DE102017200156A1

DE102017200156A1 - Herstellungsverfahren für eine mikromechanische Sensorvorrichtung und entsprechende mikromechanische Sensorvorrichtung

Info

Publication number: DE102017200156A1
Application number: DE102017200156.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Krauss; Elisabeth Preiss
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-01-09
Filing date: 2017-01-09
Publication date: 2018-07-12
Also published as: CN108285125A; CN108285125B; US20180194617A1; US10315917B2

Abstract

Die Erfindung schafft eine mikromechanische Sensorvorrichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Die mikromechanische Sensorvorrichtung ist ausgestattet mit einem Substrat (1), welches einen Membranbereich (M) aufweist, wobei auf dem Membranbereich (M) mehrere Sensorschichtbereiche (S1-S3) ausgebildet sind, welche eine jeweilige strukturierte Sensorschicht (200; 300; 400) aufweisen; und einer jeweiligen Elektrodeneinrichtung (L1a, L1b; L2a, L2b; L3a, L3b), über die die Sensorschichtbereiche (S1-S3) außerhalb des Membranbereichs (M) elektrisch anschließbar sind, wobei die Sensorschichtbereiche (S1-S3) derart strukturiert sind, dass sie Längs-und Breitenabmessungen einer Größenordnung zwischen 1 und 10 Mikrometern aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für eine mikromechanische Sensorvorrichtung und eine entsprechende mikromechanische Sensorvorrichtung.
Stand der Technik
Obwohl auch beliebige mikromechanische Bauelemente anwendbar sind, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von Bauelementen mit Gassensoren auf Siliziumbasis mit einer Heizeinrichtung (Hotplate) erläutert.
Mikro-Hotplates sind eine wichtige Komponente für mikromechanische Sensoren. Sie kommen bei Sensorprinzipien zum Einsatz, die eine erhöhte Temperatur für das Funktionsprinzip benötigen. Zu nennen sind hier in erster Linie Gassensoren mit chemischem Transducer-Prinzip: Die gewünschte chemische Reaktion findet noch nicht bei Raumtemperatur statt, sondern benötigt eine gewisse Aktivierungsenergie und damit eine erhöhte Betriebstemperatur. Klassische Sensoren dieses Typs sind z.B. Metalloxid-Gassensoren, die typischerweise zwischen 250°C und 400°C betrieben werden müssen.
Neben chemischen Sensoren kommen Hotplates auch für Sensoren mit physikalischem Transducer-Prinzip zum Einsatz wie z.B. wie Wärmeleitfähigkeitssensoren, Pirani-Elemente (Vakuumsensoren) oder Massenflusssensoren.
Mikro-Hotplates werden nach dem Stand der Technik entweder als geschlossene Membranen oder über aufgehängte Membranen hergestellt, wie z.B. in Micromachined metal oxide gas sensors: opportunities to improve sensor performance, Isolde Simon et al., Sensors and Actuators B 73 (2001), S. 1 - 26 beschrieben.
Derartige Sensorelemente mit Mikro-Hotplates nach dem Stand der Technik weisen typischerweise laterale Dimensionen von größer 1 mm × 1 mm auf. Um den Anforderungen der Consumer Electronics, wie z.B. in Smartphones vorhanden, gerecht zu werden, wird derzeit eine Miniaturisierung der lateralen Dimensionen von kleiner als ~ 1 mm × 1 mm angestrebt und gleichzeitig eine Reduzierung des Leistungsbedarfs gefordert. Neben den Herausforderungen an spezielle Heizerdesigns wird damit die Fläche, die zur Chipklebung zur Verfügung steht, immer kleiner und damit auch die Herausforderungen für ein fertigungstaugliche Aufbau-und Verbindungstechnik erhöht.
Aufgehängte Membranen, wie sie z.B. mit Hilfe der OMM-Technik hergestellt werden, weisen hinsichtlich „Chip-handling“ und Klebung Vorteile auf, da Chips hierbei auf der Rückseite vollflächig geklebt werden können und damit die mögliche Klebefläche sehr viel größer ist als bei einer Membran, die über ein nasschemische Freistellung (mit z.B. KOH) oder eine Trockenätzung mit z.B. DRIE von hinten freigestellt wurde. Geschlossene Membranen - typischerweise stehen sie unter Zugspannung - haben jedoch Vorzüge hinsichtlich Robustheit und Kompatibilität mit verschieden Beschichtungsverfahren, so dass diese trotz der geringeren Klebefläche auch bei hochgradig miniaturisierten Systemen weiterhin ihre Existenzberechtigung behalten werden.
In jüngerer Zeit wird ein kombinierter Druck-, Feuchte-, Temperatur- und Gassensor auf dem Markt angeboten. Der Gassensor muss für eine gute Gasreaktion (katalytischer Umsatz) bei erhöhten Temperaturen z.B. von etwa 200 bis 400°C betrieben werden und ist deshalb auf einer miniaturisierten Hotplate mit einem Heizer in einer Membran implementiert. Typische Abmessungen des Hotplate- Siliziumsubtrates sind 0,9 × 0,5mm² bei einer Membrangröße von 300 × 300 µm². Die Heizleistung der Hotplate sollte ggfs. derart dimensioniert sein, dass die anderen Sensoren, die zusammen in einem sehr kleinen Gehäuse integriert sind (z.B. 3 × 3 × 0,9 mm³) nicht übermäßig beeinflusst werden.
