DE69403395T2

DE69403395T2 - Kapazitiver Druckwandler und Herstellungsverfahren dazu

Info

Publication number: DE69403395T2
Application number: DE69403395T
Authority: DE
Inventors: Tarja Kankkunen
Original assignee: Vaisala Oy
Current assignee: Vaisala Oy
Priority date: 1993-07-07
Filing date: 1994-06-29
Publication date: 1997-11-06
Anticipated expiration: 2014-06-30
Also published as: JPH0755617A; FI93059B; EP0633459A3; US5656781A; JP3428729B2; FI933124A0; EP0633459B1; FI93059C; EP0633459A2; DE69403395D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Struktur eines kapazitiven Druckwandlers bzw. einen kapazitiven Druckwandler gemäß dem Oberbegriff nach Anspruch 1.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung des kapazitiven Druckwandlers.
Im Hinblick auf den Stand der Technik wird auf die folgenden Veröffentlichungen bezuggenommen

US Patente

[1] US Pat. Nr. 4386453 (Gianchino et al.)
[2] US Pat. Nr. 4257274 (Shimada et al.)
[3] US Pat. Nr. 4332000 (Petersen)
[4] US Pat. Nr. 4390925 (Freud)
[5] US Pat. Nr. 3397278 (Pomeranz)
[6] US Pat. Nr. 4589054 (Kuisma)
[7] US Pat. Nr. 4628403 (Kuisma)
[8] US Pat. Nr. 4594639 (Kuisma)
[9] US Pat. Nr. 3288656 (Nakamura)
Die zitierten Veröffentlichungen [1] bis [5] beziehen sich auf einen kapazitiven Druckwandler, in dem sich eine als eine bewegende erste Elektrode fungierende Siliziummembran derart zu einer zweiten feststehenden Metallelektrode hinbiegt, daß sich die Elektroden mit steigendem Druck einander annähern können. Die Entfernung zwischen den Elektroden hängt vom aufgebrachten Druck ab. Die zitierten Veröffentlichungen [6], [7] und [8] offenbaren einen kapazitiven Druckwandler, in dem sich die als die erste Elektrode fungierende Siliziummembran mit steigendem Druck von der feststehenden Metallelektrode wegbiegt. Die zitierte Veröffentlichung [9] beschreibt zum ersten Mal in der Technik ein Verfahren zum Kontaktieren bzw. Verbinden zweier Siliziumwafer, wobei ein als Schmelzkontaktierung bzw. Schmelzverbindung bezeichnetes Verfahren angewendet wird.
Bekannte kapazitive Druckwandler, die auf einer der Elektrodenanordnung basieren, daß die Elektroden bei dem niedrigsten Druck einander am nächsten sind, sind in den zitierten Veröffentlichungen [6], [7] und [8] offenbart. Ein derartiger Druckwandler hat einen sehr breiten Betriebsdruckbereich. Die Kapazitätsänderungsrate hinsichtlich des Drucks im Wandler ist bei niedrigen Drücken, wenn die Elektroden einander sehr nahe sind, am größten. Wegen der Verwendung einer Vakuumkammer in der Struktur sind für die Leiter keine Durchgangslöcher erforderlich, was zur Erzielung eines stabilen Vakuums beiträgt. Die Vakuumkammer ist durch eine Glasplatte oder einen mit einer Glasschicht beschichteten Siliziumwafer versiegelt. Die erste Elektrode des Wandlerkondensators wird somit durch das kleinflächigere Ende der konischen Vakuumkammer ausgebildet. Die konische Vakuumkammer weitet sich folglich von der Wandlermembran weg auswärts aus.
Die Nachteile der bekannten technischen Strukturen sind:
1. Infolge der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizieten im Silizium und Glas unterliegt die flexible Membran Spannungen, die zu einer wesentlichen Temperaturabhängigkeit des Wandlers führen.
2. Restgase in der Vakuumkammer verursachen eine Langzeitinstabilität.
3. Die Wandlergröße ist für ein kostengeringes Volumenprodukt zu groß. Die Zahl der Wandler pro bearbeiteten Wafer ist zu klein.
4. Die Wandlerstrukturen sind zu kompliziert, wobei die Anwendung mehrerer Lithographieverfahren erforderlich ist. Zur Verbesserung des Ertrags bei der Herstellung der Wandler sollten deren Strukturen und Herstellverfahren möglichst einfach sein.
