DE19601791A1 - Sensor mit einer Membran und Verfahren zur Herstellung eines Sensors mit einer Membran - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Sensor bzw. einem Verfahren zur Herstellung eines Sensors nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche. Aus der US 51 65 283 ist bereits ein Sensor mit einer Membran und ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors mit einer Membran bekannt. Die Membran wird dabei durch eine β-SiC-Schicht (einkristallines Siliziumkarbid) gebildet, die epitaktisch auf einem Siliziumsubstrat aufgewachsen wird. Durch Ätzen des Siliziumsubstrats wird dann unterhalb der Membran eine Öffnung eingebracht, so daß das Siliziumplättchen nach der Ätzung einen Rahmen bildet, in dem die Membran aus β-SiC aufgespannt ist. Bei derartigen einkristallinen β-SiC- Schichten ergeben sich aufgrund der unterschiedlichen Gitterkonstanten von Silizium und β-SiC starke mechanische Verspannungen, die aufgrund des epitaktischen Aufwachsprozesses kaum beeinflußbar sind.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Sensor und das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche hat demgegenüber den Vorteil, daß die mechanischen Spannungen in amorphen oder polykristallinen SiC-Schichten genau eingestellt werden können und gleichzeitig die Dicke der Membran mit höchster Genauigkeit einstellbar ist. Derartige Sensoren lassen sich somit mit hoher Präzision fertigen. Unter SiC wird im weiteren immer Siliziumkarbid verstanden.

Durch die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des Sensors bez. des Herstellungsverfahrens nach den unabhängigen Patentansprüchen möglich. Für freitragende Membranen ist insbesondere die Erzeugung von leichten Zugspannungen im Membranmaterial vorteilhaft, da so immer eine glatte Membranoberfläche sichergestellt ist. Besonders geeignet sind derartige Membrane für Massenflußsensoren, die ein Heizelement auf der Membran aufweisen. Dabei können neben dem Heizelement noch Temperatursensoren vorgesehen sein, die eine hochgenaue Bestimmung der Temperatur auf der Membran ermöglichen. Für das Heizelement und die Temperaturelemente sind Metallschichten, insbesondere aus Platin, besonders geeignet. Für die Herstellung der Sensoren ist es besonders vorteilhaft, auf einem Siliziumsubstrat eine polykristalline oder amorphe SiC-Schicht abzuscheiden und dann ausgehend von der Rückseite des Siliziumsubstrats durch Anisotrope-Ätzung eine Öffnung einzubringen. Zur Herstellung von Heizer und Temperatursensoren können dann auf der Oberseite weitere Schichten aus Siliziumoxid und Platin aufgebracht werden. Um einen vollständigen Schutz der Membran im Ätzmedium zu gewährleisten, kann auf der Oberfläche noch eine Schicht aus Siliziumnitrid oder eine Schicht aus Siliziumnitrid und SiC aufgebracht werden, die nach dem Ätzvorgang des Siliziumsubstrats wieder entfernt werden.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 eine Aufsicht auf ein Sensorelement, die Fig. 2 bis 6 erläutern ein Herstellungsverfahren, wobei die Fig. 6 einen Querschnitt durch ein Sensorelement zeigt.

Beschreibung

In der Fig. 1 wird eine Aufsicht auf ein plattenförmiges Sensorelement 21 gezeigt. Das Sensorelement 21 weist eine Membrane 22 auf, die in einem Rahmen 23 aus einkristallinem Silizium aufgespannt ist. Auf der Membrane 22 ist ein Heizer 24 und zwei Temperatursensoren 25 angeordnet. Die Temperatursensoren 25 sind zu beiden Seiten des Heizers 24 gelegen. Der Heizer 24 und die Temperatursensoren 25 sind durch Leiterbahnen 26 mit Anschlußbereichen 27, die auf dem Rahmen 23 gelegen sind, verbunden. Der Heizer 24 und die Temperatursensoren 25 sind als Widerstandselemente ausgebildet und können durch Drähte, die auf den Anschlußbereich 27 befestigt werden, kontaktiert werden. Durch einen Stromfluß durch den Heizer 24 wird die Membrane 22 erwärmt. Durch Messung des Widerstandes der Temperaturfühler 25 kann dann die Temperatur der Membran gemessen werden.

