DE19710358A1

DE19710358A1 - Mikrostrukturierter Sensor

Info

Publication number: DE19710358A1
Application number: DE1997110358
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dr Hahn; Gottfried Dr Flik; Alexandra Jauernig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-03-13
Filing date: 1997-03-13
Publication date: 1998-09-24
Anticipated expiration: 2017-03-14
Also published as: JP4235278B2; CH692870A5; DE19710358C2; JP2009047706A; JP4873659B2; JPH10267877A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Leitfähig keits- und Kapazitätsmessung in Gasen oder Flüssig keiten gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Kombinierte Leitfähigkeits- und Kapazitätsmessungen in Flüssigkeiten sind beispielsweise bei der Cha rakterisierung von Benzin-/Methanolgemischen, bei der Feststellung des Wassergehaltes in Bremsflüs sigkeiten, bei der Analyse von Batteriesäuren und bei der Bestimmung der Öldegradation über eine Mes sung der alkalischen Reserve von Bedeutung. Da ins besondere die Leitfähigkeit Temperaturabhängigkeit aufweist, sind derartige Analysen vorteilhafter weise mit Temperaturmessungen zu koppeln. Eine Kom bination von Leitfähigkeits-, Kapazitäts- und Tem peraturmessungen zur Charakterisierung von Benzin-/Methanolgemischen ist bereits aus Binder, J. (Sen sors and Actuators A, Band 31, (1992), 60-67) be kannt und als Sensor realisisiert worden. Dieser Sensor ist jedoch groß und von seinem Aufbau her sehr komplex.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Sensor, insbesondere zur Leitfähigkeits- und Kapazitätsmessung in Gasen oder Flüssigkeiten, mit einer dreidimensionalen, interdigitalen, auf einem Substrat befindlichen Elektrodenanordnung, wobei der Sensor zusätzlich einen integrierten Temperaturwiderstand und vor zugsweise zusätzlich einen integrierten Heizwider stand aufweist. Der vorzugsweise mäanderförmig aus geführte Temperaturwiderstand dient der Temperatur messung in Fluiden oder Gasen. Der auch vorzugs weise mäanderförmig gestaltete Heizwiderstand dient der Erhitzung des Gases und der Flüssigkeit zwi schen den Interdigitalelektroden oder der Erhitzung eines sensitiven Materials, welches in die Elektro denstruktur eingefüllt wurde (beispielsweise druck technisch). Je nach Anwendungszweck, beispielsweise Analyse von Benzin/Methanolgemischen, Ölüberwa chung, kann der Heizwiderstand zur Vereinfachung der Struktur weggelassen werden.

In vorteilhafter Weise sieht die Erfindung dabei vor, das Substrat aus Silizium auszuführen, wobei dieses bereits eine integrierte Auswerteschaltung enthalten kann. Es sind jedoch, je nach Anwendungs fall, auch andere Substrate wie Keramik, Glas oder Kunststoffe vorteilhaft einsetzbar.

Die Erfindung sieht einen miniaturisierten Sensor vor, der für die Charakterisierung einer Vielzahl von Fluiden und Gasen einsetzbar ist, bei denen die Analyse auf Leitfähigkeits- und Kapazitätsmessungen in Fluiden oder Gasen direkt oder einer chemisch sensitiven Substanz zwischen den Elektroden beruht. In vorteilhafter Weise wird durch den dreidimen sionalen Elektrodenaufbau eine höhere Sensoremp findlichkeit und eine geringere Störempfindlichkeit erreicht, sowie eine Miniaturisierung ermöglicht. Der erfindungsgemäße Sensor kann in hoher Präzision mittels einer Kombination an sich bekannter Verfah rensschritte hergestellt werden, wobei bei der Be nutzung von Silizium als Substrat im Verlauf der Herstellung in vorteilhafter Weise eine Silizium- Auswerteelektronik mit auf dem Chip (Substrat) in tegriert werden kann.

