DE102007038726B4

DE102007038726B4 - Thin-film thermocouple assembly, thermoelectric sensor, thermal generator, and method of making the thin-film thermocouple assembly

Info

Publication number: DE102007038726B4
Application number: DE200710038726
Authority: DE
Inventors: Rainer Buchner; Walter Lang
Original assignee: Universitaet Bremen
Current assignee: Universitaet Bremen
Priority date: 2007-08-16
Filing date: 2007-08-16
Publication date: 2009-07-09
Anticipated expiration: 2027-08-17
Also published as: DE102007038726A1

Abstract

Dünnschicht-Thermoelement-Anordnung mit wenigstens einem auf einer Basisschicht (1) angeordnetem Thermoelement mit einer Anschlussstelle (3) und einer Messstelle (4) zur Erzeugung einer elektrischen Spannung an der Anschlussstelle (3) bei einer Temperaturdifferenz zwischen Anschluss- und Messstelle (3, 4), wobei das wenigstens eine Thermoelement eine erste Bahn (5) aus Silizium und eine zweite Bahn (6) aus metallischem Material umfassend Titan und/oder Wolframtitan und/oder Wolfram umfasst, welche sich zwischen der Anschlussstelle (3) und der Messstelle (4) erstrecken, wobei die erste Bahn (5) und die zweite Bahn (6) über eine Diffusionsbarriere (7) umfassend Titannitrid zumindest an der Messstelle (4) miteinander verbunden sind.Thin-film thermocouple arrangement with at least one thermocouple arranged on a base layer (1) with a connection point (3) and a measuring point (4) for generating an electrical voltage at the connection point (3) at a temperature difference between connection point and measuring point (3, 4), wherein the at least one thermocouple comprises a first track (5) of silicon and a second track (6) of metallic material comprising titanium and / or tungsten titanium and / or tungsten, which extends between the connection point (3) and the measuring point (3). 4), wherein the first web (5) and the second web (6) are interconnected via a diffusion barrier (7) comprising titanium nitride at least at the measuring point (4).

Description

Die Erfindung betrifft eine Dünnschicht-Thermoelement-Anordnung sowie einen thermoelektrischen Sensor bzw. einen Thermogenerator und ein Verfahren zur Herstellung der Dünnschicht-Thermoelement-Anordnung.The The invention relates to a thin-film thermocouple assembly and a thermoelectric sensor or a thermal generator and a method of manufacturing the thin-film thermocouple assembly.

Thermoelemente werden in einer Vielzahl von technischen Anwendungsgebieten eingesetzt. Diese Thermoelemente beruhen auf dem physikalischen Seebeck-Effekt, gemäß dem aufgrund einer Temperaturdifferenz in einem elektrischen Leiter elektrische Spannung generiert wird. Zur Nutzung dieses Effekts sind Thermoelemente aus zwei unterschiedlichen leitenden Materialien (elektrischen Leitern bzw. Halbleitern) aufgebaut, welche sich von einer Anschlussstelle zu einer Messstelle erstrecken. Die unterschiedlichen leitenden Materialien sind an der Messstelle miteinander verbunden. Tritt eine Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Anschlussstelle auf, wird eine entsprechende thermoelektrische Spannung an der Anschlussstelle erzeugt, die gemessen werden kann.thermocouples are used in a variety of technical applications. These Thermocouples are based on the physical Seebeck effect, according to the a temperature difference in an electrical conductor electrical Voltage is generated. To use this effect are thermocouples made of two different conductive materials (electrical conductors or semiconductors), which extends from a connection point extend to a measuring point. The different leaders Materials are connected to each other at the measuring point. kick a temperature difference between measuring point and connection point On, a corresponding thermoelectric voltage is applied at the connection point generated, which can be measured.

Heutzutage werden meist minituarisierte Thermoelemente in der Form von Dünnschicht-Thermoelementen verwendet, bei denen mit entsprechenden Prozessen der Halbleitertechnologie die elektrisch leitenden Materialien zur Bildung der Thermoelemente auf einer Basisschicht aufgebracht werden. Solche Dünnschicht-Thermoelemente umfassen häufig polykristallines Silizium, welches mit einem metallischen Material an der Messstelle verbunden ist. Herkömmliche Dünnschicht-Thermoelemente umfassend Polysilizium können nur in einem eingeschränkten Temperaturbereich eingesetzt werden, insbesondere ist es nicht möglich, solche Thermoelemente bei sehr hohen Temperaturen, insbesondere über 500°C und mehr, zu verwenden, da dies zu einer Veränderung der Materialeigenschaften der Thermoelemente, z. B. durch Diffusion, führen würde.nowadays are usually miniaturized thermocouples in the form of thin-film thermocouples used in those with corresponding processes of semiconductor technology the electrically conductive materials for forming the thermocouples be applied to a base layer. Such thin-film thermocouples include often polycrystalline silicon, which is covered with a metallic material connected to the measuring point. Conventional thin-film thermocouples comprising polysilicon can only in a limited way Temperature range can be used, in particular it is not possible such Thermocouples at very high temperatures, in particular above 500 ° C and more, because this leads to a change in material properties the thermocouples, z. B. by diffusion would result.

Aus der US 5,474,619 ist ein temperaturresistentes Thermoelement umfassend Übergangsmetallsilizide bekannt, wobei dieses Thermoelement nicht Silizium als elektrisch leitendes Material zur Erzeugung einer thermoelektrischen Spannung verwendet. Bei einer Wärmebehandlung während der Herstellung des Thermoelements erfolgt die Oxidation des Siliziums in dem Metallsilizid zu Siliziumoxid, wohingegen die Übergansmetallatome nicht oxidiert werden. Hierdurch wird eine Siliziumoxidschicht auf dem Metallsilizid des Thermoelements gebildet.From the US 5,474,619 is a temperature-resistant thermocouple comprising transition metal silicides known, said thermocouple does not use silicon as an electrically conductive material for generating a thermoelectric voltage. In a heat treatment during the manufacture of the thermocouple, the oxidation of the silicon in the metal silicide to silicon oxide, whereas the transition metal atoms are not oxidized. As a result, a silicon oxide layer is formed on the metal silicide of the thermocouple.

Aus der DE 100 33 589 A1 ist ein mikrostrukturierter Thermosensor bekannt, dessen strukturierte Leiterbahnen aus Metall sowie aus Halbleitermaterial bestehen.From the DE 100 33 589 A1 is a microstructured thermal sensor known whose structured interconnects of metal and semiconductor material.

In R. Buchner et al.: A high-temperature thermopile fabrication process for thermal flow sensors. In: Sensors and Actuators A, 2006, Vol. 130–131, Seiten 262–266 wird eine Dünnschicht-Thermosäule beschrieben, bei der als Materialien für die Leiterbahnen Wolframtitan sowie p-dotiertes Polysilizium verwendet wird.In R. Buchner et al .: A high-temperature thermopile fabrication process for thermal flow sensors. In: Sensors and Actuators A, 2006, Vol. 130-131, pages 262-266 a thin-film thermopile is described when as materials for the conductor tracks tungsten titanium and p-doped polysilicon used becomes.

In der US 2003/0205670 A1 der wird ein thermoelektrischer Infrarotsensor beschrieben, der als Leiterbahnen einen Polysiliziumfilm und einen Aluminiumfilm enthält.In the US 2003/0205670 A1 a thermoelectric infrared sensor is described, which contains as a conductor tracks a polysilicon film and an aluminum film.

