DE102012220571A1

DE102012220571A1 - Verfahren zum Herstellen eines Sensors zur Detektion von Teilchen

Info

Publication number: DE102012220571A1
Application number: DE201210220571
Authority: DE
Inventors: Peter Frey; Christian Doering; Oleg Jakovlev; Tino Fuchs
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-11-12
Filing date: 2012-11-12
Publication date: 2014-05-15

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors (10) zur Detektion von Teilchen, insbesondere von Rußpartikeln, vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Substrats (12), Aufbringen einer Trägerschicht (16) auf das Substrat (12), Aufbringen mindestens eines Heizelements (18) auf die Trägerschicht (16), Aufbringen einer Isolationsschicht (22) zumindest auf das Heizelement (18), Aufbringen mindestens einer Messelektrode (24) auf die Isolationsschicht (22), und Entfernen des Substrats (12) zumindest in dem Bereich (28), in dem das Heizelement (18) auf die Trägerschicht (16) aufgebracht ist.

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 angesammelten Ruß wieder abbaut. Ein bewährtes Verfahren hierfür ist die Verbrennung von Ruß in sauerstoffhaltiger Atmosphäre, die ab Temperaturen von ungefähr 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 Verbesserungspotential. 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. Da ferner ein nicht unwesentlicher Teil der eingebrachten elektrischen Energie als Wärme in das umgebende Substrat geleitet wird, kann der Leistungsbedarf zur Erzielung der Regenerationstemperatur zum Abbrennen von Ruß erhöht sein.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors zur Detektion von Teilchen sowie ein nach diesem Verfahren hergestellter 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 Sensors zur Detektion von Teilchen, insbesondere von Rußpartikeln, umfasst die folgenden Schritte, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge:

– Bereitstellen eines Substrats,
– Aufbringen einer Trägerschicht auf das Substrat,
– Aufbringen mindestens eines Heizelements auf die Trägerschicht,
– Aufbringen einer Isolationsschicht zumindest auf das Heizelement,
– Aufbringen mindestens einer Messelektrode auf die Isolationsschicht und
– Entfernen des Substrats zumindest in dem Bereich, in dem das Heizelement auf der Trägerschicht aufgebracht ist.

Das Substrat kann so entfernt werden, dass die Trägerschicht als Membran ausgebildet wird. Das Substrat kann mittels eines Ätzverfahrens entfernt werden. Beispielsweise geschieht das Entfernen des Substratmaterials per nasschemischem Ätzen, wie beispielsweise in einer Kaliumhydroxidlösung (KOH-Lösung), oder durch trockenchemisches Plasmaätzen. Vor dem Entfernen des Substrats kann auf die Messelektroden eine Schutzschicht aufgebracht werden. Nach dem Entfernen des Substrats kann die Schutzschicht entfernt werden. Die Schutzschicht kann ein Fotolack und/oder ein sonstiges geeignetes Polymer sein und/oder zumindest teilweise aus Siliziumnitrid, Siliziumdioxid, oder Siliziumoxinitrid hergestellt sein. Die Trägerschicht und/oder die Isolationsschicht können mittels chemischer Gasphasenabscheidung und bevorzugt mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung aufgebracht werden. Das Heizelement kann mittels physikalischer Gasphasenabscheidung aufgebracht werden. Vor dem Aufbringen der Trägerschicht auf das Substrat kann eine Trägerschicht-Schutzschicht aufgebracht werden. Die Trägerschicht-Schutzschicht kann zumindest teilweise aus einem Material hergestellt sein, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Siliziumcarbid, Siliziumnitrid und Aluminiumoxid. Vor dem Aufbringen des Heizelements kann ein Haftvermittler auf die Trägerschicht aufgebracht werden und/oder vor dem Aufbringen der Isolationsschicht kann ein Haftvermittler auf das Heizelement aufgebracht werden. Der Haftvermittler kann zumindest teilweise aus einem Material hergestellt