Die Erfindung betrifft auch eine Erweiterung des dargestellten Sensors, in dem zwischen den Interdi gitalelektroden eine sensitive Schicht oder ein Mehrschichtsystem vorgesehen wird. Als Anwendung ist hierbei zum Beispiel ein Feuchtesensor reali sierbar, was durch die Abscheidung eines Polymers realisiert werden kann. Durch die Wasseraufnahme des Polymers ändert sich die Dielektrizitätskon stante, was über eine Kapazitätsänderung festge stellt werden kann. Der unter der Interdigi talstruktur liegende Heizwiderstand dient dazu, die im polymer angesammelte Feuchtigkeit wieder zu ent fernen, um so die sensitive Schicht wieder zu rege nerieren. Neben der Anwendung als Feuchtesensor sind auch allgemein chemische Sensoren im Bereich der Fluid- oder Gasanalytik realisierbar. Eine Reihe sensitiver Schichten, zum Beispiel Metall oxide, müssen für ihren Betrieb geheizt werden, was durch den untenliegenden Heizwiderstand gesteuert und durch den Temperaturwiderstand überwacht werden kann.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur di rekten Siedepunktsbestimmung in Flüssigkeiten. Ein praktisches Einsatzgebiet ist hier zum Beispiel die Feststellung der Qualität von Bremsflüssigkeiten in Kraftfahrzeugen. Bei dem erfindungsgemäßen Meßver fahren wird über einen mikrostrukturierten Heizwi derstand ein kleines Flüssigkeitsvolumen vorzugs weise innerhalb einer dreidimensionalen, interdigi talen Elektrodenstruktur erhitzt und die Temperatur über einen mitintegrierten, mikrostrukturierten Tem peraturwiderstand gemessen. Mit Hilfe der interdi gitalen Elektrodenstruktur wird die Kapazität und der Widerstand der Flüssigkeit bei Gleichstrom und unterschiedlichen Meßfrequenzen bestimmt. Da diese Größen temperaturabhängig sind, ergibt sich mit steigender Temperatur eine höhere Kapazität und ein niedrigerer Widerstand. Im Bereich des Siedepunktes der Flüssigkeit ergibt sich ein umgekehrtes Verhal ten. Der Widerstand steigt mit Erwärmung und die Kapazität sinkt. Im Extremfall siedet die Flüssig keit zwischen den Elektroden, was mit einer Gasbil dung verbunden ist. Da die Gasbläschen ein deutlich verschiedenes dielektrisches Verhalten als die Flüssigkeit haben, ergeben sich deutlich Kapazi tätsverringerungen und Widerstandserhöhungen beim Sieden. Aus diesen Kapazitäts- und Widerstandsver änderungen wird über den mitintegrierten Tempera turwiderstand die Siedetemperatur bestimmt. Durch den Sensor gemäß des Hauptanspruchs tritt vorteil hafterweise durch die miniaturisierte Struktur nur ein geringer Wärmeeintrag in die Flüssigkeit auf. Weiterhin ist aufgrund der geringen Wärmekapazität der Gesamtstruktur eine sehr schnelle Messung im Sekundenbereich möglich.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Her stellung eines Sensors mit einer auf dem Substrat befindlichen, dreidimensionalen interdigitalen Elektrodenanordnung, insbesondere eines vorgenann ten Sensors, wobei auf einer Fläche des Substrats, der Vorder- oder Rückseite, ein Temperatur- und ge gebenenfalls ein Heizwiderstand, vorzugsweise aus Platin, Nickel, TaNi oder Silber und auf der glei chen oder der anderen Substratseite eine dreidimen sionale, interdigitale Elektrodenanordnung, bei spielsweise aus Platin oder Gold für stark korrosiv wirkende Medien oder Silber, Kupfer, Nickel, Alumi nium für weniger stark korrosiv wirkende Medien an geordnet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht eine Kombination verschiedener Sputter-, Ätz-, Pas sivier-, Galvanik- und photolithographie-Schritte vor. Das Verfahren kann im geschilderten Umfang auch für die Herstellung vereinfachter Sensorstruk turen ohne Heizwiderstand verwendet werden.

Die Erfindung sieht insbesondere gemäß einer bevor zugten Ausführungsform vor, vor dem Aufbringen des Temperaturwiderstandes auf einer Fläche des Sub strats, beispielsweise der Rückseite, und der Elek trodenanordnung auf dessen anderer Fläche, beide Flächen des Substrats mit SiO₂ und Si₃N₄ zu be schichten.

In besonders vorteilhafter Weise ist vorgesehen, auf beispielsweise der Rückseite des Substrats den Temperaturwiderstand herzustellen, indem auf die vorzugsweise vorhandene SiO₂- und Si₃N₄-Schicht eine Haft- und eine Platinschicht aufgesputtert wird. Im Anschluß daran wird ein Resistmaterial aufgebracht und strukturiert. Anschließend erfolgt ein Ätzen der Platinschicht zur Strukturierung des Tempera turwiderstandes und ein Passivieren des Tem peraturwiderstandes mit SiO₂. Im Anschluß an den passivierschritt sieht die Erfindung vorteilhafter weise und in bevorzugter Ausführungsform vor, den Temperaturwiderstand zur Einstellung und Stabili sierung des Temperaturkoeffizienten zu tempern.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein vorgenanntes Verfahren vorgese hen, wobei die dreidimensionale, interdigitale Elektrodenanordnung auf vorzugsweise der Vorder seite des Substrats hergestellt wird, indem zunächst ein Elektrodenbereich auf der Substratvor derseite photolithographisch definiert wird. In dem so definierten Bereich wird die dort vorzugsweise vorhandene SiO₂- und Si₃N₄-Schicht geätzt. An schließend erfolgt ein Aufsputtern einer Haft- und einer Galvanikstartschicht. Im Anschluß an das Auf sputtern wird eine, vorzugsweise dicke, Resist schicht für die Ausgestaltung der Elektrodenanord nung so strukturiert, daß Resistgräben ausgebildet werden. Die so hergestellten Resistgräben werden mit Elektrodenmaterial ausgalvanisiert. An schließend wird die Resistmaske entfernt und die Galvanikstartschicht geätzt. Nach dem darauffolgen den anisotropen Ätzen des Siliziumsubstrats im Be reich der Elektrodenanordnung erfolgt vorzugsweise ein Freilegen der Kontaktverbindungen und ein Ver einzeln der Sensoren.

