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Stand der Technik
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Für viele Sensoranwendungen mit thermischen Wirkprinzipien ist die thermische Isolation der sensorischen Bereichs wünschenswert. Bei aktiv geheizten Bauelementen (wie z. B. chemischen Sensoren) wird so die Leistungsaufnahme minimiert und bei passiven Bauelementen (wie z. B. Thermopiles) lässt sich so die Empfindlichkeit erhöhen. Die Thermoisolation kann durch Abdünnen eines Substrats (Membranerzeugung) oder durch weitestgehende Abkopplung des Sensorbereichs von der Umgebung durch Freistellen erzielt werden. Auch die Kombination in Form von aufgehängten Membranen ist bekannt. Der Vorteil geringer Leistungsaufnahme bzw. hoher Empfindlichkeit wird jedoch durch den Nachteil geringer mechanischer Stabilität erkauft, was zu niedrigen Ausbeuten bei der Herstellung und unter Umständen hohen Ausfallzahlen im Gebrauch führen kann. Vielfach werden für die Sensorwirkprinzipien keramische Funktionsschichten, z. B. Absorberschichten und chemoresistive Schichten, benötigt, die bei der Herstellung gesintert werden. Die mit dem Sintern verbundene Verdichtung führt zum kritischen Aufbau einer Zugspannung in der Membran und kann zu deren Bruch führen.
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- – wenigstens einen Chipaufbau zur Detektion infraroter Strahlung,
- – wenigstens einen Bonddraht, welcher vom Chipaufbau ausgeht und über metallene Anschlüsse zur Gehäuseaußenseite führt sowie
- – Passivierungsmaterial, welches derart verteilt ist,
- – dass der wenigstens eine Bonddraht im wesentlichen vollständig vom Passivierungsmaterial umschlossen ist und
- – ein der einfallenden infraroten Strahlung zugewandter Oberflächenbereich des Chipaufbaus nicht vom Passivierungsmaterial umschlossen ist.
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Aus der
DE 694 03 543 T2 ist ein Bewegungssensor bzw. ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt, bei dem in einem Substrat-Wafer Vertiefungen eingebracht werden, die nachfolgend mit einem dicken Membran-Wafer abgedeckt werden. Anschließend wird der Membran-Wafer poliert, um eine relativ dünne Membran zu erzeugen. Mittels Ätzfenster werden durch die dünne Membran Zugänge zu den Vertiefungen geätzt, durch die ein freistehender Resonatoraufbau geschaffen wird. Dabei wird der Resonator über federnd nachgebende Träger am Substratwafer befestigt.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Vorrichtung, enthaltend eine ebene Membran, welche die offene Seite einer Vertiefung überspannt (d. h. die Membran bildet die Abdeckung der Vertiefung).
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Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Membran mit dem Rand der Vertiefung über Verbindungsteile bzw. Verbindungselemente verbunden ist, welche bei einer Verdrehung der Membran in azimutaler Richtung (d. h. in der Membranebene) als Federelemente wirken und eine rückdrehende Wirkung bzw. Kraft auf die Membran ausüben. Damit wird das Risiko eines Bruchs der Membran bzw. von Rissbildung in der Membran verringert.
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Unter dem Begriff der „Drehung in azimutaler Richtung” wird dabei eine Drehbewegung der Membran in der in 1 eingezeichneten Ebene (d. h. der Zeichenebene von 1) verstanden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsteile aus demselben Material wie die Membran bestehen. Dadurch werden Probleme wegen unterschiedlicher Materialien am Übergangsbereich vermieden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsteile durch Entfernen von Material aus der Membran entstehen. Damit wird eine besonders wirtschaftliche Fertigung ermöglicht.
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Deshalb ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung auch dadurch gekennzeichnet, dass das Material aus der Membran durch einen Ätzprozess oder einen Stanzprozess entfernt wird.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei stegförmige Verbindungsteile vorhanden sind, welche die Membran mit dem Rand der Vertiefung verbinden. Dadurch wird eine Kippbewegung bzw. Drehbewegung der Membran um eine längs durch die Membran verlaufende Achse verhindert.
