DE19511590A1 - Meßelement für einen Durchflußsensor und Herstellungsverfahren - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Meßelement für einen Durchflußsensor und einem Verfahren zur Herstellung eines Meßelements für einen Durchflußsensor nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche. Aus der US 4 888 988 ist bereits ein Meßelement für einen Durchflußsensor bekannt, bei dem eine dielektrische Membran von einem Rahmen aus einkristallinem Silicium gehalten wird. Auf dem Meßelement ist eine strukturierte Metallschicht vorgesehen, wobei aus der Metallschicht ein Heizer, Temperatursensoren, Leiterbahnen und Verbindungsbereiche herausstrukturiert sind. Als Material für die Metallschicht wird unter anderem auch Platin angegeben. Aus der US 4 952 904 ist bereits ein Meßelement für einen Durchflußsensor bekannt, bei dem eine dielektische Brückenstruktur von einem Siliziumsubstrat gehaltert wird. Auf der Brückenstruktur ist ein Heizer und Temperatursensoren vorgesehen, die aus einer Platinschicht herausstrukturiert sind. Weiterhin sind Leiterbahnen vorgesehen, die ebenfalls aus der Platinschicht herausstrukturiert sind. Für die Brückenstruktur wird eine Siliziumnitridschicht verwendet. Um eine ausreichend gute Haftung des Platins auf der Nitridschicht zu erreichen sind Zwischenschichten aus Metalloxyden vorgesehen. Weiterhin wird beschrieben, daß die Platintemperatursensoren einer Temperaturbehandlung unterzogen werden müssen, um gute Eigenschaften der Temperatursensoren zu erreichen. Dabei sollen Temperaturen über 450° verwendet werden. Bei diesen Temperaturen werden Platinfilme ohne haftvermittelnde Schicht zerstört. Metalle können bei diesen Temperaturen nicht als Haftschicht verwendet werden, da sie in das Platin eindiffundieren und die Eigenschaften der Platintemperatursensoren nachteilig beeinflussen.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Meßelement bzw. Herstellungsverfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat demgegenüber den Vorteil, daß dünne hochwertige Platinschichten für das Meßelement verwendet werden und gleichzeitig eine gute Kontaktierung der Verbindungsbereiche mit Bondrähten erfolgen kann. Es wird so ein hochwertiges Meßelement mit guter Langzeitstabilität geschaffen. Die dazu notwendigen zusätzlichen Prozeßschritte verwenden ausschließlich Standardprozeßschritte, die aus der Halbleiterfertigung gut bekannt sind.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Meßelements bzw. Herstellungsverfahrens möglich. Die zusätzliche Metallschicht kann entweder auf der Platinschicht oder unter der Platinschicht angeordnet werden. Weiterhin ist es möglich, die Metallschicht für den Verbindungsbereich an einer Stelle vorzusehen, an der die Platinschicht entfernt ist. Durch die Passivierungsschicht wird das Tempern der Platinschicht bei höheren Temperaturen möglich. Weiterhin wird so das fertiggestellte Meßelement vor Beschädigungen geschützt. Silizium ist aufgrund seiner guten thermischen Leitfähigkeit und seiner einfachen Bearbeitbarkeit gut für die Herstellung der Meßelemente geeignet. In Verbindung mit diesem Material lassen sich besonders einfach Membranschichten und Passivierungsschichten aus Siliziumoxyd, Siliziumnitrid oder Kombinationen der beiden Stoffe verwenden.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 eine Aufsicht auf ein Meßelement und die Fig. 2 bis 4 jeweils ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Meßelements.

Beschreibung

In der Fig. 1 wird eine schematische Aufsicht auf ein Meßelement 1 gezeigt. Das Meßelement 1 weist eine Membran 2 auf, auf der ein Heizer 3 und ein Temperatursensor 4 angeordnet sind. Der Heizer 3 und der Temperatursensor 4 sind durch Leiterbahnen 5 mit Verbindungsbereichen (Bondpads) verbunden. Durch das Aufbringen von Bonddrähten auf den Verbindungsbereichen 6 kann so ein elektrischer Stromfluß durch den Heizer 3 geschickt werden bzw. das Meßsignal des Temperatursensors 4 ausgelesen werden.

