DE19824401B4

DE19824401B4 - Verfahren zur Herstellung eines Sensormembransubstrats

Info

Publication number: DE19824401B4
Application number: DE19824401A
Authority: DE
Inventors: Heribert Weber; Steffen Schmidt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-05-30
Filing date: 1998-05-30
Publication date: 2009-11-19
Anticipated expiration: 2018-05-31
Also published as: JP4368971B2; US6365055B1; JP2000028457A; DE19824401A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Sensormembransubstrats, insbesondere für einen Massenfluss- oder Drucksensor, welches auf seiner Vorderseite (VS) eine Membran (100) aufweist, die am Rand (R) einer von der Rückseite (RS) her freigeätzten Öffnung (50) eingespannt ist, mit den Schritten:
– Bereitstellen eines Substrats (10);
– lokales Verdicken des Substrats (10) durch oxidieren eines Bereichs (L) auf der Vorderseite (VS) gegenüber dem Rand (R), wobei die Verdickung einen kontinuierlichen Übergang zum Substrat (10) aufweist;
– Abscheiden einer Membranschicht (25) auf der Vorderseite (VS) mit dem lokal verdickten Bereich (L); und
– Freiätzen der Öffnung (50) von der Rückseite (RS) her zum Freistellen der Membran (100), so dass der Rand (R) unter dem verdickten Bereich (L) liegt,
dadurch gekennzeichnet dass
vor dem lokalen Oxidieren des Bereichs (L) eine untere Membranteilschicht (20) durch Oxidieren des Substrats (10) erzeugt wird und das Verdicken in der unteren Membranteilschicht (20)...