Das Sensorelement 21 nach der Fig. 1 kann als Massenflußsensor verwendet werden. Durch einen Luftstrom, der auf der Oberfläche der Membran 22 entlangstreicht, wird die beheizte Membran 22 abgekühlt. Diese Abkühlung ist ein Maß für die Menge der vorbeistreichenden Luft. Durch die beiden Temperaturfühler 25, die zu beiden Seiten des Heizers 24 gelegen sind, kann eine Differenzmessung der Membrantemperatur erfolgen, was besonders vorteilhaft für die Auswertung des Sensorsignals ist. Da der Heizer 24 und die Temperaturfühler als Widerstandelemente ausgebildet sind, ist die Membran 22 aus einem elektrisch nichtleitenden Material aufgebaut oder weist zumindest eine oberflächliche Schicht aus isolierendem Material auf, auf dem die Widerstandselemente aufgebracht sind. Weiterhin ist es wünschenswert die Heizleistung zum Erwärmen der Membran 22 geringzuhalten. Für diesen Zweck ist es erforderlich, daß die Wärmeleitung durch die Membran 22 in den gut wärmeleitenden Rahmen 23 aus einkristallinem Silizium relativ gering ist. Dies wird durch die Verwendung von Membranmaterialien mit geringer spezifischer Wärmeleitfähigkeit und durch eine sehr dünne Ausgestaltung der Membran ermöglicht.

Um eine hochpräzise Messung des Massenstromes zu ermöglichen, muß das Sensorelement nach der Fig. 1 zwei Bedingungen genügen. Zum ersten muß die Membran 22 straff gespannt sein, da sich sonst auf der Oberseite der Membran Wirbel bilden, die zu nicht reproduzierbaren Strömungsverhältnissen führen. Um dies zu gewährleisten, muß somit sichergestellt sein, daß das Material der Membran 22 unter leichten Zugspannungen im Rahmen 23 aus einkristallinem Silizium aufgehängt ist. Zum zweiten muß die Dicke der Membran hochgenau eingestellt werden, um so sicherzustellen, daß ein exakt reproduzierbarer Wärmefluß durch die Membran 22 zum Rahmen 23 hin erfolgt. In den Fig. 2 bis 6 wird nun ein Herstellungsverfahren beschrieben, welches den beiden genannten Bedingungen in besonderem Maße gerecht wird.

In der Fig. 2 wird ein Siliziumplättchen 1 gezeigt, auf dessen Oberseite und Unterseite jeweils eine SiC-Schicht (Siliziumkarbid-Schicht) abgeschieden wird. Die Abscheidung erfolgt aus der Gasphase mit Unterstützung eines Plasmas. Die Parameter werden dabei so gewählt, daß die SiC-Schicht als polikristalline oder amorphe SiC-Schicht aufwächst. Bei einer derartigen Abscheidung läßt sich durch die Gaszusammensetzung oder durch Beeinflussung des Plasma die Abscheidung der SiC-Schicht beeinflussen. Insbesondere ist es möglich, die inneren Spannungen der SiC-Schicht relativ zum Siliziumplättchen 1 zu beeinflussen. Beim vorliegenden Prozeß erfolgt die Steuerung derart, daß die SiC-Schichten 2, 3 leichte Zugspannungen zum Siliziumplättchen 1 aufweisen. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß eine Membran 22, die unter Zuhilfenahme der SiC-Schicht gebildet wird, ebenfalls die erwünschten leichten Zugspannungen aufweist. Auf der oberen SiC-Schicht 2 erfolgt dann noch die Abscheidung einer Siliziumoxidschicht 4 (SiO₂). Auf der SiO₂-Schicht wird dann eine Metallschicht 5 abgeschieden. Dabei wird vorzugsweise an Platin gedacht.

Es erfolgt dann eine fotolitographische Strukturierung der Metallschicht 5. Dieser Schritt wird in der Fig. 3 dargestellt. Aus der Metallschicht 5 werden die Widerstandselemente für den Heizer 24 und die Temperaturfühler 25 herausstrukturiert. Weiterhin können aus der Metallschicht 5 die Leiterbahnen 26 und die Anschlußbereiche 27 herausstrukturiert werden. In der Fig. 3 werden exemplarisch ein Anschlußbereich 27, ein Heizer 24 und zwei Temperaturfühler 25 dargestellt. Dies entspricht jedoch nicht einem Querschnitt durch die Fig. 1.

In einem weiteren Abscheideschritt (Fig. 4) wird dann eine Siliziumoxid-Abdeckschicht 6 (SiO₂) abgeschieden, die die Oberfläche des Heizers 24 und der Temperaturfühler 25 überdeckt. Weiterhin sind auch die Leiterbahnen 26, die hier nicht dargestellt sind, abgedeckt. Über den Anschlußbereich 27 wird durch einen Fotolithographieprozeß und einen nachfolgenden Ätzschritt die Siliziumoxidabdeckschicht wieder entfernt, d. h. oberhalb der Anschlußbereiche 27 werden Kontaktfenster 7 angebracht. Das Metall der Anschlußbereiche 27 ist somit nicht mit einer isolierenden Abdeckschicht bedeckt, so daß in diesen Bereichen Anschlußdrähte aufgebracht werden können.

