DE4122435A1 - Verfahren zur herstellung von beschleunigungssensoren und beschleunigungssensor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung von Be­ schleunigungssensoren nach der Gattung des Hauptanspruches.

Aus der EP A 03 69 352 sind Verfahren für die Herstellung von Be­ schleunigungssensoren bekannt, bei denen verschiedene Methoden für die Verbindung von strukturierten Siliziumplatten mit Glasplatten oder Siliziumplatten mit oder ohne Hilfsschichten vorgestellt wer­ den. Hierbei werden die Siliziumplatten luftdicht miteinander ver­ bunden, so daß das eingeschlossene Sensorelement keinen Kontakt mit der Außenluft bekommt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß die Dichtheit der Verbindung verschiedener Platten unmittelbar nach der Verbindung zu prüfen ist. Insbesondere bei der parallelen Herstellung vieler Sensoren auf ei­ nem Wafer, ist es von großem Vorteil, wenn diese Prüfung, in einem frühen Stadium der Herstellung und ohne zusätzliche Bearbeitung der Wafer möglich ist. Das Verfahren erlaubt außerdem, den Effekt jedes weiteren Bearbeitungsschrittes auf die Verbindung der Platten und auf den Innendruck der Sensoren zu verfolgen. Beim Sensor mit einer Membran ist der Innendruck jedes Sensors auch nach dem Vereinzeln der Sensoren jederzeit meßbar.

Durch die in den Unteransprüchen ausgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch gegebenen Verfahrens bzw. des Sensors möglich.

Bei der Verbindung von mehreren Platten zur Herstellung der Sensoren erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine gezielte Lokalisierung von mangelhaft erfolgten Verbindungen zwischen den Platten. Werden die Hohlräume über mehrere Platten gebildet, so ist eine Beurteilung der Verbindung aller beteiligten Platten möglich. Der Vorteil einer Membran für jeden Sensor ist in der individuellen Beurteilung jedes einzelnen Sensors zu sehen. Die Beurteilung der Verbindung mehrerer Sensoren anhand eines neben den Sensoren angeordneten Hohlraums mit einer Membran benötigt weniger Chipoberfläche und ist daher kosten­ günstig. Die Verwendung von Maskierungs- und Ätzprozessen erlaubt die parallele Herstellung einer Vielzahl von Sensoren. Fertigungs­ technisch ist die Verwendung von drei Platten vorteilhaft, wobei das Sensorelement aus der mittleren Platte herausgearbeitet ist. Die Ausführung der Membranen in der mittleren Platte ist kostengünstig, weil dabei die Prozesse für die Herstellung der Sensorelemente auch für die Herstellung der Membrane genutzt werden. Bei den Sensoren mit einer Membran ist der Innendruck der Sensoren jederzeit über­ prüfbar. Besonders vorteilhaft wird dabei die Membran räumlich neben die Sensorelemente angeordnet, um die Bewegung der Sensorelemente nicht durch die Verformung der Membran zu behindern.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 den Schnitt durch zwei verbundene Platten,

Fig. 2 einen Schnitt durch vier verbundene Platten,

Fig. 3 einen Sensor dessen Sensorelement aus der mittleren Platte herausgebildet ist,