Die US 2006/0118159 A1 beschreibt ein thermoelektrisches Element, welches Paare aus einem p-dotierten Halbleiter und einem n-dotierten Halbleiter umfasst. In dem Dokument wird die Verwendung einer Diffusionsbarriere zwischen den Halbleitern und Metallelektroden beschrieben.The US 2006/0118159 A1 describes a thermoelectric element comprising pairs of a p-type semiconductor and an n-type semiconductor. The document describes the use of a diffusion barrier between the semiconductors and metal electrodes.

In der US 3 082 277 A wird ein thermoelektrisches Element beschrieben, dessen thermoelektrischer Körper über Diffusionsbarrieren mit Metallkontakten verbunden ist.In the US 3 082 277 A a thermoelectric element is described, the thermoelectric body is connected via diffusion barriers with metal contacts.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Dünnschicht-Thermoelement-Anordnung sowie einen entsprechenden thermoelektrischen Sensor zu schaffen, welche hochtemperaturstabile Thermoelemente aus Silizium und einem metallischen Material enthalten. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer solcher Thermoelement-Anordnung zu schaffen.task The invention is a thin-film thermocouple assembly and to provide a corresponding thermoelectric sensor, which high temperature stable thermocouples made of silicon and a contain metallic material. Furthermore, it is an object of the invention a method for producing such a thermocouple assembly to accomplish.

Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.These Task is solved by the independent claims. further developments of the invention are in the dependent claims Are defined.

Die erfindungsgemäße Dünnschicht-Thermoelement-Anordnung beinhaltet wenigstens ein auf einer Basisschicht angeordnetes Thermoelement mit einer Anschlussstelle und einer Messstelle zur Erzeugung einer elektrischen Spannung an der Anschlussstelle bei einer Temperaturdifferenz zwischen Anschluss- und Messstelle. Das wenigstens eine Thermoelement umfasst eine erste Bahn aus Silizium und eine zweite Bahn aus metallischem Material umfassend Titan und/oder Wolframtitan und/oder Wolfram, welche sich zwischen der Anschlussstelle und der Messstelle erstrecken, wobei die erste Bahn und die zweite Bahn über eine Diffusionsbarriere umfassend Titannitrid zumindest an der Messstelle miteinander verbunden sind. Die Erfindung zeichnet sich durch die Verwendung einer Diffusionsbarriere aus, mit der es ermöglicht wird, dass die Thermoelement-Anordnung bei sehr hohen Temperaturen verwendet werden kann, bei denen in herkömmlichen Thermoelementen eine Diffusion an den Kontaktstellen zwischen dem metallischen Material und dem Silizium auftritt.The thin-film thermocouple arrangement according to the invention comprises at least one thermocouple arranged on a base layer with a connection point and a measuring point for generating an electrical voltage at the connection point at a temperature difference between connection point and measuring point. The at least one thermocouple comprises a first sheet of silicon and a second sheet of metallic material comprising titanium and / or tungsten titanium and / or tungsten extending between the junction and the measurement site, the first sheet and the second sheet comprising a diffusion barrier Titanium nitride are connected to each other at least at the measuring point. The invention is characterized by the use of a diffusion barrier that allows the thermocouple assembly to be used at very high temperatures where diffusion into contact point in conventional thermocouples len between the metallic material and the silicon occurs.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erste Bahn des Thermoelements in der erfindungsgemäßen Thermoelement-Anordnung Polysilizium, d. h. polykristallines Silizium. Als besonders geeignetes Material für die zweite Bahn der erfindungsgemäßen Thermoelement-Anordnung hat sich Wolframtitan erwiesen, welches 90 Volumen-% Wolfram und 10 Volumen-% Titan oder 90 Gewichts-% Wolfram und 10 Gewichts-% Titan enthält. Ferner umfasst die Diffusionsbarriere vorzugsweise ein Titannitrid, bei dem auf 21 Teile Titan 25 oder 25,5 Teile Stickstoff kommen.In a preferred embodiment comprises the first path of the thermocouple in the thermocouple arrangement according to the invention Polysilicon, d. H. polycrystalline silicon. As a particularly suitable Material for the second path of the thermocouple arrangement according to the invention Tungsten titanium has proved to be 90% by volume tungsten and 10% by volume of titanium or 90% by weight of tungsten and 10% by weight Contains titanium. Furthermore, the diffusion barrier preferably comprises a titanium nitride, in which come to 21 parts of titanium 25 or 25.5 parts of nitrogen.

In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung weist die erste Bahn und/oder die zweite Bahn jeweils eine Dicke zwischen 100 und 1000 nm (nm = Nanometer) auf, insbesondere von 300 nm. Die Schichtdicke der Diffusionsbarriere liegt vorzugsweise zwischen 10 und 100 nm, insbesondere bei 40 nm.In a further embodiment of the arrangement according to the invention, the first Web and / or the second web each have a thickness between 100 and 1000 nm (nm = nanometer), in particular of 300 nm. The layer thickness the diffusion barrier is preferably between 10 and 100 nm, especially at 40 nm.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist eine Passivierungsschicht auf der Oberseite der Anordnung vorgesehen, welche beispielsweise Siliziumnitrid umfasst. Die Dicke der Passivierungsschicht liegt vorzugsweise zwischen 100 und 1000 nm, insbesondere beträgt die Dicke im Wesentlichen 300 nm. Durch die Verwendung der Passivierungsschicht wird ein weiterer Vorteil der Anordnung gegenüber bekannten Anordnungen erreicht. Insbesondere kann die Passivierungsschicht durch einen LPCVD-Prozess (LPCVD = Low Pressure Chemical Vapour Disposition) bei hohen Temperaturen von 500°C und mehr, insbesondere zwischen 800 und 850°C, aufgebracht werden. Dies führt zu einer hohen mechanischen Stabilität der Thermoelement-Anordnung mit wenigen Defektstellen in der Passivierungsschicht sowie zu einer hohen chemischen Resistenz der Anordnung. Bei herkömmlichen Thermoelementen muss eine solche Passivierungsschicht bei niedrigeren Temperaturen aufgebracht werden, da es ansonsten zu Materialveränderungen aufgrund der Diffusion des metallischen Materials in das Silizium kommt, wodurch die elektrischen Eigenschaften des Thermoelements verändert werden.In a particularly preferred embodiment the inventive arrangement a passivation layer is provided on top of the device, which comprises, for example, silicon nitride. The thickness of the passivation layer is preferably between 100 and 1000 nm, in particular the thickness is essentially 300 nm. By using the passivation layer is achieved a further advantage of the arrangement over known arrangements. In particular, the passivation layer may be through an LPCVD process (LPCVD = Low Pressure Chemical Vapor Disposition) at high temperatures from 500 ° C and more, in particular between 800 and 850 ° C, are applied. This leads to a high mechanical stability of the thermocouple assembly with few defects in the passivation layer as well as one high chemical resistance of the arrangement. In conventional Thermocouples must have such a passivation layer at lower Temperatures are applied, otherwise it will cause material changes due to the diffusion of the metallic material into the silicon, whereby the electrical properties of the thermocouple are changed.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst die Basisschicht, auf der die erste und zweite Bahn aufgebracht werden, Siliziumnitrid. Die Dicke der Basisschicht liegt vorzugsweise zwischen 100 nm und 1000 nm, insbesondere bei 300 nm. Unterhalb der Basisschicht kann zumindest in Teilbereichen ein Substrat angeordnet sein. Die Teilbereiche, unter denen sich kein Substrat befindet, werden dabei häufig als Membran bezeichnet. Das Substrat selbst ist vorzugsweise Silizium, kann gegebenenfalls jedoch auch Quarz und/oder ein Polymer umfassen.In a further preferred embodiment of the inventive arrangement includes the base layer on which the first and second webs are applied be, silicon nitride. The thickness of the base layer is preferably between 100 nm and 1000 nm, in particular at 300 nm. Below The base layer can be arranged at least in partial areas, a substrate be. The subregions under which there is no substrate are often called as Designated membrane. The substrate itself is preferably silicon, however, if desired, it may also comprise quartz and / or a polymer.

