DE102018207689A1 - Verfahren zum Herstellen mindestens einer Membrananordnung, Membrananordnung für einen mikromechanischen Sensor und Bauteil - Google Patents

Verfahren zum Herstellen mindestens einer Membrananordnung, Membrananordnung für einen mikromechanischen Sensor und Bauteil Download PDF

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Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zum Herstellen mindestens einer Membrananordnung für einen mikromechanischen Sensor zum kalorimetrischen Detektieren von Gasen, wobei ein waferförmiges Substrat bereitgestellt wird, mindestens ein Referenzvolumen unter Bildung einer das Referenzvolumen zumindest bereichsweise bedeckenden Referenzmembran von einer Vorderseite in das waferförmige Substrat durch einen oberflächen- bzw. volumenmikromechanischen Prozess eingebracht wird, mindestens ein zu dem mindestens einen Referenzvolumen benachbartes Messvolumen von einer Rückseite oder der Vorderseite des waferförmigen Substrats unter Bildung einer Messmembran in das Substrat eingebracht wird, ein waferförmiges Kappensubstrat auf die Vorderseite des waferförmigen Substrats aufgebracht wird. Des Weiteren sind eine Membrananordnung und ein Bauteil offenbart.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen mindestens einer Membrananordnung für einen mikromechanischen Sensor zum kalorimetrischen Detektieren von Gasen sowie eine Membrananordnung und ein Bauteil mit einer derartigen Membrananordnung.
  • Stand der Technik
  • Für ein Detektieren von Wasserstoff können Sensoren verwendet werden, welche auf dem kalorimetrischen Prinzip basieren. Derartige Sensoren bestehen üblicherweise aus einer Membran, auf welcher ein Heizelement angeordnet ist. Dieses Heizelement kann mit einem konstanten Strom/Spannung oder mit einer konstanten Leistung durch eine Steuerungselektronik betrieben werden. Hierdurch wird eine Übertemperatur im Vergleich zur Umgebungstemperatur realisiert. Das Funktionsprinzip derartiger Sensoren basiert auf der thermischen Leitfähigkeit von Wasserstoff, die mit 1810 µW/cmK höher ist als die thermische Leitfähigkeit von Luft mit einem Wert von 260 µW/cmK.
  • Befindet sich in der Umgebung des Heizelements Wasserstoff, so sinkt auf Grund der höheren thermischen Leitfähigkeit des Wasserstoffs und damit einhergehenden größeren Wärmeableitung, die Temperatur des Heizelements. Dabei wird der Widerstand des Heizelements verringert. Diese Widerstandsänderung führt zu einer zusätzlichen Heizleistung, die durch die Steuerungselektronik aufgebracht werden muss, um das Heizelement auf konstanter Temperatur zu halten. Die zusätzliche Heizleistung ist proportional zur Konzentration des Wasserstoffs.
  • Da die thermische Leitfähigkeit von der Umgebungstemperatur abhängt, kann mittels eines weiteren Temperatursensors, beispielsweise mit einem weiteren Platinwiderstand in einem benachbarten Bereich der Membran, die Umgebungstemperatur gemessen werden.
  • Die Luftfeuchte in der Umgebung der Membran ist bei der Betrachtung der thermische Leitfähigkeit der Luft ebenfalls relevant und muss durch zusätzliche Sensoren oder eine aufwändigere Auswertung der Messdaten berücksichtigt werden.
  • Durch die hohe Anzahl an zu berücksichtigenden Faktoren wird eine Auslegung der Steuerungselektronik erschwert, da ein großer Messbereich und viele Variablen zu berücksichtigen sind. Parallel hierzu ist jedoch eine hohe Auflösung und Genauigkeit bei der Wasserstoffdetektion erforderlich.
  • Neben der Verwendung einer Wheatstone-Brücke zum Herausfiltern der Umgebungseffekte, kann darüber hinaus die Betriebsspannung variiert werden, um Wasserstoff von einer Luftfeuchte unterscheiden zu können. Diese Unterscheidung ist insbesondere notwendig, wenn Wasserstoff in der Abluft eines Brennstoffzellenstapels, beispielsweise aber nicht notwendigerweise, dem eines Brennstoffzellenfahrzeugs nachgewiesen werden soll. Dort herrscht eine hohe Luftfeuchte.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, ein Herstellungsverfahren und eine verbesserte Membrananordnung vorzuschlagen, welche äußere Einflüsse auf eine Konzentrationsmessung verringert.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen und gehen aus der Beschreibung hervor.
  • Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen mindestens einer Membrananordnung für einen mikromechanischen Sensor zum kalorimetrischen Detektieren von Gasen bereitgestellt.
  • In einem Verfahrensschritt der erfindungsgemäßen Lösung wird ein waferförmiges Substrat bereitgestellt. Das waferförmige Substrat kann bevorzugt ein dotierter oder ein undotierter Halbleiter sein.
    Auf das waferförmige Substrat kann bevorzugt eine thermisch und elektrisch isolierende Beschichtung aus beispielsweise Oxid, Nitrid, Oxid-Nitrit oder Oxid-Nitrit-Oxid oder ähnlichem aufgebracht werden. Die thermisch und elektrisch isolierende Schicht bildet im Folgenden idealerweise eine Ätzstopp-Schicht. Vorteilhafterweise ist das Material derart gewählt, dass Luftfeuchte nicht in die Schicht eingelagert werden kann oder durch die Schicht hindurch diffundiert.
