(57)【要約】【課題】シリコン圧力センサでは不可能であった温度領域を開拓することができる容量式圧力センサを提供すること。【解決手段】第１のウェハは、主に加えられている圧力を測定するのに必要な評価回路並びに容量性電極を支持し、第２のウェハは表面マイクロメカニカルプロセスによって形成された切欠部を有しており、切欠部内には第１のウェハの容量性電極に対する対向電極が配置されており、第２のウェハは同時に第１のウェハに対するカバー部を構成する、容量式圧力センサおよび、第１のＳＯＩウェハを準備し、第１のウェハ上に容量性電極を形成し、第１のウェハ上に評価回路を形成し、第２のＳＯＩウェハを準備し、第２のウェハ上に切欠部を形成し、第１のウェハ上の容量性電極に対する対向電極を形成し、切欠部が２つのウェハの間に位置するように、２つのウェハを気密性に接続する、容量式圧力センサの製造方法。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容量式圧力センサ（１００）であって、
当該圧力センサは、相互に対向し、相互に気密接続されるシリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ）ウェハ（１０，１４）から成り、
当該２つのウェハの間に切欠部（１６）が構成されている形式のものにおいて、
第１のウェハ（１０）は主に、加えられている圧力を測定するのに必要な評価回路（２０）並びに容量性電極（１２）を支持し、
第２のウェハ（１４）は表面マイクロメカニカルプロセスによって形成された切欠部（１６）を有しており、
当該切欠部内には、前記第１のウェハ（１０）の容量性電極（１２）に対する対向電極（２６）が配置されており、
前記第２のウェハ（１４）は同時に前記第１のウェハ（１０）に対するカバー部を構成する、
ことを特徴とする容量式圧力センサ。
【請求項２】
針状に構成されている、請求項１記載の容量式圧力センサ。
【請求項３】
２つのウェハ面間の電気的接触接続は、フリップチップ技術によって製造される、請求項１または２記載の容量式圧力センサ。
【請求項４】
前記圧力センサは金属ブシュ（３４）内にガラス嵌合されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の容量式圧力センサ。
【請求項５】
前記センサ（１００）は、ハウジング（３８）内に収容される、請求項４記載の容量式圧力センサ。
【請求項６】
前記圧力センサは電子回路部分を含み、当該電子回路部分は１５０℃の温度を上回って動作可能である、請求項１から５までのいずれか１項記載の容量式圧力センサ。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか１項記載の容量式圧力センサ（１００）の製造方法であって、
第１のＳＯＩウェハを準備するステップと、
当該第１のウェハ上に容量性電極を形成するステップと、
前記第１のウェハ上に評価回路を形成するステップと、
第２のＳＯＩウェハを準備するステップと、
当該第２のウェハ上に切欠部を形成するステップと、
前記第１のウェハ上の容量性電極に対する対向電極を形成するステップと、
前記切欠部が前記２つのウェハの間に位置するように、２つのウェハを気密性に接続するステップを有している、
ことを特徴とする、容量式圧力センサの製造方法。
【請求項８】
前記気密接続をシールガラスによって行う、請求項７記載の方法。
【請求項９】
２つのウェハ面間の電気的接触接続をフリップチップ技術によって形成する、請求項７または８記載の方法。
【請求項１０】
前記センサを金属ブシュ内にガラス嵌合する、請求項７から９までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
前記センサ（１００）をハウジング（３８）内に収容する、請求項１０記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相互に対向し、相互に気密接続されるシリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ）ウェハから成り、当該２つのウェハの間に切欠部が構成されている形式の容量式圧力センサおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術
