WO2005040747A1 - Semiconductor pressure sensor and method for producing the same - Google Patents

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WO2005040747A1
WO2005040747A1 PCT/EP2004/011712 EP2004011712W WO2005040747A1 WO 2005040747 A1 WO2005040747 A1 WO 2005040747A1 EP 2004011712 W EP2004011712 W EP 2004011712W WO 2005040747 A1 WO2005040747 A1 WO 2005040747A1
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WO
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wafer
body wafer
membrane
counter
joining
Prior art date
Application number
PCT/EP2004/011712
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Inventor
Dietfried Burczyk
Friedrich Schwabe
Herbert Bartuch
Thomas Schroeter
Original Assignee
Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/14—Housings
    • G01L19/145—Housings with stress relieving means
    • G01L19/146—Housings with stress relieving means using flexible element between the transducer and the support
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0042—Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor pressure sensor and a method for its production.
  • Semiconductor pressure sensors comprise a pressure-dependent deformable semiconductor membrane, which is connected along its edge region to a comparatively rigid support body. This means that the pressure-dependent deformation of the carrier body should be negligible compared to the pressure-dependent deformation of the membrane.
  • the edge region of the semiconductor membrane can have a greater material thickness than a deformable central region or a deformable ring zone.
  • the semiconductor membrane can have a consistently constant material thickness.
  • the carrier body preferably has the same thermal expansion properties as the semiconductor membrane. This is achieved in particular in that the carrier body has the same material or, apart from doping, the same or a similar substrate material as the semiconductor membrane.
  • the carrier body has a circumferential slot parallel to the membrane surface, so that the
  • Section of the support body only takes place via a central constriction with a reduced cross-sectional area, which is limited by the circumferential cut.
  • the upper section of the carrier body can also be regarded as a rigid counter-body which supports the membrane, and the lower section of the carrier body as a decoupling body which is functionally separate therefrom and which connects with the counter-body the central constriction is connected.
  • the central constriction runs a pressure line for supplying the reference pressure or the minus side pressure to the rear of the semiconductor membrane.
  • the constriction is realized by introducing a circumferential slot into the carrier body, which can be done for example by sawing.
  • this method is very complex and, on the other hand, very susceptible to failure due to the mechanical load on the sensor structure. It is therefore the object of the present invention to provide an improved method for producing sensors and a semiconductor pressure sensor produced by this method.
  • the method according to the invention comprises providing a counter body wafer with a plurality of counter body elements and a decoupling body wafer with a plurality of decoupling body elements, the counter body wafer having a first joining surface which is to be joined with a second joining surface of the decoupling body wafer; Creating a plurality of protrusions in the first and / or the second joining surface by removing the material surrounding the protrusions; Joining the first and second joining surfaces; and separating the semiconductor pressure sensors.
  • a membrane body wafer with a plurality of membrane body elements is to be joined to the membrane-side surface of the counter-body wafer, the membrane-side surface of the counter-body wafer facing away from the first joining surface.
  • the membrane body wafer can be joined to the counter body wafer at any time, ie before or after the joining of the first and the second joining surface, or simultaneously with it.
  • the membrane body wafer is joined to the counter body after the joining of the first and the second joining surface.
  • all wafers can include semiconductor materials, for example silicon.
  • another material for example glass or a ceramic material, can also be used in particular for the decoupling body wafer. Due to the different elastic properties of glass / ceramic to silicon, this material is only suitable for low pressures.
  • the protrusions can be produced by structuring methods known to the person skilled in the art, for example etching methods, which are common in semiconductor technology or in microsystem technology.
  • the choice of the method for joining the first to the second joining surface depends on boundary conditions such as the choice of the materials to be joined and the sequence of other process steps. If both wafers have silicon, fusion bonding can be carried out at approx. 1000 ° C. However, this presupposes that the membrane body wafer is not yet connected to the counter body wafer, because the structuring of the membrane body wafer usually does not withstand such temperatures. To avoid the high temperatures, two Si wafers can also be joined by eutectic soldering, for example Au-Si eutectic soldering, which is familiar to the person skilled in the art. In this case, the term “soldering” refers to the addition of a metal or an alloy with which the Si forms a eutectic.
  • one of the surfaces to be joined can be metallized with a gold layer of, for example, 0.8 ⁇ m to 1.5 ⁇ m
  • At least one of the wafers is heated to a sufficiently high temperature of, for example, 400 ° C. to 480 ° C.
  • the joining surfaces are brought into contact with one another and connected to one another under pressure.
  • the decoupling body wafer has glass, for example Pyrex, and the counter body wafer Si, anodic bonding is suitable for joining the two wafers.
  • the membrane body wafer can be joined to the counter body wafer, for example, by means of Au-Si eutectic soldering, the method being able to be carried out as a full wafer bond or as a single-chip method.