Derartige Sensoren sind bereits aus der US 4 888 988 und der US 4 952 904 bekannt. Die Fig. 1 ist in ihrer Darstellung stark schematisiert. So können beispielsweise wie in den genannten Schriften beschrieben wird mehrere Temperatursensoren 4 oder mehrere Heizer 3 verwendet werden. Beim erfindungsgemäßen Sensor sind die Leiterbahnen 5, der Heizer 3 und der Temperatursensor 4 aus ein und derselben Platinschicht herausstrukturiert. Beim Stand der Technik sind darüberhinaus auch noch die Verbindungsbereiche 6 aus derselben Schicht herausstrukturiert.

In den Fig. 2 bis 4 ist jeweils ein Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Sensorelement dargestellt, welches einem Schnitt durch die Linie I-I der Fig. 1 entspricht. Die Größenverhältnisse sind jedoch nicht richtig dargestellt, insbesondere sind die Dicken der Schichten 7, 8 und 9 übertrieben.

In der Fig. 2 wird ein erstes Ausführungsbeispiel gezeigt. Für das Meßelement 1 ist auf einem Siliziumträger 10 eine Membranschicht 7 aufgebracht. Durch die Abmessungen der in den Siliziumträger 10 eingeätzten Öffnung sind die geometrischen Abmessungen der Membran 2 definiert. Auf der Membranschicht 7 wird dann eine strukturierte Platinschicht 9 erzeugt, durch die mindestens ein Heizer, mindestens ein Temperatursensor und Leiterbahnen definiert werden. Darauf wird dann eine Passivierschicht 8 erzeugt. Die weitere strukturierte Metallschicht 21 definiert dann den Verbindungsbereich 6, auf dem Bonddrähte 11 zur Kontaktierung der Platinschicht 9, d. h. des Heizers 3 und des Temperatursensors 4 vorgesehen sind.

Die Herstellung des Meßelements 1 erfolgt mit den aus den eingangs genannten Stand der Technik bekannten Methoden. Auf dem Siliziumträger 10 wird zunächst eine Membranschicht 7 abgeschieden. Besonders günstig ist dabei, zunächst den Siliziumträger 10 oberflächlich zu oxydieren, dann eine Nitridschicht aufzubringen und dann erneut eine dünne Oxydschicht zu erzeugen. Auf dieser Membranschicht 7 wird dann durch Aufdampfen oder Aufsputtern eine zunächst ganzflächige Platinschicht erzeugt. Durch Fotolithografie und Ätzen werden dann aus der Platinschicht 9 die einzelnen Strukturen, wie Heizer 3, Temperatursensoren 4 und Leiterbahnen 5 erzeugt. In einem weiteren Prozeßschritt wird dann eine Passivierungsschicht 8 beispielsweise Siliziumoxyd oder Siliziumnitrid abgeschieden, so daß die gesamte Oberfläche mit dieser Schicht bedeckt ist. Es erfolgt dann ein Temperschritt zur Nachbehandlung der Platinschicht 9. Dieser Temperschritt wird weiter unten noch im Detail beschrieben. Danach werden an einzelnen Stellen Öffnungen in Passivierungsschicht 8 eingebracht, durch die die Platinschicht 9 an einzelnen Stellen wieder freigelegt wird. Dann wird beispielsweise durch Aufsputtern und Strukturieren die weitere Metallisierung 21 erzeugt. Die Membran 2 wird definiert, indem zu einem beliebigen Zeitpunkt, vorzugsweise jedoch als der letzte hier genannte Prozeßschritt, eine Ausnehmung in den Siliziumträger eingeätzt wird.

