DE10014984A1 - Herstellungsverfahren für ein Dünnschicht-Bauelement, insbesondere einen Dünnschicht-Hochdrucksensor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung schafft ein Herstellungsverfahren für ein Dünnschicht-Bauelement, insbesondere einen Dünnschicht-Hochdrucksensor, welcher ein Substrat (10, 20) aufweist, auf das mindestens eine zu strukturierende Funktionsschicht (30) aufzubringen ist, mit den Schritten Bereitstellen des Substrats (10, 20); Abscheiden (S40) der Funktionsschicht (30) auf dem Substrat (10, 20); und Strukturieren der Funktionsschicht (30) durch eine Laserbearbeitung (S50), wobei die Laserbearbeitung selektiv gegenüber dem Substrat (10, 20) ist.

Description

STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfah­ ren für ein Dünnschicht-Bauelement, insbesondere einen Dünnschicht-Hochdrucksensor, welcher ein Substrat aufweist, auf das mindestens eine zu strukturierende Funktionsschicht aufzubringen ist.

Obwohl prinzipiell auf beliebige Dünnschicht-Bauelemente anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik in bezug auf einen Dünn­ schicht-Hochdrucksensor erläutert.

Solche Hochdrucksensoren kommen in zahlreichen Systemen im Kraftfahrzeug-Bereich zum Einsatz. Hierzu gehören die Ben­ zindirekteinspritzung, Common-Rail-Dieseldirekteinsprit­ zung, Fahrdynamikregelung und die elektrohydraulische Brem­ se. Auch im Bereich der Automatisierungstechnik werden Hochdrucksensoren eingesetzt. Die Funktion dieser Sensoren beruht auf der Umwandlung der durch den Druck hervorgerufe­ nen mechanischen Verformung einer Edelstahlmembran in ein elektrisches Signal mit Hilfe eines Dünnschichtsystems. Die Deformation, und damit das Ausgangssignal, ist hierbei durch die mechanischen Eigenschaften der Membran und den zu messenden Druck bestimmt.

Fig. 2 zeigt den Aufbau des Dünnschichtsystems der heutzu­ tage üblicherweise eingesetzten Hochdrucksensoren.

Direkt auf einer Stahlmembran 10, welche integrierter Be­ standteil einer Halterung 100 ist, befindet sich eine Iso­ lationsschicht 20, zumeist SiO_x. Vier Dehnmeßstreifen 30 (drei in Figur gezeigt), z. B. aus NiCr, NiCrSi oder dotier­ tem poly-Si, sind auf der Isolationsschicht 20 angeordnet. Diese formen eine Wheatstonesche-Meßbrücke, die äußerst empfindlich ist gegenüber geringsten Änderungen des Wider­ standes der einzelnen Dehnmeßstreifen 30. Die Kontaktierung der Dehnmeßstreifen 30 erfolgt über eine spezielle Kontakt­ schicht bzw. ein entsprechendes Schichtsystem 40, wie z. B. mit der Schichtenfolge NiCr-Schicht 43/Pd-Schicht 42/ Au-Schicht 41 (oder Ni). Durch eine Passivierungsschicht 50, zumeist eine Si_xN_y-Schicht, wird das darunter befindli­ che Schichtsystem 40 gegenüber äußeren Einflüssen ge­ schützt.

Aufgrund der hohen Empfindlichkeit der Meßbrücke ist eine vollständige Abdeckung der eigentlichen Meßbrücke durch die Passivierungsschicht 50 wesentlich, um einen störungsfreien Betrieb des Sensorelements unter KfZ-Einsatzbedingungen si­ cherzustellen (im allgemeinen sind lediglich die Kontaktie­ rungsflächen des Sensorelements unpassiviert).

Der Dünnschichtprozeß zur Darstellung des Dünnschicht­ sysstems, wie es oben beschrieben wurde, stellt zumeist ei­ ne Prozessierung der einzelnen Sensorelemente in einem grö­ ßeren Verbund dar, was eine erhebliche Reduktion der Pro­ zeßkosten erlaubt. Ein solcher Verbund wird mit Hilfe eines Werkstückträgers realisiert, in dem die einzelnen zu be­ schichtenden Stahlsubstrate eingesetzt werden.