  • the semiconductor pressure sensors are separated, for example, by sawing.
  • the semiconductor pressure sensors are separated in two substeps, with guarding or shielding being applied between the substeps.
  • the wafer assembly consisting of the membrane body wafer, the counter body wafer and the decoupling body wafer, is sawn in from the side of the membrane body wafer along the boundary lines between adjacent semiconductor pressure sensor elements to a certain depth in the first separation sub-step. This can be the boundary layer between the Counter body wafer and the decoupling body wafer.
  • each semiconductor pressure sensor receives an integrated, electrically conductive cover layer on its membrane surface and on its side surfaces to the depth of the first saw cuts, which, with appropriate grounding on the measuring mechanism, serves as a shield or guarding.
  • PECVD plasma-assisted chemical vapor deposition
  • FIG. 1 It shows:
  • the wafer ensemble shown in FIG. 1 comprises three interconnected wafers, namely a membrane body wafer 1, a counter body wafer 2 and a decoupling body wafer 3. All wafers of the wafer ensemble have silicon in this exemplary embodiment.
  • the process steps explained below have already been carried out in the state shown:
  • projections 21 are prepared in a surface of the counter body wafer 2 by removing the material surrounding the projections, so that the projections 21 are surrounded by depressions 22.
  • the removal of the surrounding material is carried out by the etching process known to the person skilled in the art.
  • the end faces 23 of the projections 21 are then connected to a surface of the decoupling body wafer 3. In the exemplary embodiment, this is done by fusion bonding at about 1000 ° C.
  • the surfaces of the connecting partners are first hydrophilized and rinsed in a micro clean room with filtered, deionized water, dried and pressed together with pressure. The one or two monolayers of water remaining in the connection zone then react at about 1000 ° C. to form silicon dioxide which has a relatively strong covalent bond to the silicon.
  • pressure channels 31 are then passed through the interconnected decoupling body wafers and counter body wafers. This is done either by ultrasonic drilling or by laser drilling, for example with a YAG laser. In particular, a pressure channel 31 is guided through each projection 21.
  • the pressure channels have a diameter of 0.5 mm, for example, although smaller and larger diameters are also suitable. If the semiconductor pressure sensors are to be used in measuring units with hydraulic pressure transmission, however, it is advisable not to fall below a minimum diameter of 0.2 mm in order to ensure reliable filling of the interior of the semiconductor pressure sensor with the transmission liquid.
  • the membrane body wafer 1 is connected to the free surface of the counter body wafer 2.
  • the membrane body wafer has a stronger edge region 10 around the individual thin membranes 11.
  • the underside 13 of these edge regions is connected to the free surface of the counter body wafer 2 with the formation of a Si-Au eutectic.
  • the semiconductor pressure sensors are separated by separating them from one another along the indicated cutting lines 32.
  • Shielding or guarding can optionally be applied.
  • the separation takes place in two steps, between which the guarding is applied.
  • the singling cuts are only made along the lines 32 to a depth to which the guarding is to extend. This can be the plane of the interface between the counter body wafer 2 and the decoupling body wafer 3, for example.
  • An insulating layer is then applied to the surface of the membrane body wafer and the side surfaces of the membrane exposed by the separating cuts

Abstract

The invention relates to a method for producing a semiconductor sensor, comprising the steps of providing a counter-base wafer and a decoupling-base wafer, whereby the counter-base waver has a first contact surface that is to be joined to a second contact surface of the decoupling-base wafer; generating a plurality of projections in the first and/or the second contact surface by removing the material surrounding the projections; joining the first and the second contact surface; and subdividing the semiconductor pressure sensors. When joining the first and second contact surfaces the projections of one of the two contact surfaces are joined with the opposite contact surface. Two Si wafers can be joined at 1000 °C by fusion bonding. Optionally, a screen or guarding element can be applied. For this purpose, the steps of subdivision are carried out to a depth down to which the guarding element is supposed to reach. An insulating SiO2 layer and an Si layer are applied to the surface of the membrane base waver and the exposed lateral faces of the semiconductor pressure sensors. The remaining connections between the semiconductor pressure sensors are finally severed.