Nach der Montage des Meßelements 1 in einem Gehäuse erfolgt dann die Kontaktierung der Verbindungsbereiche 6, d. h. des Heizers und des Temperatursensors durch Bonddrähte 11. Dies erfolgt dadurch, daß ein dünner Bonddraht, typischerweise in der Größenordnung von 50 µm Durchmesser, auf dem Verbindungsbereich 6 durch ein typisches Bondverfahren wie z. B. Ultraschallbonden oder Thermosonic-Verfahren befestigt wird. Aufgrund der besonderen Anforderungen an die Platinschicht 9 bei der Verwendung als Meßelement für einen Durchflußsensor kann die Befestigung der Bondrähte 11 nicht unmittelbar auf der Platinschicht 9 erfolgen. Beim Betrieb des Sensors wird die Membran 2 vom Heizer 3 erwärmt und durch vorbeiströmende Luft abgekühlt. Diese Abkühlung wird durch Messung der Temperatur der Membran durch den Temperatursensor 4 nachgewiesen. Zur Temperaturmessung verwendet der Platintemperatursensor die Temperaturabhängigkeit des Widerstands (TKR) des Platins. Der TKR von aufgesputterten oder aufgedampftem Platin ist zunächst nicht ausreichend und ändert sich mit der Zeit. Um den TKR der Platinschicht zu erhöhen und über der Zeit zu stabilisieren, ist ein Temperschritt vorgesehen, bei dem Temperaturen über 600°C zum Ausheilen der Platinschicht verwendet werden. Wie aus der US 4 952 905 bekannt ist, diffundieren bei geeigneten Temperaturen alle gebräuchlichen haftvermittelnden Metalle in das Platin und beeinflussen den TKR in unerwünschter Weise. Die US 4 952 905 schlägt nun vor, Haftschichten aus Metalloxyden zu verwenden, die jedoch aufwendig herzustellen sind und bei denen eine Ausdiffusion der verwendeten Materialien in das Platin auch nicht ausgeschlossen werden kann. Die vorliegende Erfindung schlägt daher vor, weitere Metallschichten zu verwenden, die jedoch nur im Bereich der Verbindungsbereiche 6 angeordnet sind. Da zwischen den Verbindungsbereichen 6 und den eigentlichen Meßelementen auf der Membran die Leiterbahnen 5 angeordnet sind, die eine relativ weite Strecke zurücklegen, beeinflußt die weitere Metallisierung 21 im Verbindungsbereich 6 den TKR der Temperaturmeßelemente auf der Membran 2 nicht. Weiterhin erfolgt das Tempern der Platinschicht 9 vor dem Aufbringen der weiteren Metallisierung 21.

Auf der Platinschicht 9 können die Bonddrähte 11 nicht unmittelbar aufgebracht werden, da die Platinschicht 9 sehr dünn ist und eine für die inhomogene Belastung des Bondvorganges nicht ausreichende Haftung zum Untergrund aufweist. Wenn, wie dies in der Fig. 2 gezeigt wird, die weitere Metallisierung 21 unmittelbar über einer Platinschicht 9 angeordnet ist, so werden die beim Bonden oder späteren Betrieb des Sensors auftretenden Kräfte auf die Bondstelle auf eine größere Fläche verteilt. Die mechanische Belastung der Verbindung der Platinschicht 9 mit der Membranschicht 7 wird somit verringert.

In der Fig. 3 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, welches sich von der Fig. 2 durch die andere Ausgestaltung des Verbindungsbereichs 6 unterscheidet. Der Verbindungsbereich 6 wird hier durch eine weitere Metallisierung 22 gebildet, wobei unterhalb des Verbindungsbereiches 6 direkt die Passivierungsschicht 8 gelegen ist. Die weitere Metallisierung wird dann auf der Oberfläche der Passivierung bis zu einer Öffnung in der Passivierungsschicht 8 geführt, wo dann eine Kontaktierung der Platinleiterbahnen 5 bzw. 9 erfolgt. Dieser Verbindungsbereich 6 entspricht dem, was aus der Halbleitertechnik als Standardverbindungsbereich bekannt ist und weist eine besonders gute Verbindung des Bonddrahts 11 auf dem Verbindungsbereich 6 auf.

In der Fig. 4 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, welches sich von den Fig. 2 und 3 durch die andere Ausgestaltung des Verbindungsbereiches 6 unterscheidet. In der Fig. 4 wird der Bondbereich 6 durch eine unmittelbar auf der Membranschicht 7 aufliegende weitere Metallschicht 23 und der darüberliegenden Platinschicht 9 gebildet. Der Bonddraht 11 wird dann unmittelbar auf der Platinschicht 9 befestigt. Die weitere Metallschicht 23 bewirkt eine verbesserte Haftung der Platinschicht 9 im Verbindungsbereich 6, so daß dann ein Bonddraht 11 unmittelbar auf der Platinschicht 9 befestigt werden kann. Dabei ist die weitere Metallschicht 23 jedoch nur unmittelbar unter den Verbindungsbereichen 6 vorgesehen, um beim notwendigen Temperprozeß eine negative Beeinflussung des TKR der Platinschicht auf der Membran 2 zu verhindern. Aufgrund des so großen räumlichen Abstands zwischen der Membran 2 und den Verbindungsbereichen 6 wird so eine Beeinträchtigung des TKR des Heizers 3 und des Temperatursensors 4 vermieden. Als metallische Haftschichten wird hier an Titan, Titanwolfram, Chrom, Tantaloxyd, Chromwolfram, Aluminium, Nickel, Metall-Silizide (Pt-Si) oder mehrschichtigen Anordnungen der genannten Metallisierungen gedacht. Für die weiteren Metallisierungen 21, 22 auf denen unmittelbar der Bonddraht befestigt wird, wird an die Verwendung aller gut bondbaren Metalle wie beispielsweise Aluminium oder Nickel gedacht.

