DE19954091B4 - Thermische Isolierungsstruktur für Mikrothermosäule und Herstellungsverfahren dafür - Google Patents

Thermische Isolierungsstruktur für Mikrothermosäule und Herstellungsverfahren dafür Download PDF

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Abstract

Mikrothermosäulengerät (20) umfassend
ein Substrat (22);
eine schwebende Membran (24) gebildet auf der oberen Oberfläche des Substrats (22);
ein Ätzfenster (26), das die schwebende Membran (24) aufteilt;
eine Vielzahl von Mikroverbindungsstrukturen (28), die das Ätzfenster (26) kreuzen und die aufgeteilte schwebende Membran (24) auf beiden Seiten des Ätzfensters (26) verbinden; und
eine Vertiefung (29) gebildet zwischen dem Substrat (22) und der schwebenden Membran (24).

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Thermosäulengerät, insbesondere auf eine thermische Isolierungsstruktur für eine Mikrothermosäule und ein Verfahren zu deren Herstellung.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Herkömmliche thermische Isolierungsverfahren für Mikrothermosäulengeräte sind allgemein eingeteilt in den Vorderseiten-Ätzungsprozess und den Rückseiten-Ätzungsprozess. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht von einem Mikrothermosäulengerät hergestellt durch einen herkömmlichen Vorderseiten-Ätzungsprozess und 2 zeigt eine Aufsicht desselben. Das in 1 und 2 gezeigte Mikrothermosäulengerät ist durch den folgenden Prozess hergestellt: Präparieren eines Silizium-Substrats (12), Bilden einer Einfachschicht- oder Mehrfachschichtmembran (14) auf der Oberfläche des Silizium-Substrats (12), Bilden eines schwarzen Körpers (13) und einer Thermosäule (15) auf der Membran (14), Festlegen einer Vielzahl von Ätzfenstern (16), Durchführen von anisotroper Ätzung des Silizium-Substrats (12) durch die Ätzfenster (16) und Bilden einer Vertiefung zwischen dem Silizium-Substrat (12) und der Membran (14), so dass die Membran (14) eine schwebende Membran (18) wird und thermische Isolierung von dem Silizium-Substrat hat.
  • Jedoch müssen in oben erwähntem Prozess die Gruben unterhalb jedem der Ätzfenster (16) miteinander überlappen um die Vertiefung zu bilden, deswegen ist die durch die Ätzfenster (16) eingeschränkte Fläche der schwebenden Membran (18) relativ klein. Des weiteren nimmt das Ätzen des Silizium-Substrats (12) unterhalb des Zentrums der schwebenden Membran (18) beträchtliche Zeit in Anspruch, so dass die schwebende Membran (18) wahrscheinlich bricht.
  • JP 02205729 A offenbart einen Sensor für Infrarotlicht. Auf einem Siliziumsubstrat ist ein dünner Film aufgebracht. Eine Vertiefung im Substrat führt dazu, dass der dünne Film teilweise schwebend ist. Der dünne Film besteht aus vier Schichten: obenauf eine absorbierende Schicht, die durch einen darunter liegenden isolierenden Film isoliert wird. Darunter liegt eine metallische und eine halbleitende Struktur; wiederum darunter liegt ein Film aus Siliziumnitrid, der sich direkt auf dem Substrat befindet.
  • US 5583058 offenbart eine Anordnung zur Detektion von Infrarotlicht, die aus Infrarotlicht-detektierenden Elementen besteht, die sehr dicht liegend angeordnet sind und jeweils eine geringe Wärmekapazität besitzen. Die einzelnen Elemente sitzen auf einem Grundkörper aus Silizium auf dem die verschiedenen isolierenden oder detektierenden Schichten der Elemente herausgearbeitet sind.
    •
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine thermische Isolierungsstruktur für eine Mikrothermosäule und ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen, durch welche der Bereich der schwebenden Membran vergrößert wird und die Belastung der schwebenden Membran verringert wird.
  • Um obenstehende Aufgaben zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bildung von thermischer Isolierung für ein Mikrothermosäulengerät bereit. Das Mikrothermosäulengerät hat ein Siliziumsubstrat und eine Einfachschicht- oder Mehrfachschichtmembran auf dem Silizium-Substrat. Das erfinderische Verfahren umfaßt die Schritte des Bildens eines schmalen Ätzfensters auf der Membran und des Bildens einer Vielzahl von Mikroverbindungsstrukturen, wovon jede das schmale Ätzfenster kreuzt und den Randbereich der Membran auf beiden Seiten des schmalen Ätzfensters verbindet, und des Ätzens des Silizium-Substrats durch das schmale Ätzfenster, um eine Vertiefung zwischen dem Silizium-Substrat und der Membran zu bilden, wodurch die Membran zur schwebenden Membran wird und thermische Isolierung von dem Silizium-Substrat hat.