sein, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Tantal (Ta), Titan (Ti), Chrom (Cr), Silizium (Si) oder Siliziumnitrid. Die Trägerschicht kann zumindest teilweise aus Siliziumdioxid (SiO₂) hergestellt sein. Die Trägerschicht kann aus siliziumreichen, stöchiometrischen oder silizium-armen Siliziumdioxid gebildet sein. Die Zusammensetzung der Trägerschicht kann konstant sein oder einen Gradienten in der chemischen Zusammensetzung aufweisen. Die Trägerschicht kann auch als Mehrlagensystem aus Siliziumoxidschichten mit unterschiedlichen Siliziumgehalten aufgebaut sein. Die Trägerschicht kann auch als Silizium-Oxinitrid-Schicht (SiON) ausgeführt werden, mit konstanter chemischer Zusammensetzung oder einem Gradienten der Zusammensetzung. Die Trägerschicht kann auch eine Kombination aus Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid und/oder Siliziumoxinitrid sein. Die Isolationsschicht kann mindestens eine Diffusionsbarriere aufweisen bzw. enthalten. Auf die Trägerschicht kann zumindest ein Temperatursensor aufgebracht werden.
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 einheitliche Masse flächenhafter Ausdehnung einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt.
Unter einer Trägerschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Schicht zu verstehen, die geeignet ist, funktionelle Bauteile des Sensors, wie beispielsweise das Heizelement, die Messelektroden, und gegebenenfalls weitere Bauteile, wie beispielsweise einen Temperatursensor, zu tragen.
Unter einer Isolationsschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Schicht zu verstehen, die aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist. Beispielsweise kann die Isolationsschicht zumindest teilweise aus Siliziumdioxid (SiO₂) hergestellt sein.
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 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. Eine Strom-Spannungsmessung kann insbesondere eine Widerstandsmessung sein, wobei ein Widerstand des durch die Messelektroden und das Substrat gebildeten Aufbaus gemessen werden kann. Es kann beispielsweise eine spannungsgesteuerte oder spannungsgeregelte Messung und/oder eine stromgesteuerte und/oder stromgeregelte Messung erfolgen. Das Anlegen des Stroms und/oder der Spannung kann in Form eines kontinuierlichen Signals und/oder auch in Form eines gepulsten Signals erfolgen. So können beispielsweise eine Gleichspannung und/oder ein Gleichstrom angelegt werden und eine Stromantwort bzw. eine Spannungsantwort erfasst werden. Alternativ können eine gepulste Spannung und/oder ein gepulster Strom angelegt werden und eine Stromantwort bzw. eine Spannungsantwort erfasst werden. In einer weiteren Variante können auch Wechselströme bzw. Wechselspannungen angelegt bzw. gemessen werden. Die Wechselspannung bzw. der Wechselstrom kann dabei sowohl kontinuierliche oder zeitlich variable Amplituden haben oder kann auch gepulst sein. Die Frequenz der Wechselsignale kann von 0 Hz bis 100 GHz betragen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist daher 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. Dieser Widerstand kann auch als komplexe Größe erfasst werden, indem die Phasenbeziehung zwischen Strom und Spannung für die Messung ausgewertet wird.
Die Messelektroden können beispielsweise als Interdigitalelektroden ausgebildet sein. Unter Interdigitalelektroden sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung Elektroden zu verstehen, die so angeordnet sind, dass sie ineinandergreifen, insbesondere 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 folgen, 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 ungefähr 700 °C erreicht.
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 Polymethylmetacrylat, Polymethylglutarimid bzw. Epoxidharze, wie beispielsweise SU-8, Lösungsmittel wie Cyclopentanon oder γ-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.