In einer weiteren Ausgestaltung kann zwischen dem Substrat und der Basisschicht ferner eine Zwischenschicht, beispielsweise eine Siliziumoxidschicht, angeordnet sein. Diese Schicht weist vorzugsweise eine Dicke zwischen 100 und 1000 nm, insbesondere von 300 nm oder 500 nm, auf.In a further embodiment may between the substrate and the Base layer further comprises an intermediate layer, for example a silicon oxide layer, be arranged. This layer preferably has a thickness between 100 and 1000 nm, in particular of 300 nm or 500 nm, on.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird durch die Dünnschicht-Thermoelement-Anordnung eine sog. Thermosäule gebildet, bei der mehrere Thermoelemente in einer Reihe angeordnet sind, wobei zwei benachbarte Thermoelemente in der Reihe derart miteinander verbunden sind, dass das an der Anschlussstelle liegende Ende einer ersten Bahn eines der benachbarten Thermoelemente mit dem an der Anschlussstelle liegenden Ende einer zweiten Bahn des anderen der benachbarten Thermoelemente über eine Diffusionsbarriere aus Titannitrid elektrisch miteinander verbunden sind. Auf diese Weise wird in einer Thermosäule die Temperaturstabilität auch auf der Seite der Anschlussstelle durch die Verwendung einer entsprechenden Diffusionsbarriere sichergestellt.In a particularly preferred embodiment The invention is achieved by the thin-film thermocouple assembly a so-called thermopile formed, in which several thermocouples arranged in a row are, with two adjacent thermocouples in the row such connected to each other, that lying at the junction End of a first path of one of the adjacent thermocouples with the end of a second track of the others of the adjacent thermocouples via a diffusion barrier made of titanium nitride are electrically connected together. To this Way is in a thermopile the temperature stability also on the side of the junction by using a corresponding diffusion barrier ensured.

Die oben beschriebene Thermoelement-Anordnung wird vorzugsweise in einem thermoelektrischen Sensor verwendet, dessen Sensierung auf der Generierung einer elektrischen Spannung durch Temperaturveränderung beruht. Der thermoelektrische Sensor enthält hierbei zumindest eine der erfindungsgemäßen Thermoelement-Anordnungen. Die Ausgestaltung des Sensors ist dabei vorzugsweise derart, dass die Thermoelement-Anordnung oder die Thermoelement-Anordnungen in dem Sensor derart ausgebildet sind, dass sich unter den Anschlussstellen ein Substrat befindet und unter den Messstellen kein Substrat vorgesehen ist. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Sensor wenigstens zwei gegenüberliegende Thermoelement-Anordnungen.The The thermocouple arrangement described above is preferably in a thermoelectric sensor used, its sensing on the generation an electrical voltage is due to temperature change. The thermoelectric Sensor contains in this case at least one of the thermocouple arrangements according to the invention. The design The sensor is preferably such that the thermocouple assembly or the thermocouple assemblies are formed in the sensor are that there is a substrate under the connection points and no substrate is provided under the measuring points. In a In another embodiment of the invention, the sensor comprises at least two opposite ones Thermocouple assemblies.

In einer Vielzahl von Fällen ist der thermoelektrische Sensor ein aktiver Sensor, bei dem zunächst eine Ausgangsspannung vorliegt, welche sich dann bei der Sensierung verändern kann. In diesem Fall ist in dem Sensor benachbart zu den Messstellen ein Heizelement, insbesondere umfassend eine Leiterschleife, vorgesehen. Als Sensoren, in denen die erfindungsgemäße Thermoelement-Anordnung verwendet wird, kommen insbesondere ein Strömungssensor, ein Kalorimeter, ein katalytischer Gassensor, ein Infrarotsensor, ein Strahlungssensor oder ein Tropfensensor in Betracht. Der Aufbau eines Strömungssensors ist hierbei in der detaillierten Beschreibung dargelegt. Ein Kalorimeter dient zur Bestimmung von erzeugten und verbrauchten Wärmemengen bzw. der spezifischen Wärmekapazität eines Stoffes und ist ähnlich aufgebaut wie ein Strömungssensor. Ein katalytischer Gassensor erfasst die Temperaturveränderung aufgrund einer katalytischen Reaktion. Bei einem Infrarotsensor ist auf der Thermoelement-Anordnung eine strahlungsabsorbierende Schicht vorgesehen, welche sich durch die Infrarotstrahlung erwärmt und eine Temperaturdifferenz in der Thermoelement-Anordnung erzeugt, die wiederum zu einer entsprechenden Spannung führt. Ein Infrarotsensor ist somit eine spezielle Ausführungsform eines Strahlungssensors. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Anordnung in Tropfensensoren verwendet werden, bei denen die Eigenschaften eines Flüssigkeitstropfens über entsprechende Thermoelemente erfasst werden. Der Aufbau eines solchen Tropfensensors ist beispielsweise in „Droplet Characterisation using Thermoelectric Microsensors", M. Maiwald, R. Buchner, J. Ni, V. Zöllmer, I. Wirth, M. Busse, W. Benecke, W. Lang, Eurosensors 2006, Götheburg beschrieben.In a large number of cases, the thermoelectric sensor is an active sensor in which initially there is an output voltage, which can then change during the sensing. In this case, a heating element, in particular comprising a conductor loop, is provided in the sensor adjacent to the measuring points. Suitable sensors in which the thermocouple arrangement according to the invention is used are, in particular, a flow sensor, a calorimeter, a catalytic gas sensor, an infrared sensor, a radiation sensor or a drop sensor. The structure of a flow sensor is set forth in the detailed description. A calorimeter is used to determine the amount of heat generated or consumed or the specific heat capacity of a calorimeter Stoffes and is similar to a flow sensor. A catalytic gas sensor detects the temperature change due to a catalytic reaction. In an infrared sensor, a radiation-absorbing layer is provided on the thermocouple arrangement, which heats up by the infrared radiation and generates a temperature difference in the thermocouple assembly, which in turn leads to a corresponding voltage. An infrared sensor is thus a special embodiment of a radiation sensor. In addition, the arrangement according to the invention can be used in drop sensors in which the properties of a liquid drop are detected by means of corresponding thermocouples. The structure of such a drop sensor is described, for example, in "Droplet Characterization using Thermoelectric Microsensors", M. Maiwald, R. Buchner, J. Ni, V. Zöllmer, I. Wirth, M. Busse, W. Benecke, W. Lang, Eurosensors 2006 , Gothenburg described.

Die oben beschriebene Thermoelement-Anordnung kann ferner in einem Thermogenerator zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Wärmeenergie eingesetzt werden.The The above-described thermocouple assembly may further be in a thermal generator used to generate electrical energy from thermal energy.