Description

Halbleiterdrucksensor und Verfahren zu seiner Herstellung Semiconductor pressure sensor and method for its manufacture
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiterdrucksensor und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Halbleiterdrucksensoren umfassen eine druckabhängig verformbare Halbleitermembran, die entlang ihres Randbereichs mit einem vergleichsweise steifen Trägerkörper verbunden ist. D.h., die druckabhängige Verformung des Trägerkörpers sollte im Vergleich zur druckabhängigen Verformung der Membran vernachlässigbar sein. Der Randbereich der Halbleitermembran kann eine größere Materialstärke aufweisen als ein verformbarer zentraler Bereich oder eine verformbare Ringzone. Gleichermaßen kann die Halbleitermembran eine durchgehend konstante Materialstärke aufweisen. Der Trägerkörper weist vorzugsweise die gleichen thermischen Ausdehnungseigenschaften auf wie die Halbleitermembran. Dies wird insbesondere dadurch erzielt, daß der Trägerkörper das gleiche Material bzw. abgesehen von Dotierungen das gleiche oder ein ähnliches Substratmaterial wie die Halbleitermembran aufweist.The present invention relates to a semiconductor pressure sensor and a method for its production. Semiconductor pressure sensors comprise a pressure-dependent deformable semiconductor membrane, which is connected along its edge region to a comparatively rigid support body. This means that the pressure-dependent deformation of the carrier body should be negligible compared to the pressure-dependent deformation of the membrane. The edge region of the semiconductor membrane can have a greater material thickness than a deformable central region or a deformable ring zone. Likewise, the semiconductor membrane can have a consistently constant material thickness. The carrier body preferably has the same thermal expansion properties as the semiconductor membrane. This is achieved in particular in that the carrier body has the same material or, apart from doping, the same or a similar substrate material as the semiconductor membrane.
Insofern, als die Halbleiterdrucksensoren gewöhnlich in metallischen Meßwerken eingesetzt werden, deren Materialien andereInsofar as the semiconductor pressure sensors are usually used in metallic measuring units, the materials of which are different
Wärmeausdehnungskoeffizienten und elastische Koeffizienten aufweisen als die Halbleitermembran und der Trägerkörper, ist es erforderlich, zumindest die der Membran zugewandte Oberseite des Trägerkörpers von dem Meßwerk zu entkoppeln. Hierzu weist der Trägerkörper parallel zur Membranoberfläche einen umlaufenden Schlitz auf, so daß dieHaving coefficients of thermal expansion and elastic coefficients than the semiconductor membrane and the carrier body, it is necessary to decouple at least the upper side of the carrier body facing the membrane from the measuring mechanism. For this purpose, the carrier body has a circumferential slot parallel to the membrane surface, so that the
Verbindung zwischen einem unteren Abschnitt und einem oberenConnection between a lower section and an upper section
Abschnitt des Trägerkörpers nur über eine zentrale Einschnürung mit reduzierter Querschnittsfläche erfolgt, die durch den umlaufenden Schnitt begrenzt ist. Insoweit kann man den oberen Abschnitt des Trägerkörpers auch als einen steifen Gegenkörper ansehen, welcher die Membran abstützt, und den unteren Abschnitt des Trägerkörpers als einen davon funktional getrennten Entkopplungskörper, der mit dem Gegenkörper über die zentralen Einschnürung verbunden ist. Durch die zentrale Einschnürung verläuft bei Relativdrucksensoren und bei Differenzdrucksensoren eine Druckleitung zur Zufuhr des Referenzdrucks bzw. des minusseitigen Drucks zur Rückseite der Halbleitermembran.Section of the support body only takes place via a central constriction with a reduced cross-sectional area, which is limited by the circumferential cut. In this respect, the upper section of the carrier body can also be regarded as a rigid counter-body which supports the membrane, and the lower section of the carrier body as a decoupling body which is functionally separate therefrom and which connects with the counter-body the central constriction is connected. In the case of relative pressure sensors and differential pressure sensors, the central constriction runs a pressure line for supplying the reference pressure or the minus side pressure to the rear of the semiconductor membrane.
Die Einschnürung wird, wie bereits erwähnt, durch Einbringen eines umlaufenden Schlitzes in den Trägerkörper realisiert, was beispielsweise mittels Sägen erfolgen kann. Dieses Verfahren ist einerseits sehr aufwendig und andererseits aufgrund der mechanischen Belastung des Sensoraufbaus sehr störanfällig. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Sensorherstellung und einen nach diesem Verfahren hergestellten Halbleiterdrucksensor bereitzustellen.As already mentioned, the constriction is realized by introducing a circumferential slot into the carrier body, which can be done for example by sawing. On the one hand, this method is very complex and, on the other hand, very susceptible to failure due to the mechanical load on the sensor structure. It is therefore the object of the present invention to provide an improved method for producing sensors and a semiconductor pressure sensor produced by this method.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1 und den Halbleiterdrucksensor gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 14.The object is achieved according to the invention by the method according to independent patent claim 1 and the semiconductor pressure sensor according to independent patent claim 14.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt das Bereitstellen eines Gegenkörperwafers mit einer Vielzahl von Gegenkörperelementen und eines Entkopplungskörperwafers mit einer Vielzahl von Entkopplungskörperelementen, wobei der Gegenkörperwafer eine erste Fügefläche aufweist, die mit einer zweiten Fügefläche des Entkopplungskörperswafers zu fügen ist; Erzeugen einer Vielzahl von Vorsprüngen in der ersten und/oder der zweiten Fügefläche durch Entfernen des die Vorsprünge umgebenden Materials; Fügen der ersten und der zweiten Fügefläche; und Vereinzln der Halbleiterdrucksensoren.The method according to the invention comprises providing a counter body wafer with a plurality of counter body elements and a decoupling body wafer with a plurality of decoupling body elements, the counter body wafer having a first joining surface which is to be joined with a second joining surface of the decoupling body wafer; Creating a plurality of protrusions in the first and / or the second joining surface by removing the material surrounding the protrusions; Joining the first and second joining surfaces; and separating the semiconductor pressure sensors.
