DE69032583T2

DE69032583T2 - Miniaturdruckwandler hoher Empfindlichkeit mit gespannter Membran

Info

Publication number: DE69032583T2
Application number: DE69032583T
Authority: DE
Inventors: Barry Los Altos Hills Ca 94022 Block; Robert M. Los Altos Ca 94022 Cadwell; Kenneth W. San Jose Ca 95124 Mapes; Philip E. Santa Clara Ca 95051 Mauger; Norman L. Sunnyvale Ca 94087 Nystrom; Arthur R. Los Altos Ca 94022 Zias
Original assignee: Dresser Industries Inc
Current assignee: Ashcroft Nagano Inc
Priority date: 1989-01-30
Filing date: 1990-01-30
Publication date: 1999-01-07
Anticipated expiration: 2010-01-31
Also published as: EP0631122B1; EP0389071A3; JP2782546B2; DE69033664T2; DE69033664D1; EP0389071A2; DE69032583D1; DE69015670T2; EP0854358A1; EP0389071B1; US4996627A; JPH02290524A; EP0854358B1; EP0631122A1; DE69015670D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen kapazitiven Membrandruckwandler und ein Verfahren zur Herstellung.

Hintergrund der Erfindung

Wandler sind Geräte, die allgemein funktionieren, um einen Eingang von einer Form in einen Ausgang einer anderen Form oder eines anderen Betrages umzuwandeln. Es stehen viele Typen von Wandlern für die Umwandlung von Licht in elektrische Signale, von mechanischer Energie in elektrische Signale, von Temperatur in Druck, von Druck in elektrische Signale etc. und umgekehrt zur Verfügung. In anderen Fällen können Wandler einfach einen Eingangsstimulus modifizieren, wie zum Beispiel einen Eingangsdruck in einen anderen Druck, eine Eingangsamplitude in eine andere Ausgangsamplitude ändern etc. Eine Ausrüstung oder ein Gerät, das zwischen verschiedenen Energietypen funktioniert, erfordert generell den einen oder anderen Typ eines Wandlers. Bezogen auf die Anwendung können Wandler billig bis sehr teuer sein, je nach der erforderlichen Präzision, Genauigkeit, Zuverlässigkeit usw.
Auf dem gegenwärtigen Markt ist die größte Anzahl der Einrichtungen zur Umwandlung von Druck in Spannung (Druckwandler) piezoresistiv. Diese Einrichtungen sind eher dehnungsempfindlich als verformungsempfindlich. Für Druckbereiche von weniger als ein psi VA (Vollausschlag) werden jedoch vorherrschend kapazitive Verformungswandler benutzt. Die Kapazität wird durch elektrische Schaltungen erfaßt, um eine Ausgangsspannung zu liefern, die der Änderung des Druckes entspricht. Hochentwickelte Siliciumhalbleiter-Verarbeitungstechniken haben Veranlassung zur Verwendung eines solchen Materials als flexible, eingespannte Wandlermembranen geführt, die sich in Reaktion auf Druck bewegen und für eine Ausgangsänderung des elektrischen Widerstands oder der Kapazität sorgen. Solche Wandler werden offenbart in den US-Patenten Nr. 4,495,820; 4,424,713; 4,390,925 und 4,542,435. Die Verwendung von Siliciumhalbleitermaterial als Druckwandlermembran ist eine verhältnismäßig junge Neuerung, und folglich bestehen immer noch viele Herstellungs- und Funktions-Unsicherheiten. Beispielsweise ist das Charakterisieren und das mathematische Modellieren von Silicium, wenn es als flexible Membran benutzt wird, nicht gut bekannt. Daher war es bis jetzt schwer, von einem Siliciummembranwandler das Leistungsverhalten vorauszusagen, das vordefinierte Kennwerte über einen breiten Anwendungsbereich angibt. Zusätzlich ist die Herstellung von solchen Wandlertypen von vielen Problemen begleitet, von denen eines ist, daß eine solche leitfähige Membran des eingespannten Typs an ihrem Umfangsrand befestigt oder verankert sowie gegenüber beabstandeten Kondensatorplatten elektrisch isoliert werden muß. Ein solcher Übergang erfordert verschiedene Materialien mit den damit verbundenen Problemen der Befestigung, der relativen Wärmeausdehnung, des einheitlichen Abstands, der Stabilität, Zuverlässigkeit und einer Menge anderer Probleme.
Der Bedarf an Druckwandlern mit erhöhter Empfindlichkeit ist schon immer hoch gewesen, weil der Markt für Strömungswandler, die Differenzdrucktechniken verwenden, schon immer größer als der gesamte Markt für Druckwandler gewesen ist. Dieser Markt ist wegen eines Mangels an preiswerten Differenzdruckwandlern mit hoher Empfindlichkeit weitgehend unversorgt gewesen. In jüngster Zeit stieg dieser schon hohe Bedarf weiter an, weil Energieeinsparungen und Steuerungsbedürfnisse auf dem Gebiet Heizung, Lüftung und Klimatisierung (HVAC) eine empfindlichere, genauere und exaktere Strömungswandlung bei geringeren Kosten erfordern. Bei kapazitiven Verformungswandlern erreicht man eine solche höhere Empfindlichkeit generell durch Vergrößerung des Durchmessers der flexiblen Membran. Das Ergebnis ist, daß große Membrandurchmesser verwendet worden sind, um für die gewünschte Empfindlichkeit zu sorgen. Es ist offensichtlich, daß derartige Wandler mit einer solchen Konstruktion teuer sind, nicht leicht in Massen produktion hergestellt werden können und eine Menge Platz für den Einbau erfordern. Zusätzlich macht bei Membranen größeren Durchmessers die Verwendung von Silicium den Wandler wirtschaftlich nicht praktikabel. Neben anderen Nachteilen von vielen großen Metallmembranwandlern ist ein Nachteil der, daß ein nur kurzzeitig wirkender Überdruck die Membran oft dehnt oder vollständig beschädigt und den Wandler unbrauchbar macht. Der typische Überdruck (Prüfdruck) für Wandler im psi-Bereich liegt zwischen dem 1- bis 10-fachen VA. Der erforderliche Überdruck für hochempfindliche Differenzdruckwandler bei Strömungsanwendungen liegt oft bei dem 10- bis 100-fachen VA und gelegentlich bei dem 1000-fachen VA. Diese Anforderungen können nicht durch Geräte mit Metallmembranen großer Durchmesser mit proportional größeren Spalten erfüllt werden.
Es kann gesehen werden, daß eine Nachfrage nach einem kapazitiven Miniatur-Verformungsdruckwandler besteht, der preiswert und in Massen produzierbar ist, und zwar bei Verwendung neuer Siliciumherstellungs- und Mikrofeinbearbeitungsverfahren bei Halbleiterscheiben. Es besteht ebenfalls eine Nachfrage nach einem Miniatur-Wandler und nach einem Herstellungsverfahren für diesen, bei dem die Empfindlichkeit nicht auf Basis der Größe eingeschränkt ist und bei dem eine große Anzahl von Wandlern in einem Stapelverarbeitungsprozeß unter Verwendung von Halbleitermaskierungs-, Musterungs- und Aufdampftechnik hergestellt werden kann. Es besteht außerdem eine Nachfrage nach einer hochempfindlichen Membran mit kleinem Durchmesser, die einem erhöhten Druck ohne Schaden an der Einheit ausgesetzt werden kann.
Die EP-A-0 115 908 offenbart eine Technik zur Herstellung einer unter Zugspannung stehenden Metall-Membran in einem Wandler mit Aluminium-Halteblöcken. Eine Metall-Membranplatte ist ausgewählt, mit einem Material, das einen etwas größeren Ausdehnungskoeffizienten hat als die Aluminium-Halteblöcke. Die Teile sind miteinander verklebt und unter Druck bei einer hohen Temperatur eingespannt, so daß die Metallplatte auch dann noch unter Zugspannung steht, wenn die Einheiten abgekühlt sind.
Die EP-A-0 074 176 offenbart einen kapazitiven Wandler mit nicht-leitfähigen Borosilikat-Glasplatten, um dazwischen eine leitfähige Siliciummembran zu verankern. Die Anordnung wird anodisch verbunden, und zwar ohne Verwendung irgendeiner Art von Klebstoff, um die Wandlerteile aneinander zu befestigen. Nach dem Verbinden, wenn die Teile abgekühlt werden, schrumpfen das Glas und das Halbleitermaterial um den gleichen Betrag, wodurch keine Zugspannung auf die Membran aufgebracht wird. Offensichtlich gibt es beim Zusammenbau, wenn die Teile bei Raumtemperatur schichtweise verbunden sind, keine Anfangs-Zugspannung in der Membran, und daher kehrt die Membran in den gleichen entspannten Anfangszustand zurück, wenn die Teile erwärmt, elektrisch versiegelt und abgekühlt werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Wandler nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 9.
Der Dreischichtwandler kann extrem klein sein, z. B. etwa 300 Mil (8 mm) im Quadrat mit einer ultradünnen Membran von etwa 200 Mil (5 mm) Durchmesser und mit einer Empfindlichkeit in Bezug auf Druckänderungen, die bisher nicht von Wandlern mit vergleichbaren Abmessungen realisiert wurde.
Die Wandlermembran kann ein dünnes Einkristall-Siliciummaterial enthalten, das auf eine Art und Weise verarbeitet wird, um unabhängig einen Kondensatorspaltparameter und eine Membrandicke zu definieren. Beispielsweise wird die Siliciumscheibe maskiert und mit einem Muster aus Siliciumdioxid versehen, um mehrere kreisförmige Membranbereiche zu bilden. Das gemusterte Siliciummaterial wird dann kurz mit einem Kaliumhydroxid-Ätzmittel ge ätzt, um restliche Oberflächen-Oxide zu entfernen, worauf eine erste Ätzung mit quaternärem Ammoniumhydroxid folgt, um das gemusterte Silicium bis zu einer gewünschten Absatz- oder Spalttiefe zu entfernen. Die gesamte Siliciumdioxid-Maske wird dann entfernt, woraufhin die gesamte Halbleiterscheibe wieder kurz mit Kaliumhydroxid geätzt wird, wonach eine zweite Ätzung mit quaternärem Ammoniumhydroxid folgt, bis in den Membranbereichen eine gewünschte Dicke des Siliciums erreicht ist. Die Stufen- oder Spalttiefe wird nicht wesentlich durch die zweite Ätzung beeinflußt, wodurch unabhängig die Stufen- und Membrandickenparameter gebildet werden. Diese Ätzung ändert nicht selektiv die Stufenätztiefe an den Membrangrenzen, wie dies die anderen Ätzungen tun, wodurch über die Membran eine gleichförmige Ätztiefe erreicht wird. Die dickeren Siliciumbereiche, die die dünnen Membranen umgeben, werden während des zweiten Ätzvorgangs außerdem mikrofeinbearbeitet, um eine ideal glatte Fläche zu erzeugen, wodurch die elektrostatische Befestigung an Glasscheiben erleichtert wird. Wegen der resultierenden ultradünnen Siliciumstruktur ist die Halbleiterscheibe empfindlich und wird einfach zerbrochen. Deshalb kann ein Bereich der Halbleiterscheibe maskiert bleiben und nicht Gegenstand eines Ätzvorgangs sein, so daß ein bestimmtes Maß an Festigkeit der Halbleiterscheibe erhalten bleibt, um die Handhabung der Halbleiterscheibe zu erleichtern.
Wesentlicher Überdruck bei der ultradünnen Siliciummembran führt weder zu deren Zerbrechen noch zu einer Hysterese oder einem anderen unelastischen Verhalten. Die Natur der Verformung der ultradünnen Membranen ist so, daß für Verformungen, die sehr viel größer als die Membrandicke ist, die Dehnung gering bleibt. Beim Fall von ultradünnem Silicium können die Membranen daher während des Überdrucks über das Vielfache ihrer Dicke gebogen und vollständig gegen die Kondensatorplatte abgelenkt werden. Der Hauptvorteil bei der Verwendung von ultradünnem Silicium ist der, daß die resultierende Membran sogar dann einen kleinen Durchmesser haben kann, wenn sie für sehr geringe Druckbereiche konstruiert ist. Die Sensorgröße selbst ist ebenfalls gering. Daher können viele dieser Sensoren in einer stapelbearbeiteten Siliciumscheibe hergestellt werden. Die große Anzahl von Sensoren auf einer einzelnen Halbleiterscheibe ist der Grund für den geringen Preis pro Einheit.
