Claims

Patentansprüche:

( 1.. Verfahren zum Herstellen eines kapazitiven Druckgebers durch feldunterstütztes Verbinden von zwei Siliciumteilen, die durch Borsilicatglas voneinander getrennt sind, um eine druckdichte Kammer zu schaffen, die zwei in engem gegenseitigem Abstand angeordnete Oberflächen enthält, welche die beiden Beläge eines druckveränderlichen Kondensators bilden, dadurch gekennzeichnet, daß eine dünne Schicht Borsilicatglas auf einen der Beläge vor dem Aufbauen des elektrostatischen Feldes aufgebracht wird, um dadurch eine Lichtbogenbildung zwischen den Belägen und das damit verbundene Kurzschließen des elektrostatischen Feldes während des Verbindungsprozesses zu vermeiden.
2. Kapazitiver Silicium-Glas-Silicium-Druckgeber mit zwei Siliciumteilen, von denen wenigstens eines so geformt ist, daß es eine leitende Oberfläche aufweist, die sich nahe bei einer leitenden Oberfläche auf dem anderen der beiden Teile befindet und so zwei in engem gegenseitigem Abstand angeordnete leitende Oberflächen vorhanden sind, die die beiden Beläge eines veränderbaren, druckabhängigen Konden-

sators bilden, gekennzeichnet durch eine dünne Schicht Borsilicatglas (17, 32), die auf einer der Oberflächen angeordnet ist.