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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Membransensoreinheit
sowie eine Membransensoreinheit.
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Stand der Technik
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Mit
Prozessen aus der Halbleitertechnologie ist es grundsätzlich möglich, bestimmte
mikromechanische Elemente wie z. B. Membrane herzustellen.
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So
ist etwa aus
DE 691
17 694 T2 ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Durchflusssensors
bekannt, wobei ein Träger
aus Silizium in einem vorgegebenen Bereich, der Sensorelementstrukturen
definiert, eine zum umgebenden Silizium gezielt unterschiedliche
Dotierung erhält,
und wobei weiter Abschnitte zwischen den durch die Dotierung ausgezeichneten
Bereichen aus porösem
Silizium erzeugt werden. Weiter ist dort beschrieben, eine derartige, bereichsweise
poröse
Membran mit einer Kappe aus Silizium abzudecken, die einen zentralen
Hohlraum im Bereich der Membran aufweist.
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Die
Verwendung von porösem
Silizium in mikromechanischen Bauelementen ist an sich bekannt und
wird z. B. im Beitrag ”Micromachining
applications of porous silicon” (Steiner
et al., Thin Solid Films 255, 1995, Seite 52–58) behandelt. Poröses Silizium wird
dabei als Opferschicht eingesetzt, um freistehende Strukturen wie
Membrane, Cantilever oder auch Brücken zu erzielen.
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In
WO 99/45583 A1 wird
ein Verfahren zur elektrochemischen Ätzung eines p-dotierten Halbleitermaterials
beschrieben. Dabei wird zunächst
auf das Halbleitermaterial eine Maske angeordnet, die bereichsweise
wieder entfernt wird. Anschließend wird
das Halbleitermaterial mit der Maske in eine elektrolytische Lösung angeordnet
und gleichzeitig mit einem Stromfluss beaufschlagt. Je nach Stärke des
Stroms erfolgt eine komplette oder teilweise Ätzung des Halbleitermaterials.
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Schließlich ist
aus
DE 195 18 371
C1 ein Verfahren zur Herstellung einer Struktur mit porösem Silizium
bekannt, bei dem an der Oberfläche
eines Siliziumsubstrates mittels einer Ätzlösung das Silizium porösiziert
wird. Hierzu wird zwischen einer nicht-isolierenden Schicht auf
der Substratoberfläche
und dem Substrat eine elektrische Spannung angelegt.
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Verfahren
zur Herstellung einer Membransensoreinheit mit einem Halbleitermaterialträger, bei welchem
für die
Ausbildung von Sensorelementstrukturen wenigstens eine flächige Membran
und unter der Membran eine Isolationswanne zur thermischen Isolierung
der Membran vorgesehen werden, sind bereits bekannt geworden. Sofern
die Membransensoreinheit mehrere flächige Membranbereiche umfasst,
sind diese regelmäßig voneinander
durch Stege aus Material mit im Vergleich zur Membran und der lateralen
Umgebung der Stege deutlich besseren Wärmeleiteigenschaften getrennt.
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Die
zur Zeit auf dem Markt befindlichen Membransensoren sind zumeist
als Dünnschichtmembranen
realisiert. Hierzu werden Schichtsysteme in Dicken zwischen einigen
10 nm und einigen Mikrometern auf einem Trägersubstrat abgeschieden und
danach das Trägersubstrat
in vorgegebenen Bereichen entfernt, um freitragende Membranbereiche zu
erhalten. Im Membranzentrum werden dann beispielsweise Sensorelemente
angebracht, die durch die freitragende Anordnung der Membran vom
umgebenden Trägersubstrat
thermisch entkoppelt sind, was für
Temperatur- und
Strömungssensoren
erwünscht
ist.