Ein Paar Borosilikat-Glassubstrate werden bearbeitet, indem Löcher darin und metallisierte Muster ausgebildet werden, um Kondensatorplatten, Kantenkontaktflächen und Verbindungsleiter zu bilden. In der bevorzugten Form der Erfindung sind die Leiterbahnen so gebildet, daß Verbindungen zu dem Miniatur-Wandler von einer Seite der ultradünnen Vorrichtung bewirkt werden können. Die Glassubstrate werden schichtweise relativ zu der verarbeiteten Siliciumscheibe angeordnet und einem elektrostatischen Versiegelungsprozeß unterzogen, um die Glassubstrate in Schichtanordnung hermetisch mit der Halbleiterscheibe zu verbinden. Die einzelnen Membranen der Siliciumscheibe werden dadurch zwischen den Glassubstraten eingespannt. Eine Borosilikat- Zusammensetzung wird verwendet, die in einem Betriebstemperaturbereich den gleichen thermischen Koeffizienten der linearen Ausdehnung wie Silicium aber in einem Versiegelungs- oder Verbindungstemperaturbereich einen kleineren Koeffizienten hat. Die Glassubstrate werden elektrostatisch mit der Siliciumscheibe verbunden und können sich auf eine Betriebstemperatur abkühlen. Jede ultradünne Siliziummembran ist dadurch automatisch vorgespannt, teilweise durch die geeignet gewählte Differenz bezüglich der Ausdehnung zwischen Silicium und Glas. Spezielle Metallmusterbereiche auf jedem Glassubstrat sind wirksam bei dem elektrostatischen Versiegelungsprozeß, um das elektrostatische Feld auf bestimmte Bereiche zu begrenzen, wodurch eine Molekularbewegung von Material gesteuert wird und außerdem die Membranen auf ein bestimmtes Ausmaß vorgespannt werden. Da Hauptanteil der drei Ebenen aufweisenden Wandlerstruktur Glas ist, steuern die Glas-Charakteristiken die thermische Ausdehnung und die Kontraktionseigenschaften der Schichtstruktur. Dies steht in Gegensatz zu den Strukturen nach dem Stand der Technik, der in den obengenannten Patenten offenbart ist.
Beide Glassubstrate und die Siliciumhalbleiterscheibe werden verarbeitet, um ein Feld von Quadrat-Einheitszellen zu bilden. Jede Einheitszelle bildet vier Wandlerscheibchenstrukturen, die mit Mustern versehen, geätzt und verarbeitet werden, um das Gebiet der Halbleiterscheibe zu maximieren. Die Herstellung von Löchern in den Glassubstraten und die Metallablagerungen darin bilden Leitungen von einer Seite der Substrate zu der anderen, um elektrische Verbindungen zu lediglich einer Seite des Wandlers zu ermöglichen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden und spezielleren Beschreibung der bevorzugten und anderer Ausführungsformen der Erfindung deutlich, wie sie in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht werden, bei denen gleiche Bezugszeichen sich generell auf dieselben Teile oder Elemente bei allen Ansichten beziehen und bei denen
Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung eines Druckwandlers ist, der eine flexible Membran für die Lieferung einer Ausgangsänderung bei der Kapazität als Reaktion auf eine Eingangsänderung beim Druck hat;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer verallgemeinerten, drei Ebenen aufweisenden Wandlerstruktur der eingespannten Membran in kapazitiver Verformungsausführung ist;
Fig. 3a bis 3e Querschnittsansichten einer Halbleiterscheibe sind, wie sie den verschiedenen Herstellungsschritten bei der Bildung ultradünner Membranen unterzogen wird; :
Fig. 4a eine isometrische Ansicht einer mit Rand versehenen Halbleiterscheibe nach einer Verarbeitung entsprechend der Erfindung ist;
Fig. 4b eine mit Rand versehene Halbleiterscheibe ist, die durch epitaxiale Verfahren gebildet wurde;
Fig. 5 eine isometrische Ansicht eines drei Ebenen aufweisenden Wandlers ist, der entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hergestellt wurde;
Fig. 6 eine isometrische Ansicht der verschiedenen Verbundschichten des Wandlers aus Fig. 5 in auseinandergezogener Darstellung ist;
Fig. 7 eine Querschnittsansicht des Wandlers aus Fig. 5 entlang Linie 7 - 7 davon ist;
Fig. 8 und 9 Ansichten von oben von Teilen des oberen und des unteren Glassubstrats sind, die die Löcher zeigen, die darin ausgebildet sind, um die Quadrat-Einheitszellen zu definieren;
Fig. 10 und 11 Ansichten von oben sind, die die Metallmuster auf der Ober- und Unterseite des oberen Glassubstrats veranschaulichen;
Fig. 12 und 13 Ansichten von oben sind, die die Metallmuster auf der Ober- und Unterseite des unteren Glassubstrats veranschaulichen;
Fig. 14 eine Ansicht von oben ist, die den detaillierten Aufbau eines Teils der Siliciumhalbleiterscheibe veranschaulicht, die ultradünne Membranen in einer Quadrat-Einheitszelle definiert;
Fig. 15 eine Querschnittsansicht eines Teils der Siliciumhalbleiterscheibe aus Fig. 14 ist, die einen mit einer Vertiefung versehenen kreisförmigen Bereich für die Bereitstellung eines Ausstanz-Ausschnitts zur Bildung eines Lochs in der Halbleiterscheibe zeigt;
Fig. 16 in grafischer Form die Beziehung der Wärmeausdehnungskoeffizienten der Glassubstrate und der Siliciumhalbleiterscheiben im Arbeits- und Versiegelungstemperaturbereich zeigt;
Fig. 17 einen Teil der drei Ebenen aufweisenden Wandlerkonstruktion und die Ionenbewegung zeigt, von der angenommen wird, daß sie während der elektrostatischen Versiegelungsoperation auftritt; und
Fig. 18 eine isometrische Ansicht eines Teils der drei Ebenen aufweisenden Verbund-Wandlerkonstruktion ist, mit einer darüberliegenden, mit Öffnungen versehenen Schablonenplatte für die Bildung elektrischer Kontakte an der dazwischenliegenden Halbleiterscheibe.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Schema eines Druckwandlers, der auf einen Eingangsdruck PES reagiert, um ein mit VAUS bezeichnetes elektrisches Ausgangssignal zu liefern. Der Wandler beinhaltet eine Einrichtung 10, die ein Paar voneinander beabstandete, leitfähige Platten 12 und 14, die Kondensatorplatten definieren, und eine flexible Membran 16 hat. Die Membran 16 wird aus einer Ruhelage, die in gestrichelter Linie dargestellt ist, so durchgebogen gezeigt, wie sie als Reaktion auf einen Flüssigkeitsdruck erscheinen würde. In der Praxis umfaßt die Membran 16 eine kreisförmige Membran, die um ihren Umfang herum befestigt oder eingespannt ist, die aber sich ansonsten als Reaktion auf den Eingangsdruck in ihrem inneren Teil durchbiegen kann. Eine erste Kapazität C1 existiert zwischen Kondensatorplatte 12 und Membran 16. In gleicher Weise existiert eine zweite Kapazität C2 zwischen Kondensatorplatte 14 und Membran 16. Wenn sich die Membran 16 in der gezeigten Art und Weise durchbiegt, dann sinkt die Kapazität C1, während die Kapazität C2 ansteigt, wodurch eine Kapazitätsdifferenzbeziehung geschaffen wird. Die Kapazitäten C1 und C2 ändern sich umgekehrt entsprechend der folgenden Beziehung:
wobei A die Fläche der Kondensatorplatten, D der Abstand zwischen der Membran 16 und jeder Kondensatorplatte und E die Dielektrizitätskonstante des Isolators zwischen der Membran 16 und den Kondensatorplatten 12 und 14 ist. Weil die Zunahme bei der Kapazität C2 nicht von demselben Betrag ist, wie die Abnahme bei Kapazität C1, wenn sich die Membran 16 in der gezeigten Richtung durchbiegt, ist die Ausgangs-Kapazitätsdifferenz der Einrichtung 10 nicht linear für eine Änderung oder Durchbiegung bei der Membran 16 als Ergebnis eines darauf aufgebrachten Flüssigkeitsdrucks. In jedem Fall hat eine elektrische Schaltung 18 Eingänge, die durch Leiter mit den Kondensatorplatten 12 und 14 und auch mit der Membran 16 verbunden sind. Die Schaltung 18 reagiert auf die Änderung bei den Kapazitäten C1 und C2, um eine Ausgangsspannung VAUS zu liefern, die bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Spannung ist, die eine lineare Beziehung zu dem Druck PEIN hat. Wie man einschätzen kann, kann der Wandler von Fig. 1 bei einer Vielzahl von Anwendungen benutzt werden, bei denen Drücke in entsprechende Ausgangsspannungen oder -ströme umzuwandeln sind. Die Spannung VAUS des Wandlers als solche kann als Rückkopplung bei einem System verwendet werden, um den Druck zu steuern und dadurch eine geschlossene Regelschleife zu bilden oder um andere Geräte oder Parameter zu steuern.
Fig. 2 veranschaulicht stärker detailliert die drei Ebenen aufweisende Wandlereinrichtung 10 der Erfindung. Die flexible · Membran 16 umfaßt eine ultradünne Siliciummembran, die als Teil einer peripheren Silicium-Tragkonstruktion 20 hergestellt ist. Wichtig ist, daß die Siliciummembran 16 in einer nachstehend beschriebenen, speziellen Art und Weise vorgespannt ist, in erster Linie, um ein Beulen zu vermeiden. Die Silicium-Tragkonstruktion 20 ist an einander gegenüberliegenden mikrofeinbearbeiteten Flächen zwischen Isolatorsubstraten 22 und 24 hermetisch abgedichtet, die bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aus Borosilikat-Glas bestehen. Die Abdichtung der Silicium-Tragkonstruktion 20 spannt im wesentlichen die Membran 16 um ihren Umfangsrand herum zwischen den Isolatoren 22 und 24 ein.
Die Kondensatorplatten 12 und 14 sind auf den Glassubstraten 22 und 24 als leitfähige Beschichtungen ausgebildet und auf den Innenflächen der Glassubstrate 22 und 24 aufgespritzt. oder in anderer Weise aufgetragen. Löcher 26 und 28 sind durch die Glassubstrate 22 und 24 ausgebildet, damit Gase oder Flüssigkeiten einen Druck auf die Membran 16 ausüben und diese dadurch je nach der Druckdifferenz in Richtung auf die eine oder andere Kondensatorplatte 12 oder 14 durchbiegen können. Die Kondensatorplatten 12 und 14 sind mit den Leiterflächen 30 und 32, die auf der Außenseite der Glassubstrate 22 und 24 ausgebildet sind, mit Hilfe von metallisierten Durchgängen verbunden, die durch die Löcher 26 und 28 gebildet sind. Es stehen folglich Kontakte zur Verfügung, um die Veränderung bei der Kapazität als Folge der Durchbiegung der ultradünnen Membran 16 zu erfassen. Der elektrische Kontakt mit der Membran 16 wird durch Kontaktieren des Siliciummaterials 20 hergestellt. Das Siliciummaterial 20 ist gegenüber den Kondensatorplatten 12 und 14 durch Glassubstrate 22 und 24 isoliert, die eine sehr hohe Dielektrizität oder einen sehr hohen Widerstand aufweisen. Die Leiter 34, 36 und 38 können mit der Schaltung 18 für das Erfassen von Änderungen bei der. Kapazität C1 und C2 und das Umwandeln derselben in entsprechende elektrische Ausgangsspannungen verbunden werden. Die Einzelheiten des speziellen Aufbaus der Wandlereinrichtung 10 werden im Nachstehenden in der Form einer als Beispiel gewählten Einrichtung beschrieben, die Kontakte nur auf einer Seite der Einrichtung hat, wodurch die Herstellung und das Anschliessen derselben an die Schaltung 18 erleichtert wird.
In Übereinstimmung mit einem bedeutsamen Merkmal der Erfindung wird die Wandlermembran 16 als ultradünne Siliciummembran hergestellt, um für eine erhöhte Empfindlichkeit zu sorgen. Bei einer solchen Konstruktion kann die Membran viel kleiner als bisher hergestellte Membranen gemacht und mit sehr viel weniger Schwankung von Einheit zu Einheit hergestellt werden. Im Ergebnis kann für eine gegebene Empfindlichkeit eine Wandlermembran 16 mit einem wesentlich kleineren Durchmesser als andere Siliciummembranen bekannter Technik ausgeführt werden. Beispielsweise kann eine gemäß der Erfindung konstruierte Membran 16, die einen Durchmesser von ungefähr 200 Mil (5 mm) oder weniger hat, bei einer gegebenen Dicke in der Größenordnung von nur einigen um für eine Empfindlichkeit sorgen, die äquivalent zu der viel größerer Membranen ist, die entsprechend den Techniken hergestellt werden, die beim Stand der Technik gelehrt werden.
Entsprechend einem nennenswerten Gesichtspunkt der Erfindung kann die Membran 16 integriert mit der diese umgebenden Umfangskonstruktion 20 hergestellt werden und kann mikrofeinbearbeitet werden, um unabhängig davon eine gewünschte Dicke der Membran 16 zu bilden und auch um eine Vertiefung oder einen Rückversatz mit einer gewünschten Abmessung zwischen der Membran 16 und den Kondensatorplatten 14 zu bilden. Durch Erreichen einer unabhängigen Steuerung bezüglich der Kondensatorvertiefung und der Membrandicke können solche Parameter gesondert gewählt werden, um die Linearität der Wandlereinrichtung 10 zu optimieren. Es sollte daran gedacht werden, daß eine solche Membrandicke ungefähr 1/10 der von Papier ausmacht. Desgleichen kann als Ergebnis einzigartiger Ätzschritte der Erfindung die Membran 16 mit einer ein heitlichen Dicke von nur ein paar um gebildet werden. Die gegenüberliegenden Flächen 42 und 44 des Siliciummaterials 20 können auf eine außergewöhnlich glatte oder spiegelnde Oberflächengüte mikrofeinbearbeitet werden, um für eine ausgezeichnete elektrostatische Verbindung mit den Glassubstraten 22 und 24 zu sorgen.
