DE3923595C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Feuchtigkeitsgrades von Gasen, mit einem Tragekörper, auf dem eine Basiselektrode, eine Gegenelektrode und eine poröse, nichtleitende Schicht angeordnet sind.

Die poröse, nichtleitende Schicht ist dabei entweder zwi­ schen den Elektroden angebracht oder die Elektroden sind auf der Oberfläche der porösen Schicht so angeordnet, daß ein Stromfluß nur über diese Schicht möglich ist. Aus der Änderung der Kapazität oder des elektrischen Widerstands aufgrund der in die poröse Schicht eindringenden Feuchtig­ keit, kann auf die Feuchtigkeitsgradänderung eines Gases geschlossen werden.

Aus der DE 36 06 500 A1 ist eine Einrichtung anderer Gat­ tung bekannt, bei der die Messung der Konzentration trenn­ barer Gase in Luft nach dem Prinzip der Wärmetönung er­ folgt. Durch katalytische Verbrennung des nachzuweisenden Gases wird die zur Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur benötigte Heizleistung um die entsprechende Verbrennungsleistung reduziert. Die Änderung der Heizlei­ stung stellt somit ein Maß für die Konzentration des zu messenden Gases dar.

Die genaue Bestimmung der Luftfeuchtigkeit ist beispiels­ weise in der Meterologie, der Klimatechnik und der Lebens­ mitteltechnologie von großer Wichtigkeit. Deshalb sind bereits eine Reihe von Vorschlägen für miniaturisierte Feuchtigkeitsgrad-Messer gemacht worden, die sowohl die Meßgenauigkeit als auch die Wirtschaftlichkeit solcher Vorrichtungen verbessern sollten.

In der Patentschrift US-PS 35 23 244 ist ein Feuchtig­ keitsgrad-Messer beschrieben, bei dem ein Aluminium-Sub­ strat durch einen elektrolytischen Ätzprozeß an der Ober­ fläche in eine poröse Aluminiumoxydschicht umgewandelt wird, auf die eine Metallschicht als Gegenelektrode aufge­ tragen wird. Mit der Offenlegungsschrift DE 27 29 249 ist ein Feuchtigkeitsgrad-Messer bekannt geworden, bei welchem ein Bereich eines Silizium-Halbleiterkörpers durch einen elektrolytischen Ätzprozeß in eine Siliziumdioxydschicht hoher Porösität umgewandelt wird. Auf einen Bereich dieser Schicht wird eine Gegenelektrode so aufgebracht, daß die Umgebungsfeuchtigkeit in die poröse Schicht unter der Elektrode eindringen kann.

Allerdings weisen die bekannten Feuchtigkeitsgrad-Messer eine relativ lange Ansprechzeit, d. h. eine hohe Trägheit bis zum Erreichen des stabilen Endwertes und ein nicht zu vernachlässigendes Hysterese Verhalten auf. Darüberhinaus erfordern die bekannten Vorrichtungen bei Betauung eine längere Erholzeit. Insbesondere bei tiefer Temperatur (< 5°C), geringer Luftfeuchtigkeit (< 10%) oder reduzier­ tem Druck ist es wünschenswert, über Meßgeräte mit höherer Genauigkeit zu verfügen.

Um die Meßergebnisse zu verbessern wurde vorgeschlagen, von dem zeitlichen Verlauf des Meßsignals bei Feuchteände­ rung auf den Endwert zu schließen. Allerdings erfordert ein solches Meßverfahren einen hohen apparativen Aufwand.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine hysteresefreien, betauungsunempfindlichen Feuchtigkeits­ grad-Messer mit niedriger Ansprechzeit bereitzustellen.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Die Vorrichtung zum Messen des Feuchtigkeitsgrades von Gasen zeichnet sich gemäß Anspruch 1 dadurch aus, daß die zur Messung erforderlichen Elemente auf einem Bereich des Tragekörpers angebracht sind, der als Membrane ausgebildet ist. Die damit erreichte geringe Wärmekapazität ermöglicht ein sehr rasches Aufheizen und Abkühlen der porösen Schicht. Erfindungsgemäß wird die Membrane mit der porösen Schicht mit dem vorgesehenen Heizelement und einer geeig­ neten Regelschaltung soweit über die Umgebungstemperatur aufgeheizt, bis die gemessene Kapazität oder der gemessene Widerstand einen konstanten Wert annimmt, der dem Wert bei ungeheizter poröser Schicht und nahezu feuchtefreiem Gas entspricht. Die dabei aufgenommene Heizleistung, bzw. der dem Heizwiderstand zugeführte Strom ist dann ein Maß für den Feuchtigkeitsgrad des untersuchten Gases.

