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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Erzeugen eines definierten Abstands zwischen Elektrodenflächen auf integrierten Bauelementen für chemische und biochemische Sensoren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Chemische und biochemische Sensoren sind bekannt und werden beispielsweise in den Druckschriften
US 7 172 917 B2 und
US 2011/0155586 A1 beschrieben. Diese offenbaren Anordnungen und Methoden für elektronische Sensoren zum Einsatz für chemische und biochemische Analysen.
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In diesen Schriften wird die Wirkungsweise eines Biosensors beispielhaft beschrieben. Biosensoren der dort beschriebenen Art bestehen aus einer kapazitiven Anordnung zweier sich gegenüberliegender Elektroden. Die Elektroden sind jeweils auf integrierten Bauelementen angeordnet. Eine derartige Anordnung wird auch als face-to-face-Konfiguration bezeichnet. Dabei nehmen die Elektroden einen Abstand zueinander ein. Der durch beide Elektroden eingegrenzte Spalt bildet eine kapazitive Anordnung für die Sensorik. In der Regel sind mehrere derartige Elektrodenpaare vorgesehen. Diese bilden ein kapazitives Sensorarray.
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Für die sichere Funktion von chemischen und Bio-Sensoren auf der Basis von kapazitiven Arrays ist die definierte Ausrichtung des Spaltes zwischen den Elektroden vor allem in Hinblick auf die Spaltbreite zwischen den beiden Elektrodenflächen aber auch hinsichtlich der lateralen Orientierung zueinander von ausschlaggebender Bedeutung.
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Die
US 2011/0074248 A1 offenbart ein piezoelektrisches MEMS-Element, aufgebaut aus einem elektrodenbehafteten Diaphragma und einem weiteren elektrodenbehafteten Träger. Zwischen dem Träger und dem Diaphragma befindet sich ein Spalt mit einer vorgegebenen Breite. Der Spalt wird dort durch einen so genannten Rezess erzeugt. Der Rezess kann durch einen Ätzprozess eingearbeitet werden. Die Druckschrift offenbart eine feste Verbindung mit einem sehr breiten Spalt, dessen Breite wegen der piezoelektrischen Bewegung des Diaphragmas sehr groß bemessen sein muss.
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Die
EP 2 259 018 A1 offenbart Mittel zur Spaltbreitenkontrolle für einen Chip unter Verwendung von Zwischenschichten. Der in der Druckschrift gelehrte Aufbau greift ebenfalls auf einen Rezess zurück. Der Rezess definiert die Spaltbreite der Anordnung.
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Die
US 2011/0148255 A1 offenbart ebenfalls einen piezoelektrischen MEMS-Schalter und ein Herstellungsverfahren hierfür. Vorgesehen sind dort ein Diaphragma, ein Basissubtrat, Tragemittel sowie ein Spalt mit vorbestimmter Breite. Die Tragemittel kommen gemäß der Druckschrift durch ein Ätzen zustande. Die Spaltbreite wird somit ebenfalls durch einen Rezess eingestellt.
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Die
US 6 178 249 B1 offenbart eine Vorrichtung für ein mikromechanisches Mikrofon. Vorgesehen sind dort ein Diaphragma und so genannte Back-Elektroden in einer als flip-chip bezeichneten Ausführung sowie ein Spalt. Über eine Zwischenschicht ist die Breite des Spaltes gegeben.
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Es besteht daher die Aufgabe, eine Anordnung und ein Verfahren anzugeben, mit denen eine im Nanometerbereich definierte Spaltbreite zwischen den Elektrodenflächen auf zwei integrierten Bauelementen in einer face-to-face-Konfiguration für chemische und biochemische Sensoren geschaffen werden kann. Derartige Bauelemente erfordern eine hochpräzise Einstellbarkeit der Spaltbreite, die auch während deren Verwendung gleichbleiben soll.
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Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt vorrichtungsseitig durch eine Anordnung zum Erzeugen eines definierten Abstands zwischen Elektrodenflächen auf integrierten Bauelementen für chemische und biochemische Sensoren in einer face-to-face-Konfiguration mit den Merkmalen des Anspruch 1 sowie verfahrensseitig mit einem Verfahren zum Erzeugen eines definierten Abstandes zwischen Elektrodenflächen auf integrierten Bauelementen in einer face-to-face-Anordnung für chemische und biochemische Sensoren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Die Unteransprüche enthalten jeweils zweckmäßige Varianten und Weiterbildungen der Vorrichtung und des Verfahrens.
