DE102012217667A1

DE102012217667A1 - Verfahren zur Herstellung eines Heizelements für einen Sensor zur Detektion von Teilchen

Info

Publication number: DE102012217667A1
Application number: DE201210217667
Authority: DE
Inventors: Tino Fuchs
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2014-03-27

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines Heizelements (14) für einen Sensor (10) zur Detektion von Teilchen, insbesondere von Rußpartikeln, vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Substrats (12), Aufbringen mindestens einer Starterschicht (36) mindestens eines elektrisch leitenden Materials auf das Substrat (12), galvanisches Aufbringen mindestens einer Kupferschicht (42) auf die Starterschicht (36), und Aufbringen mindestens einer Goldschicht (46) auf die Kupferschicht (42). Ein so herstellbarer Sensor (10) zur Detektion von Teilchen, insbesondere von Rußpartikeln, weist mindestens zwei Messelektroden (20), die auf einem Substrat (18) aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff angeordnet sind, und ein Heizelement (14) auf. Das Heizelement (14) weist ein Substrat (12), eine Starterschicht (36) mindestens eines elektrisch leitenden Materials auf dem Substrat (12), eine Kupferschicht (42) auf der Starterschicht (36) und eine Goldschicht (46) auf der Kupferschicht (42) auf.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zur Detektion von Teilchen, wie beispielsweise Ruß- oder Staubpartikeln, bekannt.
Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf Sensoren zur Detektion von Teilchen, insbesondere von Rußpartikeln in einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine, beschrieben.
Es ist aus der Praxis bekannt, mittels zweier Elektroden, die auf einer Keramik angeordnet sind, eine Konzentration von Teilchen, wie beispielsweise Ruß- oder Staubpartikeln, in einem Abgas zu messen. Dies kann beispielsweise durch eine Messung des elektrischen Widerstandes des die beiden Elektroden trennenden keramischen Werkstoffs erfolgen.
Die US 6,634,210 B1 beschreibt einen Rußpartikelsensor, der den Stromfluss auswertet, der zwischen zwei Elektroden fließt, zwischen denen sich Ruß angelagert hat. Die Überwachungsfunktion für Dieselpartikel im Rahmen der so genannten On-Board-Diagnose führt zukünftig zu einem Bedarf an Sensoren zur Partikeldetektion in Dieselfahrzeugen. Der Betrieb der sammelnden Sensoren, wie er beispielsweise aus dem oben genannten Stand der Technik bekannt ist, erfordert eine zyklisch stattfindende Sensorregeneration, die den bis dahin gesammelten Ruß wieder abbaut. Ein bewährtes Verfahren hierfür ist die Verbrennung von Ruß in sauerstoffhaltiger Atmosphäre, die ab Temperaturen von ca. 700°C beginnt. Die Erzeugung dieser Regenerationstemperatur kann über ein metallisches Heizelement erfolgen, das in den Sensor integriert ist und elektrische Energie in Joulesche Wärme umsetzt.
Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Detektion von Teilchen beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So wird bei der Herstellung der oben genannten Sensoren für das Heizelement eine relativ dicke Platinpaste oder platinhaltige keramische Paste verwendet, wodurch die Herstellungskosten des Sensors erhöht sind.
Offenbarung der Erfindung
Es werden daher ein Verfahren zur Herstellung eines Heizelements für einen Sensor zur Detektion von Teilchen sowie ein nach diesem Verfahren hergestelltes Heizelement für einen Sensor zur Detektion von Teilchen vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Verfahren und Strategien zumindest weitgehend vermeiden können und die insbesondere ohne die Verwendung von mehreren Mikrometer dicken Platinpasten oder platinhaltigen keramischen Pasten auskommen und dadurch die Herstellungskosten des Sensors deutlich reduzieren.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Heizelements für einen Sensor zur Detektion von Teilchen, insbesondere von Rußpartikeln, umfasst die folgenden Schritte, bevorzugt in der folgenden Reihenfolge:

– Bereitstellen eines Substrats,
– Aufbringen mindestens einer Starterschicht mindestens eines elektrisch leitenden Materials auf das Substrat,
– galvanisches Aufbringen mindestens einer Kupferschicht auf die Starterschicht, und
– Aufbringen mindestens einer Goldschicht auf die Kupferschicht.