Bei dem Fügen der ersten und der zweiten Fügefläche, werden die Vorsprünge einer der beiden Fügeflächen mit der gegenüberliegenden anderen Fügefläche gefügt. Vor dem Vereinzeln der Halbleiterdrucksensoren, ist ein Membrankörperwafer mit einer Vielzahl von Membrankörperelementen mit der membranseitigen Oberfläche des Gegenkörperwafers zu fügen, wobei die membranseitige Oberfläche des Gegenkörperwafers von der ersten Fügefläche abgewandt ist. Das Fügen des Membrankörperwafers mit dem Gegenkörperwafer kann zu einem beliebigen Zeitpunkt erfolgen, d.h. vor oder nach dem Fügen der ersten und der zweiten Fügefläche, oder gleichzeitig damit. In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das Fügen des Membrankörperwafers mit dem Gegenkörper nach dem Fügen der ersten und der zweiten Fügefläche.When joining the first and the second joining surface, the projections of one of the two joining surfaces are joined with the opposite other joining surface. Before the semiconductor pressure sensors are separated, a membrane body wafer with a plurality of membrane body elements is to be joined to the membrane-side surface of the counter-body wafer, the membrane-side surface of the counter-body wafer facing away from the first joining surface. The membrane body wafer can be joined to the counter body wafer at any time, ie before or after the joining of the first and the second joining surface, or simultaneously with it. In a currently preferred embodiment of the method, the membrane body wafer is joined to the counter body after the joining of the first and the second joining surface.
Zur Realisierung der Erfindung können alle Wafer Halbleitermaterialien umfassen, beispielsweise Silizium. Jedoch kann insbesondere für den Entkopplungskörperwafer auch ein anderes Material verwendet werden, beispielsweise Glas oder einen keramischen Werkstoff. Aufgrund der unterschiedlichen elastischen Eigenschaften von Glas/Keramik zu Silizium ist dieser Werkstoff jedoch nur für niedrige Drücke geeignet.To implement the invention, all wafers can include semiconductor materials, for example silicon. However, another material, for example glass or a ceramic material, can also be used in particular for the decoupling body wafer. Due to the different elastic properties of glass / ceramic to silicon, this material is only suitable for low pressures.
Das Erzeugen der Vorsprünge kann durch dem Fachmann geläufige Strukturierungsverfahren, beispielsweise Ätzverfahren, erfolgen, die in der Halbleitertechnologie oder in der Mikrosystemtechnik üblich sind.The protrusions can be produced by structuring methods known to the person skilled in the art, for example etching methods, which are common in semiconductor technology or in microsystem technology.
Die Wahl der Methode zum Fügen der ersten mit der zweiten Fügefläche hängt von Randbedingungen wie der Wahl der zu fügenden Materialien ab und der Reihenfolge anderen Verfahrensschritte ab. Sofern beide Wafer Silizium aufweisen, kann das Fügen durch Fusionsbonden bei ca. 1000°C erfolgen. Dies setzt jedoch voraus, daß der Membrankörperwafer noch nicht mit dem Gegenkörperwafer verbunden ist, denn die Strukturierung des Membrankörperwafers, hält gewöhnlich solchen Temperaturen nicht stand. Zur Vermeidung der hohen Temperaturen kann das Fügen von zwei Si- Wafern auch durch das dem Fachmann geläufige Eutektikumslöten erfolgen, beispielsweise Au-Si-Eutektikumslöten. Der Begriff „Löten" verweist in diesem Fall auf die Zugabe eines Metalls oder einer Legierung, mit der das Si ein Eutektikum bildet. Hierzu kann beispielsweise eine der zu fügenden Flächen mit einer Goldschicht von beispielsweise 0,8 μm bis 1 ,5 μm metallisiert werden. Mindestens einer der Wafer wird auf eine hinreichend hohe Temperatur von beispielsweise 400°C bis 480°C erwärmt. Die Fügeflächen werden miteinander in Kontakt gebracht, und unter Druck miteinander verbunden.The choice of the method for joining the first to the second joining surface depends on boundary conditions such as the choice of the materials to be joined and the sequence of other process steps. If both wafers have silicon, fusion bonding can be carried out at approx. 1000 ° C. However, this presupposes that the membrane body wafer is not yet connected to the counter body wafer, because the structuring of the membrane body wafer usually does not withstand such temperatures. To avoid the high temperatures, two Si wafers can also be joined by eutectic soldering, for example Au-Si eutectic soldering, which is familiar to the person skilled in the art. In this case, the term “soldering” refers to the addition of a metal or an alloy with which the Si forms a eutectic. For this purpose, for example, one of the surfaces to be joined can be metallized with a gold layer of, for example, 0.8 μm to 1.5 μm At least one of the wafers is heated to a sufficiently high temperature of, for example, 400 ° C. to 480 ° C. The joining surfaces are brought into contact with one another and connected to one another under pressure.