Der Tragekörper und die Membrane sind nach Anspruch 2 mittels Lithographieschritten und Rückseitenätzung aus einem Siliziumeinkristall gefertigt. Damit wird auf ein in der Mikromechanik bewährtes Verfahren zur Herstellung einer ultradünnen Membrane mit Stützrand zurückgegriffen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist in An­ spruch 3 gekennzeichnet. Die ultradünne Membrane dient als Trage-Element und zugleich als Basiselektrode. Die Kon­ taktierung dieser Elektrode erfolgt über den Stützrand des Tragekörpers. Auf der Oberfläche der Membrane ist die poröse Schicht aufgebracht und darüber die Gegenelektrode, so daß sie zusammen mit der Membrane die Platten eines Kondensators bildet. Die poröse Schicht wirkt als Dielek­ trikum und verändert je nach aufgenommener Feuchtigkeit die Kapazität des Kondensators.

Nach Anspruch 4 ist die poröse Schicht ein in die Oberflä­ che der Membrane geätzter Bereich der in eine vorgebbare Tiefe der Membrane hineinreicht und der durch thermische Oxidation in eine nichtleitende Schicht umgewandelt wird. Dadurch kann auf das Aufbringen einer porösen Schicht verzichtet werden. Bei dieser Ausgestaltung ist die ther­ mische Ankopplung der porösen Schicht an die geheizte Membrane besonders gut.

Um die Aufnahme der Feuchtigkeit über die gesamte Oberflä­ che der porösen Schicht zu gewährleisten, besteht die Gegenelektrode gemäß Anspruch 5 aus einem feuchtedurchlä­ ßigen, elektrisch leitenden Film. Diese Weiterbildung erweist sich insbesondere bei der Verwendung einer porösen Schicht aus Silizium als vorteilhaft, da in einer solchen Schicht der Feuchtigkeitsaustausch zu einem großen Teil über senkrechte Kanäle erfolgt. Nach Anspruch 6 besteht der feuchtedurchlässige Film aus einer sehr dünnen Gold­ schicht, die sich durch hohe Korrosionsbeständigkeit aus­ zeichnet.

In einer alternativen Ausgestaltung gemäß Anspruch 7 sind die Elektroden jeweils kammartig ausgebildet und mit ihren Zähnen ineinandergreifend auf der Oberfläche der porösen Schicht aufgebracht. Die Elektroden sind galvanisch von­ einander derart getrennt, daß ein Stromfluß nur über die poröse Schicht erfolgen kann. Diese Ausgestaltung kann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn eine Kontaktierung des Silizium-Halbleiterkörpers vermieden werden soll.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist auf der Oberfläche des Tragekörpers eine Isolationsschicht aufgebracht, die im Bereich der porösen Schicht eine Aus­ sparung aufweist. Diese Isolationsschicht schützt die Siliziumoberfläche, wenn der ausgesparte Bereich durch Ätzung und thermische Oxidation in eine poröse Schicht umgewandelt wird. Gleichzeitig entkoppelt sie die Gegen­ elektrode galvanisch von dem Tragekörper und dient gegebe­ nenfalls als Unterlage für das Heizelement.