Die Kupferschicht kann fotolithografisch strukturiert werden. Die Kupferschicht kann mittels eines fotolithografischen Lift-Off-Verfahrens strukturiert werden. Vor dem Aufbringen der Kupferschicht auf die Starterschicht kann mindestens ein Fotolack auf die Starterschicht derart aufgebracht werden, dass der Fotolack die Starterschicht in vorbestimmten Bereichen bedeckt, wobei die Kupferschicht in den nicht von dem Fotolack bedeckten Bereichen auf die Starterschicht aufgebracht wird. Nach dem Aufbringen der Kupferschicht auf die Starterschicht kann mindestens ein Fotolack derart auf die Kupferschicht aufgebracht werden, dass der Fotolack die Kupferschicht in vorbestimmten Bereichen bedeckt. Der Fotolack kann vor dem Aufbringen der Goldschicht entfernt werden. Vor dem Aufbringen der Goldschicht kann die Starterschicht in Bereichen, in welchen die Starterschicht nicht von der Kupferschicht bedeckt ist, entfernt werden. Die Starterschicht kann zusammen mit der Kupferschicht derart teilweise entfernt werden, dass die Kupferschicht und die Starterschicht als Stapel in der vorbestimmten Form auf dem Substrat verbleiben. Die Starterschicht kann durch ein Ätzverfahren entfernt werden. Die Kupferschicht kann eine Dicke von 0,5 µm bis 20 µm und bevorzugt von 1,0 µm bis 10 µm aufweisen. Die Goldschicht kann eine Dicke von 0,05 µm bis 10 µm und bevorzugt von 0,1 µm bis 5 µm aufweisen. Die Starterschicht kann als Schichtverbund aus mehreren Schichten aufgebaut sein. Die Materialien des Schichtverbunds können ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Chrom, Titan, Chrom-Wolfram und Titan-Wolfram. Die Goldschicht kann durch Eintauchen in eine Gold(III)-Chloridlösung aufgebracht werden. Das Substrat kann ein Siliziumwafer ist, wobei zwischen dem Substrat und der Starterschicht mindestens eine Isolationsschicht angeordnet wird. Die Isolationsschicht kann aus einem Material hergestellt sein, das zumindest Siliziumdioxid und/oder Aluminiumoxid umfasst. Das Verfahren kann nach dem Aufbringen der Goldschicht ferner einen Schritt des Erwärmens auf 650°C bis 750°C umfassen.
Ein erfindungsgemäßer Sensor zur Detektion von Teilchen, insbesondere von Rußpartikeln, kann mindestens zwei Messelektroden, die auf einem Substrat aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff angeordnet sind, und ein Heizelement aufweisen, wobei das Heizelement ein Substrat, eine Starterschicht eines elektrisch leitenden Materials auf dem Substrat, eine Kupferschicht auf der Starterschicht und eine Goldschicht auf der Kupferschicht aufweisen.
Der Sensor kann nach einem gemäß den obigen Ausführungen beschriebenen Verfahren herstellbar sein.
Unter Teilchen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind insbesondere elektrisch leitfähige Teilchen zu verstehen, wie beispielsweise Ruß- oder Staubpartikel.
Unter einer Schicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine flächige Erstreckung einer einheitlichen Masse mit einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter, zwischen oder auf anderen Bauteilen oder Massen angeordnet sein kann.
Unter einer Starterschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Schicht zu verstehen, die eine Anfangsschicht für einen schichtförmigen Aufbau des Heizelements im Rahmen der vorliegenden Erfindung bildet. Mit anderen Worten wird mit der Starterschicht begonnen, ein Heizelement schichtförmig aufzubauen. Die Starterschicht kann beispielsweise direkt oder indirekt auf das Substrat aufgebracht werden.
Unter einer Kupferschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Schicht aus einem Material zu verstehen, das zumindest Kupfer als wesentlichen Bestandteil enthält.
Unter einer Goldschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Schicht aus einem Material zu verstehen, das zumindest Gold als wesentlichen Bestandteil enthält.
