DE19542242C1 - Verfahren zur Herstellung eines eine gewölbte Membrane aufweisenden Drucksensors - Google Patents

Description

1. Einleitung und Stand der Technik

Verfahren der Mikrostrukturtechnik bzw. Mikromechanik kommen insbesondere auch bei der Fertigung miniaturisierter Druck­ sensoren zur Anwendung. Sie ermöglichen die Herstellung eines Arrays von beispielsweise 240 elektrisch parallelgeschalteten Einzelsensoren, welche jeweils aus einer etwa 120 µm × 120 µm großen SiO₂-Cr-SiO₂-Membrane, einem darunterliegenden evaku­ ierten Hohlraum und zwei als Kondensator dienenden Chrom­ elektroden bestehen ([1]). Die durch ebene Flächen begrenzten Hohlräume erzeugt man durch laterales naßchemisches Ätzen ei­ ner Aluminium-Opferschicht und anschließendes Versiegeln der im Randbereich jeder Membrane vorhandenen Behelfsöffnungen. Ähnlich aufwendig ist die Herstellung des aus [2] bekannten Drucksensors, dessen aus polykristallinem Silizium bestehende Membrane eine Fläche von 20 × 20 µm2 aufweist. Das der Druckänderung proportionale elektrische Signal erzeugt eine die Membrane abdeckende ferroelektrische Dünnschicht. Ein die ferroelektrische Dünnschicht kontaktierendes Elektrodenpaar greift die durch den piezoelektrischen Effekt hervorgerufene Oberflächenladung ab und leitet sie an eine Verstärkerelek­ tronik/Auswerteeinheit weiter.

Ausgangspunkt des in [3] beschriebenen Verfahrens zur Her­ stellung eines eine gewölbte Membrane aufweisen den Drucksen­ sors ist ein beschichtetes Substrat, wobei das Substrat und die darauf abgeschiedene Deckschicht jeweils aus einem un­ gesinterten keramischen Material bestehen. Da beide Materia­ lien während der bei einer Temperatur T = 1550°C durchgeführ­ ten Sinterung unterschiedlich stark schrumpfen (Schrumpffaktor Substrat ≈ 16,8%, Schrumpffaktor Deckschicht ≈ 15,3%) hebt die Deckschicht im zentralen Bereich vom Substrat ab und wölbt sich auf.

2. Gegenstand/Vorteile der Erfindung

Die Erfindung hat ein Verfahren zur Herstellung eines eine gewölbte Membrane aufweisen den Drucksensors zum Gegenstand. Durch Ausführen der in Patentanspruch 1 angegebenen Verfah­ rensschritte läßt sich insbesondere ein miniaturisierter Dünnschicht-Drucksensor vergleichsweise einfach und kosten­ günstig herstellen. Da keine Opferschichten aufgebracht und zu einem späteren Zeit­ punkt durch laterales naßchemisches Ätzen wieder entfernt werden müssen, verringert sich der technische Aufwand zur Fertigung des Sensors erheblich. Ein Array von entsprechend verschalteten, jeweils mit einer Auswerteelektronik versehe­ nen Einzelsensoren kann beispielsweise als ortsauflösender Drucksensor Verwendung finden. Die Ortsauflösung beträgt we­ niger als 10 µm, wobei die lateralen Abmessungen der druck­ empfindlichen Membranen typischerweise im Bereich von etwa 0,5 µm-1 µm liegen.

3. Zeichnungen

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Dünnfilm-Drucksensors im Schnitt;

Fig. 2 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Bruches durch den Hohlraum des Drucksensors;

Fig. 3 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Oberfläche eines mit der Schichtenfolge Ti/TiN verse­ henen Substrats nach dem Abscheiden eines Ferroelek­ trikums bei erhöhter Temperatur in einer sauer­ stoffreichen Atmosphäre.

