DE10053326A1 - Mikromechanisches Bauelement und Herstellungsverfahren - Google Patents

Mikromechanisches Bauelement und Herstellungsverfahren

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Abstract

Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauelement mit einem Substrat (10) und einer auf dem Substrat (10) aufgebrachten Membran (40). Unterhalb der Membran (40) ist ein die Membran (40) mechanisch unterstützender und thermisch isolierender Bereich (30; 30') aus porösem Material vorgesehen.

Description

STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bau­ element mit einem Substrat und einer auf dem Substrat aufge­ brachten Membran und ein entsprechendes Herstellungsverfah­ ren.
Obwohl auf beliebige mikromechanische Bauelemente und Struk­ turen, insbesondere Sensoren und Aktuatoren, anwendbar, wer­ den die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik in bezug auf einen in der Technologie der Silizi­ um-Oberflächenmikromechanik herstellbaren mikromechanischen Taupunktsensor erläutert.
Bereits veröffentlicht in der WO 96/05506 wurde das Prinzip, den Taupunkt zu sensieren, indem ein mikromechanisches Sen­ sorelement durch ein Peltierelement solange abgekühlt wird, bis auf der Oberfläche Feuchtigkeit kondensiert. Die Tempera­ tur des Sensorelements, bei der die Kondensation eintritt, wird mittels eines Temperaturfühlers gemessen und so der Taupunkt bestimmt.
Insbesondere offenbart die WO 96/05506 eine Anordnung aus Peltierelement, Temperaturfühler, Interdigitalkondensator und Mikroprozessor zur Auswertung. Das Einsetzen der Betauung kann durch Änderung der Kapazität des besagten Interdigital­ kondensators festgestellt werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Betauung durch eine optische Messung (siehe auch D. Heinze, "Halbleitertech­ nologien zur Herstellung moderner Feuchtesensoren", Sensor 91, Nürnberg 1991, Kongreßband IV, 112-121) festzustellen.
Die Herstellung eines Peltierelements mittels n- und p- dotierter Halbleiter, die durch eine Metallbrücke verbunden sind, ist bereits lange bekannt (z. B. M. von Ardenne et al. (Hrsg.), "Effekte der Physik und ihre Anwendungen", Verlag Harm Deutsch, Frankfurt am Main 1990, S. 399)
Die US-A-5,714,791 beschreibt ein Peltierelement mittels n- und p-dotierter Halbleiterbereiche auf einer Membran, wobei die Membran durch Ätzen einer Kaverne von der Substratrück­ seite her thermisch isoliert wird.
Das Verfahren, Silizium porös zu ätzen ("Anodisieren"), gehört zum Stand der Technik und ist in zahlreichen Veröffent­ lichungen beschrieben. Das Verfahren, unter einer porösen Si­ lizium-Schicht einen Hohlraum zu erzeugen, wurde ebenfalls bereits veröffentlicht (G. Lammel, P. Renaud, "Free-standing, mobile 3D microstructures of porous silicon", Proceedings the 13th European Conference an Solid-State Transducers, Eurosen­ sors XIII, Den Haag, 1999, 535-536).
Als nachteilhaft bei den bekannten Taupunktsensoren hat sich die Tatsache herausgestellt, daß ihre Herstellung schwierig und aufwendig ist.
VORTEILE DER ERFINDUNG
Das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. das entsprechende Herstel­ lungsverfahren nach Anspruch 10 weisen den Vorteil auf, daß eine einfache und kostengünstige Herstellung eines Bauele­ ments mit thermisch entkoppeltem Membranbereich möglich ist.
