DE102004042275A1

DE102004042275A1 - Verfahren zur Herstellung eines Thermoelements

Info

Publication number: DE102004042275A1
Application number: DE102004042275A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Pannek
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-09-01
Filing date: 2004-09-01
Publication date: 2006-03-02
Also published as: US20060046414A1; JP2006074053A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Thermoelementes, bei dem DOLLAR A - ein erster und ein zweiter undotierter Thermoschenkel auf der Oberfläche eines Trägers erzeugt werden, DOLLAR A - eine erste Lackmaske derart aufgebracht wird, dass der erste Thermoschenkel davon nicht bedeckt wird und der zweite Thermoschenkel davon bedeckt wird, DOLLAR A - eine Dotierung des ersten Thermoschenkels stattfindet, DOLLAR A - eine wenigstens teilweise Entfernung der ersten Lackmaske stattfindet, so dass wenigstens der zweite Thermoschenkel nicht mehr davon bedeckt ist, DOLLAR A - eine zweite Lackmaske derart aufgebracht wird, dass der erste Thermoschenkel davon bedeckt wird und der zweite Thermoschenkel nicht davon bedeckt wird, DOLLAR A - eine Dotierung des zweiten Thermoschenkels stattfindet, DOLLAR A - eine wenigstens teilweise Entfernung der zweiten Lackmaske stattfindet, so dass wenigstens der erste Thermoschenkel nicht mehr davon bedeckt ist und DOLLAR A - eine Verbindung des ersten und des zweiten Thermoschenkels durch ein elektrisch leitfähiges Material erfolgt, DOLLAR A wobei es sich DOLLAR A - bei der Dotierung des ersten Thermoschenkels um eine n-Dotierung und bei der Dotierung des zweiten Thermoschenkels um eine p-Dotierung oder DOLLAR A - bei der Dotierung des ersten Thermoschenkels um eine p-Dotierung und bei der Dotierung des zweiten Thermoschenkels um eine n-Dotierung DOLLAR A handelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Thermoelements.
Zur Herstellung von IR-Sensoren in Silizium-Mikromechanik auf Thermopile-Basis werden üblicherweise Thermoelemente als dünnen Schichten auf ebenso dünne Membranen strukturiert. Zur Herstellung der Thermoelemente kann beispielsweise dotiertes polykristallines Silizium (Poly-Si) und Aluminium (Al) verwendet werden. Dabei trägt allerdings das Al kaum zur Thermokraft bei. Die Thermokraft des Poly-Si ist abhängig von dessen Dotierung. Um die Thermokraft des Thermoelements zu verbessern, wird z.B. anstelle von Al eine weitere Poly-Si-Schicht verwendet. Für eine maximale Thermokraft müssen die beiden Poly-Si-Thermoschenkel unterschiedlichen Typs sein (p- und n-Typ).

Zur Herstellung eines solchen Thermoelements mit p- und n-dotierten Poly-Si-Thermoschenkeln ist es bekannt, zuerst Poly-Si vollflächig abzuscheiden und danach beispielsweise über ein Implantationsverfahren zu dotieren. Im bereits dotierten Zustand wird dann aus der vollflächig abgeschiedenen und dotierten Poly-Si-Schicht der erste Thermoschenkel strukturiert. Um nun den zweiten Thermoschenkel strukturieren zu können, ohne den ersten dabei zu entfernen, muss ein Zwischenoxid als Ätzstop eingefügt werden. Dieses wird im Kontaktbereich der beiden Poly-Thermoschenkel geöffnet. Danach wird der zweite Thermoschenkel abgeschieden, dotiert (z.B. durch Implantation) und strukturiert. Typischerweise werden die beiden Thermoschenkel im Anschluss durch eine Metallbrücke verbunden.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Thermoelementes, bei dem

– ein erster und ein zweiter undotierter Thermoschenkel auf der Oberfläche eines Trägers erzeugt werden,
– eine erste Lackmaske derart aufgebracht wird, dass der erste Thermoschenkel davon nicht bedeckt wird und der zweite Thermoschenkel davon bedeckt wird,
– eine Dotierung des ersten Thermoschenkels stattfindet,
– eine wenigstens teilweise Entfernung der ersten Lackmaske stattfindet, so dass wenigstens der zweite Thermoschenkel nicht mehr davon bedeckt ist,
– eine zweite Lackmaske derart aufgebracht wird, dass der erste Thermoschenkel davon bedeckt wird und der zweite Thermoschenkel nicht davon bedeckt wird,
– eine Dotierung des zweiten Thermoschenkels stattfindet,
– eine wenigstens teilweise Entfernung der zweiten Lackmaske stattfindet, so dass wenigstens der erste Thermoschenkel nicht mehr davon bedeckt ist und
– eine Verbindung des ersten und des zweiten Thermoschenkels durch ein elektrisch leitfähiges Material erfolgt,

wobei es sich entweder

– bei der Dotierung des ersten Thermoschenkels um eine n-Dotierung und bei der Dotierung des zweiten Thermoschenkels um eine p-Dotierung oder
– bei der Dotierung des ersten Thermoschenkels um eine p-Dotierung und bei der Dotierung des zweiten Thermoschenkels um eine n-Dotierung

handeln kann.

