THAM, Anh Tuan (Rüdersdorfer Strasse 45, Berlin, 10243, DE)
PÄßLER, Frank (Ahornstrasse 11, Berlin, 12163, DE)
STOLZE, Dieter (Wildapfelweg 8, Potsdam, 14469, DE)
THAM, Anh Tuan (Rüdersdorfer Strasse 45, Berlin, 10243, DE)
PÄßLER, Frank (Ahornstrasse 11, Berlin, 12163, DE)
Patentansprüche:
1. Drucksensor (20), umfassend: mindestens einen Grundkörper, mindestens eine Messmembran (7), und einen Wandler, wobei die Messmembran (7) ein Halblettermaterial aufweist, wobei die Messmembran (7) unter Einschluss einer Druckkammer
(6) an dem Grundkörper befestigt ist, wobei die Messmembran mit mindestens einem Druck beaufschlagbar ist und druckabhängäg elastisch verformbar ist,
Wandler ein von der Verformung der Messmembran abhängiges elektrisches Signal bereitstellt, wobei der Grundkörper ein Membranbett aufweist, an welchem die Messmembran im Falle einer überlast anliegt, um die Messmembran abzustützen dadurch gekennzeichnet, dass das Membranbett eine Glasschicht (2) aufweist, deren Oberfläche
(3)der Messmembran zugewandt ist, und eine Wand der Druckkammer bildet.
2. Drucksensor (20) nach Anspruch 1 , wobei der Grundkörper ein Substratmaterial (1 ) umfasst, auf die Glasschicht (2) aufgebracht ist, wobei die Oberfläche der Glasschicht mit einer Kontur (3) versehen ist, die geeignet ist, die Messmembran im Falle einer überlast abzustützen.
3. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Oberfläche der Glasschicht (2) mikromechanisch bearbeitet ist.
4. Drucksensor nach Anspruch 1 , 2 oder 3, wobei die Glasschicht (2) eine Oberflächen kontur (3) aufweist, die mittels Heißprägen präpariert ist.
5. Drucksensor nach Anspruch 2, 3 oder 4, wobei das Substratmaterial (1 ) ein Halbleitermaterial umfasst.
6. Drucksensor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Giasschicht (2) mittels anodischen Bondens mit dem Substrat (1 ) und der Messmembran (7) verbunden ist.
7. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Glasschicht eine Stärke von nicht mehr als 10 μm, vorzugsweise nicht mehr als 7 μm und besonders bevorzugt nicht mehr als 5 μm aufweist.
8. Drucksensor nach einem der vorhergehen Ansprüche, wobei die Glasschicht eine Materialstärke von nicht weniger als 2 μm aufweist. 9. Drucksensor nach Anspruch 2 oder einem davon Abhängigen Anspruch, wobei das Substratmaterial Si umfasst, und das G!as des Membranbetts ein Borosilikatgias, aufweist.
10. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Membranbett eine Oberflächenkontur aufweist, welche der Biegelinie der Messmembran angenähert ist oder dieser entspricht.
11. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Drucksensor ein Differenzdrucksensor ist, der eine
Messmembran, einen ersten Grundkörper und einen zweiten
Grundkörper aufweist, wobei die Messmembran zwischen dem ersten Grundkörper und dem zweiten Grundkörper angeordnet und mit jedem der beiden
Grundkörper entlang einer umlaufenden Fügestelle unter Einschluss einer ersten Druckkammer und einer zweiten Druckkammer verbunden ist, wobei die erste Druckkammer und die zweite Druckkammer jeweils mindestens einen Kanal durch den ersten bzw. zweiten Grundkörper aufweisen, wobei die Messmembran durch die Kanäle mit einem ersten und einem zweiten Druck beaufschlagbar ist. 12. Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte:
(a) Bereitstellen eines Halbleiter-Wafers, insbesondere eines Si- Wafers;
(b) Aufbringen einer Glasschicht;
(c) Präparieren der Form von Membranbetten mittels Heißprägens in die Giasschicht eingebracht, wobei die Form der Membranbetten insbesondere die Biegeiinie der
Messmembranen im Falle einer überlast annähert;
(d) Präparieren von Druckkanäien durch das Substrat 1 und die Glasschicht 2; und
(e) Verbinden des Wafers und der Glasschicht mittels anodischen Bondens.