Unter einem galvanischen Aufbringen ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Aufbringen gemäß den Grundsätzen der Galvanik zu verstehen. Bei der Galvanik wird durch ein elektrolytisches Bad Strom geschickt. Am Pluspol (Anode) befindet sich das Metall, das aufgebracht werden soll, wie beispielsweise Kupfer oder Nickel, am Minuspol (Kathode) der zu beschichtende Gegenstand. Der elektrische Strom löst dabei Metallionen von der Verbrauchselektrode ab und lagert sie durch Reduktion auf der Ware ab. So wird der zu veredelnde Gegenstand allseitig gleichmäßig mit Kupfer oder einem anderen Metall beschichtet. Je länger sich der Gegenstand im Bad befindet und je höher der elektrische Strom ist, desto stärker wird die Metallschicht, wie beispielsweise die Kupferschicht. Unter galvanischen Aufbringen wird ebenfalls die sogenannte außenstromlose Metallisierung verstanden. Hier wird eine autokatalytische Metallabscheidung ausgenutzt, bei der auch die abgeschiedene Schicht selbst die Abscheidungsvorgänge katalysiert. Die Abscheidung erfolgt üblicherweise aus einer Lösung, die, neben dem Metallsalz, ein Reduktionsmittel und verschiedene Zusätze wie Komplexbildner, Puffersubstanzen und Stabilisatoren enthält.
Unter einem Lift-Off-Verfahren ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Prozessfolge zur Herstellung einer metallischen Mikrostruktur zu verstehen. In einem ersten Prozessschritt werden dabei strukturierte dünne Schichten auf der Oberfläche von Substraten, wie beispielsweise Wafern, erzeugt. Auf diese strukturierte Opferschicht wird dann das Zielmaterial ganzflächig abgeschieden. Bereiche, bei denen sich das Zielmaterial auf der Opferschicht befindet, werden anschließend durch einen weiteren Prozessschritt entfernt und die verbliebenen Strukturen bilden die gewünschte Mikrostruktur. Eine typische Prozessfolge besteht z. B. aus der fotolithografischen Strukturierung, dem Schichtabscheiden und dem Entfernen einer Fotolackschicht.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist daher unter der Fotolithografie ein Verfahren zur Herstellung von integrierten Schaltungen und weiterten elektrischen oder elektronischen Produkten zu verstehen. Dabei wird mittels der Belichtung das Bild einer Fotomaske auf einen lichtempfindlichen Fotolack übertragen. Anschließend werden die belichteten Stellen des Fotolacks aufgelöst oder alternativ auch die unbelichteten Stellen entfernt, wenn der Fotolack unter Licht aushärtet. So entsteht eine lithografische Maske, die die weitere Bearbeitung durch chemische und physikalische Prozesse ermöglicht.
Unter einem Fotolack sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein fotostrukturierbare Polymere und/oder Siliziumverbindungen zu verstehen. Ausgangsstoffe für Fotolacke können daher Polymere, wie beispielsweise Polymethylmethacrylat, Polymethylglutarimid bzw. Epoxidharze, wie beispielsweise SU-8, Lösungsmittel wie Cyclopentanon oder Gamma-Butyrolaceton sowie eine fotoempfindliche Komponente sein. Neben flüssigen Fotolacken gibt es noch so genannte Fest- bzw. Trockenresists, d. h. Fotofolien. Durch Belichten, d.h. die selektive Bearbeitung der Fotoschicht durch eine Belichtungsmaske oder Fotoschablone wird die Löslichkeit dieser Schicht durch eine fotochemische Reaktion lokal verändert. Nach der fotochemisch erzielbaren Löslichkeitsveränderung unterscheidet man Fotolacke in Negativlacke, bei denen die Löslichkeit durch Belichten abnimmt, und Positivlacke, bei denen die Löslichkeit zunimmt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann das Ätzverfahren nasschemisch und/oder als Trockenätzverfahren durchgeführt werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann das Substrat, auf dem das Heizelement aufgebaut wird bzw. in das das Heizelement integriert wird, zumindest teilweise aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff hergestellt sein. Unter einem elektrisch isolierenden Werkstoff ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jeder Werkstoff zu verstehen, der geeignet ist, einen Stromfluss zu verhindern, wie beispielsweise eine Keramik. Insbesondere können Silizium- und/oder Aluminiumoxid verwendet werden.
Unter Messelektroden sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung Elektroden zu verstehen, die für eine Strom-Spannungsmessung geeignet sind.