5. Da die als das aktive Wandlerbauteil fungierende Membran das kleinere Ende der konischen Vakuumkammer ist, ist das andere, das großflächigere Ende der entscheidende Faktor, der die Fläche des Wandlerelements in die Höhe treibt. Anders ausgedrückt verursacht bei der Auswahl einer 4 bestimmten Konstruktionsfläche für die Wandlermembran, aufgrund der Grenzen der verwendeten Wandlertechnologie, die Größe des großflächigeren Endes der Vakuumkammer eine drastische Verringerung der Zahl der auf einem Wafer angebrachten Wandler.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile der vorstehend beschriebenen bekannten Technologie zu beheben und einen vollständig neuartigen Typ einer Struktur eines kapazitiven Wandlers bzw. einen kapazitiven Wandler sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben zu schaffen.
Die Erfindung basiert auf:
1) dem Versiegeln der Vakuumkammer des Wandlers durch Schmelzverkontaktieren bzw. Schmelzverbinden zweier Siliziumwafer miteinander, und
2) dem Verdünnen des für die Ausbildung der flexiblen Siliziummembran beabsichtigten Siliziumwafers im Anschluß an das Versiegeln der Vakuumkammer.
Der erfindungsgemäße kapazitive Druckwandler ist im besonderen durch das gekennzeichnet, was im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 dargelegt ist.
Die Erfindung bietet bedeutende Vorteile.
Das Herstellverfahren und die Struktur der Wandler sind sehr einfach. Der Wandler hat eine kleine Größe und geringe Herstellkosten. Der Wandler sieht einen breiten Betriebsbereich vor. Die Minimierung der Wandlergröße schafft die niedrigstmöglichen Wandlerkosten. Infolge des einfachen Herstellverfahrens werden ein hoher Ertrag und minimierte Herstellkosten erzielt.
Die Vorteile der Erfindung beinhalten die Möglichkeit der Maximierung des Kammervolumens, während gleichzeitig eine kleinstmögliche Wandlerfläche erhalten wird. Wie bekannt verursachen Restgase in der Vakuumkammer eine Temperaturabhängigkeit des Wandlernullwerts, welche durch eine Maximierung des Vakuumkammervolumens verringert werden kann. Diese Erfindung offenbart zum ersten Mal in der Technik einen Wandler mit einer Vakuumkammerkonstruktion, die aus keinem anderen Material außer aus Silizium besteht. Wie bekannt bereiten Strukturen mit einer durch Glas versiegelten Vakuumkammer aufgrund der Tatsache, daß Glas leicht Gase absorbiert, die dann in die Vakuumkammer abgegeben werden, wodurch eine Langzeitinstabilität des Wandlers hervorgerufen wird, Schwierigkeiten. Die Aufstandsfläche des vorliegenden Wandlers wird minimiert, da das Herstellverfahren der Vakuumkammern keine Waferfläche bei den abgeschrägten Kammerwänden vergeudet, wie es bei den bekannten Strukturen [6], [7] der Fall ist.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist das Erzielen einer hermetischen Verbindung in der Silizium-Silizium-Trennfläche, wodurch unter Verwendung bekannter Oberflächenbehandlungen auf eine herkömmliche Art und Weise [9] leicht eine Hermetizität erzielt werden kann. Das anodische Verbinden der Glas-Silizium-Trennfläche in der gegenwärtigen Struktur hängt dabei nicht von der Hermetizitätserfordernis ab.
Einige dieser Vorteile sind in den Sensoren zu sehen, die in IRE WESCON CCONVENTION RECORD, Vol 35, November 1991, Nord-Hollywood US, Seiten 419 - 426, J. BRYZEK Silicon Pressure and Acceleration Sensors" offenbart sind.
Die Erfindung wird anschließend mit Hilfe von beispielhaften Ausführungsformen, die in den anhängigen Zeichnungen veranschaulicht sind, ausführlicher behandelt, wobei
Fig. 1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen kapazitiven Druckwandlers ist,
Fig. 2 eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kapazitiven Druckwandlers ist,
Fig. 3 eine Seitenansicht einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kapazitiven Druckwandlers ist,
Fig. 4 eine Seitenansicht einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kapazitiven Druckwandlers ist,
Fig. 5 eine Draufsicht der Silizium-Glas-Interface bzw. -Trennfläche in der in der Abbildung von Fig. 4 gezeigten Struktur ist,
Fig. 6a bis 6g Seitenansichten der verschiedenen Schritte des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens sind,
Fig. 7 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen kapazitiven Druckwandlers ist, der mit einem Überdruckschutz versehen ist, und