4. Ausführungsbeispiele der Erfindung 4.1 Aufbau des Drucksensors

Die aus teilweise oxidiertem Titannitrid bestehende, etwa 50 nm-150 nm dicke Membrane 3 des in Fig. 1 im Schnitt dargestellten Drucksensors besitzt die Form einer Kugelkappe. Zusammen mit der auf einem Silizium- oder Glassubstrat 1 abgeschiedenen, etwa 10 nm-50 nm dicken haftvermittelnden Titanschicht 2 bildet sie den mit einem Sauerstoff-Stickstoffgemisch gefüllten Hohlraum 7 des Drucksensors.

Während der Durchmesser der annähernd kreisförmigen Grundfläche des Hohlraums 7 im Bereich von 0,5 µm-1 µm liegt, beträgt seine Höhe etwa 200 nm-500 nm. Jede durch eine Druckänderung hervorgerufene Deformation der Membrane 3 wird mit Hilfe der zwischen den Elektroden 4 und 6 eingebet­ teten piezoelektrischen Dünnschicht 5 nachgewiesen. Die etwa 50 nm-200 nm dicke Schicht 5 besteht beispielsweise aus ZnO oder einem einen möglichst großen piezoelektrischen Koeffizi­ enten aufweisenden Ferroelektrikum. Als Ferro-elektrikum eig­ nen sich insbesondere eine polykristalline Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik (PZT), Bariumtitanat (BaTiO₃) oder Lithiumni­ obat (LiNbO₃). Wie auch die anderen Schichten werden die bei­ den jeweils mit elektrischen Anschlüssen 8/9 versehenen Elektroden 4/6 durch Sputtern oder ein CVD-Verfahren aufge­ bracht. Ihre Dicke beträgt jeweils etwa 30 nm-50 nm, wobei insbesondere Ruthenium, Platin, Iridium oder Palladium als Elektrodenmaterialien in Betracht kommen.

4.2 Verfahren zur Herstellung des Drucksensors

Wie eingangs erwähnt, erfordert die Herstellung des Sensor­ hohlraums 7 kein Aufbringen von Opferschichten und deren spä­ tere Beseitigung durch zeitaufwendige Ätzschritte. Demzufolge entfallen auch die der Erzeugung der Behelfsöffnungen für das Ätzmittel dienenden Maskierungs- und Strukturierungsproze­ duren. Dies erreicht man durch eine geeignete Wahl der Ab­ scheidebedingungen für das Ferroelektrikum 5 und einen Temperschritt, während dessen sich der Hohlraum 7 selbsttätig bildet.

Ausgangspunkt des Herstellungsprozesses ist ein Silizium­ substrat 1, auf dem man die in Fig. 1 mit 2/3/4 bezeichneten Schichten unter Anwendung der aus dem Bereich der Dünnfilm­ technik bekannten Verfahren (Sputtern, CVD, usw.) in der ge­ wünschten Dicke abscheidet. Anschließend erwärmt man das Si­ liziumsubstrat 1 und die beispielsweise durch die Materialien Ti/TiN/Ru definierte Schichtenfolge auf eine im Bereich von 500°C T 700°C liegende Temperatur. Das Aufsputtern des Ferroelektrikums erfolgt in einer sauerstoffreichen At­ mosphäre (80% O₂, 20% Ar) bei einem Druck von etwa 0,01 mbar-0,05 mbar. Während dieses Vorgangs diffundiert der Sauerstoff durch die Ru-Metallisierung 4 und reagiert mit dem darunterliegenden TiN. Aufgrund der durch die Oxidation von Teilen des TiN hervorgerufenen Volumenvergrößerung bauen sich in der TiN-Schicht 3 starke mechanische Spannungen auf. Es setzt sogenanntes "Blistering" ein, d. h. die TiN-Dünnschicht 3 löst sich von der darunterliegenden Ti-Schicht 2 lokal ab. Mit der TiN-Dünnschicht 3 werden auch die darüber­ liegenden Schichten 4/5 entsprechend deformiert, so daß ein nach außen hin abgeschlossener Hohlraum 7 mit einer nahezu ebenen Grund-fläche und einer kugelkappenförmigen oder annä­ hernd halb-kugelförmigen Decke entsteht (s. die in Fig. 2 dargestellte REM-Aufnahme). Wie die Fig. 3 zeigt, besitzen die auf einem ganz flächig beschichteten Wafer erzeugten Bli­ ster alle annähernd dieselben Abmessungen. Eine gleichmäßige Anordnung der Blister in arrayartigen Strukturen kann man durch einen vor dem Aufbringen der piezoelektrisch aktiven Schicht 5 durchzuführenden photolithographischen Strukturie­ rungsschritt erreichen. Nach dem Abkühlen des Systems auf eine Temperatur T < 50°C werden zunächst die als obere Elektrode dienende Metallisierung 6 abgeschieden und an­ schließend die elektrischen Anschlüsse 8/9 aufgebracht.