Die Siliciummembran 16 unterliegt im wesentlichen keiner Hysterese, wenn sie einem zu hohen Druck ausgesetzt wird, und zwar in erster Linie wegen der außergewöhnlichen elastischen Eigenschaften des Siliciums. Die Membran 16 wird, wenn sie einem zu hohen Druck ausgesetzt wird, wegen ihrer unmittelbaren Nähe zu den Kondensatorplatten 12 und 14 nicht gereckt oder beschädigt, in welchem Fall die Membran 16 die eine oder die andere dieser Platten berührt, und es wird eine zusätzliche Membrandurchbiegung verhindert. Dies wird durch den schmalen Spalt zwischen der Membran 16 und den Kondensatorplatten 12 und 14 bewirkt. Die nahezu idealen elastischen Eigenschaften und die hohe Festigkeit von Silicium sorgen, zusammen mit dem genannten Überdruckschutz, für eine in hohem Maße zuverlässige Membran, die unter extremen und nicht voraussagbaren Umgebungsdruckbedingungen betrieben werden kann.
Fig. 3a bis 3e zeigen eine Technik für die Verarbeitung einer Halbleiterscheibe, um eine große Anzahl von ultradünnen Membranen auf effektive Weise zu bilden. Das Ergebnis ist, daß eine große Anzahl Siliciumwandlermembranen gleichzeitig aus einer einzigen Siliciumhalbleiterscheibe 20 gebildet werden. Die Scheibe 20 umfaßt ein in geeigneter Weise dotiertes Silicium- Einkristall und ist von konventioneller Qualität und von einem geeigneten Durchmesser, z. B. drei, vier, fünf oder sechs Zoll (8, 10, 13, 15 Zentimeter). Obwohl auch andere Halbleiter oder andere Materialien zur Herstellung von Wandlermembranen verwendet werden können, hat sich herausgestellt, daß ein Silicium- Einkristall ausgezeichnete Eigenschaften liefert, um als Membran bei kapazitiven Wandlern in Verformungsausführung zu funktionieren. Die Siliciumscheibe 20 hat vorzugsweise eine Kristallorien tierung (100). Ein solcher Scheibentyp ist zu bevorzugen, weil er leicht in hoher Qualität verfügbar und verhältnismäßig billig ist. Vorzugsweise sollte die gesamte Scheibe 20 von einer gegebenen Dicke um nicht mehr als ein paar um abweichen, um für in hohem Maße parallel gegenüberliegende Oberflächen zu sorgen. Eine Siliciumscheibe 20, die eine sehr einheitliche Dicke hat, liefert entsprechende Membranen einheitlicher Dicke, ohne Rücksicht auf die Stelle bei der Scheibe, an der die Membranen gebildet werden. Man kann einschätzen, daß dann, wenn sehr dünne Membranen mit einer Dicke von nur ein paar um gebildet werden, eine Abweichung von einem um zu Membranen führen kann, die in starkem Maße unterschiedliche Reaktionen gegenüber einem vorgegebenen Druck hervorrufen, und folglich die Scheibenausbeute reduziert.
Wie bei der als Beispiel dargestellten Verarbeitung von Fig. 3a gezeigt, wird die Siliciumscheibe 20 in einer oxidierenden Umgebung verarbeitet, wobei eine Schicht 48 aus Siliciumdioxid (SiO&sub2;) thermisch über beiden Oberflächen der Scheibe 20 gezüchtet wird. Die Scheibe 20 wird einer das Silicium oxidierenden Umgebung über einen Zeitraum ausgesetzt, der ausreicht, um mehrere tausend Ångström eines dicken isolierenden Siliciumdioxids 48 zu züchten. Wie nachstehend detailliert beschrieben wird, funktioniert die Silicumdioxidschicht 48 als Ätzmaske, wenn die Scheibe geätzt wird, um die Membranen zu bilden. Die Tiefätzung, die erforderlich ist, um die gewünschte Membrandicke zu erreichen, umfaßt eine spezielle Klasse von alkalischen Ätzmitteln, die die Siliciumdioxidmaske nicht abbauen. Desgleichen können, obwohl Siliciumdioxid bei der bevorzugten Ausführungsform verwendet wird, auch andere Ätzmaskenmaterialien, wie beispielsweise Siliciumnitrid, benutzt werden. Die Ausrüstung für das Liefern einer doppelseitigen Verarbeitung von Halbleiterscheiben ist in der Technik allgemein bekannt und muß hier nicht weiter beschrieben werden.
Mit Verweis auf Fig. 3b wird die verarbeitete Halbleiterscheibe 20 mit einer fotoresistenten Schicht 50 für eine Verwendung bei der Maskierung des Siliciumdioxids 48 beschichtet. Vorzugsweise liefert eine fotoresistente Trockenschicht 50 eine angemessene Definition für das Definieren von Öffnungen in dem Siliciumdioxid 48 für die Bildung der Membranen aus der Halbleiterscheibe 20. Für Miniaturwandler kann der Durchmesser der Membranen 200 Mil (5 mm) oder sogar kleiner sein. Andere Siliciummerkmale, die nachstehend beschrieben werden, wie beispielsweise Ausstanz-Vertiefungen oder Eindrücke, können durch geeignetes Maskieren und Mustern des Siliciumdioxids gebildet werden. Obwohl dies nicht gezeigt ist, wird die fotoresistente Schicht 50 maskiert und ultraviolettem Licht ausgesetzt, um das fotoresistente Material so zu entwickeln, daß eine Vielzahl kreisförmiger Öffnungen definiert wird. Danach wird der unmaskierte Teil des fotoresistenten Materials entwickelt oder entfernt, wodurch kreisförmige Öffnungen, zum Beispiel 52, zurückgelassen werden. Der Durchmesser der Öffnungen 52 definiert im wesentlichen den Durchmesser der Wandlermembranen der Erfindung.
Die verarbeitete Halbleiterscheibe 20 wird dann in gepufferte Fluorwasserstoff- (HF-) Säure getaucht, um das Siliciumdioxid 48 zu entfernen, das als Ergebnis des Maskierens der fotoresistenten Schicht 50 freigelegt ist. HF ist wirksam beim Entfernen des Siliciumdioxids 48, ohne das darunterliegende Silicium-Einkristallmaterial 20 nennenswert zu beeinflussen. Die verarbeitete Halbleiterscheibe 20 wird in der HF-Lösung nicht länger als notwendig gelassen, um das freigelegte Material der dünnen Schicht aus Siliciumdioxid 48 zu entfernen. Dann wird die fotoresistente Schicht 50 mit Hilfe herkömmlicher Techniken entfernt.
Fig. 3c zeigt den Aufbau der verarbeiteten Siliciumscheibe 20, nachdem die Siliciumdioxidschicht 48 durch das Vorstehende gemustert worden ist und nach einem anschließenden Ätzen oder Mikrofeinbearbeiten, um die gewünschte Vertiefung in dem Silici ummaterial 20 zu definieren. Fig. 3d ist ein stark vergrößerter Teil der verarbeiteten Scheibe von Fig. 3c, in der die Vertiefung 54 veranschaulicht ist, die aus dem in den gemusterten Siliciumdioxidbereichen entfernten Siliciummaterial resultiert. Die vertikale Dimension der Seitenwand 54 definiert eine Kondensatorspaltdimension und den gewünschten Raum für die Unterbringung der Durchbiegung der Membran. Die Membrandurchbiegung der Erfindung hängt etwas von dem Durchmesser der Membran ab, doch kann eine solche Durchbiegung nur in der Größenordnung von mehreren um liegen.
Jedes im Entstehen befindliche und/oder restliche Siliciumdioxid wird in den gemusterten Silicium-Öffnungen durch Kaliumhydroxid-Ätzmittel entfernt, das über einen kurzen Zeitraum aufgebracht wird. Dieses chemische Ätzen ist bei dem Entfernen von irgendwelchem unerwünschten Siliciumdioxid und dem einheitlichen Ätzen bis hinunter zu dem freigelegten Silicium 20 wirksam, ohne die dicke Siliciumdioxidmaske 48 in nennenswerter Weise zu zerstören oder in anderer Weise zu beeinflussen. Dann wird ein Tetrametyhlammoniumhydroxid- (TMAH-) Ätzmittel gemäß dem bevorzugten Ätzmittel der Erfindung verwendet, um das Silicium zu entfernen und die zurückgesetzte Vertiefung bzw. den Spalt 54 zu definieren. Es können auch andere Hydroxid-Ätzmittel aus der quaternären Ammoniumhydroxidfamilie mit gleicher Wirksamkeit verwendet werden, um das Siliciummaterial zu ätzen. Wichtig ist, daß das TMAH im Gegensatz zu anderen sauren Ätzmitteln genau kontrolliert werden kann und zu einem einheitlichen Entfernen des Siliciummaterials führt, anders als bei sauren Ätzmitteln, die generell zu einer nicht-einheitlichen Entfernung von Silicium an den Grenzen der Siliciumkristallebenen führen. Ein Ätzen von Silicium mit sauren Ätzmitteln oder anderen Alkalien führt häufig zu einer Oberfläche in Form einer Orangenhaut, die für keinen engen Kontakt mit Glas sorgt, der bei elektrostatischer Abdichtung hoher Qualität erforderlich ist.
Es ist jedoch wichtig, eine genaue Kontrolle über die Dicke oder Tiefe der Vertiefung 54 beizubehalten. Die Tiefe der Vertiefung 54 kann durch die zeitliche Steuerung der TMAH-Ätzung sorgfältig gesteuert werden, die eine vorbestimmte Dicke an Silicium während eines gegebenen Zeitraums entfernt. Folglich kann die verarbeitete Siliciumscheibe 48 bei einer bekannten Temperatur und über einen vorbestimmten Zeitraum in das TMAH-Bad getaucht werden, um eine gewünschte Tiefe der Vertiefung 54 zu erreichen. Zusätzlich läßt die TMAH-Ätzung eine sehr glatte mikrofeinbearbeitete Siliciumoberfläche zurück, der Natur nach spiegelnd, und nicht die Oberflächen in Form einer Orangenhaut oder mit der Unregelmäßigkeit, wie sie durch die vorstehend vermerkten Ätzmittel zurückgelassen wird. Es ist wichtig, zu vermerken, daß diese mikrofeinbearbeitete Oberfläche, obwohl sie tiefgeätzt ist, im Gegensatz zu anderen tiefgeätzten Oberflächen, die mit solchen Ätzmitteln, wie KOH, NaOH, LiOH, RbOH, CsOH usw. ausgeführt worden sind, elektrostatisch mit Glas abdichtbar ist. Die Kondensatorvertiefungsausdehnung 54 wird auf vorbestimmte Tiefe geätzt, um ein gewünschtes Verhältnis von Vertiefung zu Membrandicke zu erreichen. Für gegebene Werte von Durchmesser, Vorspannung und gewünschtem Druck bei Vollausschlag für die Membran existiert eine Kombination von Membrandicke und Tiefe der dielektrischen Vertiefung, die für einen optimalen Kompromiß zwischen Ausgangsempfindlichkeit und Linearität sorgt.
Anschließend an die Verfahrensschritte, die zu dem Aufbau gemäß Fig. 3c geführt haben, wird dann die verarbeitete Siliciumscheibe 20 in einer gepufferten HF-Lösung über einen kurzen Zeitraum gewaschen, um die dicke Siliciumdioxidmaske 48 auf beiden Seiten des Siliciums 20 zu entfernen. Wichtig ist, daß alles Siliciumdioxid 48 mit Ausnahme desjenigen entfernt wird, das sich um die Umfangskante der Scheibe befindet, wie dies in Fig. 3e gezeigt. Die Ringe 56 aus Siliciumdioxid 48, die um die gegenüberliegenden Oberflächen verbleiben, die an die Umfangskante der Scheibe 20 angrenzen, verhüten, daß ein Rand aus Siliciummaterial geätzt wird, so daß die Scheibe 20 um die Kante herum nicht weiter dünner gemacht wird. Dies ist in hohem Maße bedeutsam, um für eine Steifigkeit bei der Halbleiterscheibe zu sorgen, so daß sie während der Verarbeitung sicher gehandhabt werden kann. Man kann einschätzen, daß Siliciumscheiben, die verarbeitet und auf sehr dünne Dimensionen mikrofeinbearbeitet sind, beim Handhaben leicht zerbrochen oder verbogen werden können. Tatsächlich würde, wenn es nicht die ursprüngliche Dicke des Rings 58 gäbe, der die Halbleiterscheibe 20 umgibt, das Handhaben wahrscheinlich zu einem Verbiegen oder Beschädigen der empfindlichen Scheibe führen, wodurch die Membranen zerstört und die Scheibe unbrauchbar gemacht würden.
Fortfahrend mit den in Fig. 3e gezeigten Siliciumverarbeitungsschritten und kurz nach dem Ausführen eines Entfernens von restlichem Oxid mit KOH, wird die Siliciumscheibe 20 wieder einer chemischen TMAH-Ätzung unterzogen, bevor sich irgendwelche neu entstehende Oxidablagerungen auf der Oberfläche des jungfräulichen Siliciums bilden. Dies ist wichtig, da alle Siliciumablagerungen, die sich entwickeln, leicht das Ätzen des Siliciums durch die TMAH-Lösung maskieren können. Die zweite Siliciumätzung wird über einen Zeitraum ausgeführt, der ausreichend ist, um die Membranflächen 60 so dünner zu machen, daß eine gewünschte Membrandicke erreicht wird. Eine einheitliche Membrandicke von zwei bis drei um, und sogar noch dünner, kann durch den angeführten Ätzprozeß erreicht werden. Alle anderen freiliegenden Oberflächen der Siliciumscheibe, ausgenommen der maskierte Umfangsrand 56, werden auf dasselbe Ausmaß dünner gemacht. Weil die TMAH-Ätzung das freiliegende Siliciummaterial einheitlich entfernt, wird die Tiefe der Kondensatorvertiefung 54, die vorher während der ersten Ätzung gebildet wurde, im wesentlichen nicht beeinflußt. Folglich ist der Prozeß, durch den die Vertiefung 54 gebildet wird, unabhängig von dem Prozeß, durch den die Dicke der Membranen gebildet wird. Eine fertiggestellte Membran wird bei Bezugszeichen 16 gezeigt. Wie vorstehend vermerkt, können Membranen von einheitlicher Dicke über die gesamte Fläche der Siliciumscheibe 20 während des zweiten Ätzschrittes hergestellt werden. Desgleichen ist, wie vorstehend vermerkt, die Einheitlichkeit der Dicke jeder Membran zum großen Teil von der Einheitlichkeit der Dicke der ursprünglichen Siliciumscheibe 20 abhängig.