Zeichnungen

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Ansicht eines erfindungsgemäßen Sen sors;

Fig. 2 die Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Sensors, basierend auf einem Siziliumsub strat;

Fig. 3 die Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Sensors basierend auf Glas, Keramik oder Kunststoffsubstraten;

Fig. 4 die Ansicht eines erfindungsgemäßen Sen sors basierend auf einem Siliziumsub strat, wobei innerhalb der Interdigi talstruktur eine sensitive Schicht vorge sehen ist;

Fig. 5 die Ansicht eines erfindungsgemäßen Sen sors basierend auf Glas, Keramik oder Kunststoffsubstraten, wobei innerhalb der Interdigitalstruktur eine sensitive Schicht vorgesehen ist;

Fig. 6 die Verfahrensschritte zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Sensors;

Fig. 7 die Ansicht eines erfindungsgemäßen Sen sors ohne Heizwiderstand. Temperaturwi derstand und Interdigitalelektroden be finden sich auf einer Substratseite, wo bei das Substrat durchgeätzt ist;

Fig. 8 die Vorderseite eines erfindungsgemäßen Sensors ohne Heizwiderstand mit Durchät zung des Substrats. Temperaturwiderstand und Interdigitalelektroden befinden sich auf unterschiedlichen Substratseiten;

Fig. 9 die Rückseite eines erfindungsgemäßen Sensors ohne Heizwiderstand mit Durchät zung des Substrats. Temperaturwiderstand und Interdigitalelektroden befinden sich auf unterschiedlichen Substratseiten und

Fig. 10 die Verfahrensschritte zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Sensors ohne Heizwiderstand, strukturiert auf beiden Seiten des Substrats.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Fig. 1 zeigt ein Substrat 2, zum Beispiel aus Silizium, Glas, Keramik oder Kunststoff. Auf dem Substrat 2 ist gegebenenfalls über weitere Isola tions- und Haftschichten 102 (bei Verwendung von Silizium als Substrat) ein mäanderförmiger Heizwi derstand 42 strukturiert, um den ein auch mäander förmiger Temperaturwiderstand 24 vorzugsweise aus Platin, Nickel, TaNi, oder Silber angeordnet ist. Zur Isolation ist auf dem Heizwiderstand 42 und auf dem Temperaturwiderstand 24 eine Passivierungs schicht 100 vorgesehen. Zur besseren Wärmeübertra gung findet hier ein Material Verwendung, welches neben guten Isolations- auch guter Wärmeleitungsei genschaften hat. Auf der Passivierungsschicht 100 ist über dem Heizwiderstand 42 eine dreidimensio nale, interdigitale Elektrodenanordnung 4 vorgese hen. Dargestellt ist weiterhin eine Haft- und Gal vanikstartschicht 110.

Die Fig. 2 stellt einen erfindungsgemäßen Sensor in Seitenansicht dar, wobei hierbei Silizium als Substrat 2 verwendet wird. Der Sensor umfaßt die interdigitale Elektrodenstruktur 4, den Heizwider stand 42 und den Temperaturwiderstand 24 sowie zu sätzliche Isolations-, Haft- und Kontaktschichten. Um eine möglichst geringe Erwärmung der Flüssigkeit und damit auch eine geringe Verlustleistung des Sensors zu erreichen, sind der Heizwiderstand 42, der Temperaturwiderstand 24 und die interdigitale, dreidimensionale Elektrodenstruktur 4 auf einer SiO₂, Si₃N₄-Membran 104 angeordnet. Die Membran 104 wird durch anisotropes Ätzen des Siliziumsubstrats 2 realisiert.

Die Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor in Seitenansicht, wobei hierbei Glas oder Kunststoff als Substratmaterialien verwendet werden. Der Sen sor umfaßt die interdigitale Elektrodenstruktur 4, den Heizwiderstand 42 und den Temperaturwiderstand 24 sowie zusätzlich Isolations-, Haft- und Kontakt schichten. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des Substrates 2 ("thermische Isolatoren") findet die Erwärmung der Flüssigkeit im wesentlichen di rekt über dem Heizwiderstand 42 innerhalb der Int erdigitalstruktur 4 statt. Die Anordnung von Heizwiderstand 42, Temperaturwiderstand 24 und Int erdigitalelektroden 4 auf einer Membran ist nicht notwendig.

Die Fig. 4 und 5 zeigen jeweils eine Seitenan sicht eines erfindungsgemäßen Sensors, bei dem zwi schen den Interdigitalelektroden 4 eine sensitive Schicht 106 oder ein Mehrschichtsystem abgeschieden wurde. Fig. 4 zeigt eine Ausführung für ein Sili ziumsubstrat 2, während Fig. 5 die Anordnung für andere Substratmaterialien wie Keramik, Glas oder Kunststoff darstellt.