Das eigentlich sensitive Material des Gassensors, dessen Widerstand gemessen wird, wird dabei auf die Oberfläche der Membran über heute bekannte Verfahren, also z.B. über ein Dispensverfahren aufgebracht, wobei hiermit nasschemisch hergestellte Materialien „Sensorpasten“ verarbeitet werden können. In diesem Verfahren liegt derzeit die Begrenzung für eine weitere Miniaturisierung, da hier nicht nur die minimale Größe eines aufgebrachten Tropfens vorgegeben ist, sondern auch meist dessen Form, da das Material oft unerwünschterweise selbstverlaufend ist.
Andere Herstellungsverfahren von Gassensoren verwenden für die Abscheidung des gassensitiven Materials Ink-Jet-Verfahren oder eine Dünnschichttechnologie mit einer Schattenmaske für die Abscheidung. Bei allen Verfahren ist die minimal erreichbare Größe deutlich begrenzt. Größen, z.B. unter etwa 100 × 100 µm², für die Abmessungen der mit gassensitivem Materials beschichteten Fläche sind nicht realisierbar.
Gewünscht bei zukünftigen Sensoren ist zusätzlich eine Aufbringung mehrerer sensitiver Materialien. Dabei soll die Gesamtgröße des beheizten Bereichs und der Membran weiter verkleinert werden. Auf jeden Fall müssen die Flächen, auf denen die Materialien aufgebracht werden deutlich verkleinert werden. Dies ist mit einer Tropfmethode und selbst mit Tintenstrahldispensverfahren nicht möglich.
Deshalb ist der Rückgriff auf Dünnschichten wünschenswert, also Schichten die über physikalische oder chemische Abscheideverfahren aufgebracht werden, z.B. über Chemical Vapor Deposition, Atomic Layer Deposition, Sputterdeposition, Ionenstrahlunterstütze Deposition, Vakuumaufdampfverfahren, usw. (siehe z.B. die DE 3 322 481 A1 ).
Problematisch ist aber bei Anwendung von Dünnschichtverfahren für eine gassensitive Schicht, dass diese Schicht in vielen Fällen nicht kompatibel ist mit normalen Strukturierungsprozessen der Halbleiterindustrie. Die gassensitiven Schichten sind oft porös und empfindlich gegenüber Verunreinigungen bzw. Verschmutzungen, oft auch schon gegenüber Bestandteilen von Lithografielacken.
Bei Standard-Strukturierungsverfahren wird in der Regel über einen ganzen Wafer eine Schicht flächig aufgebracht, dann wird mittels Photolithographie eine Maske aufgebracht und in den ungeschützten Bereichen wird mit Nassätz- oder Trockenätz- oder Sputterverfahren eine Rückstrukturierung der Schicht durchgeführt. Die Maske besteht meist aus Fotolack, gegebenenfalls wird auch eine mehrlagige Maske,eine sogenannte „Hardmask“ verwendet. Diese Masken werden nach diesem Strukturierungsschritt entfernt. Hierbei werden wieder Ätzverfahren verwendet, was im Falle von unterhalb der Maske liegenden, gassensitiven Schichten eine unerwünschte Wechselwirkung bedeutet.
Bei diesem Standard-Strukturierungsverfahren der Halbleiterindustrie lassen sich Strukturbreiten im Bereich von wenigen Dutzend Nanometern erreichen.
Die Exposition einer gassensitiven Schicht auf die verwendeten Chemikalien (z.B. Fotolack für eine Lackmaske, Lösungsmittel für die Entfernung der Lackmaske, Ätzmittel zur Entfernung einer Hardmask, Argon- oder Sauerstoffionenbeschuss o.ä.) verändert die Schicht meist wesentlich, vor allem, wenn dieser Prozess mehrfach durchgeführt werden muss und die ersten abgeschiedenen und strukturierten Schichten dann mehrfach diesem Prozess unterliegen. In diesem Fall müssten Ätzmedien oder Ätzverfahren gefunden werden, welche jeweils nur die gewünschte Schicht selektiv Ätzen und der Angriff auf die anderen gassensitiven Schichten dabei minimal ist. Dass die oben erwähnten Metalloxide teilweise sehr ähnliche Ätzeigenschaften haben, stellt dies eine große Herausforderung dar. Zudem sind die gassensitiven Schichten meist porös. Reste von Maskenmaterialien und Prozesschemikalien können so über den gesamten Prozessablauf kaum kontrollierbar im gassensitiven Material verbleiben und die spätere Gasreaktion beeinflussen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft ein Herstellungsverfahren für mikromechanische Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 und eine entsprechende mikromechanische Sensorvorrichtung nach Anspruch 9.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung stellt eine mikromechanische Sensorvorrichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren bereit, wobei eine sequentielle Aufbringung und Strukturierung von mehreren unterschiedlichen gassensitiven Schichten ermöglicht ist wobei alle gassensitiven Schichten so weitgehend und umfassend wie möglich gegen Einflüsse der Prozessierung und Prozesschemikalien geschützt sind.