Obwohl die vorstehende Folge von Schritten eine doppelseitige Halbleiterscheiben-Verarbeitung veranschaulicht, können jene, die mit der Technik vertraut sind, meinen, daß eine Einseitenverarbeitung gewisse Vorteile bietet. In einem solchen Fall können trotzdem die Merkmale und Vorteile der vorstehenden Prozeßschritte, um ultradünne Membranen und kleine Vertiefungen zu erzielen, die unabhängig von der Membrandicke hergestellt werden, und noch weitere technische Vorteile realisiert werden.
Ein bedeutsames Merkmal der Erfindung, das aus der TMAH- Ätzung resultiert, ist die glatte Oberfläche 64, die jede Membran 16 umgibt. Das chemische Ätzen der Siliciumscheibe 20 ergibt eine Mikrofeinbearbeitung der Flächen 64, so daß für eine in hohem Maße glatte Oberfläche gesorgt wird. Eine solche einheitliche und glatte Oberfläche ist außerordentlich wichtig, wenn die Glassubstratschichten 22 und 24 (Fig. 2) elektrostatisch mit den Siliciumflächen 64 verbunden werden. Nachdem die Siliciumscheibe 20 zum zweiten Mal geätzt worden ist, um die Dicke der Membranen 16 zu definieren, können die Siliciumdioxidringe 56 durch eine geeignete Ätzung entfernt werden, obwohl es nicht absolut wesentlich ist, daß die Siliciumdioxidringe entfernt werden.
Das Vorstehende führt die Hauptschritte beim Verarbeiten der Siliciumscheibe 20 fort, um gleichzeitig eine Anzahl ultradünner Membranen 16 zu bilden, die vorbestimmte Rücksprünge oder Vertiefungen 54 und hochpolierte Bindungsflächen 64 haben.
Ein alternatives Verfahren zur Herstellung einer dünnen Halbleiterscheibe mit einem ringförmigen Handhabungsrand wird in Fig. 4b gezeigt. Eine Halbleiterscheibe 57, die mit einer Ver unreinigung dotiert ist, wird so gewählt, daß sie entweder das Verhalten eines p-Typs oder eines n-Typs zeigt. Dann wird eine epitaxiale Schicht 59 des entgegengesetzten Leitungstyps auf einer Scheibenseite so gezüchtet, daß ein dazwischen p-n-Übergang gebildet wird. Vorzugsweise wird bei einer p-leitenden Halbleiterscheibe 57 und einer n-leitenden Epitaxialschicht 59 ein elektrisches Ätzen davon erleichtert. Die Dicke von der Epitaxialschicht sollte größer als oder gleich der endgültigen gewünschten Siliciumdicke (d. h. der Membrandicke plus ungefähr der doppelten Dicke der Vertiefung) sein. Beide Oberflächen der zweischichtigen Halbleiterscheibe werden oxidiert, um eine Siliciumdioxidschicht zu bilden. Die zweischichtige Scheibe wird dann gemustert und geätzt, so daß das gesamte Oxid auf der Epitaxialfläche entfernt wird, einen ringförmigen Rand 61 ausgenommen. Die Epitaxialseite für die zweischichtige Scheibe wird dann mit einer Metallschicht überzogen, die passiv gegenüber Alkalien ist, wie beispielsweise aus Zirkonium, Hafnium oder Titan, zum Beispiel mit Hilfe irgendeines herkömmlichen Metallablagerungsverfahrens. Der Handhabungsrand 61 wird durch das Oxid auf der Oberfläche der Halbleiterscheibe geschützt. Dann wird ein Elektroätzsystem benutzt, das an dem p-n-Übergang mit dem Ätzen aufhört, um auf diese Weise alles Halbleiterscheibenmaterial 57, ausgenommen die Epitaxialschicht 59 und den Rand 61, zu entfernen, wie in Fig. 4b gezeigt. Das gegen Alkalien passive Metall dient als Elektrode während des Elektroätzprozesses, bei dem eine Spannung zwischen der Metalloberfläche und dem Ätzmittel angelegt wird. Ein Ätzmittel, wie beispielsweise TMAH, kann bei dem Elektroätzprozeß benutzt werden, so daß nur das unmaskierte p-leitende Material entfernt wird, ohne das n-leitende Material oder das Metall auf der Epitaxialschicht 59 zu entfernen. Das TMAH läßt die Epitaxialfläche 59 sehr glatt und gut angepaßt für ein elektrostatisches Abdichten zurück. Das Alkalimetall kann dann entfernt werden, woraus sich eine mit Rand versehene Epitaxialscheibe ergibt.
Dann kann nach Abstreifen aller Metalle und Oxide die Epitaxialschicht 59 erneut in der vorstehend in Verbindung mit der nicht-epitaxiellen Version beschriebenen Art und Weise oxidiert, maskiert usw. werden, um so die Vertiefungen und Membranen 63 zu bilden. Bei der nicht-epitaxiellen Version von Fig. 4a hängt die endgültige Einheitlichkeit der Dicke über eine Scheibe 20 von der Anfangs-Einheitlichkeit der Scheibendicke ab. Bei der epitaxiellen Version von Fig. 4b hingegen hängt die endgültige Einheitlichkeit von der Einheitlichkeit des epitaxiellen Wachstums 59 ab. Die epitaxielle Wachstumsdicke über eine Scheibenseite ist typischerweise außerordentlich einheitlich und erfolgt zu vernünftigen Kosten. Der vorstehende Prozeß kann benutzt werden, um mit Rand versehene epitaxielle Scheiben herzustellen. Epitaxielle Scheiben von in hohem Maße einheitlicher Dicke können auch ohne Stützrand durch Eliminieren des Randmaskenschritts hergestellt werden. Als noch weitere Alternative für die Herstellung einer zweischichtigen p-n-Scheibe kann eine p-leitende Halbleiterscheibe als Ausgangsmaterial benutzt werden. So kann eine n-leitende Verunreinigung in eine Fläche der Halbleiterscheibe diffundiert werden, um eine zweischichtige Scheibe zu bilden.
Wie in Fig. 4b vermerkt, kann der Rand 61 auf einer einzigen Seite der Epitaxialschicht 59 gebildet werden. Die Unterseite der Epitaxialschicht 59 wird dadurch eben. Diese Konstruktion ist gut für Montageoperationen insofern angepaßt, als das untere Glassubstrat 65 mit einem Durchmesser ähnlich dem der Epitaxialschicht 59 hergestellt werden kann. Wie nachstehend gründlicher beschrieben wird, kann das Glassubstrat 65 an der mit Rand versehenen Epitaxialschicht 59 zum Haften gebracht werden, um für eine zusätzliche Steifigkeit zum Handhaben zu sorgen. Ebenfalls gibt es, da ja das Glas wesentlich dicker als die Epitaxialschicht ist, um einen großen Faktor, d. h. etwa 60, weniger Wahrscheinlichkeit dafür, daß die Epitaxialschicht 59 eine Beschädigung erleidet, wenn das Personal das dicke Glassubstrat 65 gegen die nicht mit einem Rand versehene Oberfläche der Schicht 59 bringt. Folglich wird beim Zusammenbau der mit Rand versehenen Epitaxialschicht 59 für ein elektrostatisches Abdichten zuerst das untere Glassubstrat 65 an der Schicht 59 zum Haften gebracht, und dann wird ein oberes Glassubstrat von kleinerem Durchmesser (nicht gezeigt) innerhalb des Randes 61 gegen die Oberseite der Epitaxialschicht 59 plaziert.
Es können wesentlich mehr Wandler mit Halbleiterscheiben größeren Durchmessers hergestellt werden, und folglich ist es zwingend, für einen Mechanismus zu sorgen, der die Wahrscheinlichkeit einer Scheibenbeschädigung infolge des Handhabens reduziert. Demgemäß ist durch Bereitstellen einer steifen Konstruktion um den Umfangsrand der Scheibe herum die Gefahr für den geätzten inneren Bereich davon weniger wahrscheinlich, wodurch die Prozeßausbeute verbessert wird. Durch Bereitstellen einer solchen steifen Ringkonstruktion wird auch die Herstellung von Siliciumscheiben von sechs Zoll ermöglicht. Es ist selbstverständlich, daß während der ringförmige Rand der Scheibe maskiert werden kann, um ein Entfernen desselben zu verhindern, auch andere und verschiedene Muster maskiert werden können, um für eine zusätzliche Stützkonstruktion für die Halbleiterscheibe zu sorgen. Der ringförmige Bereich des Siliciumdioxids 48 von Fig. 4a kann durch die genannte fotoresistente Schicht maskiert werden, so daß das darunterliegende Siliciumdioxid nicht durch das HF-Bad entfernt wird, das das Siliciumdioxidmaterial von den Ringen 56 aus radial nach innen entfernt.
Zusätzlich zu der mechanischen Abstützung für eine leichte Handhabung kann der Rand bei einem alternativen oder bei ergänzenden Verfahren für die Steuerung der Vorspannung der Siliciummembran verwendet werden. Weil die thermische Masse des Randes sehr viel größer als die des restlichen inneren Teils von der Scheibe 20 ist, gibt es eine Wärmeisolierung zwischen dem Rand und der Scheiben-Verbundschichtung während des Abdichtens. Folglich kann eine Temperaturdifferenz zwischen dem Rand und dem Scheibenverbund aufgebaut und vor sowie während des Abdichtungs prozesses aufrechterhalten werden. Eine solche Temperaturdifferenz kann anstelle von oder in Verbindung mit der unterschiedlichen Wärmeausdehnung zwischen dem Silicium und dem Glas benutzt werden, um den gewünschten Vorspannungspegel während des Abdichtungsprozesses zu schaffen.
Ein Scheibenheizapparat, der für die Erwärmung des Scheibenrandes geeignet ist, umfaßt ein Paar ebene Platten, die mit internen Widerstandsheizdrähten versehen sind. Die Halbleiterscheibe kann innerhalb der Heizgeräteplatten eingelegt werden, so daß der Rand, der dicker als der interne Membranbereich der Scheibe ist, in einem größeren Ausmaß erwärmt wird, als ein solcher Innenteil. Es kann gesehen werden, daß dann, wenn nur der Scheibenrand in Kontakt mit den Heizplatten kommt, ein solcher äußerer Ringbereich stärker als der innere Teil erwärmt wird, wodurch er sich in einem stärkeren Ausmaß ausdehnt.
Ein alternatives Verfahren oder Mechanismus für das Schaffen einer Vorspannung besteht darin, eine mit Rand versehene Siliciumscheibe zu verwenden, bei der ein Glasrand elektrostatisch dicht mit dem Siliciumrand verbunden ist. Wenn die thermischen Ausdehnungen Glas-Silicium so gewählt werden, daß sich eine Membran-Zugspannung ergibt, dann gibt dies eine unabhängige Möglichkeit für ein Setzen der Anfangsspannung vor dem dichten Verbinden.
Nachdem die Scheiben-Herstellungsschritte für die Bildung der ultradünnen Siliciummembranen 16 (Fig. 4a) beschrieben worden sind, werden jetzt nachstehend die Schritte für die Bildung des oberen Glassubstrats 22 und des unteren Glassubstrats 24 der drei Ebenen aufweisenden Wandlerkonstruktion der Erfindung beschrieben. Glas wird als Material für die obere und die untere Tragstruktur wegen seiner idealen Bindungs- und Isolationseigenschaften gewählt. Erstens wird Glas wegen seiner ausgezeichneten elektrischen Isolationsfähigkeiten bei dem Sensor- Arbeitstemperaturbereich gewählt und deshalb, weil seine Ober fläche für eine gute Haftung sorgt, auf die leitfähige Metalle für die Bildung der Kondensatorplatten und auch von leitfähigen Bahnen aufgespritzt werden können. Zusätzlich kann Glas mikrofeinbearbeitet werden, um darin Löcher durch mehrere alternative Verfahren, Ätzen eingeschlossen, vorzusehen und um für andere Merkmale durch Ätz- und Maskierverfahren zu sorgen. Glasmaterialien stehen auch zur Verfügung, um für eine irreversible elektrostatische Bindung und eine hermetische Abdichtung mit Silicium zu sorgen. Wichtig ist, daß durch die richtige Wahl der Glaszusammensetzung ein Wärmeausdehnungskoeffizient erreicht werden kann, der dem von Silicium in einem nutzbaren Arbeitstemperaturbereich für die vorliegenden Wandler sehr nahe kommt, wodurch eine thermisch induzierte Deformation des Sensors während einer typischen Operation reduziert wird. Dies ist ein in der Technik allgemein bekanntes Problem, das aber vor der vorliegenden Erfindung auch durch Herstellungstechniken, die kostenaufwendig sind, nicht überwunden wurde.
Während es eine Anzahl von Glasmaterialien geben mag, die für eine Verwendung bei der Erfindung gut angepaßt sind, hat sich herausgestellt, daß Sauerstoff enthaltendes Borosilikatglas Eigenschaften hat, die die vorstehend erwähnten wünschenswerten Kennwerte maximieren. Ein Beispiel für ein geeignetes Glas ist durch die in der folgenden Tabelle gezeigte Zusammensetzung gekennzeichnet

