DE10008988A1

DE10008988A1 - Production of a sensor arrangement comprises forming recesses in the upper side of a substrate and filling with different materials, applying a membrane layer on the upper side

Info

Publication number: DE10008988A1
Application number: DE2000108988
Authority: DE
Inventors: Guy Hoffmann; Stephan Linke; Peter Weyand
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 2000-02-25
Filing date: 2000-02-25
Publication date: 2001-08-30
Also published as: FR2806398A1; FR2806398B1

Abstract

Production of a sensor arrangement comprises forming recesses (24) in the upper side of a substrate and filling with different materials; applying a membrane layer (14) on the upper side of the substrate; and etching a recess (22) from the lower side of the substrate to reach the membrane layer between the recesses (24). Preferred Features: The recesses (24) are in the from of slits, slots, grooves, channels or trenches having a constant width and depth. The same material, preferably silicon oxide, silicon nitride and/or silicon oxynitride, is used for filling the recesses (24) and for forming the membrane layer. The substrate is made from silicon or gallium arsenide. A sensor element (16) and a heating element (18) are applied on the membrane layer.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Sensoranord nung, insbesondere eines mikromechanischen Massenflußsensors.The invention relates to a method for producing a sensor arrangement tion, in particular a micromechanical mass flow sensor.

Bekannte mikromechanische Sensoren umfassen ein Substrat, in dem ei ne Öffnung ausgebildet ist, die auf einer Seite von einer Membran über spannt wird. Derartige Sensoren werden beispielsweise in Verbrennungs motoren von Kraftfahrzeugen eingesetzt, um z. B. im Ansaugtrakt des Mo tors den Luftmassendurchsatz zu bestimmen. Auf der Membran sind hier zu Heiz- und Sensorelemente angeordnet. Die Membran wird mit dem Heizelement auf eine über der Umgebungstemperatur liegende Temperatur aufgeheizt, und ein an der Oberseite der Membran entlangströmender Luftstrom kühlt die Membran ab, was mit einem oder mehreren Tempe ratursensoren nachgewiesen wird. Der Grad der Abkühlung ist ein Maß für den zu messenden Luftdurchsatz.Known micromechanical sensors comprise a substrate in which egg ne opening is formed on one side of a membrane is stretched. Such sensors are used, for example, in combustion engines of motor vehicles used to z. B. in the intake tract of Mo. to determine the air mass flow rate. On the membrane are here arranged to heating and sensor elements. The membrane is with the Heating element to a temperature above the ambient temperature heated, and a flowing along the top of the membrane Airflow cools the membrane down, which with one or more tempe rature sensors is detected. The degree of cooling is a measure for the air flow to be measured.

Ein derartiger Sensor ist z. B. aus der DE 195 27 861 A1 bekannt.Such a sensor is e.g. B. known from DE 195 27 861 A1.

Die Genauigkeit der Messung und deren Reproduzierbarkeit hängen von der Genauigkeit der Membranabmessungen und der Genauigkeit der An ordnung der Heiz- und Sensorelemente auf der Membran ab. Letztere können durch geeignete Verfahren mit einer für die Praxis ausreichenden Genauigkeit positioniert werden. Problematisch dagegen ist die Genauig keit, mit der die Abmessungen der Membran in reproduzierbarer Weise realisiert werden können. Die Membranabmessungen sind durch die Grö ße der Öffnung an der Oberseite des Substrats und damit von der Lage der die Öffnung begrenzenden Substratkanten bestimmt. Toleranzen bei der Herstellung der Öffnung gehen zu Lasten der Genauigkeit, mit der die Substratkanten relativ zu den Heiz- und Sensorelementen positioniert werden können. Da der im Bereich der Substratkanten stattfindende Wärmefluß von der Membran in das Substrat die Messung beeinflußt, hängt das Ergebnis der Messung von der Lage der Substratkanten ab.The accuracy of the measurement and its reproducibility depend on the accuracy of the membrane dimensions and the accuracy of the type arrangement of the heating and sensor elements on the membrane. Latter can be achieved by means of suitable procedures with an adequate for practice Accuracy. The problem, however, is the accuracy speed with which the dimensions of the membrane in a reproducible manner can be realized. The membrane dimensions are by the size ß the opening at the top of the substrate and thus the location of the substrate edges defining the opening. Tolerances at the manufacture of the opening is at the expense of the accuracy with which the Substrate edges positioned relative to the heating and sensor elements can be. Because that takes place in the area of the substrate edges Heat flow from the membrane into the substrate affects the measurement, the result of the measurement depends on the position of the substrate edges.

Ursächlich für Toleranzen bei der Herstellung der Öffnung sind z. B. Fehlausrichtungen der verwendeten Masken, Schwankungen in der Substratdicke, kristallographische Toleranzen sowie Toleranzen in der Ätzgeschwindigkeit, Ätzrichtung und Ätzdauer bei der Ausbildung der Öff nung.The cause of tolerances in the manufacture of the opening are e.g. B. Misalignment of the masks used, fluctuations in the Substrate thickness, crystallographic tolerances and tolerances in the Etching speed, etching direction and etching time when forming the opening nung.