  • Das waferförmige Substrat umfasst vorzugsweise bereits elektrisch leitfähige Strukturen zum Ausbilden von Heizelementen, beispielsweise aus Platin, Aluminium, Molybdän, Wolfram, Kupfer, Gold, Silber, dotiertes Silizium oder dergleichen mit oder ohne Haftvermittlerschichten aus Aluminium, Titian, Tantal oder deren Oxiden bzw. Nitriden und dergleichen. Diese können beispielsweise bestückt, besputtert oder bedampft werden, eine Kombination dieser Schritte ist ebenfalls möglich. Des Weiteren weist das waferförmige Substrat eine weitere elektrische Isolierung über der Metallisierung, z.B. aus Oxid oder Nitrid oder ähnlichem auf. Eine weitere Funktion der Isolationsschicht ist der Schutz bzw. die Trennung vor/von Umgebungseinflüssen wie Staub und Feuchte.
  • Im erfindungsgemäßen Verfahren wird mindestens ein Referenzvolumen unter Bildung einer das Referenzvolumen zumindest bereichsweise bedeckenden Referenzmembran von einer Vorderseite des waferförmigen Substrats in das waferförmige Substrat durch einen oberflächenmikromechanischen und/ oder volumenmikromechanischen Prozess eingebracht.
    Dies kann beispielsweise durch Nassätzen oder Opferschichtätzen erreicht werden.
    Alternativ oder additiv zu diesem Verfahrensschritt kann mindestens ein Referenzvolumen unter Bildung einer das Referenzvolumen zumindest bereichsweise bedeckenden Referenzmembran von einer Vorderseite in das waferförmige Substrat durch einen PorSi-Prozess mit oder ohne anschließendem Entfernen des porösen Siliziums durch beispielsweise einen Trockenätzschritt. bzw. einen Cloudtrench eingebracht werden.
  • Alternativ kann nur ein Prozess zum Einsatz kommen oder eine Kombination der einzelnen Prozesse.
  • Das Referenzvolumen kann als Referenz für die Gasmessung, beispielsweise bei der Verwendung einer Wheatstone'schen Messbrücke im Metalllayer, verwendet werden.
  • Das Referenzvolumen kann in Richtung einer der beiden Oberflächen des waferförmigen Substrats offen oder geschlossen gestaltet sein, in der offenen Ausführung ist ein Austausch mit Gasen und/ oder Gasgemischen in der Umgebung möglich. In der geschlossenen Variante können bestimmte Gase und/oder Gasgemische im Referenzvolumen eingeschlossen werden.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt wird mindestens ein zu dem mindestens einen Referenzvolumen benachbartes Messvolumen von einer Rückseite oder der Vorderseite des waferförmigen Substrats unter Bildung einer Messmembran in das waferförmige Substrat eingebracht.
    Das Messvolumen kann ebenso wie das Referenzvolumen mit Hilfe eines geeigneten oberflächenmikromechanischen Prozesses in das waferförmige Substrat eingebracht werden. Darüber hinaus kann auch ein volumenmikromechanischer Prozess aus jeweils einem und/oder einer Kombination von anisotropem und isotropem Ätzverfahren eingesetzt werden. Dies kann beispielsweise durch Opferschichtätzen und/ oder Nassätzen durchgeführt werden.
  • Alternativ oder additiv dazu kann mindestens ein Messvolumen unter Bildung einer das Messvolumen zumindest bereichsweise bedeckenden Messmembran und ein zunächst geschlossenes Messvolumen von einer Vorderseite in das waferförmige Substrat durch einen PorSi-Prozess mit oder ohne anschließendem Entfernen des porösen Siliziums eingebracht werden.
  • Eine weitere mögliche Prozessführung ist ein von der Vorderseite des waferförmigen Substrats wirkender oberflächenmikromechanischer und/oder volumenmikromechanischer und PorSi-Prozess zur gleichzeitigen Erzeugung des Referenz- und Messvolumens hat. Dieses Vorgehen hat den Vorteil einer verkürzten Prozessführung und ein von der Rückseite wirkender volumenmikromechanischer Prozess zur gasleitenden Öffnung des Messvolumens ist denkbar. In dieser Ausführungsform könnte auf das waferförmige Kappensubstrat, das weiter unten genauer definiert wird, insgesamt verzichtet werden. Dies ist beispielsweise bei Nassätzprozessen möglich und führt zu einer sehr günstigen Herstellungsform der Waferanordnung, denn es können Materialkosten und die Herstellzeit des Sensors weiter verringert werden.
  • Bei der Herstellung eines Referenz- oder Messvolumens oder einer Referenz- oder Messkaverne kann zeitgleich eine das Volumen begrenzende Membran ausgebildet werden. Ein Vorteil einer Ausführung als Membran, wie zum Beispiel einer Referenzmembran und/ oder einer Messmembran, besteht darin, dass bei minimierter Leistungsaufnahme eine Übertemperatur gegenüber der Umgebung eingestellt werden kann.