TABELLE

Zusammensetzung des Glassubstrats in Gewichtsprozent

SiO&sub2; 80,38
B&sub2;O&sub3; 13,03
Al&sub2;O&sub3; 2,01
Na&sub2;O&sub3; 3,81
Sb&sub2;O&sub3; 0,51
As&sub2;O&sub3; 0,26
Zusätzlich sind, wie nachstehend detailliert beschrieben wird, bestimmte, in hohem Maße vorteilhafte Eigenschaften eines solchen Glases, daß es einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der niedriger als der des Silicium-Einkristalls bei einer elektrostatischen Versiegelungstemperatur ist und dadurch auf die Membrane eine Vorspannung aufgebracht wird, wenn man die Versiegelungstemperatur der drei Ebenen aufweisenden Konstruktion wieder auf Raum- oder Betriebstemperatur zurückkehren läßt. Weil die Masse der drei Ebenen aufweisenden Wandlerkonstruktion Glas enthält, wird die Wärmeausdehnung der Verbundkonstruktion in erster Linie durch die thermischen Eigenschaften der Glassubstrate 22 und 24 gesteuert. Wie vorstehend vermerkt, steht dies im Gegensatz zu den Konstruktionen des Standes der Technik.
Deshalb und in Übereinstimmung mit einem bedeutsamen Merkmal der Erfindung ist es wünschenswert, für die beiden Schichten der drei Ebenen aufweisenden Konstruktion ein Glas mit thermischen Eigenschaften zu wählen, die sehr genau denen des Siliciums über den erwünschten Arbeitstemperaturbereich der Wandler angepaßt sind. Für Temperaturen darüber, wie beispielsweise im Bereich für das elektrostatisch dichte Verbinden des Glases mit dem Silicium, liegt die Glasausdehnung vorzugsweise unter der von Silicium, so daß eine endgültige Spannung in den Membranen während des Abkühlens auf Temperaturen im Arbeitsbereich der Einrichtung geschaffen wird. Dies kann durch Wählen der Wandlermaterialien in einer solchen Art und Weise realisiert werden, daß das Siliciummaterial stärker als das Glasmaterial schrumpft, wenn man die drei Ebenen aufweisende Konstruktion von einer gewählten Verbindungstemperatur auf die Arbeitstemperatur zurückkehren läßt, dergestalt, daß die Siliciummembranen auf der gewünschten Spannung gelassen werden.
Eine solche vorgespannte Membran ist sehr wünschenswert, um ein Beulen derselben zu verhinderen, das zu einer Unsicherheit in der Nullstellung (Totband) führen kann, die sich selbst als Versatz-Instabilität manifestiert. Es kann eingeschätzt werden, daß dann, wenn eine thermische Fehlanpassung zwischen dem gewählten Glasmaterial und dem Silicium in dem Arbeitstemperaturbereich der Wandlereinrichtung besteht, die Konstruktion sich ändernden Beanspruchungen ausgesetzt wird, die auf die Membran übertragen werden und die Spanne oder die Ausgangsempfindlichkeit des Wandlers gegenüber Druck verändern.
In Übereinstimmung mit einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung werden die verschiedenen Abmessungen der Glasschichten 22 und 24 so gewählt, daß dann, wenn eine Herstellung als eine Verbundwandlereinheit mit der Siliciummembrankonstruktion 20 erfolgt, bestimmte Glaseigenschaften dominieren. Beispielsweise werden, obwohl Silicium um eine Faktor von ungefähr drei steifer als Glas ist, durch Verwendung von Glassubstraten, die viel dicker als das Silicium sind, die elastischen und thermischen Eigenschaften von Glas dominieren. Bei der bevorzugten Form der Erfindung wird eine Gesamt-Glasdicke von 40 bis 60 Mil bei einer Verbund-Schichtkonstruktion verwendet, bei der das Silicium als Beispiel eine Dicke im Bereich von 1 Mil hat.
Wenn einmal ein Glasmaterial in Übereinstimmung mit einer oder mehreren der vorstehenden Erwägungen gewählt worden ist, dann wird es mit Hilfe von Techniken verarbeitet, die auf dem Gebiet der Halbleiter-Herstellung allgemein bekannt sind. In Abhängigkeit von dem Durchmesser der Siliciumscheibe 20, die bei der Bildung einer Anzahl von Membrankonstruktionen verwendet wird, wird ein Glassubstratpaar 22 und 24 gewählt, das dieselben generellen Durchmessermaße, aber eine andere Dicke hat. Der Durchmesser der Glassubstrate 22 und 24 ist derart, daß sie in den Stützrand der Siliciumscheibe 20 passen. Vorzugsweise wird ein bewegliche Sauerstoffionen enthaltendes Borosilikat-Glas der erläuterten Konstruktion verwendet, das eine Scheibendicke zwischen 40 und 60 Mil hat. Wie man einschätzen kann, ist die Masse eines solchen Glases wesentlich größer als die des Siliciummaterials, das bei seiner größten Dicke nach der Verarbeitung bei dem Beispiel ungefähr 25 um dick ist. Folglich dominiert die Steifigkeit oder Elastizität des Glasmaterials gegenüber der des zwischenliegenden Siliciummaterials 20.
Vor der Beschreibung der Einzelheiten für die Herstellung und Montage des Miniaturwandlers der Erfindung wird zuerst auf Fig. 5 bis 7 verwiesen, in denen eine komplettierte Konstruktion gezeigt wird. Fig. 5 veranschaulicht einen stark vergrößerten, drei Ebenen aufweisenden Wandler, der aus einem Scheibchen 72 eines Feldes anderer ähnlicher Konstruktionen gebildet wird. In der Praxis werden die Miniaturwandler 72 aus einer quadratischen Glas-Halbleiter-Glas-Struktur mit drei Ebenen von ungefähr 300 Mil mal 300 Mil hergestellt. Ein oberes Glassubstrat 22 wird elektrostatisch an eine Siliciummembrankonstruktion 20 angebracht, ebenso wie ein unteres Glassubstrat 24. Die ultradünne Membran 16 wird dadurch bezogen auf das obere und das untere Glassubstrat hermetisch dicht abgedichtet und vorgespannt. Wie vorstehend vermerkt, wird die Siliciumkonstruktion 20 ein erstes Mal geätzt, um für eine Vertiefung 54 zu sorgen, und ein zweites Mal geätzt, um die Dicke der Membran 16 und auch eine mikrofeinbearbeitete Oberseite und Unterseite des Siliciumkörpers, wie beispielsweise 64, zu definieren. Dies erleichtert eine hochqualitative elektrostatische Abdichtung zwischen den Glassubstraten 22 und 24 und der sich dazwischen befindlichen Halbleiter-Konstruktion 20.
Das obere und das untere Glassubstrat 22 und 24 hat jeweils ein darin ausgebildetes kleines Loch 26 und 28, damit externer Flüssigkeitsdruck aus der Umgebung auf die ultradünne Siliciummembran 16 übertragen werden kann. Die Löcher 26 und 28 sind in dem entsprechenden Glassubstrat mit einem Durchmesser von ungefähr 20 bis 25 Mil ausgebildet. Solche Löcher sind in den Glassubstraten mit Hilfe von druckabrasiven, Wasserstrahl- oder chemischen Abtragungstechniken gebildet worden. Der Durchmesser, mit dem solche Löcher 26 und 28 gebildet werden, steht mit der Dicke der Glassubstrate in Beziehung, dergestalt, daß eine anschließende Verarbeitung genutzt werden kann, um eine leitfähige Metallbeschichtung durch die Löcher zu bilden.
Ein Wandlerscheibchen 72 wird gleichzeitig aus Glassubstraten und Halbleiterscheibenmaterialien hergestellt. Tatsächlich wird eine Quadrat-Einheitszelle, die vier entsprechende Wandlerscheibchen 72 enthält, als ein Feld von Einheitszellen über den Oberflächen des Glas- und des Siliciummaterials wiederholt. In Fig. 8 wird eine Quadrat-Einheitszellenkonstruktion mit Löchern gezeigt, die in dem oberen Glassubstrat 22 ausgebildet sind. Speziell ist das obere Glassubstrat 22 von Wandlerscheibchen 72 in der unteren linken Ecke der Quadrat-Einheitszellen ausgebildet, wobei die anderen drei ähnlich aufgebauten Wandlerscheibchen 90 bis 94 in den anderen drei Quadranten der Zelle ausgebildet sind. Fig. 9 zeigt ein unteres Glassubstrat 24, das eine Quadrat-Einheitszelle hat, wobei das Wandlerscheibchen 72 wieder in der unteren linken Ecke davon liegt. Andere entsprechende und ähnlich aufgebaute Wandlerscheibchen 90 bis 94 sind in den anderen drei benachbarten Quadranten des unteren Glassubstrats 24 ausgebildet. Identische Quadrat-Einheitszellenstrukturen werden in identischer Weise als Feld sowohl auf dem oberen als auch dem unteren Glassubstrat 22 und 24 gebildet. Das Ergebnis ist, daß dann, wenn Glasstrukturen von 4 Zoll verarbeitet werden, ungefähr 97 Wandlerscheibchen hergestellt werden können, verglichen mit 57 solcher Strukturen, wenn man Glas- und Siliciumhalbleiterscheiben mit einem Durchmesser von 3 Zoll verwendet. Höhere Ausbeuten kann man durch Verarbeiten von Siliciumscheiben von 6 Zoll erzielen, vorzugsweise mit dem vermerkten Stützrand.
Kehren wir wieder zu Fig. 5 bis 7 zurück, in denen die Löcher 26 und 28 in den entsprechenden Glassubstraten 22 und 24 mittels der erläuterten Wasserstrahl-, abrasiven oder Ätztechniken gebildet worden sind. Vorzugsweise werden abrasive Bohrtechniken benutzt, um ein kleines einheitliches Loch mit einem Durchmesser von 20 bis 25 Mil Durchmesser effektiv und schnell zu bilden, ohne das Glassubstrat zu zerkratzen oder abzusplit tern. Zusätzlich erzeugt die abrasive Technik ein nichtvertikales Loch, das den anschließenden Schritt der Metallbeschichtung erleichtert. Um ein Wandlerscheibchen 72 herzustellen, das Kontakte hat, die von einer Seite derselben aus verfügbar sind, weist das obere Glassubstrat 22 gegenüberliegende kreisförmige Ausschnitte 104 und 106 für das Freilegen entsprechender Kontakte 108 und 110 auf, die an den Ecken der Siliciumhalbleitermaterialscheibe 20 ausgebildet sind. Wie in Fig. 8 gezeigt, werden die Löcher an den gegenüberliegenden Ecken des Scheibchens in dem oberen Glassubstrat 22 mit einem geeigneten Durchmesser zum Zugriff zu elektrischen Kontakten an der Siliciumscheibe 20 gebildet. Wie eingeschätzt werden kann, sorgt die Bildung eines einzelnen Lochs in dem oberen Glassubstrat 22 für gekrümmte Viertelecken für ein entsprechendes Vierer-Scheibchen, die gleichzeitig in dem oberen Glassubstrat 22 gebildet werden. Ähnlich dimensionierte Löcher 112 und 114 sorgen für gekrümmte Ausschnitte für Scheibchen 90, 92 und 94 und andere teilweise gezeigte Scheibchen der in Fig. 8 gezeigten Quadrat-Einheitszelle. Das obere Glassubstrat 22 beinhaltet weiterhin einen großen, kreisförmigen Ausschnitt 116, der für Zugang zu einem Kontakt 162 auf dem unteren Glassubstrat 24 sorgt. Der Ausschnitt 116 ist als Loch mit einem Durchmesser von 150 Mil in dem oberen Glassubstrat 22 ausgebildet und dient als große Viertelausschnitte für andere benachbarte Scheibchen anderer Quadrat-Einheitszellen.
Beim Komplettieren der Löcherherstellung in den Glassubstraten 22 und 24 wird ein kleinerer kreisförmiger Ausschnitt 118 in dem unteren Glassubstrat 24 gebildet, der als Mechanismus dient, um das Aufspritzen eines leitfähigen Metalls dadurch zu ermöglichen, um für einen Leiter von der oberen Seite des unteren Glassubstrats 24 zur Unterseite davon zu dienen. Wie in Fig. 9 vermerkt, ist ein Loch mit kleinem Durchmesser an den Ecken eines Vierer-Scheibchens ausgebildet, so daß dann, wenn dadurch plattiert wird, ein Leitungsweg gleichzeitig für das benachbarte. Vierer-Scheibchen gebildet wird. Entsprechende Löcher 120 bis 124 sind an den Ecken der Scheibchen 90 bis 94 der in Fig. 9 gezeigten Quadrat-Einheitszelle ausgebildet.
Dann werden das obere Glassubstrat 22 und das untere Glassubstrat 24 für eine Metallablagerung vorbereitet, um für die Kondensatorplatten und auch für verbindende Leiterbahnen zu sorgen. Zusätzlich wird, wie im Nachstehenden detaillierter zu beschreiben ist, für verschiedene andere Bahnen gesorgt, die zum Erreichen einer hochqualitativen elektrostatischen Abdichtung und auch für ein Vorspannen der Siliciummembranen zu verwenden sind. Bei der Bildung der metallisierten Bahnen wird ein leitfähiges Metall, wie beispielsweise Aluminum oder Chrom-Gold oder ein anderes geeignetes Material, sowohl auf die obere, als auch die untere Fläche und die Seiten der Glassubstrate 22 und 24 aufgespritzt. Es kann eingeschätzt werden, daß die Innenseite jeder Bohrung dadurch mit einem leitfähigen Material überzogen wird. Das leitfähige Metall wird auf eine Dicke von mehreren tausend Ångström oder eine andere geeignete Höhe aufgespritzt, um einen elektrischen Pfad niedrigen Widerstands zu erreichen und trotzdem einen guten Stufenüberzug beizubehalten. Nach der Bildung einer leitfähigen Beschichtung auf der Oberfläche und den Kanten der Glassubstrate 22 und 24 wird jede Seite mit einer fotoresistenten Trockenschicht überzogen. Eine derartige fotoresistente Schicht ist vorteilhaft bei der Maskierung der Glasscheiben, da eine solche fotoresistente Schicht die metallisierten Löcher überbrückt, so daß ein anschließender Ätzschritt das Metall an den leitfähigen Durchgangsstellen nicht entfernt.
Fig. 10 zeigt das obere Glassubstrat 22 mit einer leitfähigen Kondensatorplatte 12, die in der Mitte des Scheibchens 72 der Einheitszelle ausgebildet ist. Fig. 10 ist eine Ansicht des oberen Glassubstrats 22 von oben gesehen. Aus Gründen der Deutlichkeit wird das metallisierte Muster auf der oberen Seite des oberen Glassubstrats 22 in Fig. 10 nicht gezeigt. Wichtig ist, daß die Kondensatorplatte 12 in elektrischer Verbindung mit dem leitfähigen Material in dem in der Mitte liegenden Loch 26 aus gebildet wird. Scheibchen 90 bis 94 der Quadrat-Zelle haben entsprechende Kondensatorplatten 132 bis 136, die in Verbindung damit ausgebildet sind. Außerdem zeigt Fig. 10 die maskierten metallisierten Bereiche, nachdem eine entsprechende fotolithografische Verarbeitung an der fotoresistenten Trockenschicht ausgeführt und anschließend das aufgespritzte Metall geätzt worden ist.
Fig. 11 zeigt das metallisierte Muster auf der Oberseite des oberen Glassubstrats 22 nach dem Maskieren desselben mit einer fotoresistenten Trockenschicht, um das genannte Muster zu erhalten. Es sollte selbstverständlich sein, daß das Maskieren, Mustern und Ätzen des Metalls auf beiden Seiten des oberen Glassubstrats 22 gleichzeitig und mit denselben Schritten ausgeführt werden kann, d. h. als gleichzeitige doppelseitige Operationen. Das Wandlerscheibchen 72 enthält einen oberen Inselbereich 30, der durch einen Leiterpfad 140 mit einem Scheibchen-Eckenkontakt 142 verbunden ist. Wie gesehen werden kann, dient eine große rechteckige Zellenkontaktfläche 144 als Viereckenkontakt für das entsprechende Scheibchen der Quadrat-Einheitszelle. Bei einer solchen Konstruktion wird der Eckenkontakt 142 mit Hilfe des leitfähigen Durchgangs 26 mit der Kondensatorplatte 12 verbunden, die auf der Unterseite des oberen Glassubstrats 22 ausgebildet ist.
Ebenfalls in Fig. 11 gezeigt sind zusätzliche Leiterbahnen, wie beispielsweise 150 und 152, die für eine wichtige Funktion beim elektrostatischen Abdichten des oberen Glassubstrats 22 mit der Siliciumscheibe 20 und dem unteren Glassubstrat 24 sorgen, um eine Einheits-Verbund-Wandlerstruktur zu bilden. Andere Leiterbahnen, wie beispielsweise 151 und 153, bilden leitfähige Grenzen, die während des Abdichtens verwendet werden, um die Silicium- und die Kondensatorplatten auf demselben Potential zu halten. Obwohl dies nicht gezeigt wird, sind die Leiterbahnen 150 und 152 miteinander verbunden und bis zur Umfangskante des oberen Glassubstrats 22 verlängert, um eine Verbindung zu einer Quelle hoher Spannung zu schaffen, die für das Erreichen der elektrostatischen Abdichtung verwendet wird. Die C-förmigen Leiterbahnen, wie beispielsweise 154, umkreisen im wesentlichen eine Kondensatorplatte und den darunterliegenden Siliciummembranbereich, um die vermerkte elektrostatische Abdichtung und auch das Vorspannen der ultradünnen Siliciummembran 16 zu erleichtern. Ein solcher Abdichtprozeß wird nachstehend stärker detailliert beschrieben.