圧力変化を測定する圧力センサが一般的に知られている。現在は通常のマイクロメカニカル技術による圧力センサは例えばピエゾ抵抗方法に従って作動する。従ってマイクロメカニカルセンサは殊に実質的に各面で保持されたメンブレンから成るシリコン圧力センサとして存在する。これらのメンブレンは、２つのメンブレン表面間に圧力差が生じると反る。信号変換は、例えば集積された単結晶質のピエゾ抵抗ないしは誘電性の絶縁多結晶質のピエゾ抵抗によって、または固定された対向電極に対する容量測定部によって行われる（ピエゾ抵抗式信号変換ないしは容量式信号変換）。このセンサの欠点は、抵抗測定のために比較的高い電流が必要であり、この電流によって不必要な高い消費電力が生じること、およびピエゾ抵抗効果が温度に強く依存し、これが殊に高温使用時に問題になるということである。
【０００３】
従って、圧力変化がメンブレン変位量の容量評価を介して検出される容量式圧力センサが開発された。従って例えば、Ｃ．Ｙ．Ｌｅｅ等による文献「Ｑｕａｒｔｚ  Ｃａｐｓｕｌｅ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ  Ｉｎｄｕｓｔｒｙ（Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，Ｉｎｃ．１９８０年）」では次のような圧力センサが開示されている。すなわち静止電極を有する第１の石英ガラス基板またはサファイア基板と、可動電極を有する第２の石英ガラスまたはサファイア基板が次のように配置されている圧力センサが開示されている。すなわち電極の表面が相互に対向し、基板の外周部分が低い温度で溶融するガラスによって相互に接続ないし接着されるように配置され、これによってその間に予め定められた隙間が生じる圧力センサが開示されている。
【０００４】
ＤＥ４２４４４５０Ｃ２号には、容量式圧力センサの製造方法が示されている。この圧力センサは、相互に対向して位置し、接続過程によって影響される表面部分を有する同じ電気的絶縁性材料から成る２つの基板から出発する。基板のうちの１つには、切欠部（Aussparung）が形成されている。この切欠部には、導電性の薄い層から成る電極が設けられている。同じように導電性の薄い層から成る第２の電極が、第１の基板と接続されるべき第２の基板の表面部分上に形成されている。２つの基板は引き続き次のようにして直接的に接続される。すなわち電極とともに構成された表面が相互に対向して置かれ、加熱処理を実行することによって相互に固定的に接続され、その後、基板の少なくとも１つが相応の強度まで低減される。
【０００５】
ＤＥ３５２００６４Ｃ２号は、絶縁材料（例えばガラス）から成る層が処理可能でありかつ導電性の材料（例えばシリコン）から成る基板上に溶融されるまたは注がれるという原則に基づいた容量式圧力センサの製造方法を開示している。引き続き、導電性の構成部分内に凹部が形成され、２つの構成部分は、２つの構成部分間に室が生じるようにハーメチックに接続される。
【０００６】
圧力変化を測定するために容量変化を用いる、シリコン／ガラス／シリコンの圧力センサ構造は、ＤＥ６８９１３１７７Ｔ２号からも公知である。
【０００７】
しかし上述した容量式圧力センサは次のような欠点を有している。すなわち、メンブレンとして構成されている電極の接触接続のために、基板の材料内に非常に深く浸入するプロセスが必要であるという欠点を有している。このため、容易なインプランテーションは不可能である。さらに評価電子回路のための表面近傍のリード線が必要である。しかしこれは寄生容量の影響を受けやすい。殊に、測定されるべき媒体が、その上にリード線がある面と接触する場合に寄生容量の影響を受けやすい。容量式センサの小型化とともに、測定されるべき容量も非常に小さくなっているので、電磁環境適合性（ｅｌｅｋｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｓｃｈｅ  Ｖｅｒｔｒａｅｇｌｉｃｈｋｅｉｔ：ＥＭＶ）に多くの開発費用が使用されなければならない。
【０００８】
さらに、シリコンから成る通常のセンサおよびスイッチ回路は、約１５０℃を下回った最大動作温度にしか達しない。これは１．１ｅＶのシリコンのエネルギーギャップにある。温度が高い場合には、この材料はますます自身の半導体特性を失う。ｐｎ接合がなくなることによってダイードおよびトランジスタは自身の機能を失い、基板に対するインプラントされた抵抗の絶縁が高まる。従って既に次のような圧力センサが開発されている。すなわち、材料体系ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ：シリコン・オン・インシュレーター）を使用することによって、２００℃までの動作温度が許容される圧力センサである。ここでこのＳＯＩは、薄いシリコンカバー層と、厚いシリコン基板上の薄い電気的絶縁性の酸化ケイ素から成る層シーケンスを含む。材料体系３Ｃ−ＳｉＣ−ＳＯＩをベースにしたこのようなセンサは、上面で薄いメンブレンによって閉じられている、真空にされた空洞部から成る。