DE19601791A1 - Sensor mit einer Membran und Verfahren zur Herstellung eines Sensors mit einer Membran - Google Patents
Sensor mit einer Membran und Verfahren zur Herstellung eines Sensors mit einer MembranInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Sensor bzw. einem Verfahren
zur Herstellung eines Sensors nach der Gattung der
unabhängigen Patentansprüche. Aus der US 51 65 283 ist
bereits ein Sensor mit einer Membran und ein Verfahren zur
Herstellung eines Sensors mit einer Membran bekannt. Die
Membran wird dabei durch eine β-SiC-Schicht (einkristallines
Siliziumkarbid) gebildet, die epitaktisch auf einem
Siliziumsubstrat aufgewachsen wird. Durch Ätzen des
Siliziumsubstrats wird dann unterhalb der Membran eine
Öffnung eingebracht, so daß das Siliziumplättchen nach der
Ätzung einen Rahmen bildet, in dem die Membran aus β-SiC
aufgespannt ist. Bei derartigen einkristallinen β-SiC-
Schichten ergeben sich aufgrund der unterschiedlichen
Gitterkonstanten von Silizium und β-SiC starke mechanische
Verspannungen, die aufgrund des epitaktischen
Aufwachsprozesses kaum beeinflußbar sind.
Der erfindungsgemäße Sensor und das erfindungsgemäße
Herstellungsverfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen der
unabhängigen Patentansprüche hat demgegenüber den Vorteil,
daß die mechanischen Spannungen in amorphen oder
polykristallinen SiC-Schichten genau eingestellt werden
können und gleichzeitig die Dicke der Membran mit höchster
Genauigkeit einstellbar ist. Derartige Sensoren lassen sich
somit mit hoher Präzision fertigen. Unter SiC wird im
weiteren immer Siliziumkarbid verstanden.
Durch die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführten
Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und
Verbesserungen des Sensors bez. des Herstellungsverfahrens
nach den unabhängigen Patentansprüchen möglich. Für
freitragende Membranen ist insbesondere die Erzeugung von
leichten Zugspannungen im Membranmaterial vorteilhaft, da so
immer eine glatte Membranoberfläche sichergestellt ist.
Besonders geeignet sind derartige Membrane für
Massenflußsensoren, die ein Heizelement auf der Membran
aufweisen. Dabei können neben dem Heizelement noch
Temperatursensoren vorgesehen sein, die eine hochgenaue
Bestimmung der Temperatur auf der Membran ermöglichen. Für
das Heizelement und die Temperaturelemente sind
Metallschichten, insbesondere aus Platin, besonders
geeignet. Für die Herstellung der Sensoren ist es besonders
vorteilhaft, auf einem Siliziumsubstrat eine polykristalline
oder amorphe SiC-Schicht abzuscheiden und dann ausgehend von
der Rückseite des Siliziumsubstrats durch Anisotrope-Ätzung
eine Öffnung einzubringen. Zur Herstellung von Heizer und
Temperatursensoren können dann auf der Oberseite weitere
Schichten aus Siliziumoxid und Platin aufgebracht werden. Um
einen vollständigen Schutz der Membran im Ätzmedium zu
gewährleisten, kann auf der Oberfläche noch eine Schicht aus
Siliziumnitrid oder eine Schicht aus Siliziumnitrid und SiC
aufgebracht werden, die nach dem Ätzvorgang des
Siliziumsubstrats wieder entfernt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen die Fig. 1 eine Aufsicht auf ein
Sensorelement, die Fig. 2 bis 6 erläutern ein
Herstellungsverfahren, wobei die Fig. 6 einen Querschnitt
durch ein Sensorelement zeigt.