13. Verfahren nach Anspruch 12, weiterhin umfassend
(f) Abdünnen des zweiten Wafers insbesondere mittels eines ätzverfahrens.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13 zum Herstellen eines Differenzdrucksensors, insbesondere nach Anspruch 11 , weiterhin umfassend:
(g) Aufbringen einer nach den Schritten (a) bis (d) vorgefertigten Baugruppe mit einer weiteren Glasschicht, welche heiß geprägte Membranbettkonturen aufweist, und einer weiteren Substratschicht, wobei die vorgefertigte Baugruppe durch die weitere Glasschicht und die weitere Substratschicht durchgehende Druckkanäle aufweist, und Verbinden der Schicht der Messmembranen mit der weiteren GJasschicht mittels anodischen Bondens. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, weiterhin umfassend:
Vereinzeln der Sensoren. |
Drucksensor, insbesondere Differenzdrucksensor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor, insbesondere einen Differenzdrucksensor.
Drucksensoren umfassen einen Grundkörper, eine Messmembran und einen Wandler, wobei die Messmembran an dem Grundkörper befestigt ist, wobei die Messmembran mit mindestens einem Druck beaufschlagbar ist und eine druckabhängige elastische Verformung aufweist, und wobei der Wandler ein von der Verformung der Messmembran abhängiges elektrisches Signal bereitstellt, wobei der Grundkörper ferner ein Membranbett aufweist, an welchem die Messmembran im Falle einer überlast anliegt, um die Messmembran abzustützen.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Membranbett eine Kontur annähernd der natürlichen druckabhängigen Verformung, der so genannten Biegelinie, aufweist. Die Schwierigkeit besteht jedoch darin, ein solches Membranbett reproduzierbar und kostengünstig herzustellen.
Die Gestaltung des Bettes sowie dessen Herstellung hängen davon ab, welches Material das Membranbett und das Substrat, welches das Membranbett trägt, aufweist, und was für eine Verbtndungstechnik des Grundkörpers bzw. des Membranbetts mit der Membran gewählt wird.
Für die Messung von Differenzdrücken, z.B. bei Füllstand- oder Durchflussmessungen, werden Si-Grundkörper bevorzugt, da diese statischem Druck gut standhalten. Für die Verbindung von zwei Siliziumscheiben gibt es verschiedene Verfahren, wie z.B. elektisches Bonden oder Siliziumdirektbonden. Angesichts der Anforderungen nach einer hermetisch dichten, festen und trotzdem rückwirkungsarmen Chip- Substrat-Verbindung liefern diese Bondverfahren nach dem Stand der Technik noch ungenügende Ausbeute und Reproduzierbarkeit. Zudem ist
die Herstellung von beispielsweise sphärischen konkaven Betten nach US7360431 B2 von YAMATAKE in Silizium nicht ohne weiteres möglich. Bekannt sind derzeit entweder die nicht etablierten Methoden der Graustufenlithographie oder ein direktes Schleifen/Polieren des Siliziums, was schwierig zu reproduzierbaren Ergebnissen führt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Drucksensor, insbesondere einen Differenzdrucksensor und ein Verfahren zu seiner
Herstellung bereitzustellen, das mit verbesserter Ausbeute und verbesserter Reproduzierbarkeit kostengünstig durchgeführt werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Drucksensor gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 , und das Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 12.
Der erfindungsgemäße Drucksensor umfasst mindestens einen Grundkörper, mindestens eine Messmembran, und einen Wandler, wobei die Messmembran ein Halbleitermaterial aufweist, wobei die Messmembran unter Einschluss einer Druckkammer an dem Grundkörper befestigt ist, wobei die Messmembran mit mindestens einem Druck beaufschlagbar ist und druckabhängig elastisch verformbar ist, wobei der Wandler ein von der Verformung der Messmembran abhängiges elektrisches Signa! bereitstellt, wobei der Grundkörper ein Membranbett aufweist, an welchem die Messmembran im Falle einer überlast anliegt, um die Messmembran abzustützen, wobei erfindungsgemäß das Membranbett eine Glasschicht aufweist, deren Oberfläche der Messmembran zugewandt ist, und eine Wand der Druckkammer bildet.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Grundkörper ein Substrat, auf dem das Material des Membranbetts in Form einer
Glasschicht aufgebracht ist, wobei die Oberfläche der Glasschicht mit einer Kontur versehen ist, die geeignet ist, die Messmembran im Falle
einer überlast abzustützen.
Die Oberfläche der Glasschicht kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung mikromechanisch bearbeitet sein.
In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Glasschicht eine Oberflächenkontur auf, die mittels Heißprägen präpariert ist.
Das Substrat kann beispielsweise ein Halbleitermaterial aufweisen, insbesondere Si.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Glasschicht mittels anodischen Bondens mit der Messmembran und/oder dem Substrat verbunden.
Die Glasschicht weist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine Stärke von nicht mehr als 10 μm ; vorzugsweise nicht mehr als 7 μm und besonders bevorzugt nicht mehr als 5 μm auf.