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Zur
Freilegung der Membran können
zwei Methoden unterschieden werden:
- 1. Die
Oberflächenmikromechanik
(OMM), bei welcher im Allgemeinen eine Opferschicht verwendet wird,
die vor der Membranabscheidung auf der Vorderseite eines Trägersubstrates
aufgebracht wird. Die Opferschicht wird später von der Vorderseite des
Sensors durch ”Löseöffnungen” in der
Membran entfernt, wodurch eine freitragende Struktur entsteht. Diese
oberflächenmikromechanischen
Verfahren sind auf Grund der Notwendigkeit von separaten Opferschichten
vergleichsweise aufwendig.
- 2. Die Bulkmikromechanik, bei welcher die Membran durch einen Ätzschritt
von der Rückseite
des Trägersubstrates
freigelegt wird, d. h. in dem z. B. durch die vollständige Dicke
eines Wafers eine Öffnung
geätzt
wird.
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Für viele
Anwendungen sind Arrays (Gruppierungen) von Sensoren erforderlich.
Hierzu werden mehrere gleiche Sensoren nebeneinander linear oder
zweidimensional angeordnet. Handelt es sich um Thermosensoren müssen diese
durch Wärmesenken
von einander getrennt werden, um eine räumliche Auflösung des
Messsignals möglich
zu machen.
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Für die Herstellung
der Wärmesenken
gibt es verschiedene Möglichkeiten.
Häufig
wird eine Schicht aus einem gut wärmeleitenden Material auf der
Oberfläche
der Membran abgeschieden und strukturiert, so dass die verbleibenden Strukturen des
gut wärmeleitenden
Material als Wärmesenken dienen.
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Man
kann die Membran jedoch auch wie oben beschrieben mit bulkmikromechanischen
Prozessen so freilegen, dass zwischen einzelnen Membranbereichen
Stege aus Bulkmaterial verbleiben. Bei bulkmikromechanischen Membransensoren
wird üblicherweise
die Membran von der Rückseite
durch einen anisotropen Ätzprozess
beispielsweise mit KOH (Kaliumhydroxid) freigelegt. Hierbei erfordert die Ätzung obgleich
ihrer Anisotropie allerdings wesentlich mehr Platz auf der Rückseite
des Substrats als für
die eigentliche Membranstruktur nötig wäre. Dadurch ist mit diesem
Prozess die Integrationsdichte begrenzt.
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Aufgabe und Vorteile der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein vereinfachtes Verfahren
zur Herstellung von Membransensoren bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und des Anspruchs
7 gelöst.
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Die
Erfindung geht zunächst
von einem Verfahren zur Herstellung einer Membransensoreinheit mit
einem Halbleitermaterialträger
aus, bei welchem für
die Ausbildung von Sensorelementstrukturen für wenigstens einen Sensor eine
flächige
Membran und eine Isolationswanne zur thermischen Entkopplung unter
der Membran erzeugt wird. Unter dem Begriff Membran wird im Sinne
der Erfindung nicht nur eine freitragende Schicht verstanden, sondern
im einfachsten Fall auch eine Schicht, die über einem Isolationswannenbereich
angeordnet ist, der aus vergleichsweise besser isolierendem Material
besteht. Der Kern der Erfindung liegt nun darin, dass der Träger aus
Halbleitermaterial in einem vorgegebenen Bereich, der Sensorelementstrukturen
definiert, eine zum umgebenden Halbleitermaterial gezielt unterschiedliche
Dotierung erhält,
dass aus Halbleitermaterialabschnitten zwischen den durch Dotierung
ausgezeichneten Bereichen poröses
Halbleitermaterial erzeugt wird, und dass Halbleitermaterial im
Wannenbereich unter dem porösizierten
Halbleitermaterial und unter Teilen der Sensorelementstrukturen durch
das poröse
Halbleitermaterial hindurch entfernt oder porösiziert wird. Bei dieser Vorgehensweise wird
die Erkenntnis ausgenutzt, dass poröses Halbleitermaterial mit
einer deutlich größeren Oberfläche eine
deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit
als Bulkhalbleitermaterial besitzt. Damit werden zum Beispiel nicht
porösizierte
Halbleitermaterialabschnitte innerhalb der Membran in lateraler
Richtung durch das Membranmaterial thermisch isoliert. Eine Isolation
eines derartigen Halbleiterbereichs nach unten wird durch den isolierenden
Wannenbereich erreicht. Dieser kann entweder als Hohlraum oder selbst
als porösiziertes
Halbleitermaterial ausgebildet werden. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen
kann bis auf eine zweite Materialschicht zur Bildung eines Thermoelements
die Membransensoreinheit vollständig
aus dem Halbleiterträgermaterial
erzeugt werden, was den Herstellungsprozess vereinfacht und die
Herstellungskosten senkt.