  • Die verschiedenen Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung leichter verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in welchen:
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt eine perspektivische Ansicht von einem Mikrothermosäulengerät, das durch einen herkömmlichen Vorderseiten-Ätzungsprozess hergestellt wurde;
  • 2 zeigt eine Aufsicht auf das Mikrothermosäulengerät von 1;
  • 3 zeigt eine Aufsicht auf das Mikrothermosäulengerät entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 4 zeigt eine Querschnittsansicht des Mikrothermosäulengeräts entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 5 zeigt eine Aufsicht auf das Mikrothermosäulengerät entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • 3 bzw. 4 zeigen die Aufsicht bzw. den Querschnitt des Mikrothermosäulengeräts entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Mikrothermosäulengerät (20) entsprechend der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt eine schwebende Membran (24) auf der oberen Oberfläche eines Substrats (22), eine zwischen der schwebenden Membran (24) und dem Substrat (22) gebildete Vertiefung (29), zumindest einen schwarzen Körper (23) und zumindest eine auf der schwebenden Membran (24) gebildete Thermosäule (25), ein Ätzfenster (26) von kreuzförmiger Schlitzstruktur und die Aufteilung der schwebenden Membran (24) in eine Vielzahl von hervorragenden Armen (242), und eine Vielzahl von Mikroverbindungsstrukturen (28). Jede der Mikroverbindungsstrukturen (28) ist von streifenförmiger Gestalt und erstreckt sich über das Ätzfenster (26), und verbindet zwei hervorragende Arme (242) auf beiden Seiten des Ätzfensters (26). Weiter bevorzugt sind die Vielzahl der der Mikroverbindungsstrukturen (28) schmale sich kreuzende Streifen, die zwei angrenzende hervorragende Arme (242) verbinden, wobei sie auf diese Weise die hervorragenden Arme (242) unterstützen.
  • Das Mikrothermosäulengerät entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann hergestellt werden durch die folgenden Verfahrensschritte: Präparieren eines Substrats (22), wie z.B. eines Silizium-Substrats (22), Bilden einer Einfachschicht- oder Mehrfachschichtmembran auf der Oberfläche des Silizium-Substrats (22); Bilden von zumindest einem schwarzen Körper (23) und zumindest einer Thermosäule (25) auf der Membran, Definieren eines Ätzfensters (26) um das Silizium-Substrat (22) freizulegen. Das Ätzfenster (26) ist ein kreuzförmiger schmaler Schlitz auf der Membran und ein nachfolgender Ätzschritt wird basierend auf dem kreuzförmigen Schlitz durchgeführt, um eine Vielzahl von Mikroverbindungsstrukturen (28) zu bilden, die das Ätzfenster (26) kreuzen. Die Mikroverbindungsstrukturen (28) sind schmale Streifen, die einander kreuzen und zwei angrenzende Teile der Membran auf beiden Seiten der kreuzförmigen Ätzfenster (26) verbinden. Danach wird das Silizium-Substrat (22) durch die Ätzfenster (26) geätzt, um eine Vertiefung (29) zwischen der Membran und dem Silizium-Substrat (22) zu bilden. Des weiteren wird die Membran geätzt um eine schwebende Membran (24) mit einer Vielzahl von hervorragenden Armen (242) zu bilden. Die Vertiefung (29) bietet thermische Isolierung zwischen der schwebenden Membran (24) und dem Silizium-Substrat (22).
  • Das Ätzfenster (26) hat eine solche Gestalt, dass eine schwebende Membran (24) mit größerer Fläche leichter geschaffen werden kann. Des weiteren ist die gegenseitige Überlappung der Gruben unter dem Ätzfenster (26) wahrscheinlicher. Die Ätzrate des Silizium-Substrats (22) ist erhöht, um die Möglichkeit des Brechens der schwebenden Membran (24) zu verringern.
  • Des weiteren kann das Ätzfenster (26) verschiedene Gestalt und Struktur besitzen. 5 zeigt die Aufsicht auf das Mikrothermosäulengerät entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Mikrothermosäulengerät (30) umfaßt eine schwebende Membran (32) und ein Ätzfenster (34) mit einer gewinkelten Schlitzstruktur. Das Ätzfenster (34) schneidet die schwebende Membran (32) so, dass ein einzelner hervorragender Arm (38) gebildet wird. Zumindest ein schwarzer Körper (33) und zumindest eine Thermosäule (35) sind auf dem einzelnen hervorragenden Arm (38) gebildet. Des weiteren sind eine Vielzahl von Mikroverbindungsstrukturen (36), die das Ätzfenster kreuzen, gebildet. Die Mikroverbindungsstrukturen (36) kreuzen sich gegenseitig und verbinden zwei angrenzende Teile der Membran (32) auf beiden Seiten des Ätzfensters (34).