In weiteren Abscheideschritten wird dann noch eine Siliziumnitridschicht 8 (Si₃N₄) und eine weitere SiC-Schicht 9 aufgebracht, wie dies in der Fig. 5 dargestellt wird. Weiterhin erfolgt eine Strukturierung der auf der Rückseite aufgebrachten SiC-Schicht 3, bei der eine Ätzöffnung 10 in die SiC-Schicht 3 eingebracht wird, so daß das Silizium des Siliziumplättchen 1 freiliegt.

Von der Ätzöffnung 10 wird dann in einem weiteren Prozeßschritt das Silizium des Siliziumplättchen 1 durch eine Ätzlösung geätzt, die Silizium in Abhängigkeit von der Kristallrichtung unterschiedlich stark angreift. Derartige anisotrope Siliziumätzen sind zum Ätzen von einkristallinen Siliziumkristallen hinreichend bekannt. Eine derartige Ätzung kann beispielsweise durch KOH erfolgen. Die durch den Ätzprozeß gebildete Ausnehmung 11 wird in der Fig. 6 dargestellt. Durch die Ausnehmung 11 wird das Siliziumplättchen 1 strukturiert, so daß nun ein Rahmen 23 aus einkristallinem Silizium die Membran 22 aufspannt. Weiterhin erfolgt eine Ätzung der SiC-Schicht 9 und der darunterliegenden Siliziumnitridschicht 8. Die Membrane 22 wird somit von der SiC-Schicht 2 und den Siliziumoxidschichten 4, 6 gebildet.

Den einzelnen Schichten kommen beim Herstellungsverfahren bzw. für den fertiggestellten Sensor verschiedene Funktionen zu. Die Abscheidung von SiC-Schichten, Siliziumoxidschichten und Metallschichten kann mit hoher Präzision erfolgen. Bei der Ätzung des Siliziumplättchens 1 zur Erzeugung der Ausnehmung 11 muß eine gewisse Überätzung erfolgen, um so sicherzustellen, daß die Ätzöffnung 11 auch vollständig bis zur Membran 22 reicht. Dies ist auch dadurch bedingt, daß die Dicke der Siliziumplättchen 1 im gewissen Rahmen variieren kann. Das Material, aus dem die Membrane 22 aufgebaut ist sollte daher aus einem Material bestehen, welches vom Ätzmedium nur im geringen Maße angegriffen wird. Von den drei hier verwendeten Materialien Siliziumkarbid, Siliziumoxid und Siliziumnitrid ist dies nur für Siliziumkarbid vollständig erfüllt. Beim Ätzprozeß des Siliziums erfolgt keinerlei nachweisbarer Ätzangriff des SiC. Siliziumnitrid zeigt einen geringen Ätzangriff, so daß Siliziumnitrid als untere Schicht für eine Membran 22 durchaus geeignet wäre. Siliziumnitrid hat jedoch den Nachteil, daß sich bei diesem Material nicht die gewünschten leichten Zugspannungen einstellen lassen. Siliziumoxid zeigt eine nicht vernachlässigbaren Angriff und kann daher nur als untere Schicht verwendet werden, wenn die Anforderungen an die Genauigkeit der Dicke der Membran nicht zu groß sind. SiC stellt daher das beste Material für die untere Schicht der Membran 22 dar. Die Haftung von dünnen Metallschichten, insbesondere Platinschichten auf Siliziumoxid, ist eventuell unter Zuhilfenahme dünner Platinsilizidschichten besonders gut. Die Siliziumoxidschicht 4 stellt somit einen geeigneten Untergrund für eine haftfeste Anordnung der Widerstandselemente dar, die den Heizer 24 und die Temperaturfühler 25 bilden. Weiterhin weist Siliziumoxid eine besonders geringe thermische Leitfähigkeit auf und ist daher als Membranmaterial besonders gut geeignet. Die Oberseite der Widerstandelemente wird dann mit einer weiteren Siliziumoxidschicht 6 bedeckt, um diese Elemente zu schützen. In der Fig. 5 wird nun gezeigt, daß die Oberseite der Siliziumoxidschicht 6 noch mit einer weiteren Siliziumnitridschicht 8 bzw. einer weiteren SiC-Schicht bedeckt wird. Dieser Aufbau ermöglicht es, einen Siliziumwafer zu verwenden, bei dem eine Vielzahl von Sensoren parallel angeordnet sind und die nach der Herstellung in einzelne Sensorelemente 21 unterteilt werden. Dabei kann dieser Siliziumwafer, dessen Oberseite ja vollständig mit SiC bedeckt ist und dessen Unterseite eine Ätzmaske aus SiC aufweist, vollständig in die Ätzlösung eingetaucht werden. Dies ermöglicht es, eine Vielzahl von Siliziumwafer durch Eintauchen in ein Ätzbad parallel zu bearbeiten. Nach dem Ätzvorgang kann dann durch einen Plasmaätzprozeß, beispielsweise reaktives Ionenätzen, die SiC-Schicht 9 wieder entfernt werden. Dabei erfolgt auch teilweise eine Anätzung der darunterliegenden Siliziumnitridschicht 8. Die Siliziumnitridschicht 8 läßt sich dann durch einen weiteren Ätzprozeß, der Siliziumoxid nicht angreift, entfernen, um so zum Sensor nach der Fig. 6 bzw. Fig. 1 zu gelangen. Alternativ ist es auch möglich auf der Oberseite weder eine Nitridschicht 8 noch eine SiC-Schicht 9 vorzusehen, wobei dann jedoch die Oberseite vor einem Angriff des Ätzmediums geschützt werden muß. Dies erfordert eine aufwendige Verpackung des Siliziumwafers bei der Ätzung und ist daher aufwendiger. Eine Zwischenlösung ist dadurch gegeben, daß auf der Oberseite nur eine Nitridschicht 8 vorgesehen ist, die den Wafer beim Ätzvorgang des Siliziums schützt. Die Nitridschicht 8 müßte dann eine ausreichende Dicke aufweisen, um sicherzustellen, daß der Abtrag der Siliziumnitridschicht während des Ätzvorganges nicht so groß ist, daß die Siliziumoxidschicht in Kontakt mit dem Ätzmedium kommt. Durch die Verwendung der zusätzlichen Abdeckschichten 8,9 aus Siliziumnitrid und SiC kann somit die Herstellbarkeit der Sensorelemente erleichtert werden.