Neben der oben beschriebenen Thermoelement-Anordnung und dem thermoelektrischen Sensor bzw. Thermogenerator umfasst die Erfindung ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Thermoelement-Anordnung mit den folgenden Schritten:

a) Ausbilden einer oder mehrerer erster Bahnen aus Silizium auf einer Basisschicht;
b) Ausbilden einer oder mehrerer Diffusionsbarrieren umfassend Titannitrid zumindest an einem Ende der ersten Bahn oder ersten Bahnen; und
c) Ausbilden einer oder mehrerer zweiter Bahnen aus metallischem Material umfassend Titan und/oder Wolframtitan und/oder Wolfram auf der Basisschicht, wobei zumindest ein Ende der zweiten Bahn oder der zweiten Bahnen auf einer in Schritt b) ausgebildeten Diffusionsbarriere liegt.

In addition to the above-described thermocouple arrangement and the thermoelectric sensor or thermogenerator, the invention further comprises a method for producing a thermocouple arrangement with the following steps:

a) forming one or more first tracks of silicon on a base layer;
b) forming one or more diffusion barriers comprising titanium nitride at least at one end of the first lane or first lanes; and
c) forming one or more second webs of metallic material comprising titanium and / or tungsten titanium and / or tungsten on the base layer, wherein at least one end of the second web or the second webs lies on a diffusion barrier formed in step b).

Durch die Verwendung der Diffusionsbarriere bei der Herstellung des Thermoelements kann das Thermoelement bei sehr viel höheren Temperaturen betrieben werden als Silizium-basierte Thermoelemente nach dem Stand der Technik.By the use of the diffusion barrier in the manufacture of the thermocouple The thermocouple can be operated at much higher temperatures are used as silicon-based thermocouples according to the prior art.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfassen die erste Bahn oder die ersten Bahnen Polysilizium und/oder die Basisschicht Siliziumnitrid.In a preferred embodiment In the method, the first or first tracks comprise polysilicon and / or the base layer of silicon nitride.

In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform werden mehrere erste und zweite Bahnen alternierend in Reihe nebeneinander ausgebildet, wobei Diffusionsbarrieren an beiden Enden der ersten Bahnen ausgebildet werden und an jedem Ende der ersten Bahn ein Ende einer benachbarten zweiten Bahn auf der Diffusionsbarriere liegt. Auf diese Weise wird die Herstellung einer Thermosäule durch das Verfahren ermöglicht.In In a further, particularly preferred embodiment, a plurality of first and second tracks alternately formed in series next to each other, wherein diffusion barriers are formed at both ends of the first paths and at each end of the first track one end of an adjacent second track Lane lies on the diffusion barrier. In this way, the Production of a thermopile by the procedure allows.

Die Prozesse, welche bei der Ausbildung der ersten und zweiten Bahnen bzw. der Diffusionsbarriere verwendet werden, sind aus der Halbleitertechnologie bekannte Abscheideprozesse, Strukturierungsprozesse und Ätzprozesse. Insbesondere kann das Silizium der ersten Bahn oder der ersten Bahnen durch einen LPCVD-Prozess abgeschieden werden. Das metallische Material der zweiten Bahn oder zweiten Bah nen kann mittels Sputtern aufgebracht werden. Das Material der Diffusionsbarriere wird insbesondere ebenfalls mittels Sputtern, vorzugsweise mittels reaktivem Sputtern, abgeschieden.The Processes involved in the formation of the first and second webs or the diffusion barrier are used, are of semiconductor technology known deposition processes, structuring processes and etching processes. In particular, the silicon of the first web or the first webs by be deposited an LPCVD process. The metallic material The second web or second Bah nen can be applied by sputtering. In particular, the material of the diffusion barrier also becomes by sputtering, preferably by means of reactive sputtering deposited.

In einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Passivierungsschicht auf der Oberseite der Thermoelement-Anordnung ausgebildet, wobei die Passivierungsschicht vorzugsweise Siliziumnitrid umfasst. Hierbei kann ein Hochtemperatur-Abscheideprozess in der Form eines LPCVD-Prozesses zur Abscheidung der Passivierungsschicht verwendet werden. Insbesondere wird ein LPCVD-Prozess bei Temperaturen von 500°C und mehr, insbesondere zwischen 800 und 850°C, eingesetzt. Auf diese Weise wird eine Thermoelement-Anordnung geschaffen, welche eine mechanisch sehr stabile und chemisch sehr resistente Passivierungsschicht mit wenigen Defektstellen aufweist.In a particularly preferred variant of the method according to the invention becomes a passivation layer on top of the thermocouple assembly formed, wherein the passivation layer is preferably silicon nitride includes. Here, a high-temperature deposition process in the Form of an LPCVD process for depositing the passivation layer be used. In particular, an LPCVD process becomes temperature of 500 ° C and more, especially between 800 and 850 ° C used. In this way a thermocouple arrangement is provided which is a mechanical very stable and chemically resistant passivation layer with has few defects.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Basisschicht vor Durchführung des Schritts a) derart bereitgestellt, dass sie auf einem Substrat, insbesondere durch einen LPCVD-Prozess, ausgebildet wird. In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Basisschicht vor Durchführung des Schritts a) derart bereitgestellt, dass auf einem Substrat eine Zwischenschicht aufgebracht wird und auf der Zwischenschicht die Basisschicht, insbesondere durch einen LPCVD-Prozess, ausgebildet wird. Die Zwischenschicht wird z. B. durch thermische Oxidation gebildet, wobei die Zwischenschicht vorzugsweise Siliziumoxid ist. Vorzugsweise wird das Substrat am Ende des Verfahrens zumindest in einem Teilbereich der Basisschicht von unten abgetragen, insbesondere abgeätzt.In An embodiment of the method according to the invention is the base layer before implementation of step a) provided on a substrate, in particular by an LPCVD process. In a Another embodiment of the method according to the invention is the base layer before implementation of step a) provided such that an intermediate layer on a substrate is applied and on the intermediate layer, the base layer, in particular through an LPCVD process. The intermediate layer is z. B. formed by thermal oxidation, wherein the intermediate layer preferably silica. Preferably, the substrate is at the end of the method at least in a subregion of the base layer of worn down, especially etched.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.embodiments The invention will be described below with reference to the attached figures described in detail.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine Draufsicht auf einen thermoelektrischen Strömungssensor mit Thermoelementen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; 1 a plan view of a thermoelectric flow sensor with thermocouples according to an embodiment of the invention;

2 eine vergrößerte Teilansicht der 1, welche detaillierter die in dem Strömungssensor verwendeten Thermoelemente zeigt; und 2 an enlarged partial view of the 1 showing in greater detail the thermocouples used in the flow sensor; and

3 ein Ablaufdiagramm, welches die erfindungsgemäße Herstellung des Strömungssensors der 1 verdeutlicht. 3 a flowchart illustrating the inventive production of the flow sensor of 1 clarified.