Bei der erwähnten DE 195 27 861 A1 werden streifenförmige Metall schichten von hoher thermischer Leitfähigkeit im Bereich der Substrat kanten auf die Membran aufgebracht. Dadurch liegen die inneren Kanten der Metallstreifen näher an den Sensor- und Heizelementen als die Substratkanten. Der Einfluß der Substratkanten auf die Membranabmes sungen wird dadurch verringert.In the aforementioned DE 195 27 861 A1, strip-shaped metal layers of high thermal conductivity in the area of the substrate edges applied to the membrane. As a result, the inner edges lie the metal strip closer to the sensor and heating elements than that Substrate edges. The influence of the substrate edges on the membrane dimensions solution is reduced.

Es ist das der Erfindung zugrundeliegende Problem (Aufgabe), eine Mög lichkeit zu schaffen, bei einer Sensoranordnung der eingangs genannten Art herstellungsbedingte Toleranzen so gering wie möglich zu halten.It is the problem (task) on which the invention is based, a possibility to create possibility with a sensor arrangement of the aforementioned Kind to keep manufacturing-related tolerances as low as possible.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 und insbesondere dadurch, daß von einer Oberseite eines Substrats aus zumindest zwei mit Abstand voneinander angeordnete Vertiefungen im Substrat gebildet und zumindest teilweise mit einem vom Substratmateri al verschiedenen Material gefüllt werden, daß auf eine Oberseite des Substrats eine Membranschicht aufgebracht wird, und daß von einer Un terseite des Substrats aus wenigstens eine zwischen den Vertiefungen bis an die Membranschicht reichende Ausnehmung in das Substrat geätzt wird.This object is achieved by the features of claim 1 and in particular in that from a top of a substrate at least two wells in the Substrate formed and at least partially with one of the substrate material al various materials are filled that on top of the Substrate a membrane layer is applied, and that from a Un bottom of the substrate from at least one between the wells to etched recess in the substrate layer into the substrate becomes.

Erfindungsgemäß sorgen die als Ätzstop wirkenden Vertiefungen beim von der Unterseite des Substrats ausgehenden Ätzen der Ausnehmung dafür, daß die Seitenwände der fertigen Ausnehmung stets an den gleichen Stel len auf die Membranschicht treffen, und zwar unabhängig davon, wo mit dem Ätzen an der Unterseite begonnen wird. Die Lage der Substratkanten relativ zu den Vertiefungen ist somit unabhängig von Toleranzen beim Ausbilden der Ausnehmung. Durch Verändern des Abstandes zwischen den Vertiefungen und/oder von deren Tiefe können die Membranabmes sungen gezielt eingestellt werden. Unterschiede in den Meßeigenschaften zwischen einzelnen Sensoranordnungen einer Herstellungsserie werden so eliminiert, was insbesondere bei der Massenherstellung von Sensoranord nungen den Ausschuß minimiert und die Kosten senkt.According to the invention, the depressions which act as an etch stop provide for etching the recess outgoing from the underside of the substrate, that the side walls of the finished recess are always in the same position len hit the membrane layer, regardless of where with etching is started at the bottom. The location of the substrate edges relative to the wells is therefore independent of tolerances when Form the recess. By changing the distance between the depressions and / or their depth can the membrane dimensions solutions can be set specifically. Differences in the measurement properties between individual sensor arrangements in a production series eliminates what especially in the mass production of Sensoranord minimizes the committee and lowers costs.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß bei einer sich durch das Ätzen einstellenden Verjüngung der Ausnehmung in Richtung der Membran schicht im Bereich der Substratkanten das Substratmaterial unterhalb der Membranschicht vergleichsweise dick ist und damit eine gute Wärme leitfähigkeit aufweist. Die Membranabmessungen sind hierdurch beson ders genau definiert, da auf diese Weise abrupte Änderungen in der Wär meleitfähigkeit leichter realisiert werden können. Another advantage of the invention is that in one by the etching adjusting taper of the recess towards the membrane layer in the area of the substrate edges below the substrate material the membrane layer is comparatively thick and therefore good heat has conductivity. This makes the membrane dimensions special it is precisely defined, because in this way abrupt changes in the heat conductivity can be realized more easily.

Als Substratmaterial wird insbesondere Silizium oder Galliumarsenid ver wendet. Grundsätzlich kommt erfindungsgemäß jedes Material in Frage, das ein anisotropes Ätzverhalten zeigt und in dem durch Ätzen eine sich verjüngende Ausnehmung gebildet werden kann.In particular, silicon or gallium arsenide is used as the substrate material turns. In principle, any material is possible according to the invention, which shows an anisotropic etching behavior and in which an etching occurs tapered recess can be formed.