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Unter dem Begriff der „Kippbewegung bzw. Drehbewegung der Membran um längs durch die Membran verlaufende Achse” wird dabei eine Kippbewegung bzw. Drehbewegung der Membran aus der in 1 eingezeichneten Ebene heraus verstanden, d. h. die Kippachse bzw. Drehachse verläuft in der Zeichenebene von 1 durch die Membran.
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Bei dieser Ausgestaltung sind die Verbindungsteile als stegförmige Verbindungsteile ausgeführt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die stegförmigen Verbindungsteile eine Krümmung in azimutaler Richtung aufweisen. Dadurch wird der Federeffekt der Verbindungselemente erzeugt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstege perforiert sind. Dadurch wird die thermische Leitfähigkeit der Verbindungselemente reduziert.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Vertiefung gegenüberliegenden Seite der Membran ein temperatursensitives Element aufgebracht ist. Durch die Lagerung des temperatursensitiven Elements auf der Membran über der Vertiefung wird eine gute thermische Isolation des temperatursensitiven Elements erreicht. Anstelle des temperatursensitiven Elements kann auf der Membran auch ein Heizelement oder ein Wandlerelement aufgebracht sein.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem temperatursensitiven Element um einen Thermopile oder einen Thermowiderstand handelt.
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Die Erfindung betrifft weiter ein mikromechanisches Verfahren zur Erzeugung einer eebenen Membran, welche die offene Seite einer Vertiefung überspannt, Der Kern des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Materialentfernungsschritt Verbindungsteile erzeugt werden, welche die Membran mit dem Rand der Vertiefung verbinden und welche bei einer Verdrehung der Membran in azimutaler Richtung als Federelemente wirken und eine rückdrehende Wirkung auf die Membran ausüben.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Materialentfernungsschritt um einen Ätzvorgang handelt.
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Die vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung äußern sich selbstverständlich auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und umgekehrt.
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Zeichnung
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Die Zeichnung besteht aus den 1 bis 3.
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1 zeigt in Draufsicht die perforierte Membran sowie die Verbindungselemente.
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2 zeigt einen Querschnitt durch den Chip vor dem Freiätzen der Membran.
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3 zeigt einen Querschnitt durch den Chip nach dem Freiätzen der Membran.
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Ausführungsbeispiel
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Die im Ausführungsbeispiel vorgeschlagne Struktur umfasst einen durch Perforation mit einem äußeren Substrat verbundenen inneren sensorischen Bereich. Der innere sensorische Bereich kann dünner sein als der äußere. Vorteilhaft besteht der innere Bereich aus schlecht wärmeleitenden Schichten, die auf das Substrat vorher aufgebracht und dann strukturiert wurden. Das Substrat kann z. B. aus Silizium oder einem anderen Halbleitermaterial oder einer Keramik bestehen. Der innere Bereich kann beispielsweise durch Ätzen, Unterätzen oder Stanzen vom äußeren Bereich getrennt werden. Vom inneren Bereich können elektrische Leiterbahnen über die Federstrukturen geführt werden. Der innere Sensorbereich und die Federstrukturen können perforiert sein zur weiteren Erhöhung der Thermoisolation. Zudem kann im inneren Sensorbereich eine Schicht (z. B. eine Paste) auf die Oberfläche aufgebracht werden, mit der chemoelektrische und oder thermoelektrische Energiewandlungen (Gassensoren, Thermopiles) realisierbar sind. Wird der innere Sensorbereich unter mechanische Zugspannungen (z. B. bei der Herstellung) gesetzt, so kann das Gesamtsystem sich dadurch entspannen, dass sich die Federstrukturen verkürzen, indem sich der sensorische Bereich leicht verdreht, was jedoch seine Funktion nicht beeinträchtigt.
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Für den Fall, dass eine dielektrische Membran auf einem Siliziumsubstrat erzeugt werden soll, bieten sich insbesondere die drei folgenden Verfahren für das Freiätzen der gefederten Membran.
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Verfahren 1:
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Freiätzen mittels einem plasmalosen Gasphasenätzen mit z. B. ClF2, XeF2 oder nasschemischem Ätzen mit z. B. TMAH (= Trimethylammoniumhydroxid).