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Vorrichtungsseitig ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwei getrennte, auf verschiedenen Baulementen befindliche Flächen eine Oberflächenstrukturierung aufweisen, durch die bei einem face-to-face-Zusammenfügen von Elektrodenflächen der Bauelemente ein definierter Spalt zwischen den Elektrodenflächen erreichbar ist. Die Oberflächenstrukturierung ist so ausgebildet, dass der Spalt eine Spaltbreite mit einem im Nanometerbereich einstellbaren Wert aufweist.
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Erfindungsgemäß ist die Oberflächenstrukturierung in Form von auf beiden Bauelementen angeordneten erhöhten Pufferstrukturen ausgebildet. Dabei realisiert ein Abstandspuffer als Anschlag eines Bauelements die Spaltbreite und ein Lateralpuffer ist zum Verhindern oder Begrenzen von ebenen Freiheitsgraden und Verschiebungen der Bauelemente zueinander in der Ebene vorgesehen. Der Abstandspuffer stellt somit den Abstand zwischen den Bauelementen ein, der Lateralpuffer verhindert laterale Verschiebungen der Bauelemente senkrecht zur Abstandsachse.
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Die Pufferstrukturen sind als Schichtstrukturen ausgebildet. Diese bestehen aus Einzelschichten, deren jeweilige Schichtdicke kleiner als 1 μm beträgt. Dadurch kann die Gesamthöhe jeder einzelnen Pufferstruktur über die Einzelschichten sehr genau eingestellt werden. Die Gesamthöhe jedes Puffers ist additiv aus variablen Anzahlen von Einzelschichten zusammengesetzt < S. 7, letzter Abs>.
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Die Pufferstrukturen können je nach Erfordernis die jeweilige Elektrodenfläche vollständig umschließen oder auch mit Unterbrechungen ausgebildet sein.
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Zweckmäßigerweise sind die die Spaltbreite bestimmenden Pufferstrukturen sowohl randseitig innen, als auch an den Außenkanten der Bauelemente angeordnet. Dadurch wird die Spaltbreite über eine Mehrzahl von sowohl im Innenbereich der Bauelemente als auch am äußeren Rand der Bauelemente über mehrere Auflagepunkte eingestellt, wodurch deren Wert mechanisch besonders gesichert ist.
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Bei einer zweckmäßigen Ausbildung weisen die randseitig innen angeordneten Pufferstrukturen einen definierten Abstand zum Außenrand der Bauelemente auf. Dadurch lassen sich gleichzeitig auch die lateralen Justagebedingungen zwischen den Bauelementen genau einstellen.
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Unterstützend können bei einer zweckmäßigen Fortbildung horizontale Justagemarken zum mikroskopisch-optischen Ausrichten der face-to-face montierten Bauelemente und für das zweidimensionale Ineinandergreifen der Pufferstrukturen vorgesehen sein. Diese ermöglichen zum einen ein genau justiertes Absetzen des einen Bauelementes auf das andere und bieten andererseits genaue Anhaltspunkte für den in Frage kommenden Justagebereich sowohl in lateraler Hinsicht als auch in Hinblick auf die einzustellende Spaltbreite.
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Bei einer weiteren Ausführungsform weisen die Bauelemente Oberflächenbereiche mit einer definierten Rauhigkeit zum Erzeugen eines definierten Abstandsbereichs zwischen den zwei sich gegenüberliegenden Elektroden auf. Diese definiert rauen Oberflächen können sowohl auf den Bauelementen selbst als auch auf den Pufferstrukturen vorgesehen sein.
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Ergänzend kann eine Justageeinheit zum Auswerten eines kapazitiven Signals der face-to-face-gefügten Elektrodenflächen für ein Einstellen der Spaltbreite vorgesehen sein. Diese misst die über den Elektrodenabstand und somit die Spaltbreite festgelegte Kapazität der Elektrodenanordnung und erlaubt damit einen Rückschluss auf die real vorliegende Breite des Spaltes.