Gemäß einer bevorzugten praktischen Ausführung der Erfindung werden die Vertiefungen in Form von bevorzugt parallel zueinander verlaufenden Schlitzen, Kerben, Nuten, Rillen oder Gräben hergestellt. Mit derartigen Vertiefungen können auf einfache Weise gerade Substratkanten und somit Membranen mit geradlinigen Begrenzungen gebildet werden.According to a preferred practical embodiment of the invention the depressions in the form of preferably parallel to one another Slots, notches, grooves, grooves or trenches. With such Wells can easily be straight substrate edges and thus Membranes with straight lines are formed.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden zwei Gruppen von bevorzugt identisch ausgebildeten Vertiefungen gebildet, die vorzugsweise parallel zueinander verlaufen.According to a further preferred embodiment of the invention are two groups of preferably identical recesses formed, which preferably run parallel to each other.

Durch das Bilden von Gruppen von Vertiefungen auf beiden Seiten der zu bildenden Membran ist sichergestellt, daß seitlich des Bereiches zwischen den Gruppen, in den sich die Ausnehmung in Richtung der Membran schicht erstreckt, die Ausnehmung nur bis zu den unteren Enden der Vertiefungen geätzt werden kann. Durch die richtungsabhängige Ätzge schwindigkeit im Substrat entsteht jeweils zwischen den Vertiefungen ei ner Gruppe eine Situation, in der die resultierende Ätzgeschwindigkeit in Richtung der Membranschicht wesentlich kleiner ist als zwischen den bei den Gruppen von Vertiefungen, so daß dort die Ausnehmung bereits bis an die Membranschicht herangeätzt ist, während jeweils zwischen den Vertiefungen einer Gruppe noch im Bereich der unteren Enden der Ver tiefungen geätzt wird. Zwischen den Gruppen wächst die Ausnehmung also wesentlich schneller in Richtung der Membranschicht als innerhalb der Gruppen. Zu beiden Seiten der Ausnehmung ist folglich unterhalb der Membranschicht das Substratmaterial etwa so dick, wie die Vertiefungen tief sind.By forming groups of recesses on either side of the forming membrane ensures that to the side of the area between the groups in which the recess faces the membrane stretches, the recess only to the lower ends of the Wells can be etched. Due to the directional etch Velocity in the substrate occurs between the wells egg ner group a situation in which the resulting etching speed in Direction of the membrane layer is significantly smaller than between the two the groups of wells, so that there the recess is already up is etched onto the membrane layer, while in each case between the Wells of a group still in the area of the lower ends of the ver depressions is etched. So the gap grows between the groups much faster in the direction of the membrane layer than within the Groups. On both sides of the recess is therefore below that Membrane layer the substrate material about as thick as the wells are deep.

Wenn gemäß einer bevorzugten Ausführung die Membranschicht aus ei nem Material gebildet wird, das eine wesentlich geringere Wärmeleitfähig keit aufweist als das Substratmaterial, so ändert sich die Wärmeleitfähig keit beim Übergang von der Membran in das Substrat an den Substrat kanten entsprechend abrupt. Diese Änderung der Wärmeleitfähigkeit ist bei gleichen Materialien und bei gleicher Dicke der Membranschicht umso ausgeprägter, je dicker das Substratmaterial im Bereich der Substrat kanten ist.If, according to a preferred embodiment, the membrane layer is made of egg Nem material is formed, which has a much lower thermal conductivity speed than the substrate material, the thermal conductivity changes speed in the transition from the membrane into the substrate to the substrate edges abruptly. This change in thermal conductivity is with the same materials and the same thickness of the membrane layer all the more more pronounced, the thicker the substrate material in the area of the substrate edging is.

Die Breite der Vertiefungen liegt bevorzugt im Bereich von etwa 1 bis 2 Mikrometern, während deren Tiefe vorzugsweise etwa 10 bis 20 Mikrome ter beträgt.The width of the depressions is preferably in the range from about 1 to 2 Micrometers, during which depth preferably about 10 to 20 micrometers ter is.

Sowohl zum Füllen der Vertiefungen als auch zum Bilden der Membran schicht wird bevorzugt Siliziumoxid, Siliziumnitrid und/oder Siliziumoxi nitrid verwendet. Grundsätzlich kommt jedes als Ätzstop wirkende Materi al in Frage, wobei die Materialwahl insbesondere von dem verwendeten Substratmaterial und/oder dem eingesetzten Ätzmittel abhängig ist. Zum Herstellen der Vertiefungen findet vorzugsweise ein Ätzverfahren, insbe sondere ein Plasmaätzverfahren Anwendung, wodurch die Vertiefungen sowohl hinsichtlich ihrer Lage im Substrat als auch ihrer Abmessungen mit hoher Genauigkeit ausgebildet werden können. Both for filling the depressions and for forming the membrane layer is preferably silicon oxide, silicon nitride and / or silicon oxide nitride used. Basically, any material that acts as an etch stop comes al in question, with the choice of material in particular of the used Substrate material and / or the etchant used is dependent. To the Manufacture of the wells preferably takes place using an etching process, in particular special a plasma etching application, which allows the recesses both in terms of their position in the substrate and their dimensions can be trained with high accuracy.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Sensoranordnung mit den Merkma len des Anspruchs 18.The invention also relates to a sensor arrangement with the features len of claim 18.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind auch in den Unteran sprüchen, der Beschreibung sowie der Zeichnung angegeben.Preferred embodiments of the invention are also in the Unteran say, the description and the drawing.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, deren einzige Figur schematisch einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Sensoranordnung zeigt, die nach dem erfin dungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist.The invention will now be described by way of example with reference to the Drawing described, the only figure schematically shows a section by a sensor arrangement according to the invention, which after the inventions process according to the invention has been produced.