Sofern der Entkopplungskörperwafer Glas, beispielsweise Pyrex, und der Gegenkörperwafer Si aufweist, bietet sich anodisches Bonden zum Fügen der beiden Wafer an.If the decoupling body wafer has glass, for example Pyrex, and the counter body wafer Si, anodic bonding is suitable for joining the two wafers.
Das Fügen des Membrankörperwafers mit dem Gegenkörperwafer kann beispielsweise über ein Au-Si Eutektikumslöten erfolgen, wobei das Verfahren als Fullwaferbonden oder als Einzelchipverfahren ausgeführt werden kann.The membrane body wafer can be joined to the counter body wafer, for example, by means of Au-Si eutectic soldering, the method being able to be carried out as a full wafer bond or as a single-chip method.
Das Vereinzeln der Halbleiterdrucksensoren erfolgt beispielsweise durch Sägen.The semiconductor pressure sensors are separated, for example, by sawing.
In einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Vereinzeln der Halbleiterdrucksensoren in zwei Teilschritten, wobei zwischen den Teilschritten das Aufbringen eines Guardings bzw. einer Abschirmung erfolgt. Hierzu wird in dem ersten Vereinzelungsteilschritt der Waferverband, bestehend aus dem Membrankörperwafer, dem Gegenkörperwafer und dem Entkopplungskörperwafer, von der Seite des Membrankörperwafers entlang der Grenzlinien zwischen benachbarten Halbleiterdrucksensorelementen bis zu einer gewissen Tiefe eingesägt. Dies kann beispielsweise die Grenzschicht zwischen dem Gegenkörperwafer und dem Entkopplungskörperwafer sein. Dann wird auf die membranseitige Oberfläche des Waferverbands einschließlich der durch das Sägen entstandenen Gräben eine Si02-Schicht mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) aufgebracht, worauf eine Beschichtung mit einem Leitenden Material erfolgt, beispielsweise durch Sputtern Polysilizium. Auf diese Weise erhält jeder Halbleiterdrucksensor auf seiner Membranoberfläche und an seinen Seitenflächen bis zur Tiefe der ersten Sägeschnitte eine integrierte, elektrisch leitende Deckschicht, die mit entsprechender Erdung am Meßwerk als Abschirmung bzw. als Guarding dient.In a development of the invention, the semiconductor pressure sensors are separated in two substeps, with guarding or shielding being applied between the substeps. For this purpose, the wafer assembly, consisting of the membrane body wafer, the counter body wafer and the decoupling body wafer, is sawn in from the side of the membrane body wafer along the boundary lines between adjacent semiconductor pressure sensor elements to a certain depth in the first separation sub-step. This can be the boundary layer between the Counter body wafer and the decoupling body wafer. Then an SiO 2 layer is applied to the membrane-side surface of the wafer dressing, including the trenches formed by sawing, by means of plasma-assisted chemical vapor deposition (PECVD), followed by coating with a conductive material, for example by sputtering polysilicon. In this way, each semiconductor pressure sensor receives an integrated, electrically conductive cover layer on its membrane surface and on its side surfaces to the depth of the first saw cuts, which, with appropriate grounding on the measuring mechanism, serves as a shield or guarding.
Die Erfindung wird nun anhand eines in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:The invention will now be explained with reference to an embodiment shown in FIG. 1. It shows:
Fig. 1 : Einen schematischen Längsschnitt durch ein Waferensemble mit Halbleiterdrucksensorelementen gemäß der vorliegenden Erfindung vor der Vereinzelung der Sensoren.1: A schematic longitudinal section through a wafer ensemble with semiconductor pressure sensor elements according to the present invention prior to the separation of the sensors.
