DE19855603C1 - Kapazitiver Oberflächensensor und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Abstract

Kapazitiver Sensor mit Leiterflächen (4) in Material (3, 5) kleiner Dielektrizitätszahl zur Verringerung von Streukapazitäten. Die Kapazitäten zur Oberseite (1) und damit die Empfindlichkeit sind durch Material größerer Dielektrizitätszahl (2) vergrößert. Die Grenzflächen zwischen den unterschiedlichen Materialien sind so geformt, daß das Material größerer Dielektrizitätszahl einen zu den Leiterflächen hin konvex begrenzten Schichtanteil bildet. Hergestellt wird ein solcher Sensor, indem durch eine Maskenöffnung Material kleiner Dielektrizitätszahl entfernt wird und die Aussparungen mit Material größerer Dielektrizitätszahl eingeebnet werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, das für kapazitive Messungen mit Leiterflächen und einer dazu koplanaren Oberseite versehen ist, insbesondere einen Finger­ abdrucksensor, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

In kapazitiv messenden Oberflächensensoren als Halbleiterbau­ elemente sind unter der Oberseite des Sensors Leiterflächen in einer Matrix angeordnet. Zwischen den Leiterflächen und der Oberseite des Sensors ist üblicherweise eine Distanz­ schicht vorhanden (z. B. eine Passivierungsschicht mit einer Auflagefläche). Es werden die Kapazitäten der Leiterflächen gegenüber der Oberfläche eines auf die Oberseite aufgelegten Gegenstandes, z. B. eines Fingerabdruckes, gemessen. So kann die Oberflächenstruktur dieses Gegenstandes erfaßt werden.

Ein kapazitiv messender Fingerabdrucksensor ist z. B. in der US 4,353,056 beschrieben. Bei einer Ausführungsform dieses Sensors ist als Gegenelektrode zu den Leiterflächen eine durch eine aufgelegte Fingerbeere verformbare, elektrisch leitende Membran vorhanden.

Ein hohes Auflösungsvermögen des Sensors erreicht man mit ei­ ner Vielzahl von Leiterflächen sehr kleiner Abmessungen. Da­ mit werden aber die zu messenden Kapazitäten sehr klein, und es wirken sich vorhandene parasitäre Kapazitäten besonders stark aus. Parasitäre, d. h. für die Messung unerwünschte, aber technisch bedingt unvermeidbare Kapazitäten verringern die Empfindlichkeit des Sensors.

Eine hohe Empfindlichkeit des Sensors wird erreicht, wenn die Distanzschicht dünn und aus einem Material mit hoher Dielek­ trizitätszahl, früher auch als relative Dielektrizitätskon­ stante bezeichnet, ausgebildet ist. Dann ist die Kapazität des Kondensators, der aus einer Leiterfläche und einer auf der Oberseite des Sensors gegenüber der Leiterfläche ange­ brachten Oberfläche gebildet wird, besonders hoch. Die Kapa­ zität eines (Platten-)Kondensators ist nämlich proportional zur Dielektrizitätszahl und umgekehrt proportional zum Ab­ stand der Leiter. Die Distanzschicht kann aber eine bestimmte Mindestdicke nicht unterschreiten, weil andernfalls kein aus­ reichender Schutz gegen mechanischen Verschleiß und gegen Eindringen von Verunreinigungen gewährleistet ist. Bei Ver­ wendung eines Materiales mit hoher Dielektrizitätszahl erhö­ hen sich die parasitären Kapazitäten, vor allem die Streuka­ pazitäten zu benachbarten Leiterflächen hin, was die Meßge­ nauigkeit und die Empfindlichkeit beeinträchtigt. Um die Streukapazitäten zu benachbarten Leitern zu verringern, kann man die Abstände zwischen den Leiterflächen vergrößern. Damit wird bei gleicher Größe der Leiterflächen das Auflösungsver­ mögen verringert. Verkleinert man zusätzlich die Abmessungen der Leiterflächen, werden auch die zur Messung vorgesehenen Kapazitäten verkleinert, was zu einer Abnahme der Empfind­ lichkeit führt. Bisher war man daher darauf angewiesen, die Eigenschaften derartiger Sensoren durch einen geeigneten Kom­ promiß auf die jeweilige Anwendung hin zu optimieren.