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Verfahrensseitig werden zum Erzeugen eines definierten Abstandes zwischen Elektrodenflächen auf integrierten Bauelementen in einer face-to-face-Anordnung für chemische und biochemische Sensoren folgende Verfahrensschritte ausgeführt:
In einem ersten Schritt erfolgt ein Strukturieren von Oberflächen der integrierten Bauelemente. In einem zweiten Schritt erfolgt ein Ineinanderfügen der Bauelemente in die face-to-face-Anordnung, wobei durch die strukturierten Oberflächen ein Spalt zwischen den Elektrodenflächen mit einer im Nanometerbereich justierbaren Spaltbreite herausgebildet wird.
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Bei einer Ausführungsform wird bei dem Strukturieren der Oberflächen mindestens abschnittsweise eine Rauhigkeit auf beiden Oberflächen der integrierten Bauelemente mit einem definierten Rauhigkeitsmaß erzeugt, wobei über das Rauhigkeitsmaß ein Abstandsbereich für die Breite des Spaltes festgelegt wird.
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In einer Ausführungsform werden bei dem Strukturieren der Oberflächen an beide Bauelemente erhöhte Pufferstrukturen aufgebracht, wobei über einen Abstandspuffer als Anschlag eines Bauelements die Breite des Spaltes realisiert wird und über einen Lateralpuffer ebene Freiheitsgrade und somit Verschiebungen der Bauelemente zueinander in der Ebene ausgeschlossen oder begrenzt werden, wobei die Pufferstrukturen die Elektrodenfläche jeweils vollständig umschließen oder unterbrochen ausgebildet werden.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform werden die die Spaltbreite bestimmenden Abstandpuffer sowohl randseitig innen, als auch an den Außenkanten der Bauelemente aufgebracht.
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Die randseitig an den Elektrodenflächen innen angeordneten Pufferstrukturen werden zweckmäßigerweise mit einem definierten Abstand zum Außenrand der Bauelemente aufgebracht.
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Ergänzend erfolgt bei dem Justiervorgang über horizontale Justagemarken ein mikroskopisch-optisches Ausrichten der face-to-face montierten Bauelemente des zweidimensionalen Ineinandergreifens der Pufferstrukturen.
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In Verbindung damit können die bei dem Justiervorgang die durch den Spalt getrennten Elektroden an eine Justageeinheit angeschlossen werden, wobei über die Justageeinheit ein Auswerten eines kapazitiven Signals der in der face-to-face-Konfiguration gefügten Elektrodenflächen erfolgt, wobei der Spaltabstand bis zum Erreichen eines Sollwertes des kapazitiven Signals einjustiert wird. Dies erfolgt in Verbindung mit aufgebrachten Rauhstrukturen auf die Pufferstrukturen, insbesondere den Abstandspuffern selbst. Durch eine geringe Verschiebung in lateraler Richtung wird dabei die Spaltbreite zwischen den Elektrodenflächen entsprechend der Höhe der Rauhigkeit verändert und kann somit eingestellt werden. <S. 9, 2. Abs.> Dadurch wird die Spaltbreite somit indirekt über eine Kapazitätsmessung nachjustiert.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren sollen nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die 1 bis 5. Es werden für gleiche oder gleich wirkende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Es zeigt:
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1 eine Seitenansicht einer Anordnung aus zwei MOS-Bauelementen mit Elektrodenflächen und Pufferstrukturen,
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2 eines der MOS-Bauelemente aus 1 in einer Draufsicht,
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3 eine weitere Ausführungsform eines MOS-Bauelementes in einer Draufsicht,
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4 eine Seitenansicht einer Anordnung aus zwei MOS-Bauelementen mit einer schematisch dargestellten Oberflächenrauhigkeit,
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5 eine Darstellung einer Kapazitätsmessvorrichtung in Verbindung mit einer Anordnung der MOS-Bauelemente
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1 zeigt eine Seitenansicht einer Anordnung aus zwei integrierten Bauelementen BE1 und BE2 mit Elektrodenflächen E. Die integrierten Bauelemente sind hier als MOS-Bauelemente ausgebildet. Diese weisen Pufferstrukturen auf. Die Pufferstrukturen bestehen aus Abstandspuffern 1 und Lateralpuffern 2. Die Lateralpuffer 2 befinden sich hier sämtlich auf dem Bauelement BE2. Die Abstandspuffer 1 sind am Bauelement BE1 angeordnet.
