DE19744228C1 - Sensor mit einer Membran - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Sensor mit einer Membran nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche 1 und 5.

Aus der WO 89/05963 ist bereits ein Massenflußsensor mit einer Membran bekannt, wobei die Membran aus einer Mehrzahl von dielektrischen Schichten aufgebaut ist. Auf der Membran sind Dünnfilm-Widerstandselemente angeordnet, die zur Beheizung der Membran dienen und die Temperatur der Membran messen. Die Membran ist aus mehreren Schichten aufgebaut, die bezüglich ihres thermischen Ausdehnungs-Koeffizienten so gewählt sind, daß relativ zum Siliziumrahmen leichte Zugspannungen eingestellt sind. Auf der Oberseite der Membran und der Widerstandselemente ist eine Abdeckschicht ebenfalls aus einem dielektrischen Material aufgebracht. Weitere Sensoren mit Membranen, die Abdeckschichten aufweisen, sind aus der DE 196 01 791 A1, der EP 375 399 A2 und dem Abstract der JP 09 005 187 A bekannt.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäßen Sensoren mit den Merkmalen nach den unabhängigen Patentansprüchen haben demgegenüber den Vorteil, daß durch eine Abdeckschicht die in sich ebenfalls leichte Zugspannungen aufweist, die Stabilität der Membran verbessert wird. Durch einen mehrschichtigen Aufbau der Abdeckschicht wird die Möglichkeiten zur Einstellung der Spannungszustände in der Abdeckschicht verbessert. Weiterhin können aufgrund des mehrschichtigen Aufbaus unterschiedliche Anforderungen an die Abdeckschicht, insbesondere was die Haftung und die Dichtheit der Abdeckschicht angeht, verbessert werden. Die Schichten können auch kontinuierlich ineinander übergehen.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des Sensors nach dem jeweiligen unabhängigen Patentanspruch möglich. Durch die Verwendung einer ersten Teilschicht, mit einem gewissen Siliziumüberschuß, kann eine besonders gute Haftung zu den Widerstandselementen aus einem Dünnfilm erzielt werden. Durch eine darauf abgeschiedene stöchiometrische Siliziumoxidschicht wird ein besonders guter Feuchtigkeitsschutz erreicht. Weiterhin kann auch eine erste Teilschicht aus Siliziumoxid und darauf eine zweite Teilschicht aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder eine Kombination mit Zugspannungen verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist ein symmetrischer Aufbau, bei dem die Zugspannung der Membran in etwa gleich der Zugspannungen in der Abdeckschicht ist, da so ein Spannungsgradient in den Einzelschichten reduziert und ein Abplatzen der Schichten verhindert wird.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 eine Aufsicht und die Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Sensor mit einer Membran und die Fig. 3 und 4 detailliert Schichtfolgen für die Membran und die Abdeckschichten.

Beschreibung

In der Fig. 1 wird eine Aufsicht und in der Fig. 2 ein Querschnitt durch einen Massenflußsensor 1 gezeigt. Der Massenflußsensor 1 weist einen Rahmen 2 aus einkristallinem Silizium auf, in dem eine Membran 3 aufgespannt ist. Auf der Membran 3 sind ein Heizer 4 und zu beiden Seiten des Heizers 4 jeweils ein Temperaturmeßelement 5 angeordnet. Durch Leiterbahnen 6 sind der Heizer 4 und die Temperaturmeßelemente 5 mit Verbindungsbereichen 7 verbunden. Wie im Querschnitt der Fig. 2 zu erkennen ist, wird die Membran 3 aus einer Membranschicht 10 gebildet, auf der dann der Heizer 4 und die Temperaturmeßelemente 5 angeordnet sind. Die Oberseite der Membranschicht 10 der Heizer 4 und die Temperaturmeßelemente 5 sind mit einer Abdeckschicht 20 bedeckt.

Für den Siliziumrahmen 2 wird in der Regel einkristallines Silizium verwendet. Der Rahmen 2 wird gebildet indem eine einkristalline Siliziumplatte durch anisotrope Ätzung geätzt wird. Dabei bilden sich die charakteristischen schrägen Seitenwände die in der Fig. 2 schematisch dargestellt sind. Dieser Ätzschritt erfolgt in irgendeinem Verfahrensstadium nach dem Aufbringen der Membranschicht 10, zweckmäßigerweise als letzter Verfahrensschritt. Nach dem Abscheiden der Membranschicht 10 auf dem Siliziumsubstrat werden dann Dünnschichten für den Heizer 4 und die Temperaturmeßelemente 5 aufgebracht. Dabei handelt es sich typischerweise um Dünnschichten aus Metallen, wie beispielsweise Platin oder dergleichen. Durch Strukturierung werden dann aus der Metallschicht Widerstandselemente, die den Heizer 4 und die Temperaturmeßelemente 5 bilden, herausstrukturiert. Weiterhin werden aus den Dünnfilmschichten Leiterbahnen 6 und Anschlußbereiche 7 herausstrukturiert. In einem weiteren Verfahrensschritt wird dann eine Abdeckschicht 20 aufgebracht.