Bei der Temperbehandlung mit Temperaturen < 600° wird die Platinschicht großen Belastungen ausgesetzt. Dies ist auch dadurch bedingt, daß die Platinschicht mit 100 bis 200 nm recht dünn ist. Wie in der US 4 952 904 beschrieben wird, neigen derartige Filme dazu, bei Temperaturen über 450° sich vom Untergrund zu lösen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß derartige Platinschichten mit Temperaturen zwischen 600 bis 700° getempert werden können, wenn der Temperschritt nach dem Aufbringen der Passivierschicht 8 erfolgt. Der Temperschritt erfolgt daher bei den hier gezeigten Sensoren in dem Verfahrensstadium, in dem die gesamte Oberfläche des Meßelements mit der Passivierschicht 8 bedeckt ist, d. h. vor dem Einbringen von Öffnungen in der Passivierschicht 8, die eine Kontaktierung der Leiterbahnen erlauben sollen. Weiterhin hat es sich gezeigt, daß die Haftung der Platinschicht 9 auf dem Membranschicht 7 verbessert wird, wenn diese zumindest auf ihrer Oberfläche einen gewissen Anteil von Siliziumoxyd aufweist. Dies kann durch einen dünnen Siliziumoxydfilm oder durch eine Zumischung von Sauerstoff, d. h. durch einen Siliziumoxydnitridfilm erfolgen. Durch Temper-Temperaturen bis 700°C konnte ein TKR von ca. 2500 ppm/K (Meßbereich 25°C bis 125°C) erzielt werden.

Claims (8)

1. Meßelement (1) für einen Durchflußsensor, wobei das Meßelement (1) eine Membran (2) und auf der Membran (2) mindestens einen Heizer (3) und mindestens einen Temperatursensor (4) aufweist, die aus einer Platinschicht herausstrukturiert sind, und wobei auf dem Meßelement (1) mindestens eine Leiterbahn (5) zur Kontaktierung des Heizers (3) und des Temperatursensors (4) angeordnet ist, die ebenfalls aus der Platinschicht (9) herausstrukturiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Meßelement (1) ein Verbindungsbereich (6) vorgesehen ist, auf dem ein Bonddraht (11) befestigbar ist, und daß im Verbindungsbereich (6) eine weitere Metallschicht (21, 22, 23) aus einem anderen Metall als Platin vorgesehen ist.

2. Meßelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Meßelement ein Siliziumträger (10) mit einer aufgebrachten Membranschicht (7) verwendet wird.

3. Meßelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberseite des Meßelements (1) eine Passivierungsschicht (8) angeordnet ist.

4. Meßelement nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranschicht (7) und die Passivierungsschicht (8) aus einem Material aufgebaut ist, welches im wesentlichen aus Silizium, Sauerstoff und Stickstoff besteht.

5. Meßelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Verbindungsbereich (6) die weitere Metallschicht (21) auf der Platinschicht angeordnet ist.

6. Meßelement nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Verbindungsbereich (6) zwischen der Platinschicht (9) und der Membranschicht (7) die weitere Metallschicht (23) angeordnet ist.

7. Meßelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Verbindungsbereich (6) die weitere Metallschicht (22) auf der Oberfläche des Meßelements (1) angeordnet ist, daß die Platinschicht (9) im Verbindungsbereich (6) entfernt ist, und daß die weitere Metallschicht (22) in elektrischem Kontakt zur Leiterbahn (5) steht.

8. Verfahren zur Herstellung eines Meßelements für einen Durchflußsensor, wobei das Meßelement mindestens einen Heizer (3), einen Temperatursensor (4) und eine Leiterbahn (6) aufweist, die aus einer Platinschicht (9) herausstrukturiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Verfahrensschritt eine Temperaturbehandlung von über 600°C erfolgt und daß bei dieser Temperaturbehandlung die Platinschicht (9) von einer Passivierungsschicht (8) bedeckt wird.