  • Durch die Membrananordnung und der elektrischen Auslegung als Wheatstone-Brücke kann ein Sensorsignal durch die sich ändernden Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise Temperatur und Luftfeuchtigkeit, sowie Alterung des Chips und einem damit einhergehenden Drift des Sensors kaum beeinflusst werden.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt wird ein waferförmiges Kappensubstrats auf die Vorderseite des waferförmigen Substrats aufgebracht. Der Vorteil eines Aufbringens des waferförmigen Kappensubstrats auf der Vorderseite des waferförmigen Substrats besteht in der Erhöhung der mechanischen Stabilität und der mechanischen Beanspruchbarkeit. Das waferförmige Kappensubstrat realisiert eine fixe thermische Randbedingung, somit erhöht sich die Abgleichbarkeit und Reproduzierbarkeit des Systems. In einer geschlossenen Ausführungsform des waferförmigen Kappensubstrats kann oberhalb der Membran ein weiterer Hohlraum realisiert werden, der beispielsweise mit einem thermisch anders leitenden Gas gefüllt wird. Insbesondere bei einem schlecht leitenden Gas oder Vakuum wird die Sensitivität der vorgeschlagen Messvorrichtung erhöht.
  • Basierend auf den beschriebenen Verfahrensschritten kann ein vereinfachtes Herstellungsverfahren für einen mikromechanischen Sensor insbesondere für einen Doppelmembranchip mit einem eingeschlossenen Referenzvolumen zur Detektion von Gasen, insbesondere für Wasserstoff, insbesondere mittels des Prinzips der thermischen Leitfähigkeit in Gasen und/oder Gasgemischen, Konvektion oder Strahlung realisiert werden.
  • In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform kann im waferförmigen Kappensubstrat eine Kanalstruktur angelegt werden für die gezielte Zuleitung von Mess-und Referenzgas.
  • Anschließend kann der Wafer in eine Vielzahl an Waferabschnitten separiert werden. Die jeweiligen Waferabschnitte können für eine Herstellung der Sensoren verwendet werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird das waferförmige Kappensubstrat nach dem Einbringen des Referenzvolumens auf das waferförmige Substrat aufgebracht. Hierdurch kann das Messvolumen analog zum Referenzvolumen durch einen von der Vorderseite des waferförmigen Substrats wirkenden oberflächenmikromechanischen und volumenmikromechanischen Prozess oder PorSi-Prozess in das waferförmige Substrat eingebracht werden. Anschließend kann das waferförmige Kappensubstrat auf dem bearbeiteten waferförmigen Substrat angeordnet werden.
  • Durch diese besonders günstige und vereinfachte Prozessierbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens kann beispielsweise die Face-Down Bearbeitung zur Herstellung und/oder die gasleitende Öffnung des Messvolumens mittels eines Trenchprozesses realisiert werden. Ein direkter Kontakt der Vorderseite des Wafers mit einer Haltevorrichtung, im Folgenden als Chuck bezeichnet, dieses wird als face down Bearbeitung bezeichnet, kann während der Bearbeitung wegen Unebenheiten und Partikeln auf der Haltevorrichtung zu einer Schädigung der Referenzmembran und/oder Bruch der Membran führen.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das waferförmige Kappensubstrat nach dem Einbringen des mindestens einen Messvolumens auf das waferförmige Substrat aufgebracht.
  • Dies hat den Vorteil, dass bei beispielsweise Nassätzverfahren die Fügung und das waferförmige Kappensubstrat nicht beschädigt werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das mindestens eine Messvolumen durch Trockenätzung in das waferförmige Substrat eingebracht. Ein Vorteil des Trockenätzverfahrens besteht darin, dass vorher angelegte Opferstrukturen definiert entfernt werden können. Somit können Hinterschnitte erzeugt werden, die beispielsweise fluiddynamische Vorteile beim Einleiten des zu messenden Gases bringen können.
  • Alternativ und/ oder additiv wird das mindestens eine Messvolumen durch einen Trenchprozess in das waferförmige Substrat eingebracht. Ein Vorteil des Herstellungsprozesses mittels Trenchen besteht im Einbringen beliebiger Geometrien. Somit können kleine Chips realisiert werden.
  • Alternativ und/oder additiv wird das mindestens eine Messvolumen durch ein nasschemisches Ätzverfahren in das waferförmige Substrat eingebracht. In diesem Fall liegt das waferförmige Substrat nicht auf einem Chuck auf und somit kann dieser Schritt stattfinden bevor die Kappe aufgebracht wurde. Ist kein weiterer mechanischer Schutz oder eine erhöhte Stabilität des waferförmigen Substrats notwendig kann auf die Kappe verzichtet werden.
  • Ein weiterer Vorteil des Nasschemischen Ätzverfahrens liegt darin, dass die Vorder- und Rückseite des waferförmigen Substrats in einem gleichzeitigen Arbeitsschritt erfolgen können. Somit kann sehr kostengünstig bei hoher Prozesshomogenität prozessiert werden.
  • Das mindestens eine Messvolumen kann somit flexibel durch eine Vielzahl an unterschiedlichen Herstellungsverfahren durch Materialabtrag in das waferförmige Substrat eingebracht werden.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das waferförmige Kappensubstrat durch Kleben, Löten, Wafer Bonden oder Schweißen auf die Vorderseite des waferförmigen Substrats aufgebracht, wobei unter Wafer Bonden ein Glas-Frit-Bonding, ein eutekitscher oder ein anodischer Bond zu verstehen ist. Unterschiedliche Bondverfahren erlauben andere Prozessführung, insbesondere auf einer vorliegenden Grenzschicht von waferförmigen Substrat und waferförmigen Kappensubstrat. Des Weiteren haben unterschiedliche Bondverfahren unterschiedliche Medienresistenz in Kombination mit realisierbarer Strukturbreite.