Die Isolationsschicht 20 wird im allgemeinen ganzflächig auf die zu beschichtende Oberfläche der Stahlmembran 10 aufgebracht. Anschließend wird die eigentliche Funktions­ schicht für die Dehnmeßstreifen 30 ganzflächig aufgebracht. Die Dehnmeßstreifen 30 werden dann mit Hilfe eines photoli­ thographischen Strukturierungsschrittes erzeugt. Daran an­ schließend wird die Kontaktschicht bzw. das Kontaktschicht­ system 40 aufgebracht, die zumeist ebenfalls photolithogra­ phisch strukturiert wird. Alternativ zur photolithographi­ schen Strukturierung der Kontaktschicht 40 wird auch die Schattenmaskentechnik eingesetzt. Zur Einstellung der ge­ wünschten elektrischen Eigenschaften schließt daran häufig ein Abgleich-Vorgang an (insbesondere zur Einstellung der Symmetrie der Brücke). Anschließend wird die Passivierungs­ schicht 40 aufgebracht, deren Strukturierung ebenfalls ent­ weder photolithographisch oder durch Anwendung der Schat­ tenmaskentechnik erfolgt.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß beim derzeit üblichen Herstellungsverfahren mindestens ein photolithographischer Strukturierungsschritt zur Realisierung des oben beschriebenen Dünnschichtsystems erforderlich ist.

Bei der Prozessierung von mehreren Sensorelementen in einem Werkstückträger bringt ein solcher photolithographischer Strukturierungsschritt, der sich im allgemeinen aus den Einzelprozessen Vorkonditionierung, Belacken, Pre Bake, Be­ lichten, Entwickeln, (Hardbake) Ätzen und Entlacken zusam­ mensetzt, zahlreiche Schwierigkeiten mit sich. Insbesondere die Einhaltung der erforderlichen geometrischen Toleranzen und die Erzielung eines ausreichenden Belackungsergebnisses sind in diesem Zusammenhang zu erwähnen. Die Einhaltung der geometrischen Toleranzen erfordert einen sehr präzise bear­ beiteten und dadurch kostspieligen Werkstückträger. Daneben führt die aufgrund der Fertigungstoleranzen der einzelnen Elemente nur ungenügend definierte Belichtungsebene zu er­ heblichen Streuungen der erzielten Linienbreiten. Ferner ist bei einer Großserienfertigung ein erheblicher Aufwand erforderlich, um eine Medienverschleppung von einem Pro­ zeßschritt zum Nächsten zu verhindern.

Die genannten Schwierigkeiten führen in Summe dazu, daß ein lithographischer Strukturierungsschritt mit erheblichen Ausbeuteverlusten verbunden ist.

VORTEILE DER ERFINDUNG

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren mit den Merkma­ len des Anspruchs 1 weist gegenüber bekannten Lösungsansät­ zen den Vorteil auf, daß es erlaubt, den Schichtaufbau der heute eingesetzten Hochdrucksensoren ohne einen einzigen photolithographischen Strukturierungsschritt zu realisie­ ren. Die mit dem photolithographischen Strukturierungs­ schritt verbundenen Schwierigkeiten entfallen hierdurch. Im Gegensatz zu anderen vorgeschlagenen Dünnschichtprozessen, die ohne einen photolithographischen Strukturierungsschritt auskommen, kann die übliche Schichtfolge der im Einsatz be­ findlichen Hochdrucksensoren beibehalten werden. Diese hat sich insbesondere unter den Einsatzbedingungen im KFZ be­ währt. Die volle Funktionalität, dazu gehören auch Lebens­ dauerstabilität, Medienbeständigkeit und die elektromagne­ tische Verträglichkeit, läßt sich daher trotz des veränder­ ten Prozeßablaufs sicherstellen.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee be­ steht darin, daß ein Dünnschichtprozeß zur Prozessierung von Hochdrucksensorelementen, der bei der Strukturierung einer Funktionsschicht ohne einen photolithographischen Strukturierungsschritt auskommt. Die Funktionsschichtstruk­ tur, also z. B. Dehnmeßstreifen, werden durch einen geeigne­ ten Laserstrukturierungsschritt erzeugt.

