DE3900654A1

DE3900654A1 - Drucksensoranordnung und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE3900654A1
Application number: DE3900654A
Authority: DE
Inventors: Heikki Kuisma
Original assignee: Vaisala Oy
Current assignee: Vaisala Oy
Priority date: 1988-01-18
Filing date: 1989-01-11
Publication date: 1989-07-27
Anticipated expiration: 2009-01-12
Also published as: FI880206A0; GB8900235D0; JPH01288747A; FR2626073B1; FI78784C; FR2626073A1; GB2214350A; US4875134A; GB2214350B; FI78784B; DE3900654C2; JP2574443B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Drucksensoranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung, nach dem Oberbegriff des Anspru ches 4.

Aus den US-PSen 45 97 027 und 46 09 966 ist eine kapa zitive Drucksensoranordnung mit einer Silizium/Glas struktur bekannt, wobei das Siliziumelement in einem Mittenbereich ausgedünnt ist, um eine Membran zu bilden und mittels anodischem Bonden mit einer Glasschicht verbunden ist, welche auf der Oberseite eines zweiten Siliziumelementes abgeschieden ist, so daß ein schmaler hermetisch abgeschlossener spaltförmiger Raum zwischen diesen beiden Teilen verbleibt. Die feste Planar-Kon densatorelektrode, welche auf der Glasschicht in dem spaltförmigen Raum angeordnet ist, ist elektrisch mit dem zweiten Siliziumelement kontaktiert. Die ausgedünnte Siliziummenbran dient als andere Kondensatorelektrode, welche durch Druckeinwirkung aus ihrer Neutrallage ge bracht wird.

Diese bekannten Drucksensoranordnungen weisen die fol genden Nachteile auf:

1. Über die Glasschicht hinweg an den Verbindungsberei chen der Elemente bildet sich eine Streukapazität aus, welche in nachteiliger Weise parallel mit der gemessenen Sensorkapazität gekoppelt ist.
2. Bei dem anodischen Bondierungsprozeß zwischen den Siliziumelementen wird eine Spannung von mehreren hundert Volt angelegt. Diese Spannung ist somit auch bei allen anderen Kondensatoren von Sensorelementen auf dem gleichen Siliziumwafer angelegt. Da die Breite des dielektrischen Spaltes nur im Bereich von wenigen Mikrometern liegt, besteht eine hohe Wahr scheinlichkeit eines elektrischen Durchbruches. Aus diesem Grund wird bei dem Herstellungsprozeß eine extrem hohe Anforderung an Sauberkeit und Ebenmäßig keit an alle Oberflächen gestellt.
3. Leicht bondierbare Kontaktflächen stehen nur auf der Glasoberfläche zur Verfügung. Eine höhere Packungs dichte oder eine schützende Abdeckung der Kontakte macht es jedoch gelegentlich nötig bzw. vorteilhaft, die Kontaktflächen auf der unteren Oberfläche des Sensors anzuordnen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zumin dest einen der obenstehend genannten Nachteile des Standes der Technik zu umgehen und eine völlig neue Art einer Drucksensoranordnung bzw. ein Verfahren zu deren Herstellung zu schaffen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeich nenden Merkmale des Anspruches 1 bzw. 4.

Erfindungsgemäß wird der Siliziumwafer, der als Sensor substrat dient, in galvanisch voneinander isolierte Un terbereiche derart unterteilt, daß jede feste Elektrode des Sensorkondensators mit einer ausgewählten Kontakt fläche versehen ist, galvanisch mit der Kondensatorelek trode verbunden ist und von einem Bondierungsbereich umgeben ist, wobei die Kontaktfläche galvanisch von dem Bondierungsbereich isoliert ist, an welchen eine hohe Bondierungsspannung während des anodischen Bondierungs vorganges anlegbar ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung verhindert Streukapazi täten an den Bondierungsflächen, da die Kontaktflächen auf dem Substrat klein ausgelegt werden können. Weiter hin kann die beim anodischen Bondierungsvorgang nötige Hochspannung von dem dielektrischen Spalt des Kondensa tors entkoppelt werden, indem eine galvanische Isolation zwischen dem Bondierungsbereich des Substrates und die Kondensatorfläche gelegt wird. Weiterhin ist eine elek trische Bondierung mit den Sensorelektroden an der Un terseite der Sensoranordnung möglich.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den den Ansprüchen 1 bzw. 4 jeweils nachgeordneten Unteransprüchen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorlie genden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be schreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1a eine seitliche Schnittansicht einer Sensoran ordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 1b eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A in der Sensoranordnung gemäß Fig. 1a;