Die in der Figur teilweise dargestellte Sensoranordnung gemäß der Erfin dung umfaßt ein von einem Silizium-Wafer gebildetes Substrat 12, in dem auf einer Oberseite grabenartige Vertiefungen 24 konstanter Breite und Tiefe ausgebildet sind. Die Vertiefungen 24 verlaufen parallel zueinander und sind in zwei Gruppen angeordnet, wobei der Abstand zwischen den beiden Gruppen wesentlich größer als der Abstand der Vertiefungen 24 untereinander in jeder Gruppe ist.The sensor arrangement according to the invention partially shown in the figure comprises a substrate 12 formed by a silicon wafer, in which trench-like depressions 24 of constant width and depth are formed on an upper side. The depressions 24 run parallel to one another and are arranged in two groups, the distance between the two groups being substantially greater than the spacing between the depressions 24 in each group.

Die Breite der Vertiefungen 24 liegt jeweils im Bereich von wenigen Mi krometern, bevorzugt im Bereich von etwa 1 bis 2 Mikrometer, während die Tiefe der Vertiefungen 24 bevorzugt im Bereich von etwa 10 bis 20 Mi krometern liegt. Die Vertiefungen oder Gräben 24 lassen sich also mit ei nem Breite/Tiefe-Verhältnis (aspect ratio) von etwa 10 bis 20 herstellen.The width of the depressions 24 is in the range of a few micrometers, preferably in the range of about 1 to 2 micrometers, while the depth of the depressions 24 is preferably in the range of about 10 to 20 micrometers. The depressions or trenches 24 can thus be produced with a width / depth ratio (aspect ratio) of approximately 10 to 20.

Die Tiefe der Vertiefungen 24 wird unter anderem in Abhängigkeit von der Dicke des Substrats 12 gewählt, die z. B. etwa 400 Mikrometer beträgt. The depth of the depressions 24 is selected, inter alia, as a function of the thickness of the substrate 12 , which, for. B. is about 400 microns.

Die Vertiefungen 24 sind mit einem vom Substratmaterial verschiedenen Material gefüllt, aus dem auch eine auf die Oberseite des Substrats 12 aufgewachsene Membranschicht 14 mit einer im Vergleich zum Substrat 12 geringen Dicke besteht. Bei dem Material zum Füllen der Vertiefungen 24 und für die Membranschicht 14 handelt es sich vorzugsweise um Sili ziumoxid, Siliziumnitrid oder Siliziumoxinitrid, wobei auch Mischungen dieser Materialien verwendet werden können.The depressions 24 are filled with a material that is different from the substrate material and from which a membrane layer 14 that has grown on the upper side of the substrate 12 and has a small thickness in comparison to the substrate 12 also exists. The material for filling the depressions 24 and for the membrane layer 14 is preferably silicon oxide, silicon nitride or silicon oxynitride, mixtures of these materials also being able to be used.

Zwischen den Gruppen von Vertiefungen 24 ist auf der Membranschicht 14 eine Meßanordnung vorgesehen, die in der - diesbezüglich lediglich beispielhaften - dargestellten Ausführungsform ein mittig angeordnetes Heizelement 18 sowie zwei seitlich im gleichen Abstand zum Heizelement 18 angeordnete Temperatursensoren 16 umfaßt. Es ist z. B. auch möglich, mehrere Heizelemente und/oder mehrere Sensorelemente auf jeder Seite des bzw. jedes Heizelementes vorzusehen. Des weiteren könnte auch le diglich ein einziger Temperatursensor verwendet werden. Außerdem ist es möglich, die Temperatursensoren zu beiden Seiten des oder der Heizele mente in unterschiedlichen Abständen zu dem oder den Heizelementen anzuordnen.Between the groups of depressions 24 , a measuring arrangement is provided on the membrane layer 14 , which in the embodiment shown - in this regard only by way of example - comprises a centrally arranged heating element 18 and two temperature sensors 16 arranged laterally at the same distance from the heating element 18 . It is Z. B. also possible to provide multiple heating elements and / or multiple sensor elements on each side of the or each heating element. Furthermore, a single temperature sensor could also be used. It is also possible to arrange the temperature sensors on both sides of the heating element or elements at different distances from the heating element or elements.