  • Alternativ kann ein Klebeschritt auch nach dem Löten, Bonden oder Schweißen des waferförmigen Kappensubstrats durchgeführt werden. Dies kann der zusätzlichen Fixierung des waferförmigen Kappensubstrats oder der Versiegelung der Membrananordung dienen.
  • Das waferförmige Kappensubstrat kann somit flexibel durch unterschiedliche Verfahren am waferförmigen Substrat angeordnet werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei einem Aufbringen des waferförmigen Kappensubstrats auf das waferförmige Substrat mindestens ein in Richtung der Vorderseite des waferförmigen Kappensubstrats offenes oder geschlossenes Referenzvolumen zwischen der mindestens einen Referenzmembran und dem waferförmigen Kappensubstrat und/oder zwischen der mindestens einen Messmembran und dem waferförmigen Kappensubstrat gebildet. Hierfür kann das waferförmige Kappensubstrat im Vorfeld eingebrachte Ausnehmungen im Bereich der mindestens einen Referenzmembran und/oder im Bereich der mindestens einen Messmembran aufweisen. Diese Ausnehmungen können sich durch eine Dicke des waferförmigen Kappensubstrats hindurch erstrecken und somit einen Gasdurchgang durch das waferförmige Kappensubstrat bilden.
  • Alternativ oder zusätzlich kann das waferförmige Kappensubstrat zusätzliche Volumen über den Membranen bilden, welche beispielsweise mit einem Referenzgas gefüllt sein können.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das mindestens eine von der Vorderseite des waferförmigen Substrats unter Bildung der Messmembran in das waferförmige Substrat eingebrachte Messvolumen von der Rückseite des waferförmigen Substrats gasleitend geöffnet. Dabei kann das Messvolumen rückseitig offen in dem waferförmigen Substrat eingebracht sein oder durch zusätzlich in das waferförmige Substrat eingebrachte Öffnungen gasleitend ausgestaltet sein.
  • Der Vorteil einer Einbringung eines Referenzvolumens von der Vorderseite und des Messvolumens von der Rückseite besteht darin, dass unterschiedliche Gase von der Vorderseite und der Rückseite zugeführt werden können. Es ist beispielsweise möglich Luft von der Vorderseite und Wasserstoff von der Rückseite zuzuführen.
  • Beispielsweise können Kanäle und Öffnungen durch Trenchprozesse in die rückseitige Wandung des mindestens einen Messvolumens eingebracht werden. Die Dimension der Öffnungen ist hierbei derart ausgeprägt, dass gasförmige Medien in das mindestens eine Messvolumen hineingelangen können. Dabei können Partikel und Aerosole aufgrund ihrer Teilchengröße nicht durch die Verbindung in das mindestens eine Messvolumen gelangen.
  • Alternativ kann das mindestens eine Messvolumen kann durch einen nasschemischen Prozess sehr kostengünstig geöffnet werden.
  • Durch die Art der erfindungsgemäßen Prozessführung der Erzeugung des Referenzvolumens von der Vorderseite des waferförmigen Substrats kann eine Abdichtung des Referenzvolumens in Richtung einer Rückseite des waferförmigen Substrats entfallen, da ein geschlossenes Referenzvolumen entsteht, welches nicht extra durch beispielsweise einen separaten Sockelwafer verschlossen werden muss.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das mindestens eine Messvolumen rückseitig durch einen auf die Rückseite des waferförmigen Substrats angewandten Ätzprozess gasleitend geöffnet. Dieser Ätzprozess kann ein Trenchprozess, ein Trockenätzprozess, ein Nassätzprozess und/ oder eine Kombination der Schritte oder ähnliches sein. Das im waferförmigen Substrat eingebrachte mindestens eine Messvolumen und/oder das Referenzvolumen kann in Richtung der Rückseite des waferförmigen Substrats durch eine Porös-Halbleiter-Technologie, wie beispielsweise PorSi-Technologie, gasleitend modifiziert werden.
  • Das Referenzvolumen kann hierbei auf dieselbe Art wie das Messvolumen nur von der Vorderseite der Anordnung aus geöffnet werden. Dies hätte den Vorteil, dass die Wheatstonsche Brücke aufgrund höherer Symmetrie mit dem Messvolumen leichter abstimmbar ist.
  • Ein Vorteil einer porösen Halbleiterstruktur im mindestens einem Messvolumen besteht drin, dass die Halbleiterstruktur eine große Oberfläche und mit einstellbaren Porengrößen aufweist und somit Filterfunktion gegenüber anderen Gasen und/der Partikeln übernehmen kann. Die poröse Struktur ist derart ausgeprägt, dass Partikel, Aerosole oder Leuchtfeuchtigkeit aufgrund der Teilchengröße nicht in das mindestens eine Messvolumen gelangen können. Bei einer Prozessführung mit PorSi ist eine poröse Halbleiterstruktur ohnehin angelegt und die Offenporigkeit kann über die Prozessführung eingestellt werden.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf der Rückseite des waferförmigen Substrats ein Dichtmittel angeordnet. Der abzudichtende Querschnitt der Rückseite des waferförmigen Substrats kann durch die gasleitende Zuführung zum Messvolumen verkleinert werden, sodass eine Abdichtung gegen Feuchte und andere Umwelteinflüsse mittels breiter Dichtungsringe, die beispielweise für eine Medienresistenz verwendet werden, im Bereich des mindestens einen Messvolumens technisch einfacher ausgeführt sein kann.