Fig. 2 eine Ansicht von unten einer zweiten Sensoran ordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3a eine teilweise geschnittene Draufsicht auf eine dritte Sensoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3b eine Ansicht von unten auf die Sensoranordnung gemäß Fig. 3a;

Fig. 3c eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B in der Sensoranordnung gemäß Fig. 3a;

Fig. 4a eine Ansicht von unten auf eine vierte Sensor anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4b eine Schnittdarstellung entlang der Linie C-C in der Sensoranordnung gemäß Fig. 4a;

Fig. 5 einen Herstellungsschritt einer erfindungsge mäßen Sensoranordnung; und

Fig. 6 einen Herstellungsschritt der zweiten erfin dungsgemäßen Sensoranordnung.

Die Fig. 1a und 1b zeigen eine von mehreren vorzugswei sen Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Sensoran ordnung. Gemäß den Fig. 1a und 1b weist die Sensoran ordnung ein Basisteil 1 und 2 aus Silizium auf, welches mittels eines rohrförmigen Glasisolators 3 in zwei Ab schnitte unterteilt ist, nämlich einen Bondierungsab schnitt 1 und einen zylindrischen Kontaktabschnitt 2. Die Oberseite der Abschnitte 1 und 2 ist mittels einer Glasschicht 4 überdeckt. Der Kontaktabschnitt 2 steht mit einer festen Planarkondensator-Elektrode 9 in Ver bindung, die auf der isolierenden Glasschicht 4 abge schieden ist. Die Verbindung erfolgt hierbei über einen Siliziumzapfen 10. Die anodische Bondierung wird auf der Glasschicht 4 durchgeführt, wo die Glasschicht 4 sich mit dem Bondierungsabschnitt 1 trifft. Die Sensorkapa zität wird zwischen dem Kontaktabschnitt 2 und einem Basiselement 5 aus Silizium gemessen. Der Bondierungs abschnitt 1 ist mit Massepotential verbunden, wobei die Verwendung einer geeigneten Meßkonfiguration den Effekt von Streukapazitäten eliminiert, die über die Glas schicht 4 hinweg entstehen. Die Spannung, die bei dem anodischen Bondierungsprozeß in der Sensorherstellung nötig ist, wird zwischen den Bondierungsabschnitt 1 und das Basiselement 5 angelegt, so daß sie wirksam von dem dielektrischen Spalt zwischen den Kondensatorelektroden 6 und 9 entkoppelt ist. Zwischen den Kondensatorelek troden 6 und 9 ist eine hermetisch abgedichtete Kammer 25 ausgebildet.

Der Isolator 3 aus Glas, der die Abschnitte 1 und 2 von einander trennt, kann gemäß Fig. 2 in Form von sich ein ander senkrecht schneidenden Streifen oder in einer an deren geeigneten Formgebung ausgebildet sein. In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 erhält der Kontaktabschnitt 2 hierdurch die Form eines Parallelepipedes. Die Wahl des Isolatormusters bzw. dessen Form wird hauptsächlich durch das verwendete Herstellungsverfahren bestimmt. Variationen im Bereich des reinen Siliziumabschnittes 2 sind ebenfalls möglich.

Eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist in den Fig. 3a bis 3c dargestellt. Gemäß Fig. 3c ist der Siliziumbereich 2, der als Kon taktabschnitt dient, säulenförmig ausgebildet, von langgestreckten vertikalen Glasschichten 3 umgeben und in elektrischer Verbindung mit der festen Planarkonden sator-Elektrode 9. Die Glasschichten begrenzen zusätz lich acht weitere Siliziumabschnitte 1, 16 und 16′. Der Siliziumabschnitt 16 ist mit dem Siliziumabschnitt 2 über einen metallisierten Dünnfilmleiter 13 verbunden, der auf der unteren Oberfläche des Sensors hergestellt ist. Die anderen Siliziumabschnitte sind entsprechend miteinander durch metallische Leitermuster 12 verbunden. Elektrische Kontakte sind durch die Glasschicht 4 zu der oberen Oberfläche des Sensors mittels Siliziumzapfen 26 geführt. Ein metallisierter Bereich 11 liegt auf Masse potential und die Sensorkapazität wird zwischen metal lisierten Bereichen 17 und 18 gemessen.