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Die
geometrische Ausdehnung der Membransensorstrukturen lässt sich
in einfacher Weise durch Dotierungsprozesse und gezielte Ätzprozesse kontrollieren,
wodurch insbesondere die Thermokraft von Thermoelementen leicht
einstellbar ist.
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Bei
der Herstellung von porösen
Halbleitern, beispielhaft porösem
Silizium, wird in der Regel eine elektrochemische Reaktion zwischen
Flusssäure
und Silizium genutzt, bei der eine schwammartige Struktur im Silizium
erzeugt wird. Der Silizium-Halbleiterträger (in der Regel ein Siliziumwafer)
muss hierzu gegenüber
einem Flusssäureelektrolyt
anodisch gepolt sein. Durch elektrochemisches Ätzen des Siliziums (Anodisieren)
in beispielsweise einem Gemisch aus Flusssäure/Ethanol wird poröses Silizium
durch teilweises Ätzen
in die Tiefe erzeugt. Zum Ätzen
von Silizium sind Defektelektronen (Löcher) an der Grenzfläche zwischen
Silizium und Elektrolyt notwendig, die durch den fließenden Strom
bereitgestellt werden. Ist die Stromdichte kleiner als eine kritische Stromdichte
jKRIT, so diffundieren Löcher durch das anliegende elektrische
Feld an in der Oberfläche
liegende Vertiefungen, in denen ein bevorzugtes Ätzen stattfindet. Bei z. B.
p-dotiertem Silizium werden die Bereiche zwischen den Vertiefungen
bis zu einer minimalen Dicke lateral geätzt, bis durch Quanteneffekte
keine Löcher
mehr in diese Bereiche eindringen können und der Ätzvorgang
gestoppt wird. Auf diese Weise entsteht eine schwammartige Skelettstruktur aus
Silizium und freigeätzten
Poren. Da bei der Ausbildung der Skelettstruktur der Ätzvorgang
nur im Bereich der Porenspitzen stattfindet, bleibt die Schwammstruktur
von bereits geätztem
Silizium erhalten. Damit bleibt auch die Porengröße in den bereits geätzten Bereichen
nahezu unverändert.
Die Porengröße ist abhängig von
der HF-Konzentration in
der Flusssäure,
der Dotierung und der Stromdichte und kann von einigen Nanometern
bis zu einigen 10 nm betragen. Ebenso ist die Porösizität in einem
Bereich von ca. 10% bis über
90% einstellbar.
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Für die Herstellung
von porösem
Silizium können
verschieden dotierte Substrate verwendet werden. Üblicherweise
verwendet man p-dotierte Wafer mit unterschiedlichen Dotierungsgraden. Durch
die Dotierung kann die Struktur innerhalb des porösen Siliziums
bestimmt werden.
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Für die lokale
Herstellung des porösen
Siliziums kann man sich die Erkenntnis zunutze machen, das p- und
n-dotiertes Silizium ein stark unterschiedliches Ätzverhalten
aufweisen. Unter den Bedingungen, bei denen im p-dotierten Silizium poröses Silizium
erzeugt werden kann, ist dies in n-dotiertem Silizium nicht oder
nur in einem sehr geringen Umfang möglich. Zur Festlegung der Sensorelementstrukturen
kann daher eine Schicht an der Oberfläche des p-dotierten Substrats
n-umdotiert werden (durch Ionenimplantationen oder Diffusion). Das
poröse
Silizium entsteht bei der elektrochemischen Ätzung nur in den p-dotierten
Bereichen. Die Erzeugung von porösem
Silizium kann auf die Dicke der n-umdotierten Schicht abgestimmt werden.