Das in Fig. 1 gezeigte Waferensemble umfaßt drei miteinander verbundene Wafer, nämlich einen Membramkörperwafer 1, einen Gegenkörperwafer 2 und einen Entkopplungskörperwafer 3. Alle Wafer des Waferensembles weisen bei diesem Ausführungsbeispiel Silizium auf. In dem dargestellten Zustand sind bereits die nachfolgend erläuterten Verfahrensschritte durchlaufen:The wafer ensemble shown in FIG. 1 comprises three interconnected wafers, namely a membrane body wafer 1, a counter body wafer 2 and a decoupling body wafer 3. All wafers of the wafer ensemble have silicon in this exemplary embodiment. The process steps explained below have already been carried out in the state shown:
Zunächst werden Vorsprünge 21 in einer Oberfläche des Gegenkörperwafers 2 durch Entfernen des die Vorsprünge umgebenden Materials herauspräpariert, so daß die Vorsprünge 21 von Vertiefungen 22 umgeben sind. Das Entfernen des umgebenden Materials erfolgt durch dem Fachmann geläufige Ätzverfahren. Anschließend werden die Stirnflächen 23 der Vorsprünge 21 mit einer Oberfläche des Entkopplungskörperwafers 3 verbunden. Dies erfolgt in dem Ausführbeispiel durch Fusionsbonden bei etwa 1000°C. Hierzu werden vorher die Oberflächen der Verbindungspartner hydrophilisiert und in einem Mikroreinraum mit gefiltertem, deonisiertem Wasser gespült, getrocknet und mit Druck aufeinandergepresst. Die in der Verbindungszone verbleibenden ein oder zwei Monolagen Wasser reagieren dann bei ca. 1000°C zu Siliziumdioxyd welches eine relativ starke kovalente Bindung zum Silizium besitzt.First, projections 21 are prepared in a surface of the counter body wafer 2 by removing the material surrounding the projections, so that the projections 21 are surrounded by depressions 22. The removal of the surrounding material is carried out by the etching process known to the person skilled in the art. The end faces 23 of the projections 21 are then connected to a surface of the decoupling body wafer 3. In the exemplary embodiment, this is done by fusion bonding at about 1000 ° C. For this purpose, the surfaces of the connecting partners are first hydrophilized and rinsed in a micro clean room with filtered, deionized water, dried and pressed together with pressure. The one or two monolayers of water remaining in the connection zone then react at about 1000 ° C. to form silicon dioxide which has a relatively strong covalent bond to the silicon.
Für die Zufuhr des Referenzdrucks bei Relativdrucksensoren bzw. des minusseitigen Drucks bei Differenzdrucksensoren werden anschließend Druckkanäle 31 durch die miteinander verbundenen Entkopplungskörperwafer und Gegenkörperwafer geführt. Dies erfolgt entweder durch Ultraschallbohren oder durch Laserbohren, beispielsweise mit einem YAG-Laser. Im einzelnen wird durch jeden Vorsprung 21 ein Druckkanal 31 geführt. Die Druckkanäle weisen beispielsweise einen Durchmesser von 0.5 mm auf, wobei auch kleinere und größere Durchmesser geeignet sind. Sofern die Halbleiterdrucksensoren in Meßwerken mit hydraulischer Drückübertragung eingesetzt werden sollen, ist es jedoch ratsam, einen Mindestdurchmesser von 0,2 mm nicht zu unterschreiten, um eine zuverlässige Befüllung des Innenraums des Halbleiterdrucksensors mit der Übertragungsflüssigkeit zu gewährleisten. Größere Durchmesser von mehr etwa 1 mm ergeben hinsichtlich der Übertragungsdynamik keinerlei Vorteile und sind daher derzeit nicht angestrebt. Dies gilt um so mehr, als größere Durchmesser des Druckkanals aus Stabilitätsgründen einen größeren minimalen Außendurchmesser des Vorsprungs 21 bedingen und somit die Entkopplung zwischen dem Entkopplungskörper und dem Gegenkörper beeinträchtigen würden. Nachdem in der beschriebenen Weise alle Prozesse abgeschlossen sind, wird der Membrankörperwafer 1 mit der freien Oberfläche des Gegenkörperwafers 2 verbunden. Der Membrankörperwafer weist um die einzelnen dünnen Membranen 11 jeweils einen stärkeren Randbereich 10 auf. Die Unterseite 13 dieser Randbereiche wird unter Ausbildung eines Si-Au-Eutektikums mit der freien Oberfläche des Gegenkörperwafers 2 verbunden.For the supply of the reference pressure in the case of relative pressure sensors or the minus-side pressure in the case of differential pressure sensors, pressure channels 31 are then passed through the interconnected decoupling body wafers and counter body wafers. This is done either by ultrasonic drilling or by laser drilling, for example with a YAG laser. In particular, a pressure channel 31 is guided through each projection 21. The pressure channels have a diameter of 0.5 mm, for example, although smaller and larger diameters are also suitable. If the semiconductor pressure sensors are to be used in measuring units with hydraulic pressure transmission, however, it is advisable not to fall below a minimum diameter of 0.2 mm in order to ensure reliable filling of the interior of the semiconductor pressure sensor with the transmission liquid. Larger diameters of more than about 1 mm do not offer any advantages in terms of transmission dynamics and are therefore currently not sought. This is all the more true since larger diameters of the pressure channel require a larger minimum outer diameter of the projection 21 for reasons of stability and would thus impair the decoupling between the decoupling body and the counter body. After all processes have been completed in the manner described, the membrane body wafer 1 is connected to the free surface of the counter body wafer 2. The membrane body wafer has a stronger edge region 10 around the individual thin membranes 11. The underside 13 of these edge regions is connected to the free surface of the counter body wafer 2 with the formation of a Si-Au eutectic.