Description

STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sensormembransubstrats, insbesondere für einen Massenfluß- oder Drucksensor, welches auf seiner Vorderseite eine Membran aufweist, die am Rand einer von der Rückseite her freigeätzten Öffnung eingespannt ist.
Obwohl auf die Herstellung beliebiger Sensormembransubstrate anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik in bezug auf einen Massenflußsensor, z. B. einem Luftmassensensor zur Verwendung in der Kraftfahrzeug-Technik, in Siliziumtechnologie erläutert.
Bei solch einem üblichen Luftmassensensor erfolgt die Messung der Luftmasse thermoelektrisch auf einer solchen dünnen dielektrischen Membran. Die Herstellung der Membran erfolgt durch Abscheidung von Membranfunktionsschichten auf der Vorderseite des Substrats (Siliziumwafer) und durch anschließendes rückseitiges Freiätzen des Membranbereichs.
4 ist eine schematische Darstellung eines üblichen Sensormembransubstrats zur Erläuterung der beim üblichen Sensormembransubstrat auftretenden Problematik.
In 4 bezeichnen Bezugszeichen 10 ein Siliziumsubstrat mit einer Vorderseite VS und einer Rückseite RS, 20 und 25 Membranschichten aus SiO₂ bzw. Si₃N₄, 50 eine rückseitig geätzte Öffngung, R einen Rand der Öffnung 50 und 100 die Membran und A einen Einspannbereich der Membran 100.
Als nachteilhaft bei dem obigen bekannten Ansatz hat sich also die Tatsache herausgestellt, daß durch das Ätzen eine kristallographisch bedingte, scharfe Ätzkante am Übergang Membran/Siliziumsubstrat, also am Rand R, auftritt. Bei einer Druckbelastung von der Vorderseite VS kann an dieser Ätzkante eine Kerbwirkung auftreten, die so groß ist, daß Spannungsrisse in den einzelnen Membranschichten entstehen können.
Die DE 42 15 722 A1 schlägt das Einführen von zusätzlichen Dotierungsbereichen auf der Vorderseite in Bereich des Randes vor. Diese werden beim anisotropen Rückseitenätzen zum Freistellen der Membran 100 nicht geätzt und bei einem Nachätzen mit einer Ätzlösung, die Silizium isotrop ätzt, verrundet, um eine Reduzierung der Kerbspannungen und eine Erhöhung der Druckfestigkeit zu erzielen. Diese Vorgehensweise ist jedoch prozeßtechnisch aufwendig, da sie einen zusätzlichen Dotierschritt und Ätzschritt erfordert.
Aus der Schrift JP 09-089617 A ist ein Halbleiterbauelement mit einer auf einem Substrat befindlichen Membran und einem auf der Membran befindlichem Heizelement bekannt. Die Membran ist dabei in Form einer durchgehenden Schicht oberhalb einer Kaverne im Substrat vorgesehen, wobei die Membran zur Stützung durch das Substrat auf den Kavernenrand ausgedehnt wird. Dieser Kavernenrand weist gegenüber der Membran eine deutliche Verdickung auf.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Sensormembransubstrats mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist gegenüber dem bekannten Lösungsansatz den Vorteil auf, daß nur ein zusätzlicher Verdickungsschritt notwendig ist, ohne daß es eines zusätzlichen Ätzschritts bedarf.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, daß ein lokales Verdicken des Substrats in einem Bereich auf der Vorderseite gegenüber dem Rand durchgeführt wird, wobei die Verdickung einen kontinuierlichen Übergang zum Substrat aufweist. Anschließend erfolgt ein Abscheiden einer Membranschicht auf der Vorderseite mit dem lokal verdickten Bereich. Die rückseitige Ätzkante wird dann unter den verdickten Bereich gelegt.
Durch solch einen weichen, fließenden Übergang können die Kerbwirkungen und die Bruchneigung im Einspannbereich bei Druckbeaufschlagung verringert und die Membranstabilität erhöht werden, da sich die Spannungen günstiger im Einspannbereich der Membran verteilen. Es treten keine Spannungsrisse mehr auf, und die Berstdruckfähigkeit ist entschieden verbessert.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in Anspruch 1 angegebenen Verfahrens.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist der Schritt des lokalen Verdickens folgende Schritte auf: Abscheiden und Strukturieren einer Maskierungsschicht auf der Vorderseite des Substrats zum Freilegen des Bereichs gegenüber dem Rand und lokales Oxidieren des Bereichs. Die vogelschnabelförmigen Übergänge beim lokalen Oxidieren eignen sich hervorragend für die Schaffung eines gleichmäßigen Übergangs zwischen verdicktem und nicht verdicktem Bereich. Zudem ist die lokale Oxidation von Silizium ein gut beherrschbarer Prozeß.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird vor dem lokalen Oxidieren des Bereichs eine untere Membranteilschicht durch Oxidieren des Substrats erzeugt und anschließend das Verdicken in der untere Membranteilschicht durchgeführt. Es ist jedoch durchaus möglich, diese Membranteilschicht wegzulassen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die Maskierungsschicht vor dem Abscheiden einer Membranschicht auf der Vorderseite entfernt. Dies geschieht dann, wenn die Maskierungsschicht nicht in die Membran eingebaut werden soll. Jedoch ist ein solcher Einbau oder der Einbau nach einer Umwandlung (z. B. Rückführung einer Nitridschicht in eine Oxidschicht) möglich.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Substrat ein Siliziumsubstrat.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Maskierungsschicht eine Nitridschicht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die Maskierungschicht auch zur Maskierung der Rückseite beim Ätzen der Öffnung verwendet. So kann diese Schicht eine Doppelfunktion aufweisen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung befindet sich der lokal oxidierte Bereich mit Ausnahme des Membranbereichs auf dem restlichen Substrat.
ZEICHNUNGEN
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Herstellungsstadiums eines Sensormembransubstrats zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 eine schematische Darstellung eines weiteren Herstellungsstadiums eines Sensormembransubstrats zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 eine vergrößerte Darstellung des Randabschnitts B von 2; und
4 eine schematische Darstellung eines üblichen Sensormembransubstrats zur Erläuterung der zugrundeliegenden Problematik.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente.
1 ist eine schematische Darstellung eines Herstellungsstadiums eines Sensormembransubstrats zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In 1 bezeichnen zusätzlich zu den bereits eingeführten Bezugszeichen 30 eine Nitridschicht und L einen Verdikkungsbereich, d. h. hier einen Bereich für eine lokale Oxidation.
Bei dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Sensormembransubstrats, verlaufen die wesentlichen Schritte des Prozeßablaufs folgendermaßen.
Es erfolgt ein Bereitstellen des Substrats 10, das hier ein Siliziumsubstrat ist.
Dann wird eine Oxidschicht 20 auf der Vorderseite VS und der Rückseite RS (untere Membranteilschicht 20 auf der Vorderseite VS) durch Oxidieren des Substrats 10 erzeugt.
Es folgt ein Abscheiden der Nitridschicht 30 als Maskierungsschicht auf der Vorderseite VS und der Rückseite RS des Substrats 10 mit anschließendem photolithographischem Strukturieren auf der Vorderseite VS zum Freilegen des Bereichs L gegenüber dem späteren Rand R der rückseitigen Öffnung 50. Danach erfolgt ein lokales Oxidieren des Bereichs L, der beispielsweise im Falle einer kreisförmigen Membran 100 ein Kreisring ist. Durch die lokale Oxidation bildet sich eine charakteristische Vogelschnabelform des oxidierten Bereichs L aus.
2 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Herstellungsstadiums eines Sensormembransubstrats zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Zum Erreichen des in 2 gezeigten Herstellungsstadiums erfolgt das Entfernen der Nitridschicht 20 von der Vorderseite VS und danach das Abscheiden der Membranschicht 25 auf der Vorderseite VS, welche die Membranteilschicht 20 mit dem lokal verdickten Bereich L aufweist.
Dann wird das Freiätzen der Öffnung 50 von der Rückseite RS her zum Freistellen der Membran 100 derart durchgeführt, daß der Rand R unter dem verdickten Bereich L liegt, wobei die vorher entsprechend strukturierte Nitridschicht 30 zur Maskierung der Rückseite RS beim Ätzen der Öffnung 50 verwendet wird.
3 ist eine vergrößerte Darstellung des Randabschnitts B von 2. In 3 deutlich erkennbar ist die vogelschnabelförmige Gestalt des Randes des lokal oxidierten Bereichs L. Diese vogelschnabelförmige Gestalt bedingt einen weichen bzw. fließenden Übergang zum verdickten Bereich und somit eine effektive Reduzierung der Kerbwirkung.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Insbesondere die Materialien des Substrats und der darauf abgeschiedenen Schichten nur beispielhaft angeführt und können durch entsprechend geeignete andere Materialien ersetzt werden.