Durch einen elektrischen Strom der durch das Widerstandselement des Heizers 4 geschickt wird, wird die Membran 3 erwärmt. Beim Vorbeiströmen einer Luftströmung wird die Membran in Abhängigkeit von der Intensität der Strömung abgekühlt. Der elektrische Widerstand durch die Widerstandselemente der Temperaturmeßelemente 5 hängt von der Temperatur ab. Es kann so durch Messung des Widerstands der Temperaturmeßelemente 5 gemessen werden, wie stark die Membran 3 abgekühlt wird und dadurch kann die Stärke der vorbeifließenden Strömung berechnet werden.

Um eine lange Beständigkeit des Sensors sicherzustellen, müssen die Spannungszustände in der Membran 3 kontrolliert werden. Aufgrund der starken Temperaturbelastung der Membran müssen dazu die thermischen Ausdehnungs-Koeffizienten der verwendeten Materialien beachtet werden. Für die Membranschicht 10 und die Abdeckschicht 20 werden in der Regel dielektrische Materialien und für die Widerstandselemente 4, 5 werden Metalle verwendet. Diese Materialien unterscheiden sich in ihrem thermischen Ausdehnungs-Koeffizienten deutlich vom Silizium des Rahmens 2. Aus der WO 89/05963 ist nun bekannt, die Membranschicht 10 aus zwei Teilschichten aufzubauen, von den eine einen thermische Ausdehnungs-Koeffizienten hat der größer ist als Silizium (Siliziumnitrid) und ein Material einen thermischen Ausdehnungs-Koeffizienten hat, der kleiner ist als der thermische Ausdehnungs-Koeffizient von Silizium (Siliziumoxid). Durch diesen zweischichtigen Aufbau läßt sich der thermische Ausdehnungs-Koeffizient der Membranschicht 10 an den thermischen Ausdehnungs-Koeffizient des Siliziumrahmens anpassen. Dabei wird jedoch die Abdeckschicht 20 nicht berücksichtigt.