Durch die Verwendung der unteren Schicht 2 der Membran 22 aus SiC kann somit eine hochgenaue Einstellung der Dicke der Membran 22 bei der Herstellung gewährleistet werden. Weiterhin wird, da sich sowohl SiC wie auch Siliziumoxid mit leichten Zugspannungen abscheiden läßt, sichergestellt, daß die Membran 22 leichte Zugspannungen aufweist.

Claims (8)

1. Sensorelement (21) mit einer Membran (22), die mindestens eine untere Schicht (2) aus SiC (Siliziumkarbid) aufweist, wobei die Membran (22) in einem Rahmen (23) auf einkristallinem Silizium aufgespannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß Schicht (2) aus SiC aus polykristallinem oder amorphen SiC besteht.

2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (2) aus SiC Zugspannungen aufweist.

3. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement als Massenflußsensor mit mindestens einem auf der Membran (22) angeordneten Heizelement (24) ausgebildet ist.

4. Sensorelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Membran (22) mindestens ein Temperaturfühler (25) angeordnet ist.

5. Sensorelement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Schicht (2) aus SiC eine Siliziumoxidschicht (SiO₂), auf der Oxidschicht (4) Widerstandselemente für einen Heizer (24) und ggf. einen Temperatursensor (25) und über der Oxidschicht und den Widerstandselementen eine weitere abdeckende Siliziumoxidschicht (6) angeordnet ist.

6. Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements mit einer Membran, bei dem auf der Oberseite eines Siliziumplättchens (1) eine oder mehrere Schichten (2, 4, 5, 6) für die Membran (22) aufgebracht werden und dann ausgehend von der Unterseite des Siliziumplättchens eine Ätzöffnung (11) eingebracht wird, die bis zu den Schichten für die Membran (22) reicht, dadurch gekennzeichnet, daß für die Schicht für die Membran (22) oder die unterste der Schichten für die Membran (22) eine polykristalline oder amorphe SiC-Schicht (2) (Siliziumkarbidschicht) auf dem Siliziumsubstrat (1) abgeschieden wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die weiteren Schichten auf der SiC-Schicht eine Siliziumoxidschicht (4) (SiO₂) abgeschieden wird, daß auf der Siliziumoxidschicht (4) eine Metallschicht (5), aus der Widerstandselemente (24, 25) herausstrukturiert werden, abgeschieden und strukturiert wird und daß darauf dann eine weitere Siliziumoxidschicht 6 abgeschieden wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliziumplättchen beim Ätzen der Ausnehmung (11) auch auf der Oberseite in Kontakt mit der Ätzlösung gebracht wird und daß auf der Oberseite die abdeckende Siliziumoxidschicht (6) während des Ätzvorganges von einer aufgebrachten Siliziumnitridschicht (8) oder einer Siliziumnitridschicht (8) mit einer aufgebrachten SiC-Schicht (9) vor dem Angriff der Ätzlösung geschützt wird.