Die Substitution des photolithographischen Strukturierungs­ schrittes, der sich aus den oben erwähnten Einzelprozessen zusammensetzt, durch einen einzigen Laserstrukturierungs­ schritt resultiert in einer wesentlich einfacheren Prozeß­ führung. Dies führt zu einer erheblich verkürzten Prozeß­ dauer und einem deutlich reduzierten Handlingsaufwand, was einer Großserienfertigung entgegenkommt. Statt eines Belackers, eines Ofens, eines Belichters, eines Entwicklers, einer Ätzanlage und einer Entlackungseinrichtung wird le­ diglich ein entsprechend ausgestatteter Laser benötigt, was u. a. einen geringeren Bedarf an Reinraumfläche mit sich bringt und zu einer Kostenersparnis führt. Auch die vergrö­ ßerte Ausbeute durch den Wegfall der ausbeutekritischen Prozeßschritte Vorkonditionieren, Belacken, Belichten, Ent­ wickeln und Entlacken, trägt zur Kostenersparnis bei. Auf­ grund der geringeren Anforderungen an den Werkstückträger ist auch hier von einer Kostenersparnis auszugehen. Durch verkürzte Toleranzketten, lassen sich die Dehn­ meßstreifen genauer auf dem Sensorelement positionieren.

Wegen des günstigeren Ätzverhaltens wird z. B. das NiCrSi im üblichen Verfahren zumeist bei Raumtemperatur aufgebracht. Nach dem naßchemischen Ätzen ist dann eine thermische Be­ handlung erforderlich, um die Rekristallisation in die ge­ wünschte Phase herbeizuführen. Beim erfindungsgemäßen La­ serstrukturieren, kann das NiCrSi direkt in der gewünschten Phase abgeschieden werden. Die thermische Behandlung ist dann überflüssig, d. h. es entfällt ein weiterer Pro­ zeßschritt, der mit einem erheblichen logistischen Aufwand verbunden ist. Beim Erzeugen der Funktionsschichtstruktur, z. B. der Dehnmeßstreifen, durch Laserstruckturierung ist im Gegensatz zu einem naßchemischen Ätzprozeß kein Angriff des Substrates, z. B. des Stahlsubstrats, zu befürchten. Die Auswahl der Werkstückträgermaterialien wird durch reduzier­ te Forderungen hinsichtlich der Medienbeständigkeit ebenfalls vereinfacht.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbil­ dungen und Verbesserungen des in Anspruch 1 angegebenen Herstellungsverfahrens.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird ein Excimer- Laser mit einer entsprechenden Optik in Verbindung mit ei­ ner Maske zur Laserbearbeitung eingesetzt, um die gewünsch­ te Struktur der Funktionsschicht in einem Belichtungs­ schritt von der Maske auf das Dünnschicht-Bauelement zu übertragen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das Dünnschicht-Bauelement eine Kontaktschicht oder ein Kon­ taktschichtsystem zum Kontaktieren der strukturierten Funk­ tionsschicht auf, und die Kontaktschicht bzw. das Kontakt­ schichtsystem wird mit einer Schattenmaske direkt mit der gewünschten geometrischen Struktur aufgebracht.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das Dünnschicht-Bauelement eine Passivierungsschicht zum Passi­ vieren der strukturierten und kontaktierten Funktions­ schicht auf, und die Passivierungschicht wird mit einer Schattenmaske direkt mit der gewünschten geometrischen Struktur aufgebracht.

Wenn die Kontaktschicht und die Passivierungsschicht mit Hilfe von Schattenmasken abgeschieden werden, ist überhaupt kein photolithographischer Strukturierungsschritt bei der Prozessierung der DünnschichtHochdrucksensorelemente mehr erforderlich.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Dünnschicht-Bauelement ein Dünnschicht-Hochdrucksensor, bei dem das Substrat eine Stahlmembran und eine darüberliegende Isolationsschicht aufweist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Funktionsschicht eine NiCrSi- oder poly-Si-Schicht, aus der Dehnmeßstreifen für eine Widerstandsmeßbrücke herausstruk­ turiert werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird der Ab­ gleich der Widerstandsmeßbrücke durch eine der Strukturie­ rung analoge Laserbearbeitung durchgeführt. Somit können zwei ähnliche Prozeßschritte durch ein und dieselbe Appara­ tur durchgeführt werden.

ZEICHNUNGEN

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er­ läutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Fließplan zur Illustration der speziellen Verfahrensschritte bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens; und

Fig. 2 den Aufbau des Dünnschichtsystems der heutzutage üblicherweise eingesetzten Hochdrucksensoren.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Fig. 1 zeigt einen Fließplan zur Illustration der speziel­ len Verfahrensschritte bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens. Der Ablauf des erfindungsgemäßen Dünnschichtprozesses wird nachstehend mit Bezug auf Fig. 1 und 2 erläutert.