In der EP 0 938 131 A2 ist ein Fingerabdrucksensor beschrie­ ben, bei dem die Leiterflächen bedeckt werden von einer Schichtstruktur mit einer Isolationsschicht zuunterst, einer darauf aufgebrachten Siliziumnitridschicht, einer mechani­ schen Schutzschicht und einer Entladungsschicht zur Verhinde­ rung von elektrostatischer Aufladung beim Kontakt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen als Halblei­ terbauelement herstellbaren kapazitiv messenden Oberflächen­ sensor mit verbesserter Empfindlichkeit und ein zugehöriges Herstellungsverfahren anzugeben.

Diese Aufgabe wird mit dem Oberflächensensor mit den Merkma­ len des Anspruches 1 bzw. mit dem Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruches 5 gelöst. Ausgestaltungen erge­ ben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen Sensor sind die unerwünschten Streukapazitäten zu benachbarten Leiterflächen dadurch ver­ mindert, daß die Leiterflächen in dielektrisches Material ei­ ner ausreichend kleinen Dielektrizitätszahl eingebettet sind. Gleichzeitig sind die Kapazitäten zwischen den Leiterflächen und einem auf der Oberseite über der Distanzschicht angeord­ neten Gegenstand und damit die Empfindlichkeit dadurch ver­ größert, daß jeweils über den Leiterflächen ein dielektri­ sches Material einer deutlich größeren Dielektrizitätszahl vorhanden ist. Die Grenzfläche zwischen den dielektrischen Materialien unterschiedlicher Dielektrizitätszahlen ist so geformt, daß das Material größerer Dielektrizitätszahl einen Schichtanteil der Distanzschicht bildet und dieser Schichtan­ teil zu den Leiterflächen hin konvex begrenzt ist. Dadurch ist bewirkt, daß zumindest in einem Randbereich der Leiter­ flächen die Schicht aus dem Material kleinerer Dielektrizi­ tätszahl zum Rand der Leiterfläche hin dicker wird.

Hergestellt wird ein solcher Sensor, indem die Leiterflächen zunächst von einer Schicht dielektrischen Materiales einer kleinen Dielektrizitätszahl bedeckt hergestellt werden. Dann wird unter Verwendung einer Maske in jeweils einem oder meh­ reren mittleren Bereichen der Leiterflächen das Material durch Öffnungen in der Maske hindurch entfernt, so daß unter den Rändern der Öffnungen das Material mit nach außen hin zu­ nehmender Dicke stehenbleibt. Nach dem Entfernen der Maske wird Material einer größeren Dielektrizitätszahl abgeschieden und eingeebnet, so daß die gewünschte Struktur gebildet wird.

Es folgt eine genauere Beschreibung des erfindungsgemäßen Bauelementes und eines geeigneten Herstellungsverfahrens an­ hand der in den Figuren dargestellten Beispiele.

Die Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Bauelement im Aus­ schnitt im Querschnitt.

Die Fig. 2 und 3 zeigen den Ausschnitt aus Fig. 1 nach verschiedenen Schritten eines Herstellungsverfahrens.

Die Fig. 4 zeigt die Anordnung von Öffnungen einer für das Verfahren geeigneten Maske.

Die Fig. 5a und 5b bzw. 6a und 6b zeigen Querschnitte ge­ mäß Fig. 1 für Ausführungsbeispiele mit mehreren Einzellin­ sen über jeder Leiterfläche.

Die Fig. 7 und 8 zeigen je eine Ansicht entsprechend Fig. 2 zur Erläuterung von Ausgestaltungen des Herstellungsverfah­ rens.