Unter einer Strom-Spannungsmessung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Messung zu verstehen, bei der entweder an die Messelektroden eine bestimmte elektrische Spannung angelegt wird und ein elektrischer Stromfluss zwischen den Messelektroden gemessen wird oder an die Messelektroden ein elektrischer Strom angelegt wird und eine elektrische Spannung zwischen den Messelektroden gemessen wird.
Daher ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter einer Messgröße eine durch die Strom-Spannungsmessung ermittelte Größe zu verstehen, die entsprechend ein elektrischer Strom oder eine elektrische Spannung sein kann. Auch ein daraus hergeleiteter elektrischer Widerstand kann als Messgröße verwendet werden.
Unter Interdigitalelektroden sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung Elektroden zu verstehen, die so angeordnet sind, dass sie kammförmig ineinandergreifen.
Unter einem Heizelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das geeignet ist, den Sensor derart zu erwärmen, dass die zwischen den Messelektroden angelagerten Teilchen beseitigt werden. Dies kann beispielsweise durch elektrische Energie erfolgen, die in Joulesche Wärme umgewandelt wird. Beispielsweise ist das Heizelement als resistives Heizelement ausgebildet, d. h. als elektrische Widerstandsbahn. Beispielsweise wird an das Heizelement eine elektrische Spannung angelegt, die zu einem Stromfluss durch Leiterbahnen des Heizelements führt. Aufgrund des elektrischen Widerstands der Leiterbahnen kommt es zu einer Wärmeentwicklung Die Wärme wird dabei unter anderem an Bereiche des Substrats zwischen den Messelektroden, in denen sich die Teilchen abgelagert haben, abgegeben. Dabei werden Temperaturen von ca. 700°C erreicht.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird beispielsweise für einen Rußsensor Kupfer als Grundmaterial des Heizelements verwendet, das galvanisch auf einem Substrat in einer Dicke von ca. 1,0 µm bis 10 µm abgeschieden und nachfolgend zum Schutz vor Oxidation per elektrochemischer Zementation vergoldet wird, wobei die Goldschicht von 0,1 µm bis 5 µm betragen kann. Bei dem Substrat handelt es sich vorzugsweise um einen Siliziumwafer, es kann aber auch jedes andere geeignete Substratmaterial verwendet werden. Im Fall von Silizium als Substratmaterial enthält die Fläche, auf der das Heizelement erzeugt werden soll, eine Isolationsschicht, die vorzugsweise aus Siliziumdioxid (SiO₂) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) zur elektrischen Isolation zwischen Heizelementen und Siliziumsubstrat hergestellt ist. Vor der galvanischen Abscheidung von Kupfer wird eine geeignete, elektrisch leitende Galvanik-Starterschicht aufgebracht, wie beispielsweise eine Schicht oder ein Schichtstapel aus Chrom, Titan, Chrom-Wolfram oder Titan-Wolfram. In einer Variation des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zusätzlich vor der galvanischen Kupferabscheidung ein geeigneter Fotolack aufgebracht und derart strukturiert, dass Substratbereiche, in denen das Kupferheizelement erzeugt werden soll, keinen Fotolack enthalten. Die Dicke des Fotolacks muss dabei größer sein als die Zieldicke der galvanisch abzuscheidenden Kupferschicht. In der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird kein Fotolack vor der Kupferabscheidung aufgebracht und die Kupferschicht ist nach der galvanischen Abscheidung zu strukturieren, beispielsweise indem ein geeigneter Fotolack aufgebracht und derart strukturiert wird, dass Substratbereiche, in denen das Kupferheizelement erzeugt werden soll, Fotolack enthalten. In einem nass- oder trockenchemischen Ätzschritt wird das Kupfer überall dort entfernt, wo kein Fotolack das Kupfer schützt. In beiden beschriebenen Varianten erfolgt nach Strukturierung der galvanischen Kupferschicht die elektrochemische Zementation der Kupferstrukturen mit Gold. Dies geschieht vorzugsweise, indem das Substrat in eine Gold(III)-Chloridlösung eigetaucht und dabei eine Goldschicht von ca. 0,05 µm bis 5 µm Dicke auf den Kupferstrukturen abgeschieden wird. Zur Verbesserung der Haftung auf den Kupferstrukturen wird das Substrat erfindungsgemäß anschließend oder zu einem späteren Zeitpunkt auf ca. 700°C erwärmt, so dass sich eine Diffusionszone zwischen Gold und Kupfer ausbilden kann. Entsprechend diesen Ausführungen kann auf die Verwendung von Platin oder platinhaltigen keramischen Pasten verzichtet werden, wodurch die Herstellungskosten des Sensors deutlich reduziert werden können.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:
1 eine Explosionsdarstellung eines Sensors zur Detektion von Teilchen,
2 bis 7 Verfahrensschritte zum Herstellen eines Heizelements gemäß einer Ausführungsform und
8 bis 13 Verfahrensschritte zur Herstellung eines Heizelements gemäß einer modifizierten Ausführungsform.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt einen Sensor 10 zur Detektion von Teilchen, insbesondere von Rußpartikeln, in einem Gasstrom, wie beispielsweise einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine, der zum Einbau in einen Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs dient. Beispielsweise ist der Sensor 10 als Rußsensor ausgebildet und bevorzugt stromabwärts eines Rußfilters eines Kraftfahrzeugs mit einem Dieselverbrennungsmotor angeordnet.