Die Fig. 6 verdeutlicht die Herstellungsweise ei nes erfindungsgemäßen Sensors.

Der Herstellungsprozeß bei Verwendung von Silizium als Substrat 2 umfaßt die folgenden Prozeßschritte:

a) Beidseitiges Beschichten des Siliziumsubstrats 2 mit SiO₂ 3 und Si₃N₄ 22;
b) Strukturierung der SiO₂- (3) und SiO₃N₄- (22) Schicht auf der Substratrückseite 5 (Definition der Bereiche für die spätere Membranätzung);
c) Aufsputtern einer Haft- und einer Metallschicht (zum Beispiel Platin) auf der Substratvorderseite 1;
d) Strukturieren des Heizwiderstands 42 und des Temperaturwiderstands 24;
e) Abscheidung einer Isolationsschicht 100 auf dem Heizwiderstand 42 und dem Temperaturwiderstand 24;
f) Tempern des Platinwiderstandes zur Einstellung und Stabilisierung des Temperaturkoeffizienten;
g) öffnen der Kontaktbereiche 150 in der Isolati onsschicht 100 für den Heizwiderstand 42 und den Temperaturwiderstand 24;
h) Aufsputtern einer Haft- und einer Startschicht 110 auf die Isolationsschicht 100;
i) Strukturieren einer dicken Resistschicht als Galvanoform für die Interdigitalelektroden 4;
j) Ausgalvanisieren der Resistgräben mit Metall;
k) Entfernen der Resistmaske und Ätzen der Start schicht 110;
l) Gegebenenfalls Abscheiden einer sensitiven Schicht innerhalb der Interdigitalelektroden 4;
m) Membranätzung des Siliziumsubstrats 2 (anisotro pes Ätzen) von der Substratrückseite 5 und
n) Vereinzeln der Sensoren.

Bei Verwendung anderer Substratmaterialien wie Glas, Keramik, Kunststoff anstelle von Silizium um faßt die Herstellung nur die Prozeßschritte c) bis k) und n).

Im folgenden werden die Verfahrensschritte a) bis n) näher erläutert.

zu a) Das Verfahren geht aus von einem beidseitig poliertem Siliziumsubstrat 2, auf dem zunächst durch thermische Oxidation eine SiO₂-Schicht 3 er zeugt wird. Darauf wird mit LPCVD eine dünne Si₃N₄- Schicht 22 abgeschieden. Die Oxid- und die Nitrid schicht dienen als Isolation zum Substrat 2 und in späteren Schritten als Ätzmaske auf der Sub stratrückseite 5. Die Dicken beider Schichten sind so zu wählen, daß sie beim späteren Ätzen des Sili ziumsubstrats 2 (prozeßschritt 1) eine ausreichend stabile Membran bilden und sich die Zug- und Druck spannungen innerhalb des Schichtsystems kompensie ren.

zu b) Auf der Substratrückseite 5 werden photoli thographisch Bereiche definiert, in denen das Si₃N₄ durch einen Trockenätzprozeß und darunter liegendes SiO₂ naßchemisch entfernt werden. In diesen nun un maskierten Silizium-Bereichen wird später von der Rückseite 5 aus die Membran geätzt.

zu c) Auf die Substratvorderseite 1 wird zunächst eine Haftschicht und dann eine Metallschicht, vor zugsweise Platin, aufgesputtert. Als Haftschicht für Platin kann zum Beispiel Silizium verwendet werden, es sind jedoch auch andere Metalle wie zum Beispiel Titan verwendbar.

zu d) Auf die Platinschicht wird ein Resistmaterial durch Aufschleudern oder Laminieren aufgebracht und über einen Photolithographieschritt strukturiert. Es wird dabei eine photolithographische Maske ver wendet, die sowohl das Layout des Temperaturwider stands 24 als auch des Heizwiderstands 42 enthält. Die Platinschicht wird in den resistfreien Berei chen zum Beispiel durch reaktives Ionenstrahlätzen oder durch ein naßchemisches Verfahren geätzt. Im Anschluß daran wird die Resistmaske entfernt.

zu e) Auf die strukturierte Platinschicht, welche nun den Temperaturwiderstand 24 und den Heizwider stand 42 enthält, wird eine Isolationsschicht 100 aufgebracht. Diese Schicht 100 soll elektrisch gut isolierend sein und eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Als Abscheidungsverfahren kommen sowohl CVD-Verfahren als auch Aufschleudermethoden in Frage. Diese Isolationsschicht 100 dient als Passi vierung und soll zusätzlich eine Koagulation des Platins beim nachfolgenden Temperschritt verhin dern.

zu f) Die Platinschicht wird bei hohen Temperaturen künstlich gealtert, um so eine Einstellung und eine Langzeitstabilität des spezifischen Temperaturkoef fizienten zu erreichen.

zu g) über ein weiteren Photolithographieschritt werden in der Isolationsschritt 100 durch naßchemi sche Ätzung Fenster 150 im Bereich der Kontaktpads geöffnet. Anschließend wird der Photoresist ent fernt.