Unter einer Entfernung des Substrats in einem Bereich, in dem das Heizelement auf die Trägerschicht aufgebracht ist, ist ein Entfernen des Substrats an einer Stelle und über einen Bereich des Substrats zu verstehen, der mit dem Heizelement in einer Richtung parallel zu einem Schichtaufbau bzw. einer Anordnung der Schichten aus Substrat, Trägerschicht und Heizelement überlappt. Mit anderen Worten werden das Substrat, die Trägerschicht und das Heizelement so angeordnet, dass sie einen Schichtaufbau bilden. Folglich sind das Substrat, die Trägerschicht und das Heizelement übereinander bzw. aufeinander angeordnet. Das Substrat wird in einem Bereich entfernt, der einer Projektion des Heizelements parallel zu der Richtung, in der das Substrat, die Trägerschicht und das Heizelement übereinander bzw. aufeinander angeordnet sind, auf das Substrat entspricht.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann das Substrat, auf dem das Heizelement aufgebaut wird bzw. mittels der Trägerschicht auf das Substrat aufgebracht wird, zumindest teilweise aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff hergestellt sein. Beispielsweise ist das Substrat als Keramik ausgebildet. Es können jedoch auch andere Materialien verwendet werden, die elektrisch isolierend sind, wie beispielsweise Silizium- und/oder Aluminiumoxid. Beispielsweise ist das Substrat als Siliziumwafer ausgebildet. Denkbar ist jedoch auch die Verwendung von Wafern aus Siliziumcarbid oder Saphir. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird beispielsweise ein Siliziumwafer verwendet, aber auch die Verwendung von Wafern aus Siliziumcarbid oder Saphir als Ausgangssubstrat ist denkbar. Auf mindestens einer Seite dieses Wafers wird eine so genannte Trägerschicht aus Siliziumdioxid abgeschieden, wobei vorzugsweise ein PECVD-Verfahren (plasma-enhanced chemical vapor deposition – Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung) verwendet wird. Die Dicke dieser Siliziumdioxidschicht beträgt erfindungsgemäß 0,1 µm bis 50 µm. Diese Schicht ist später als Membran Träger der Heizer- und Sensorstrukturen und schafft eine sehr gute thermische Isolation zum umgebenden Substrat, wobei hier die geringe thermische Leitfähigkeit von Siliziumdioxid erfindungsgemäß ausgenutzt wird. Auf dieser Siliziumdioxidschicht werden anschließend die Heizerstrukturen und ein oder mehrere Temperatursensoren angelegt. Hierzu wird erfindungsgemäß ein Metall, vorzugsweise Platin, in einer Dicke von ca. 100 nm bis ca. 1000 nm verwendet.
Es kommen aber auch Platin (Pt)-Rhodium (Rh)-Mischungen oder andere temperaturfeste Metalle oder Legierungen in Betracht. Die Metallschicht wird vorzugsweise in einem PVD-Verfahren aufgebracht. Zur Erhöhung der Haftung der Metallschicht auf dem SiO2 wird ein Haftvermittler verwendet, beispielsweise Ta, Ti, Cr, Si oder Siliziumnitrid. Nach Anlegen der Heizerstrukturen und der Temperatursensoren wird darüber eine elektrische Isolationsschicht abgeschieden, vorzugsweise SiO₂ in einer Dicke von 50nm bis 10 µm, das beispielsweise per PECVD-Verfahren hergestellt wird. In einer besonderen Ausführung der Erfindung wird in die Isolationsschicht eine Diffusionsbarriereschicht integriert, die das Eindringen von Fremdionen verhindert, welche zu einer Degradation der Isolationseigenschaft führen könnten. Die Diffusionsbarriereschicht ist beispielsweise aus Titannitrid (TiN), Titan (Ti), Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Siliziumcarbid (SiC) hergestellt. Diese Diffusionsbarriere wird vorzugsweise in einem physikalische Dampfphasenabscheidungverfahren (PVD – physical vapour deposition), chemische Gasphasenabscheidungverfahren (CVD – chemical vapour deposition) oder Atomlagenabscheidungverfahren (ALD – atomic layer deposition) hergestellt. Die Dicke der Diffusionsbarriere beträgt zwischen 5nm und 500nm, beispielsweise 250 nm. Die Integration in die Isolationsschicht geschieht dadurch, dass zunächst ein erster Teil der Isolationsschicht angelegt wird, darauf anschließend die Diffusionsbarriere abgeschieden wird, bevor der zweite Teil der Isolationsschicht aufgebracht wird.