1 zeigt in Draufsicht einen thermoelektrischen Sensor, der eine Basisschicht 1 umfasst, wobei der durch das Quadrat mit abgerundeten Kanten wiedergegebene Bereich die Membran des Sensors darstellt, bei der unterhalb der Basisschicht keine weitere Schicht vorgesehen ist. Links und rechts an das Quadrat schließen sich Abschnitte an, bei denen unterhalb der Basisschicht ein Siliziumsubstrat angeordnet ist. In der Ausführungsform der 1 wird die Basisschicht aus einer Siliziumnitridschicht gebildet, welche eine Dicke von in etwa 300 nm aufweist. Gegebenenfalls ist unterhalb dieser Siliziumnitridschicht noch eine Siliziumoxidschicht vorgesehen. Auf der Basisschicht 1 sind zwei Thermosäulen 2 bzw. 2' angeordnet, welche durch eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Thermoelementen gebildet werden. Jedes Thermoelement umfasst dabei zwei sich parallel erstreckende Bahnen 5 bzw. 6, wobei aus Übersichtlichkeitsgründen in 1 nur zwei dieser Bahnen mit Bezugszeichen bezeichnet sind. Die Bahn 5 jedes Thermoelements besteht aus auf der Basisschicht aufgebrachtem Polysilizium, wobei dieses Material durch einfache Schraffur angedeutet ist. Die zweite Bahn 6 jedes Thermoelements besteht aus einem metallischen Material, wobei in den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen Wolframtitan verwendet wird. Wolframtitan wird dabei durch gekreuzte Schraffuren in den Figuren wiedergegeben. 1 shows in plan view a thermoelectric sensor, which is a base layer 1 wherein the area represented by the square with rounded edges represents the membrane of the sensor in which no further layer is provided below the base layer. To the left and right of the square are joined sections in which a silicon substrate is arranged below the base layer. In the embodiment of the 1 For example, the base layer is formed of a silicon nitride layer having a thickness of about 300 nm. Optionally, a silicon oxide layer is provided below this silicon nitride layer. On the base layer 1 are two thermopiles 2 respectively. 2 ' arranged, which are formed by a plurality of juxtaposed thermocouples. Each thermocouple comprises two parallel extending tracks 5 respectively. 6 , where for clarity in 1 only two of these webs are denoted by reference numerals. The train 5 Each thermocouple consists of polysilicon applied to the base layer, this material being indicated by simple hatching. The second train 6 Each thermocouple is made of a metallic material, with tungsten titanium being used in the embodiments described below. Wolframtitan is represented by crossed hatching in the figures.

Die Bahnen 5 und 6 jedes Thermoelements erstrecken sich parallel von dem linken bzw. rechten Rand der Membran nach innen. Ferner weisen die Thermoelemente Anschlussstellen 3 am linken bzw. rechten Rand der Membran auf, wobei aus Übersichtlichkeitsgründen nur zwei der Anschlussstellen mit dem Bezugszeichen 3 versehen sind. Darüber hinaus sind am entgegengesetzten Ende Messstellen 4 im zentralen Bereich der Membran vorgesehen, wobei aus Übersichtlichkeitsgründen auch nur zwei dieser Messstellen mit dem Bezugszeichen 4 versehen sind. Die Bahnen 5 und 6 eines jeweiligen Thermoelements sind über eine jeweilige Messstelle 4 miteinander verbunden, wobei an der Messstelle das Ende der ersten Bahn aus Polysilizium elektrisch mit dem Ende der metallischen Bahn aus Wolframtitan verbunden wird. Die Verbindung erfolgt unter Zwischenschaltung einer Diffusionsbarriere 7, so dass an der Messstelle der Schichtaufbau Polysilizium-Diffusionsbarriere-Wolframtitan vor liegt. Die Diffusionsbarriere 7 ist nicht aus 1 ersichtlich, jedoch in 2 und 3 wiedergegeben. Das Wolframtitan bildet somit die oberste Schicht dieses Schichtaufbaus und ist in 1 als schraffiertes Quadrat an der Messstelle ersichtlich.The railways 5 and 6 Each thermocouple extends in parallel from the left and right edges of the membrane inwards. Furthermore, the thermocouples have connection points 3 on the left or right edge of the membrane, for reasons of clarity, only two of the connection points with the reference numeral 3 are provided. In addition, at the opposite end are measuring points 4 provided in the central region of the membrane, for reasons of clarity, only two of these measuring points by the reference numeral 4 are provided. The railways 5 and 6 of a respective thermocouple are via a respective measuring point 4 connected to each other at the measuring point, the end of the first polysilicon web is electrically connected to the end of the metallic tungsten titanium sheet. The connection takes place with the interposition of a diffusion barrier 7 , so that at the measuring point of the layer structure polysilicon diffusion barrier tungsten titanium is present. The diffusion barrier 7 is not out 1 visible, but in 2 and 3 played. The tungsten titanium thus forms the uppermost layer of this layer structure and is in 1 visible as a hatched square at the measuring point.

Aus diesem Quadrat erstreckt sich das Wolframtitan als Bahn 6 zu der Anschlussstelle 3. An der Anschlussstelle erfolgt dann die Verbindung des jeweiligen Thermoelements mit einem nächsten, benachbarten Thermoelement, wobei an der Anschlussstelle der gleiche Schichtaufbau wie an der Messstelle vorliegt, so dass das Polysilizium der Bahn 5 eines nächsten Thermoelements wiederum unter Zwischenschaltung einer Diffusionsbarriere mit dem Wolframtitan der Bahn 6 des vorhergehenden Thermoelements verbunden wird. Das Wolframtitan ist somit wieder die oberste Schicht des Schichtaufbaus, was durch ein entsprechendes schraffiertes Quadrat an den Anschlussstellen 3 ersichtlich wird. Auf diese Weise wird eine Hintereinanderschaltung einer Vielzahl von Thermoelementen erreicht, wodurch eine Thermosäule gebildet wird. Am unteren Ende der beiden Thermosäulen 2 und 2' erfolgt jeweils eine Kontaktierung des Polysiliziums mit einer entsprechenden Anschlussleiterbahn 8, welche in der Ausführungsform der 1 ebenfalls aus Wolframtitan besteht. Die Anschlussleiterbahnen münden schließlich in entsprechende Spannungsanschlüsse 9. Analog erstreckt sich die oberste Bahn aus Wolframtitan der Thermosäulen 2 und 2' in eine entsprechende Leiterbahn 8, welche ebenfalls zu einem Spannungsanschluss 9 führt. Auch diese Leiterbahn besteht in der Ausführungsform der 1 aus Wolframtitan.From this square extends the Wolframtitan as a train 6 to the connection point 3 , At the junction then the connection of the respective thermocouple with a next adjacent thermocouple, wherein at the junction of the same layer structure as at the measuring point is present, so that the polysilicon of the web 5 a next thermocouple again with the interposition of a diffusion barrier with the tungsten titanium of the web 6 of the preceding thermocouple is connected. The tungsten titanium is thus again the uppermost layer of the layer structure, which is represented by a corresponding hatched square at the connection points 3 becomes apparent. In this way, a series connection of a plurality of thermocouples is achieved, whereby a thermopile is formed. At the bottom of the two thermopiles 2 and 2 ' In each case, a contacting of the polysilicon with a corresponding connection trace 8th , which in the embodiment of the 1 also made of tungsten titanium. The connecting conductor tracks finally lead into corresponding voltage connections 9 , Similarly, the uppermost sheet of tungsten titanium of the thermopile extends 2 and 2 ' in a corresponding trace 8th , which also to a voltage connection 9 leads. This track is in the embodiment of the 1 made of tungsten titanium.