zu h) Auf die Substratvorderseite 1 werden eine Haft- und eine Galvanikstartschicht 110 aufgesput tert. Typischerweise kann hier für ein Schichtsy stem aus Cr und Au oder aus Ti, Wolfram und Au ver wendet werden. Bei besonders hohen Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit wird als Startschicht 110 Platin verwendet, das genauso wie auf der Rück seite 5 aufgebracht werden kann.

zu i) Es wird eine dicke Resistschicht durch Auf schleudern oder Laminieren aufgebracht, die photo lithographisch oder durch Ätzung strukturiert wird. Die Elektrodenstrukturen 4 werden dabei als Gräben dargestellt.

zu j) Die Resistgräben werden galvanisch aufge füllt. Das abzuscheidende Material ist vom dem je weiligen Anwendungszweck abhängig. Für stark korro siv wirkende Medien kommen Platin und Gold als Elektrodenmaterial in Frage, während für geringere Anforderungen auch Silber, Kupfer oder Aluminium verwendbar sind. Die Startschicht 110, die in Pro zeßschritt h) aufgebracht wurde, ist jeweils abhän gig von dem aufzugalvanisierenden Metall.

zu k) Nach dem Entfernen der Resistschicht wird die Startschicht 110 selektiv oder durch Differenzätzen außerhalb der Elektrodenbereiche entfernt. Dabei werden die elektrischen Verbindungen zwischen den Elektroden aufgehoben.

zu 1) Falls es für die Anwendung vorgesehen ist, beispielsweise beim Feuchtesensor oder einem che misch sensitiven Sensor, wird in diesem Pro zeßschritt ein sensitives Material zwischen den In terdigitalelektroden 4 abgeschieden. Dies kann zum Beispiel durch einen Siebdruckprozeß, durch Auf schleudern oder durch einen CVD-Prozeß durchgeführt werden. Möglicherweise ist eine Strukturierung der sensitiven Schicht durch einen Ätzschritt oder mit Hilfe photolithographischer Verfahren notwendig.

zu m) Unter Benutzung einer speziellen Ätzdose, bei der die Substratvorderseite 1 von der Ätzlösung ge trennt und damit geschützt ist, wird der Silizium- Wafer von der Rückseite 5 anisotrop geätzt (KOH oder TMAH-Ätzung). Durch diesen Schritt wird die Membran realisiert. Als Maskierung dient die in b) strukturierte Nitrid/Oxidschicht 3,22.

zu n) Nach Abschluß der Ätzung werden die Sensoren auf dem Wafer durch Sägen vereinzelt.

Bei Verwendung anderer Substratmaterialien wie Glas, Keramik, Kunststoff wird analog verfahren, wobei die Schritte a), b), 1), und m) ersatzlos entfallen. Die Anforderungen an das Substrat sind legiglich eine gute Ebenheit und eine geringe Rau higkeit der Substratvorderseite 1.

Die Fig. 7 zeigt eine vereinfachte Ausführung des erfindungsgemäßen Sensors, wobei auf den Heizwider stand 42 verzichtet wird. Für einige Anwendungen, zum Beispiel Analyse von Benzin/Methanolgemischen, Überwachung von Kühlflüssigkeit oder Motoröl, ist eine Erwärmung des Fluids nicht notwendig. In die sem Fall kann der Heizwiderstand 42 in der Gesamt struktur weggelassen werden. Weiterhin wird auf die Ätzung einer Membran verzichtet, da dann eine nied rige Wärmekapazität des Sensors bedeutungslos ist. Die Herstellungsabfolge wie in Fig. 6 beschrieben bleibt nahezu dieselbe, da sowohl der Heizwider stand 42 als auch der Temperaturwiderstand 24 wäh rend eines Prozeßschrittes strukturiert werden. Es entfallen die Prozeßschritte b) und m). Das Weglas sen des Heizwiderstandes 42 in der Sensorstruktur (Fig. 7) bietet die Möglichkeit, die interdigita len Elektroden 4 auch von der Substratseite aus freizulegen, um so eine bessere Fluidankopplung und damit eine höhere Sensorempfindlichkeit zu errei chen. Die Durchätzung 120 des Substrats wird auf naßchemischen Wege durch KOH- oder TMAH-Ätzung re alisiert. Selbstverständlich kann auch auf die Durchätzung 120 verzichtet werden. Für die Herstel lung dieser Struktur wird wie in Fig. 6 beschrie ben vorgegangen. Es ändern sich neben dem Layout (der Platinwiderstand 24 liegt nicht direkt unter den Interdigitalelektroden 4) in der Prozeßabfolge die Schritte b) und m):

zu b) In diesem Prozeßschritt wird auf der Substrat oberseite 1 ein Fenster für die später folgende anisotrope Durchätzung 120 des Siliziumsubstrats 2 in der Nitridschicht 22 und Oxidschicht 3 geöffnet.

zu m) Die auf der Substratoberseite 1 verbliebene und im Schritt b) strukturierte Nitridschicht 22 und Oxidschicht 3 wird bei diesem Herstellungs schritt als Maskierung für das Durchätzen 120 des Siliziumwafers mit KOH oder TMAH benutzt. Da bei der Ätzung auch ein Teil der Maskierung abgetragen wird, muß eine ausreichende Schichtdicke der Si₃N₄- Schicht 22 und SiO₂-Schicht 3 gewährleistet sein.