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Die hier gezeigte Anordnung ist ein mikroelektronisches mechanischkapazitives Sensorsystem. Dieses Sensorsystem wird durch die Elektrodenflächen E gebildet, die sich jeweils auf den unterschiedlichen MOS-Bauelementen BE1 und BE2 befinden. Zwischen den Elektroden verbleibt jeweils ein Spalt D mit einer definierten Spaltbreite. Die so gebildete Anordnung bildet ein kapazitives Sensorarray aus.
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Die so gebildete Anordnung wird als face-to-face-Konfiguration bezeichnet.
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Beide Bausteine BE1 und BE2 enthalten vorzugsweise randseitig mechanisch erhöhte Anschläge in Form von Wandungen oder Puffern 1 und 2. Dabei bestimmt der Abstandspuffer 1 in Form eines Anschlags eines Bauelementes in Bezug auf die Höhe der kapazitiven Kontaktflächen, d. h. der Elektroden, an beiden Bauelementen die Spaltbreite des funktionswichtigen Kapazitätsspalts im Elektrodenbereich, während der Lateralpuffer 2 Verschiebungen innerhalb der Ebene der Elektrodenflächen verhindert oder definiert einschränkt.
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Die die Spaltdicke bestimmenden Puffer können sowohl randseitig innen, d. h. in der unmittelbaren Nähe zu den Elektrodenflächen E, als auch wie im hier vorliegenden Beispiel an der Nähe der Außenkanten der Bauelemente BE1 und BE2 angeordnet sein.
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Die horizontale Justage beider Chips zueinander erfolgt durch das zweidimensionale Ineinandergreifen der beiden Puffer 1 und 2. Der Abstandspuffer 1 sichert eine vorherbestimmte Spaltbreite D, der Lateralpuffer 2 justiert die Elektrodenflächen E lateral zueinander.
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Die Puffer 1 und 2 sind als Schichtstrukturen ausgebildet. Dabei werden mehrere Einzelschichten übereinander gelegt. Dadurch baut sich die Schichtstruktur auf, wobei über die Einzelschichten die Gesamthöhe der jeweiligen Puffer eingestellt wird. Die Einzelschichten weisen jeweils eine Dicke von weniger als 1 μm auf. Typische Dicken liegen hier im Bereich von 1 nm bis 100 nm oder auch im Bereich von 100 nm bis 1000 nm, sodass die Gesamthöhe jedes Puffers additiv aus variablen Anzahlen von Einzelschichten zusammengesetzt ist.
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Die vertikale wie auch die laterale Ausrichtung der Bauelemente BE1 und BE2 erfolgt mittels mikroskop-optischer Ausrichtung. Die Ausrichtung erfolgt an Hand von an den Bauelementen, den Puffern und/oder den Elektrodenflächen angebrachten Marken und/oder durch Auswertung des kapazitiven Signals des mikroelektronischen mechanisch-kapazitiven Sensorsystems.
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Die 2 und 3 zeigen eines der MOS-Bauelemente in einer beispielhaften Draufsicht. Die Elektrodenflächen E sind jeweils als ein Array angeordnet und mit dem MOS-Bauelement kontaktiert. Dem dargestellten Bauelement entspricht jeweils ein komplementäres weiteres Bauelement mit Elektrodenflächen, das face-to-face aufsetzbar ist.
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Eines der Bauelemente weist nur den Abstandspuffer, das andere dagegen den Lateralpuffer auf. Natürlich ist es auch möglich, dass insbesondere die Höhe des Abstandspuffers auf beide Bauelemente verteilt ist. Dabei enthält jedes Bauelement jeweils einen Teil des Abstandspuffers, das jeweils auf dem anderen Teil am anderen Bauelemente bei der face-to-face-Montage zu liegen kommt.