このためにはじめにプラズマプロセスにおいてＳＯＩウェハの下面からリングメンブレン（Ringmembran）が構造化される。構造化されたこのＳＯＩ基板は第２のウェハと、真空における融着によってハーメチックに密閉接続される。従ってこの空洞部は約５０ｍｂａｒの残圧を有する。引き続き、ＳｉＣ層がウェハ接続部の上面に被着される。これはピエゾ抵抗を構造化し、ＴｉＷＮ／Ａｕ導体路と交錯配置される（Ｅ．ＴｈｉｅｌｉｃｋｅおよびＳ．Ｚａｐｐｅ「Ｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔａｅｔ  Ｂｅｒｌｉｎ，Ｆａｃｈｂｅｒｅｉｃｈ１２−Ｅｌｅｋｔｒｏｔｅｃｈｎｉｋ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔ  ｆｕｅｒ  Ｍｅｓｓ−ｕｎｄ  Ａｕｔｏｍａｔｉｓｉｅｒｕｎｇｓｔｅｃｈｎｉｋ  Ｊａｈｒｅｓｂｅｒｉｃｈｔ２０００（Ｂｅｒｉｃｈｔ１９３，Ｐ．４４〜，２０００年１２月）」を参照）。
【特許文献１】独国特許第４２４４４５０号明細書
【特許文献２】独国特許第３５２００６４号明細書
【特許文献３】独国特許第６８９１３１７７号明細書
【非特許文献１】シー・ワイ・リー（Ｃ．Ｙ．Ｌｅｅ）等著  「クォーツカプスルプレッシャートランスデューサ・フォー・ザ・オートモーティーブインダストリィ（Ｑｕａｒｔｚ  Ｃａｐｓｕｌｅ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ  Ｉｎｄｕｓｔｒｙ）」ソサイェティ・オブ・オートモーティーブエンジニア社（Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，Ｉｎｃ．）１９８０年
【非特許文献２】イー・ティーリックおよびエス・ザップ（Ｅ．Ｔｈｉｅｌｉｃｋｅ，Ｓ．Ｚａｐｐｅ）著「テヒニイッシェ・ウニバジテート・ベルリン，ファッファベライヒ１２−エレクトロテヒニック（Ｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔａｅｔ  Ｂｅｒｌｉｎ，Ｆａｃｈｂｅｒｅｉｃｈ１２−Ｅｌｅｋｔｒｏｔｅｃｈｎｉｋ）」インスティテュート・フュア・メスウントオートマティジールングステヒニック、ヤーレスベリヒト２０００（Ｉｎｓｔｉｔｕｔ  ｆｕｅｒ  Ｍｅｓｓ−ｕｎｄ  Ａｕｔｏｍａｔｉｓｉｅｒｕｎｇｓｔｅｃｈｎｉｋ  Ｊａｈｒｅｓｂｅｒｉｃｈｔ２０００），２０００年１２月，レポート１９３，Ｐ．４４〜
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、シリコン圧力センサでは不可能であった温度領域を開拓することができる容量式圧力センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の課題は、第１のウェハは、主に加えられている圧力を測定するのに必要な評価回路並びに容量性電極を支持し、第２のウェハは表面マイクロメカニカルプロセスによって形成された切欠部を有しており、当該切欠部内には、前記第１のウェハの容量性電極に対する対向電極が配置されており、前記第２のウェハは同時に前記第１のウェハに対するカバー部を構成する、ことを特徴とする容量式圧力センサによって解決される。また上述の課題は、第１のＳＯＩウェハを準備するステップと、当該第１のウェハ上に容量性電極を形成するステップと、前記第１のウェハ上に評価回路を形成するステップと、第２のＳＯＩウェハを準備するステップと、当該第２のウェハ上に切欠部を形成するステップと、前記第１のウェハ上の容量性電極に対する対向電極を形成するステップと、前記切欠部が前記２つのウェハの間に位置するように、２つのウェハを気密性に接続するステップを有している、ことを特徴とする、容量式圧力センサの製造方法によって解決される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
発明の利点
本発明による圧力センサは、従来技術に対して次のような利点を有している。すなわちこれまで、シリコン圧力センサでは不可能であった温度領域を開拓することができるという利点を有している。
【００１２】
さらに有利には、シリコンからの完全な製造によって最低の温度ひずみが保証される。
さらなる利点は、このセンサが改善されたＥＭＶ適合性および寄生容量に対するより大きな耐性を有していることである。
【００１３】
本発明の有利な発展形態は、従属請求項に記載された措置に示されている。
【実施例】
【００１４】