In der Fig. 1 wird eine Aufsicht auf ein plattenförmiges
Sensorelement 21 gezeigt. Das Sensorelement 21 weist eine
Membrane 22 auf, die in einem Rahmen 23 aus einkristallinem
Silizium aufgespannt ist. Auf der Membrane 22 ist ein Heizer
24 und zwei Temperatursensoren 25 angeordnet. Die
Temperatursensoren 25 sind zu beiden Seiten des Heizers 24
gelegen. Der Heizer 24 und die Temperatursensoren 25 sind
durch Leiterbahnen 26 mit Anschlußbereichen 27, die auf dem
Rahmen 23 gelegen sind, verbunden. Der Heizer 24 und die
Temperatursensoren 25 sind als Widerstandselemente
ausgebildet und können durch Drähte, die auf den
Anschlußbereich 27 befestigt werden, kontaktiert werden.
Durch einen Stromfluß durch den Heizer 24 wird die Membrane
22 erwärmt. Durch Messung des Widerstandes der
Temperaturfühler 25 kann dann die Temperatur der Membran
gemessen werden.
Das Sensorelement 21 nach der Fig. 1 kann als
Massenflußsensor verwendet werden. Durch einen Luftstrom,
der auf der Oberfläche der Membran 22 entlangstreicht, wird
die beheizte Membran 22 abgekühlt. Diese Abkühlung ist ein
Maß für die Menge der vorbeistreichenden Luft. Durch die
beiden Temperaturfühler 25, die zu beiden Seiten des Heizers
24 gelegen sind, kann eine Differenzmessung der
Membrantemperatur erfolgen, was besonders vorteilhaft für
die Auswertung des Sensorsignals ist. Da der Heizer 24 und
die Temperaturfühler als Widerstandelemente ausgebildet
sind, ist die Membran 22 aus einem elektrisch nichtleitenden
Material aufgebaut oder weist zumindest eine oberflächliche
Schicht aus isolierendem Material auf, auf dem die
Widerstandselemente aufgebracht sind. Weiterhin ist es
wünschenswert die Heizleistung zum Erwärmen der Membran 22
geringzuhalten. Für diesen Zweck ist es erforderlich, daß
die Wärmeleitung durch die Membran 22 in den gut
wärmeleitenden Rahmen 23 aus einkristallinem Silizium
relativ gering ist. Dies wird durch die Verwendung von
Membranmaterialien mit geringer spezifischer
Wärmeleitfähigkeit und durch eine sehr dünne Ausgestaltung
der Membran ermöglicht.
Um eine hochpräzise Messung des Massenstromes zu
ermöglichen, muß das Sensorelement nach der Fig. 1 zwei
Bedingungen genügen. Zum ersten muß die Membran 22 straff
gespannt sein, da sich sonst auf der Oberseite der Membran
Wirbel bilden, die zu nicht reproduzierbaren
Strömungsverhältnissen führen. Um dies zu gewährleisten, muß
somit sichergestellt sein, daß das Material der Membran 22
unter leichten Zugspannungen im Rahmen 23 aus
einkristallinem Silizium aufgehängt ist. Zum zweiten muß die
Dicke der Membran hochgenau eingestellt werden, um so
sicherzustellen, daß ein exakt reproduzierbarer Wärmefluß
durch die Membran 22 zum Rahmen 23 hin erfolgt. In den
Fig. 2 bis 6 wird nun ein Herstellungsverfahren
beschrieben, welches den beiden genannten Bedingungen in
besonderem Maße gerecht wird.
In der Fig. 2 wird ein Siliziumplättchen 1 gezeigt, auf
dessen Oberseite und Unterseite jeweils eine SiC-Schicht
(Siliziumkarbid-Schicht) abgeschieden wird. Die Abscheidung
erfolgt aus der Gasphase mit Unterstützung eines Plasmas.
Die Parameter werden dabei so gewählt, daß die SiC-Schicht
als polikristalline oder amorphe SiC-Schicht aufwächst. Bei
einer derartigen Abscheidung läßt sich durch die
Gaszusammensetzung oder durch Beeinflussung des Plasma die
Abscheidung der SiC-Schicht beeinflussen. Insbesondere ist
es möglich, die inneren Spannungen der SiC-Schicht relativ
zum Siliziumplättchen 1 zu beeinflussen. Beim vorliegenden
Prozeß erfolgt die Steuerung derart, daß die SiC-Schichten
2, 3 leichte Zugspannungen zum Siliziumplättchen 1 aufweisen.
Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß eine Membran 22, die
unter Zuhilfenahme der SiC-Schicht gebildet wird, ebenfalls
die erwünschten leichten Zugspannungen aufweist. Auf der
oberen SiC-Schicht 2 erfolgt dann noch die Abscheidung einer
Siliziumoxidschicht 4 (SiO₂). Auf der SiO₂-Schicht wird dann
eine Metallschicht 5 abgeschieden. Dabei wird vorzugsweise
an Platin gedacht.
Es erfolgt dann eine fotolitographische Strukturierung der
Metallschicht 5. Dieser Schritt wird in der Fig. 3
dargestellt. Aus der Metallschicht 5 werden die
Widerstandselemente für den Heizer 24 und die
Temperaturfühler 25 herausstrukturiert. Weiterhin können aus
der Metallschicht 5 die Leiterbahnen 26 und die
Anschlußbereiche 27 herausstrukturiert werden. In der Fig.
3 werden exemplarisch ein Anschlußbereich 27, ein Heizer 24
und zwei Temperaturfühler 25 dargestellt. Dies entspricht
jedoch nicht einem Querschnitt durch die Fig. 1.
In einem weiteren Abscheideschritt (Fig. 4) wird dann eine
Siliziumoxid-Abdeckschicht 6 (SiO₂) abgeschieden, die die
Oberfläche des Heizers 24 und der Temperaturfühler 25
überdeckt. Weiterhin sind auch die Leiterbahnen 26, die hier
nicht dargestellt sind, abgedeckt. Über den Anschlußbereich
27 wird durch einen Fotolithographieprozeß und einen
nachfolgenden Ätzschritt die Siliziumoxidabdeckschicht
wieder entfernt, d. h. oberhalb der Anschlußbereiche 27
werden Kontaktfenster 7 angebracht. Das Metall der
Anschlußbereiche 27 ist somit nicht mit einer isolierenden
Abdeckschicht bedeckt, so daß in diesen Bereichen
Anschlußdrähte aufgebracht werden können.
In weiteren Abscheideschritten wird dann noch eine
Siliziumnitridschicht 8 (Si₃N₄) und eine weitere SiC-Schicht
9 aufgebracht, wie dies in der Fig. 5 dargestellt wird.
Weiterhin erfolgt eine Strukturierung der auf der Rückseite
aufgebrachten SiC-Schicht 3, bei der eine Ätzöffnung 10 in
die SiC-Schicht 3 eingebracht wird, so daß das Silizium des
Siliziumplättchen 1 freiliegt.
Von der Ätzöffnung 10 wird dann in einem weiteren
Prozeßschritt das Silizium des Siliziumplättchen 1 durch
eine Ätzlösung geätzt, die Silizium in Abhängigkeit von der
Kristallrichtung unterschiedlich stark angreift. Derartige
anisotrope Siliziumätzen sind zum Ätzen von einkristallinen
Siliziumkristallen hinreichend bekannt. Eine derartige
Ätzung kann beispielsweise durch KOH erfolgen. Die durch den
Ätzprozeß gebildete Ausnehmung 11 wird in der Fig. 6
dargestellt. Durch die Ausnehmung 11 wird das
Siliziumplättchen 1 strukturiert, so daß nun ein Rahmen 23
aus einkristallinem Silizium die Membran 22 aufspannt.
Weiterhin erfolgt eine Ätzung der SiC-Schicht 9 und der
darunterliegenden Siliziumnitridschicht 8. Die Membrane 22
wird somit von der SiC-Schicht 2 und den
Siliziumoxidschichten 4, 6 gebildet.
Den einzelnen Schichten kommen beim Herstellungsverfahren
bzw. für den fertiggestellten Sensor verschiedene Funktionen
zu. Die Abscheidung von SiC-Schichten, Siliziumoxidschichten
und Metallschichten kann mit hoher Präzision erfolgen. Bei
der Ätzung des Siliziumplättchens 1 zur Erzeugung der
Ausnehmung 11 muß eine gewisse Überätzung erfolgen, um so
sicherzustellen, daß die Ätzöffnung 11 auch vollständig bis
zur Membran 22 reicht. Dies ist auch dadurch bedingt, daß
die Dicke der Siliziumplättchen 1 im gewissen Rahmen
variieren kann. Das Material, aus dem die Membrane 22
aufgebaut ist sollte daher aus einem Material bestehen,
welches vom Ätzmedium nur im geringen Maße angegriffen wird.