Kern des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist die Verwendung eines Schutzmaterials in mehreren Lagen für die Abdeckung von sequentiell abgeschiedenen und strukturierten sensitiven Schichten, wobei die Lagen des Schutzmaterials nach Abscheidung und Strukturierung aller sensitiver Schichten als Lift-Off Schicht verwendet wird. Damit können alle gassensitiven Schichten am Ende des Produktionsprozesses in nur einem Schritt und mit kontrollierbarer Exposition durch nur eine Prozesschemikalie freigelegt werden. Durch diese Art der Herstellung lassen sich Sensorschichtbereiche derart strukturieren, dass sie definierte Längs-und Breitenabmessungen einer Größenordnung zwischen 1 und 10 Mikrometern aufweisen, was eine erhebliche weitere Miniaturisierung im Vergleich zu bekannten Dispens- oder Tintenstrahlverfahren ermöglicht. Bei Dispens- und Tintenstrahlverfahren ist das aufzubringende Material flüssig und oft selbstverlaufend, dadurch ist bei einem Spreiten nicht nur die Größe der aufgebrachten Schicht nach unten begrenzt, sondern oft ist auch die Form der gassensitiven Schicht in lateraler und vertikaler Richtung vorgegeben und nur wenig beeinflussbar. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren erlaubt im Gegensatz dazu, dass die Schichten in homogener Schichtdicke vorliegen und dass die Form des Sensorschichtbereiches beliebig gewählt werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung sind die Elektrodeneinrichtungen mit auf dem Substrat außerhalb des Membranbereichs angeordneten jeweiligen elektrischen Anschlusspads verbunden. So läßt sich eine einfache und robuste elektrische Kontaktierung realisieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist im oder auf dem Membranbereich eine Heizeinrichtung vorgesehen. Die für die gewünschte chemische Reaktion notwendige erhöhte Betriebstemperatur läßt sich so einstellen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Sensorschichtbereiche Gassensorbereiche mit einer jeweiligen strukturierten gassensitiven Sensorschicht aus einem Metalloxid. Beispielhafte Sensoren dieses Typs sind z.B. Metalloxid-Gassensoren, die typischerweise zwischen 250°C und 400°C betrieben werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die jeweilige Elektrodeneinrichtung jeweilige auf dem Membranbereich angeordnete elektrische Leiterbahnpaare auf, welche derart strukuriert sind, dass sie im Querschnitt einen nach außen hin flach auslaufenden Randbereich aufweisen. Dies erhöht das Haftvermögen für die Sensorschichten.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen die Gassensorbereiche eine jeweils unterschiedliche Sensorschicht aus einem Metalloxid auf. So läßt sich ein Multi-Gassensor realisieren.
Figurenliste
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
Es zeigen:

1-3 schematische Darstellungen zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar Fig. 1in Draufsicht, 2 entlang der Linie A-A‘ in 1 und 3 entlang der Linie B-B‘ in 1; und
4a)-h) schematische ausschnittsweise Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens für eine mikromechanische Sensorvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
1-3 sind schematische Darstellungen zur Erläuterung einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar Fig. 1in Draufsicht, 2 entlang der Linie A-A‘ in 1 und 3 entlang der Linie B-B‘ in 1.
In 1-3 bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Substrat, beispielsweise ein Silizium-Halbleitersubstrat, mit einer Vorderseite VS und einer Rückseite RS, welches an der Vorderseite VS einen Membranbereich M oberhalb einer Kaverne K, die sich von der Rückseite RS her erstreckt, aufweist.
Auf dem Membranbereich sind eine erste Elektrodeneinrichtung L1a, L1b, eine zweite Elektrodeneinrichtung L2a, L2b und eine dritte Elektrodeneinrichtung L3a, L3b in Form von Leiterbahnpaaren vorgesehen, welche sich bis außerhalb des Membranbereichs M an der Vorderseite VS auf das Substrat 1 erstrecken und in jeweiligen elektrischen Anschlusspads P1a, P1b bzw. P2a, P2b bzw. P3a, P3b enden, die außerhalb des Membranbereichs M auf der Vorderseite VS des Substrats 1 vorgesehen sind.
Auf der ersten Elektrodeneinrichtung L1a, L1b ist auf dem Membranbereich M ein erster strukturierter Sensorschichtbereich S1 gebildet, welcher eine erste strukturierte Sensorschicht 200 aufweist.
Auf der zweiten Elektrodeneinrichtung L2a, L2b ist auf dem Membranbereich M ein zweiter strukturierter Sensorschichtbereich S2 gebildet, welcher eine zweite strukturierte Sensorschicht 300 aufweist.
Auf der dritten Elektrodeneinrichtung L3a, L3b ist auf dem Membranbereich M ein dritter strukturierter Sensorschichtbereich S3 gebildet, der eine dritte strukturierte Sensorschicht 400 aufweist.