Z. B. durch die Verwendung von porösem Silizium kann relativ einfach eine tiefe Kaverne mit einer darüberliegenden Membran hergestellt werden. Desweiteren besteht die Möglichkeit, ei­ nen definierten Bereich auf einem Wafer bis zu einer defi­ nierten Dicke porös zu machen und als Option aufzuoxidieren, um ein stabiles Gerüst mit geringer thermischer Leitfähigkeit zu erzeugen. Bei der Realisierung eines Taupunktsensors mit diesem Verfahren erhält man folgende weitere Vorteile:
  • - Geringe Leistungsaufnahme aufgrund guter thermischer Ent­ kopplung
  • - Integration eines Sensorelements, z. B. Peltierelementes, auf dem Chip
  • - Mögliche Integration einer Schaltung auf dem Sensorelement
  • - Sehr kleine Baugröße
  • - Geringe Ansprechzeit aufgrund der kleinen Masse, die um­ temperiert werden muß
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, daß unterhalb der Membran ein die Membran mechanisch unterstützender und thermisch isolierender Bereich aus porö­ sem Material vorgesehen ist.
In den jeweiligen Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in Anspruch 1 angegebenen mikromechanischen Bauelements bzw. des in Anspruch 11 angegebenene Herstellungsverfahrens.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist das poröse Material aus dem Substratmaterial gebildet. Dies ist insbesondere bei einem Siliziumsubstrat leicht möglich.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist unterhalb des Bereichs aus porösem Material ein Hohlraum gebildet. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die Mem­ branschicht dadurch gebildet, daß die Substratoberfläche und die Oberfläche des porösen Bereichs oxidiert sind. So läßt sich die Abscheidung einer zusätzlichen Membranschicht ein­ sparen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Be­ reich aus porösem Material vollständig oxidiert. Eine derar­ tige Oxidation ist aufgrund der porösen Struktur leicht mög­ lich und erhöht das thermische Isolationsvermögen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das Bau­ element einen Taupunktsensor auf, der weiterhin ein oberhalb des Bereichs aus porösem Material vorgesehenes Thermoelement zum Erfassen der Temperatur; einen oberhalb des Bereichs aus porösem Material vorgesehenen Interdigitalkondensator; eine Peltierelementeinrichtung mit einem oder mehreren Peltierele­ menten zum Aufheizen und Abkühlen der Membran; und eine Tau­ punkterfassungseinrichtung zum Erfassen des Taupunktes anhand der Kapazität des Interdigitalkondensators und der vom Ther­ moelement erfaßten Temperatur umfaßt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das Bau­ element einen Wärmestrahlungssensor auf, der weiterhin eine oberhalb des Bereichs aus porösem Material vorgesehene Ab­ sorptionseinrichtung zum Absorbieren von Wärmestrahlung; eine Peltierelementeinrichtung mit einem oder mehreren Peltierele­ menten zum Erzeugen einer Thermospannung entsprechend einer Temperaturdifferenz zwischen einem Membranbereich neben dem Bereich aus porösem Material und einem Membranbereich ober­ halb dem Bereich aus porösem Material; und eine Temperaturer­ fassungseinrichtung zum Erfassen der Temperatur im Membranbe­ reich oberhalb dem Bereich aus porösem Material umfaßt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung erfaßt die Temperaturerfassungseinrichtung die Temperatur basierend auf der Thermospannung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine Rege­ lungseinrichtung zum Regeln der Temperatur in dem Membranbereich oberhalb dem Bereich aus porösem Material mittels der Peltierelementeinrichtung vorgesehen, und die Temperaturer­ fassungseinrichtung erfaßt die Temperatur basierend auf der Regelleistung.
ZEICHNUNGEN
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er­ läutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Aufsicht auf einen Taupunktsensor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2-4 Herstellungsschritte zur Herstellung des Taupunkt­ sensors nach Fig. 1;
Fig. 5-6 Herstellungsschritte zur Herstellung des Taupunkt­ sensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 7 eine Aufsicht auf einen Wärmestrahlungssensor gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.
Fig. 1 ist eine Aufsicht auf einen Taupunktsensor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Thermoelement, 2 einen Interdigitalkondensator, 3 eine p-dotierte Leiterbahn, 4 eine n-dotierte Leiterbahn, 5 eine Metallleitung, 6 Kon­ taktflächen bzw. Kontaktpads, 10 ein Halbleitersubstrat, 40 eine auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats befindliche Membranschicht und 300 die Grenze eines Bereichs, in dem un­ ter der Membranschicht 40 ein die Membranschicht 40 mecha­ nisch unterstützender und thermisch isolierender Bereich aus porösem Material vorgesehen ist. Im vorliegendem Fall ist das Substratmaterial Silizium und das poröse Material anodisier­ tes (porös geätztes) Silizium.