Das Heizelement ist nach Anspruch 9 als eine Leiterschlei­ fe ausgebildet, die den Bereich der porösen Schicht um­ gibt. Besonders einfach läßt sich der Heizwiderstand als ein ringförmiger oder rechteckiger Metallfilm auf die Isolationsschicht aufbringen. Zwischen den Kontaktstellen der Stromzuführung für den Heizer ist der Metallfilm un­ terbrochen. Die Geometrie des Heizwiderstandes ist so gewählt, daß die poröse Schicht möglichst rasch und gleichmäßig aufgeheizt werden kann. Selbstverständlich können auch anders geartete Heizelemente, beispielsweise ein Heizwiderstand aus Silizium zur Aufheizung der porösen Schicht verwendet werden.

Nach Anspruch 10 ist auf der Isolationsschicht in unmit­ telbarer Nähe der porösen Schicht eine Leiterbahn vorgese­ hen. Die als dünne Schicht ausgebildete Gegenelektrode überdeckt sowohl die poröse Schicht als auch die Leiter­ bahn und kann dadurch einfach über die Leiterbahn kontakt­ iert werden. Um einen möglichst guten elektrischen Kontakt mit der Gegenelektrode zu erzielen ist die Leiterbahn als ringförmiger oder rechteckiger Metallfilm ausgebildet, der den Bereich der porösen Schicht umgibt.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Anspruch 11 gekennzeichnet. Die zur Auswertung der Meßsignale vorgesehene elektronische Schaltung ist auf dem selben Tragekörper integriert. Damit ist ein miniaturi­ sierter Feuchtigkeitsgrad-Messer beschrieben, der mit Hilfe bekannter Verfahren aus der Mikrostrukturtechnik und der Mikroelektronik monolitisch in einem Halbleiter-Chip integriert werden kann.

Die Verfahrensschritte zur Herstellung einer erfindungsge­ mäßen Vorrichtung sind in Anspruch 12 beschrieben.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbeson­ dere darin, daß die Menge der adsorbierten Feuchtigkeit der geheizten porösen Schicht sehr gering und während der Messung konstant ist, sodaß bei sich änderndem Feuchtig­ keitsgrad kein Hysterese-Verhalten entstehen kann. Da die Wärmekapazität der Membrane sehr gering ist, erfolgt die Temperaturregelung mit einer kurzen Zeitkonstante und die Ansprechzeit des Feuchtigkeitsgrad-Messers ist kurz. Dies gilt auch bei geringer Feuchte, niedriger Temperatur und niedrigem Druck. Die temperaturabhängigen Diffusionsvor­ gänge, die bei bekannten Feuchtigkeitsmessern zu einer hohen Ansprechzeit führen, entfallen weitgehend.

Mit dem Herstellungsverfahren können auf einem Halbleiter­ wafer gleichzeitig mehrere identische Feuchtigkeitsgrad- Messer hergestellt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher be­ schrieben. Die Zeichnung zeigt die dreidimensionale Dar­ stellung eines geschnittenen Feuchtigkeitsgrad-Messers.

Der Feuchtigkeitsgrad-Messer in Fig. 1 besteht aus einem Tragekörper 10, der beispielsweise aus einem p⁺-leitenden Silizium-Einkristall in <100<-Orientierung hergestellt ist. Die Oberfläche des Tragekörpers 10 ist mit einer Isolationsschichs 11 aus Siiiziumnitrid bedeckt. In der Oberflächenschicht des Tragekörpers 10 ist ein Bereich durch ein elektrochemisches Ätzverfahren mit anschließen­ der thermischer Oxidation in eine nichtleitende poröse Schicht 12 umgewandelt. Im Bereich dieser porösen Schicht 12 weist die Isolationsschicht 11 eine Aussparung 15 auf. Um die Aussparung 15 verlaufen eine innere und eine äußere Leiterbahn 13 und 14. Die äußere Leiterbahn 14 ist an einer Stelle, die in der Figur nicht sichtbar ist, geöff­ net und dient als Heizwiderstand. Die innere Leiterbahn 13 dient zur Kontaktierung der Gegenelektrode, die hier wegen der besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist. Diese Gegenelektrode besteht aus einer dünnen Goldschicht, die sich über die Leiterbahn 13 und die poröse Schicht 12 erstreckt. Im Bereich 16, der als Trage-Element der porö­ sen Schicht 12 und der Leiterbahnen 13 und 14 dient, ist der Tragekörper zu einer ultradünnen Mebrane gedünnt. Die Membrane dient als Basiselektrode, die zusammen mit der Gegenelektrode einen Kondensator bildet. Die poröse Schicht zwischen den Elektroden weist je nach adsorbierter Feuchtigkeit eine unterschiedliche Dielektrizitätskonstan­ te auf.

