Полупроводниковый чувствительный элемент и способ его изготовления

 

Изобретение может быть использовано для повышения надежности и расширения технологических возможностей. Это достигается тем, что полупроводниковая мембрана 1 соединяется с диском 6 из стекла, а диск соединяется с металлостеклянным узлом 13 через слой 10 из поликристаллического кремния. Последнее позволяет расширить номенклатуру применяемых материалов. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК рц С 01 Т, 9/04

1Е ИЗМ3

МП,»;-:,;,, Ы@.11

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

s0

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЬПИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 43573/4/24 — 10 (22) 05. 01. 88 (46) 15. 11. 90. Бюл. К 42 (72) П.Г.Михайлов, В.М.Косогоров, В.М.Дурцева. и Е.М.Белозубов (53) 531.787(088.8) (56) Патент Великобритании

Ф 2080541, кл. С 01 Ь 9/06, 1982. (54) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ

ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

„.SU„, 1606886 А 1

2 (57) Изобретение может быть использовано для повышения надежности и расширения технологических возможностей.

Это достигается тем, что полупроводниковая мембрана 1 соединяется с диском 6 из стекла, а диск соединяется с металлостеклянным узлом 13 через слой 10 из поликристаллического кремния. Последнее позволяет расширить номенклатуру применяемых материалов.

11 ил.

1606886

Изобретение относится к измерит льной технике Й может быть использовано при разработке конструкций полупроводниковых датчиков и технологии 5 чх изготовления.

Цель изобретения — увеличение точности и повышение технологичности.

Fla фиг. 1 схематично изображена конструкция чувствительного элемента, l0 на фиг. 2 — полупроводниковая пластина со сформированными тензорезисторами и контактной металлизацией, на фиг. 3 — пластины после профилирования, на фиг. 4 — отполированные полу- 15 проводниковая и стеклянная пластины на фиг. 5 — процесс электростатического соединения полупроводниковой и стеклянной пластин в единую стеклополупроводниковую пластину, на 20 фиг. 6 — стеклополупроводниковая пластина после формирования в ней скво=ных отверстий и после двухсторонней механической обработки, на фиг, 7 то же, после нанесения на ее нижнюю 25 поверхность пленки полупроводникового материала на фиг. 8 — перфорированная стеклянная пластина и металлические трубки, подготовленные для спаивания одна с другой; на фиг. 9 — готовая металлостеклянная пластина, на фиг. 10 — процесс электростатического соединения различных узлов чувствительного элемента, на фиг. 11 разделенные чувствительные элементы.

Чувствительный элемент содержит упругий элемент в виде полупроводниковой мембраны 1 со сформированными на ней методами полупроводниковой технологии тензосхемой, состоящей из тензорезисторов 2, и контактной металлизации 3. На поверхности мемб,раны нанесена изолирующая пленка 4

,(например, из SiO или Si Nq), а в теле мембраны вытравлена приемная полость 5. Упругий элемент жестко соединен со стеклянной буксой

6 и компенсатором 7 в виде диска из полупроводникового материала. В стеклобуксе 6 и диске — компенсаторе 7 сформированы соосные отверстия 8 и

9. К компенсатору 7 через пленку 10 из полупроводникового материала присоединен металлостеклянный элемент

11, состоящий из стеклодиска 12 и металлической трубки 13, соединенных неразъемно, Трубка 13 и отверстие 14 в стеклодиске 12 расположены соосно с мембраной 1 и отверстиями 8 и 9.

Для прикрепления штуцера трубка 13 может иметь наружную ил . внутреннюю резьбу 14.

Чувствительный элемент работает следующим образом.

При подаче измерительного давления P со стороны трубки 13 мембрана изгибается, что приводит к деформации тензорезисторов 2.

Вследствие пьезорезистивного эффекта происходит изменение сопротивления тензорезисторов, соединенных в мостовую схему. В результате на выходе мостовой схемы возникает сигнал (в виде изменения напряжения или тока), пропорциональный PÄ . Этот сигнал через контактную металлизацию

3 поступает во внешнюю измерительную цепь для дальнейшей обработки.

Способ изготовления чувствительного элемента заключается в следующем.

На первых полупроводниковых пластинах 15, например из кремния ориентации (100) толщиной 350-400 мкм, методами диффузии, фотолитографии и вакуумного напыления формируют тензорезистивную схему, состоящую из тензорезисторов 2, соединенных контактной металлизацией 3, например из А1 толщиной 0,8-1,5 мкм, изолированной от тела полупроводниковой пластины слоем окисла 4. Далее, защищая тензосхему стойким к щелочному травителю составом, например компаундом типа КЛТ или слоями металла (ванадий — медь) и формируя на непланарной стороне селективную маску из SiO<, проводят групповое формирование профиля мембраны в виде приемной полости 5 с наклонными стенками путем травления кремния в окнах в анизотропном травителе

257.-ном растворе едкого калия. Травление проводят при 96 1 С.

На следующем этапе изготовления проводится подготовка поверхности пластин к электростатическому соединению, при этом соединяемые стороны первой стеклянной 16 и второй полупроводниковой пластины 17 шлифуются, и полируются. После этого они накладываются полированными сторонами одна на другую и осуществляется их нагрев до 400-500 С. При этом на них через условно показанные электрические контакты 18 подается постоянное напряжение порядка 0,8-1,2 кВ. Причем получают разделенные чувствительные элементы 29.