Damit ist eine einfache Möglichkeit zur Herstellung eines Thermoelements gegeben, welche sich insbesondere durch eine geringe Anzahl von Arbeitsschritten auszeichnet.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Thermoschenkel auf der Trägeroberfläche durch vollflächige Abscheidung des den Thermoschenkeln zugrunde liegenden Materials auf der Trägeroberfläche und anschließende Strukturierung erzeugt werden. Die vollflächige Abscheidung lässt sich besonderes einfach durchführen. Bei der Strukturierung kann beispielsweise auf bekannte Ätzverfahren zurückgegriffen werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem dem ersten und zweiten Thermoschenkel zugrunde liegenden Material um polykristallines Silizium handelt. Diese Material ist kostengünstig verfügbar. Anstelle von Silizium kann auch Silizium-Germanium (SiGe) verwendet werden. Auch SiGe ist als polykristallines Material verfügbar.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine vollständige Entfernung der ersten Lackmaske stattfindet. Damit bleiben keine für spätere Herstellungsschritte störenden Lackreste zurück.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine vollständige Entfernung der zweiten Lackmaske stattfindet.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung des ersten und des zweiten Thermoschenkels durch eine Brücke aus Aluminium oder Titan erfolgt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Trägers aus SiO₂ besteht.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Träger um einen Siliziumwafer handelt, welcher mit der Schichtfolge SiO₂ - Si₃N₄ - SiO₂ beschichtet ist.

Das erfindungsgemäße Thermoelement kann infolge seiner geringen Baugröße sowie seiner Eignung für die Herstellung in großen Stückzahlen vorteilhaft in Kohlendioxidsensoren, welche den Kohlendioxidgehalt der Luft in Kraftfahrzeugen überwachen, eingesetzt werden.

Weiter betrifft die Erfindung ein nach den beschriebenen Verfahren hergestelltes Thermoelement. Die vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens äußern sich selbstverständlich auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Thermoelements und umgekehrt
Zeichnung
Die Zeichnung besteht aus den 1 bis 6.
1 zeigt den Aufbau eines Infrarotsensors.
2 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Aufbau eines Thermoelements.
Die 3a, 3b, 4, 5 und 6 zeigen verschiedene Verfahrensstadien bei der Herstellung des Thermoelements.
Ausführungsbeispiele
1 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Infrarotsensor in Silizium-Mikromechanik. Dabei kennzeichnet 1 die einfallende infrarote Strahlung mit einer spezifischen Wellenlänge. 2 kennzeichnet eine breitbandige Absorptionsschicht, welche die Thermoelemente 3 an den heißen Kontakten überdeckt. Die Thermoelemente sind auf einer Membran 4 aufgebracht, welche einen Hohlraum bzw. eine Kaverne 5 überspannt. 6 kennzeichnet die abgegriffene Thermospannung. Im Diagramm 7 in der linken unteren Ecke ist ein ermittelter räumlicher Temperaturverlauf über der Membran aufgetragen.
2 zeigt den Aufbau eines nach einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren aufgebauten Thermoelements, dessen Herstellung im Abschnitt „Stand der Technik" beschreiben wurde. Dabei kennzeichnen

200: n-Poly-Si-Thermoschenkel,
201: p-Poly-Si-Thermoschenkel.
202: Zwischenoxid als Ätzstop.