Die strukturierten Sensorschichtbereiche 200, 300, 400 sind poröse Gassensorbereiche, welche beispielsweise aus einem Metalloxid gebildet sind und welche derart strukturiert sind, dass sie im Querschnitt einen nach außen hin flach auslaufenden Randbereich aufweisen (siehe 2).
Typische Größen der Gesamtstruktur liegen dabei deutlich unter 1 × 1 mm², beispielsweise 500 × 800 µm², mit einer Dicke von unter 500 µm. Der Membranbereich M kann beispielsweise 300 × 400 µm² groß sein.
Auf der Oberseite des Substrats 1 und dem Membranbereich M kann beispielsweise eine mehrlagige Decklage (nicht dargestellt) vorgesehen, welche beispielsweise aus Siliziumoxid und Siliziumnitrid mit einer typischen Dicke von 1 bis 10 µm besteht. Die (nicht dargestellte) Decklage kann sich sowohl über den Membranbereich M als auch das benachbarte Substrat 1 erstrecken. Integriert in die (nicht dargestellte) Decklage ist eine Heizeinrichtung HE, welche außerhalb des Membranbereichs M angeordnete elektrische Anschlusspads H1, H2 aufweist.
Die elektrischen Anschlusspads H1, H2, P1a, P1b, P2a, P2b, P3a, P3b können beispielsweise für ein Drahtbonden ausgestaltet sein. Das Material dieser elektrischen Anschlusspads H1, H2, P1a, P1b, P2a, P2b, P3a, P3b ist beispielsweise ein Edelmetall, wie z.B. Gold oder Platin, ggf. mit einem Haftvermittler, wie z.B. Titan oder Tantaloxid.
Die in die Decklage eingebettete Heizeinrichtung HE weist beispielsweise eine mäanderförmige Struktur auf, um einen möglichst großen Teil des Membranbereichs M zu überdecken. Die Heizeinrichtung HE dient zum Ausheizen der Sensorschichtbereiche S1, S2, S3. In einer alternativen Ausgestaltung ist es auch möglich, dass sich die Heizeinrichtung HE und die elektrischen Anschlusspads H1, H2, P1a, P1b, P2a, P2b, P3a, P3b in einer gemeinsamen Ebene befinden.
Die erste, zweite und dritte Elektrodeneinrichtung L1a, L1b bzw. L2a, L2b bzw. L3a, L3b weisen typischerweise eine Dicke von einigen Dutzend bis ca. 200 nm auf und sind derart strukturiert, dass sie im Querschnitt einen nach außen hin flach auslaufenden Randbereich aufweisen (siehe 2), damit die erste, zweite und dritte Sensorschicht 200, 300, 400 gut haftend abgeschieden werden können. Vorteilhafterweise findet die Ausbildung dieses flach auslaufenden Randbereichs durch einen Lift-off-Prozessschritt statt.
Die Ausbildung des Membranbereichs M erfolgt beispielsweise durch Entfernen von Silizium durch einen DRIE-Prozessschritt (Deep Reactive Ion Etching) in einem Rückseitenprozessschritt. In diesem Fall erfolgt keine Beeinflussung der vorderseitigen Sensorschichten 200, 300, 400 und Elektrodeneinrichtungen L1a, L1b, L2a, L2b, L3a, L3b sowie der elektrischen Anschlusspads P1a, P1b, P2a, P2b, P3a, P3b, H1, H2. Dies ermöglicht, dass zunächst eine vorderseitige Prozessierung und anschließend eine rückseitige Prozessierung erfolgt.
Grundsätzlich ist die Ausbildung des Membranbereichs M aber auch von der Vorderseite her möglich, beispielsweise durch (nicht dargestellte) Hilfslöcher im Membranbereich M, durch die das Substratmaterial, beispielsweise Silizium, chemisch nass- oder trockengeätzt wird. Hierfür würde sich beispielsweise der Prozesszustand gemäß 4g) anbieten (siehe unten).
Die derart ausgebildete mikromechanische Sensorvorrichtung ist eine Multi-Gassensorvorrichtung, falls die Sensorschichtbereiche S1, S2, S3 aus verschiedenen Materialien hergestellt sind.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens, welche nachstehend erläutert wird, können die Sensorschichtbereiche S1, S2, S3 derart strukturiert werden, dass die Längs- und Breitenabmessungen eine Größenordnung zwischen 1 und 10 µm aufweisen, dass die Schichten in homogener Schichtdicke vorliegen und dass die Form des Sensorschichtbereiches beliebig gewählt werden kann, was durch bisher bekannte Verfahren, wie z.B. Dispensieren oder Tintendruck, nicht möglich ist.
4a)-h) sind schematische ausschnittsweise Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens für eine mikromechanische Sensorvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 4a)-4h) ist lediglich der Membranbereich M ausschnittsweise mit den auszubildenden Sensorschichtbereichen S1, S2, S3 dargestellt.
4a) zeigt den Zustand nach Ausbildung der ersten Elektrodeneinrichtung L1a, L1b, der zweiten Elektrodeneinrichtung L2a, L2b und der dritten Elektrodeneinrichtung L3a, L3b.