Zur Verbesserung der Haftung dieser Isolationsschicht auf der darunterliegenden Metallschicht wird wiederum ein Haftvermittler wie oben beschrieben zum Einsatz gebracht. Auf der Isolationsschicht wird anschließend eine Interdigitalelektrodenstruktur aus Metall – vorzugsweise Platin oder Platin-Rhodium – angelegt, die zum Nachweis des zwischen den Einzelelektroden der Interdigitalelektroden angelagerten Rußes dienen, indem eine elektrische Spannung zwischen benachbarten Interdigitalelektrodenstrukturen angelegt wird, und der über den Ruß fließende elektrische Strom als Sensor-Signal ausgewertet wird. Zum Schutz für die nachfolgenden Prozessschritte werden die Interdigitalelektrodenstrukturen mit einer geeigneten Schutzschicht bedeckt, z. B. durch Fotolack oder eine Schicht aus Siliziumnitrid. Im nächsten Schritt wird von der Waferrückseite her unterhalb der Sensorstrukturen das Substratmaterial bis hin zur ersten SiO₂-Schicht entfernt, so dass hierdurch eine dünne Membran aus SiO₂ mit eingebetteten Metallstrukturen für Heizer und Temperatursensor sowie aufliegender Interdigitalelektrodenstrukturen gebildet wird. Dadurch sind diese Elemente vom umgebenden Substrat thermisch sehr gut entkoppelt. Das Entfernen des Substratmaterials geschieht erfindungsgemäß vorzugsweise per nass-chemischem Ätzen in KOH-Lösung oder durch trockenchemisches Plasma-Ätzen. Nach Herstellung der Membran wird die Schutzschicht auf der Vorderseite entfernt, und die Sensorelemente vereinzelt, beispielsweise durch Sägen.
Bei einer besonderen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt vor der Abscheidung der Träger-Schicht auf dem Substratwafer die Abscheidung einer Ätzstopp-Schicht von ca. 100 nm bis 10 µm, beispielsweise aus Siliziumcarbid, Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid. Während der späteren Membranerzeugung durch Entfernen des Substratmaterials dient diese Ätzstopp-Schicht dem Schutz der Träger-Schicht, und kann nachfolgend entfernt werden.
Bei einer weiteren besonderen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Heizerstruktur und mindestens zwei Temperatursensoren in der Trägerschicht dazu genutzt, um den Abgasmassenstrom am Sensor zu messen. Da die Kennlinie des Rußpartikelsensors von diesem Abgasmassenstrom abhängt, lässt sich durch einen Messwert für den Massenstrom direkt am Sensorelement die Genauigkeit des Rußpartikelsensors weiter verbessern.
Entsprechend diesen Ausführungen kann auf die Verwendung von Platin oder platinhaltigen keramischen Pasten verzichtet werden, wodurch die Herstellungskosten des Sensors deutlich reduziert werden können. Des Weiteren erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren die Herstellung von Sensorelementen mit erheblich verringertem Leistungsbedarf zur Erzielung der Rußabbrandtemperaturen, zugleich ein deutlich schnelleres Erreichen dieser Temperatur. Letzteres reduziert die Totzeit des Sensors signifikant und bietet damit einen verbesserten Funktionsumfang.
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:
1–8 Verfahrensschritte zum Herstellen eines Sensors zur Detektion von Teilchen.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt den Beginn eines Verfahrens zum Herstellen eines Sensors 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 wird hergestellt, indem zunächst ein Substrat 12 bereitgestellt wird. Das Substrat 12 ist zumindest teilweise aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff hergestellt, wie beispielsweise aus einer Keramik, wie beispielsweise Silizium und/oder Aluminiumoxid. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Substrat 12 jedoch um einen Siliziumwafer. Denkbar ist jedoch auch die Verwendung von Wafern aus Siliziumcarbid oder Saphir.