Zunächst wird im vorliegenden Beispiel die Stahlmembran 10 einem Eingangsreinigungsschritt S10 unterworfen, auf den hier nicht näher eingegangen wird. Die erste Schicht, die im Schritt S20 aufgebracht wird, ist die SiO_x-Isolations­ schicht 20. Sie wird typischerweise mit einem CVD-Prozeß (Chemical Vapor Deposition) ganzflächig abgeschieden. Eine Strukturierung dieser SiO_x-Isolations-schicht 20 ist nicht erforderlich.

Es folgt ein ebenfalls nicht näher spezifizierter Zwischen­ reinigungsschritt S30.

Die zweite Schicht, die im Schritt S40 aufgebracht wird, die eigentliche Funktionsschicht, aus der die Dehnmeßstreifen 30 herausgepräpariert werden. Im Fall des poly-Si wird typischerweise ein CVD-Prozeß (Chemical Vapor Deposition) eingesetzt, das NiCrSi wird in der Regel durch Sputtern ab­ geschieden. Die Funktionsschicht wird somit im Schritt S40 ganzflächig auf die Oberfläche der SiO_x-Isolationsschicht 20 aufgebracht.

Die NiCrSi- bzw. poly-Si-Dehnmeßstreifen 30 werden durch Laserstrukturieren im Schritt S50 erzeugt. Hierzu wird vor­ zugsweise ein Excimer-Laser mit einer entsprechenden Optik in Verbindung mit einer Maske eingesetzt, die es erlaubt die Struktur der Dehnmeßstreifen 30 in einem Belichtungs­ schritt von der Maske auf das jeweilige Sensorelement zu übertragen. Energiedichte und Wellenlänge des Excimer- Lasers sind hierbei so einzustellen, daß in den "belichte­ ten" Bereichen ein selektiver Abtrag des poly-Si bzw. NiCr- Si gegen das darunterliegende SiO_x der SiO_x-Isolations­ schicht 20 erfolgt.

Im Zusammenhang mit dem Laserstrukturieren ist es zweckmä­ ßig, die poly-Si- bzw. die NiCrSi-Schicht mit einer Schat­ tenmaske abzuscheiden, die den Randbereich der Sensoren ab­ deckt. Hierdurch kann verhindert werden, daß im Randbereich Reste der Funktionsschicht stehen bleiben und im Betrieb zu elektrischen Überschlägen führen. Gleichzeitig läßt sich hierdurch die mit dem Laser zu bearbeitende Fläche reduzie­ ren, was zu einer Reduktion der erforderlichen Laserlei­ stung führt.

Es folgt ein ebenfalls nicht näher spezifizierter Zwischen­ reinigungsschritt S60.

Das NiCr/Pd/Au-Kontaktschichtsystem 40, also die Schichten­ folge NiCr-Schicht 43/Pd-Schicht 42/Au-Schicht 41 (oder Ni), wird im Schritt S70 durch Sputtern oder Elektronen­ strahlverdampfen mit einer Schattenmaske direkt mit den richtigen geometrischen Abmessungen aufgebracht. Hierzu muß die Schattenmaske einmal montiert werden, und dann können alle drei Schichten nacheinander aufgebracht werden. Die NiCr-Schicht 43 dient hierbei als Haftvermittler, die Pd- Schicht 44 als Diffusionsbarriere, und die Au-Schicht 41 stellt die eigentliche Bondoberfläche dar.

Typisch bei der Verwendung von Schattenmasken ist ein ge­ wisses Unterkriechen. Dieses Unterkriechen ist stark von den genauen geometrischen Gegebenheiten abhängig. Sind die geometrischen Bedingungen genau definiert, kann das Unter­ kriechen bei der Anfertigung der Masken vorgehalten werden. Alternativ können durch Schattenmaskentechnik auch andere Kontaktmaterialien, wie z. B. Ni oder Al, aufgebracht wer­ den. Durch Verwendung der Schattenmaskentechnik wird ein selektives Entfernen von Kontaktmaterial gegen das Material der Dehnmeßstreifen umgangen.

