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STAND DER TECHNIK
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement mit einem Isolationsbereich und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
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Obwohl auf beliebige mikromechanische Bauelemente und Strukturen, insbesondere Sensoren und Aktuatoren, anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik in bezug auf einen in der Technologie der Silizium-Oberflächenmikromechanik herstellbaren mikromechanischen chemischen Sensor, z. B. einen Luftgütesensor erläutert.
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Frühere Luftgütesensoren wurden mit einem gassensitiven Material auf einer Keramik realisiert. Das gassensitive Material ändert seinen Widerstand und/oder seine dielektischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Konzentration des zu detektierenden Gases. Um eine gute Empfindlichkeit zu erhalten, muß das gassensitive Material beheizt werden. Nachteilig hierbei ist die Verwendung einer Keramik und die damit verbundene große Bauform hinsichtlich der großen aufzuwendenden Heizleistung und der langen Ansprechzeit.
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In jüngerer Zeit ist man dazu übergegangen, zur Herstellung von chemischen Sensoren, welche auf thermischen Effekten basieren, Verfahren in Bulk-Mikromechanik anzuwenden. Bei diesen Verfahren der Bulk-Mikromechanik ist beispielsweise zur Herstellung von einer Membran ein aufwendiger Rückseiten-Ätzprozeß notwendig. Eine derartige Membran wird zur thermischen Isolation von Heizwiderständen auf der Sensorvorderseite benötigt. Die Strukturierung der Membran erfolgt dabei üblicherweise über einen naßchemischen KOH-Ätzprozeß, bei welchem der Wafer in eine Ätzdose eingebaut werden muß. Dieses Verfahren mit integriertem Rückseitenprozeß bzw. KOH-Ätzprozeß ist sehr aufwendig und daher mit erheblichen Kosten verbunden.
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Aus der Schrift
US 5,907,765 A ist ein Verfahren bekannt, bei dem in ein Substrat ein Graben eingebracht wird. Dabei wird auf das Substrat zunächst eine Isolationsschicht aufgebracht, durch die der Graben erzeugt wird. Anschließend wird der Graben mit einer Opferschicht verfüllt, um darauf aufbauend weitere Schichten abzuscheiden, die die nachfolgende Membran bilden sollen. Abschließend wird die Opferschicht entfernt, um eine Kavität zu schaffen.
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Aus der Schrift
DE 196 08 370 A1 ist ein mikromechanisches Kanalsystem bekannt, das durch lateral strukturiertes Unterätzen und Wiederverschließen einer dünnen Schicht erzeugt worden ist. Das Kanalsystem wird dabei durch ein definiertes Zerstören der geschlossenen Membran an die Umgebungsatmosphäre angeschlossen.
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VORTEILE DER ERFINDUNG
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Das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. das entsprechende Herstellungsverfahren nach Anspruch 7 weisen den Vorteil auf, daß eine einfache und kostengünstige Herstellung eines Bauelements mit einem isolierten Vorderseitenbereich, auf dem bsp. eine Sensoreinrichtung vorgesehen werden kann, möglich ist.
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Insbesondere eignet sich der Gegenstand der vorliegenden Erfindung für die Herstellung eines chemischen Sensors zur Detektion von CO, NOX bzw. anderen Gasen. Bei diesen Verfahren wird die thermische Isolation zwischen Heizwiderständen und dem Substrat über die erfindungsgemäß hergestellte vorderseitige Isolationsschicht erreicht. Bei der beispielhaften Realisierung eines solchen Luftgütesensors erhält man folgende weitere Vorteile:
- • Geringe Leistungsaufnahme aufgrund guter thermischer Entkopplung
- • Integration eines Sensorelements auf dem Chip
- • Mögliche Integration einer Schaltung auf dem Sensorelement
- • Sehr kleine Baugröße mit beliebiger Geometrie des Isolationsbereichs
- • Geringe Ansprechzeit aufgrund der kleinen Masse, die umtemperiert werden muß
- • kapazitive oder resistive Auswertung möglich
- • unterschiedliche Materialien für Heiz- und/oder Meßwiderstände bzw. -elektroden verwendbar
- • mehrere gassensitive Materialien auf einem Chip einsetzbar
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Nur oberflächenmikromechanische Verfahrensschritte, d. h. nur Vorderseitenprozesse, sind zur Herstellung eines solchen Sensors notwendig. Dadurch entfallen die aufwendigen Rückseitenprozesse, wie z. B. das KOH-Ätzen mittels der Ätzdose zur Strukturierung der Membran. Durch den Wegfall des KOH-Ätzschrittes von der Rückseite her ist auch eine Miniaturisierung des mikromechanischen Bauelements möglich. Ein weiterer Vorteil ist die Vermeidung von Kratzern bzw. Partikeln auf der Wafervorderseite, weil keine Rückseitenprozesse mehr notwendig sind.