In der Fig. 1 ist im Querschnitt schematisch eine Struktur eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Sensors dargestellt. Eine Oberseite 1 der Distanzschicht ist planarisiert und als Auflagefläche für einen zu messenden Gegenstand, z. B. eine Fingerbeere, vorgesehen. Es können auf die Distanzschicht je nach Bedarf weitere Schichten als Passivierung gegen Verun­ reinigungen oder mechanischen Abrieb aufgebracht sein. Zur bezweckten Erhöhung der Empfindlichkeit empfiehlt es sich je­ denfalls, ggf. vorhandene weitere Schichten möglichst dünn auszubilden. Die Distanzschicht besitzt einen ersten Schicht­ anteil 2 aus einem dielektrischen Material größerer Dielek­ trizitätszahl und einen zweiten Schichtanteil 3 aus einem Ma­ terial kleinerer Dielektrizitätszahl. Vorzugsweise sind die vorhandenen Leiterflächen 4 in das Material mit kleinerer Dielektrizitätszahl eingebettet, so daß dieses Material auch zwischen den Leiterflächen 4 und auf der der Distanzschicht gegenüberliegenden Seite als Zwischenschicht 5 vorhanden ist. Der Halbleiterkörper 6, der auch ein mit aufgewachsenen Halb­ leiterschichten versehenes Substrat sein kann, enthält die an sich bekannten Bestandteile elektronischer Schaltungen zum Betrieb des Bauelementes. In der Zwischenschicht 5 können weitere Leiterbahnen vorhanden sein, die z. B. als Metalli­ sierungsebenen die elektrisch leitenden Verbindungen der für die elektronischen Komponenten vorgesehenen Anschlüsse her­ stellen.

Die Grenzfläche zwischen dem ersten Schichtanteil 2 und dem zweiten Schichtanteil 3 der Distanzschicht ist konvex zu den Leiterflächen 4 hin gekrümmt. Der zweite Schichtanteil 3 aus Material kleinerer Dielektrizitätskontante ist daher in einem mittleren Bereich der Leiterfläche dünner als an den Rändern der Leiterfläche. Auf diese Weise ist eine dielektrische Lin­ se ausgebildet, die im Betrieb des Bauelementes die elektri­ schen Feldlinien vom Rand der Leiterflächen zur Oberseite der Distanzschicht hin bündelt. Es genügt dazu im Prinzip, wenn der zweite Schichtanteil 3 in einem Randbereich der Leiter­ flächen 4 vorhanden und konvex zur Leiterfläche hin begrenzt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel befindet sich in der Di­ stanzschicht in der Mitte der Leiterflächen nur Material des ersten Schichtanteils 2 mit größerer Dielektrizitätszahl. Nur im Randbereich der Leiterflächen ist der zweite Schichtanteil 3 mit kleinerer Dielektrizitätszahl vorhanden, und zwar mit einer zu den Rändern der Leiterflächen hin zunehmenden Dicke.

Zur Erläuterung eines besonders einfachen und daher bevorzug­ ten Herstellungsverfahrens sind in den Fig. 2 und 3 zwei Querschnitte durch Zwischenprodukte des Bauelementes nach verschiedenen Schritten dieses Herstellungsverfahrens angege­ ben. Die Fig. 2 zeigt die Leiterflächen 4, die in dielektri­ sches Material einer kleinen Dielektrizitätszahl eingebettet sind. Dieses Material ist zur Ausbildung der Zwischenschicht 5 und des zweiten Schichtanteils 3 der Distanzschicht vorge­ sehen. Es wird auf die Oberfläche eine Maske 7 aufgebracht, die Öffnungen in jeweils einem mittleren Bereich der Leiter­ flächen 4 aufweist. Durch diese Öffnungen hindurch wird das dielektrische Material entfernt, was vorzugsweise durch einen Ätzprozeß geschieht. Das Material wird dabei nach und nach in schichtartigen Anteilen abgetragen, was in der Fig. 2 durch die gestrichelten Linien angedeutet ist, die die nach unter­ schiedlichen Ätzdauern vorhandenen Oberflächen 8 andeuten. Unter den Rändern der Maskenöffnungen verlaufen diese Ober­ flächen zur Oberseite des Bauelementes hin, da unter den Mas­ kenrändern das Material mit geringerer Ätzrate entfernt wird. So ergibt sich der dargestellte Verlauf der konvex zu den Leiterflächen hin gekrümmten Oberfläche des verbleibenden Schichtanteils aus dem Material kleinerer Dielektrizitäts­ zahl. Dieses Material kann insbesondere in einem mittleren Be­ reich der Leiterfläche vollständig entfernt werden.