Der thermoelektrische Strömungssensor der 1 enthält ferner ein zentrales Heizelement in der Form einer Leiterschleife 10, welche aus Wolframtitan besteht und auf der Membran aufgebracht ist. Die Leiterschleife ist an ihrem unteren Ende geschlossen und führt an dem oberen Ende in entsprechende Zuleitungen 11, welche an Spannungsanschlüssen 12 enden. Über diese Anschlüsse wird eine Heizspannung angelegt, welche eine Aufheizung des Sensors derart bewirkt, dass an den Messstellen 4 ein Temperaturunterschied gegenüber den Anschlussstellen 3 entsteht. Dieser Temperaturunterschied führt zur Generierung einer entsprechenden Spannung an den Anschlussstellen 3 der Thermoelemente, wobei die Spannung durch die Hintereinanderschaltung einer Vielzahl von Thermoelementen verstärkt wird. Die von den Thermosäulen 2 und 2' generierte Spannung kann dann an den Anschlüssen 9 gemessen werden.The thermoelectric flow sensor of 1 Also includes a central heating element in the form of a conductor loop 10 , which consists of tungsten titanium and is applied to the membrane. The conductor loop is closed at its lower end and leads at the upper end in corresponding supply lines 11 , which at voltage connections 12 end up. Via these connections, a heating voltage is applied, which causes a heating of the sensor such that at the measuring points 4 a temperature difference compared to the connection points 3 arises. This temperature difference leads to the generation of a corresponding voltage at the connection points 3 the thermocouples, wherein the voltage is amplified by the series connection of a plurality of thermocouples. The of the thermopiles 2 and 2 ' generated voltage can then be connected to the terminals 9 be measured.

Auf der Oberseite des thermoelektrischen Sensors der 1 befindet sich ferner eine Passivierungsschicht, welche noch näher bei der Beschreibung des Herstellungsverfahrens gemäß 3 erläutert wird. Diese Passivierungsschicht wird durch LPCVD-Verfahren bei hohen Temperaturen von zwischen 800°C und 850°C aufgebracht und führt zu einer sehr guten chemischen Resistenz, mechanischen Stabilität und geringen Defektdicht des thermoelektrischen Sensors. Dass die Aufbringung der Passivierungsschicht bei solchen Temperaturen möglich ist, wird erfindungsgemäß durch die Diffusionsbarriere aus Titannitrid zwischen der ersten Bahn 5 und der zweiten Bahn 6 an den Mess- und Anschlussstellen gewährleistet, denn hierdurch wird ein Diffundieren des Wolframtitans der zweiten Bahn 6 in das Polysilizium der ersten Bahn 5 verhindert. In herkömmlichen Sensoren wird keine solche Diffusionsbarriere verwendet, was die Folge hat, dass eine Passivierungsschicht nur bei geringeren Temperaturen aufgebracht werden kann, da ansonsten Diffusionsprozesse auftreten würden. Im Stand der Technik werden deshalb zur Aufbringung der Passivierungsschicht anstatt von LPCVD-Prozessen PECVD-Prozesse (PECVD = Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) eingesetzt, welche bei niedrigeren Temperaturen durchgeführt werden können.On top of the thermoelectric sensor the 1 There is also a passivation layer, which is even closer to the description of the manufacturing method according to 3 is explained. This passivation layer is applied by LPCVD process at high temperatures of between 800 ° C and 850 ° C and leads to ei ner very good chemical resistance, mechanical stability and low defect density of the thermoelectric sensor. That the application of the passivation layer at such temperatures is possible, according to the invention by the diffusion barrier of titanium nitride between the first web 5 and the second track 6 ensured at the measuring and connection points, because this is a diffusing the Wolframtitans the second lane 6 into the polysilicon of the first web 5 prevented. In conventional sensors, no such diffusion barrier is used, with the result that a passivation layer can only be applied at lower temperatures, since otherwise diffusion processes would occur. In the prior art, therefore, PECVD processes (PECVD = Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) are used instead of LPCVD processes for applying the passivation layer, which can be carried out at lower temperatures.

2 zeigt eine Detailansicht eines Teils der Thermosäule 2 des thermoelektrischen Strömungssensors der 1. Man erkennt in 2 einen Abschnitt der Leiterschleife 10 sowie eine Mehrzahl von Thermoelementen mit entsprechenden Bahnen 5 und 6, welche an den Messstellen 4 bzw. Anschlussstellen 3 miteinander verbunden sind. Aus 2 wird ferner durch eine schwarze Umrandung der quadratischen Anschluss- bzw. Messstellen die Diffusionsbarriere 7 wiedergegeben, welche zwischen Wolframtitan und Polysilizium der einzelnen Bahnen vorgesehen ist. Aus Übersicht lichkeitsgründen ist nur an zwei Stellen die Diffusionsbarriere mit dem Bezugszeichen 7 versehen. 2 shows a detailed view of a part of the thermopile 2 the thermoelectric flow sensor of 1 , One recognizes in 2 a section of the conductor loop 10 and a plurality of thermocouples with respective tracks 5 and 6 , which at the measuring points 4 or connection points 3 connected to each other. Out 2 Furthermore, by a black border of the square connection or measuring points, the diffusion barrier 7 reproduced, which is provided between tungsten titanium and polysilicon of the individual webs. For reasons of clarity reasons, the diffusion barrier with the reference numeral is only in two places 7 Mistake.

3 zeigt den Herstellungsprozess des thermoelektrischen Sensors gemäß 1 in Schnittansicht, wobei ein Schnitt entlang von zwei gegenüberliegenden Leiterbahnen 6 der beiden Thermosäulen 2 bzw. 2' wiedergegeben ist. In dem Herstellungsverfahren wird ausgehend von einem Siliziumwafer 13, der das Substrat bildet, zunächst eine Siliziumoxidschicht (nicht gezeigt) von in etwa 500 nm Dicke durch thermische Oxidation aufgebracht. Auf dieser Oxidschicht wird anschließend eine Siliziumnitridschicht von in etwa 300 nm aufgebracht, wobei das Aufbringen dieser Schicht über einen LPCVD-Prozess erfolgt. Diese Siliziumnitridschicht bildet die Basisschicht in der hier beschriebenen Ausführungsform und ist analog zu den vorhergehenden Figuren mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. 3 shows the manufacturing process of the thermoelectric sensor according to 1 in a sectional view, wherein a section along two opposite conductor tracks 6 the two thermopiles 2 respectively. 2 ' is reproduced. In the manufacturing process, starting from a silicon wafer 13 forming the substrate, first applying a silicon oxide layer (not shown) of about 500 nm thickness by thermal oxidation. On this oxide layer, a silicon nitride layer of about 300 nm is then applied, wherein the application of this layer takes place via an LPCVD process. This silicon nitride layer forms the base layer in the embodiment described here and is analogous to the preceding figures by the reference numeral 1 designated.

In dem Prozessschritt A wird nunmehr das Polysilizium der ersten Bahnen 5 aufgebracht, wobei aufgrund des Schnitts entlang der (noch nicht aufgebrachten) Bahn 6 nur die Enden des Polysiliziums an der Mess- und Anschlussstelle wiedergegeben sind. Das Aufbringen des Polysiliziums erfolgt mit herkömmlichen, aus der Halbleitertechnik bekannten Prozessen. Hierbei wird zunächst das Polysilizium mittels eines LPCVD-Prozesses abgeschieden. Nachfolgend erfolgt die Strukturierung des Polysiliziums mittels Lithographie. Hierbei wird Fotolack auf das Polysilizium aufgebracht, und anschließend erfolgt eine Belichtung mit einer Fotomaske, welche der gewünschten Struktur der ersten Bahnen entspricht. Schließlich wird der belichtete Fotolack entfernt, und mit Hilfe eines Ätzprozesses werden die Bahnen strukturiert.In the process step A is now the polysilicon of the first tracks 5 applied, due to the section along the (not yet applied) web 6 only the ends of the polysilicon are reproduced at the measuring and connection point. The polysilicon is applied by conventional processes known from semiconductor technology. In this case, first the polysilicon is deposited by means of an LPCVD process. Subsequently, the structuring of the polysilicon by means of lithography. In this case, photoresist is applied to the polysilicon, and then there is an exposure with a photomask, which corresponds to the desired structure of the first webs. Finally, the exposed photoresist is removed, and the paths are patterned using an etching process.