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Noch ein Vorteil besteht in der Ersetzung der zur Isolation bisher notwendigen Membran durch einen kompakteren Isolationsblock. Dadurch werden Membranbrüche beim Aufbringen der vorderseitigen Sensorstruktur, beispielsweise einer chemisch sensitiven Paste, vermieden. Schließlich sind nur wenige Schichterzeugungsschritte und Photolithographieschritte zur Erzeugung des erfindungsgemäßen vorderseitigen Isolationsblocks notwendig.
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In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung besteht das Substrat aus Silizium und der Isolationsbereich aus Siliziumdioxid bzw. einer Kombination aus Siliziumdioxid und Hohlräumen (evakuiert oder unter Normalbedingungen).
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der Verschließbereich eine erste Siliziumdioxidschicht und eine darüberliegende Siliziumnitridschicht auf.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Siliziumnitridschicht durch eine zweite Siliziumdioxidschicht eingeebnet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist auf dem Verschließbereich eine Sensoreinrichtung zum Erfassen einer elektrischen Eigenschaft eines dort vorgesehenen Mediums vorgesehen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist auf dem Verschließbereich eine Heizeinrichtung zum Heizen des vorgesehenen Mediums vorgesehen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Bauelement ein Luftgütesensor, wobei das Medium ein gassensitives Medium ist und die Sensoreinrichtung eine Kapazitätserfassungseinrichtung und/oder eine Widerstandserfassungseinrichtung aufweist.
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ZEICHNUNGEN
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1a–g Herstellungsschritte zur Herstellung eines chemischen Sensors in Form eines Luftgütesensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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2 eine Aufsicht auf einen chemischen Sensor nach 1.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.
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1a–g zeigen Herstellungsschritte zur Herstellung eines chemischen Sensors in Form eines Luftgütesensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1a bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Siliziumsubstrat in Form eines Siliziumwafers. Selbstverständlich muß das Substrat nicht unbedingt ein Siliziumwafer sein, sondern kann beispielsweise auch die oberste Schicht eines mehrlagigen Substrats sein, welches beispielsweise aus einem Wafer und einer Epitaxieschicht o. ä. besteht.
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In das Substrat 1 werden mittels eines üblichen photolithographischen Prozesses und eines anisotropen Ätzschritts, beispielsweise durch reaktives Ionenätzen, Gräben 2 eingebracht, wobei zwischen den Gräben 2 Stege 3 aus dem Substratmaterial zurückbleiben. Eine typische Dicke des Substrats liegt zwischen 200 μm und 600 μm, und eine typische Tiefe der Gräben 2 liegt zwischen 20 μm und 200 μm.
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Die Gräben 2 können dabei je nach Anwendung eine beliebige Form aufweisen. Beispielsweise kann eine Struktur gewählt werden, bei dem die Stege 3 Säulen sind, die von dem Substrat 1 in diesem Bereich stehen bleiben. Andere Möglichkeiten sind beispielsweise wandartige Stege oder kreisbogenförmige Stege. Diese Prozeßschritte führen zum in 1a gezeigten Zustand.
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Gemäß 1b wird die resultierende Struktur thermisch aufoxidiert, um eine isolierende Oxidschicht 4 zu bilden. Isolierend in diesem Zusammenhang bedeutet thermisch und/oder elektrisch isolierend, je nach der vorgesehenen Anwendung des mikromechanischen Bauelements. Bei dem hier beschriebenen Bauelement handelt es sich um einen chemischen Sensor, so daß der thermische Isolationseffekt im Vordergrund steht.
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Die Breite der Stege 3 gemäß 1a ist derart gewählt, daß sie bei der thermischen Oxidation vollständig aufoxidiert werden und die modifizierten Stege 3' somit vollständig aus Siliziumdioxid bestehen. Ebenfalls die Gräben 2 werden zu modifizierten Gräben 2' mit geringerer Breite durch die thermische Oxidation umgewandelt. In diesem Zusammenhang sollte bemerkt werden, daß die Breite der Gräben 2 auch so gewählt werden kann, daß die Gräben 2 durch den Schritt der thermischen Oxidation vollständig verschlossen werden und nicht wie im hier gezeigten Beispiel verschmälerte Gräben 2' übrig bleiben.
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Gemäß der Darstellung von 1c erfolgt in den nächsten Prozeßschritten eine Luftisolation der modifizierten Gräben 2' durch Vorsehen eines Verschließbereichs 6, 8, 9 in Form einer Schichtenfolge über der modifizierten Grabenstruktur 2', 3'. Der Verschließbereich wird durch Abscheiden einer ersten Oxidschicht 6 und anschließendes Abscheiden einer Nitridschicht 8 über der ersten Oxidschicht 6 sowie Abscheiden einer zweiten Oxidschicht 9 über der Siliziumnitridschicht 8 erzeugt.
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In einem darauffolgenden Verfahrensschritt, welcher mit Bezug auf 1d erläutert wird, wird die zweite Oxidschicht 9 zurückpoliert, wobei die Siliziumnitridschicht 8 als Polierstopp dient, was zu einer planaren Oberfläche der Struktur führt. Ein Restoxid der zweiten Siliziumdioxidschicht 9 bleibt lediglich in den Einsenkungen oberhalb der Gräben 2' zurück.