In der Fig. 3 wird ein erfindungsgemäßer Aufbau der Membran 3 in der Umgebung des Heizers 4 im Querschnitt gezeigt. Die Membranschicht 10 besteht hier aus drei Teilschichten insbesondere einer Siliziumoxidschicht 11, einer darauf aufgebrachten Siliziumnitridschicht 12 und einer auf der Siliziumnitridschicht 12 aufgebrachten Siliziumoxidschicht 13. Die erste Siliziumoxidschicht 11 wurde durch herkömmliche Verfahren, insbesondere thermische Oxidation von Silizium oder Abscheiden von Siliziumoxidschichten, hergestellt. Darauf wurde dann eine Siliziumnitridschicht 12 mit üblichen Verfahren der Abscheidung derartiger Schichten (chemische Abscheideverfahren oder plasmaunterstützte chemische Abscheidungsverfahren) hergestellt. Die auf der Siliziumnitridschicht 12 angeordnete weitere Siliziumoxidschicht 13 wurde durch Reoxidation d. h. durch Umwandlung einer dünnen oberflächlichen Schicht der Siliziumnitridschicht 12 gebildet. Dies erfolgt bei hohen Temperaturen durch Beaufschlagen der Siliziumnitridoberfläche mit Wasserdampf oder Sauerstoff. Der Vorteil dieser reoxidierten Siliziumoxidschicht 13 ist darin zu sehen, daß sie eine exzellente Haftung zur darunterliegenden Siliziumnitridschicht 12 aufweist und die Haftung von darauf aufgebrachten Metallfilmen, aus denen dann das Widerstandselement des Heizers 4 gebildet wird, deutlich verbessert. Die Schichten 11, 12, 13 sind von ihrer Dicke und von ihren inneren Spannungszuständen so ausgelegt, daß insgesamt für die Membranschicht 10 eine leichte Zugspannung relativ zum Silizium des Rahmens 2 resultiert. Nach dem Aufbringen und Strukturieren der Widerstandselemente wird dann eine zweischichtige Abdeckschicht mit einer ersten Abdeckschicht 21 und einer weiteren Abdeckschicht 22 aufgebracht. Die erste Abdeckschicht 21 besteht im wesentlichen aus Siliziumoxid, da dieses Material sowohl auf der reoxidierten Siliziumnitridschicht 13, wie auch auf dem Metall der Widerstandselemente 4, 5 und Leiterbahnen 6 eine ausgezeichnete Haftung aufweist. Auf dieser ersten Abdeckschicht 21 aus Siliziumoxid ist dann eine zweite Abdeckschicht 22 ausgebildet. Die beiden Schichten 21 und 22 werden bezüglich ihres thermischen Ausdehnungs-Koeffizienten ebenfalls so ausgelegt, daß relativ zum Silizium des Rahmens 2 eine leichte Zugspannung resultiert. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn die leichten Zugspannungen in der Abdeckschicht 20 genau den Zugspannungen in der Membranschicht 10 entsprechen. Diese wird aufgrund von Fertigungstoleranzen jedoch zu 100% nie erreicht werden können. Es ist jedoch im höchsten Maße wünschenswert, wenn die Zugspannungen in der Abdeckschicht 20 in etwa gleich groß sind, wie die Zugspannungen in der Membranschicht 10. Durch die Ausbildung der Abdeckschicht 20, so daß sich ebenfalls leichte Zugspannungen ergeben, wird sichergestellt, daß mechanische Verspannungen innerhalb der Membran 3 gering sind. Es wird so erreicht, daß die Abdeckschicht 20 besonders gut auf der Membranschicht 10 oder den Widerstandselementen 4, 5 haftet. Weiterhin werden auch die Widerstandselemente 4, 5 nicht mit mechanischen Spannungen beaufschlagt, so daß auch deren Haftung auf der Membranschicht 10 verbessert wird. Weiterhin ist der elektrische Widerstand innerhalb von Widerstandselementen auch von mechanischen Spannungszuständen in der Widerstandsschicht abhängig, so daß durch die Einstellung leichter Zugspannungen in der Abdeckschicht auch die Kontrolle des Widerstandswert der Widerstandselemente 4, 5 verbessert wird. Weiterhin ist es bekannt, daß aufgrund von Spannungszuständen die Eindiffusion von Verschmutzungsmaterialien in Metallen begünstigt werden. Auch dieser Effekt wird durch die Erfindung verhindert oder verringert.

Als Materialien für die erste und zweite Abdeckschicht 21, 22 stehen im wesentlichen wieder Siliziumnitrid und Siliziumoxid zur Verfügung. Eine mögliche Schichtfolge kann beispielsweise darin bestehen, daß die erste Abdeckschicht 21 durch eine Siliziumoxidschicht mit einem leichten Siliziumüberschuß gebildet wird. Derartige Siliziumoxidschichten weisen Zugspannungen auf und weisen aufgrund des Siliziumüberschusses eine hervorragende Haftung zu Metallschichten auf. Weiterhin hat es sich herausgestellt, daß ein leichter Siliziumüberschuß in einer derartigen ersten Abdeckschicht 21 die Langzeitbeständigkeit des Widerstands-Koeffizienten von metallischen Widerstandselementen, insbesondere von metallischen Widerstandselementen aus Platin, positiv beeinflußt. Um die Zugspannungen dieser ersten Abdeckschicht 21 aus Siliziumoxid mit einem leichten Siliziumüberschuß zu kompensieren, wird dann eine stöchiometrische Siliziumoxidschicht für die zweite Abdeckschicht 22 abgeschieden. Eine derartige stöchiometrische Siliziumoxidschicht weist Druckspannungen auf. Die Schichtdicken werden hier so gewählt, daß insgesamt für die Abdeckschicht 20 die aus der ersten Abdeckschicht 21 und der zweiten Abdeckschicht 22 gebildet wird, leichte Zugspannungen resultieren. Stöchiometrische Siliziumoxidschichten haben sich zudem als besonders beständig gegenüber Feuchtigkeit bewährt, so daß durch diese zweischichtige Abdeckschicht nicht nur der Spannungszustand im gewünschten Maße zu leichten Zugspannungen eingestellt werden kann, sondern auch eine hervorragende Feuchtigkeitsisolation erreicht wird. Eine weitere Ausführung für die erfindungsgemäße Abdeckschicht 20 besteht darin, daß für die erste Abdeckschicht 21 eine Siliziumoxidschicht, beispielsweise eine stöchiometrische Siliziumoxidschicht, mit Druckspannungen abgeschieden wird. Auf eine derartige erste Abdeckschicht 21 aus Siliziumoxid mit Druckspannungen wird dann eine zweite Abdeckschicht 22 mit Zugspannungen abgeschieden. In diesem Fall eignet sich für die zweite Abdeckschicht 22 Siliziumnitrid, Siliziumoxid mit Zugspannungen oder ein Kombinationsmaterial aus diesen beiden Materialien. Siliziumnitrid hat sich ebenfalls als hervorragend feuchtigkeitsbeständig herausgestellt und ist somit auch geeignet die Langzeitstabilität der Widerstandselemente zu gewährleisten.