Der Sensor 10 umfasst ein Substrat 12, das zumindest teilweise aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff hergestellt ist, wie beispielsweise aus einer Keramik, wie beispielsweise Silizium und/oder Aluminiumoxid. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Substrat 12 jedoch um einen Siliziumwafer. Auf dem Substrat 12 ist ein Heizelement 14 angeordnet, das über Kontaktierungen 16 mit einer geeigneten Spannungsquelle verbindbar ist und zum Freibrennen des Sensors 10 von gegebenenfalls abgelagerten Teilchen, wie beispielsweise Rußpartikeln, dient.
Auf dem Substrat 12 ist ein plattenförmiges Substrat 18 angeordnet, das zumindest teilweise aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff hergestellt ist, wie beispielsweise einer Keramik, wie beispielsweise Aluminiumoxid. Auf dem Substrat 18 ist eine Struktur aus zwei Messelektroden 20 angeordnet. Beispielsweise sind die Messelektroden 20 als Interdigitalelektroden 22 ausgebildet, so dass sie kammförmig ineinandergreifen. Die Messelektroden 20 sind über Kontaktierungen 24 mit einer Steuerung 26 verbindbar. In dem Bereich, in dem die Messelektroden 20 kammförmig ineinandergreifen, können die Messelektroden 20 zumindest teilweise von einem Dielektrikum 28 überdeckt sein, so dass die Messelektroden 20 als Elektroden eines Kondensators mit messbarer Kapazität dienen können. Das Dielektrikum 28 kann wiederum mit einer Schutzschicht 30 versehen sein, so dass es gegenüber dem umgebenden Medium abgetrennt ist, wodurch eine Degeneration des Dielektrikums 28 ausgeschlossen ist.
Der Sensor 10 kann ferner ein nicht gezeigtes Gehäuse umfassen, das den in 1 dargestellten Aufbau umgibt und aus Gründen der Vereinfachung der Erläuterung des Aufbaus des Sensors 10 in 1 nicht gezeigt ist. Beispielsweise kann das Gehäuse als Fanghülse ausgebildet sein, die in einem oberhalb der Messelektroden 20 liegenden Bereich mit einer Öffnung versehen ist und zur Beruhigung eines in dem Abgasstrang strömenden Gasstroms dient, so dass sich Rußpartikel bzw. sonstige in dem Gasstrom enthaltene Teilchen bevorzugt im Bereich der Messelektroden 20 ablagern.
Der in 1 dargestellte Sensor 10 kann wie folgt arbeiten: Wenn sich auf dem Substrat 18 Rußpartikel bzw. sonstige elektrisch leitenden Teilchen ablagern, so reduziert sich ein elektrischer Widerstand zwischen den beiden Messelektroden 20. Die sich unter Einwirkung einer elektrischen Messspannung anlagernden Teilchen, insbesondere Rußpartikel, schließen die kammartig ineinander greifenden Messelektroden kurz und zwischen den Messelektroden wird ein abnehmender Widerstand bzw. ein zunehmender Strom bei konstanter angelegter Spannung messbar. Dies kann durch eine Strom-Spannungsmessung festgestellt werden. Beispielsweise ergibt sich durch Messung der Impedanz zwischen den beiden Messelektroden 20 ein für ein so genanntes RC-Glied typisches Verhalten. Dies bedeutet, dass die Ruß- bzw. Teilchenkonzentration in dem betreffenden Abgas anhand der zeitlichen Änderung des Widerstandsanteils des RC-Gliedes bestimmt werden kann.