Fig. 8 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen kapazitiven Druckwandlers ist.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1, 2, 3 und 4 werden beispielhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Druckwandler veranschaulicht, die so konstruiert sind, daß die Siliziummembran mit steigendem Druck von der feststehenden Metallelektrode weggebogen wird, und eine mit einem Siliziumwafer versiegelte Vakuumkammer aufweisen. Die herstellten Wandlerstrukturen sind als separate Wandler dargestellt. Im tatsächlichen Herstellverfahren werden die Wandler jedoch als eine Anordnung auf kreisförmigen Wafern hergestellt, aus denen die einzelnen Wandler durch Sägen abgetrennt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Vakuumkammer im Silizium gefertigt, wobei herkömmliche mikromechanische Verfahren angewendet werden, die von einem dickeren Siliziumwafer ausgehen und dann die Kammer mit einem dünneren Siliziumwafer versiegeln, der nach dem Verbinden der Siliziumwafer einem weiteren Verdünnen unterliegt. Ein derartiges erfindungsgemäßes Herstellverfahren ist in Fig. 6a bis 6g veranschaulicht.
Gemäß Fig. 1 erfolgt die Herstellung der hierin gezeigten Wandlerausführungsform dadurch, daß zunächst herkömmliche mikromechanische Verfahren angewendet werden, um in einem dicken Siliziumwafer 1 eine Vakuumkammer 21 mit abgeschrägten Wänden 11 zu erzeugen, wobei jedoch keine extra Siliziumstellfläche verbraucht wird, was angesichts des Erreichens einer kleinen Baugröße des Wandlers nachteilig wäre. Der Winkel α, der zwischen der Wand 11 und einer Membran 4 ausgebildet ist, die im dünnen Siliziumwafer 2 derart ausgebildet wird, daß sie als die bewegende Elektrode des Wandlerkondensators fungiert, ist erfindungsgemäß kleiner oder gleich 90º. Der Winkel α ist als der Winkel definiert, der ausgebildet wird, wenn die Membran 4 keinem externen Druck unterliegt. Die Weite bzw. Breite der Vakuumkammer 21 bestimmt die Breite der flexiblen Membran 4, die eine der Schlüsseldimensionen des Wandlers in einer bestimmten Anwendung ist. An den dickeren Wafer 1, in dem die Vakuumkammer 21 ausgebildet ist, wird durch ein Schmelzverbindungsverfahren ein dünner Siliziumwafer 2 hermetisch angebracht. Vor dem Verbinden werden die flachen Siliziumoberflächen durch herkömmliche Siliziumoberflächenwaschverfahren behandelt, anschließend werden die Wafer in einem Vakuum übereinandergeschichtet, und die Verbindung wird durch eine Wärmebehandlung versiegelt. In Fig. 1 bildet der verdünnte Siliziumwafer 2 sowohl die flexible Membran 4 wie auch den Luftspalt 23 aus, der die Nullwertkapazität bestimmt. Die Tiefe der Vakuumkammer 21 wird von der Dicke des dickeren Siliziumwafers begrenzt, die gewöhnlich von 500 µm bis 1500 µm geht. Die Membran 4 oder wenigstens ihre untere Oberfläche ist leitend dotiert. Zu diesem Zweck beträgt der typische Unmengendotierungspegel 10¹&sup8; Fremdatome/cm³.
Die dünne gebogene Membran 4 bleibt während des gesamten Verdünnungsverfahrens der Membranfläche am dickeren Siliziumwafer 1 haften, was entscheidend ist, um während des Verdünnungsverfahrens einen hohen Ertrag zu erzielen, der davon abhängt, ob die Membran unbeschädigt bleibt. Obwohl die Dicke der flexiblen Membran 4 bekannt sein muß, um die Drucksensitivität des Wandlers zu bestimmen, ist die Messung der Membrandicke durch herkömmliche Verfahren unmöglich, da die Membran 4 ein integraler Teil des dickeren Wafers ist. Das Biegungsprofil der Membran 4 kann jedoch optisch gemessen werden, und dann kann die Dicke aus der gemessenen Durchbiegung berechnet werden. Die verdünnte flache Siliziumoberfläche wird anschließend - durch beispielsweise ein anodisches Verbinden - mit einer Metallelektrode 5 und deren Verbindungsanschlußfläche 3 versehen, wobei eine auf dem Siliziumwafer aufgebrachte Glasschicht eine Isolierung vorsieht.