Das Heizelement 18 und die Sensorelemente 16 sowie nicht dargestellte weitere Strukturen wie z. B. Leiterbahnen sind durch ein Photolithogra phie- und Ätzverfahren aus einer zuvor auf die Membranschicht 14 aufge brachten Metallschicht herausgearbeitet worden.The heating element 18 and the sensor elements 16 and further structures, not shown, such as. B. conductor tracks have been worked out by a photolithography and etching process from a previously brought up on the membrane layer 14 metal layer.

Im Substrat 12 ist eine von der Substratunterseite ausgehende und bis zur Membranschicht 14 reichende Ausnehmung 22 ausgebildet, die sich in Richtung der Membranschicht 14 verjüngt und in der Darstellung in der Figur gerade Seitenwandabschnitte 26a, 26b aufweist.In the substrate 12 , a recess 22 extending from the underside of the substrate and reaching as far as the membrane layer 14 is formed, which tapers in the direction of the membrane layer 14 and has straight side wall sections 26 a, 26 b in the illustration in the figure.

Die Ausnehmung 22 wird in einem Ätzverfahren ausgehend von der Substratunterseite gebildet, wobei in der Figur eine hierbei verwendete Maske 28 gezeigt ist.The recess 22 is formed in an etching process starting from the underside of the substrate, a mask 28 used here being shown in the figure.

Die fertige Ausnehmung 22 besteht im wesentlichen aus zwei trapezförmi gen Bereichen, wobei der durch die Seitenwandabschnitte 26a begrenzte Bereich von der Unterseite des Substrats 12 bis an die unteren Enden der Vertiefungen 24 heranreicht. In Höhe der durch die unteren Enden der Vertiefungen 24 definierten Ebene weisen die Seitenwände der Ausneh mung 22 einen Parallelversatz auf und verlaufen als die Seitenwandab schnitte 26b des zweiten trapezförmigen Bereiches weiter auf die Mem branschicht 14 zu. Dabei gehen die Seitenwandabschnitte 26b jeweils vom unteren Ende der am weitesten innen gelegenen Vertiefung 24 der betref fenden Gruppe aus und reichen bis an die Unterseite der Membranschicht 14 heran.The finished recess 22 consists essentially of two trapezoidal regions, the region delimited by the side wall sections 26 a extending from the underside of the substrate 12 to the lower ends of the depressions 24 . At the level defined by the lower ends of the recesses 24 , the side walls of the recess 22 have a parallel offset and extend further than the side wall sections 26 b of the second trapezoidal region to the membrane layer 14 . The side wall sections 26 b each extend from the lower end of the innermost recess 24 of the group concerned and extend to the underside of the membrane layer 14 .

Mit der Ausnehmung 22 ist somit ein Fenster im Substrat 12 vorhanden, das von der Membranschicht 14 überspannt wird, die zwischen den das Fenster begrenzenden Substratkanten 13 eine freie, nicht auf Substrat material aufliegende Membran 15 bildet. Die Abmessungen der Membran 15 senkrecht zum Verlauf der Vertiefungen 24 ist folglich durch die Lage der Substratkanten 13 festgelegt. Die aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid und/oder Siliziumoxinitrid bestehende Membran 15 weist eine wesentlich geringere Wärmeleitfähigkeit auf als das aus Silizium bestehende Substrat 12. With the recess 22 , a window is thus present in the substrate 12 , which is spanned by the membrane layer 14 , which forms a free membrane 15 , which does not rest on substrate material, between the substrate edges 13 delimiting the window. The dimensions of the membrane 15 perpendicular to the course of the depressions 24 are consequently determined by the position of the substrate edges 13 . The membrane 15 consisting of silicon oxide, silicon nitride and / or silicon oxynitride has a significantly lower thermal conductivity than the substrate 12 consisting of silicon.

Die Meßanordnung aus Heizelement 18 und Temperatursensoren 16 ist in der dargestellten Ausführungsform mittig auf der Membran 15 angeord net.The measuring arrangement of the heating element 18 and temperature sensors 16 is in the embodiment shown net on the membrane 15 angeord.

Während der obere, bis zur Membranschicht 14 reichende Trapezbereich der Ausnehmung 12 exakt mittig zwischen den Vertiefungen 24 liegt, ist der untere, von der Substratunterseite ausgehende Trapezbereich der Ausnehmung 22 in dem gezeigten Beispiel etwas nach links versetzt. Die se Darstellung macht deutlich, daß Toleranzen zu Beginn des Ätzens der Ausnehmung 22 keinen Einfluß auf die Lage der Membran 15 relativ zu den Vertiefungen 24 haben. Die nachstehend erläuterte Herstellung der Ausnehmung 22 durch einen Ätzvorgang in Verbindung mit den erfin dungsgemäßen Vertiefungen 24 sorgt dafür, daß unabhängig von der Lage der Maske 28 relativ zu den Vertiefungen 24 die Substratkanten 13 und damit die Membran 15 stets die gleiche Lage relativ zu den Vertiefungen 24 aufweist. In dem dargestellten Beispiel liegt die Membran 15 mittig zwischen den Vertiefungen 24.While the upper trapezoidal area of the recess 12 , which extends as far as the membrane layer 14 , lies exactly in the center between the depressions 24 , the lower trapezoidal area of the recess 22 starting from the underside of the substrate is offset somewhat to the left in the example shown. The se representation makes it clear that tolerances at the beginning of the etching of the recess 22 have no influence on the position of the membrane 15 relative to the recesses 24 . The below-described production of the recess 22 by an etching process in conjunction with the depressions 24 according to the invention ensures that regardless of the position of the mask 28 relative to the depressions 24, the substrate edges 13 and thus the membrane 15 always the same position relative to the depressions 24 has. In the example shown, the membrane 15 lies centrally between the depressions 24 .