  • Ein Vorteil des angebrachten Dichtmittels besteht darin, dass das unterhalb des Messvolumens befindliche Gas beispielsweise ein Wasserstoff-Feuchte-Gemisch in einem Abluftrohr von einem zweiten Gas, das sich oberhalb des waferförmigen Substrats befindet, wie beispielsweise Umgebungsluft, getrennt werden kann. Ein besonderer Vorteil liegt darin, dass dadurch die Bondpads und Bonddrähte von einem sie beschädigenden Gas oder sonstigem Bestandteil der Luft (Feuchtigkeit) getrennt werden können. Das Dichtmittel sitzt insbesondere auf der Rückseite, da die dort vorliegenden dielektrischen Schichten besonders feuchtestabil sind. Denkbar ist ebenfalls das Dichtmittel auf der Vorderseite anzuordnen, wenn es um andere Dichtfunktionen geht, beispielsweise Staub.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die mindestens eine Referenzmembran und die mindestens eine Messmembran mindestens ein Wiederstand und mindestens eine elektrische leitfähige Verbindung angeordnet, wobei das mit dem waferförmigen Kappensubstrat verbundene waferförmige Substrat in mindestens zwei Membrananordnungen separiert wird. Insbesondere kann hierdurch eine Wheatston'sche Brückenschaltung auf die Membrananordnung vor einem Separationsschritt aufgebracht werden. Hierdurch kann technisch einfach eine Vielzahl an Membrananordnungen gleichzeitig bearbeitet bzw. hergestellt werden.
  • Die Umsetzung der Brückenschaltung kann auf einem einzelnen Chip in der Ausführungsform von mindestens einer Doppelmembran stattfinden oder auf einem Chip mit einer Membran, bei der die Kappe Mess- und Referenzvolumen bereitstellt und voneinander trennt. Das Sensorsignal eines derartigen Sensors kann durch sich ändernde Umgebungsbedingungen oder eine Alterung des Chips bzw. der verwendeten Metalle und damit einhergehendem Drift des Widerstandes nicht verändert, da alle Widerstände der Brückenschaltung den gleichen Schwankungen unterworfen sind und die Brückenspannung sich somit nicht ändert.
  • Des Weiteren können sich fertigungstechnische Schwankungen in den auf die Membrananordnung aufgebrachten Widerständen auf eine Leistungsfähigkeit des Sensors auswirken, da die Widerstände der Brückenschaltung in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind und somit diesen Schwankungen im gleichen Maße unterworfen sind. Wenn alle Widerstände in einer Brückenschaltung die gleichen Schwankungen erfahren, hat dies einen geringen Einfluss auf eine resultierende Brückenspannung.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens ein Referenzvolumen unter Bildung einer das Referenzvolumen zumindest bereichsweise bedeckenden Referenzmembran von einer Vorderseite in das waferförmige Substrat durch einen PorSi-Prozess mit oder ohne anschließendem Entfernen eines porösen Siliziums eingebracht.
  • Des Weiteren wird gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mindestens ein Referenzvolumen unter Bildung einer das Referenzvolumen zumindest bereichsweise bedeckenden Referenzmembran und ein zunächst geschlossenes Messvolumen unter Bildung einer das Messvolumen zumindest teilweise bedeckenden Messmembran von einer Vorderseite in das waferförmige Substrat durch einen PorSi-Prozess mit oder ohne anschließendem Entfernen des porösen Siliziums eingebracht.
  • Bei der Prozessführung mit PorSi können das Referenzvolumen und das Messvolumen gleichzeitig oder einzeln eingebracht werden. Anschließend besteht die Möglichkeit diese Hohlräume je nach gewünschter späterer Anwendung zur Oberseite und/ oder Rückseite zu öffnen.
  • Bei einer Prozessführung mit PorSi kann das waferförmige Kappensubstrat entfallen, was den Prozessfluss weiter verschlankt. Des Weiteren kann die Stabilität der Referenz- und/ oder Messmembran erhöht werden, indem sie von einer porösen Struktur unterstützt wird, dadurch kann bei höheren Drücken im Referenzvolumen und/oder Messvolumen gemessen werden.
  • Ein Vorteil der Prozessführung mittels ProSi-Prozess, ist das im mindestens einen Referenz- und/oder Messvolumen gezielt eine Filterfunktion durch das poröse Silizium realisiert werden. Die poröse Halbleiterstruktur besitzt eine große Oberfläche und mit über die Prozessführung einstellbaren Porengrößen und kann somit Filterfunktion gegenüber unerwünschten Partikel, Aerosolen und/ oder Leuchtfeuchtigkeit übernehmen. Unerwünschte Komponenten können aufgrund der Teilchengröße nicht in das mindestens eine Referenz- und/oder Messvolumen gelangen. Dies könnte von besonderem Vorteil sein, wenn das zu messende Gas- und/oder Gasgemisch verschmutzt ist.
  • Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Membrananordnung für einen Sensor zum kalorimetrischen Detektieren von Gasen, hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren bereitgestellt. Die Membrananordnung weist einen mit einem Substratabschnitt verbundenen Kappensubstratabschnitt und mindestens ein in den Substratabschnitt eingebrachtes Referenzvolumen, welches in Richtung des Kappensubstratabschnitts von einer Referenzmembran zumindest einseitig begrenzt ist auf. Des Weiteren weist die Membrananordnung mindestens ein in den Substratabschnitt eingebrachtes Messvolumen, welches in Richtung des Kappensubstratabschnitts von einer einseitigen Messmembran begrenzt ist auf, wobei die Referenzmembran bevorzugt zumindest bereichsweise in Richtung einer Vorderseite des Kappensubstratabschnitts fluidleitend geöffnet wird. Das Messvolumen wird in Richtung einer Rückseite des Substratabschnitts fluidleitend ausgestaltet.
  • Eine gemäß dem Verfahren hergestellte Membrananordnung für einen Sensor zum kalorimetrischen Detektieren von Gasen weist mindestens ein Messvolumen mit einem Gaszugang von der Rückseite des waferförmigen Substrats und mindestens ein Referenzvolumen, welches in Richtung der Rückseite des waferförmigen Substrats geschlossen ist. Das geschlossene Referenzvolumen kann als Referenz für die Gasmessung, beispielsweise bei der Verwendung einer Wheatstone'schen Messbrücke im Metalllayer, verwendet werden.
  • Die Membrananordnung kann beispielsweise für eine Ausgestaltung als ein Doppelmembranchip eingesetzt werden, bei dem eine Kaverne bzw. ein Messvolumen beispielsweise von der Rückseite des waferförmigen Substrats offen ist und damit einen Gaszugang aufweist, wobei das benachbarte Referenzvolumen von dieser Zugangsseite abgeschlossen ist (s. PA 13).
  • Eine räumliche Trennung der Referenzmembran von der Messmembran erweist sich als besonders günstig, da sie in Zusammenwirkung mit den elektrisch leitfähigen Strukturen einen Referenzwiderstand bilden kann, um etwaige Änderungen, wie zum Beispiel Feuchte und Temperatur und/oder andere, in der Umgebung von dem Messsignal zu entkoppeln.
  • Ein weiterer Vorteil des Referenzvolumens besteht darin, dass ein definiertes Gas und/oder Gasgemisch eingeschlossen werden kann und somit relativ zu diesem gemessen werden kann.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Bauteil, insbesondere ein Sensor, mit einer erfindungsgemäßen Membrananordnung bereitgestellt.
  • Die Membrananordnung kann vorzugsweise ein Abschnitt einer Waferanordnung sein, welche gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet und anschließend in eine Vielzahl an Abschnitten separiert wurde. Durch die entgegengesetzt eingebrachten Öffnungen des Messvolumens und des Referenzvolumens kann ein Gasstrom technisch einfach in die jeweiligen Volumina geführt werden. Insbesondere kann eine hermetische Abschirmung des Referenzvolumens durch den Kappensubstratabschnitt realisiert werden. Eine hermetische Abschirmung kann ebenfalls realisiert werden, indem das Referenzvolumen nicht gasleitend geöffnet wird oder nach dem Befüllen mit einem Referenzgas wieder verschlossen wird. Hierdurch können äußere Einflüsse auf eine Messung, beispielsweise einer Wasserstoffkonzentration, reduziert werden, wodurch eine Steuerungselektronik zum Betreiben des auf der Membrananordnung basierenden Sensors technisch einfacher und kosteneffizienter ausgestaltet sein kann.
  • Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Gegenstände näher erläutert. Hierbei zeigen
    • 1 einen schematischen Schnitt durch eine Membrananordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
    • 2 einen schematischen Schnitt durch eine Membrananordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und
    • 3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen einer Membrananordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
  • In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf.
  • Die 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine Membrananordnung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Membrananordnung 1 ist hier ein Abschnitt aus einem Wafer mit einer Vielzahl an Membrananordnungen 1, welche durch einen Separationsvorgang voneinander getrennt wurden.
  • Die Membrananordnung 1 ist als eine Anordnung für einen Doppelmembranchip ausgestaltet und kann nach einem Herstellungsprozess für Schichten einer Membran, beispielsweise einer ONO-Membran (Oxid-Nitrid-Oxid) mit mindestens einer darin enthaltenen Leiterbahn, beispielsweise aus dem Metall Platin. Die Anordnung 1 weist eine Referenzmembran 2 auf, welche durch einen oberflächen- oder volumenmikromechanischen oder PorSi-Prozess, letzterer ggf. in Kombination mit einem Trockenätzschritt zum Entfernen der porösen Silizumstruktur in einem waferförmigen Substrat 4 hergestellt wurde. Dabei entsteht zeitgleich ein Referenzvolumen 6, welches von der Referenzmembran 2 in Richtung einer Vorderseite V des waferförmigen Substrats 4 begrenzt wird. Die Referenzmembran 2 ist hier zumindest bereichsweise offen, sodass ein Gasaustausch mit dem Referenzvolumen 6 stattfinden kann.
  • Die Anordnung 1 weist ein waferförmiges Kappensubstrat 8 auf, welches nach dem Herstellen der Referenzmembran 2 auf das waferförmige Substrat 4 aufgebracht wurde. Das waferförmige Kappensubstrat 8 weist im Bereich von Membranen 2, 10 Aussparungen 7 auf, welche sich durch das waferförmige Kappensubstrat 8 hindurch erstrecken. Die Bereiche 2 und 10 können auch miteinander verbunden sein. Gemäß dem Ausführungsbeispiel weisen die Aussparungen 7 schräge Flanken auf, diese können durch einen Nassätzprozess verursacht werden. Die Aussparungen 7 können jedoch auch mit anderen Materialabtragsverfahren wie beispielsweise Trenchen, in das waferförmige Kappensubstrat 8 eingebracht werden.