4.3 Ausgestaltungen und Weiterbildungen

Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele. So kann man ins­ besondere die in Fig. 1 mit 2 und 3 bezeichneten Schichten auch aus Zirkon oder Wolfram bzw. aus Zirkonnitrid oder Wolf­ ramnitrid fertigen. Es kommen alle Materialien in Frage, die prozeßverträglich sind, auf dem Substrat 1 gut haften und mit Sauerstoff unter Volumenvergrößerung reagieren.

Das oben beschriebene Verfahren eignet sich auch zur Herstel­ lung eines kapazitiven Drucksensors. Dieser besitzt dann bei­ spielsweise den durch die Schichtenfolge Substrat/untere Elektrode/TiN/Dielektrikum (Ferroelektrikum) /obere Elektrode definierten Aufbau. Obere und untere Elektrode bilden einen Kondensator, dessen Kapazität sich bei einer Deformation der gewölbten Membrane 3 ändert.

5. Literatur

[1] Sensors and Actuators, A46-47 (1995), S. 125-128
[2] Ferroelectric Thin Films II, ed. by A. I. Kingon, E. R. Myers, B. Tuttle; Mat. Res. Soc. Proc. Vol. 243 (1992), S. 55-61;
[3] US-A-5,189,916.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung eines eine gewölbte Membrane aufweisenden Drucksensors durch Ausführen der folgenden Schritte:

• a) Aufbringen eines Haftvermittlers oder einer aus einem elektrisch leitenden ersten Material bestehenden ersten Schicht (2) auf einem Grundkörper (1);
• b) Versehen des Haftvermittlers oder der ersten Schicht (2) mit einer aus einem zweiten Material bestehenden zweiten Schicht (3), wobei das zweite Material mit Sauerstoff un­ ter Vergrößerung seines Volumens reagiert;
• c) Aufbringen eines Dielektrikums, eines Ferroelektrikums oder eines piezoelektrischen Materials (5) bei einer im Bereich 500°C T 700°C liegenden Temperatur in einer sauerstoffreichen Atmosphäre, wobei sich die zweite Schicht (3) als Folge der Reaktion des zweiten Materials mit Sauerstoff von der ersten Schicht (2) lokal ablöst und aufwölbt;
• d) Abkühlen des Grundkörpers (1) und der darauf abgeschiede­ nen Materialien auf eine Temperatur T < 50°C und
• e) Aufbringen einer aus einem elektrisch leitenden dritten Ma­ terial bestehenden dritten Schicht (6).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Ausführen des Schrittes c) eine aus einem elek­ trisch leitenden vierten Material bestehende vierte Schicht (4) aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte und die vierte Schicht (6, 4) aus Ruthenium, Platin, Iridium oder Palladium bestehen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht aus einem Nitrid besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (3) aus Titannitrid, Zirkonnitrid oder Wolframnitrid besteht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (2) aus Titan, Zirkon oder Wolfram be­ steht.