Auf mindestens eine Seite 14, die bei der Darstellung der 2 beispielsweise die Oberseite 14 ist, wird eine Trägerschicht 16 aufgebracht. Die Trägerschicht 16 kann so auf die Oberseite 14 aufgebracht werden, dass sie die Oberseite 14 vollständig bedeckt. In dem in 2 gezeigten Beispiel ist die Trägerschicht 16 zumindest teilweise aus Siliziumdioxid hergestellt. Die Trägerschicht 16 kann beispielsweise mittels einer chemischen Gasphasenabscheidung auf die Oberseite 14 aufgebracht werden. Beispielsweise wird die Trägerschicht 16 mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung aufgebracht. Die Trägerschicht 16 weist eine Dicke von 0,1 µm bis 50 µm auf, beispielsweise 30 µm.
Wie in 3 gezeigt, wird auf die Trägerschicht mindestens ein Heizelement 18 aufgebracht. Das Heizelement 18 kann zumindest teilweise aus Metall hergestellt sein, Vorzugsweise ist das Heizelement 18 aus Platin hergestellt. Das Heizelement 18 kann alternativ aus anderen geeigneten Metallen bzw. Legierungen hergestellt sein, wie beispielsweise Platin-Rhodium-Mischungen oder anderen beständigen Metallen oder Legierungen, insbesondere temperaturfesten Metallen oder Legierungen. Beispielsweise wird das Heizelement 18 mittels physikalischer Gasphasenabscheidung auf die Trägerschicht 16 aufgebracht. Das Heizelement 18 kann eine Dicke von 100 nm bis 1000 nm aufweisen, beispielsweise 800 nm. Zur Erhöhung der Haftung des Heizelements 18 auf der Trägerschicht 16 kann ein Haftvermittler verwendet werden. Der Haftvermittler kann zumindest teilweise aus einem Material hergestellt sein, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Tantal, Titan, Chrom, Silizium und Siliziumnitrid. Wie 3 weiter zeigt, kann auf die Trägerschicht 16 mindestens ein Temperatursensor 20 aufgebracht werden. Das Aufbringen des Temperatursensors 20 kann analog dem Aufbringen des Heizelements 18 erfolgen. Mit anderen Worten kann der Temperatursensor 20 mittels physikalischer Gasphasenabscheidung auf die Trägerschicht 16 aufgebracht werden. Beispielsweise werden zwei Temperatursensoren 20 auf die Trägerschicht 16 aufgebracht.
Wie in 4 gezeigt, wird zumindest auf das Heizelement 18 eine Isolationsschicht 22 aufgebracht. Die Isolationsschicht 22 ist eine Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material. Die Isolationsschicht 22 kann vorzugsweise aus Siliziumdioxid hergestellt sein. Die Isolationsschicht 22 weist eine Dicke von 50 nm bis 10 µm auf, beispielsweise 8 µm. Die Isolationsschicht 22 kann beispielsweise mittels chemischer Gasphasenabscheidung aufgebracht werden, wie beispielsweise mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung. Zur Verbesserung der Haftung der Isolationsschicht 22 kann auf das Heizelement 18 wiederum ein Haftvermittler, wie er oben beschrieben ist, aufgebracht werden. Wie in 4 gezeigt, wird die Isolationsschicht 22 bevorzugt so auf das Heizelement 18 aufgebracht, dass dieses von der Isolationsschicht 22 vollständig bedeckt wird. Beispielsweise wird die Isolationsschicht 22 so aufgebracht, dass sie das Heizelement 18 und den Temperatursensor 20 bzw. die Temperatursensoren 20 vollständig bedeckt. Beispielsweise bedeckt die Isolationsschicht 22 auch die Trägerschicht 16. Dadurch können das Heizelement 18 und der Temperatursensor 20 bzw. die Temperatursensoren 20 zwischen der Trägerschicht 16 und der Isolationsschicht 22 eingebettet sein, so dass sie allseitig umschlossen sind.