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Gemäß 1e wird dann auf der resultierenden Struktur ein chemischer Sensor in Form eines bekannten Luftgütesensors gebildet. Die wesentlichen Sensorelemente bestehen aus Platinwiderständen und umfassen Thermosensoren 10, eine Heizeinrichtung 50 und eine Elektrodenanordnung 20. Die Herstellungsweise dieser Sensorelemente ist allgemein bekannt und wird hier nicht näher erläutert.
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In einem darauffolgenden Prozeßschritt, welcher in 1f illustriert ist, wird eine weitere Siliziumoxidschicht 16 abgeschieden und strukturiert, welche im vorliegenden Fall alle Sensorelemente bis auf die Elektrodenanordnung 20 abdeckt bzw. schützt. Neben der Elektrodenanordnung 20 bleiben selbstverständlich auch die (nicht gezeigten) Kontakte zu den (ebenfalls nicht gezeigten) Anschlußpads der Sensorelemente frei.
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Hierbei sollte noch erwähnt werden, daß die Sensorelemente nicht nur aus Platin, sondern beispielsweise auch aus leitfähigem Silizium erzeugt werden könnten. Auch solche Siliziumsubstrat-Sensorelemente können gleichzeitig Heizdraht, Elektrodenanordnung und Thermosensoren bilden.
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Gemäß 1g wird dann eine chemisch sensitive Paste 30 auf die resultierende Struktur aufgebracht und eingebrannt. Die Paste 30 ist insbesondere über die Elektrodenanordnung 20 gelegt und berührt zwischen den Elektroden die Siliziumnitridschicht 8 bzw. die Oxidreste der Siliziumdioxidschicht 9.
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Hierbei sei hervorgehoben, daß die Sensorelemente vorzugsweise oberhalb der Gräben 2' verlaufen, so daß eine möglichst effektive thermische Entkopplung gewährleistet wird. Dies hat insbesondere zur Folge, daß die Thermosensoren 10 die Temperatur des Verschließbereichs messen, die Heizeinrichtung 50 dessen Temperatur einstellt und die chemisch sensitive Paste 30 mit der Elektrodenanordnung 20 thermisch nur an den Verschließbereich angekoppelt ist und nicht an das Substrat 1.
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Die weitere Prozessierung, insbesondere die Bildung der Anschlußpads, etc. erfolgt in bekannter Weise und wird hier nicht weiter erläutert. Die erfindungsgemäße Verfahrensweise kann insbesondere in bestehende Prozesse integriert werden, so daß beispielsweise ab der Sensorelementebene vollständig auf bestehende Prozesse zurückgegriffen werden kann.
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2 zeigt eine Aufsicht auf einen chemischen Sensors nach 1.
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2 zeigt eine Draufsicht auf eine Sensorstruktur, welche gemäß dem Verfahren nach 1a bis g hergestellt wurde. Wie aus 2 ersichtlich, sind die Elektroden 20a, 20b der Elektrodenanordnung 20 in Form einer ineinandergreifenden Kammstruktur gebildet, deren Anschlüsse nach außen gezogen sind. Auch sind die Anschlüsse 50a, 50b der Heizeinrichtung 50 von einem die Elektrodenanordnung 20 mäanderförmig umschließenden Ring nach außen gezogen, wo sie beliebig kontaktiert werden können. Als Thermosensoren 10 dienen bei dem Beispiel zwei nicht näher erläuterte Platinwiderstände 10a, 10b.
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Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
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In den obigen Beispielen ist das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement in einfachen Formen zur Erläuterung seiner Grundprinzipien aufgeführt worden. Wesentlich kompliziertere Ausgestaltungen unter Verwendung derselben Grundprinzipien sind selbstverständlich denkbar.
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Beispielsweise kann anstatt der Veränderung der dielektrischen Eigenschaften auch die Veränderung des elektrischen Widerstands des Mediums, z. B. des gassensitiven Mediums, mittels entsprechender Meßelektroden erfaßt werden.
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Weiterhin möglich ist es, unterschiedliche Medien auf der Isolationsschicht vorzusehen, welche auf verschiedene Gase sensitiv sind. So könnten mehrere Gase mit dem gleichen Sensorelement erfasst werden.
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Es können schließlich auch beliebige mikromechanische Grundmaterialien verwendet werden, und nicht nur das exemplarisch angeführte Siliziumsubstrat.
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Auch kann der Verschließbereich andere Schichtfolgen aufweisen, z. B. eine weitere Siliziumdioxidschicht anstelle der Siliziumnitridschicht. BEZUGSZEICHENLISTE
| 1 | Substrat |
| 2, 2' | Gräben |
| 3, 3' | Stege |
| 4 | thermische Oxidschicht |
| 6 | Oxidschicht |
| 8 | Nitridschicht |
| 9 | Oxidschicht |
| 10, 10a, 10b | Thermosensor |
| 50 | Heizdraht |
| 50a, 50b | Anschlüsse von 50 |
| 20 | Elektrodenanordnung |
| 20a, 20b | Elektroden |
| 16 | Oxidschicht |
| 30 | chemisch sensitive Paste |