Im Prozessschritt B erfolgt die Abscheidung von Titannitrid als Diffusionsbarriere 7 auf dem Polysilizium. Es wird dabei Titannitrid mit einer Dicke von in etwa 40 nm aufgebracht. Die Abscheidung erfolgt hierbei durch reaktives Sputtern, bei dem als Target Titan verwendet wird und dem Reaktionsgas Argon Stickstoff zugesetzt ist, so dass sich Titannitrid abscheidet. Die Strukturierung erfolgt analog wie bei der Abscheidung von Polysilizium mit einem entsprechenden Lithographie- und Ätzpro zess. Als Ätzprozess wird ein physikalisch-chemischer Ätzprozess mit reaktiven Ionen verwendet (englisch: „Reactive Ion Etching"), bei dem im Plasma Chlorradikale enthalten sind, welche die chemische Ätzung bewirken.In process step B, the deposition of titanium nitride takes place as a diffusion barrier 7 on the polysilicon. It is thereby applied titanium nitride with a thickness of about 40 nm. The deposition takes place here by reactive sputtering, in which titanium is used as target and argon nitrogen is added to the reaction gas, so that depositing titanium nitride. The structuring is analogous to the deposition of polysilicon with a corresponding lithography and Ätzpro process. As etching process, a physico-chemical etching process with reactive ions is used (English: "Reactive Ion Etching"), which are contained in the plasma chlorine radicals, which cause the chemical etching.

Schließlich erfolgt im Prozessschritt C die Abscheidung von Wolframtitan mit einem herkömmlichen Sputterprozess, wobei die Oberfläche durch Lithographie und Ätzen derart strukturiert wird, dass durch das Wolframtitan sowohl die zweiten Bahnen 6 als auch die Leiterschleife 10 des Heizers gebildet wird. Als Ätzprozess wird für das Wolframtitan nasschemisches Ätzen verwendet.Finally, in process step C, the deposition of tungsten titanium is carried out using a conventional sputtering process, wherein the surface is structured by lithography and etching in such a way that both the second orbits are formed by the tungsten titanium 6 as well as the conductor loop 10 of the heater is formed. As an etching process, wet-chemical etching is used for the tungsten titanium.

In Prozessschritt D erfolgt schließlich das Aufbringen der Passivierungsschicht 14, welche aus Siliziumnitrid besteht. In der hier beschriebenen Ausführungsform erfolgt die Abscheidung der Passivierungsschicht mittels eines LPCVD-Prozesses, der bei hohen Temperaturen von in etwa zwischen 800°C und 850°C durchgeführt wird. Der LPCVD-Prozess dauert insgesamt sechs Stunden. Es wird hierdurch eine Passivierungsschicht von etwa 300 nm gebildet, welche im Hinblick auf die chemische Resistenz, die Defektdichte und mechanische Stabilität wesentlich besser ist als beim Abscheiden der Schicht bei niedrigeren Temperaturen, wie dies bei einem herkömmlichen PECVD-Prozess der Fall ist. Abschließend erfolgt in Schritt E noch eine Ätzung der Unterseite des Substrats 13 im zentralen Bereich bis zur Siliziumnitridschicht 1. Es wird hierdurch im zentralen Bereich die Membran des Sensors gebildet. Diese Membran wird am Rand durch das Substrat 13 begrenzt.Finally, in process step D, the application of the passivation layer takes place 14 , which consists of silicon nitride. In the embodiment described here, the deposition of the passivation layer is carried out by means of an LPCVD process, which is carried out at high temperatures of approximately between 800 ° C and 850 ° C. The LPCVD process takes a total of six hours. Thereby, a passivation layer of about 300 nm is formed, which is much better in terms of chemical resistance, defect density and mechanical stability than deposition of the layer at lower temperatures, as is the case with a conventional PECVD process. Finally, in step E, an etching of the underside of the substrate takes place 13 in the central area up to the silicon nitride layer 1 , It is thus formed in the central region of the membrane of the sensor. This membrane is at the edge through the substrate 13 limited.

Der gemäß 3 hergestellte thermische Strömungssensor dient zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten oder Gasen, welche beispielsweise in der Richtung des Pfeils P an dem Sensor entlang fließen. Im Betrieb wird durch die Leiterschleife 10 Wärme erzeugt, welche ein Aufheizen der Messstellen 4 der beiden Thermosäulen 2 bzw. 2' zur Folge hat. Die Membran, in der die Thermoelemente und die Leiterschleife des Heizers eingebettet sind, dient dabei zur thermischen Isolation von Heizer und Thermoelementen. Das Substrat 13 fungiert aufgrund seiner Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit als Wärmesenke. Die Anschlussstel len der Thermosäulen im Bereich des Substrats 13 weisen eine geringere Temperatur als die Messstellen auf, so dass es zu einer thermoelektrischen Spannung kommt, welche ohne Fluidströmung für beide Thermoelemente 2 und 2' aufgrund der symmetrischen Wärmeausbreitung vom Heizer gleich groß ist. Kommt es zu einer Strömung, so verschiebt sich das Temperaturprofil und die stromabwärts gemessene Temperaturdifferenz ist größer als die stromaufwärts gemessene. Dies führt wiederum zu einer Differenz zwischen den Spannungen der beiden Thermosäulen 2 und 2', wobei diese Spannungsveränderung von der Strömungsgeschwindigkeit abhängt. Nach geeigneter Kalibrierung des Sensors kann dieser somit zur Bestimmung der Fluidströmung eingesetzt werden.The according to 3 The thermal flow sensor produced serves to determine the flow velocity of liquids or gases flowing along the sensor, for example in the direction of the arrow P. In operation becomes through the conductor loop 10 Heat is generated, which is a heating of the measuring points 4 the two thermopiles 2 respectively. 2 ' entails. The membrane, in which the thermocouples and the conductor loop of the heater are embedded, serves for the thermal insulation of heaters and thermocouples. The substrate 13 acts as a heat sink due to its heat capacity and thermal conductivity. The connection points of the thermopile in the region of the substrate 13 have a lower temperature than the measuring points, so that it comes to a thermoelectric voltage, which without fluid flow for both thermocouples 2 and 2 ' due to the symmetrical heat propagation from the heater is the same size. If there is a flow, the temperature profile shifts and the downstream measured temperature difference is greater than the upstream measured. This in turn leads to a difference between the voltages of the two thermopiles 2 and 2 ' , this voltage change depends on the flow rate. After suitable calibration of the sensor, this can thus be used to determine the fluid flow.

Die Erfinder haben entsprechende Versuche durchgeführt, bei denen sie einen mit dem Verfahren gemäß 3 hergestellten Sensor mit einem herkömmlichen Sensor verglichen haben, bei dem keine Diffusionsbarriere verwendet wurde. Insbesondere wurden SIMS-Analysen (SIMS = Sekundärionen-Massen-Spektroskopie) vorgenommen, bei denen das Tiefenprofil einer Probe mit Diffusionsbarriere mit dem Tiefenprofil einer Probe ohne Diffusionsbarriere verglichen wurde. Es hat sich gezeigt, dass mit Diffusionsbarriere kein Eindringen des Wolframtitans in das Polysilizium erfolgt, wohingegen ohne Diffusionsbarriere aufgrund der hohen Temperaturen während der Passivierung die Diffusion von Wolframtitan in das Polysilizium erfolgt, was zu unerwünschten Delaminationen und hohen Kontaktwiderständen führt.The inventors have carried out corresponding experiments in which they use the method according to 3 manufactured sensor compared with a conventional sensor, in which no diffusion barrier was used. In particular, SIMS analyzes (SIMS = secondary ion mass spectroscopy) were performed, in which the depth profile of a sample with diffusion barrier was compared with the depth profile of a sample without a diffusion barrier. It has been shown that diffusion barrier does not penetrate the tungsten titanium into the polysilicon, whereas without diffusion barrier the diffusion of tungsten titanium into the polysilicon occurs due to the high temperatures during the passivation, which leads to undesirable delaminations and high contact resistances.