In der Fig. 4 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer einschichtigen Abdeckschicht 20 gezeigt. In der Fig. 4 bezeichnen die Bezugszeichen 11, 12, 13 und wieder die gleichen Elemente wie in der Fig. 3. Die einschichtige Abdeckschicht 20 ist so ausgebildet, daß sie leichte Zugspannungen aufweist und trotzdem eine gute Haftung auf der reoxidierten Schicht 13 und dem Metall 4 aufweist. Dazu ist die Zusammensetzung der Schicht kontinuierlich verändert. Zur Unterlage der Schicht 13 und 4 hin besteht die Schicht 20 aus Siliziumoxid mit einem erhöhtem Siliziumanteil, so daß sich Zugspannungen ausbilden. Mit zunehmender Dicke wird der Siliziumüberschuß kontinuierlich in Richtung einer stöchiometrischen Siliziumoxidschicht verändert, so daß sich Druckspannungen ausbilden. Der Gradient des Spannungszustands kann durch geeignete Änderung der Plasmaparameter während der Abscheidung realisiert werden.

Claims (6)

1. Sensor (1) mit einer Membran (3) in einem Rahmen (2) aus Silizium, insbesondere einem Massenflußsensor, wobei die Membran (3) aus dielektrischen Schichten (10) aufgebaut ist und auf der Membran (3) mindestens ein Widerstandselement (4, 5) aus einem metallischen Dünnfilm aufgebracht ist, wobei eine Abdeckschicht (20) vorgesehen ist, die das mindestens eine Widerstandselement (4, 5) und eine Oberseite der Membran (3) bedeckt, wobei die dielektrischen Schichten für die Membran (3) so ausgebildet sind, daß eine leichte Zugspannung eingestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckschicht (20) aus mehreren Teilschichten (21, 22) aufgebaut ist, daß eine erste Teilschicht auf dem mindestens einen Widerstandselement (4, 5) und der Membranoberfläche (3) im wesentlichen aus Siliziumoxid aufgebaut ist, und daß auf der ersten Teilschicht (21) eine zweite Teilschicht (22) aufgebaut ist, und daß sich die jeweiligen Spannungszustände der ersten und zweiten Teilschicht (21, 22) zu einer leichten Zugspannung addieren.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Teilschicht (21) aus Siliziumoxid mit einem leichten Siliziumüberschuß und mit Zugspannungen aufgebaut ist, und daß darauf für die zweite Teilschicht (22) eine im wesentlichen stöchiometrische Siliziumoxidschicht mit Druckspannungen aufgebracht ist.

3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Teilschicht (21) eine Siliziumoxidschicht mit Druckspannungen verwendet ist, und daß darauf eine zweite Teilschicht (22) mit Zugspannungen aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder einem Kombinationsmaterial aus Siliziumoxid und Siliziumnitrid abgeschieden ist.

4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugspannungen in der Membranschicht (10) und die Zugspannungen in der Abdeckschicht (20) in etwa gleich groß sind.

5. Sensor (1) mit einer Membran (3) in einem Rahmen (2) aus Silizium, insbesondere einem Massenflußsensor, wobei die Membran (3) aus dielektrischen Schichten (10) aufgebaut ist und auf der Membran (3) mindestens ein Widerstandselement (4, 5) aus einem metallischen Dünnfilm aufgebracht ist, wobei eine Abdeckschicht (20) vorgesehen ist, die das mindestens eine Widerstandselement (4, 5) und eine Oberseite der Membran (3) bedeckt, wobei die dielektrischen Schichten für die Membran (3) so ausgebildet sind, daß eine leichte Zugspannung eingestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckschicht (20) im wesentlichen aus Siliziumoxid besteht, wobei sich ein Überschuß an Silizium im Siliziumoxid kontinuierlich mit der Dicke der Abdeckschicht (20) ändert, und daß die Abdeckschicht (20) ebenfalls leichte Zugspannungen aufweist.

6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Überschuß an Silizium im Siliziumoxid an der Grenzfläche zu dem mindestens einen Widerstandselement (4, 5) und der Membranoberfläche (3) am größten ist.