Abschließend folgt die Vereinzelung der Halbleiterdrucksensoren, indem diese entlang der angedeuteten Schnittlinien 32 voneinander getrennt werden.Finally, the semiconductor pressure sensors are separated by separating them from one another along the indicated cutting lines 32.
Optional kann noch eine Abschirmung bzw. ein Guarding aufgebracht werden. Hierzu erfolgt die Vereinzelung in zwei Teilschritten, zwischen denen das Guarding aufgebracht wird. In einem ersten Teilschritt werden die Vereinzelungsschnitte entlang der Linien 32 nur bis zu einer Tiefe geführt bis zu der das Guarding reichen soll. Dies kann beispielsweise die Ebene der Grenzfläche zwischen dem Gegenkörperwafer 2 und dem Entkopplungskörperwafer 3 sein. Anschließend wird eine isolierende Schicht auf die Oberfläche des Membrankörperwafers und die durch die Vereinzelungsschnitte freigelegten Seitenflächen derShielding or guarding can optionally be applied. For this purpose, the separation takes place in two steps, between which the guarding is applied. In a first sub-step, the singling cuts are only made along the lines 32 to a depth to which the guarding is to extend. This can be the plane of the interface between the counter body wafer 2 and the decoupling body wafer 3, for example. An insulating layer is then applied to the surface of the membrane body wafer and the side surfaces of the membrane exposed by the separating cuts
Halbleiterdrucksensoren aufgebracht. Derzeit wird eine Si02-Schicht bevorzugt, die im PECVD-Verfahren aufgebracht wird. Anschließend wird eine Si-Schicht aufgesputtert, die durch geeignete Dotierung die gewünschte Leitfähigkeit aufweist. Abschließend folgt der zweite Teilschritt der Vereinzelung, in dem die verbleibenden Verbindungen zwischen den einzelnen Halbleiterdrucksensoren in dem unteren Teil des Waferverbandes entlang der Vereinzelungsschnittlinien vollständig getrennt werden. Semiconductor pressure sensors applied. An Si0 2 layer which is applied in the PECVD process is currently preferred. Then a Si layer is sputtered on, which has the desired conductivity due to suitable doping. Finally, the second sub-step of the separation follows, in which the remaining connections between the individual semiconductor pressure sensors in the lower part of the wafer assembly are completely separated along the separation cut lines.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung von Halbleiterdrucksensoren, umfassend: Bereitstellen eines Membrankörperwafers mit einer Vielzahl von Membranelementen, eines Gegenkörperwafers mit einer Vielzahl von Gegenkörperelementen und eines Entkopplungskörperwafers mit einer Vielzahl von Entkopplungskörperelementen, wobei der Gegenkörperwafer eine erste Fügefläche aufweist, die mit einer zweiten Fügefläche des Entkopplungskörperswafers zu fügen ist, und der Membrankörperwafer eine Unterseite aufweist, die mit einer der ersten Fügefläche abgewandten Oberseite des Gegenkörperwafers zu fügen ist; Erzeugung einer Vielzahl von Vorsprüngen in der ersten und/oder der zweiten Fügefläche durch Entfernen des die Vorsprünge umgebenden Materials;1. A method for producing semiconductor pressure sensors, comprising: providing a membrane body wafer with a plurality of membrane elements, a counter body wafer with a plurality of counter body elements and a decoupling body wafer with a plurality of decoupling body elements, the counter body wafer having a first joining surface which has a second joining surface of the decoupling body wafer is to be joined, and the membrane body wafer has an underside which is to be joined with an upper side of the counter body wafer facing away from the first joining surface; Creating a plurality of protrusions in the first and / or the second joining surface by removing the material surrounding the protrusions;
Fügen der ersten und der zweiten Fügefläche;Joining the first and second joining surfaces;
Fügen der Unterseite des Membrankörperwafers mit der Oberseite des Gegenkörperwafers, undJoin the bottom of the membrane body wafer to the top of the counter body wafer, and
Vereinzeln der Halbleiterdrucksensoren.Separation of the semiconductor pressure sensors.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Fügen des Membrankörperwafers mit dem Gegenkörperwafer nach dem Fügen der ersten und der zweiten Fügefläche erfolgt.2. The method according to claim 1, wherein the joining of the membrane body wafer with the counter body wafer takes place after the joining of the first and the second joining surface.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Fügen des Membrankörperwafers mit dem Gegenkörperwafer gleichzeitig oder vor dem Fügen der ersten und der zweiten Fügefläche erfolgt. 3. The method according to claim 1, wherein the joining of the membrane body wafer with the counter body wafer takes place simultaneously or before the joining of the first and the second joining surface.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Membrankörperwafer und der Gegeenkörperwafer ein Halbleitermaterial, insbesondere Silizium umfassen.4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the membrane body wafer and the counter body wafer comprise a semiconductor material, in particular silicon.