Claims

Thin-film thermocouple arrangement with at least one on a base layer ( 1 ) arranged thermocouple with a connection point ( 3 ) and a measuring point ( 4 ) for generating an electrical voltage at the connection point ( 3 ) at a temperature difference between connection point and measuring point ( 3 . 4 ), wherein the at least one thermocouple is a first path ( 5 ) of silicon and a second web ( 6 ) of metallic material comprising titanium and / or tungsten titanium and / or tungsten, which is located between the connection point ( 3 ) and the measuring point ( 4 ), the first path ( 5 ) and the second web ( 6 ) via a diffusion barrier ( 7 ) comprising titanium nitride at least at the measuring point ( 4 ) are interconnected.

Arrangement according to claim 1, characterized in that the first track ( 5 ) Comprises polysilicon.

Arrangement according to claim 1 or 2, characterized that the tungsten titanium is 90% by volume tungsten and 10% by volume titanium or 90% by weight Tungsten and 10% by weight of titanium.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that in the titanium nitride, the diffusion barrier ( 7 ) come to 21 parts of titanium 25 or 25.5 parts of nitrogen.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the first path ( 5 ) and / or the second web ( 6 ) each have a thickness between 100 and 1000 nm, in particular a thickness of 300 nm.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the diffusion barrier ( 7 ) has a thickness between 10 and 100 nm, in particular a thickness of 40 nm.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the arrangement comprises a passivation layer ( 14 ) on the top.

Arrangement according to claim 7, characterized in that the passivation layer ( 14 ) Comprises silicon nitride.

Arrangement according to claim 7 or 8, characterized in that the passivation layer ( 14 ) has a thickness between 100 and 1000 nm, in particular a thickness of 300 nm.

Arrangement according to one of claims 7 to 9, characterized in that the passivation layer ( 14 ) has been applied by an LPCVD process at temperatures of 500 ° C and more, especially at temperatures between 800 and 850 ° C.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the base layer ( 1 ) Comprises silicon nitride.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the base layer ( 1 ) has a thickness of between 100 nm and 1000 nm, in particular a thickness of 300 nm.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that below the base layer ( 1 ) at least in some areas Substrate ( 13 ) is arranged.

Arrangement according to claim 13, characterized the substrate comprises silicon and / or quartz and / or a polymer.

Arrangement according to claim 13 or 14, characterized in that between the substrate ( 13 ) and the base layer ( 1 Further, an intermediate layer, in particular a silicon oxide layer, is arranged, which preferably has a thickness between 100 and 1000 nm, in particular a thickness of 500 nm.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of thermocouples are arranged in a row, wherein two adjacent thermocouples in the row are each connected to each other in such a way that at the junction ( 3 ) lying end of a first track ( 5 ) of one of the adjacent thermocouples with the one at the junction ( 3 ) end of a second track ( 6 ) of the other of the adjacent thermocouples via a diffusion barrier ( 7 ) are electrically interconnected of titanium nitride.

Thermoelectric sensor whose sensing is based on the generation of an electrical voltage by temperature change, comprising one or more thermocouple arrangements ( 2 . 2 ' ) according to any one of the preceding claims.

Sensor according to claim 17, characterized in that the thermocouple arrangement ( 2 . 2 ' ) or thermocouple arrangements ( 2 . 2 ' ) are formed such that under the connection points ( 3 ) a substrate ( 13 ) and under the measuring points ( 4 ) no substrate is provided.

Sensor according to claim 18, characterized in that the sensor comprises at least two opposing thermocouple arrangements ( 2 . 2 ' ) having.

Sensor according to one of claims 17 to 19, characterized in that adjacent to the measuring points ( 4 ) a heating element ( 10 ), in particular comprising at least one conductor loop, is provided.

Sensor according to one of Claims 17 to 20, characterized that the sensor is a flow sensor or a calorimeter or a catalytic gas sensor or an infrared sensor or a radiation sensor or a drop sensor.

Thermal generator for generating electrical energy from heat energy, comprising one or more thermocouple arrangements ( 2 . 2 ' ) according to one of claims 1 to 16.

Method for producing a thermocouple arrangement ( 2 . 2 ' ) according to one of claims 1 to 16, comprising the steps: a) forming one or more first webs ( 2 ) of silicon on a base layer ( 1 ); b) forming one or more diffusion barriers ( 7 comprising titanium nitride at least at one end of the first web ( 5 ) or first tracks ( 5 ); c) forming one or more second webs of metallic material comprising titanium and / or tungsten titanium and / or tungsten on the base layer ( 1 ), wherein at least one end of the second path ( 6 ) or second tracks ( 6 ) on a diffusion barrier formed in step b) ( 7 ) lies.

Method according to claim 23, characterized in that the first web ( 5 ) or the first tracks ( 5 ) Polysilicon and / or the base layer ( 1 ) Comprises silicon nitride.

Method according to claim 23 or 24, characterized in that a plurality of first and second webs ( 5 . 6 ) are formed alternately in series next to each other, wherein the diffusion barrier ( 7 ) at both ends of the first tracks ( 2 ) and at each end of a first track ( 5 ) one end of an adjacent second web ( 6 ) on the diffusion barrier ( 7 ) lies.

Method according to one of claims 23 to 25, characterized in that the first and second tracks ( 5 . 6 ) or the first and second lanes ( 5 . 6 ) as well as the diffusion barrier or the diffusion barriers ( 7 ) are applied by means of deposition processes, structuring processes and etching processes.

Method according to one of claims 23 to 26, characterized in that the silicon of the first web ( 5 ) or first tracks ( 5 ) is applied by a LPCVD process.

Method according to one of claims 23 to 27, characterized in that the metallic material of the second web ( 6 ) or second tracks ( 6 ) is applied by sputtering.

Method according to one of claims 23 to 28, characterized in that the material of the diffusion barrier ( 7 ) is applied by sputtering, in particular by reactive sputtering.

Method according to one of claims 23 to 29, characterized in that a passivation layer, in particular comprising silicon nitride, on top of the thermocouple arrangement ( 2 . 2 ' ) is formed.

Method according to claim 30, characterized that the passivation layer by an LPCVD process at temperatures from 500 ° C and more, especially at temperatures between 800 and 850 ° C applied becomes.

Method according to one of claims 23 to 31, characterized in that the base layer ( 1 ) before performing step a) such that it is deposited on a substrate ( 13 ), in particular by an LPCVD process.

Method according to one of claims 23 to 31, characterized in that the base layer ( 1 ) before performing step a) such that on a substrate ( 13 ) An intermediate layer is applied and on the intermediate layer, the base layer, in particular by an LPCVD process is formed.

Method according to claim 33, characterized that the intermediate layer formed by thermal oxidation is, wherein the intermediate layer is preferably silica.

Method according to one of claims 32 to 34, characterized in that the substrate ( 13 ) at least in a subregion of the base layer ( 1 ) is removed from below, in particular etched off.