Wie in 5 gezeigt, wird auf die Isolationsschicht 22 mindestens eine Messelektrode 24 aufgebracht. Beispielsweise werden zwei Messelektroden 24 aufgebracht. Die Messelektroden 24 können als Interdigitalelektroden ausgebildet sein. Die Messelektroden 24 können zumindest teilweise aus Platin oder Platin-Rhodium hergestellt sein. Die Messelektroden 24 dienen zum Nachweis des zwischen den Einzelelektroden angelagerten Rußes, indem beispielsweise eine elektrische Spannung zwischen benachbarten Elektrodenstrukturen angelegt wird und der über den Ruß fließende elektrische Strom als Sensorsignal ausgewertet wird.
Wie in 6 gezeigt, kann zum Schutz für die nachfolgend beschriebenen Prozessschritte eine Schutzschicht 26 auf die Messelektroden 24 aufgebracht werden. Beispielsweise bedeckt die Schutzschicht 26 die Isolationsschicht 22 vollständig. Die Schutzschicht 26 kann beispielsweise ein Fotolack sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Schutzschicht 26 aus Siliziumnitrid hergestellt sein.
Wie in 7 gezeigt, wird das Substrat 12 zumindest in einem Bereich 28, in dem das Heizelement 18 auf der Trägerschicht 16 aufgebracht ist, entfernt. Beispielsweise wird das Substrat 12 auf der dem Heizelement 18, den Temperatursensoren 20 und den Messelektroden 24 abgewandten Seite der Trägerschicht 16 so vollständig in einem Bereich 28 entfernt, der in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau mit dem Heizelement 18, den Temperatursensoren 20 und den Messelektroden 24 überlappt. Das Substrat 12 kann mittels eines Ätzverfahrens entfernt werden. Beispielsweise wird das Substrat 12 mittels vorzugsweise eines nasschemischen Ätzverfahrens in beispielsweise einer Kaliumhydroxid-Lösung entfernt. Alternativ kann jedoch auch ein trockenchemisches Ätzverfahren wie ein trockenchemisches Plasma-Ätzen zum Einsatz gebracht werden. Wie in 7 gezeigt, kann das Substrat 12 so entfernt werden, dass die Trägerschicht 16 mit dem darin eingebetteten Heizelement 18 und den Temperatursensoren 20 sowie den darauf liegenden Messelektroden 24 als vergleichsweise dünne Membran ausgebildet wird. Dadurch sind das Heizelement, die Temperatursensoren 20 und die Messelektroden 24 vom umgebenden Substrat 12 thermisch sehr gut entkoppelt.
Wie in 8 gezeigt, kann nach dem Entfernen des Substrats 12 die Schutzschicht 26 entfernt werden. Das Entfernen der Schutzschicht erfolgt beispielsweise über ein trockenchemisches Plasma-Ätzen, durch nass-chemisches Ätzen oder durch Erwärmen, beispielsweise lokal mit einem Laser. Anschließend können die so hergestellten Sensorelemente vereinzelt werden, wie beispielsweise durch Sägen.
Als optionale Möglichkeit kann vor dem Aufbringen der Trägerschicht 16 auf das Substrat 12 eine nicht näher gezeigte Trägerschicht-Schutzschicht aufgebracht werden, wie beispielsweise eine Ätzstopp-Schicht. Die Trägerschicht-Schutzschicht kann beispielsweise eine Dicke von 100 nm bis 10 µm aufweisen, wie beispielsweise 8 µm. Beispielsweise wird die Trägerschicht-Schutzschicht zumindest teilweise aus Siliziumcarbid, Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid hergestellt. Grundsätzlich kann bei dem erwähnten Ausführungsbeispiel als Ätzstopp-Schicht jede Schicht verwendet werden, die geeignet ist, bei der Erzeugung der oben genannten Membran durch Entfernen des Substrats 12, die Trägerschicht 16 vor dem Ätzen zu schützen.