Vor dem Betrieb des Feuchtigkeitsgrad-Messers wird einmal die Kapazität oder der Widerstand zwischen der Silizium­ membrane und der Gegenelektrode bei trockenem Gas gemes­ sen. Im Betrieb wird der Heizwiderstand 14 mit einer ge­ eigneten Regelschaltung, die auch mit auf dem Silizium- Halbleiterkörper integriert sein kann, durch Ohm′sche Wärme soweit aufgeheizt, bis der im trockenen Gas ermit­ telte Wert wieder erreicht ist.

Dieser Zustand wird durch die Regelung auch bei Änderungen des Feuchtigkeitsgrades kontinuierlich beibehalten. Aus der aufgenommenen Heizleistung läßt sich der Feuchtig­ keitsgrad des umgebenden Gases bestimmen.

Als Ausgangsmaterial zur Herstellung des Feuchtigkeits­ grad-Messers in Fig. 1 dient ein Siliziumwafer in <100<- Orientierung, mit einer Dicke von 0,5 mm. Auf einem Wafer können gleichzeitig mehrere Feuchtigkeitsgrad-Messer her­ gestellt werden. Die Oberfläche des Wafers 10 wird bei­ spielsweise durch epitaktisches Abscheiden einer einige Mikrometer dicken Siliziumnitritschicht 11 vor dem an­ schließenden elektrochemischen Ätzprozeß geschützt. Aus der Siliziumnitritschicht werden kleine Bereiche 15 mit einer Fläche von einigen 100 Quadratmikrometer entfernt und die darunterliegende Siliziumschicht durch ein elek­ trochemisches Ätzverfahren bis in eine Tiefe von 0,1 bis einigen Mikrometern in eine hochporöse Siliziumschicht 12 umgewandelt. Die Ätzlösung besteht vorzugsweise aus 10 bis 33 Gewichtsprozent HF-Säure mit 50 Gewichtsprozent Ätha­ nol. Die Stromdichte beträgt zwischen 0,1 bis 200 mA/cm², der spezifische Widerstand des verwendeten Wafers liegt zwischen 0,001 bis 1 Ohm/cm.

Die gesamte Struktur mit den porösen Bereichen wird einer thermischen Oxidation unterzogen, um die porösen Schichten 12 zu oxidieren. Vorzugsweise findet die Oxidation bei 300°C für eine Dauer von 2 Stunden in reiner Sauerstoff­ atmosphäre statt, um eine monomolekulare Siliziumdioxid­ schicht auf der Oberfläche der porösen Schichten 12 zu erzeugen.

In einem weiteren Verfahrensschritt werden die rechteckig angeordneten Leiterbahnen 13 und 14 auf die als Isolati­ onsschicht dienende Siliziumnitritschicht abgeschieden. Anschließend werden die feuchtedurchlässigen Gegenelek­ troden über eine Schattenmaske, die die Waferoberfläche bis auf die Bereiche der Leiterbahnen 13 und der porösen Schichten 12 abdeckt, aufgebracht. Dieser Prozeß erfolgt vorzugsweise durch Kathodenzerstäubung oder Aufdampfen einer etwa 10 nm dünnen Goldschicht im Hochvakuum.

Die Rückseite des Wafers wird mit den in der Mikrostruk­ turtechnik bekannten Verfahren in den Bereichen 16 dünn geätzt, bis eine Membranstärke von ca. 0,5 Mikrometer bis ca. 20 Mikrometer erreicht ist. Als Ätzlösung für den anisotrop wirkenden Ätzprozeß wird beispielsweise eine Kaliumhydroxidlösung eingesetzt. Um eine noch bessere thermische Entkopplung der Membrane vom Stützrand zu er­ reichen, kann die verbleibende Siliziumschicht in ring­ förmigen Bereichen vollständig entfernt werden.