Zur Herstellung der Sensoranordnung werden erfindungsgemäß zunächst in dem Silizium-Wafer 12 in einem Plasmaätzverfahren die Gräben 24 ausgebildet. Anschließend werden die Gräben 24 mit Siliziumoxid, Siliziumnitrid und/oder Siliziumoxinitrid oder einem anderen als Ätzstop geeigneten Material gefüllt, während gleichzeitig die erste Lage der aus dem gleichen Material hergestellten Membranschicht 14 auf die Oberseite des Silizium-Wafers 12 aufgebracht wird. Das Füllen der Vertiefungen 24 und das Aufbringen zumindest der ersten Lage der Membranschicht 14 kann folglich in einem Arbeitsgang erfolgen, so daß mit dem Herstellen der Vertiefungen 24 lediglich ein einziger zusätzlicher Arbeitsschritt erforder lich ist.To produce the sensor arrangement, the trenches 24 are first formed in the silicon wafer 12 in a plasma etching process. The trenches 24 are then filled with silicon oxide, silicon nitride and / or silicon oxynitride or another material suitable as an etching stop, while at the same time the first layer of the membrane layer 14 produced from the same material is applied to the top of the silicon wafer 12 . The filling of the recesses 24 and the application of at least the first layer of the membrane layer 14 can consequently be carried out in one operation, so that with the production of the recesses 24 only a single additional work step is required.

Das Füllen der Vertiefungen 24 und das Aufbringen der Membranschicht 14 kann beispielsweise in einem thermischen Oxidationsverfahren erfol gen, bei dem der Silizium-Wafer 12 in eine Sauerstoffatmosphäre unter hoher Temperatur gebracht wird, so daß die Vertiefungen 24 mit Silizium oxid zuwachsen und gleichzeitig auf der Oberseite des Wafers 12 die Membranschicht 14 aufwächst. Außerdem entsteht dabei auf der Unter seite des Wafers 12 eine später als die Maske 28 dienende Oxidschicht.The filling of the recesses 24 and the application of the membrane layer 14 can be carried out, for example, in a thermal oxidation process in which the silicon wafer 12 is brought into an oxygen atmosphere at high temperature, so that the recesses 24 grow with silicon oxide and at the same time on the top of the wafer 12, the membrane layer 14 grows. In addition, an oxide layer later serving as the mask 28 is formed on the underside of the wafer 12 .

Als nächstes wird auf die Membranschicht 14 eine Metallschicht aufge bracht, aus der anschließend in einem Photolithographie- und Ätzverfah ren die Meßanordnung, in dem dargestellten Beispiel das Heizelement 18, die Temperatursensoren 16 sowie alle weiteren für die Meßanordnung be nötigten Strukturen wie z. B. Anschlüsse, herausgebildet wird.Next, a metal layer is applied to the membrane layer 14 from the subsequently in a photolithography and Ätzverfah ren the measuring arrangement, in the example shown, the heating element 18, the temperature sensors 16 as well as all further be for the measuring arrangement constrained structures such. B. connections, is formed.

Anschließend wird in das Substrat 12 ausgehend von dessen Unterseite die Ausnehmung 22 eingeätzt, wobei deren Ausgangslage relativ zu den Vertiefungen 24 mit Hilfe der Maske 28 festgelegt wird.The recess 22 is then etched into the substrate 12 starting from the underside thereof, the starting position of which is determined relative to the depressions 24 with the aid of the mask 28 .

Die Form des während des Ätzvorgangs im Substrat gebildeten, einen tra pezförmigen Querschnitt aufweisenden Hohlraumes ist grundsätzlich vom Substratmaterial, von der Orientierung der Kristallebenen im Substrat 12 und von der Wahl des Ätzmittels abhängig.The shape of the cavity formed in the substrate during the etching process and having a trapezoidal cross section depends in principle on the substrate material, on the orientation of the crystal planes in the substrate 12 and on the choice of the etchant.