In Fig. 2 ist ein Wandler abgebildet, der dem vorstehend beschriebenen ähnlich ist, wobei jedoch der Luftspalt 23 anders ausgebildet wird, als der in Fig. 1 gezeigte Luftspalt. Der Luftspalt wird hier in der Glasschicht 3 ausgebildet, während in der in Fig. 1 gezeigten Struktur der Luftspalt 23 im Silizium des Wafers 2 ausgebildet wurde. Die wichtigste Dimension des Wandlers ist die Tiefe des Luftspalts; folglich ist dessen Herstellung in einer homogenen Glasschicht einfacher zu Steuern als für Silizium, wobei die Ätzrate des Siliziums vom Widerstand des Siliziumwafers abhängt.
In Fig. 3 ist ein Wandler gezeigt, bei dem das Substrat für die Metallelektrode 5 durch einen Siliziumwafer gebildet wird, auf welchen auf die in der zitierten Referenz [6] beschriebenen Art und Weise eine dünne Glasschicht 6 aufgebracht wird. Der Luftspalt 23 wird im Silizium des Wafers 2 durch ein Ätzverfahren ausgebildet.
In Fig. 4 ist ein Wandler gezeigt, bei dem der Luftspalt und die dielektrische Isolierung des Wafers 2 von der Metallelektrode 5 durch eine dünne Glasschicht 6 vorgesehen wird. Die Schnittebene der Abbildung fällt mit dem Außendruckübertragungskanal zusammen.
In Fig. 5 ist ein Wandler in einer Draufsicht gezeigt, wobei die Trennfläche zwischen dem das Substrat für die Metallelektrode 5 vorsehenden Siliziumwafer und dem verdünnten Siliziumwafer dargestellt ist. Das Bezugszeichen 15 bezeichnet die Silizium-Glas-Trennfläche. Der Außendruckübertragungskanal 13 wird in der Metallschicht 5 der anderen Kondensatorelektrode ausgebildet.
Gemäß Fig. 6a bis 6g wird der Wandler durch die folgenden Schritte hergestellt:
a) Das Bearbeiten eines typischerweise 500 bis 1500 µm dicken Siliziumwafers 1 mittels herkömmlicher Lithographieverfahren, so daß er eine Vakuumkammer 21 mit einer Dicke von 100 bis 1000 µm aufweist. Das Silizium wird durch beispielsweise eine 3 bis 50%-ige Kahumhydroxidlösung geätzt, die im allgemeinen eine Ätzrate von 0,5 bis 1 µm/min vorsieht. In einem Wafer aus normalem Silizium werden die Wände der Kammer 21 derart abgeschrägt geätzt, daß die Kammer 21 eine kegelstumpfartige Form erhält.
b bis c) Das Anbringen eines weiteren Siliziumwafers 2 von im allgemeinen 200 bis 400 µm Dicke durch ein Schmelzverbindungsverfahren an den Siliziumwafer 1 mit der Vakuumkammer. Vor dem Schmelzverbindungsschritt werden die Siliziumoberflächen durch beispielsweise eine heiße Salpetersäure, einen RCA-Überzug oder H&sub2;SO&sub4;/H&sub2;O&sub2;-Überzug behandelt.
d bis e) Das Verdünnen des Siliziumwafers 2 bis auf eine sehr dünne Dicke von 1 bis 100 µm, typischerweise bis auf 20 µm. Der verdünnte Wafer 2 bleibt während des gesamten Verdünnungsprozesses am dickeren Wafer angebracht. Wenn es gewünscht wird, kann der Wafer 2 an der Vakuumkammer 21 weiter verdünnt werden, so daß unter der Wandlermembran 4 relativ zur anderen Elektrode des Wandlerkondensators ein Luftspalt ausgebildet wird.
f bis g) Das Verbinden der beiden verbundenen Siliziumwafer mit der fertigbearbeiteten flexiblen Membran 4 mit einem Substrat 3, in dem eine isolierte Metallelektrode 5 des Wandlerkondensators eingebaut ist.
In Fig. 7 ist ein dem in Fig. 1 gezeigten Wandler ähnlicher Wandler mit einem Überdruckschutz 17 gezeigt. Ein derartiger Überdruckschutz 17 wird durch das Ätzen eines Teils des Vakuumkammerbodens bis zu einer der gewünschten maximal zulässigen Durchbiegung der Membran 4 entsprechenden Tiefe ausgebildet. Auf diese Weise kann der Wandler so angefertigt werden, daß er auch hohen Überdrücken standhält, wobei die Membran gegen den Überdruckschutz 17 gebogen wird, ohne dabei zu brechen.
In Fig. 8 ist ein Differential-Druckwandler gezeigt, wobei die Kammer mit einem gebohrten oder geätzten Loch 19 versehen ist, um die Verbindung der Kammer 21 mit dem Außendruck zu ermöglichen.
Die Kontakte zu den Wandlerkondensatorelektroden können ferner mittels Kontakten vorgesehen werden, die durch die Glassubstratschicht 3 gefertigt sind. Durchgangslöcher für die Kontakte können entweder durch mechanische oder chemische Bearbeitungsschritte realisiert werden. Die Durchgangslöcher werden durch Sputter- bzw. Dampfablagerung eines geeigneten Materials derart leitend gemacht, daß die elektrischen Kontakte ausgebildet werden. Eine derartige Anordnung kann dazu verwendet werden, mehrere Wandler auf einen Wafer zu packen.