Auf diese Weise erhält man
eine Struktur, bei der zwischen n-umdotierten Bereichen eine porösizierte
Siliziumschicht angeordnet ist.
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In
einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung
wird das porösizierte Halbleitermaterial
nach der Erzeugung des isolierenden Wannenbereichs oxidiert. Hierdurch
wird die Wärmeleitfähigkeit
der porösizierten
Struktur weiter reduziert.
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In
einer überdies
besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die gezielt
unterschiedlich dotierten Bereiche vor der Erzeugung von porösem, oxidiertem
Halbleitermaterial mit einer Schutzschicht versehen. Beispielsweise
wird bei einem Siliziumwafer das n-umdotierte Silizium zusätzlich mit
einer Siliziumnitridschicht überzogen,
die die n-umdotierten Bereiche schützt.
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Vorzugsweise
wird diese Passivierungsschicht nach der Erzeugung von porösem und
gegebenenfalls oxidiertem Halbleitermaterial entfernt.
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Der
isolierende Wannenbereich kann in Form einer Kaverne oder als hochporöses Material ausgebildet
werden.
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In
einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
wird auf die durch Dotierung ausgezeichneten Halbleiterbereiche
innerhalb des porösizierten
und gegebenenfalls oxidierten Halbleitermaterials, die Sensorelementstrukturen ausbilden,
d. h. Halbleiterbereiche an die zwar porösiziertes Material angrenzt,
die aber selbst nicht porös
sind, zur Erzeugung eines Thermoelements eine Materialschicht, zum
Beispiel Aluminium aufgebracht. Die Erzeugung eines Thermoelements
aus Halbleitermaterialbereichen, die zwischen porösiziertem
und gegebenenfalls oxidiertem Halbleitermaterial angeordnet sind,
lässt sich
insbesondere dann durch einfaches Aufbringen einer weiteren Schicht realisieren,
wenn bei der Erzeugung von porösem und
gegebenenfalls oxidiertem Halbleitermaterial die durch Dotierung
ausgezeichneten Halbleiterbereiche durch eine Passivierungsschicht
geschützt
werden. Denn nach Entfernen der Passivierungsschicht steht dann
die gewünschte
Halbleiteroberfläche
(ohne zum Beispiel eine schädliche ”Oxidhaut”) für die Ausbildung
eines Thermoelements zur Verfügung.
Beispielsweise wird wie oben bereits erwähnt n-umdotiertes Silizium
durch eine Siliziumnitridschicht geschützt, wobei nach Wegnahme der
Siliziumnitridschicht das Thermoelement durch Aufbringen einer Aluminiumschicht
erzeugt werden kann.
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Im
Weiteren geht die Erfindung von einer Membransensoreinheit mit einem
Träger
aus Halbleitermaterial aus, die zur Ausbildung von Sensorelementstrukturen
für wenigstens
einen Sensor eine Membran und eine unter der Membran angeordnete Isolationswanne
zur thermischen Isolierung der Membran umfasst. Der wesentliche
Aspekt der Membransensoreinheit liegt darin, dass die Membran Halbleitermaterialabschnitte
aus porösiziertem
und gegebenenfalls oxidiertem Halbleitermaterial umfasst. Hierdurch
wird ein besonders einfacher Aufbau einer Membransensoreinheit,
mit vergleichsweise guter thermischer Isolation eines Thermoelements ermöglicht.