Fig. 12 stellt das Maskieren auf der Oberseite des unteren Glassubstrats 24 zur Bildung der Kondensatorplatten und auch anderer leitender Inselbereiche dar. Der kreisförmige leitfähige Bereich 14 definiert die Kondensatorplatte, die Scheibchen 72 zugeordnet ist. Die Kondensatorplatte 14 ist elektrisch mit dem leitfähigen Material verbunden, das den kleinen Durchtritt 28 bedeckt. Ebenfalls Scheibchen 72 zugeordnet ist ein leitfähiger Ecken-Inselbereich 162, von dem ein Viertel einen oberen Seitenkontakt für die Kondensatorplatte 14 des aus drei Ebenen bestehenden Wandlerscheibchens 72 bildet. Ein (in Fig. 12 nicht gezeigter) Leiterpfad, der auf der Unterseite des unteren Glassubstrats 24 ausgebildet ist, sorgt für die Verbindung zwischen der Kondensatorplatte 14 und der Kontaktfläche 162.
Fig. 13 veranschaulicht das metallisierte Raster auf der Unterseite des unteren Glassubstrats 24, wobei aus Gründen der Deutlichkeit die Oberseite davon nicht gezeigt wird. Mit Blick auf das Scheibchen 72 der Zelle wird ein kreisförmiger metallisierter Inselbereich 32 gezeigt, der mit der Kondensatorplatte 14 (Fig. 12) mit Hilfe des leitfähigen Durchgangs 28 verbunden ist. Der metallisierte Inselbereich 32 ist durch eine Leiterbahn 166 mit einem metallisierten Scheibchen-Inselbereich 168 verbunden, der elektrisch mit dem Kontakt-Inselbereich 162 (Fig. 12) mit Hilfe des leitfähigen Durchgangs 118 verbunden ist. Auf diese Weise ist ein Kontakt auf der Oberseite des unteren Glassubstrats 24 vorgesehen, ohne Leiterbahnen auf der Oberseite zu bilden, die anderenfalls für einen Kurzschluß mit der Silicium scheibe 20 sorgen würden. Ähnliche Kontaktstrukturen sind bei dem anderen Scheibchen vorgesehen, das innerhalb der Quadrat- Einheitszelle gebildet ist. Wie eingeschätzt werden kann, wird, wenn die aus drei Ebenen bestehende Verbund-Wandlerkonstruktion entlang der gebrochenen Linien zerschnitten oder zersägt wird, die jedes Scheibchen der Quadratzelle begrenzen, die Kontaktstruktur geviertelt, wodurch für die einzige leitende Verbindung zwischen der Ober- und der Unterseite des unteren Glassubstrats 24 gesorgt wird. Der Kontakt ist in Fig. 5 als oberer Seitenkontakt 162 für den Wandler 72 gezeigt.
Ein Gitternetz anderer verbindender Leiterbahnen 170 und 172 wird ebenfalls in Fig. 13 gezeigt, um eine elektrostatische Abdichtung um die Membranbereiche der Siliciumhalbleiterscheibe 20 herum mit den Glassubstraten zu erreichen. Die Abdichtgitter 170 und 171 sind miteinander und mit jedem C-förmigen Ring 173 verbunden, der auf dem unteren Glassubstrat 24 ausgebildet ist. Jeder C-förmige Ring 173 umkreist zumindest teilweise eine Siliciumscheibenmembran 16. Wenn das obere und das untere Glassubstrat 22 und 24 in Flucht oder ausgerichtet mit der darin zwischengelagerten Siliciumscheibe 20 sind, dann umkreisen der obere C-förmige Ring 154 (Fig. 11) und der untere C-förmige Ring 173 die Membran 16 von Scheibchen 72. Alle anderen Scheibenmembranen werden in ähnlicher Weise von entsprechenden C- förmigen Dichtungsringen des oberen und des unteren Glassubstrats umgeben. Dies ist wesentlich für das elektrostatische Abdichten und Spannen der Membran, wobei die Details dazu nachstehend beschrieben werden. Man kann sehen, daß jeder C-förmige Ring 154 und 173 eine Unterbrechung darin hat, um einen Leiterzugriff zu metallisierten Inselbereichen 30 und 32 zu ermöglichen. Jedoch sind die Unterbrechungen in den entsprechenden oberen und unteren C-förmigen Ringen nicht vertikal fluchtend, sondern sind vielmehr zueinander versetzt, bei der bevorzugten Ausführungsform um 180º, um andere Leiterbahnen auf den entsprechenden Substraten unterzubringen. Die Leiter 170 und 171 des. Gitternetzes sind zur Kante des unteren Glassubstrats 24 bis zu einem (nicht gezeigten) Kontaktkissen verlängert. Eine solche Gitterstruktur konzentriert die elektrostatischen Kraftlinien von jedem Glassubstrat 22 und 24 zur dazwischenliegenden Siliciumscheibe. Die Kraftlinien zwischen jedem oberen und unteren C-förmigen Ring und den Halbleiterscheibenflächen bilden entsprechende vertikale Zylinder, die die dazugehörigen Siliciummembranen begrenzen und dadurch die geschichtete Scheibe als Verbundeinheit insgesamt abdichten. Die Kraftlinien im Bereich der Vertiefung des Rings sollten nicht senkrecht sein, oder sie würden nicht abdichten. Die Kraftlinien müssen seitlich auseinandergehen, um die elektrischen Bedingungen für eine komplette hermetische Abdichtung über den Umfang zu schaffen. Die C-Ring- Abdicht-Leiter der Erfindung sorgen für ein seitliches Auseinandergehen der elektrischen Kraftlinien, wodurch man eine kontinuierliche kreisförmige Abdichtung erzielt. Als Ergebnis der elektrostatischen Bindung, auch als anodische Bindung bekannt, wird für eine Abdichtung vollkommen um jeden Membranbereich der Halbleiterscheibe 20 herum gesorgt. Desgleichen sorgt das Abdichtgitter für eine Begrenzung um jede Matrix herum, und wir glauben, daß sie für eine Reliefzone für einen Materialverdichtungsbereich sorgt, was zu einer zusätzlichen Membranspannung führt.
Unter Verweis auf Fig. 14 wird ein Quadrat-Einheitszellenteil der Halbleiterscheibe 20 gezeigt. Speziell wird die Membran 16, die dem Scheibchen 72 zugeordnet ist, zusammen mit den anderen Membranen gezeigt, die den anderen Scheibchen der Quadrat- Einheitszelle zugeordnet sind. Dem Scheibchen 72 ist ein kreisförmiger zerbrechlicher Teil 172 zugeordnet, der entfernt oder herausgestanzt werden kann, um dadurch eine kreisförmige Aussparung oder Viertelloch an der Ecke von Scheibchen 72 zu bilden. Der zerbrechliche Teil 172 umfaßt eine Rinne 174, die in der Oberfläche der Siliciumscheibe 20 so ausgebildet ist, daß der kreisförmige Bereich 172 entfernt werden kann.
Fig. 15 ist eine stark vergrößerte Schnittansicht des zerbrechlichen Bereichs 172. Rinnen 174 und 176 sind in beiden Oberflächen der Siliciumscheibe 20 ausgebildet, die einen ringförmigen zerbrechlichen Bereich 178 lassen, der leicht durch Drücken auf einen mittleren Bereich 180 weggebrochen werden kann. Eine Einkerbung 182 kann in dem mittleren Bereich 180 für das Zentrieren eines Meßfühlers oder einer mit Spitze versehenen Einrichtung in einem solchen Bereich 180 und für das Aufbringen einer Kraft, um den zerbrechlichen ringförmigen Siliciumbereich 178 abzubrechen, gebildet sein. Die Rinnen 174 und 176 können im wesentlichen bei denselben Maskierungs- und Ätzschritten, wie für die Membranen 16 gebildet werden. Alternativ können die Rinnen 174 und 176 gesondert unter Verwendung anderer Halbleiter-Ätz- oder Vertiefungstechniken gebildet werden. Die Ausstanzstrukturen 184 bis 188 (Fig. 14), die zu den anderen Scheibchenstellen 90 bis 94 gehören, sind in ähnlicher Weise aufgebaut. In Fig. 14 werden auch metallisierte Kontakte 108 und 110 gezeigt, um für elektrische Verbindungen zum Wandlerscheibchen 72 zu sorgen. Während nur ein einziger Kontakt für jedes Scheibchen notwendig ist, wird ein Paar solcher Kontakte leicht wegen der quadratischen Natur der Einheitszellen hergestellt. Ein Grund für die Redundanz (d. h. zwei Siliciumkontakte pro Sensor, wo nur einer notwendig ist) ist, daß die Quadratform für eine optimale gemeinsame Lochnutzung benötigt wird. Da nur drei Kontakte notwendig sind, gibt es einen Extrakontakt. Jedoch ist die Wahl der Siliciumkontakt-Redundanz nicht beliebig möglich. Der Thermowiderstand des Siliciums und die beiden Siliciumkontakte liefern einen nützlichen widerstandsbehafteten Temperatursensor. Vorzugsweise und als Alternative kann das Silicium mit einer Verunreinigung in einem der Kontaktbereiche jedes Sensors so implantiert oder diffundiert sein, daß die beiden Kontakte einen p-n-Diodensensor bilden. Die Spannungs- Temperatur-Kennlinien von p-n-Dioden sind allgemein bekannt, und folglich kann durch Messen der Spannung über der Diode die Temperatur des Wandlers bestimmt werden. Die metallisierten Bereiche. 108 und 110 können mit Hilfe konventioneller Metallisierungs- und Maskierungsschritte gebildet werden, die in der Technik der Halbleiter-Verarbeitung allgemein bekannt sind. Ähnliche Kontaktpaare sind an den diagonalen Ecken der anderen Wandlerscheibchenstellen 90 bis 94 vorgesehen.
Das Vorstehende beschreibt die Hauptschritte bei der Herstellung des oberen Glassubstrats 22, der Siliciumhalbleiterscheibe 20 und des unteren Glassubstrats 24. Die Siliciumscheibe und die Glassubstrate werden dann so zusammengebracht, daß alle ähnlichen Quadrat-Einheitszellen fluchten. Mit anderen Worten, die Lagen werden schichtweise so angeordnet, daß die oberen Kondensatorplatten 12 auf der Unterseite der oberen Glassubstrate 22 mit den entsprechenden ultradünnen Membranen 16 fluchten, die in der Siliciumhalbleiterscheibe 20 gebildet sind. Die unteren Kondensatorplatten 14, die auf der Oberseite des unteren Glassubstrats 24 ausgebildet sind, werden in gleicher Weise mit den Membranen 16 ausgerichtet. Durch Bereitstellen von Kennmarken an vorbestimmten Stellen an den Glassubstraten 22 und 24 und an der Halbleiterscheibe 20 können die Lagen dadurch zum Fluchten gebracht werden, daß die Lagen visuell ausgerichtet werden und dann die Verbundkonstruktion zusammengedrückt oder -gespannt wird, wenn sie ausgerichtet ist.
Die aus drei Ebenen bestehende Konstruktion wird in zwei Operationen, wie nachstehend beschrieben, ausgerichtet, zusammengebaut und abgedichtet. Zuerst wird die Siliciumscheibe 20 auf eine saubere ebene Fläche (z. B. eine Scheibe aus geschmolzener Kieselerde oder Silicium) gebracht. Die ebene Fläche enthält sehr kleine Vakuumöffnungen, um eine kleine Halte- oder Saugkraft auf die Silicium-Glas-Verbundscheibe 20 auszuüben, oder, wenn die Scheibe 20 und die ebene Oberfläche sauber genug sind, dann haftet die Scheibe 20 an der Oberfläche mit ausreichend Kraft, um die Scheibe 20 in einer festen Position zu halten, wenn der anschließende Glassubstrat-Ausrichtprozeß ausgeführt wird.
Ein sehr kleiner Tropfen eines zeitweiligen Klebers wird in eine (nicht gezeigte) Vertiefung auf der Siliciumscheibe 20 gegeben. Dann wird ein Glassubstrat auf die Siliciumscheibe 20 gebracht und mit den Kanten der Siliciummembran auf der Stirnseite ausgerichtet. Das Klebertröpfchen kommt vorzugsweise mit dem Glassubstrat an einer Stelle in Kontakt, wo es offen gesehen werden kann. Ein für eine solche Verwendung geeigneter Klebstoff umfaßt einen durch Ultraviolettbestrahlung aushärtenden Glaskleber, der kommerziell bei Loctite Corp. unter dem Handelsnamen Crystal Clear verfügbar ist. Der aus zwei Ebenen bestehende Verbund kann jetzt gehandhabt werden, wonach er umgedreht und der vorstehende Prozeß mit dem zweiten Glassubstrat wiederholt wird. Der resultierende aus drei Ebenen bestehende haftend vereinigte und ausgerichtete Verbund ist dann bereit für das elektrische Abdichten. Es sollte beachtet werden, daß die sehr kleinen Klebertröpfchen, wenn sie ordnungsgemäß positioniert sind, den anschließenden Erwärmungs- und elektrostatischen Abdichtungsschritt nicht stören. Das Klebertröpfchen wird in der Nähe des Umfangs des Siliciumverbunds so positioniert, daß es das Abdichten nicht durch thermische Zersetzungsprodukte hemmt.
Das Abdichten wird auf folgende Weise ausgeführt. Die haftend verbundenes aus drei Ebenen bestehende Struktur wird auf einer elektrisch isolierten und einheitlich beheizten ebenen Platte plaziert. Dann werden elektrische Verbindungen zu den Gitternetzen der beiden Glassubstrate 22 und 24 und der Siliciumscheibe 20 wie folgt hergestellt. Die Siliciumscheibe 20 wird mit dem elektrischen (+)-Leiter einer GS-Speisespannung verbunden. Es werden zwei unabhängige elektrische Kontakte mit den Abdichtgittern jedes Glassubstrats 22 und 24 hergestellt. Die Kondensatorplatte kommt in Kontakt an der Ecke jedes Glassubstrats und wird mit dem negativen Pol (-) der elektrischen GS- Speisespannung verbunden. Die geometrische Form dieser elektrischen Pfade und Durchgänge wird in Fig. 11 und 13 gezeigt.
Das tatsächliche Verbinden wird durch Erhitzen der Scheibensubstratstruktur und Anlegen einer hohen Spannung von ein paar hundert Volt zwischen dem Abdichtgitter 150, 152 und 170, 171 der Glassubstrate 22 und 24 ausgeführt, wobei die Siliciumscheibe 20 dazwischen eingelagert ist. Die aus drei Ebenen bestehende Struktur wird in einem Ofen auf einer Abdichttemperatur von ungefähr 300-400ºC vor dem Anlegen der Abdichtspannung gehalten, ausgerichtet und erwärmt. Das Anlegen einer solchen Spannung über einen kurzen Zeitraum ist angemessen, um eine Abdichtung hoher Qualität zu erzielen. Eine anodische oder elektrostatische Bindung zwischen Glas und Silicium wird in den US- Patenten Nr. 4,384,899; 4,121,334 und 3,397,278 beschrieben.
Um eine Vorspannung auf jede ultradünnen Membran aufzubringen, die in der Siliciumscheibe 20 gebildet ist, werden die Wärmeausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Materialien vorzugsweise so gewählt, daß sie die in Fig. 16 gezeigten Beziehungen aufweisen. Die horizontale Achse solcher Grafiken zeigt die Abdichtungstemperatur in ºC, während die vertikale Achse die Wärmedehung in Teilen pro Million angibt. Linie 196 veranschaulicht die expansive und kontraktive Natur von Silicium bei den verschiedenen vermerkten Temperaturen. In gleicher Weise repräsentiert Linie 198 die Dehnungs- und Kontraktionskennwerte der oberen und unteren Glassubstratstrukturen 22 und 24, die elektrostatisch mit dem Silicium 20 abgedichtet werden. In der Praxis hat sich herausgestellt, daß ein Borosilikat-Glas, das die vorstehend vermerkte Zusammensetzung hat, eine Kennlinie des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, die sehr ähnlich der Linie 198 der Grafik ist. Wie man sehen kann, sind bei einem Arbeitstemperaturbereich, der um ungefähr 100ºC zentriert ist, die Ausdehnungskoeffizienten des Siliciums und des Glases im wesentlichen dieselben. Im Gegensatz dazu sind in einem Temperaturbereich von ungefähr 300-400ºC, das die für ein elektrostatisches Abdichten geeignete Temperatur ist, die Wärmeausdehnungskoeffizienten verschieden. Wichtig ist, der Wärmeausdehnungskoeffizient des Glases ist geringer als der des Silici ums in dem Abdicht-Temperaturbereich. Deshalb zieht sich während des elektrostatischen Abdichtprozesses, wenn die Temperatur der Verbundmaterialschichten erhöht wird und man sie wieder auf Raumtemperatur zurückkehren läßt, das Silicium in einem stärkeren Ausmaß zusammen, als das Glas, mit dem die Membran über den Umfang verbunden und verankert ist, wodurch das Siliciummembranmaterial vorgespannt gelassen wird. Es dürfte selbstverständlich sein, daß bevor die tatsächliche elektrostatische Bindung auftritt, die Silicium- und die Glasschichten nicht miteinander verankert sind und sich entsprechend den jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten frei ausdehnen können. Wichtig ist, daß das Abdichtpotential einheitlich um die Siliciummembran 16 herum durch die C-förmigen leitenden Ringe 154 auf dem oberen Glassubstrat 22 und den C-förmigen leitenden Ring 173 auf dem unteren Glassubstrat 24 aufgebracht wird. Wie vermerkt, dehnt sich während der Erhöhung der Temperatur beim Abdichtprozeß das Silicium in einem größeren Ausmaß als das Glas, aber bei einer solchen Temperatur wird die Abdichtspannung angelegt, und das Silicium wird dann mit dem Glas verbunden, wodurch die Schichten miteinander befestigt werden. Während der anschließenden Abnahme der Temperatur versucht das Silicium, sich in einem größeren Ausmaß zusammenzuziehen, als das Glas, wodurch die Glassubstrate eine Zug-Vorspannung auf das Silicium aufbringen. Das spezielle Ausmaß, um das die Membranen 16 gespannt werden, kann durch die Wahl einer Abdichtungstemperatur erreicht werden, die einer speziellen Differenz beim Ausdehnungskoeffizienten der Glas- und Siliciummaterialien zugeordnet ist. Die Abdichttemperaturen, die zu verschiedenen Spannungen führen, können experimentell bestimmt werden. Das spezielle Spannen der Membranen kann das Linearisieren der Funktion des Wandlers erleichtern.