Fig. 4 einen Sensor mit neben dem Sensor angeordnetem Hohlraum,

Fig. 5 zeigt die vorteilhafte Anordnung der Membranen bei drei Plat­ ten.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt eine Unterplatte 2 und eine Oberplatte 3, die so bear­ beitet und zusammengefügt sind, daß Hohlräume 4, 20 entstehen. In die Oberplatte 3 ist zumindest ein Hohlraum 4 eingebracht, wobei der Hohlraum durch Ätzen der Oberplatte gebildet wird. Hierbei ist die Oberplatte 3 so dünn ausgestaltet, daß sie wie eine Membran verform­ bar ist. Das Sensorelement 1, ist hermetisch in einem weiteren Hohl­ raum 20 verkapselt. Die beiden Platten 2, 3 können beispielsweise aus einkristallinem Material wie Silizium, Galliumarsenid, Germanium oder Quarz bestehen, jedoch auch amorphe Materialien wie Glas sind verwendbar. Die Verbindung der beiden Platten 2, 3 wird durch Sili­ zium-Direkt-Bonden, durch anodisches Bonden, Kleben, Schweißen oder Löten hergestellt. Die Bearbeitung der Platten wird typischerweise durch Ätzprozesse wie reaktives Ionenätzen oder anisotrope oder iso­ trope chemische Ätzprozesse erfolgen, aber auch mechanische Bearbei­ tung und verschiedene Methoden zur Abscheidung von dünnen Filmen sind anwendbar. Typischerweise werden die mikromechanische Sensor­ elemente 1 hermetisch von der sie umgebenden Umwelt getrennt, um Verschmutzungen oder Beschädigungen zu vermeiden. Dabei ist es sinn­ voll, die Sensoren mit einem vom Normaldruck abweichenden Innen­ druck zu verschließen. Insbesondere die Verkapselung mit Unterdruck ist vorteilhaft, um die Reibung der beweglichen Sensorteile an der Luft zu verringern. Die Membran 5 wird in ihren Dimensionen so aus­ gelegt, daß sie durch eine Druckdifferenz zwischen Hohlraum 4 und Umgebung verformt wird. Der Nachweis der Verformung der Membran kann beispielsweise durch optische oder mechanische Messung erfolgen. Die Messung dieser Verformung erlaubt eine Aussage über den eingeschlos­ senen Druck im Hohlraum 4. Es ist so möglich, eine Aussage über den Druck in den Beschleunigungssensoren zu machen, ohne daß die Wafer zerteilt, kontaktiert oder sonst in irgendeiner Weise weiterbear­ beitet werden.

Fig. 2 zeigt vier Platten 21-24 mit drei Hohlräumen 26-28 und Mem­ branen 5. Über der Membran 5 des Hohlraums 26 sind die Platten 23, 24 mit Öffnungen 7 versehen, über der Membran des Hohlraums 27 ist die Platte 24 mit einer Öffnung 7 versehen. Durch diese Öffnungen 7 kann durch die Verformung der Membran 5 der Innendruck in jedem einzelnen Hohlraum und somit die Dichtheit der Verbindung von jeweils zwei Platten bestimmt werden, Hohlraum 26 erlaubt die Beurteilung der Verbindung der Platten 21 und 22, Hohlraum 27 erlaubt die Beurtei­ lung der Verbindung der Platten 22 und 23, und Hohlraum 28 erlaubt die Beurteilung der Verbindung der Platten 23 und 24. Das in Fig. 2 für vier Platten 21-24 gezeigte Prinzip zur Überprüfung jeder ein­ zelnen Verbindung von zwei Platten durch Hohlräume und darüberlie­ gender Öffnungen, läßt sich in äquivalenter Weise auf beliebig viele Platten erweitern.

Fig. 3 zeigt einen Beschleunigungssensor, der durch die Verbindung der Unterplatte 2, einer mittleren Platte 8 und der Oberplatte 3 ge­ bildet wird. Das Sensorelement 1, das im Ausführungsbeispiel aus ei­ ner Zunge 32 und aus einer seismischen Masse 31 besteht, wird durch Ätzprozesse aus der mittleren Platte 8, die aus Silizium oder einem anderen einkristallinen Material besteht, herausgearbeitet. Die Oberplatte 3 und die Unterplatte 2 schließen das Sensorelement 1 druckdicht ein. In die Oberplatte, die aus einkristallinen Materia­ lien oder Glas besteht, ist durch Ätzprozesse eine Membran 5 einge­ arbeitet. Der eingeschlossene Druck und die Qualität der Verbindung der Platten wird durch die Auslenkung dieser Membran 5 bestimmt. Die Membran 5 ist dabei räumlich neben dem Sensorelement 1 angeordnet. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die Bewegung des Sensorele­ mentes 1 nicht durch die Auslenkung der Membran 5 gestört wird.