Zur Regeneration des Sensors 10 werden die angelagerten Teilchen nach gewisser Zeit mittels des in das Substrat 12 integrierten Heizelements 14 abgebrannt. Bei funktionstüchtigem Sensor 10 sollte nach diesem so genannten Ausheizen der Widerstand zwischen den Messelektroden 20 deutlich ansteigen und bevorzugt gegen unendlich gehen.
Das Heizelement 14 wird beispielsweise wie nachfolgend anhand der 2 bis 7 beschrieben hergestellt.
Bei einer ersten Ausführungsform zum Herstellen des Heizelements 14 für den Sensor 10 wird zunächst das Substrat 12 bereitgestellt. Das Substrat 12 ist beispielsweise ein Siliziumwafer. Im Fall von Silizium als Material für das Substrat 12 enthält die Fläche, auf der das Heizelement 14 erzeugt werden soll, eine Isolationsschicht 32, wie in 2 gezeigt ist. Beispielsweise wird die Isolationsschicht 32, wie in 2 dargestellt, auf eine Oberseite 34 des Substrats 12 angeordnet bzw. aufgebracht. Die Isolationsschicht 32 kann beispielsweise aus Siliziumdioxid und/oder Aluminiumoxid hergestellt sein.
Wie in 3 gezeigt ist, wird auf die Isolationsschicht 32 eine Starterschicht 36 mindestens eines elektrisch leitenden Materials aufgebracht. Die Starterschicht 36 selbst kann wiederum als Schichtverbund aus mehreren Schichten aufgebaut sein. Die Materialien des Schichtverbunds können Chrom, Titan, Chrom-Wolfram und/oder Titan-Wolfram sein. Das Aufbringen der Starterschicht 36 kann beispielsweise mittels Abscheidung erfolgen, wie in 3 gezeigt ist. Durch schichtweises Abscheiden lässt sich der genannte Schichtverbund herstellen.
Wie in 4 gezeigt, wird auf die Starterschicht 36 ein Fotolack 38 aufgebracht. Beispielsweise wird der Fotolack 38 zunächst vollflächig auf die Starterschicht 36 aufgebracht und nachfolgend strukturiert. Dadurch bedeckt der Fotolack 38 die Starterschicht 36 in vorbestimmten Bereichen. Beispielsweise wird der Fotolack 38 in einem mittleren Drittel der Starterschicht 36 entfernt, wobei sich die Angabe „mittleres Drittel” auf eine Erstreckung von links nach rechts und parallel zu einer Fläche der Starterschicht 36 gemäß der Darstellung der 4 bezieht. Entsprechend wird zwischen den äußeren Dritteln des Fotolacks 38 eine Aussparung 40 gebildet, in der die Starterschicht 36 freiliegt.
Wie in 5 gezeigt, wird in die Aussparung 40 und auf die Starterschicht 36 eine Kupferschicht 42 galvanisch aufgebracht. Beispielsweise wird Kupfer über der Starterschicht 36 und dem Fotolack 38 großflächig abgeschieden. Der in vorbestimmten Bereichen aufgebrachte Fotolack 38 bewirkt jedoch, dass nur in den unbedeckten Bereichen der Starterschicht 36 die Kupferschicht 42 auf der Starterschicht 36 aufliegt. Die Kupferschicht 42 kann eine Dicke von 0,5 µm bis 20 µm und bevorzugt von 1,0 µm bis 10 µm aufweisen, beispielsweise 8 µm.
Wie in 6 gezeigt, wird nachfolgend der übrige bzw. verbliebene Fotolack 38 entfernt. Ferner wird die Starterschicht 36 in den nicht von der Kupferschicht 42 bedeckten Bereichen, die bislang von dem Fotolack 38 bedeckt waren, entfernt. Beispielsweise wird die Starterschicht 36 durch Ätzen, wie beispielsweise Nass- und/oder Trockenätzen, entfernt. Dadurch bilden die Kupferschicht 42 und die verbleibende Starterschicht 36 einen Stapel 44, der ein mittleres Drittel bezogen auf eine Erstreckung von links nach rechts und parallel zu der Oberfläche 34 des Substrats 12 bedeckt.