本発明の核は、ＳＯＩ技術を用いた、結合された２つのウェハから成る図３に示された容量式圧力センサ１００の製造である。これは極度の温度要求に適しており、さらに高温に適した電子回路部分の集積を可能にする。
【００１５】
図１から分かるように、このためにまずは２つのＳＯＩウェハ１０，１４が別個に相互に処理され、引き続きフリップチッププロセス（図１の矢印２４）を用いて相互に接続される。ここで、後の評価回路（ＡＷＳ）２０を支持する第１のウェハ（エレクトロニックウェハ１０、下方電極１２）は、従来のマイクロエレクトロニックプロセスによって構造化され、容量性電極のトレンチエッチングによって付け加えられる。
【００１６】
ＡＷＳ２０を構造化するためのステップは、現在存在する技術による。これは、増幅回路およびパッシブ集積エレメントの構造化に関する。これに加えてエレクトロニックウェハ上の電極のラテラル方向絶縁に対するプロセスステップが行われる。この表面で、エッチングされるべきでない箇所がホトリソグラフィマスクによって覆われ、ウェハはその後、異方性ガスエッチング方法（トレンチエッチング）において準備される。引き続き、対向電極２６とそのリード線が、電子回路部分を支持する領域と共に位置し、後に気密性の結合面になる領域が上がる。電極１２はその後、自身のリード線とともに、ＳＩＯウェハの支持体ＳｉＯ２によって取り囲まれ、絶縁性になる。これによって下方電極１２は導体路を介してのみＡＷＳ２０へ導き出される。下方電極１２はドーピングによって良好な導電性に構成されている、または金属化部によって覆われ、良好な伝導性が得られる。フリップチッププロセスの後に、ハーメチックに密閉された空洞部１６を得るために、準備されたＳｉＯ２トレンチがレフィルプロセスによってＳｉＯ２１８によって再び充填される。引き続き機能層の残りにパシベーションが施される。これによって必要な平面性が得られ、２つのチップの相互接続時に閉成された空洞部が得られる。表面マイクロメカニカルウェハ（下方を参照）に対するフリップチップ結合を得るために、最後にさらにコンタクト金属化が必要である。
【００１７】
第２のウェハ１４は、種々異なる表面マイクロメカニック（ＯＭＭ）プロセスを経る。このプロセスにはＫＯＨエッチングまたはトレンチ形成による空洞部の異方向性エッチング、導体路の内方拡散、異方性エッチングまたはトレンチ形成による電極の構造化、パシベーション、コンタクトホールの構造化および金属化が属する。線路ガイド部（Leitungsfuehrung）によって、リード線による非常に僅かな寄生容量が可能になる。ＡＷＳ２０の近さによって付加的に僅かな散乱が保証される。
【００１８】
表面マイクロメカニックウェハ（ＯＭＭ）は、処理において容易である。なぜなら、これは集積された電子回路部分を必要とせず、電極および給電線およびトレンチリング（Grabenring）およびコンタクト金属化部のみから構成されるからである。処理は個々に図２Ａ〜２Ｃに示されている。
【００１９】
第１のステップにおいて、リング２８がＯＭＭ電極２６のまわりに構造化される。このリングはその後、空洞部１６の縁部を構成する。すなわちホトラック４４によって保護されている上述の空洞縁部３２まで全ての領域３０がエッチングされる。
【００２０】
第２のエッチングステップにおいてＯＭＭ電極１４は空洞縁部３２によって絶縁される。これはＳｉＯ２トレンチ２８がここから準備されることによって行われる。同時にリード線がトレンチリングおよびウェハの残り部分によって絶縁され、これによってこれはＳＯＩウェハ１４のＳｉＯ２層４２上で露出する。エッチングされるべきでない領域はここではホトラック４４によって覆われる。任意的に電極面がドーピングされ、これによって良好な伝導性が得られる。またはその箇所に金属化部が被着される。層は引き続き酸化ケイ素または窒化ケイ素によって覆うことでパシベーションされる。
【００２１】
エレクトロニックウェハへのＯＭＭ電極の接触接続は、フリップチップ接触接続によって形成される。このために別の処理ステップとしてＯＭＭ電極に対するリード線のコンタクト金属化部４８が必要である。結合されたウェハは図３に示されている。
【００２２】
ＡＷＳ２０は電極１２，２６のすぐ近く（約１０００μｍまでの距離）に集積されているので、寄生容量は比較的低く維持される。同時に、小面積化によって、磁界（これは線路によって取り囲まれる面積とともに増大する）を通じた入力結合が低減され、間隔が狭くされることによってポテンシャル（電界）における傾斜による入力結合が低減される。
【００２３】
フリップチップボンディングのはんだ付けが同時に行われる場合には、２つのウェハを接続するために、ガラスはんだによるつなぎ合わせが有利である。ここではシルクスクリーン印刷プロセスにおいて、ガラスはんだ付けペーストが、接続されるべき場所の上に約５００μｍの幅で載せられる。付加的に電気的接触接続のためにさらにはんだ球２２がコンタクト面上に載せられる。