Die Fig. 4a und 4b zeigen eine Sensoranordnung, bei der die Kontaktflächen zur unteren Oberfläche des Sensors geführt sind. Fig. 4b zeigt hierbei eine um 180° ge drehte Schnittdarstellung entlang der Linie C-C der Sen soranordnung gemäß Fig. 4a. Zusätzlich zu dem Kontaktab schnitt 2 verwendet die dargestellte Ausführungsform einen weiteren isolierten Siliziumabschnitt 20, der über einen Siliziumzapfen 21, der sich durch die Glasschicht 4 erstreckt, elektrisch mit dem Siliziumelement 5 und weiterhin mit der Siliziummembran 6 in Verbindung steht, welche die zweite Kondensatorelektrode bildet. Die Un terseite des Sensors ist mit Dünnfilm-Metallbereichen 22, 23 und 24 versehen, an welchen eine Leiterkontak tierung mittels Löten, Kontaktbondieren oder dergl. durchführbar ist. Der Bereich 22 ist mit dem Silizium abschnitt 2, der Bereich 23 mit dem Siliziumabschnitt 20 und der Bereich 24 mit den verbleibenden Siliziumab schnitten verbunden. Die Sensorkapazität ist zwischen den Bereichen 22 und 23 meßbar, wenn die Bereiche 24 in der Meßkonfiguration auf Massepotential liegen.

Die Dicke der Glasschicht 3 liegt zwischen 10 und 500 µm, vorzugsweise bei 150 µm. Die Dicke der Glasschicht 4 liegt bei 1 bis 150 µm, vorzugsweise bei 30 µm.

Gemäß Fig. 5 kann die erfindungsgemäße Sensoranordnung wie folgt hergestellt werden:

- Die Siliziumoberfläche wird angeätzt oder anderweitig bearbeitet, um die Siliziumzapfen 10 zu erhalten, welche benötigt werden, um sich durch die Glasschicht 4 zu erstrecken;
- der Siliziumwafer wird bearbeitet, um tiefe enge Ker ben 3 auszubilden, welche eine ausreichende Tiefe ha ben, so daß die Siliziumbereiche beinahe voneinander abgetrennt werden. Die Bereiche verbleiben miteinander mittels Engstellen 19 an der Unterseite des Silizium wafers verbunden. Form und Abmessung der Bereiche und Ausnehmungen werden durch das Herstellungsverfahren, welches zur Herstellung der Kerben 3 zur Anwendung kommt, bestimmt. Verwendbare Verfahren sind bei spielsweise Bohren mit einem Hohlbohrer, Ätzen, Laser bearbeitung, Funkenerosion und Sägen. Von den erwähn ten Verfahren sind die drei letzteren besonders vor teilhaft. Sägen erzeugt mühelose enge Kerben, welche jedoch den Wafer in unnötig viele Chips unterteilen. Andererseits benötigt eine Laserbearbeitung eine kor rekte Tiefensteuerung:
- ein Glaspulver 7 wird auf die Siliziumoberfläche auf gesprüht und aufgeschmolzen, bis das Glas die Kerben füllt;
- die so gewonnene Glasoberfläche wird durch Präzisions schleifen oder Honen auf eine Höhe, beispielsweise auf die Höhe D in Fig. 5 abgetragen, um die Siliziumzapfen freizulegen, jedoch eine Glasschicht 4 der gewünschten Dicke auf den anderen Bereichen zu belassen;
- Silizium wird von der Unterseite des Wafers auf eine Höhe, beispielsweise auf den Wert E in Fig. 5 durch Präzisschleifen, Honen oder dergl. abgetragen, bis die Engstellen 19 entfernt sind und die Siliziumchips von einander getrennt sind;
- die Glasoberfläche wird poliert.