Gemäß 4b) erfolgt nach dem Strukturieren der ersten, zweiten und dritten Elektrodeneinrichtung L1a, L1b bzw. L2a, L2b bzw. L3a, L3b sowie der elektrischen Anschlusspads H1, H2, P1a, P1b, P2a, P2b, P3a, P3b ein ganzflächiges Abscheiden einer ersten Sensorschicht 200 auf dem Substrat 1 und den darauf ausgebildeten Elektrodeneinrichtungen L1a, L1b, L2a, L2b, L3a, L3b.
Bei dem Material der ersten Sensorschicht 200 handelt es sich typischerweise um ein halbleitendes Metalloxid, beispielsweise SnO₂, ggf. mit Materialbeimischungen, wie z.B. einer Dotierung mit einem Edelmetall. Die erste Sensorschicht 200 wird in der Regel nicht auf gute Strukturierungs-, Haftungs- und Filmeigenschaften, sondern hauptsächlich auf ein gutes gassensitives Reaktionsvermögen optimiert. Beispielsweise wird die erste Sensorschicht 200 in poröser oder nanoporöser Form abgeschieden. Im Gegensatz zum lokalen Abscheiden von Tinten oder Pasten liefert das Abscheideverfahren hier über die gesamte Fläche eines Wafers und insbesondere innerhalb des später strukturierten Bereiches eine Schicht mit einer konstanten Dicke und homogenen Zusammensetzung. Auch bei der Verwendung einer Schattenmaske ist die Dicke der abgeschiedenen Schicht am Rand der Struktur nicht konstant, sondern durch Abschattungseffekte verringert.
Anschließend wird eine kompakte, dichte Schutzschicht 201 auf der ersten Sensorschicht 200 ganzflächig abgeschieden, die die Oberfläche der ersten Sensorschicht 200 versiegelt und vor Einwirkungen der folgenden Prozessschritte schützt. Ein seitlicher Ätzangriff der ersten Sensorschicht 200, also beispielsweise bei nasschemischen oder isotropen Prozessen durch Unterätzen, ist zwar prinzipiell noch möglich, kann aber durch entsprechende Ätzparameter reduziert werden. Gegebenenfalls kann dem auch begegnet werden, indem ein entsprechender Vorhalt der ersten Sensorschicht 200 vorgesehen wird.
Auch kann die erste Schutzschicht 201 für tieferliegende Schichten dicker ausgeführt werden. Der Abtrag bei nachfolgenden Ätzprozessen für weitere Sensorschichten kann entsprechend berücksichtigt werden.
Weiter mit Bezug auf 4c) erfolgt ein Strukturieren eines ersten Stapels ST1 auf der ersten Elektrodeneinrichtung L1a, L1b, welcher den ersten Sensorschichtbereich S1 mit der ersten Sensorschicht 200 und die darüber liegende erste Schutzschicht 201 aufweist. Diese Strukturierung erfolgt beispielsweise in einem fotolithografischen Prozessschritt unter Zuhilfenahme einer entsprechenden (nicht dargestellten) Fotomaske. Durch diese Fotomaske kann für die später strukturierte Schicht eine beliebige Form (z.B. rechteckig mit Dimensionen von 1 bis 10µm) vorgegeben werden, was bei einem Beschichten durch Tinten, Pasten oder mithilfe einer Schattenmaske nicht möglich ist, Bei der Strukturierung werden die übrigen Elektrodeneinrichtungen L2a, L2b, L3a, L3b sowie umliegende Bereiche des Substrats 1 freigelegt. Das Entfernen der (nicht dargestellten) Fotolackmaske erfolgt beispielsweise nach dem Strukturieren in einem Sauerstoff-Plasmaveraschungsprozess.
Wie in 4d) dargestellt, erfolgt dann ein ganzflächiges Abscheiden einer zweiten Sensorschicht 300 auf dem ersten Stapel ST1 und dem umliegenden Bereich des Substrats 1. Wie die erste Sensorschicht 100, besteht die zweite Sensorschicht 300 aus einem gassensitiven Metalloxid, beispielsweise Kupferoxid, Indiumoxid, Wolframoxid, Zinkoxid, oder aus unterschiedlichen Metalloxiden und kann mit Edelmetall dotiert werden siehe oben). Die zweite Sensorschicht 300 ist bei dieser Ausführungsform von der ersten Sensorschicht 200 unterschiedlich, um somit einen Multi-Gassensor zu realisieren.
Auf der zweiten Sensorschicht 300 wird anschließend ganzflächig eine zweite Schutzschicht 301 abgeschieden. Diese zweite Schutzschicht 301 ist vorzugsweise aus dem gleichen oder einem sehr ähnlichen Material wie die erste Schutzschicht 201 und dient analog zum Schutz der zweiten Sensorschicht 300 bei nachfolgenden Prozessschritten.
Es sei bemerkt, dass die vertikalen Dimensionen hier zur Verdeutlichung überhöht dargestellt sind und die Schichten üblicherweise ein Verhältnis von fast 1000 zwischen horizontaler und vertikaler Ausdehnung aufweisen. Die Schichtqualität und Schichthomogenität um den Bereich des ersten Stapels ST1 ist unerheblich, da hier die zweite Sensorschicht 300 und die zweite Schutzschicht 301 später wieder entfernt werden.