Die Fig. 3 zeigt, wie nach dem Entfernen der Maske die aus­ geätzten Volumina mit dielektrischem Material einer größeren Dielektrizitätszahl aufgefüllt werden, das für den ersten Schichtanteil 2 der Distanzschicht vorgesehen ist. Dieses Ma­ terial braucht dann nur in einer für die Funktionsweise des Bauelementes ausreichenden Weise eingeebnet, z. B. planari­ sierend bis zu der gestrichelt eingetragenen Fläche 9 hin ab­ getragen, zu werden.

Die Fig. 4 zeigt eine Maske mit sechseckigen Öffnungen 10, die auf einem hexagonalen Raster angeordnet sind. Eine derar­ tige Maske ist besonders geeignet, die als dielektrische Lin­ se wirkenden verdickten Bereiche in dem ersten Schichtanteil 2 der Distanzschicht zumindest näherungsweise kalottenförmig herzustellen. Die Maskenöffnungen können statt dessen rund oder quadratisch sein oder eine andere jeweils zweckmäßige Form aufweisen sowie auf einem anderen Raster, beispielsweise einem Rechteckraster, angeordnet sein. Für jede Leiterfläche kann nur eine Maskenöffnung oder können mehrere Maskenöffnun­ gen vorhanden sein. In letzterem Fall wird die dielektrische Linse über einer Leiterfläche entsprechend dem oben zuletzt beschriebenen Ausführungsbeispiel aus mehreren Einzellinsen ausgebildet.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel können über den jewei­ ligen Leiterflächen in der Distanzschicht mehrere Bereiche ausgebildet sein, in denen die Grenzfläche zwischen dem er­ sten Schichtanteil 2 und dem zweiten Schichtanteil 3 konvex zu der Leiterfläche hin gekrümmt ist, so daß in einem mittle­ ren Bereich der Leiterfläche die Dicke des zweiten Schichtan­ teils 3 zwischen einer minimalen und einer maximalen Dicke variiert. Eine solche Struktur bildet eine facettenartige An­ ordnung von Einzellinsen, die in der Wirkungsweise den Kon­ densorlinsen ähnelt, die von Belichtungsmessern her bekannt sind. Auch hierbei kann im mittleren Teil der Einzellinsen der zweite Schichtanteil 3 der Distanzschicht ganz weggelas­ sen sein, so daß sich dort jeweils nur Material größerer Die­ lektrizitätszahl über der betreffenden Zone der Leiterfläche befindet.

Eine Anordnung mehrerer Einzellinsen über einer Leiterfläche hat den Vorteil, daß das elektrische Feld stärker gebündelt wird. Ein derart gestalteter Sensor besitzt deshalb eine grö­ ßere Reichweite zu denjenigen Anteilen einer auf der Obersei­ te 1 angeordneten Oberfläche, die nicht direkt auf der Ober­ seite aufliegen. Da ja die Oberfläche des zu messenden Objek­ tes in der Regel dreidimensional strukturiert ist, ist es oft erforderlich, daß auch die in größerem Abstand zu der Ober­ seite 1 des Sensors angeordneten Anteile der Oberfläche des Meßobjektes noch sicher kapazitiv erfaßt werden. Die angege­ bene Ausführungsform des Sensors mit mehrfachen dielektri­ schen Linsen über den Leiterflächen ermöglicht die besagte Verbesserung.

Fig. 5a zeigt eine Anordnung von mehreren Einzellinsen, die in dem ersten Schichtanteil 2 der Distanzschicht ausgebildet sind. Damit eine ausreichende Verminderung von Streukapazitä­ ten zu benachbarten Leiterflächen 4 gewährleistet ist, werden die Einzellinsen vorzugsweise so angeordnet, daß deren gesam­ te laterale Abmessungen, also die wirksame Grundfläche der Linse, sich nur über die jeweilige Leiterfläche erstrecken.