Die beschriebenen Sensoranordnungen und das Herstel lungsverfahren können im Rahmen der vorliegenden Erfin dung leicht in verschiedenen Variationen weiterentwic kelt werden. Charakteristisch für das Herstellungsver fahren ist, daß ein einzelner Wafer des Basismaterials derart bearbeitet wird, daß ein Wafer mit voneinander isolierten Einzelteilen entsteht. Das Herstellungsver fahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die beinahe vollständige Trennung der Chips auf dem Wafer voneinan der durchgeführt wird, gefolgt von einer Glasaufschmelz phase und einer abschließenden Abtrennung der Chips von dem Wafer. Hierdurch wird die Planarform des Basiswa fermaterials erhalten, sowie die Abmessungsgenauigkeit der Elemente. Alternativ kann das Basiswafermaterial fest mit einem weiteren Stützwafer 27 verbunden werden (Fig. 6), so daß die Kerben das Basiswafermaterial bei der Herstellung vollständig durchtreten können. Nach den Phasen des Aufschmelzens und Abschleifens wird der Stützwafer wieder entfernt.

Bei einer vollständigen Sensoranordnung können die von einander isolierten Elemente des Sensorchips als Durch führungselemente in verschiedener Weise verwendet wer den. Die in den Fig. 3a bis 3c dargestellten Sensoran ordnungen geben Beispiele dieser Möglichkeiten.

Claims

1. Kapazitive Drucksensoranordnung, mit
einem Basisteil (1, 2, 4) bestehend aus einer ebenen elektrisch leitfähigen Siliziumschicht (1, 2) und
einer hierauf permanent befestigten planaren Zwi schenschicht (4) eines isolierenden Materials, z.B. Glas, mit einer wesentlich geringeren Dicke als der der Siliziumschicht (1, 2);
einer festen Planarkondensator-Elektrode (9), welche auf dem Basisteil (1, 2, 4) ausgebildet ist; und
einer versetzbaren membranartigen Kondensatorelek trode (6) aus Silizium, welche im wesentlichen ein stückig mit einem umgebenden wesentlich dickeren Basiselement (5) ist und in einem spaltbildenden Abstand von und wenigstens annähernd übereinstimmend ausgerichtet mit der festen Kondensatorelektrode (9) ist, so daß zwischen der festen Elektrode (9) und der Membranelektrode (6) eine hermetisch versiegelte Kammer (25) verbleibt, dadurch gekennzeichnet, daß das Basisteil (1, 2, 4) senkrecht in Abschnitte (1, 2) unterteilt ist, welche galvanisch voneinander isoliert sind, nämlich in einen Kontaktabschnitt (2), der mit der festen Kondensatorelektrode (9) zusammenfällt, galvanisch mit der Elektrode verbun den ist und einen Bereich aufweist, der maximal gleich dem der Elektrode ist, und in wenigstens ei nen Bondierungsabschnitt (1), der von dem Kontaktab schnitt (2) durch eine Isolierschicht (3) getrennt ist, und an den eine Bondierungsspannung während eines anodischen Bondierungsprozesses anlegbar ist, um den Basisteil mit dem Basiselement (5) der mem branartigen Kondensatorelektrode zu verbinden.

2. Drucksensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der Kontaktabschnitt (2) zylin derförmig ist.

3. Drucksensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der Kontaktabschnitt (2) parallel epiped-förmig ist.

4. Verfahren zur Herstellung einer kapazitiven Druck sensoranordnung, insbesondere einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein elektrisch leitfähiger Siliziumwafer zur Herstellung eines ka pazitiven Drucksensors in galvanisch voneinander getrennte Unterabschnitte (1, 2) unterteilt wird, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Ausbilden von senkrecht eindringenden Kerben (3) in das Siliziumbasismaterial des Wafers mit einer Tie fe, welche sich unter einen unteren Höhenpegel (D) des Basisteils erstreckt, um einstückige Unterab schnitte (1, 2) zu bilden;
Füllen der Kerben mit einem Isoliermaterial (7), vorteilhafterweise Glas;
Anhaftenlassen des Isoliermaterials (7), beispiels weise durch Erhitzen auf eine geeignete Temperatur; und
Bearbeiten der unteren Oberfläche des Basisteil auf den vorbestimmten Höhenpegel (E).

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerben (3) durch Bohren mit einem Hohlbohrer erzeugt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerben (3) durch Laserbearbeitung erzeugt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerben (3) durch Sägen erzeugt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Herstellung der Kerben (3) der Substratwafer auf einem separaten Stützwafer (27) angeordnet wird.