Claims

1. Kapazitiver Druckwandler mit

- einer angrenzenden Membranstruktur (2), die wenigstens teilweise derart leitend ist, daß sie eine erste Elektrode (4) eines Wandlerkondensators bildet,

- einem Substrat (3), das mit einer ersten Oberfläche der Membranstruktur (2) permanent verbunden ist und

- eine von der ersten Elektrode (4) beabstandete und im wesentlichen nach dieser ausgerichtete zweite Elektrode (5) des Wandlerkondensators aufweist, und

- einer Siliziumstruktur (1), die mit einer zweiten Oberfläche der Membranstruktur (2) permanent verbunden ist und einen Raum (21) definiert, der dazu geeignet ist, eine Biegung der ersten Elektrode (4) aufzunehmen, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Winkel α, der zwischen Seitenwänden (11), die den Raum (21) definieren, und der ersten Elektrode (4) ausgebildet ist, kleiner als oder gleich 90º ist, und

- das den Raum (21) umgebende Material Silizium oder dotiertes Silizium ist.

2. Kapazitiver Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Raums (21) ein für die Begrenzung der Biegung der ersten Elektrode (4) angeordneter Vorsprung (17) vorgesehen ist.

3. Kapazitiver Druckwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (21) eine Vakuumkammer ist.

4. Kapazitiver Druckwandler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (21) mit einem Kanal (19) für eine Verbindung mit einem Außendruck versehen ist.

5. Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Druckwandlers, wobei ein kapazitiver Druckwandler mit

- einer angrenzenden Membranstruktur (2), die wenigstens teilweise derart leitend ist, daß sie eine erste Elektrode (4) eines Wandlerkondensators ausbildet,

- einer Siliziumstruktur (1) ausgebildet wird, die mit einer zweiten Oberfläche der Membranstruktur (2) permanent verbunden ist und einen Raum (21) definiert, der dazu geeignet ist, eine Biegung der ersten Elektrode (4) aufzunehmen, wobei das Verfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist:

- das Anbringen der Membranstruktur (2) über den in der Siliziumstruktur (1) ausgebildeten Raum (21) unter im wesentlichen Vakuumbedingungen und unter Verwendung von Schmelzverbindungsverfahren,

- das Verdünnen der Membranstruktur (2) durch mikromechanische Verfahren, so daß die erste Elektrode (4) ausgebildet wird, und

- das Anbringen der Siliziumstruktur (1), in welcher nun die erste Elektrode (4) integriert ist, an das Substrat (3), in welchem die zweite Elektrode (5) integriert ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Raums (21) ein für die Begrenzung der Biegung der ersten Elektrode (4) geeigneter Vorsprung (17) ausgebildet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (21) so angepaßt wird, daß er eine Vakuumkammer ist.

8. Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (21) so angepaßt wird, daß er über einen Kanal (19) mit einem externen Druck in Verbindung steht.