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Der
Aufbau wird zusätzlich
vereinfacht, wenn in der Membran nicht poröse und oxidierte Halbleiterbereiche
angeordnet sind, die als Leiterbahnen bzw. Thermoschenkel für ein Thermoelement
genutzt werden können.
Wie bereits oben beschrieben, kann bei einem solchen Aufbau ein
Thermoelement dann in einfacher Weise durch direkte Aufbringung
einer weiteren Schicht mit entsprechender Strukturierung erzeugt
werden.
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Für die Anwendung
als Thermoelement ist die Isolationswanne unter der Membran vorzugsweise
als Kaverne ausgebildet. Für
den Anwendungsbereich von Strömungssensoren
ist die Isolationswanne dagegen bevorzugt als hochporöses Halbleitermaterial
ausgestaltet.
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Durch
die exakte Erzeugung von porösem Halbleitermaterial
und verbleibenden Halbleitermaterialbereichen lassen sich insbesondere
mit oben beschriebenem Verfahren Membransensor-Arrays aufbauen, die eine hohe Integrationsdichte
besitzen und dabei eine gute Trennung der einzelnen Membransensoreinheiten
voneinander gewährleisten.
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Zeichnungen
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Mehrere
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und unter Angabe
weiterer Vorteile und Einzelheiten näher erläutert.
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Es
zeigen
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1a–c in jeweils
einem schematischen Schnittbild einen Siliziumträger bei der Herstellung eines
Membransensors mit poröser
Siliziummembran in unterschiedlichen Herstellungsstadien,
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2 das
schematische Schnittbild eines Membransensors mit poröser Siliziummembran
und darunter liegendem, isolierendem, porösem Wannenbereich und
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3 die
schematische Draufsicht auf ein Membransensor-Array.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1a bis 1c zeigt
in jeweils einem schematischen Schnittbild die Entstehung eines Membransensors 1 auf
der Grundlage eines p-dotierten Silizumwafers 2.
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In
einem ersten Schritt werden zum Beispiel mittels Ionenimplantation
n-dotierte Bereiche 3, 4 erzeugt, die später als
Leiterbahnen und Thermoschenkel bzw. Sensorrand dienen sollen (siehe 1a).
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Die
p (bevorzugt ≈ 0,02 Ωcm)-dotierten
Bereiche des Silizumsubstrats 2 zwischen den Bereichen 3, 4 werden
porösiziert
und bilden mesoporöse Bereiche 5 (zum
Beispiel Porösität 10 bis
65%; Schichtdicke ≈ 1
bis 10 μm
oder mehr; Stromdichte ≈ 1
bis 50 mA/cm2; HF-Konzentration ≈ 15 bis 40%).
Je nach Anwendung wird die Porösität der Bereiche 5 eingestellt
(hohe Porösität > 55% zur thermischen Entkopplung).
Innerhalb der Bereiche 5 liegen die als Thermoschenkel
dienenden n-dotierten Bereiche 3. Die n-dotierten Bereiche 3, 4 wurden
vor der Erzeugung der porösen
Bereiche 5 mit einer Siliziumnitridschicht 6 als
Schutzschicht für
den Vorgang der Porösizierung
versehen. Diese Siliziumnitridschicht 6 wird nach der Porösizierung wieder
entfernt.
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Anschließend wird
durch die porösen
Bereiche hindurch durch geeignete Verfahren unterhalb der Bereiche 3, 5 eine
Kaverne 7 erzeugt.
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Dieser Ätzschritt
kann durch Silizium-Gasphasenätzen
durch die Poren der Bereiche 5 oder durch Elektropolitur
(mit zum Beispiel HF-Konzentration 2 bis 20%; Stromdichte > 50 mA/cm2)
ebenfalls durch die Poren der Bereiche 5 erfolgen.