Von den drei hier verwendeten Materialien Siliziumkarbid,
Siliziumoxid und Siliziumnitrid ist dies nur für
Siliziumkarbid vollständig erfüllt. Beim Ätzprozeß des
Siliziums erfolgt keinerlei nachweisbarer Ätzangriff des
SiC. Siliziumnitrid zeigt einen geringen Ätzangriff, so daß
Siliziumnitrid als untere Schicht für eine Membran 22
durchaus geeignet wäre. Siliziumnitrid hat jedoch den
Nachteil, daß sich bei diesem Material nicht die gewünschten
leichten Zugspannungen einstellen lassen. Siliziumoxid zeigt
eine nicht vernachlässigbaren Angriff und kann daher nur als
untere Schicht verwendet werden, wenn die Anforderungen an
die Genauigkeit der Dicke der Membran nicht zu groß sind.
SiC stellt daher das beste Material für die untere Schicht
der Membran 22 dar. Die Haftung von dünnen Metallschichten,
insbesondere Platinschichten auf Siliziumoxid, ist eventuell
unter Zuhilfenahme dünner Platinsilizidschichten besonders
gut. Die Siliziumoxidschicht 4 stellt somit einen geeigneten
Untergrund für eine haftfeste Anordnung der
Widerstandselemente dar, die den Heizer 24 und die
Temperaturfühler 25 bilden. Weiterhin weist Siliziumoxid
eine besonders geringe thermische Leitfähigkeit auf und ist
daher als Membranmaterial besonders gut geeignet. Die
Oberseite der Widerstandelemente wird dann mit einer
weiteren Siliziumoxidschicht 6 bedeckt, um diese Elemente zu
schützen. In der Fig. 5 wird nun gezeigt, daß die Oberseite
der Siliziumoxidschicht 6 noch mit einer weiteren
Siliziumnitridschicht 8 bzw. einer weiteren SiC-Schicht
bedeckt wird. Dieser Aufbau ermöglicht es, einen
Siliziumwafer zu verwenden, bei dem eine Vielzahl von
Sensoren parallel angeordnet sind und die nach der
Herstellung in einzelne Sensorelemente 21 unterteilt werden.
Dabei kann dieser Siliziumwafer, dessen Oberseite ja
vollständig mit SiC bedeckt ist und dessen Unterseite eine
Ätzmaske aus SiC aufweist, vollständig in die Ätzlösung
eingetaucht werden. Dies ermöglicht es, eine Vielzahl von
Siliziumwafer durch Eintauchen in ein Ätzbad parallel zu
bearbeiten. Nach dem Ätzvorgang kann dann durch einen
Plasmaätzprozeß, beispielsweise reaktives Ionenätzen, die
SiC-Schicht 9 wieder entfernt werden. Dabei erfolgt auch
teilweise eine Anätzung der darunterliegenden
Siliziumnitridschicht 8. Die Siliziumnitridschicht 8 läßt
sich dann durch einen weiteren Ätzprozeß, der Siliziumoxid
nicht angreift, entfernen, um so zum Sensor nach der Fig. 6
bzw. Fig. 1 zu gelangen. Alternativ ist es auch möglich auf
der Oberseite weder eine Nitridschicht 8 noch eine
SiC-Schicht 9 vorzusehen, wobei dann jedoch die Oberseite vor
einem Angriff des Ätzmediums geschützt werden muß. Dies
erfordert eine aufwendige Verpackung des Siliziumwafers bei
der Ätzung und ist daher aufwendiger. Eine Zwischenlösung
ist dadurch gegeben, daß auf der Oberseite nur eine
Nitridschicht 8 vorgesehen ist, die den Wafer beim
Ätzvorgang des Siliziums schützt. Die Nitridschicht 8 müßte
dann eine ausreichende Dicke aufweisen, um sicherzustellen,
daß der Abtrag der Siliziumnitridschicht während des
Ätzvorganges nicht so groß ist, daß die Siliziumoxidschicht
in Kontakt mit dem Ätzmedium kommt. Durch die Verwendung der
zusätzlichen Abdeckschichten 8,9 aus Siliziumnitrid und SiC
kann somit die Herstellbarkeit der Sensorelemente
erleichtert werden.