Zum Betrieb der in Fig. 1 gezeigten Sensorstruktur wird die aus den verschiedenen in Rehe geschalteten Peltier-Elementen 3, 4, 5 gebildete Peltier-Element-Einrichtung derart geregelt, dass auf der Oberfläche der Membranschicht 40 innerhalb des Bereichs 300 durch Abkühlen oder Aufheizen der Übergang vom betauten zum nichtbetauten Zustand bzw. umgekehrt festge­ stellt werden kann, da dieser Bereich thermisch gegenüber der Umgebung isoliert ist. Bei diesem Übergang ändert sich die Kapazität des Interdigitalkondensators 2 auf der Membran­ schicht 40 aufgrund der hohen Dielektrizitätszahl von Wasser (εr = 81). Die entsprechende Taupunkttemperatur wird dabei mittels des Thermoelements 1 gemessen.
Fig. 2-4 sind Herstellungsschritte zur Herstellung des Tau­ punktsensors nach Fig. 1.
In Fig. 2 bezeichnen zusätzlich zu den bereits eingeführten Bezugszeichen 15 eine Maske, beispielsweise eine Lackmaske, und 100 Schaltungsbestandteile einer nicht näher erläuterten Sensorschaltung. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Substrat 10 handelt es sich um ein Siliziumsubstrat. Selbstverständlich können auch andere Substrate verwendet werden, beispielsweise ein Substrat mit einer Eptaxieschicht. Der Einfachheit halber wird jedoch im folgenden von einem Wafersubstrat ausgegangen.
Gemäß Fig. 3 wird mit dem bekannten Verfahren des porösen Ätzens eine Struktur erzeugt, bei dem das Substratmaterial in einem bestimmten Bereich 30 porös gemacht wird und anschließend ein Hohlraum 20 unter dem porösem Bereich 30 gebildet wird, also ein Teil des porösen Bereich 30 entfernt wird, was zu der in Fig. 3 gezeigten Struktur führt.
In Fig. 4 bezeichnet Bezugszeichen 40 die Membranschicht, 50 eine Isolierschicht, 60 eine Meßkapazität, 70 eine Metall- Leiterbahn und 80 Peltier-Leiterbahnen entsprechend den Lei­ terbahnen 3, 4 in Fig. 1.
Um die in Fig. 4 gezeigte Struktur herzustellen, wird nach dem Entfernen der Maske 15 der poröse Bereich 30 durch Ab­ scheiden der Membranschicht 40, welche beispielsweise aus Ni­ trid, Oxid oder Poly-Silizium besteht, verschlossen. Eine weitere Möglichkeit zur Bildung der Membranschicht 40 besteht darin, die Substratoberfläche und die Oberfläche des porösen Bereichs 30 zu oxidieren.
Dieses luftdichte Verschließen des Hohlraums 20 muss dabei nicht zwingend nach der Herstellung des Hohlraums 20 erfol­ gen, sondern kann auch als eine der letzten Prozeßschritte ausgeführt werden. Letzteres hat den Vorteil, dass während der Prozessierung die Membranschicht 40 nicht ausbeult und so zu Abbildungsfehlern bei einem Strukturierungsprozeß führt. Der sich letztendlich einstellende Innendruck in dem Hohlraum 20 ist abhängig von den bei der Abscheidung bzw. Oxidation herrschenden Druckverhältnisse. Auf der Membranschicht 40 werden die Meßkapazität 60 entsprechend dem Interdigitalkon­ densator 2 in Fig. 1, die Metall-Leiterbahnen 70 und die Peltier-Leiterbahnen 80 erzeugt. Es können zwischen der Mem­ branschicht 40 und den Leiterbahnen 70 bzw. oberhalb der Lei­ terbahnen weitere Funktionsschichten aufgebracht und struktu­ riert werden.