Neben der Anordnung von Interdigitalelektroden 4 und Temperaturwiderstand 24 auf einer Substratflä che ist es auch möglich, die beiden Elemente auf unterschiedlichen Flächen des Substrats 2 anzuord nen. Dies kann dann von Vorteil sein, wenn der Tem peraturwiderstand 24 inklusiv seiner Passivierungs schicht 100 nicht in direkten Kontakt mit dem Fluid kommen soll. Für diesen Fall sieht die Erfindung ein Sensorgehäuse vor, bei dem nur die Interdigi talstruktur 4 in Kontakt mit dem Fluid kommt.

Die Fig. 8 zeigt die Vorderseite eines Substrats 2 aus Silizium. Auf der Vorderseite 1 ist die inter digitale Elektrodenanordnung 4 aus Gold zwischen Kontaktpads 8 angeordnet. Die interdigitale Elek trodenanordnung 4 ist in einem durchgeätzten Be reich 6 des Substrats 2 angeordnet, der einen Durchbruch durch das gesamte Substrat 2 darstellt, so daß die Elektrodenanordnung frei über dem durch geätzten Bereich 6 steht. Dies dient der Vermeidung von Verschmutzungen und zur besseren Ankopplung des Fluids an die Elektrodenanordnung 4. Dargestellt ist ferner eine Isolations-, Haft- und Kontakt schicht 10 sowie der Platin-Temperaturwiderstand 24 auf der Rückseite 5 des Substrats 2.

Die Fig. 9 stellt die Rückseite 5 des Substrats 2 dar. Dargestellt ist die durch den durchgeätzten Bereich 6 sichtbare, auf der Vorderseite 1 des Sub strats 2 angeordnete, interdigitale Elektrodenan ordnung 4. Die Fig. 9 verdeutlicht ferner die An ordnung eines Platin-Temperaturwiderstands 24 auf der Rückseite 5 des Substrats. Der Temperaturwider stand 24 ist mäanderförmig angeordnet und dient der Messung der Temperatur in einer Flüssigkeit oder einem Gas. Der Temperaturwiderstand 24 ist mittels einer SiO₂-Schicht 18 passiviert. Dargestellt sind ferner die lateral zu dem Temperaturwiderstand 24 angeordneten Kontaktelektroden 16 sowie eine Isola tions-, Haft- und Kontaktschicht 14.

Die Fig. 10 verdeutlicht die Herstellungsweise ei nes erfindungsgemäßen Sensors.

Aus der Fig. 10A kann entnommen werden, daß zunächst das beidseitig polierte Substrat 2 aus Si lizium beidseitig mit SiO₂ 3 und Si₃N₄ 22 beschich tet wird. Auf dem Substrat 2 wird zunächst auf bei den Flächen 1,5 durch thermische Oxidation eine SiO₂-Schicht erzeugt. Anschließend wird ebenfalls auf beiden Flächen 1,5 mit LPCVD eine dünne Si₃N₄- Schicht 22 abgeschieden. Die SiO₂-Schichten 3 und die Si₃N₄-Schichten 22 dienen als Isolation zum Substrat 2 und in späteren Schritten als Ätzmaske auf der Substratvorderseite 1. Die Dicken der Schichten 3,22 sind so zu wählen, daß sie bei dem späteren Ätzen des Siliziumsubstrats 2 nicht voll ständig abgetragen werden und sich die Zug- und Druckspannungen innerhalb des Schichtsystems kom pensieren.

Auf die auf der Rückseite 5 des Substrats 2 ange ordnete Si₃N₄-Schicht 22 wird anschließend eine Haftschicht und dann eine Platinschicht 240 aufge sputtert. Als Haftschicht kann zum Beispiel Sili zium verwendet werden, wobei jedoch auch andere Me talle, wie Titan, verwendet werden können.

Anschließend wird auf die Platinschicht 240 ein Re sistmaterial 26 durch Aufschleudern oder Laminieren aufgebracht und über einen Photolithographie- oder einen Ätzschritt strukturiert. Im Falle des Ätzens ist eine zusätzliche Maskierung aufzubringen und zu strukturieren. Für diesen Verfahrensschritt wird in jedem Fall eine photolithographische Maske verwen det, welche die Struktur des Temperaturwiderstands 24 widerspiegelt. Anschließend wird die Platin schicht 240 in den resistfreien Bereichen -zum Bei spiel durch reaktives Ionenstrahlätzen oder durch ein naßchemisches Verfahren- geätzt. Im Anschluß daran wird die Maske aus Resistmaterial 26 entfernt (Fig. 10B).