Weiter mit Bezug auf 4e) erfolgt in einem gemeinsamen Prozessschritt ein gleichzeitiges Restrukturieren des ersten Stapels ST1 auf der ersten Elektrodeneinrichtung L1a, L1b, welcher nunmehr den ersten Sensorschichtbereich S1 mit der ersten Sensorschicht 200, die darüberliegende erste Schutzschicht 201, die zweite Sensorschicht 300 und die zweite Schutzschicht 301 aufweist, sowie ein Strukturieren eines zweiten Stapels ST2 auf der zweiten Elektrodeneinrichtung L2a, L2b, welche den zweiten Sensorschichtbereich S1 mit der zweiten Sensorschicht 300 und die darüberliegende zweite Schutzschicht 301 aufweist.
Beide Stapel ST1, ST2 sind nunmehr durch die zweite Schutzschicht 301 von oben her geschützt.
Weiter mit Bezug auf 4f) erfolgt ein Abscheiden einer dritten Sensorschicht 400 auf den ersten Stapel ST1, den zweiten Stapel ST2 und den umliegenden Bereich des Substrats 1. Wie die erste Sensorschicht 100 und die zweite Sensorschicht 300 besteht die dritte Sensorschicht 400 aus einem gassensitiven Metalloxid, beispielsweise Kupferoxid, Indiumoxid, Wolframoxid, Zinkoxid, oder aus unterschiedlichen Metalloxiden und kann mit Edelmetall dotiert werden (siehe oben). Die dritte Sensorschicht 400 ist bei dieser Ausführungsform von der ersten Sensorschicht 200 und zweiten Sensorschicht 300 unterschiedlich, um somit einen Multi-Gassensor zu realisieren.
Anschließend wird eine dritte Schutzschicht 401 auf der dritten Sensorschicht 400 abgeschieden, was zum Prozesszustand gemäß 4f) führt. Das Material der dritten Schutzschicht 401 ist vorzugsweise ähnlich oder gleich dem Material der ersten Schutzschicht 201 und der zweiten Schutzschicht 301 (siehe oben).
Wie in 4g) dargestellt, erfolgt dann ein gleichzeitiges Restrukturieren des ersten Stapels ST1 auf der ersten Elektrodeneinrichtung L1a, L1b, welcher den ersten Sensorschichtbereich S1 mit der ersten Sensorschicht 200 und die darüber liegende erste Schutzschicht 201, die zweite Sensorschicht 300 und die darüber liegende zweite Schutzschicht 301 und die dritte Sensorschicht 400 und die darüberliegende dritte Schutzschicht 401 aufweist, sowie ein Restrukturieren des zweiten Stapels ST2 auf der zweiten Elektrodeneinrichtung L2a, L2b, welche den zweiten Sensorschichtbereich S2 mit der zweiten Sensorschicht 300 und die darüberliegende zweite Schutzschicht 301, die dritte Sensorschicht 400 und die darüberliegende dritte Schutzschicht 401 aufweist, sowie ein Strukturieren eines dritten Stapels ST3 auf der dritten Elektrodeneinrichtung L3a, L3b, welche den dritten Sensorschichtbereich S3 mit der dritten Sensorschicht 400 und die darüberliegende dritte Schutzschicht 401 aufweist.
In einem abschließenden Prozessschritt, dessen Ergebnis in 4h) dargestellt ist, erfolgt die Freistellung des ersten Sensorschichtbereichs S1, des zweiten Sensorschichtbereichs S2 und des dritten Sensorschichtbereichs S3. Dies kann vorteilhafterweise in einem Nassschritt durchgeführt werden, vorzugsweise mit einem Lösungs- oder Ätzmittel, das die erste Schutzschicht 201, die zweite Schutzschicht 301 und die dritte Schutzschicht 401 gleichermaßen angreift. Bei diesem Prozessschritt handelt es sich um einen Lift-off-Prozessschritt, bei dem es nicht erwünscht ist, dass der erste, zweite bzw. dritte Sensorschichtbereich S1, S2, S3 angegriffen wird.
Das Material der ersten, zweiten und dritten Schutzschicht 201, 301, 401 kann beispielsweise Aluminium oder Aluminiumoxid sein, das relativ leicht strukturierbar ist und die darunterliegenden Schichten gut befüllt und abdeckt. Abgeschieden werden können die erste, zweite und dritte Schutzschicht 201, 301, 401 beispielsweise mittels eines Sputterverfahrens.
Im Fall von Aluminium kann das Ätzmittel für die Entfernung der ersten, zweiten und dritten Schutzschicht 201, 301, 401 ein hochreiner metallionenfreier Entwickler, beispielsweise basierend auf oder in Reinlösung von Tetramethylammoniumhydroxid in Wasser sein, der das Aluminium aufgrund seiner Alkalität anlöst. Diese Reaktion ist exotherm, was den Angriff der Entwicklerlösung an den freiliegenden Aluminiumschichten zusätzlich beschleunigt und für ein gutes Unterätzen zum Lift-off sorgt. Je nach Prozessbedingungen entstehen zusätzlich Wasserstoffbläschen, was die gewünschte Ablösung der jeweils oben liegenden Sensorschichten 300 bzw. 400 verbessern kann.