Der folgende Abgleich der unpassivierten Brücke im Schritt S80 kann z. B. durch gezieltes Laserschneiden, wieder mit einem Excimer-Laser, in dafür vorgesehene Bereiche der NiCrSi-Struktur bzw. poly-Si-Struktur der Dehnmeßstreifen 30 erfolgen.

Es folgt ein ebenfalls nicht näher spezifizierter Zwischen­ reinigungsschritt S90.

Die Si_xN_y-Passivierungsschicht 50 wird im Schritt S100 durch einen PECVD-Prozeß oder durch Sputtern mit einer Schattenmaske abgeschieden. Auch die Si_xN_y-Passivierungs­ schicht 50 wird somit direkt mit den richtigen geometri­ schen Abmessungen abgeschieden. Hinsichtlich der Schatten­ masken gilt dasselbe, wie für die NiCr/Pd/Au-Abscheidung im Schritt S70.

Alternativ kann die Si_xN_y-Passivierungsschicht 50 auch ganzflächig aufgebracht werden und anschließend Laser­ strukturiert werden. Hierdurch kann die aufwendige Erstel­ lung des Werkstückträgers für die Abscheidung der Passivie­ rung mit einer Schattenmaske umgangen werden, und so könn­ ten zusätzlich Kosten eingespart werden, die für eine Er­ stellung der hochgenauen Werkstückträgerkomponenten und de­ ren Wartung sowie durch Ausbeuteverluste bei der Montage anfallen würden. Ferner können die Fertigungstoleranzen der relativen Position aufeinanderliegender Schichten zueinan­ der, wesentlich verbessert werden.

Dadurch, daß die Si_xN_y-Passivierungsschicht 50 als letztes aufgebracht wird, kann sichergestellt werden, daß der sen­ sitive Bereich des Dünnschichtsystems, d. h. die eigentliche Meßbrücke, durch die Si_xN_y-Passivierungsschicht 50 ge­ schützt wird.

Der Alterungsprozeß im Schritt S110 schließlich dient zur Stabilisierung des Dünnschichtsystems.

Obwohl das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren vorste­ hend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist es darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfäl­ tige Art und Weise modifizierbar.

Insbesondere sind die Auswahl der Schichtmaterialien und die Dicke der aufgebrachten Schichten anwendungsspezifisch auswählbar.

Claims (7)

1. Herstellungsverfahren für ein Dünnschicht-Bauelement, insbesondere einen Dünnschicht-Hochdrucksensor, welcher ein Substrat (10, 20) aufweist, auf das mindestens eine zu strukturierende Funktionsschicht (30) aufzubringen ist, mit den Schritten:
Bereitstellen des Substrats (10, 20);
Abscheiden (S40) der Funktionsschicht (30) auf dem Substrat (10, 20); und
Strukturieren der Funktionsschicht (30) durch eine Laserbe­ arbeitung (S50), wobei die Laserbearbeitung selektiv gegen­ über dem Substrat (10, 20) ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Excimer-Laser mit einer entsprechenden Optik in Verbin­ dung mit einer Maske zur Laserbearbeitung eingesetzt wird, um die gewünschte Struktur der Funktionsschicht (30) in ei­ nem Belichtungsschritt von der Maske auf das Dünnschicht- Bauelement zu übertragen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Dünn­ schicht-Bauelement eine Kontaktschicht oder ein Kontakt­ schichtsystem (40) zum Kontaktieren der strukturierten Funktionsschicht (30) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschicht bzw. das Kontaktschichtsystem (40) mit einer Schattenmaske direkt mit der gewünschten geometri­ schen Struktur aufgebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wobei das Dünnschicht-Bauelement eine Passivierungsschicht (50) zum Passivieren der strukturierten und kontaktierten Funktionsschicht (30) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Passivierungschicht (50) mit einer Schattenmaske direkt mit der gewünschten geometrischen Struktur aufgebracht wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Dünnschicht-Bauelement ein Dünnschicht-Hochdrucksensor ist, bei dem das Substrat (10, 20) eine Stahlmembran (10) und eine darüberliegende Isola­ tionsschicht (20) aufweist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Funktionsschicht (30) eine NiCrSi- oder poly-Si-Schicht ist, aus der Dehnmeßstreifen (30) für eine Widerstandsmeßbrücke herausstrukturiert wer­ den.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgleich (S80) der Widerstandsmeßbrücke durch eine der Strukturierung analoge Laserbearbeitung durchgeführt wird.