Auf den aus der Platinschicht 240 strukturierten Temperaturwiderstand 24 wird nun eine SiO₂-Schicht 18 mit einem CVD-Verfahren abgeschieden. Die SiO₂- Schicht 18 dient als Passivierung und soll eine Ko agulation des Platins beim nachfolgenden Temper schritt verhindern. Im Temperschritt wird der Tem peraturwiderstand 24 bei hohen Temperaturen künst lich gealtert, um so eine Einstellung und die Lang zeitstabilität des spezifischen Temperaturkoef fizienten zu erreichen (24', Fig. 10C).

Aus der Fig. 10B werden auch die ersten Verfah rensschritte zur Herstellung der interdigitalen Elektrodenanordnung 4 deutlich. Zunächst wird ein Ausschnitt 31 auf der Substratvorderseite 1 photo lithographisch mittels eines Photoresistmaterials 32 definiert, der in seiner Geometrie im wesentli chen dem durchzuätzenden Bereich 6 des Substrats 2 entspricht. Zusätzlich wird die Substratrückseite 5 mit einem Schutzlack überzogen. In dem durch das Photoresistmaterial 32 nicht geschützten Bereich werden die SiO₂-Schicht 3 und die Si₃N₄-Schicht 22 entfernt, was mittels naßchemischer Ätzung und durch Trockenätzung erreicht wird. Anschließend wird das in der Figur nicht dargestellte Photore sistmaterial auf der Rückseite 5 und das Photore sistmaterial 32 auf der Vorderseite 1 des Substrats 2 entfernt.

Auf die Vorderseite 1 des Substrats 2 wird an schließend eine Haft- und Galvanikstartschicht 34 aufgesputtert. Die Haft- und Galvanikstartschicht kann ein Schichtsystem aus Chrom und Gold oder Ti tan, Wolfram und Gold sein. Bei besonders hohen An forderungen an die Korrosionsbeständigkeit kann auch Platin verwendet werden, das in derselben Ver fahrensweise, wie für die Rückseite 5 beschrieben, aufgebracht werden kann. Nachdem die Haft- und Gal vanikstartschicht 34 aufgebracht wurde, wird eine dicke Resistschicht 36 durch Aufschleudern oder La minieren aufgebracht, die anschließend pho tolithographisch oder durch Ätzung strukturiert wird. Die Struktur der Elektrodenanordnung 4 wird in dieser Weise als Gräben 38 vorgegeben (Fig. 10C).

Die Gräben 38 werden anschließend galvanisch aufge füllt, wobei das abzuscheidende Metall von dem je weiligen Anwendungszweck abhängig ist (Fig. 10D). Für stark korrosiv wirkende Medien kommen Platin oder Gold als Elektrodenmaterial in Betracht, wäh rend für geringere Anforderungen an die Korrosions beständigkeit auch Silber, Kupfer oder Aluminium einsetzbar sind. Das einzusetzende galvanisierende Metall ist auch bei der Auswahl der für die Ausbil dung der Haft- und Galvanikstartschicht 34 in Be tracht zu ziehenden Materialien zu beachten.

Nach dem Entfernen der Resistschicht 36 wird die Haft- und Galvanikstartschicht 34 selektiv oder durch Differenzätzen außerhalb der Elektrodenberei che entfernt. Dadurch werden die elektrischen Ver bindungen zwischen den Elektroden der Elektrodenan ordnung 4 aufgehoben (Fig. 10D).

Die nun auf der Vorderseite 1 des Substrats 2 ver bliebene strukturierte Si₃N₄-Schicht 22 und SiO₂- Schicht 3 wird bei dem nun folgenden Ätzschritt als Maskierung für das Durchätzen des Substrats 2 mit KAH oder TMAH verwendet (Fig. 10E). Bei diesem Ätzschritt wird auch ein Teil der Schichten 3 und 22 abgetragen, so daß eine ausreichende Dicke die ser Schichten gewährleistet sein muß. Die Rückseite 5 des Sensors mit dem Platin-Temperaturwiderstand 24 muß während dieses Verfahrensschrittes ebenfalls mittels einer hier nicht dargestellten Markierung geschützt werden.

Nach Abschluß dieses Ätzschrittes werden in einem weiteren photolithographischen Verfahrensschritt die durch SiO₂-Schichten abgedeckten Kontaktpads auf der Rückseite 5 des Substrats 2 freigelegt und anschließend die so hergestellten Sensoren verein zelt.

Die Erfindung sieht in einer weiteren Ausgestaltung vor, daß durch Abscheiden eines Sensormaterials im Bereich der Elektrodenanordnung 4, die Beschichtung der Elektrodenanordnung 4 mit einer Sensorsubstanz oder einem katalytisch wirkenden Stoff oder durch das Aufrauhen der Elektrodenanordnung 4 eine Erwei terung der Funktionalität des erfindungsgemäßen Sensors erreicht werden kann. Sofern die Zwischen räume der Elektrodenanordnung 4 mit einer Sensor substanz gefüllt werden sollen, ist selbstverständ lich auf das Durchätzen des Substrates 2 zu ver zichten.