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei das Entfernen des die Vorsprünge umgebenden Materials durch Ätzverfahren erfolgt.5. The method according to any one of the preceding claims, wherein the removal of the material surrounding the projections is carried out by etching processes.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gegenkörperwafer und der Entkopplungskörperwafer ein Halbleitermaterial umfassen und das Fügen der ersten mit der zweiten Fügefläche über Fusionsbonden erfolgt.6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the counter-body wafer and the decoupling body wafer comprise a semiconductor material and the joining of the first to the second joining surface takes place via fusion bonding.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei das Fügen des Membrankörperwafers mit dem Gegenkörperwafer durch Eutektikumslöten erfolgt.7. The method according to any one of the preceding claims, wherein the joining of the membrane body wafer with the counter body wafer is carried out by eutectic soldering.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei das Vereinzeln der Halbleiterdrucksensoren zwei Teilschritte umfaßt, und wobei zwischen den Teilschritten das Aufbringen eines Guardings erfolgt.8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the separation of the semiconductor pressure sensors comprises two sub-steps, and wherein the guarding is applied between the sub-steps.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei in einem ersten Vereinzelungsteilschritt der Waferverband, bestehend aus dem Membrankörperwafer, dem Gegenkörperwafer und dem Entkopplungskörperwafer, von der Seite des Membrankörperwafers entlang der Grenzlinien zwischen benachbarten Halbleiterdrucksensorelementen bis zu einer gewissen Tiefe eingeschnitten wird.9. The method according to claim 8, wherein in a first separating step the wafer assembly, consisting of the membrane body wafer, the counter body wafer and the decoupling body wafer, is cut to a certain depth from the side of the membrane body wafer along the boundary lines between adjacent semiconductor pressure sensor elements.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei nach dem ersten Vereinzelungsteilschritt auf die membranseitige Oberfläche des Waferverbands einschließlich der Einschnitte zwischen benachbarten Halbleiterdrucksensorele-menten zunächst eine isolierende Schicht und dann eine leitfähige Schicht aufgebracht wird.10. The method according to claim 8 or 9, wherein after the first separation step on the membrane-side surface of the Wafer dressing including the cuts between adjacent semiconductor pressure sensor elements first an insulating layer and then a conductive layer is applied.
11. Verfahren nach Anspruch 10 wobei die isolierende Schicht Si02 umfaßt, welches mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) aufgebracht wird.11. The method according to claim 10, wherein the insulating layer comprises Si0 2 , which is applied by means of plasma-assisted chemical vapor deposition (PECVD).
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 1 1 , wobei die leitende Schicht ein Halbleitermaterial aufweist, welches die gleichen Wärmeausdehnungseigen-schaften wie der Membrankörperwafer hat.12. The method of claim 10 or 1 1, wherein the conductive layer comprises a semiconductor material which has the same thermal expansion properties as the membrane body wafer.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die leitende Schicht Silizium umfaßt.13. The method of claim 12, wherein the conductive layer comprises silicon.
14. Halbleiterdrucksensor mit einem Membrankörper, einem Gegenkörper und einem Entkopplungskörper, wobei der Membrankörper in seinem Randbereich mit dem Gegenkörper verbunden und der Gegenkörper an dem Entkopplungskörper befestigt ist, wobei die Befestigung über einen Vorsprung erfolgt, der sich von dem Gegenkörper oder dem Entkopplungskörper erstreckt, wobei die Kontaktfläche zwischen dem Vorsprung und dem damit verbundenen Körper geringer ist, als die parallel zu der Kontaktfläche verlaufenden Querschnittsflächen des Gegenkörpers und des Entkopplungskörpers; dadurch gekennzeichnet, daß der Vorsprung durch ein Verfahren, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, erzeugt wurde, bei dem das den Vorsprung umgebende Material durch Ätzen entfernt wurde. 14.Semiconductor pressure sensor with a membrane body, a counter body and a decoupling body, the membrane body being connected in its edge region to the counter body and the counter body being fastened to the decoupling body, the fastening being carried out via a projection which extends from the counter body or the decoupling body, wherein the contact area between the projection and the body connected to it is smaller than the cross-sectional areas of the counter body and the decoupling body running parallel to the contact area; characterized in that the protrusion was produced by a method, in particular according to one of the preceding claims, in which the material surrounding the protrusion was removed by etching.
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