Zur Kontaktierung der als Elektrode wirkenden Membranen wird auf die Rückseite des Wafers eine Metallschicht auf­ gebracht, nachdem das natürliche Oxyd in einem trockenche­ mischen Ätzprozeß entfernt worden ist. Die Kontaktierung kann auch von der Waferoberseite her erfolgen. Hierzu werden Öffnungen in die Isolationsschicht 11 geätzt und die freigelegten Bereiche metallisiert.

Schließlich wird der Siliziumwafer in geeigneter Weise in die einzelnen Bereiche der Feuchtigkeitsgrad-Messer zer­ teilt.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Messen des Feuchtigkeitsgrades von Gasen, mit einem Tragekörper, auf dem eine Basiselektrode, eine Gegenelektrode und eine poröse, nichtleitende Schicht angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragekörper im Bereich der Elektroden und der porösen Schicht als ultradünne Membrane ausgebildet ist, und daß zum Heizen der porösen Schicht ein Heizelement vorgesehen ist, dessen aufgenommene Heiz­ leistung zur Messung des Feuchtigkeitsgrades ausgewertet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragekörper mit der ultra­ dünnen Membrane mittels Lithographieschritten und Rücksei­ tenätzung aus einem Silizium-Einkristall gefertigt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ultradünne Membrane die Basiselektrode bildet, auf der die poröse Schicht und darüber die Gegenelektrode aufgebracht ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse nichtleitende Schicht ein in die Oberfläche der ultradünnen Membrane geätzter und einer thermischen Oxidation unterzogener Bereich ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode aus einem feuchtedurchlässigen, elektrisch leitenden Film besteht.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode aus einem dünnen Metallfilm, vorzugsweise einem Goldfilm besteht, der auf der Oberfläche der porösen Schicht aufgebracht ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 oder 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselektrode und die Gegenelektrode jeweils kammartig ausgebildet sind und mit ihren Zähnen ineinandergreifend auf der Oberfläche der porösen Schicht aufgebracht sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche des Trage­ körpers eine Isolationsschicht aufgebracht ist, die im Bereich der porösen Schicht eine Aussparung aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement als Leiter­ schleife ausgebildet ist, das auf der Isolationsschicht aufgebracht ist und den Bereich der porösen Schicht um­ gibt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kontaktierung der Gegen­ elektrode eine Leiterbahn in unmittelbarer Nähe der porö­ sen Schicht auf der Isolationsschicht aufgebracht ist, und daß die Gegenelektrode sowohl die poröse Schicht als auch die Leiterbahn überdeckt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß auch die elektronische Schal­ tung zur Auswertung der Meßsignale mit auf demselben Tragekörper integriert ist.

12. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach An­ spruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• - die Oberfläche eines einkristallinen Silizium-Halblei­ terkörpers wird mit einer isolierenden Passivierungs­ schicht, beispielsweise einer Siliziumnitritschicht, überzogen,
• - in einem Bereich wird die Passivierungsschicht entfernt, und der freigelegte Bereich mit Hilfe eines üblichen elektrochemischen Ätzverfahrens bis zu einer vorgebbaren Tiefe in eine hochporöse Siliziumschicht umgewandelt und mittels thermischer Oxidation oxidiert,
• - um den freigelegten Bereich werden auf der Passivie­ rungsschicht zwei in etwa parallel verlaufende Leiter­ schlaufen abgeschieden,
• - unter Verwendung einer Schattenmaske, die nur den Be­ reich der porösen Schicht und die innere Leiterschleife freiläßt, wird auf diese Schicht und auf diese Leiter­ schleife im Hochvakuum eine dünne Goldschicht aufge­ dampft,
• - mit Hilfe der Lithographie und einem anisotrop wirkendem Ätzverfahren wird die Rückseite des Silizium-Halbleiter­ körpers dünn geätzt, so daß im Bereich der porösen Schicht, der Elektrode und der äußeren Leiterschleife eine ultradünne Membrane entsteht.