Die vorstehend geschilderte Verfahrensweise, das heißt, die Kombination photolithographischer und galvanischer Verfahrensschritte, ermöglicht die Herstellung eines Sensors in hoher Präzision und in hoher Ausbeute. Die Verfahrensschrittabfolge kann in vorteilhafter Weise so geführt werden, daß eine Siliziumauswertelektronik mit auf dem Substrat 2 integriert werden kann. Durch das geschilderte Strukturierungsverfahren können beliebige Elektro dengeometrien und auch Arrays verwirklicht werden. Während der galvanischen Verfahrensschritte können je nach Anwendungszweck beliebige Metalle oder Me tallegierungen abgeschieden werden, so daß eine gute Anpassung des erfindungsgemäßen Sensors an das zu charakterisierende Medium möglich ist.

Claims

1. Sensor, insbesondere zur Leitfähigkeits- und Ka pazitätsmessung in Gasen oder Flüssigkeiten, mit einer dreidimensionalen, interdigitalen, auf einem Substrat befindlichen Elektrodenanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor zusätzlich einen in tegrierten Temperaturwiderstand (24) aufweist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor zusätzlich einen integrierten Heizwiderstand (42) aufweist.

3. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturwider stand (24) ein Platin- oder Nickel- oder TaNi- Temperaturwiderstand ist.

4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturwider stand (24) auf der Rückseite (5) des Substrats (2) angeordnet ist.

5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (2) aus einem mikrostrukturierbaren Substrat, wie Glas, Kunststoff, Keramik oder Silizium aufgebaut ist.

6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vorzugsweise auf der Vorderseite (1) des Substrats (2) angeordnete Elektrodenanordnung (4) in einem durchätzten Be reich (6, 120) des Substrats (2) angeordnet ist.

7. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung (4) Platin, Gold, Silber, Kupfer oder Aluminium um faßt.

8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Elektroden der interdigitalen Elektrodenanordnung (4) eine sensitive Schicht (106) oder ein Mehrschichtsystem angeordnet ist.

9. Verfahren zur Herstellung eines Sensors mit ei ner auf einem Substrat (2), vorzugsweise einem Si liziumsubstrat, befindlichen dreidimensionalen int erdigitalen Elektrodenanordnung, insbesondere eines Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei auf einer Fläche (1, 5) des Substrats mittels Sputter-, Photolithographie- und Ätzschritten ein Temperatur widerstand (24), vorzugsweise aus Platin, Nickel oder TaNi, sowie gegebenenfalls ein Heizwiderstand (42) und auf einer vorzugsweise gegenüberliegenden Fläche des Substrats (2) mittels Photolithogra phie-, Sputter-, Ätz- und Galvanisierschritten eine dreidimensionale, interdigitale Elektrodenanordnung (4) aufgebracht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei vor dem Auf bringen des Temperaturwiderstandes (24) und der Elektrodenanordnung (4) das Substrat (2) beidseitig mit SiO₂- und Si₃N₄-Schichten (3, 22) überdeckt wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü che 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Tem peraturwiderstand (24) aufgebracht wird, indem eine Haft- und Platin-, Nickel- oder TaNi-Schicht auf einer Fläche (1, 5), vorzugsweise der Rückseite (5), des Substrats (2) aufgesputtert, ein Resistmaterial auf der Platin, Nickel- oder TaNi-Schicht aufge bracht und strukturiert, die Platin, Nickel- oder TaNi-Schicht zur Strukturierung des Temperaturwi derstandes (24) geätzt und der so hergestellte Tem peraturwiderstand (24) mittels einer SiO₂-Schicht (100) passiviert und anschließend getempert wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü che 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Elek trodenanordnung (4) aufgebracht wird, indem auf ei ner Fläche (1, 5), vorzugsweise der Vorderseite (1), des Substrats (2) ein Ausschnitt des Elektrodenbe reichs photolithographisch definiert, die vorzugs weise vorhandene SiO₂- (3) und Si₃N₄-Schicht (22) in diesem Bereich geätzt, eine Haft- und Galvanik startschicht (110) aufgesputtert, ein anschließend aufgebrachtes Resistmaterial strukturiert, die ent stehenden Gräben im Resistmaterial mit einem Elek trodenmetall ausgalvanisiert, das Resistmaterial entfernt, die Haft- und Galvanikstartschicht (110) geätzt, das Substrat (2) im Bereich der Elektroden anisotrop geätzt und die Kontaktpads freigelegt werden.

13. Verfahren zur direkten Siedepunktsbestimmung in Flüssigkeiten, wobei ein Flüssigkeitsvolumen inner halb einer dreidimensionalen, interdigitalen auf einem Substrat (2) befindlichen Elektrodenanordnung (4) durch einen integrierten, mikrostrukturierten Heizwiderstand (42) erhitzt und die Temperatur der Flüssigkeit mittels eines ebenfalls im Substrat in tegrierten mikrostrukturierten Temperaturwiderstand (24) gemessen wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9-13, da durch gekennzeichnet, daß das Substrat (2) Sili zium, Glas, Keramik oder Kunststoff ist.