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Die beim Gasphasenätzen eingesetzten Ätzgase und TMAH sind sehr materialselektiv. Daher kann die aus dielektrischen Materialien bestehende gefederte Struktur selbst als Ätzmaske verwendet werden. Falls anwendungsseitig keine besonderen Anforderungen an die Ätztiefe bestehen, kann ein einfaches Zeitätzen (vorgegebene Zeitlänge für den Ätzvorgang) erfolgen. Andernfalls können Oxid- oder Nitrit-Ätzstopschichten zur Begrenzung der Ätzkaverne dienen. Eine vergrabene Oxidschicht legt die Kavernenhöhe fest, z. B. mit einem Trench- und Oxidationsschritt kann die laterale Kavernengeometrie bestimmt werden.
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Verfahren 2:
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Freistellen mit KOH-Ätzen (KOH = Kaliumhydroxid)
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Ein KOH-Ätzen kommt ebenfalls für das Freistellen der Membran in Betracht. Jedoch bestehen wegen der eingeschränkten Materialselektivität Einschränkungen, was die verwendbaren Membranmaterialien betrifft. Mögliche Membranmaterialien sind hierbei vor allem Nitridschichten neben vollständig eingebetteten Oxidschichten. Die Ätztiefe wird über Zeitätzen eingestellt.
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Verfahren 3:
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Freistellen durch Porosifizieren
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Beim Porosifizieren kann eine strukturierte Nitridschicht evtl. in Kombination mit einer in ein p-dotiertes Substrat eingebrachten n-Dotierung als Ätzmaske dienen. Das Nitrid dient gleichzeitig als Membranmaterial. Mittels eines Ätzmittels wie z. B. HF/H2O2/H2O kann das poröse Silizium selektiv gegen das c-Si (= monokristallines Silizium) entfernt werden.
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In 1 ist eine perforierte Membran 100 dargestellt. Diese ist durch vier ebenfalls perforierte Stege bzw. Federstrukturen 101 mit dem äußeren Bereich 106 verbunden. Diese vier Stege sind jeweils in azimutaler Richtung leicht gekrümmt, dadurch wird eine Rotations- bzw. Ausweichbewegung der Membran in azimutaler Richtung (siehe Pfeil 102) bei Vorliegen mechanischer Spannungen im sensorischen Bereich ermöglicht. Die vier mit 103 gekennzeichneten Bereiche sind durch Ätzung bzw. Unterätzung entfernt worden bzw. ausgestanzt worden. 104 zeigt den als rund eingezeichneten (und in einer zweiten Ausführungsform strichliert als quadratisch eingezeichneten) perforierten Membranbereich. Dieser kann allgemein eine beliebige geometrische Form aufweisen.
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2 zeigt einen Querschnitt durch den Chip vor dem Freiätzen der Membran. Dabei zeigt 201 den Si-Wafer, auf welchem eine vergrabene Oxidschicht 202 erzeugt wurde. Auf diesem ist wiederum eine poly- oder monokristalline Schicht 203 aufgebracht. Diese ist mit einem Trenchgraben 204 umgeben, welcher durch einen Oxidationsprozess und/oder eine Schichtabscheidung geschlossen wird.
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Darüber ist wiederum die Membranschicht bzw. das Membranschichtpaket 205 aufgebracht. Dieses kann z. B. aus SiO2 und/oder Si3N4 bestehen, es kann auch eine Metallisierung umfassen.
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3 zeigt einen Querschnitt durch den Chip nach dem Freiätzen der Membran. In 3 sind neben den aus 2 bekannten Strukturen 201, 202, 204 und 205 zusätzlich die Membranperforationen und Ätzzugangslöcher 305 eingezeichnet. Dabei handelt es sich bei den beiden großen Aussparungen links und rechts um die Aussparungen zwischen den Federstrukturen, welche in 1 mit 103 gekennzeichnet sind. Das in dem in 2 mit 203 bezeichneten Volumen befindliche Material wird durch den Ätzvorgang entfernt, d. h. an dieser Stelle befindet sich in 3 jetzt der Hohlraum bzw. die Vertiefung unter der Membran. Die Membran überspannt diese Vertiefung.
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In 2 ist auf der der Vertiefung gegenüberliegenden Seite der Membran ein temperatursensitives Element 210 (z. B. ein Thermopile) aufgebracht. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist dieses Element in 3 nicht eingezeichnet, kann dort jedoch ebenfalls angebracht werden.