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Der Ätzvorgang
ist isotrop, so dass auch in lateraler Richtung ein Ätzen von
p-dotiertem Halbleitermaterial auftritt. Auf diese Weise entsteht
die in 1c schematisch dargestellte
durchgehende Kaverne 7 durch vollständige ”Unterätzung” der n-dotierten Bereiche 3 und
durch eine teilweise ”Unterätzung” der n-dotierten
Bereiche 4. Die Kaverne 7 wird dementsprechend
durch die Bereiche 3, 4 und 5 abgedeckt,
die eine Membran 8 ausbilden.
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Um
die mesoporösen
Bereiche 5 zu stabilisieren und deren Warmleitfähigkeit
noch weiter zu reduzieren, können
diese zusätzlich
oxidiert werden.
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Zur
Verbesserung der Langzeitstabilität der teilweise porösen Membran 8 kann
diese durch eine CVD (Chemical Vapour Deposition)-Deckschicht versiegelt
werden (nicht dargestellt). Vor oder nach der Erzeugung der Kaverne 7 mit
entsprechender Unterätzung
werden die für
ein Thermoelement zusätzlich benötigten Strukturen,
insbesondere die zweiten Thermoschenkel, erzeugt.
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Für Temperatur-
und Strömungssensoren 3 werden
zum Beispiel auf den n-umdotierten Siliziumbereichen 3 Thermoschenkel 9 aus
Aluminium oder p-dotiertem Poly-Silizium angeordnet.
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Insbesondere
bei Strömungssensoren
(siehe 2) kann im Wannenbereich 10 unterhalb
der Membran das Halbleitermaterial auch porösiziert und oxidiert werden.
Vorzugsweise wird ein nanoporöser Siliziumbereich
durch einen entsprechenden Ätzprozess
durch die porösen
Bereiche 5 hindurch geschaffen. In diesem Fall wird der
Grad der Porösität vergleichsweise
hoch (> 60%) eingestellt,
um die Masse an verbleibendem Silizium zu minimieren, aber dennoch
eine ausreichende Stabilität
zu gewährleisten. Das
so erzeugte poröse
Silizium im Wannenbereich 10 kann anschließend oxidiert
werden, um das vergleichsweise gut wärmeleitende Silizium in schlechter
wärmeleitendes
poröses
Siliziumoxid umzuwandeln. Die Wärmeleitfähigkeiten
der einzelnen Materialien lassen sich wie folgt beziffern:
Silizium ≈ 150 W/Km
Siliziumoxid
1,4 W/Km
nano-porösiziertes
Silizium 1 bis 2 W/Km
oxidiertes porösiziertes Silizium 0,3 bis
1,4 W/Km.
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Um
eine gute Wärmeisolation
in Richtung Halbleiterträger 2 zu
erzielen, wird die Dicke des Wannenbereichs 10 möglichst
groß gewählt (zum Beispiel
50 bis 150 μm).
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Durch
das Aufbringen und Strukturieren (nasschemisch oder physikalisch/trockenchemisch) von
CVD-(Chemical Vapour Deposition) beziehungsweise Sputter-Schichten
kann eine Deckschicht zur Versieglung der Membran 8 und
insbesondere der porösen
Bereiche 5 sowie der Thermoschenkel 9, die das
zweite thermoelektrische Element bilden, erzeugt werden.
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Aufgrund
der vergleichsweise guten Wärmeleitfähigkeit
von monokristallinem Silizium können
n- oder p-dotierte Siliziumbereiche dazu verwendet werden, Einzelpixel 11 von
Sensor-Arrays 12 thermisch zu entkoppeln (siehe 3).
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Diese
Entkopplung ist vor allem bei hochintegrierten Sensor-Arrays notwendig,
um ein thermisches Übersprechen
unter den einzelnen Pixeln 11 zu verhindern.
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Entsprechend
dem oben beschriebenen Verfahren ist es möglich, bei der Erzeugung der
Membran 8 mit darunterliegendem Wannenbereich 7, 10 gleichzeitig
die erforderlichen Wärmesenken 13 zu erzeugen.
Damit können
mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
insbesondere hochintegrierte Sensor-Arrays aufgebaut werden.