Während des Ätzvorgangs erreicht die in Richtung der Membranschicht 14 wachsende und sich dabei verjüngende Ausnehmung 22 die unteren Enden der Vertiefungen 24, die ein Weiterwachsen der Ausnehmung 22 in Richtung der Membranschicht 14 nur zwischen den Gruppen von Vertie fungen 24 zulassen. Innerhalb jeder Gruppe wird jeweils zwischen zwei benachbarten Vertiefungen 24 der Ätzfortschritt in dem Moment gehemmt bzw. unterbunden, wenn sich die zwischen den Vertiefungen 24 aufeinan der zu laufenden schrägen Flächen treffen. Hierdurch entstehen die in der Figur dargestellten kleinen Kerben dreieckigen Querschnitts im Bereich der unteren Enden der Vertiefungen 24.During the etching process, the recess 22, which grows in the direction of the membrane layer 14 and thereby narrows, reaches the lower ends of the depressions 24 , which allow the recess 22 to continue to grow in the direction of the membrane layer 14 only between the groups of depressions 24 . Within each group, the progress of the etching is inhibited or prevented between two adjacent depressions 24 at the moment when the oblique surfaces to be run meet between the depressions 24 . This creates the small notches of triangular cross section shown in the figure in the region of the lower ends of the depressions 24 .

Die Vertiefungen 24 wirken somit beim Herstellen der Ausnehmung 22 als eine Art Blende oder Ausrichtanordnung, die dafür sorgt, daß die Aus nehmung 22 exakt an der durch die Vertiefungen 24 vorgegebenen Stelle auf die Unterseite der Membranschicht 14 trifft und die Membran 15 defi niert. Die beiden Gruppen von Vertiefungen 24 sind derart angeordnet, daß sie den Toleranzbereich des in der Maske 28 vorhandenen Fensters zur Bildung der Ausnehmung 22 abdecken und als seitliche Fokussierung für die beim Ätzen in Richtung der Membranschicht 14 wachsende Aus nehmung 22 wirksam sind.The recesses 24 thus act in the manufacture of the recess 22 as a type of aperture or alignment arrangement, which ensures that the recess 22 meets exactly at the location specified by the recesses 24 on the underside of the membrane layer 14 and the membrane 15 defi ned. The two groups of recesses 24 are arranged such that they cover the tolerance range of existing in the mask window 28 to form the recess 22 and as lateral focusing recess for the growing in the etching in the direction of the membrane layer 14 from 22 are effective.

Folglich kann die Breite der Membran 15 durch den Abstand zwischen den beiden inneren Vertiefungen 24 und durch deren Tiefe exakt einge stellt werden.Consequently, the width of the membrane 15 can be set exactly by the distance between the two inner recesses 24 and by their depth.

Die durch Plasmaätzen gebildeten Gräben 24 sowie die im Photolithogra phie- und Ätzverfahren gebildete Meßanordnung aus Heizelement 18 und Temperatursensoren 16 können mit einer sehr hohen Genauigkeit posi tioniert werden. Die Toleranzen zumindest beim Heizelement 18 und bei den Temperatursensoren 16 können weniger als 1 Mikrometer betragen. The trenches 24 formed by plasma etching and the measuring arrangement formed in the photolithography and etching process from the heating element 18 and temperature sensors 16 can be positioned with very high accuracy. The tolerances at least for the heating element 18 and for the temperature sensors 16 can be less than 1 micrometer.

Die Lage der Substratkanten 13 relativ zu den Vertiefungen 24 ist von To leranzen beim Ätzen der Ausnehmung 22, die mehr als 10 Mikrometer betragen können, unabhängig. Erfindungsgemäß können daher die Substratkanten 13, d. h. die Abmessungen der Membran 15, und damit die Meßeigenschaften der Sensoranordnung in reproduzierbarer Weise mit äußerst hoher Genauigkeit eingestellt werden.The location of the substrate edges 13 relative to the recesses 24 is independent of the tolerances in the etching of the recess 22 , which can be more than 10 micrometers. According to the invention, the substrate edges 13 , ie the dimensions of the membrane 15 , and thus the measurement properties of the sensor arrangement can therefore be set in a reproducible manner with extremely high accuracy.

Wenn während des Betriebs der erfindungsgemäßen Sensoranordnung die mittels des Heizelementes 18 aufgeheizte Membran 15 durch eine Gasströmung abgekühlt wird, dann ist das von den Temperatursensoren 16 gelieferte, ein Maß für die Abkühlung und somit den Gasdurchsatz darstellende Meßsignal unabhängig von Toleranzen in der Lage der Aus nehmung 22 an der Substratunterseite.If, during operation of the sensor arrangement according to the invention, the membrane 15 , which is heated by means of the heating element 18 , is cooled by a gas flow, then the measurement signal which is supplied by the temperature sensors 16 and which represents a measure of the cooling and thus the gas throughput is independent of tolerances in the position of the recess 22 on the underside of the substrate.

Nach der Erfindung hergestellte Sensoranordnungen weisen bezüglich der Meßcharakteristiken daher untereinander keine Unterschiede auf, d. h. eine nachteilige Serienstreuung wird erfindungsgemäß vermieden.Sensor assemblies produced according to the invention point with respect to the Measurement characteristics therefore no differences from each other, i. H. An adverse series spread is avoided according to the invention.