Alternativ sind auch andere Metalle oder auch Oxide oder Nitride als Schutzschichten einsetzbar. Im Falle der Verwendung von Aluminium als Schutzschichtmaterial sollte für die Strukturierung des Fotolacks beim oben erwähnten Fotolithografieschritt bereits ein Aluminium-kompatibler Entwickler verwendet werden, da ansonsten die Schutzschicht außerhalb der Lackmaske schon bei der Lackstrukturierung angegriffen oder entfernt werden könnte, was möglicherweise beim Restrukturieren von der jeweiligen Schutzschicht 201, 301, 401 und Sensorschicht 200, 300, 400 zu einem inhomogenen Angriff auf die oberste Schicht führt.
Der in 4h) dargestellte Prozesszustand entspricht dann einem Ausschnitt des in 1-3 dargestellten Zustandes.
Weitere optionale Prozessschritte zur Verpackung bzw. zur elektrischen Anbindung sind im Stand der Technik wohlbekannt und werden hier aus Vereinfachungsgründen nicht weiter erläutert.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.
Obwohl bei den obigen Ausführungsformen drei Gassensorbereiche mit unterschiedlichen Sensorschichten zur Detektion dreier unterschiedlicher Gase dargestellt und beschrieben wurden, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern auf beliebige Kombinationen von Sensorschichten anwendbar.
Obwohl bei der vorliegenden Ausführungsform drei Sensorschichtbereiche verwendet werden, ist selbstverständlich eine beliebige Vielzahl von Sensorschichtbereichen möglich.
Die Heizeinrichtung kann bei bestimmten Ausführungsformen auch weggelassen werden.
Besonders bevorzugte weitere Anwendungen für die erfindungsgemäße mikromechanische Sensorvorrichtung sind beispielsweise neben chemischen Gassensoren wie Metalloxidgassensoren, Wärmeleitfähigkeitssensoren, Pirani-Elemente, Massenflusssensoren, wie Luftmassenmesser, Lambda-Sonden auf mikromechanischer Membran, Infrarot-Sensorvorrichtungen, Dehnmessstreifen, etc.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3322481 A1 [0012]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Sensorvorrichtung mit den Schritten: Bereitstellen von einem Substrat (1), welches einen Membranbereich (M) aufweist; Ausbilden mehrerer Elektrodeneinrichtungen (L1a, L1b; L2a, L2b; L3a, L3b) auf dem Membranbereich (M), welche sich bis außerhalb des Membranbereichs (M) erstrecken; Bilden mehrerer strukturierter Sensorschichtbereiche (S1-S3) auf einer jeweiligen zugehörigen Elektrodeneinrichtung (L1a, L1b; L2a, L2b; L3a, L3b) auf dem Membranbereich (M), welche eine jeweilige strukturierte Sensorschicht (200; 300; 400) aufweisen; und wobei zum Bilden der mehreren strukturierten Sensorschichtbereiche (S1-S3) folgende Schritte durchgeführt werden: Abscheiden einer ersten Sensorschicht (200) auf dem Substrat (1) mit den Elektrodeneinrichtungen (L1a, L1b; L2a, L2b; L3a, L3b); Abscheiden einer ersten Schutzschicht (201) auf der ersten Sensorschicht (200); Strukturieren eines ersten Stapels (ST1) auf einer ersten Elektrodeneinrichtung (L1a, L1b), welcher den ersten Sensorschichtbereich (S1) mit der ersten Sensorschicht (200) und die darüber liegende erste Schutzschicht (201) aufweist; Abscheiden einer zweiten Sensorschicht (300) auf dem ersten Stapel (ST1) und dem Substrat (1); Abscheiden einer zweiten Schutzschicht (301) auf der zweiten Sensorschicht (300); gleichzeitiges Restrukturieren des ersten Stapels (ST1) auf der ersten Elektrodeneinrichtung (L1a, L1b), welcher den ersten Sensorschichtbereich (S1) mit der ersten Sensorschicht (200) und die darüber liegende erste Schutzschicht (201), die zweite Sensorschicht (300) und die zweite Schutzschicht (301) aufweist und Strukturieren eines zweiten Stapels (ST2) auf einer zweiten Elektrodeneinrichtung (L2a, L2b), welcher den zweiten Sensorschichtbereich (S2) mit der zweiten Sensorschicht (300) und die darüber liegende zweite Schutzschicht (301) aufweist; und Freilegen des ersten Sensorschichtbereichs (S1) und des zweiten Sensorschichtbereichs (S2).