    Das waferförmige Kappensubstrat 8 ist durch Wafer-Bonden mit Glasfrit auf dem waferförmigen Substrat 4 angeordnet. Durch das waferförmige Kappensubstrat 8 erhält die Anordnung 1 zusätzliche Stabilität.
  • Des Weiteren weist die Anordnung 1 eine der Referenzmembran 2 benachbarte Messmembran 10 auf. Die Messmembran 10 wurde in das waferförmige Substrat 4 bei einer weiteren Bearbeitung mit einer sogenannten „face down“ Orientierung der Anordnung 1 hergestellt. Dabei wurde von der Rückseite R des waferförmigen Substrats ein Ätzverfahren zum Erzeugen eines Messvolumens 14 angewandt. Das Messvolumen 14 ist in Richtung der Rückseite R offen ausgestaltet und ermöglicht somit einen ungehinderten Gasdurchfluss zur Messmembran 10, aber nicht durch sie hindurch. Im Falle eines andersartigen Ätzprozesses, der keine Face down-Bearbeitung benötigt, wie zum Beispiel Nassätzen oder der die Anordnung 1 am Rand haltert, kann ggf. auch auf das waferförmige Kappensubstrat 8 verzichtet werden.
  • Im Bereich des Messvolumens 14 ist an der Rückseite R des waferförmigen Substrats 4 ein Dichtmittel 15 in Form eines Dichtrings 15 angeordnet.
  • In der 2 ist ein schematischer Schnitt durch eine Membrananordnung 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Im Unterschied zur Membrananordnung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, wurde hier das Messvolumen 14 ebenfalls durch einen oberflächen- oder volumenmikromechanischen Prozess oder einen ProSi-Prozess von der Vorderseite V des waferförmigen Substrats 4 aus, in das waferförmige Substrat 4 eingebracht. Hierbei kann auch ein sogenannter Cloudtrench angewandt werden. Idealerweise wird anschließend eine Beschichtung mit einer ONO-Membran und der eingebetteten Metallstruktur aus Platin durchgeführt. Hierdurch ist das Messvolumen 14 zur Vorder- und zur Rückseite R des waferförmigen Substrats 4 geschlossen und wurde durch einen nachträglichen Schritt, beispielsweise durch einen Trenchprozess oder anderem Ätzprozess gasleitend zur Rückseite R geöffnet. Hierdurch weist das Messvolumen 14 rückseitig angeordnete Öffnungen 16 auf, welche vorzugsweise verhindern, dass Partikel und Feuchtigkeit nicht in das Messvolumen 14 gelangen.
  • Die 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 18 zum Herstellen einer Membrananordnung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
  • In einem ersten Verfahrensschritt 20 wird ein waferförmiges Substrat 4 bereitgestellt.
  • Das waferförmige Substrat 4 kann anschließend mit Widerständen bzw. mit elektrisch leitfähigen Verbindungen in Form von einer oder mehrerer Beschichtungen und deren Strukturierung mittels Lithographie ausgestattet bzw. versehen werden und die elektrisch leitende Schicht wird von elektrisch isolierenden Schichten umhüllt 21. Die leitfähigen Verbindungen bilden vorzugsweise Heiz-Widerstände.
  • Anschließend wird mindestens ein Referenzvolumen 6 unter Bildung einer das Referenzvolumen 6 zumindest bereichsweise bedeckenden Referenzmembran 2 von einer Vorderseite V in das waferförmige Substrat 4 durch einen Oberflächen-, volumenmikromechanischen Prozess oder einem PorSi mit Trockenätzschritt Prozess eingebracht 22.
  • Alternativ oder zusätzlich können die elektrischen Leitungen und einhüllenden elektrisch und thermisch isolierenden Schichten gemäß dem Verfahrensschritt 21 auch nach dem Bilden 22 des Referenzvolumens 6 und/ oder Messvolumens 14 auf das waferförmige Substrat 4 aufgebracht werden.
  • In einem weiteren Schritt 23 wird ein waferförmiges Kappensubstrat 8 auf das waferförmige Substrat 4 aufgebracht und die Waferanordnung umgedreht 24, sodass eine Bearbeitung der Rückseite R durchgeführt werden kann. Dieser Schritt kann alternativ entfallen.
  • Dabei wird in einem Schritt 25 mindestens ein zu dem mindestens einen Referenzvolumen 6 benachbartes Messvolumen 14 von der Rückseite R des waferförmigen Substrats 4 unter Bildung einer Messmembran 10 in das waferförmige Substrat 4 eingebracht. Wenn das Messvolumen 14 bereits hergestellt wurde, kann bei diesem Schritt 25 ein Gaszufluss bzw. eine fluidleitende Verbindung zum Messvolumen 14 von der Rückseite R des waferförmigen Substrats 4 eingebracht werden.
  • In einem letzten Schritt 26 wird das mit dem waferförmigen Kappensubstrat 8 verbundene waferförmige Substrat 4 in mindestens zwei Membrananordnungen 1 separiert.