Die Glasschicht weist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine Materialstärke von nicht weniger als 2 μm auf.
In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Halbleitermaterial Si, wobei das Glas des Membranbetts ein Borosiükatglas, aufweist, das an den Ausdehnungskoeffizienten von Si angepasst ist, um den beim Bondvorgang induzierten thermomechanischen Stress so klein wie möglich zu halten. Besonders geeignete Gläser sind beispielsweise Pyrex 7740, TEMPAX oder Hoya SD-2.
Weiterhin ist es derzeit bevorzugt, wenn das Membranbett eine Oberflächenkontur aufweist, welche der Biegelinie der Messmembran
angenähert ist oder dieser entspricht
Der erfindungsgemäße Drucksensor kann ein Absolutdrucksensor der einen Druck gegenüber Vakuum misst, oder ein Relativdrucksensor sein, der einen Druck gegenüber dem Atmosphärendruck misst.
Ganz besonders relevant ist die vorliegende Erfindung aber für Differenzdrucksensoren, welche die Differenz zwischen einem ersten Druck und einem zweiten Druck erfassen. Denn gerade bei Differenzdrucksensoren ist die Gefahr von großen statischen einseitigen überlasten gegeben, da die zu messende Druckdifferenz gewöhniich erheblich kleiner ist als der erste bzw. zweite Druck, dessen Differenz zu erfassen ist. Daher ist der erfindungsgemäße Drucksensor in einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung ein Differenzdrucksensor, der eine Messmembran, einen ersten Grundkörper und einen zweiten Grundkörper aufweist,
wobei die Messmembran zwischen dem ersten Grundkörper und dem zweiten Grundkörper angeordnet und mit jedem der beiden Grundkörper unter Einschluss einer ersten Druckkammer und einer zweiten Druckkammer verbunden ist, wobei die erste Druckkammer und die zweite Druckkammer jeweils mindestens einen Kanal durch den ersten bzw. zweiten Grundkörper aufweisen, wobei die Messmembran durch die Kanäle mit einem ersten und einem zweiten Druck beaufschlagbar ist. Die Auslenkung der Membran hängt dann von der Differenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck ab.
Das Prinzip des anodischen Bondens kann im Zusammenhang mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung modifiziert zum Einsatz gebracht werden. Hierzu wird zunächst die Substratscheibe aus Silizium ganzflächig mit einer dünnen Schicht aus Glas versehen. Die Erzeugung der Membranbetten erfolgt mit Heißprägen bzw. Abformung des Glases
mit einem hochpräzisen Prägewerkzeug aus härterem Material. Anschließend fofgt das anodische Bonden des Stapels mit der Schichtfolge Silizium, G!as und Silizium für einen Absolutdruck- bzw. Relativdrucksensor sowie Silizium, Glas, Silizium, Glas und Silizium für einen Differenzdrucksensor.
Die erzielte Verbindung ist dicht und stoffschlüssig ohne Zwischenschicht zwischen Glas und Silizium. Die Bondtemperatur liegt zwischen 300 und 500 0 C, und ist daher für ein Metallisierungssystem gut geeignet.
Der Bondmechanismus beruht auf der chemischen Verbindung von 0 " Ionen mit Siliziumatomen, was zu entsprechenden SiO2-Bonds zwischen Glas und Silizium führt.
Da es sich um eine Verbindung von einer Glasschicht zwischen zwei Siliziumscheiben handelt, sind verschiedene Kompromisse einzugehen, und zwar einerseits wegen des Unterschieds in den Elastizitätsmodulen von Silizium (ca. 170GPa) und Glas (ca. 70GPa), und andererseits wegen der restlichen Fehlpassung in den Wärmeausdehnungskoeffizienten. Denn der Bondprozess bei den genannten hohen Temperaturen kann im Einsatzbereich des Drucksensors zu Restverspannungen führen. Um dadurch entstandene potentielle Einflüsse auf die Sensorperformance zu minimieren, sollte die Schichtdicke möglichst gering sein. Die für eine zuverlässige anodische Anbindung erforderlichen Schichtdicken betragen beispielsweise etwa 2-5μm.
Die Glasschichtdicke wird in Abhängigkeit von der Membrangeometrie gewählt. Da Wafer mit identischen Materialeigenschaften verwendet werden können und die benötigten Zwischenglasdicken sehr dünn sind, resultieren nur geringe Restverspannungen im Sensorchip. Damit ein homogen sauberer Bondvorgang möglich ist, sollte die Glasschicht, insbesondere in Form eines Glasdünnfilms, insbesondere eine möglichst
geringe Defektdichte, eine räumlich homogene Zusammensetzung und eine weitgehend homogene Schichtspannung aufweisen.