Claims (9)

  1. Mikrothermosäulengerät (20) umfassend ein Substrat (22); eine schwebende Membran (24) gebildet auf der oberen Oberfläche des Substrats (22); ein Ätzfenster (26), das die schwebende Membran (24) aufteilt; eine Vielzahl von Mikroverbindungsstrukturen (28), die das Ätzfenster (26) kreuzen und die aufgeteilte schwebende Membran (24) auf beiden Seiten des Ätzfensters (26) verbinden; und eine Vertiefung (29) gebildet zwischen dem Substrat (22) und der schwebenden Membran (24).
  2. Mikrothermosäulengerät (20) nach Anspruch 1, worin das Substrat (22) ein Silizium-Substrat ist.
  3. Mikrothermosäulengerät (20) nach Anspruch 1, worin die schwebende Membran (24) zumindest ein hervorragender Arm (242) ist.
  4. Mikrothermosäulengerät (20) nach Anspruch 1, worin das Ätzfenster (26) ein schmaler Schlitz ist.
  5. Mikrothermosäulengerät (20) nach Anspruch 1, worin das Ätzfenster (26) ein schmaler kreuzförmiger Schlitz ist.
  6. Mikrothermosäulengerät (20) nach Anspruch 1, worin das Ätzfenster (26) ein schmaler gewinkelter Schlitz ist.
  7. Mikrothermosäulengerät (20) nach Anspruch 1, worin die Mikroverbindungsstrukturen (28) schmale kreuzende Streifen sind.
  8. Verfahren zur Bereitstellung von thermischer Isolierung für ein Mikrothermosäulengerät (20), wobei das Mikrothermosäulengerät (20) ein Silizium-Substrat und eine Einfachschicht- oder Mehrfachschichtmembran auf diesem Silizium-Substrat besitzt und das Verfahren die Schritte Bilden eines schmalen Ätzfensters (26) auf der Membran (24) und Bilden einer Vielzahl von Mikroverbindungsstrukturen (28), von denen jede das schmale Ätzfenster (26) kreuzt und den Randbereich der Membran (24) auf beiden Seiten des schmalen Ätzfensters (26) verbindet, und Ätzen des Silizium-Substrats durch das schmale Ätzfenster (26), um eine Vertiefung (29) zwischen dem Silizium-Substrat und der Membran (24) zu bilden, wobei die Membran (24) eine schwebende Membran (24) wird und thermische Isolierung von dem Silizium-Substrat hat, umfaßt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, worin der Schritt des Bildens des schmalen Ätzfensters (26) die Unterschritte Definieren eines kreuzförmigen schmalen Musters auf der Membran (24), und Ätzen eines Teils der Membran (24) entsprechend des kreuzförmigen schmalen Musters umfaßt.
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