Die Erfindung ermöglicht es, durch nur einen Poly-Si-Abscheidevorgang und nachfolgende Strukturierung beide Thermoschenkel bereitzustellen. Das Zwischenoxid, welches im Sensor keinerlei Funktion erfüllt (da an dieser Stelle keine Isolation notwendig ist) soll entfallen. Damit entfallen Arbeitsschritte und die Kosten werden reduziert.
Die Strukturierung der beiden Thermoschenkel erfolgt im undotierten Zustand, d.h. aus einem vollflächig aufgebrachten Poly-Si werden beide Thermoschenkel hergestellt. Danach wird mittels zweier Lackmasken jeder Thermoschenkel selektiv dotiert und ausgeheilt. Als Dotierungsverfahren kann ein Implantationsverfahren verwendet werden.
Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im folgenden anhand der 3 bis 6 dargestellt.
3a zeigt einen Wafer 10, auf dem sich eine ONO-Membran 11 befindet Unter dem Begriff der ONO-Membran wird dabei die Schichtfolge SiO₂ - Si₃N₄ - SiO₂ verstanden. Auf dieser Membran 11 wird nun vollflächig eine undotierte Poly-Si-Schicht abgeschieden. Diese ist in 3a strichliert eingezeichnet und mit 12 bezeichnet. Anstelle von Poly-Si können auch andere halbleitende Materialien wie SiGe oder Verbindungen auf der Basis von Wismut oder Antimon verwendet werden.
3b zeigt die aus der Poly-Si-Schicht strukturierten beiden Thermoschenkel 15. Die Thermoschenkel sind in diesem Verfahrensstadium noch nicht verbunden.
Danach wird, wie in 4 dargestellt, einer der beiden Thermoschenkel durch eine Lackmaske 20 abgedeckt. Es ist auch möglich, den Rest des Wafers, welcher nicht von Poly-Si bedeckt ist, durch die Lackmaske mit abzudecken. Anschließend findet eine vollflächige Implantation statt. Diese kann durch Einbringen von Atomen oder Ionen sowie durch Verwendung hochenergetischer Strahlung erfolgen. Wegen der Lackmaske wirkt sich die Implantierung lediglich auf den von der Lackmaske unbedeckten Schenkel 21 aus. Durch die Implantation und eine nachfolgende Aktivierung wird das Poly-Si dieses Schenkels in n-Poly-Si umgewandelt. Danach wird die Lackmaske 20 entfernt und das darunter befindliche Poly-Si ausgeheilt.
Anschließend wird, wie in 5 dargestellt, der im nun dotierte rechte Thermoschenkel durch eine Lackmaske 31 geschützt. Auch hier kann sich die Lackmaske auch auf nicht durch Poly-Si bedeckte Teile des Wafers ausdehnen. Durch ein vollflächiges Implantationsverfahren wird nun der linke Thermoschenkel 30 implantiert, es findet eine Umwandlung von Poly-Si in p-Poly-Si statt.
Der Lack wird wieder entfernt und das Poly-Si ausgeheilt. Somit wurde der zweite Thermoschenkel selektiv dotiert.
Es sei darauf hingewiesen, dass selbstverständlich auch die Reihenfolge der Dotierungen umgekehrt werden kann, d.h. zuerst findet eine p-Dotierung und dann eine n-Dotierung statt.
Anschließend werden, wie in 6 dargestellt, die beiden Thermoschenkel durch eine Brücke 40 (z.B. aus Metallen wie Al oder Ti) miteinander verbünden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Thermoelementes, bei dem – ein erster und ein zweiter undotierter Thermoschenkel (15) auf der Oberfläche eines Trägers (10) erzeugt werden, – eine erste Lackmaske (20) derart aufgebracht wird, dass der erste Thermoschenkel davon nicht bedeckt wird und der zweite Thermoschenkel davon bedeckt wird, – eine Dotierung des ersten Thermoschenkels (21) stattfindet, – eine wenigstens teilweise Entfernung der ersten Lackmaske (20) stattfindet, so dass wenigstens der zweite Thermoschenkel nicht mehr davon bedeckt ist, – eine zweite Lackmaske (31) derart aufgebracht wird, dass der erste Thermoschenkel (21) davon bedeckt wird und der zweite Thermoschenkel (30) nicht davon bedeckt wird, – eine Dotierung des zweiten Thermoschenkels (30) stattfindet, – eine wenigstens teilweise Entfernung der zweiten Lackmaske (31) stattfindet, so dass wenigstens der erste Thermoschenkel (21) nicht mehr davon bedeckt ist und – eine Verbindung des ersten (21) und des zweiten Thermoschenkels (30) durch ein elektrisch leitfähiges Material erfolgt (40), wobei es sich – bei der Dotierung des ersten Thermoschenkels (21) um eine n-Dotierung und bei der Dotierung des zweiten Thermoschenkels (30) um eine p-Dotierung oder – bei der Dotierung des ersten Thermoschenkels (21) um eine p-Dotierung und bei der Dotierung des zweiten Thermoschenkels (30) um eine n-Dotierung handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Thermoschenkel (15) auf der Trägeroberfläche durch vollflächige Abscheidung des den Thermoschenkeln zugrunde liegenden Materials auf der Trägeroberfläche und anschließende Strukturierung erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem dem ersten und zweiten Thermoschenkel (15) zugrunde liegenden Material um polykristallines Silizium oder Silizium-Germanium handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine vollständige Entfernung der ersten Lackmaske (20) stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine vollständige Entfernung der zweiten Lackmaske (31) stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung des ersten und des zweiten Thermoschenkels durch eine Brücke aus Aluminium oder Titan erfolgt (40).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Trägers aus SiO₂ besteht.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Träger um einen Siliziumwafer handelt, welcher mit der Schichtfolge SiO₂ - Si₃N₄ - SiO₂ beschichtet ist (12)
Thermoelement, hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Kohlendioxidsensor für die Ermittlung der Kohlendioxidkonzentration der Luft im Innenraum eines Kraftfahrzeuges, enthaltend ein Thermoelement nach Anspruch 9.