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei vor dem Freilegen des ersten Sensorschichtbereichs (S1) und des zweiten Sensorschichtbereichs (S2) folgende Schritte durchgeführt werden: Abscheiden einer dritten Sensorschicht (400) auf dem ersten Stapel (ST1), dem zweiten Stapel (ST2) und dem Substrat (1); Abscheiden einer dritten Schutzschicht (401) auf der dritten Sensorschicht (400); gleichzeitiges Restrukturieren des ersten Stapels (ST1) auf der ersten Elektrodeneinrichtung (L1a, L1b), welcher den ersten Sensorschichtbereich (S1) mit der ersten Sensorschicht (200) und die darüberliegende erste Schutzschicht (201), die zweite Sensorschicht (300) und die darüber liegende zweite Schutzschicht (301) und die dritte Sensorschicht (400) und die darüber liegende dritte Schutzschicht (401) aufweist, Restrukturieren des zweiten Stapels (ST2) auf der zweiten Elektrodeneinrichtung (L2a, L2b), welcher den zweiten Sensorschichtbereich (S2) mit der zweiten Sensorschicht (300) und die darüber liegende zweite Schutzschicht (301) und dritte Sensorschicht (400) und die darüber liegende dritte Schutzschicht (401) aufweist, und Strukturieren eines dritten Stapels (ST3) auf einer dritten Elektrodeneinrichtung (L3a, L3b), welcher den dritten Sensorschichtbereich (S3) mit der dritten Sensorschicht (400) und die darüberliegende zweite Schutzschicht (401) aufweist; und wonach ein Freilegen des dritten Sensorschichtbereichs (S3) zusammen mit dem Freilegen des ersten Sensorschichtbereichs (S1) und des zweiten Sensorschichtbereichs (S2) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Freilegen durch einen Lift-off-Prozessschritt durchgeführt wird, bei dem die erste und die zweite Schutzschicht (201; 301) entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Freilegen durch einen Lift-off-Prozessschritt durchgeführt wird, bei dem die erste, die zweite und die dritte Schutzschicht (201; 301; 401) entfernt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei die jeweilige Elektrodeneinrichtung (L1a, L1b; L2a, L2b; L3a, L3b) jeweilige auf dem Membranbereich (M) angeordnete elektrische Leiterbahnpaare (L1a, L1b; L2a, L2b; L3a, L3b) aufweist, welche derart in einem Lift-off-Prozessschritt strukuriert werden, dass sie im Querschnitt einen nach außen hin flach auslaufenden Randbereich aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei die Sensorschichtbereiche (S1-S3) Gassensorbereiche mit einer jeweiligen strukturierten Sensorschicht (200; 300; 400) aus einem Metalloxid sind, die derart strukturiert werden, dass sie Längs-und Breitenabmessungen einer Größenordnung zwischen 1 und 10 Mikrometern aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Bilden von außerhalb des Membranbereichs (M) angeordneten jeweiligen elektrischen Anschlusspads (P1a, P2a; P2a, P2b; P3a, P3b) für eine jeweilige Elektrodeneinrichtung (L1a, L1b; L2a, L2b; L3a, L3b), über die die Sensorschichtbereiche (S1-S3) elektrisch anschließbar sind, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei die erste Schutzschicht (201) und/oder die zweite Schutzschicht (301) und/oder die dritte Schutzschicht (401) aus Aluminium oder Aluminiumoxid besteht.
Mikromechanische Sensorvorrichtung, insbesondere hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, mit: einem Substrat (1), welches einen Membranbereich (M) aufweist; wobei auf dem Membranbereich (M) mehrere Sensorschichtbereiche (S1-S3) ausgebildet sind, welche eine jeweilige strukturierte Sensorschicht (200; 300; 400) aufweisen; und einer jeweiligen Elektrodeneinrichtung (L1a, L1b; L2a, L2b; L3a, L3b), über die die Sensorschichtbereiche (S1-S3) außerhalb des Membranbereichs (M) elektrisch anschließbar sind; wobei die Sensorschichtbereiche (S1-S3) derart strukturiert sind, dass sie Längs-und Breitenabmessungen einer Größenordnung zwischen 1 und 10 Mikrometern aufweisen.
Mikromechanische Sensorvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Elektrodeneinrichtungen (L1a, L1b; L2a, L2b; L3a, L3b) mit auf dem Substrat (1) außerhalb des Membranbereichs (M) angeordneten jeweiligen elektrischen Anschlusspads (P1a, P2a; P2a, P2b; P3a, P3b) verbunden sind.
Mikromechanische Sensorvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei im oder auf dem Membranbereich (M) eine Heizeinrichtung (HE) vorgesehen ist.
Mikromechanische Sensorvorrichtung nach Anspruch 9, 10 oder 11, wobei die Sensorschichtbereiche (S1-S3) Gassensorbereiche mit einer jeweiligen strukturierten gassensitiven Sensorschicht (200; 300; 400) aus einem Metalloxid sind.
Mikromechanische Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die jeweilige Elektrodeneinrichtung (L1a, L1b; L2a, L2b; L3a, L3b) jeweilige auf dem Membranbereich (M) angeordnete elektrische Leiterbahnpaare (L1a, L1b; L2a, L2b; L3a, L3b) aufweist, welche derart strukuriert sind, dass sie im Querschnitt einen nach außen hin flach auslaufenden Randbereich aufweisen.
Mikromechanische Sensorvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Gassensorbereiche eine jeweils unterschiedliche Sensorschicht (200; 300; 400) aus einem Metalloxid aufweisen.