Schließlich ist die Geometrie der Membran nicht auf die angeführte kreisförmige Form beschränkt, sondern kann beliebige andere Formen annehmen. BEZUGSZEICHENLISTE:

10	Substrat
VS, RS	Vorderseite, Rückseite von 10
20	Oxidschicht
25	Membranschicht
30	Nitridschicht
50	Öffnung
A	Einspannbereich mit Kerbwirkung
B	Einspannbereich ohne Kerbwirkung
R	Rand von 50
100	Membran
L	Bereich für lokale Oxidation

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Sensormembransubstrats, insbesondere für einen Massenfluss- oder Drucksensor, welches auf seiner Vorderseite (VS) eine Membran (100) aufweist, die am Rand (R) einer von der Rückseite (RS) her freigeätzten Öffnung (50) eingespannt ist, mit den Schritten: – Bereitstellen eines Substrats (10); – lokales Verdicken des Substrats (10) durch oxidieren eines Bereichs (L) auf der Vorderseite (VS) gegenüber dem Rand (R), wobei die Verdickung einen kontinuierlichen Übergang zum Substrat (10) aufweist; – Abscheiden einer Membranschicht (25) auf der Vorderseite (VS) mit dem lokal verdickten Bereich (L); und – Freiätzen der Öffnung (50) von der Rückseite (RS) her zum Freistellen der Membran (100), so dass der Rand (R) unter dem verdickten Bereich (L) liegt, dadurch gekennzeichnet dass vor dem lokalen Oxidieren des Bereichs (L) eine untere Membranteilschicht (20) durch Oxidieren des Substrats (10) erzeugt wird und das Verdicken in der unteren Membranteilschicht (20) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des lokalen Verdickens folgende Schritte aufweist: Abscheiden und Strukturieren einer Maskierungsschicht (30) auf der Vorderseite (VS) des Substrats (10) zum Freilegen des Bereichs (L) gegenüber dem Rand (R); und lokales Oxidieren des Bereichs (L).
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierungsschicht (30) vor dem Abscheiden einer Membranschicht (25) auf der Vorderseite (VS) entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (10) ein Siliziumsubstrat ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierungsschicht (30) eine Nitridschicht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierungsschicht (30) auch zur Maskierung der Rückseite (RS) beim Ätzen der Öffnung (50) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich der lokal oxidierte Bereich (L) mit Ausnahme des Membranbereichs auf dem restlichen Substrat befindet.