Wie in 7 gezeigt, wird nachfolgend eine Goldschicht 46 auf die Kupferschicht 42 aufgebracht. Die Goldschicht 46 kann beispielsweise durch Eintauchen des Substrats 12 mit dem Stapel 44 in eine Gold(III)-Chloridlösung aufgebracht werden. Beispielsweise weist die Goldschicht 46 nach dem Aufbringen eine Dicke von 0,05 µm bis 10 µm und bevorzugt von 0,1 µm bis 5 µm auf, wie beispielsweise 4 µm. Die Goldschicht 46 kann somit beispielsweise derart aufgebracht werden, dass sie den Stapel 44 aus der Kupferschicht 42 und der Starterschicht 36 allseitig umgibt. Dieser Verfahrensschritt wird als elektrochemische Zementation der Kupferstrukturen mit Gold bezeichnet. Zur Verbesserung der Haftung der Goldschicht 46 auf der Kupferschicht 42 wird das Substrat 12 erfindungsgemäß anschließend oder zu einem späteren Zeitpunkt auf 650°C bis 750°C erwärmt, wie beispielsweise 700°C.
Nachfolgend wird eine Modifikation des oben beschriebenen Verfahrens anhand der 8 bis 13 beschrieben. Insbesondere werden die Unterschiede zu der oben beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen des Heizelements 14 beschrieben.
Wie in 8 gezeigt ist, wird auf der Oberseite 34 des Substrats 12, das ein Silizium-Wafer sein kann, eine Isolationsschicht 32 angeordnet. Wie in 9 gezeigt ist, wird auf die Isolationsschicht 32 eine Starterschicht 36 in der oben beschriebenen Weise aufgebracht. Die Starterschicht 36 kann wie oben beschrieben ausgebildet oder aufgebaut sein. Wie in 10 gezeigt ist, wird auf die Starterschicht 36 galvanisch eine Kupferschicht 42 in der oben beschriebenen Weise aufgebracht. Beispielsweise wird die Kupferschicht 42 vollflächig auf die Starterschicht 36 aufgebracht, so dass sie deren gesamte Oberfläche bedeckt. Wie in 11 gezeigt ist, wird nachfolgend auf die Kupferschicht 42 ein Fotolack 38 in vorbestimmten Bereichen aufgebracht. Beispielsweise wird der Fotolack 38 so aufgebracht, dass er ein mittleres Drittel der Kupferschicht 42 bezogen auf eine Erstreckung von links nach rechts bzw. umgekehrt und parallel zu einer Oberfläche der Kupferschicht 42 bedeckt. Die Kupferschicht 42 kann eine Dicke von 0,5 µm bis 20 µm und bevorzugt von 1,0 µm bis 10 µm aufweisen, beispielsweise 8 µm.
Wie in 12 gezeigt ist, wird anschließend der Fotolack 38 entfernt. Die Entfernung des Fotolacks 38 kann beispielsweise im Zuge einer fotolithografischen Strukturierung der Kupferschicht 42 erfolgen. Beispielsweise wird die Kupferschicht 42 mittels eines fotolithografischen Lift-Off-Verfahrens strukturiert. Die Strukturierung bewirkt dabei, dass die Kupferschicht 42 auf der Starterschicht 36 nur in einem vorbestimmten Bereich, wie beispielsweise dem mittleren Drittel bezogen auf die oben genannte Abmessung parallel zu der Oberseite 34 des Substrats 12 verbleibt. Entsprechend wird auch hier ein Stapel 44 aus der Kupferschicht 42 und der Starterschicht 36 gebildet, der ein mittleres Drittel der Isolationsschicht 32 bzw. des Substrats 12 bedeckt.
Nachfolgend erfolgt ein Aufbringen einer Goldschicht 46 auf die Kupferschicht 42. Die Goldschicht 46 kann, wie oben beschrieben, durch Eintauchen des Substrats 12 in eine Gold(III)-Chloridlösung aufgebracht werden. Beispielsweise weist die Goldschicht 46 nach dem Aufbringen eine Dicke von 0,05 µm bis 10 µm und bevorzugt von 0,1 µm bis 5 µm auf, wie beispielsweise 4 µm. Ebenfalls kann, wie oben beschrieben, nach dem Aufbringen der Goldschicht 46 ein Schritt des Erwärmens auf beispielsweise 700°C folgen.