Claims (14)

  1. Verfahren (18) zum Herstellen mindestens einer Membrananordnung (1) für einen mikromechanischen Sensor zum kalorimetrischen Detektieren von Gasen, wobei - ein waferförmiges Substrat (4) bereitgestellt wird (20), - mindestens ein Referenzvolumen (6) unter Bildung einer das Referenzvolumen (6) zumindest bereichsweise bedeckenden Referenzmembran (2) von einer Vorderseite (V) in das waferförmige Substrat (4) durch einen Oberflächen- oder volumenmikromechanischen Prozess eingebracht (22) wird, - mindestens ein zu dem mindestens einen Referenzvolumen (6) benachbartes Messvolumen (14) von einer Rückseite (R) oder der Vorderseite (V) des waferförmigen Substrats (4) unter Bildung einer Messmembran (10) in das waferförmige Substrat (4) eingebracht (25) wird, - ein waferförmiges Kappensubstrat (8) auf die Vorderseite (V) des waferförmigen Substrats (4) aufgebracht wird (23).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das waferförmige Kappensubstrat (8) nach dem Einbringen (22) des Referenzvolumens (4) auf das waferförmige Substrat (4) aufgebracht (23) wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das waferförmige Kappensubstrat (8) nach dem Einbringen (25) des mindestens einen Messvolumens (14) auf das waferförmige Substrat aufgebracht (23) wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das mindestens eine Messvolumen (14) durch Trockenätzung, einen Trenchprozess oder einen Nassätzungsprozess in das waferförmige Substrat (4) eingebracht (25) wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das waferförmige Kappensubstrat (8) durch anodisches oder eutektisches Bonden, Bonden mit Glas Frit, Kleben, Löten oder Schweißen auf die Vorderseite (V) des waferförmigen Substrats (4) aufgebracht (23) wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei bei einem Aufbringen des waferförmigen Kappensubstrats (8) auf das waferförmige Substrat (4) mindestens ein in Richtung der Vorderseite (V) des waferförmigen Kappensubstrats (8) offenes oder geschlossenes Referenzvolumen (6) zwischen der mindestens einen Referenzmembran (2) und dem waferförmigen Kappensubstrat (8) und/oder zwischen der mindestens einen Messmembran (10) und dem waferförmigen Kappensubstrat (8) gebildet wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das mindestens eine von der Vorderseite (V) des waferförmigen Substrats (4) unter Bildung der Messmembran (10) in das waferförmige Substrat (4) eingebrachte Messvolumen (14) von der Rückseite (R) des waferförmigen Substrats (4) gasleitend geöffnet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das mindestens eine Messvolumen (14) rückseitig durch einen auf die Rückseite (R) des waferförmigen Substrats (4) angewandten Materialabtrag oder durch eine auf der Rückseite (R) des waferförmigen Substrats (4) eingebrachte poröse Halbleiterstruktur (16) gasleitend geöffnet wird und falls nötig eine poröse Siliziumstruktur entfernt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei auf der Rückseite (R) des waferförmigen Substrats (4) ein Dichtmittel (15) angeordnet wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei auf die mindestens eine Referenzmembran (2) und die mindestens eine Messmembran (10) mindestens ein Widerstand und mindestens eine elektrische leitfähige Verbindung angeordnet (21) wird, wobei das mit dem waferförmigen Kappensubstrat (8) verbundene waferförmige Substrat (4) in mindestens zwei Membrananordnungen (1) separiert (26) wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei mindestens ein Referenzvolumen (6) unter Bildung einer das Referenzvolumen (6) zumindest bereichsweise bedeckenden Referenzmembran (2) von einer Vorderseite (V) in das waferförmige Substrat (4) durch einen PorSi-Prozess mit oder ohne anschließendem Entfernen eines porösen Siliziums eingebracht (22) wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei mindestens ein Referenzvolumen (6) unter Bildung einer das Referenzvolumen (6) zumindest bereichsweise bedeckenden Referenzmembran (2) und ein zunächst geschlossenes Messvolumen (14) unter Bildung einer das Messvolumen zumindest teilweise bedeckenden Messmembran (10) von einer Vorderseite (V) in das waferförmige Substrat (4) durch einen PorSi-Prozess mit oder ohne anschließendem Entfernen des porösen Siliziums eingebracht (22) wird.
  13. Membrananordnung (1) für einen Sensor zum kalorimetrischen Detektieren von Gasen, hergestellt nach einem Verfahren (18) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend - einen mit einem Substratabschnitt (4) verbundenen Kappensubstratabschnitt (8), - mindestens ein in den Substratabschnitt (4) eingebrachtes Referenzvolumen (6), welches in Richtung des Kappensubstratabschnitts (8) von einer Referenzmembran (2) einseitig begrenzt ist, - mindestens ein in den Substratabschnitt (4) eingebrachtes Messvolumen (14), welches in Richtung des Kappensubstratabschnitts (8) von einer Messmembran (10) einseitig begrenzt ist, wobei die Referenzmembran (2) zumindest bereichsweise in Richtung einer Vorderseite (V) des Kappensubstratabschnitts (8) und das Messvolumen (10) in Richtung einer Rückseite (R) des Substratabschnitts (4) fluidleitend ausgestaltet sind.
  14. Bauteil, insbesondere ein Sensor, mit einer Membrananordnung (1) nach Anspruch 13.
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