Преимуществом способа является увеличенный выход годных на 155

20Х расширяется в три раза возможная номенклатура применяемых материалов для чувствительного элемента, повышается эксплуатационная надежность работы и снижается стоимость монтажа.

Формула изобретения

1.Полупроводниковый чувствительный элемент датчика давления, содержащий полупроводниковую мембрану, на которой сформированы соединенные в измерительный мост тензорезисторы, 2{) при этом периферийная часть мембраны выполнена утолщенной и скреплена с соосно расположенным с ней первым стеклянным кольцом, по другую сторону которого расположена соосно с

?5 ним металлическая трубка, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью увеличения точности и повышения технологичности, в него введены полупроводниковое кольцо и второе стек30 лянное кольцо, при этом полупроводниковое кольцо закреплено одной своей стороной с первым стеклянным кольцом, а на его другую сторону нанесена пленка поликристаллического кремния, при35 чем второе стеклянное кольцо закреплено на трубке заподлицо с ее торцом и скреплено с пленкой поликристаллического кремния.

2. Способ изготовления полупровод40 никового чувствительного элемента датчика давления, включающий формирование на полупроводниковой пластине мембраны и расположенных на ней тенэорезисторов, скрепление первой

45 стеклянной пластины с первой полупроводниковой пластиной, закрепление металлической трубки, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения технологичности, первую стеклян5О ную пластину и дополнительно введен-ную полупроводниковую пластину шлифуют, полируют и выполняют в них отверстия с шагом между ними, соответствующим шагу между осями мембран, затем первую стеклянную пластину скрепляют з пакет с полупроводниковой ,о пластиной путем нагрева до 400-500 С и одновременной подачи на них постоянного напряжения 0,8-1,2 кВ в

5 1606886

"плюс" источника высокого напряжения подается на полупроводниковую пластину 17, а "минус" — на стеклянную 17.

Пластины выдерживаются под напряжением и температуре в течение 30—

45 мин, после чего напряжение снимается и пластины охлаждаются вместе с нагревательной камерой до комнатной температуры. Благодаря возникновению взаимодиффузии.полупроводника и стекла друг в,пруга образуется прочное электроадгезионное соединение двух пластин в единую светлополупроводниковую пластину 18. Стеклополупроводниковую пластину 18 подвергают операции формирования сквозных отверстий 20 путем ультразвуковой или лазерной их прошивке 21 с шагом, равным шагу сформированных на первой полупроводниковой пластине упругих элементов. Далее пластину 18 подвергают двухсторонней полировке. После шлифовки и полировки на полупроводниковую сторону 19 стеклополупроводниковой пластины 18 наносят путем термического испарения в вакууме пленку 22 полупроводника, например поликристаллического кремния, толщиной 0,8-2,5 мкм. Отдельно изготавливают металлостеклянную пластину 25 следующим способом.

Формируют сквозные отверстия 24 в стеклянной пластине 23, окисляют металлические, например коваровые, трубки при 800 С в течение 10 мин, спаивают стеклянную пластину 23 с набором трубок 13 в групповой графитовой оснастке в высокотемпературной печи при 950-980 С в течение

10-15 мин, полируют верхнюю поверхность металлостеклянной пластины.

Далее производят электростатическое соединение полупроводниковой 16, стеклополупроводниковой 18 и металлостеклянной 25 пластин в единый компактный неразъемный блок 26 путем одновременного нагрева до 450-550 С и подачи от источника 27.питания напряжения величиной 1000-1200 В с выдержкой при этом напряжении в течение 5-15 мин и охлаждении вместе с печью до комнатной температуры.

Благодаря электроадгезионному взаимо действию получается групповой набор

28 чувствительных элементов датчиков, после разделения которого с помощью ультразвука, электроискровой обработки или химическим травлением

1606886 течение 30-40 мин, на дополнительно введенную полупроводниковую пластину напыляют в вакууме пленку поликристаллического кремния, после чего во введенной второй стеклянной пластине выполняют отверстия, соответствующие расположению отверстий в пакете, вводят в эти отверстия металлические трубки и скрепляют их со стеклянной о пластиной путем нагрева до 950-980 С в течение 10-15 мин, шлифуют и полируют вторую стеклянную пластину со

v стороны торцов металлических трубок и, располагают трубки соосно с отверстиями в пакете и осями мембран, соединяют дополнительную полупроводниковую пластину с первой и второй стеклянными пластинами путем нагрева до 450 †5 С и подачи посо тоянного напряжения 1-1,2 кВ с выдержкой в течение 5-15 мин, при этом минусовую клемму источника напряжения подключают к полупроводниковой пластине и металлическим трубкам, а плюсовую клемму — к дополнительной полупроводниковой пластине, после чего разделяют пластины на отдельные полупроводниковые чувствительные элементы. ф

Составитель О.Слюсарев

Техред !1,;;елани Корректор М.Пожо

Редактор М.Келемеш

Заказ 3546

Тираж 469

Подписное

ВНИИПИ Государственного коп.тога по и..обретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, . !о<.кна, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский к.медная "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101