Grundsätzlich können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, durch das sich mittels Rückseitenätzen an einem Substrat lagegenaue Dünn schichtmembranen erzeugen lassen, nicht nur thermische Sensoren, son dern auch andere Sensoranordnungen hergestellt werden, in denen dünne Membranen eingesetzt werden. So lassen sich mit Hilfe der Erfindung bei spielsweise auch Drucksensoren oder sogenannte Thermopiles herstellen. In principle, with the method according to the invention, through which with thin layers on the back of a substrate Have layered membranes created, not just thermal sensors, son other sensor arrangements are also produced in which thin Membranes are used. So with the help of the invention for example, also produce pressure sensors or so-called thermopiles.

Reference list

1212th

Substrat
Substrate

1313

Substratkante
Substrate edge

1414

Membranschicht
Membrane layer

1515

Membran
membrane

1616

Sensorelement
Sensor element

1818th

Heizelement
Heating element

2222

Ausnehmung
Recess

2424th

Vertiefung
deepening

2626

a Seitenwandabschnitt
a side wall section

2626

b Seitenwandabschnitt
b side wall section

2828

Maske
mask

Claims

1. A method for producing a sensor arrangement, in particular egg nes micromechanical mass flow sensor, in which

- formed from an upper side of a substrate ( 12 ) from at least two wells ( 24 ) arranged at a distance from one another in the substrate ( 12 ) and at least partially filled with a material different from the substrate material,
- A membrane layer ( 14 ) is applied to an upper side of the substrate ( 12 ), and
- From an underside of the substrate ( 12 ) from at least one between the recesses ( 24 ) to the membrane layer ( 14 ) extending recess ( 22 ) is etched into the substrate ( 12 ).

2. The method according to claim 1, characterized in that the depressions ( 24 ) in the form of preferably parallel slots, notches, grooves, grooves or trenches are Herge, which preferably have a constant width and / or depth.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the depressions ( 24 ) extend approximately perpendicular to the membrane layer ( 14 ) into the substrate ( 12 ).

4. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that two groups of preferably identical recesses gene ( 24 ) are formed, which preferably run parallel to each other ver.

5. The method according to claim 4, characterized in that the distances between adjacent recesses ( 24 ) within half of at least one group compared to the distance between the groups are each small and preferably chosen to be approximately equal to each other.

6. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the recesses ( 24 ) are produced with the same width and / or the same depth.

7. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the depressions ( 24 ) are each made with a width of a few mi micrometers, preferably with a width in the range of about 1 to 2 micrometers.

8. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the recesses ( 24 ) with a compared to their width and / or the thickness of the membrane layer ( 14 ) Herge provides, in particular the width / depth ratio of the depressions ( 24 ) is in the range from about 1:10 to 1:20.

9. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the recesses ( 24 ) with a depth of a few tens of micrometers, preferably with a depth in the range of about 10 to 20 mi, are made.

10. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the membrane layer ( 14 ) is formed from a material which has a lower, in particular a substantially lower thermal conductivity than the substrate material.

11. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the same material, in particular silicon oxide, silicon nitride and / or silicon oxynitride, is used to fill the depressions ( 24 ) and to form the membrane layer ( 14 ).

12. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that silicon or gallium arsenide is used as material for the substrate ( 12 ).

13. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the depressions ( 24 ) are formed in an etching process, in particular egg nem plasma etching process.

14. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the depressions ( 24 ) are filled with the application of the membrane layer ( 14 ), in particular with the application of a first of a plurality of material layers forming the membrane layer ( 14 ).

15. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the depressions ( 24 ) are filled in a thermal oxidation process, in which in particular the substrate ( 12 ) is brought into an oxygen atmosphere at a high temperature and the depressions ( 24 ) with Growing oxide of the substrate ( 12 ).

16. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that at least one sensor element ( 16 ) and at least one heating element ( 18 ) are applied to the membrane layer ( 14 ).

17. The method according to claim 16, characterized in that the sensor element ( 16 ) and / or the heating element ( 18 ) from egg ner previously applied to the membrane layer ( 14 ) Metallbe coating are produced in particular in a photolithography and etching process.

18. Sensor arrangement, in particular micromechanical mass flow sensor, with a substrate ( 12 ) and a membrane layer ( 14 ) applied to an upper side of the substrate ( 12 ), wherein in the substrate ( 12 ) at least two wells starting from the upper side and spaced apart from one another ( 24 ) are formed, which are at least partially filled with a material different from the substrate material, and wherein at least one recess extending from an underside of the substrate ( 12 ) and extending between the depressions ( 24 ) to the membrane layer ( 14 ) 22 ) is etched into the substrate ( 12 ).

19. The method according to claim 18, characterized in that at least one sensor element ( 16 ) and at least one heating element ( 18 ) are applied to the membrane layer ( 14 ).

20. The method according to at least one of the preceding claims, characterized, that by a method according to at least one of claims 1 to 17 is made.