Abhängig von der Form der Membran (polygonal, insbesondere hexagonal, rechteckig, quadratisch oder elliptisch bzw. kreisförmig) kann das Bett mit entsprechend geformtem Prägewerkzeug hergestellt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfasst die Schhtte:(a) Bereitstellen eines Halbleiter-Wafers, insbesondere eines Si- Wafers; (b) Aufbringen einer Glasschicht; (c) Präparieren der Form von Membran betten mitteis Heißprägens in die Glasschicht, wobei sich die Form der Membran betten insbesondere der Biegelinie der Messmembranen im Falte einer überlast annähert; (d) Präparieren von Druckkanälen durch das Substrat und die Glasschicht ; und (e) Verbinden des zweiten Wafers und der Glasschicht mittels anodischen Bondens.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Verfahren (f) Abdünnen des zweiten Wafers insbesondere mittels eines ätzverfahrens.
in einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung betrifft das Verfahren das von Differenzdrucksensoren, wobei es weiterhin die folgenden Schritte umfasst: (g) Aufbringen einer nach den Schritten (a) bis (d) vorgefertigten Baugruppe mit einer weiteren Glasschicht, welche heiß geprägte Membranbettkonturen aufweist, und einer weiteren Substratschicht, wobei die vorgefertigte Baugruppe durch die weitere Glasschicht und die weitere Substratschicht durchgehende Druckkanäle aufweist, und Verbinden der Schicht der Messmembranen mit der weiteren Glasschicht mittels anodischen Bondens.
Sofern eine Vielzahl von Sensoren parallel im Waferverbund gefertigt werden, folgt abschließend ein Vereinzeln der Sensoren, beispielsweise
durch Sägen.
Die Erfindung wird nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : Schnittansichten von Schichtfolgen zur Fertigung von erfindungsgemäßen Differenzdrucksensoren in verschiedenen Fertigungsstadien.
Die in Fig. 1 dargestellte Reihenfolge von Fertigungsschritten beginnt in Schritt (a) mit einem Si-Wafer 1 , beispielsweise im 4-Zoll-Format, auf den in Schritt (b) eine Glasschicht 2 mit einer Stärke von einigen wenigen μm aufgebracht wird, wobei die Stärke der Glasschicht 2 von dem angestrebten Messbereich und der gewählten Geometrie der Messmembran abhängt. In einem dritten Schritt (c) wird mittels Heißprägen die Form der Membranbetten 3 in die Glasschicht eingebracht, wobei diese Form die Biegeiinie der Messmembranen im Falle einer einseitigen überlast annähern soll, in einem daran anschließenden Verfahrensschritt (d) werden die Druckkanäle 4 durch das Substrat 1 und die Giasschicht 2 präpariert, beispielsweise mit Ultraschailbohrem. Nun wird in Schritt (e) eine Schichtfolge, welche die zuvor beschriebenen Lagen und einen zweiten Si-Wafer 5 umfasst, der auf der Glasschicht 2 liegt, mittels anodischen Bondens verbunden. Anschließend wird der zweite Wafer 5 in Schritt (f) so weit in einem ätzverfahren abgedünnt, bis eine Messmembran 7 gewünschter Stärke stehen bleibt, welche eine Druckkammer 6 im Innern der Schichtfolge einschließt, wobei die Druckkammer über die Bohrung 4 mit der Umgebung kommuniziert und mit einem Druck beaufschlagbar ist.
In diesem Zustand wäre die Schichtfoige für einen Absolutdrucksensor oder einen Relativdrucksensor verwendbar, wobei die Messmembran
typischer Weise über den Druckkanal mit einem Referenzdruck beaufschlagt wird, während der Messdruck auf die der Druckkammer 6 abgewandte Seite der Messmembran 7 wirkt.
Zur Herstellung von Differenzdrucksensoren werden in Schritt (g) noch eine Giasschicht 12 und ein Substrat 11 in dem in Schritt d gezeigten Zustand auf die Schicht der Messmembranen 7 aufgebracht und mit anodischem Bonden mit der Schicht der Messmembranen 7 verbunden.
Einzelne Differenzdrucksensoren 20 werden durch Vereinzelung entlang der vertikalen gestrichelten Linien in Fig.1g erhalten.
Für den Fachmann ist selbstverständlich das ein Drucksensor noch einen Wandler zum erzeugen eines verformungsabhängigen elektrischen Signals aufweist, welches beispielsweise ein kapazitiver oder ein resistiver, insbesondere ein piezoresistiver Wandler sein kann. Die dazu erforderlichen Elektroden bzw. Widerstandselemente sind hier nicht im einzelnen dargestellt und können in üblicher weise präpariert werden.