Die vorliegende Ausführungsform weist einen Hohlraum 20 mit eingeschlossenem Vakuum unter der Membranschicht 40 auf, um eine gute thermische Isolation zum Substrat 10 zu gewährlei­ sten. Die Isolierschicht 50 schützt so die gebildete Struktur vor Umwelteinflüssen.
Fig. 5-6 sind Herstellungsschritte zur Herstellung des Tau­ punktsensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung.
Bei der mit Bezug auf Fig. 5 und 6 gezeigten zweiten Ausfüh­ rungsform wird kein Hohlraum unter dem porös gemachten Sub­ stratbereich 30' gebildet, sondern nach dem Entfernen der Maske 15 wird der poröse Bereich 30' unmittelbar durch Ab­ scheiden der Membranschicht 40 bzw. durch die Oxidation ver­ schlossen.
Die (nicht gezeigte) Oxidation hat dabei den Vorteil, dass das Oxid eine geringere thermische Leitfähigkeit besitzt als das Silizium somit eine bessere Entkopplung zum Substrat 10 gewährleistet werden kann. Auf der Membranschicht 40 werden wie bei der ersten Ausführungsform die Leiterbahnen etc. er­ zeugt.
Fig. 7 ist eine Aufsicht auf einen Wärmestrahlungssensor ge­ mäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform ist an Stelle des Thermoelements 1 und des Interdigitalkondensators 2 auf dem mittleren Membranbereich eine Wärmestrahlungssensorein­ richtung 2' vorgesehen, welche auftreffende Infrarotstrahlung absorbiert und in Wärme umwandelt. So lässt sich auf einfache Art und Weise ein Wärmestrahlungssensor realisieren. Der Wär­ meunterschied zwischen dem Mittelbereich der Membran 40 und dem Umgebungsbereich führt zu einer Thermospannung an den Peltier-Elementen 3, 4, 5, die jetzt als Thermoelemente wir­ ken. Die Thermospannung ist somit ein Maß für die absorbierte Infrarotstrahlung.
Bei einer weiteren (nicht gezeigten) Ausführungsform ist es möglich, den Mittelbereich der Membran so zu regeln, dass er mit einem darauf vorgesehenen Thermoelement auf gleicher Temperatur bleibt, in dem die durch die Infrarotstrahlung er­ zeugte Wärme durch das Peltier-Element abgeführt wird. Die Kühlleistung des Peltier-Elements ist dann ein Maß für die absorbierte Infrarotstrahlung.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzug­ ter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizier­ bar.
In den obigen Beispielen sind der erfindungsgemäße Taupunkt­ sensor bzw. Wärmestrahlungssensor in einfachen Formen zur Er­ läuterung ihrer Grundprinzipien aufgeführt worden. Kombina­ tionen der Beispiele und wesentlich kompliziertere Ausgestal­ tungen unter Verwendung derselben Grundprinzipien sind . selbstverständlich denkbar.
Weiterhin ist es möglich, nach oder zwischen den obigen Pro­ zeßschritten den porösen Bereich 30, 30' selektiv zu ätzen. Dazu können in der Membranschicht 40 eine oder mehrere Öff­ nungen realisiert werden, durch die ein selektiv wirkendes Ätzmedium im flüssigen oder gasförmigen Zustand den porösen Bereich teilweise oder vollständig herauslösen kann. Die Öff­ nungen können anschließend wieder verschlossen werden, wobei dabei bevorzugt ein Vakuum in dem Hohlraum 20 eingeschlossen wird, um eine optimale thermische Entkopplung zwischen Mem­ bran 40 und Substrat 10 zu gewährleisten. Die Öffnungen kön­ nen auch bewusst nicht geschlossen werden. Dadurch kann der mittlere Membranbereich mit Funktionselementen so gestaltet werden, dass er nur noch mit wenigen Stegen mit dem Substrat außerhalb der Kaverne verbunden ist (z. B. Verbindung nur über zwei Stege in Form einer Brücke). Dies führt zu einer sehr guten lateralen thermischen Entkopplung, die für die Funktion des Peltier-Elements wichtig ist.
Möglich ist, den Meßkondensator oberhalb des Peltier-Elements zu realisieren, wobei zwischen den beiden Lagen eine Isolier­ schicht eingefügt wird.