Obwohl Fig. 16 die Wärmekennwerte von Materialien veranschaulicht, die als bevorzugt angesehen werden, um eine Membranspannung zu schaffen, sind auch andere Materialien und entsprechende Techniken möglich. Es können beispielsweise Materialien gewählt werden, bei denen die Wärmeausdehnungskoeffizienten bei der Herstellungs- oder elektrostatischen Abdichttemperatur nicht wesentlich verschieden sind, die aber verschieden bei einer Temperatur sind, die der Prozeß durchläuft, um eine Arbeitstemperatur zu erreichen. Folglich wird, nachdem die Membran und die Tragschichten fixiert sind und man die Verbundkonstruktion auf einen Arbeitstemperaturbereich zurückkehren läßt, das Membranmaterial einer größen Wärmekontraktion ausgesetzt, als das Tragmaterial, wodurch die Membran in einem gespannten Zustand verbleibt.
Das Phänomen, durch das die Abdichtung des Glases mit der Halbleiterscheibe 20 erfolgt, kann unter Verweis auf Fig. 17 leichter verstanden werden. Wie vorstehend vermerkt wird dasselbe Potential, das mit V+ bezeichnet ist, an die obere Kondensatorplatte 12, die untere Kondensatorplatte 14 und die Siliciumhalbleiterscheibe 20 angelegt. Die Spannung gleichen Potentials zwischen den Kondensatorplatten und der ultradünnen Membran 16 verhütet, daß elektrostatische Kräfte die Membran während des elektrostatischen Abdichtprozesses zu entweder der oberen oder der unteren Kondensatorplatte hin ziehen. Damit die Glassubstrate 22 und 24 mit der Siliciumscheibe 20 abgedichtet verbunden werden, müssen die Glassubstrate um mehrere hundert Volt negativ bezogen auf die Siliciumscheibe 20 gehalten werden. Die Abdichtspannung wird als V- gezeigt, die an die C-förmigen leitenden Ringe 154 auf dem oberen Glassubstrat 22 und auch die C-förmigen Leiterbahnen 173, die auf der Unterseite des unteren Glassubstrats 24 ausgebildet sind, angelegt wird.
Während des Abdichtprozesses wird geglaubt, daß ein zusätzlicher Mechanismus für das Vorspannen der Siliciummembran 16 ins Spiel kommt. Während des elektrostatischen Abdichtprozesses, bei dem der obere C-förmige Ring 154 und die Siliciumscheibe 20 auf einem Potential von ungefähr 300-400 Volt gehalten werden, wird ein Verarmungsgebiet 210 in einem schmalen Zwischengebiet in dem Glassubstrat in der Nähe der Oberfläche der Siliciumscheibe 20 gebildet. Das Verarmungsgebiet 210 wird durch die Potentialdifferenz über das Glas gebildet, die Alkaliionen niedriger Atomzahl, z. B. (Li+Na+) und negative Sauerstoffionen (0-) schafft. Die Alkaliionen haben ein geringeres Atomgewicht und bewegen sich schneller, als die entsprechenden Sauerstoffionen, wodurch die positiv geladenen Alkaliionen schneller zu dem C- förmigen Ring 154 hin wandern, an den ein negatives Potential angelegt ist. Die negativ geladenen Sauerstoffionen bewegen sich mit geringerer Geschwindigkeit in Richtung auf den Glas-Silicium-Übergangsbereich. Jedoch umfaßt die Netto-Ionenbewegung bezogen auf den Glas-Silicium-Übergangsbereich eine Wanderung der positiv geladenen Alkaliionen in Richtung auf den C-förmigen Ring 154 und die Bewegung negativ geladener Sauerstoffionen in Richtung auf den Glas-Silicium-Übergangsbereich. Demgemäß wird dadurch das Verarmungsgebiet 210 gebildet, was Veranlassung zu einer elektrostatischen Abdichtung zwischen dem oberen Glassubstrat 22 und der Siliciumscheibe 20 gibt. In Wirklichkeit wird geglaubt, daß ein Abdichtgebiet mit einer Dicke von nur 2 bis 3 Atomen eine überbrückende Sauerstoff-Siliciumschicht schafft. Die Siliciumatome bewegen sich nicht nennenswert in das Glasmaterial. Die Sauerstoffionen bewegen sich jedoch vom Glas zum Silicium/Glas-Übergangsgebiet und bilden die überbrückende Sauerstoffschicht, die das Glas mit dem Silicium irreversibel verbindet. Dieselbe Wirkung tritt zwischen der Siliciumscheibe 20 und dem unteren Glassubstrat 24 auf, wenn eine negative Spannung an den C-förmigen Ring 173 angelegt wird, der auf der Unterseite des Glassubstrats 24 ausgebildet ist. Die elektrostatische Abdichtung, die als Ergebnis des Verarmungsbereichs 210 gebildet wird, ist auch eine hermetische Abdichtung.
Die Netto-Ionenbewegung weg von dem Verarmungsbereich 210 umfaßt eine Abnahme beim Volumen am Verarmungsbereich, die eine Beanspruchung oder Spannung in der Membran 16 verursacht, wobei man daran denken muß, daß die Alkaliionen und die Sauerstoffionen von dem Verarmungsbereich weg wandern. Das Akkumulieren der Alkaliionen in den Glassubstraten 22 und 24 zwischen den C-förmigen Ringen 154 und 173 umfaßt einen Bereich molekularer Druckspannung. Die Gebiete von Zugspannung und Druckspannung werden in Fig. 17 gezeigt.
Während der elektrostatischen Abdichtoperation bei erhöhter Temperatur werden alle Kondensatorplatten 12 und 14 auf dem oberen und dem unteren Glassubstrat 22 und 24 die gesamte Zeit während des Anlegens der Spannung, ebenso, wie die Siliciumscheibe 20, auf demselben Potential gehalten, um zu verhüten, daß elektrostatische Kräfte auf die Membranen wirken. Gittermetalläufe, mit 151 in Fig. 11 bezeichnet und ähnliche in Fig. 13 gezeigte Läufe 170 schließen alle Kondensatoren zu einem großen Kissen am Umfang jeder Glassubstrat-Außenfläche kurz. Die Kissen liegen direkt einander gegenüber, so daß ein Krokodilklemmenkontakt das gemeinsame Potential liefern kann. In ähnlicher Weise schließen die mit 154 in Fig. 11 bezeichneten C- förmigen Ringe und die Abdichtgitter-Metalläufe 150 und 152 und ähnliche in Fig. 13 gezeigte Ringe und Läufe das andere gegenüberliegende Kissenpaar am Umfang jeder Glas-Außenseite kurz. Ein Kontakt mit der Siliciumscheibe 20 wird an jedem Sensorort, wie beispielsweise 72, 90 bis 94 über ein entsprechendes Loch in dem oberen Glassubstrat 22 hergestellt. Dann werden der Kontakt mit den Kondensatorkissen und der Kontakt mit dem Silicium miteinander kurzgeschlossen. Ein zweiter Kontakt wird zu den Abdichtringkissen hergestellt.
Nachdem eine Abdichtoperation abgeschlossen ist, wird der sich ergebende aus drei Ebenen bestehende Verbund mit einem gesonderten Glassubstrat ausgerichtet, das mit Löchern gerastert ist, die geringfügig größer sind und an denselben Positionen liegen, wie die Löcher 104, 106, 112 und 114 von Fig. 8. Das resultierende Glassubstrat bildet eine Schablone für ein anschließendes Metallisieren und gestattet ein selektives Beschichten der Siliciumkontakte. Eine Herangehensweise mit Schablone ist wegen der hohen Wahrscheinlichkeit einer Verschmutzung der Siliciummembran vorzuziehen. Ein konventionelles Beschichten mit Abdeckung der aus drei Ebenen bestehenden Konstruktion und das selektive Entfernen mit fotolitografischen Techniken würde zu einem Rückstand in dem Hohlraum führen, der zwischen der Membran und dem Glas gebildet wird. Das Entfernen von irgendwelchen Rückständen eines fotoempfindlichen Lacks ist insofern fast unmöglich, weil ein Zugriff zu dem Hohlraum, der typischerweise weniger als ein Mil (25 um) dick ist und einen Durchmesser von 200 Mil (5 mm) hat, ausschließlich über ein Loch mit einem Durchmesser von 20 bis 25 Mil (0,5-0,6 mm) möglich ist.
Der abgedichtete, aus drei Ebenen bestehende Verbund und eine ordnungsgemäß ausgerichtete Glasschablone wird dann in eine entsprechende Haltevorrichtung gebracht und mit einem leitfähigen Material mittels Verdampfungs- oder Aufspritztechnik bis auf eine Dicke von ungefähr 10.000 Ångström beschichtet. Eine Schablonenplatte 230 wird in Fig. 18 abgenommen von einem elektrisch abgedichteten, aus drei Ebenen bestehenden Wandler gezeigt. Die Schablonenplatte 230 ist im wesentlichen eine dünne Glasplatte, die ein Raster von Öffnungen 232 und 234 hat, die in einem Abstand voneinander an Stellen angeordnet sind, die mit den Siliciumscheiben-Kontaktbereichen zusammenfallen, wie sie beispielsweise durch die Zahlen 108 und 110 in Fig. 14 gezeigt werden. Die Schablonenplatte 230 ist auf der Oberseite des oberen Glassubstrats 22 derart ausgerichtet, daß die Schablonenplatten-Lochpaare mit den großen Löchern 104 und 106 in dem oberen Glassubstrat 22 zur Deckung kommen und auch mit den gewünschten Kontaktbereichen 108 und 110. Die Schablonenplattenöffnungen 232 und 234 haben einen Durchmesser dergestalt, daß dann, wenn Aluminium über die Oberfläche der Schablonenplatte 230 gespritzt wird, die Siliciumscheibenbereiche 108 und 110 mit dem leitfähigen Metall metallisiert werden. Die anderen Kontaktpaare des anderen Scheibchens der Siliciumscheibe 20 werden gleichzeitig gebildet. Wie man sich denken kann, wird das Aufspritzen der Metallkontakte durch die Löcher 104 und 106 des oberen Glassubstrats 22 ausgeführt. Um einen Metallkontakt an angrenzenden Ecken eines benachbarten Scheibchens zu bilden, hat die Schablonenplatte 230 zwei in engem Abstand voneinander an geordnete Öffnungen, die bezogen auf jedes Loch in dem oberen Glassubstrat 104, 106, 112 und 114 fluchten. Anschließend an den Metallisierungsprozeß wird die Schablone 270 entfernt und wird die aus drei Ebenen bestehende Struktur bei ungefähr 350ºC über einen ausreichenden Zeitraum gesintert, um einen angemessenen ohm'schen Metallkontakt mit Siliciumscheibe 20 sicherzustellen. Dann wird die aus drei Ebenen bestehende Konstruktion für ein Zersägen in einzelne Scheibchen vorbereitet.
Ein extrem kleiner, hochempfindlicher, auf Druck reagierender Wandler kann in Übereinstimmung mit den vorstehenden Schritten hergestellt werden. Tatsächlich können Wandler hergestellt werden, die auf kleine Druckänderungen in der Nähe von 0,0001 Zoll Wassersäule reagieren. Die entsprechende Membrandurchbiegung, die aus einer solchen geringen Druckänderung resultiert, kann ungefähr 10 Ångström betragen oder ungefähr drei Atomdurchmesser. Je nach der Vertiefungs- und der Membrandicke kann eine Kapazität bei Vollausschlag von ungefähr 8 Pikofarad bis zu ungefähr 40 Pikofarad reichen, bei einer Auflösung von ungefähr 40 bis 100 Femtofarad. Beim Feststellen von Druckänderungen von ungefähr drei Zoll Wassersäule kann ein Wandler der Erfindung, der eine Vertiefung von zehn um hat, ein Membrandurchbiegung bei Vollausschlag von mehreren Mikrometern erfahren und dadurch eine Vollausschlagspanne von ungefähr 8 Pikofarad erzeugen.
Während die vorstehende Scheibenherstellung so beschrieben worden ist, daß Abdicht-Gitternetzleiter verwendet werden, die an dem oberen und dem unteren Glassubstrat 22 und 24 ausgebildet sind, kann derselbe Effekt durch Eliminieren solcher Glasleitergitter und Verwendung einer waffeleisenähnlichen Einspannung erreicht werden, die eine obere und eine untere starre Metallmatrix hat, die gelenkig an dem oberen und dem unteren Glassubstrat gelagert ist und diese schließt und zusammenpreßt, um die Siliciumscheibe dazwischen einzulagern. Auf den Innenseiten der Metallmatrix sind C-förmige Abdichtungsriefen und die dazugehörigen scheibchenbegrenzenden Leiterbahnen ausgebildet. Bei die ser Konstruktion kann die Abdichtspannung an die Metallmatrix angelegt werden, wodurch die elektrostatische Kraft in dem Glassubstrat und der Siliciumscheibe induziert und die elektrostatische Abdichtung erreicht wird.
Aus dem Vorstehenden wird eine Miniaturwandlerkonstruktion mit kapazitiver Verschiebung und ein Verfahren für die Herstellung derselben offenbart. Ein durch den Wandler gebotener technischer Vorteil ist, daß durch Verarbeitung der Membran zu einer sehr dünnen Membran die physische Größe des Wandlers klein gehalten werden kann, während man immer noch eine hohe Empfindlichkeit erreicht. Ein weiterer technischer Vorteil der Erfindung ist, daß beim Verarbeiten der Halbleiterscheibe, um die Membranen zu bilden, eine doppelseitige erste Ätzung und eine doppelseitige zweite Ätzung ausgeführt wird, um die Kondensatorlücke unabhängig von der Dicke der Membran zu bilden. Ein damit verbundener technischer Vorteil ist, daß durch das Aufrechterhalten einer unabhängigen Kontrolle über die Kondensatorlücke und die Membrandicke bestimmte Kombinationen davon erreicht werden können, um einen linearen Ausgang der Kapazität für lineare Änderungen beim Eingangsdruck beizubehalten. Noch ein weiterer technischer Vorteil der Erfindung ist, daß durch Herstellen der verschiedenen Schichten in Quadrat-Einheitszellenform die Anzahl der Wandlerkonstruktionen, die aus einer Scheibe gegebener Größe erhältlich ist, maximiert wird. Zusätzlich ist ein technischer Vorteil, den die Erfindung bietet, daß man durch Anwendung der doppelseitigen Verarbeitung verschiedener Substrate, um Leiter zu erhalten und durch Herstellen verschiedener Löcher in verschiedenen oberen Schichten der Verbundkonstruktion einen Oberseitenzugriff zu allen elektrischen Kontakten des Wandlers erhalten kann. Ein zusätzlicher technischer Vorteil der Erfindung ist, daß durch richtige Wahl der Glas- und Siliciummaterialien man ein automatisches Vorspannen während des elektrostatischen Bindungsprozesses erhält. Ein damit verbundener technischer Vorteil ist, daß durch Bereitstellen angemessener Abdichtungsgitternetze über die Oberfläche der Glasstrukturen die Kompressionsbereiche, die aus den Volumenänderungen bei dem Glasmaterial entstehen, an den verschiedenen Scheibchen aufrechterhalten werden können, ohne die Membranspannung an benachbarten Scheibchen zu beeinflussen.