Fig. 4 zeigt einen Beschleunigungssensor, der wiederum durch die Verbindung von drei Platten 2, 8, 3 hergestellt wurde und einen sepa­ rat neben dem Sensor angeordneten Hohlraum 30. Die Herstellung des Sensorelementes 1 erfolgt in bekannter Weise, zur Herstellung des Hohlraums 30 werden die Ätzprozesse der mittleren Platte 8 so ge­ führt, daß die mittlere Platte 8 im Bereich des Hohlraumes 30 voll­ ständig entfernt ist. Die Oberplatte 3 ist im Bereich des Sensorele­ mentes 1 im wesentlichen in ihrer ursprünglichen Dicke erhalten, im Bereich des Hohlraumes 30 ist sie teilweise als Membran 5 ausge­ führt. Die Auslenkung der Membran 5 des Hohlraums 30 erlaubt eine indirekte Aussage über den im Hohlraum 4 des Sensors eingeschlosse­ nen Drucks. Eine besonders kostengünstige Massenproduktion ist die parallele Fertigung, bei der oft mehrere Hundert Sensoren durch Zusammenfügen von nur drei bearbeiteten Wafern hergestellt werden. Für die Bear­ beitung der Wafer werden nur Methoden eingesetzt, die alle Sensoren gleichzeitig bearbeiten, wie beispielsweise Ätztechniken oder Mas­ kierungen. Für die parallele Herstellung einer Vielzahl von Be­ schleunigungssensoren durch Zusammenfügen von Wafer, ist es oft aus­ reichend, die Qualität der Verbindung durch wenige, neben den Senso­ ren angeordnete Hohlräume mit einer Membran zu bestimmen. Der in Fig. 4 gezeigte Hohlraum wird von allen drei im Herstel­ lungsprozeß verwendeten Platten gebildet. Die Auslenkung der Membran zeigt somit nicht die Dichtheit einer einzelnen Verbindung, sondern die Dichtheit von zwei im Herstellungsprozeß erfolgten Verbindungen an. Bei Herstellungsprozessen mit mehr als drei Platten läßt sich die Qualität aller Verbindungen in äquivalenter Weise durch entspre­ chende Hohlräume bestimmen.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausbildung der Erfindung bei der Herstel­ lung von Sensoren durch Zusammenfügen von drei Platten 2, 8, 3. Die Herstellung des Sensorelementes 1 erfolgt in bekannter Weise. Neben dem Sensor sind zwei zusätzliche Hohlräume 9 angeordnet. Die mittle­ re Platte 8 ist im Bereich dieser zusätzlichen Hohlräume 9 durch entsprechende Ätzprozesse teilweise als Membran 5 ausgeführt. Bei einem der Hohlräume 9 ist die Oberplatte 3, beim anderen die Un­ terplatte 2 mit einer Öffnung 7 versehen.

Platten mit dünngeätzten Membranen verlangen besondere Ätzprozesse und eine besondere Handhabung bei der Herstellung. Fertigungstech­ nisch ist es daher kostengünstig, die Membranen 5 aus der mittleren Platte 8 herauszuarbeiten, da die Prozesse zur Herstellung der Sen­ sorelemente auch zur Herstellung der Membranen verwendet werden kön­ nen. Durch die in Fig. 5 gezeigten Öffnungen 7 in der Oberplatte 3 und/oder Unterplatte 2 sind die Membranen 5 für eine Messung der Verformung zugänglich. Die in Fig. 5 gezeigte Ausführung der Erfin­ dung ermöglicht zudem eine gezielte Lokalisierung der undichten Ver­ bindung.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von Beschleunigungssensoren, bei dem mindestens eine Oberplatte (3) und eine Unterplatte (2) verbunden werden, und zwischen den Platten zumindest ein Hohlraum (4) gebil­ det wird, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Platten (2, 3) im Bereich des Hohlraums (4) in Form einer Membran (5) ausgebil­ det wird, so daß die Membran (5) durch den im Hohlraum (4) einge­ schlossenen Druck verformbar wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehr als zwei miteinander verbundenen Platten (21-24) im Bereich der Mem­ bran (5) Öffnungen (7) vorgesehen werden, so daß alle Membranen (5) von außen zugänglich sind.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Hohlraum über mehrere Platten gebildet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in dem Hohlraum das Sensorelement (1) eingebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß min­ destens zwei Hohlräume vorgesehen sind, von denen lediglich ein Teil eine Membran aufweist und daß in den Teil ohne Membran Sensorelemen­ te (1) eingebracht sind.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Platten durch Maskierung und Ätzprozesse bear­ beitet werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen der Unterplatte (2) und der Oberplatte (3) eine mittlere Platte (8) eingebracht ist, aus der das Sensorele­ ment (1) herausgearbeitet ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiterer Hohlraum (9) gebildet wird, und daß die mittlere Platte (8) im Bereich des zumindest einen weiteren Hohlraums (9) teilweise als Membran (5) ausgebildet ist.

9. Beschleunigungssensor mit einer mittleren Platte (8), aus der ein Sensorelement (1) herausgearbeitet ist, und mit einer Oberplatte (3) und einer Unterplatte (2) die das Sensorelement druckdicht ein­ schließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberplatte (3) und/oder die Unterplatte (2) im Bereich des Sensorelementes (1) in der Form einer Membran (5) ausgebildet ist, die durch den Innendruck des Sen­ sors verformbar ist.

10. Beschleunigungssensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Membran (5) und Sensorelement (1) räumlich nebeneinander ange­ ordnet sind.