Durch das Vorsehen von mindestens zwei Temperatursensoren 20 und des Heizelements 18 kann ein Abgasmassenstrom am Sensor 10 erfasst werden. Da die Kennlinie des Sensors 10 von diesem Abgasmassenstrom abhängt, lässt sich durch einen Messwert für den Massenstrom direkt am Sensor 10 die Genauigkeit des Rußpartikelsensors weiter verbessern. Beispielsweise kann der Sensor als Rußpartikelsensor ausgebildet werden, wie oben erwähnt. Wenn sich auf dem Substrat 12 Rußpartikel bzw. sonstige elektrische Teilchen zwischen den Messelektroden 24 ablagern, so reduziert sich ein elektrischer Widerstand zwischen den beiden Messelektroden 24. Die sich unter Einwirkung einer elektrischen Messspannung anlagernden Teilchen, insbesondere Rußpartikel, schließen die Messelektroden 24 kurz und zwischen den Messelektroden 24 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 einer Impedanz zwischen den Messelektroden 24 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 18 abgebrannt. Bei funktionstüchtigem Sensor 10 sollte nach diesem so genannten Ausheizen der Widerstand zwischen den Messelektroden 24 deutlich ansteigen und bevorzugt gegen unendlich gehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6634210 B1 [0004]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Sensors (10) zur Detektion von Teilchen, insbesondere von Rußpartikeln, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Bereitstellen eines Substrats (12), – Aufbringen einer Trägerschicht (16) auf das Substrat (12), – Aufbringen mindestens eines Heizelements (18) auf die Trägerschicht (16), – Aufbringen einer Isolationsschicht (22) zumindest auf das Heizelement (18), – Aufbringen mindestens einer Messelektrode (24) auf die Isolationsschicht (22), und – Entfernen des Substrats (12) zumindest in dem Bereich (28), in dem das Heizelement (18) auf die Trägerschicht (16) aufgebracht ist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Substrat (12) so entfernt wird, dass die Trägerschicht (16) als Membran ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (12) mittels eines Ätzverfahrens entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor dem Entfernen des Substrats (12) auf die Messelektroden (24) eine Schutzschicht (26) aufgebracht wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei nach dem Entfernen des Substrats (12) die Schutzschicht (26) entfernt wird.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schutzschicht (26) ein Fotolack ist und/oder zumindest teilweise aus Siliziumnitrid, Siliziumdioxid, oder Siliziumoxinitrid hergestellt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägerschicht (16) und/oder die Isolationsschicht (22) mittels chemischer Gasphasenabscheidung und bevorzugt mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Heizelement (18) mittels physikalischer Gasphasenabscheidung aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor dem Aufbringen der Trägerschicht (16) eine Trägerschicht-Schutzschicht auf das Substrat (12) aufgebracht wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Trägerschicht-Schutzschicht zumindest teilweise aus einem Material hergestellt ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Siliziumcarbid, Siliziumnitrid und Aluminiumoxid.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor dem Aufbringen des Heizelements (18) ein Haftvermittler auf die Trägerschicht (16) aufgebracht wird und/oder vor dem Aufbringen der Isolationsschicht (22) ein Haftvermittler auf das Heizelement (18) aufgebracht wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Haftvermittler zumindest teilweise aus einem Material hergestellt ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Tantal, Titan, Chrom, Silizium und Siliziumnitrid.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägerschicht (16) zumindest teilweise aus Siliziumdioxid hergestellt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Isolationsschicht (22) mindestens eine Diffusionsbarriere aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf die Trägerschicht (16) mindestens ein Temperatursensor (20) aufgebracht wird.