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Bei der Ausführungsform aus 3 sind einige Abschnitte des Abstandspuffers 1 in der Nähe der Elektrodenflächen E angeordnet. Diese werden ergänzt durch ebenfalls im Bereich der Elektrodenflächen angeordnete Teile des Lateralpuffers 2, die die Richtung der lateralen Verschiebbarkeit eingrenzen.
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Wie den Figuren zu entnehmen ist, greifen bei der face-to-face-Montage beide Puffer ineinander. Eine laterale Verschiebung der beiden Bauelemente ist dabei nur noch in eine Raumrichtung möglich und kann aus Justagegründen vorgenommen werden.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform mit Rauhstrukturen 3. Bei der tatsächlichen Ausführung der Vorrichtungen sind die Rauhstrukturen allerdings kleiner und in einer sehr großen Anzahl auf der Oberfläche der MOS-Bauelemente angeordnet. Bei einer lateralen Verschiebung der Bauelemente zueinander ändert sich dabei auch die Spaltbreite zwischen den Elektrodenoberflächen. Sie kann damit gleichzeitig einjustiert und auf dem einmal erreichten Wert fixiert werden. Durch die definiert raue Oberfläche der Kondensatorplatten ist somit ein definierter Abstandsbereich zwischen den zwei sich gegenüberliegenden Elektroden realisierbar.
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Die Rauhstrukturen können mit den Pufferstrukturen kombiniert werden. Möglich ist hier insbesondere ein Aufbringen der Rauhstrukturen auf die Pufferstrukturen, insbesondere den Abstandspuffer selbst. Durch eine geringe Verschiebung in lateraler Richtung wird dabei die Spaltbreite zwischen den Elektrodenflächen entsprechend der Höhe der Rauhigkeit verändert und kann somit eingestellt werden.
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In die Lücke der so entstehenden kapazitiven Mikrochipkombinationsstruktur kann ein Analysemedium, z. B. eine Flüssigkeit, eingebracht werden. Die dabei erfolgte Kapazitätsänderung wird in dem aus den Elektrodenflächen gebildeten kapazitiven Sensorarray bestimmt.
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Die Form der Elektrodenflächen kann prinzipiell beliebig sein. Im Allgemeinen ist sie rechteckig oder rund, d. h. kreisförmig. Ihr elektrischer Anschluss und ihre Kontaktierung erfolgt bei beiden MOS-Bauelementen zeilenweise oder zeilen- und spaltenweise, einzeln oder in Gruppen.
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5 zeigt eine beispielhafte Darstellung einer Kapazitätsmessvorrichtung 4 in Verbindung mit einer Anordnung der Bauelemente BE1 und BE2. Die Elektrodenflächen sind in dieser Darstellung nicht gezeigt. Zwischen den Bauelementen befinden sich die vorhergehend beschriebenen Puffer 1 und 2 sowie gegebenenfalls die auf den Puffern oder auf separaten Oberflächenbereichen aufgebrachten Rauhstrukturen 3. Die Kapazitätsmessvorrichtung C ist über elektrische Leiter mit den Elektroden auf den Bauelementen kontaktiert. Die Kapazitätsmessung kann auf die aus dem Stand der Technik übliche Weise erfolgen. Beispielsweise können hierfür Zeitkonstanten für das Laden und/oder das Entladen der durch die Elektroden gebildeten Kapazität über einen bekannten Widerstand gemessen werden.
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Diese Zeitkonstanten hängen direkt von der Kapazität der Elektrodenanordnung ab. Über die für Plattenkondensatoren bekannte Beziehung C = ε0εrel A/d können bei bekannter Elektrodenfläche A die dazu gehörenden Spaltbreiten d des Spaltes D zwischen den Elektroden bestimmt werden.
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Die erfindungsgemäße Anordnung und das Verfahren wurden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Weitere Ausführungsformen ergeben sich im Rahmen fachmännischen Handelns und insbesondere aus den Unteransprüchen.
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Bezugszeichenliste
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- BE1
- erstes integriertes Bauelement
- BE2
- zweites integriertes Bauelement
- D
- Spalt mit definierter Spaltbreite
- E
- Elektrodenfläche
- 1
- Abstandspuffer
- 2
- Lateralpuffer
- 3
- Rauhstruktur, schematisch
- 4
- Kapazitätsmessvorrichtung