Ein Sensor 10 mit einem nach den beschriebenen beiden Varianten hergestellten Heizelement 14 umfasst somit zwei Messelektroden 20, die auf einem Substrat 18 aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff angeordnet sind, und das Heizelement 14. Das Heizelement 14 weist das Substrat 12, eine Starterschicht 36 mindestens eines elektrisch leitenden Materials auf dem Substrat 12, eine Kupferschicht 42 auf der Starterschicht 36 und eine Goldschicht 46 auf der Kupferschicht 42 auf.
Mit einem auf diese Weise hergestellten Heizelement 14 lässt sich eine Heizleistung von 10 W bis 20 W erzielen, wie beispielsweise 15 W oder 18 W. Die dadurch erzielbaren Temperaturen zum Freibrennen des Sensors 10 sind von 800°C bis 1000°C, wie beispielsweise 850°C. Auch ein kurzzeitiges Erreichen einer Temperatur von 950°C oder sogar 1000°C stellen keine Gefahr für den Sensor 10 dar. Insbesondere wird dadurch nicht das Heizelement 14 beschädigt, da die Schmelzpunkte der verwendeten Materialien Kupfer und Gold oberhalb von 1050°C liegen. Somit lässt sich ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbares Heizelement 14 beispielsweise problemlos bei einem Sensor 10 zur Detektion von Rußpartikeln in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors einsetzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6634210 B1 [0004]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Heizelements (14) für einen Sensor (10) zur Detektion von Teilchen, insbesondere von Rußpartikeln, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Bereitstellen eines Substrats (12), – Aufbringen mindestens einer Starterschicht (36) mindestens eines elektrisch leitenden Materials auf das Substrat (12), – galvanisches Aufbringen mindestens einer Kupferschicht (42) auf die Starterschicht (36), und – Aufbringen mindestens einer Goldschicht (46) auf die Kupferschicht (42).
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Kupferschicht (42) fotolithografisch strukturiert wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Kupferschicht (42) mittels eines fotolithografischen Lift-Off-Verfahrens strukturiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor dem Aufbringen der Kupferschicht (42) auf die Starterschicht (36) mindestens ein Fotolack (38) auf die Starterschicht (36) derart aufgebracht wird, dass der Fotolack (38) die Starterschicht (36) in vorbestimmten Bereichen bedeckt, wobei die Kupferschicht (42) in den nicht von dem Fotolack (38) bedeckten Bereichen auf die Starterschicht (36) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach dem Aufbringen der Kupferschicht (42) auf die Starterschicht (36) mindestens ein Fotolack (38) derart auf die Kupferschicht (42) aufgebracht wird, dass der Fotolack (38) die Kupferschicht (42) in vorbestimmten Bereichen bedeckt.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der Fotolack (38) vor dem Aufbringen der Goldschicht (46) entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor dem Aufbringen der Goldschicht (46) die Starterschicht (36) in Bereichen, in welchen die Starterschicht (36) nicht von der Kupferschicht (42) bedeckt ist, entfernt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Starterschicht (36) zusammen mit der Kupferschicht (42) so teilweise entfernt wird, dass die Kupferschicht (42) und die Starterschicht (36) als Stapel (44) in der vorbestimmten Form auf dem Substrat (12) verbleiben.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Starterschicht (36) durch ein Ätzverfahren entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Goldschicht (46) durch Eintauchen in eine Gold(III)-Chloridlösung aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (12) ein Silizium-Wafer ist, wobei zwischen dem Substrat (12) und der Starterschicht (36) mindestens eine Isolationsschicht (32) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren nach dem Aufbringen der Goldschicht (46) ferner einen Schritt des Erwärmens auf 650°C bis 750°C umfasst.
Sensor (10) zur Detektion von Teilchen, insbesondere von Rußpartikeln, wobei der Sensor (10) mindestens zwei Messelektroden (20), die auf einem Substrat (18) aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff angeordnet sind, und ein Heizelement (14) aufweist, wobei das Heizelement (14) ein Substrat (12), eine Starterschicht (36) mindestens eines elektrisch leitenden Materials auf dem Substrat (12), eine Kupferschicht (42) auf der Starterschicht (36) und eine Goldschicht (46) auf der Kupferschicht (42) aufweist.
Sensor (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Sensor (10) herstellbar ist nach einem der vorhergehenden, ein Verfahren betreffenden Ansprüche.