【００２４】
その後、２つのウェハが相互にアライメントされて、結合表面が相互に配向調整される。引き続き、ウェハ積層体が３６０℃を上回って加熱され、ガラスはんだ領域においても、フリップチップコンタクト部においても押圧嵌合が開始される。引き続き、材料が再度、高い温度で最終的にはんだ付けされる。後続の冷却プロセスは、場合によっては生じ得る結合部での熱−機械応力を崩壊させるために、相応に緩慢に実行されなければならない。
【００２５】
センサは引き続き、２つのウェハをハーメチックに密閉接続すること（例えばシールガラスによる）によって完成される（図３参照）。同時にＯＭＭウェハの電極がフリップチップボンディングによって接触接続される。このような配置は同時に次のような利点を有する。すなわちこの１つのウェハが他方のウェハに対するキャップとなり、センサが別個のハウジングが必要としないという利点である。評価回路はこの場合に、プレートコンデンサの容量の変化を介して、センサの外に加えられている圧力を測定する（図３における矢印４０）。
【００２６】
ＳＯＩウェハの使用は、ドーピングされた領域（すなわちバルクシリコンに対するコンデンサ電極）の電気的な破壊（Durchbruch）を妨げる。ドーピングされた領域は通常はｐｎ接合部によって分けられる。これは１５０℃で導電性になる。これに対してＳｉＯ２を介した絶縁は約４００℃までの温度に耐性である。従ってこれによって、この構造は１５０℃を上回る温度に適する。電極の下の充分に厚い絶縁体層によって（すなわち、破壊電界強度を下回るためにその厚さが充分である層によって）、空洞部の周辺に対する特定の寄生容量に達する。これによって、調整可能な、センサ信号へのエラー影響が同じままであることが保証される。すなわち支持体ウェハは導電性が充分である場合に、測定されるべき流体を通じた外部ノイズ影響からの電極の遮断が行われる。支持体ウェハの導電性は、相応に高いドーピングまたは金属的な覆いによって調整される。電極に対する絶縁性ＳｉＯ２層によって、ドーピングのレベルが自由に選択される。
【００２７】
これは、ｐｎ領域を通じて電極が構造化されるドーピングされた電極を有する従来のウェハの構造に対して重要な利点である。すなわちこれはｐｎ接合部に相応する（電圧に依存する）容量を有している。このようなｐｎ領域は、バイアスに使用されたその逆電圧に依存する伸長を有している。従ってその容量はこの逆電圧とともに変化する。
【００２８】
このような製造の後にセンサは図４に示されているように、例えばシールガラス３６によって金属ブシュ３４内にガラス嵌合され、ハウジング３８に溶接して固定される。このようにして針状のセンサ装置が実現され、これによってセンサは容易に容器内に回してはめられるまたは容器に溶接され、これによって圧力（図４の矢印４６）が検出される。これによって容易に測定容器と周囲の分断が実現される。外部領域における電気的センサ出力側の実現が同時に行われる。
【００２９】
ＳＯＩウェハを基本金属として使用することによって、高温に対する容量性面積が設計可能になるだけでなく、同時に高温に対して耐性のある電子回路部分の実現も可能になる
。１５０℃を越えた遮断領域も実現することが可能になることによって、集積された電子回路部分をこの温度の上方で安定して動作させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明による容量式圧力センサの製造をあらわす図。
【図２】表面マイクロメカニックウェハの処理をあらわす図。
【図３】ＳＯＩ技術を用いた、結合された２つのウェハから成る容量式圧力センサの製造をあらわす図。
【図４】ハウジング内に収容された本発明による容量式圧力センサをあらわす図。
【符号の説明】
【００３１】
１０  ＳＯＩウェハ、  １２  下方電極、  １４  ＳＯＩウェハ、  １６  空洞部、  １８  ＳｉＯ２、  ２０  評価回路、  ２２  はんだ球、  ２４  フリップチッププロセス、  ２６  対向電極、  ２８  トレンチ，リング、  ３０  領域、  ３２  空洞縁部、  ３４  金属ブシュ、  ３６  シールガラス、  ３８  ハウジング、  ４０  圧力、  ４２  ＳｉＯ２層、  ４４  ホトラック、  ４６  圧力、  １００  圧力センサ
【図１】
2005308745.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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