Durch die Verwendung der unteren Schicht 2 der Membran 22
aus SiC kann somit eine hochgenaue Einstellung der Dicke der
Membran 22 bei der Herstellung gewährleistet werden.
Weiterhin wird, da sich sowohl SiC wie auch Siliziumoxid mit
leichten Zugspannungen abscheiden läßt, sichergestellt, daß
die Membran 22 leichte Zugspannungen aufweist.
Claims (8)
1. Sensorelement (21) mit einer Membran (22), die mindestens
eine untere Schicht (2) aus SiC (Siliziumkarbid) aufweist,
wobei die Membran (22) in einem Rahmen (23) auf
einkristallinem Silizium aufgespannt ist, dadurch
gekennzeichnet, daß Schicht (2) aus SiC aus polykristallinem
oder amorphen SiC besteht.
2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schicht (2) aus SiC Zugspannungen aufweist.
3. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement als
Massenflußsensor mit mindestens einem auf der Membran (22)
angeordneten Heizelement (24) ausgebildet ist.
4. Sensorelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß auf der Membran (22) mindestens ein Temperaturfühler
(25) angeordnet ist.
5. Sensorelement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, daß auf der Schicht (2) aus SiC eine
Siliziumoxidschicht (SiO₂), auf der Oxidschicht (4)
Widerstandselemente für einen Heizer (24) und ggf. einen
Temperatursensor (25) und über der Oxidschicht und den
Widerstandselementen eine weitere abdeckende
Siliziumoxidschicht (6) angeordnet ist.
6. Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements mit einer
Membran, bei dem auf der Oberseite eines Siliziumplättchens
(1) eine oder mehrere Schichten (2, 4, 5, 6) für die Membran
(22) aufgebracht werden und dann ausgehend von der
Unterseite des Siliziumplättchens eine Ätzöffnung (11)
eingebracht wird, die bis zu den Schichten für die Membran
(22) reicht, dadurch gekennzeichnet, daß für die Schicht für
die Membran (22) oder die unterste der Schichten für die
Membran (22) eine polykristalline oder amorphe SiC-Schicht
(2) (Siliziumkarbidschicht) auf dem Siliziumsubstrat (1)
abgeschieden wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
für die weiteren Schichten auf der SiC-Schicht eine
Siliziumoxidschicht (4) (SiO₂) abgeschieden wird, daß auf
der Siliziumoxidschicht (4) eine Metallschicht (5), aus der
Widerstandselemente (24, 25) herausstrukturiert werden,
abgeschieden und strukturiert wird und daß darauf dann eine
weitere Siliziumoxidschicht 6 abgeschieden wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
das Siliziumplättchen beim Ätzen der Ausnehmung (11) auch
auf der Oberseite in Kontakt mit der Ätzlösung gebracht wird
und daß auf der Oberseite die abdeckende Siliziumoxidschicht
(6) während des Ätzvorganges von einer aufgebrachten
Siliziumnitridschicht (8) oder einer Siliziumnitridschicht
(8) mit einer aufgebrachten SiC-Schicht (9) vor dem Angriff
der Ätzlösung geschützt wird.
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---|---|---|---|
DE1996101791 DE19601791A1 (de) | 1996-01-19 | 1996-01-19 | Sensor mit einer Membran und Verfahren zur Herstellung eines Sensors mit einer Membran |
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE19601791A1 true DE19601791A1 (de) | 1997-07-24 |
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ID=7783149
Family Applications (1)
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DE1996101791 Ceased DE19601791A1 (de) | 1996-01-19 | 1996-01-19 | Sensor mit einer Membran und Verfahren zur Herstellung eines Sensors mit einer Membran |
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