Weiterhin können die Peltier-Leiterbahnen aus Poly-Silizium auf einer isolierenden Verschlußschicht realisiert werden.
Möglich ist es weiterhin die Peltier-Leiterbahnen als p- und n-dotierte Bereiche in einer Epitaxieschicht, die als Ver­ schlußschicht dient, zu realisieren.
Weiterhin ist es möglich zusätzlich Widerstandsleiterbahnen auf dem Membranbereich 40 zum schnellen Aufheizen der Membran zu realisieren. Der Hintergrund ist eine schnellere Regelung.
Weiterhin ist es möglich auf dem mittleren Membranbereich ei­ ne Spiegelschicht aufzubringen, um die Betauung optisch fest­ zustellen.
Es können auch beliebige mikromechanische Grundmaterialien verwendet werden, und nicht nur das exemplarisch angeführte Siliziumsubstrat.

Claims (11)

1. Mikromechanisches Bauelement mit:
einem Substrat (10); und
einer auf dem Substrat (10) aufgebrachten Membran (40);
dadurch gekennzeichnet, daß
unterhalb der Membran (40) ein die Membran (40) mechanisch unterstützender und thermisch isolierender Bereich (30; 30') aus porösem Material vorgesehen ist.
2. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material aus dem Substratmate­ rial gebildet ist.
3. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß unterhalb des Bereichs (30) aus porösem Material ein Hohlraum (20) gebildet ist.
4. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranschicht (40) dadurch gebildet ist, daß die Substratoberfläche und die Oberfläche des porösen Bereichs (30; 30') oxidiert sind.
5. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (30; 30') aus porösem Material vollständig oxidiert ist.
6. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement ei­ nen Taupunktsensor aufweist, der weiterhin umfaßt:
ein oberhalb des Bereichs (30) aus porösem Material vorgese­ henes Thermoelement (1) zum Erfassen der Temperatur;
einen oberhalb des Bereichs (30) aus porösem Material vorge­ sehenen Interdigitalkondensator (2);
eine Peltierelementeinrichtung mit einem oder mehreren Pel­ tierelementen (3, 4, 5) zum Aufheizen und Abkühlen der Mem­ bran (40); und
eine Taupunkterfassungseinrichtung zum Erfassen des Taupunk­ tes anhand der Kapazität des Interdigitalkondensators (2) und der vom Thermoelement (1) erfaßten Temperatur oder anhand ei­ nes Spiegels zur optischen Auswertung.
7. Mikromechanisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement einen Wär­ mestrahlungssensor aufweist, der weiterhin umfaßt:
eine oberhalb des Bereichs (30) aus porösem Material vorgese­ hene Absorptionseinrichtung zum Absorbieren von Wärmestrah­ lung;
eine Peltierelementeinrichtung mit einem oder mehreren Pel­ tierelementen (3, 4, 5) zum Erzeugen einer Thermospannung entsprechend einer Temperaturdifferenz zwischen einem Mem­ branbereich neben dem Bereich (30) aus porösem Material und einem Membranbereich oberhalb dem Bereich (30) aus porösem Material; und
eine Temperaturerfassungseinrichtung zum Erfassen der Tempe­ ratur im Membranbereich oberhalb dem Bereich (30) aus porösem Material.
8. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturerfassungseinrichtung die Temperatur basierend auf der Thermospannung erfaßt.
9. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelungseinrichtung zum Regeln der Temperatur in dem Membranbereich oberhalb dem Bereich (30) aus porösem Material mittels der Peltierelementeinrichtung vorgesehen ist und die Temperaturerfassungseinrichtung die Temperatur basierend auf der Regelleistung erfaßt.
10. Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauele­ ments mit einem Substrat (10) und einer auf dem Substrat (10) aufgebrachten Membran (40), dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Membran (40) ein die Membran (40) mechanisch unterstützender und thermisch isolierender Bereich (30; 30') aus porösem Material zumindest zeitweilig vorgesehen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (30; 30') aus porösem Material nach Bilden der Mambran (40) wieder entfernt wird.
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