Fig. 5b zeigt zu dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5a eine bei der Herstellung verwendbare Maske 7 mit Öffnungen 10, durch die hindurch das Material des zweiten Schichtanteils 3 der Distanzschicht abgetragen wird, um anschließend mit Mate­ rial höherer Dielektrizitätszahl aufgefüllt zu werden. Zur Verdeutlichung der relativen Anordnung der Maske sind gestri­ chelt die verdeckten Konturen der Leiterflächen 4 eingezeich­ net. Je nach Ausführungsbeispiel können die Anordnung und Größe der Öffnungen 10 variieren. Die Öffnungen können insbe­ sondere auch sechseckig, achteckig oder rund sein.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel mit mehreren Einzellinsen über jeder Leiterfläche ist in Fig. 6a dargestellt. Die ge­ strichelt eingezeichnete Linie 11 bezeichnet eine Symmetrie­ achse oder den Schnitt durch eine Symmetrieebene, die eine Spiegel-, Punkt- oder Rotationssymmetrie definiert. Fig. 6b zeigt eine Maske 7 mit Öffnungen 10, die über einer Leiter­ fläche 4 so angeordnet sind, daß bei dieser Ausführung wulst­ förmig umlaufende und zueinander konzentrisch angeordnete Einzellinsen hergestellt werden. Die Einzellinsen können wie mit der Maske in Fig. 6b längs den Seiten von Quadraten aus­ gebildet werden oder zum Beispiel längs den Seiten von Sechs­ ecken oder Achtecken. Auch eine kreisringförmige Strukturie­ rung ist möglich.

Bei den Ausführungsformen mit ringförmig oder wulstförmig um­ laufenden Einzellinsen können die Querschnitte der Einzellin­ sen asymmetrisch ausgebildet sein. So kann die gesamte Linse zum Beispiel eine Fresnel-Linse bilden. Bei einer Fresnel- Linse schließen sich an eine zentrale Linse mehrere ringför­ mige Zonen an, deren Krümmungen so gewählt sind, daß die Brennpunkte aller Zonen zusammenfallen. Die Linse entspricht daher in etwa einer plankonvexen Linse, die in konzentrische Ringe zerteilt ist, wobei jeder Ring und vor allem der zen­ trale Teil koplanar zur planen Oberseite soweit gedünnt ist, wie in Anbetracht der gekrümmten Oberseite möglich ist. Der für die Brechung nicht relevante Anteil fehlt also weitge­ hend, so daß die Linse insgesamt dünner hergestellt werden kann.

Eine solche Linse und ein mögliches Herstellungsverfahren ist in Fig. 7 dargestellt. Es wird eine Maske 7 verwendet, die eine gegen die Vertikale zur Oberseite 1 seitlich angeschräg­ te Randstruktur aufweist. Eine solche Maske kann zum Beispiel durch eine untere Schicht 71 und eine darauf aufgebrachte obere Schicht 72 mit einseitig etwas zurückgesetztem Rand ge­ bildet sein. Wird das Material niedriger Dielektrizitätszahl, das für den ersten Schichtanteil 3 der Distanzschicht vorge­ sehen ist, in schräger Richtung entsprechend den in der Figur eingezeichneten Pfeilen ausgeätzt, werden die asymmetrisch verlaufenden Oberseiten 8 des geätzten Materiales gebildet. Es wird vorzugsweise ein teilweise gerichteter Ätzprozeß ein­ gesetzt, bei dem die Ätzraten eines isotropen und eines ani­ sotropen Ätzangriffes aufeinander abgestimmt werden. Die punktsymmetrische Struktur des Ätzvolumens erhält man durch eine Rotation des Substrates oder Halbleiterkörpers.