Claims

1. Wandler (10), mit einer leitfähigen Kondensatorplatte (12), einer feststehenden, nicht-leitfähigen Halteanordnung (22), mit der die Kondensatorplatte (12) integriert ausgebildet ist, einer leitfähigen Halbleitermembran (16), durch die eine flexible Kondensatorplatte gebildet ist, die von der Kondensatorplatte (12) beabstandet ist, gekennzeichnet durch:

eine dünne Halbleitermembran (16), und

einen Mechanismus, um die dünne Halbleitermembran (16) in radialer Richtung unter einer vorbestimmten Zugspannung zu halten.

2. Wandler nach Anspruch 1, bei dem die Halbleitermembran (16) mittels der nicht-leitfähigen Halteanordnung (22) unter Zugspannung gehalten ist.

3. Wandler nach Anspruch 2, der außerdem ein dickes Halbleitermaterial (20) enthält, das die leitfähige Halbleitermembran (16) umgibt, wobei die leitfähige Halbleitermembran (16) mittels der nicht-leitfähigen Halteanordnung (22) über das dicke Halbleitermaterial (20) unter Zugspannung gehalten ist.

4. Wandler nach Anspruch 1, der außerdem ein Paar nicht-leitfähige Halteanordnungen (22, 24) aufweist, durch die jeweils eine zugehörige, feststehende, leitfähige Kondensatorplatte (12, 14) gehalten ist, die von der flexiblen Halbleitermembran (16) beabstandet sind.

5. Wandler nach Anspruch 4, bei dem jede nicht-leitfähige Halteanordnung (22, 24) eine vorbestimmte Wärmeausdehnungscharakteristik hat; und

die flexible Halbleitermembran (16) aus einem Material hergestellt ist, das eine Wärmeausdehnungscharakteristik hat, die verschieden ist von der der Halteanordnungen (22, 24), und wesentlich dünner ist als die Halteanordnungen (22, 24), so daß die Wärmeausdehnungscharakteristiken der Halteanordnungen (22, 24) überwiegen und so daß die Halbleitermembran (16) fest unter Zugspannung verbleibt, wenn die Temperatur der Halteanordnungen (22, 24) und der Halbleitermembran (16) verändert und dann die Halteanordnungen (22, 24) und die Halbleitermembran (16) schichtweise übereinander angeordnet und miteinander verbunden werden und die Temperatur erneut verändert wird.

6. Wandler nach Anspruch 5, bei dem die Halteanordnungen (22, 24) Glas enthalten und die Halbleitermembran (16) ein dotiertes Halbleitermaterial enthält, um die Halbleitermembran (16) elektrisch leitfähig zu machen.

7. Wandler nach Anspruch 5, bei dem die Halbleitermembran (16) durch eine elektrostatische Dichtung zwischen den nichtleitfähigen Halteanordnungen (22, 24) befestigt ist.

8. Wandler nach Anspruch 5, bei dem die Halbleitermembran (16) einen Umfangshalteabschnitt aufweist, der mit den nichtleitfähigen Halteanordnungen (22, 24) verbunden ist und einen dünneren, biegsamen Membranbereich aufweist.

9. Verfahren zur Herstellung eines Wandlers, der eine unter Zugspannung stehende, dünne Halbleitermembran (16), durch die eine Kondensatorplatte gebildet ist, die aus einem ersten Halbleitermaterial mit einer bestimmten Wärmeausdehnungscharakteristik hergestellt ist, und eine Halteanordnung (22) aufweist, die eine feststehende Kondensator platte (12) enthält, wobei die Halteanordnung (22) aus einem anderen, zweiten Material hergestellt ist, das elektrisch isolierend ist, gekennzeichnet durch:

Auswählen der Halteanordnung (22) mit einer bestimmten Wärmeausdehnungscharakteristik, die in einem Betriebstemperaturbereich im wesentlichen gleich der des ersten Materials ist, so daß eine Zugspannung der Membrananordnung (16) bei Betrieb in dem Betriebstemperaturbereich im wesentlichen konstant bleibt, die aber bei Betrieb außerhalb dieses Betriebstemperaturbereiches verschieden ist von der des ersten Materials;

Verändern der Temperatur des ersten und zweiten Materials über den Betriebstemperaturbereich hinaus, so daß jedes der Materialien eine andere Größenänderung erfährt; und

Befestigen der Membrananordnung (16) an der Halteanordnung (22), um eine Schichtanordnung (16, 22) zu bilden, außerhalb des Betriebstemperaturbereiches, und dann ermöglichen, daß die Schichtanordnung (16, 22) in den Betriebstemperaturbereich zurückkehrt, so daß die Membrananordnung (16) unter Zugspannung verbleibt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, das außerdem das Verändern der Temperatur des ersten und zweiten Materials umfaßt, so daß die Membrananordnung (16) sich in einem größeren Ausmaß zusammenzieht als die Halteanordnung (22).

11. Verfahren nach Anspruch 9, das außerdem das Erwärmen des ersten Materials und des zweiten Materials umfaßt, so daß sich die Membrananordnung (16) in einem größeren Ausmaß ausdehnt als die Halteanordnung (22).

12. Verfahren nach Anspruch 9, das außerdem das Erwärmen von Siliciummaterial und von Borosilikat-Glas umfaßt, so daß sich das Siliciummaterial in einem größeren Ausmaß ausdehnt als das Borosilikat-Glas, Verbinden der Materialien, wenn sie erwärmt sind, und dann Abkühlen der Materialien, so daß sich das Siliciummaterial in einem größeren Ausmaß zusammenzieht als das Borosilikat-Glas, wodurch es ermöglicht wird, daß das Silicium nach dem Abkühlen unter Zugspannung verbleibt.