Die untere Schicht 71 der Maske kann zudem aus einem Material hergestellt werden, das durch das Ätzmittel in geringerem Ausmaß mit abgetragen wird. Das ist in der Fig. 8 durch die gestrichelten Kurven dargestellt. Die betreffenden Ränder der Maskenöffnungen und damit die entsprechenden Begrenzungen der geätzten Bereiche wandern folglich allmählich zum Rand der Leiterfläche hin. Dadurch werden die Flanken des in den aus­ geätzten Bereichen verbliebenen Materials auf dieser Seite etwas flacher. Die relativ steilen Flanken in dem geätzten Material auf den entgegengesetzten Seiten, wie das in der im Maßstab überzeichneten Figur angedeutet ist, erhält man da­ durch, daß das Material der oberen Schicht 72 der Maske an diesen Rändern der Maskenöffnungen auch die Flanke der unte­ ren Schicht 71 bedeckt und diese gegen den Ätzangriff schützt. So behält der Rand der Maskenöffnungen auf dieser Seite seine Lage. Es kann bei dieser Ausführungsform senk­ recht von oben geätzt werden, wie das durch die eingezeichne­ ten Pfeile angedeutet ist.

Claims (7)

1. Kapazitiver Oberflächensensor mit berandeten Leiterflächen (4), die über einem Halbleiterkörper (6) angeordnet und auf einer Seite, die von dem Halbleiterkörper abgewandt ist, mit einer Distanzschicht (2, 3) mit ebener und zu den Leiterflä­ chen koplanarer Oberseite (1) versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzschicht einen ersten Schichtanteil (2) aus einem dielektrischen Material mit größerer Dielektrizitätszahl und einen zweiten Schichtanteil (3) aus einem dielektrischen Ma­ terial mit kleinerer Dielektrizitätszahl besitzt und zwischen dem ersten und dem zweiten Schichtanteil eine Grenz­ fläche ausgebildet ist, die über einer Leiterfläche (4) kon­ vex zu dieser Leiterfläche hin gekrümmt ist, so daß zumindest in einem Randbereich der Leiterfläche der zweite Schichtan­ teil (3) zum Rand der Leiterfläche hin dicker wird.

2. Kapazitiver Oberflächensensor nach Anspruch 1, bei dem die Grenzfläche zwischen den Schichtanteilen (2, 3) der Distanzschicht über einer Leiterfläche (4) mehrfach kon­ vex zu dieser Leiterfläche hin gekrümmt ist, so daß in einem mittleren Bereich der Leiterfläche die Dicke des zweiten Schichtanteils (3) zwischen einer minimalen und einer maxima­ len Dicke variiert.

3. Kapazitiver Oberflächensensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem auf der dem Halbleiterkörper (6) zugewandten Seite der Leiterflächen (4) eine Zwischenschicht (5) aus einem di­ elektrischen Material vorhanden ist, das eine kleinere Di­ elektrizitätszahl besitzt als das Material des ersten Schichtanteils (2) der Distanzschicht.

4. Kapazitiver Oberflächensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei dem die Leiterflächen eine zur Aufnahme eines Fingerab­ druckes vorgesehene Anordnung besitzen und
bei dem die Distanzschicht (2, 3) einen vorgesehenen Abstand der Leiterflächen von einer für eine Fingerbeere vorgesehenen Auflagefläche definiert.

5. Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Oberflächen­ sensors, bei dem
in einem ersten Schritt eine Anordnung aus Leiterflächen (4), die in dielektrischem Material (3, 5) einer ersten Dielektri­ zitätszahl eingebettet sind, hergestellt wird,
in einem zweiten Schritt über einer Oberseite des dielektri­ schen Materiales eine Maske (7) angebracht wird, die Öffnun­ gen (10) im Bereich der Leiterflächen aufweist,
in einem dritten Schritt das dielektrische Material durch diese Öffnungen hindurch derart entfernt wird, daß eine zu den Leiterflächen hin konvex gekrümmte Oberfläche ausgebildet wird,
in einem vierten Schritt die Maske entfernt wird,
in einem fünften Schritt ein weiteres dielektrisches Material (2) abgeschieden wird, das eine größere Dielektrizitätszahl aufweist als das zuvor vorhandene dielektrische Material, und in einem sechsten Schritt das weitere dielektrische Material eingeebnet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem in dem zweiten Schritt eine Maske (7) mit sechseckigen oder runden Öffnungen (10), die in einem hexagonalen Raster ange­ ordnet sind, verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem in dem zweiten Schritt eine Maske (7) verwendet wird, die über einer Leiterfläche (4) mehrere Öffnungen (10) aufweist.