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Die vorliegende Erfindung betrifft die Erkennung bestimmter
Gase mittels Fühlerelementen, deren elektrische Leitfähigkeit sich bei
Anwesenheit dieses Gases ändert.
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In einem Artikel mit dem Titel "Thin oxide microsensors on
thin silicon membranes" (Dünnoxid-Mikrosensoren auf dünnen
Silziummembrane) IEEE Solid State Sensors Workshop, 2. bis 5. Juni 1986, Hilton
Head Island, South Carolina, beschreiben Shin-Chia Chang und David B.
Micks einen Mikrosensor für Gas, dessen empfindliches Element eine
Schicht aus Zinnoxid (SnO&sub2;) ist. Dieser Mikrosensor wird erhalten durch
die klassischen Techniken des chemischen Abtrags und des Auftrags durch
Zerstäubung, ausgehend von einem Siliziumsubstrat.
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Damit dieses Fühlerelement dieses Sensors unter guten
Bedingungen arbeiten kann, ist es erforderlich, es auf eine relativ hohe
Temperatur der Größenordnung von 150 bis 700ºC aufzuheizen, was ihm die
erforderliche Ansprechgeschwindigkeit und Empfindlichkeit verleiht. Die
Erhitzung erfolgt durch ein Heizelement aus Polysilizium unter dem
Fühlelement und begrenzt auf dem Substrat durch die oben erwähnten
Techniken.
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Unter Berücksichtigung der relativ hohen Temperatur,
erforderlich für die Funktion des Fühlelements, sieht der Mikrosensor, der in
dem vorgenannten Artikel beschrieben wird, vor, das Fühlelement und das
Heizelement auf dem Siliziumsubstrat zu verbinden mittels einer dünnen
Membran, die man durch chemischen Abtrag des Substratsiliziums erhält,
und die eine gute thermische Isolation bietet. Diese Membran widersteht
demgemäß einer exzessiven Wärmeabfuhr in Richtung Substrat und
Einkapselung des Mikrosensors.
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Das Problem der thermischen Isolation der Gesamtheit des
Fühlers, gebildet von dem Fühlelement und dem Heizelement, wird in einem
anderen Artikel angesprochen, vorgelegt von Seldon B. Crary während
derselben
Konferenz wie der vorgenannte Artikel.
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In den beiden Fällen schlagen die Autoren vor, die Membran
durch chemischen Angriff des Siliziumsubstrats zu realisieren, das mit
Bor dotiert ist, um eine Barriere gegen diesen Angriff zu bilden. Die
Dicke dieser Membran muß hinreichend sein (beispielsweise über 2
Mikron), um die mechanische Haltbarkeit des Fühlsystems sicherzustellen,
und aus diesem Grunde bildet die Membran noch immer einen bedeutenden
thermischen Leitweg für die Hitze, die von dem Heizelement aus
Polysilizium erzeugt wird, da sie vollständig die Gesamtheit des Fühlelements
und des Heizelements umschließt. Diese Dicke der Membran wird ferner
vergrößert durch 0xidschichten, die erforderlich sind für die
elektrische Isolation zwischen den leitenden Bahnen, die zu diesen Elementen
führen. Diese Vergrößerung kann beispielsweise in der Größenordnung von
0,5 Mikron liegen, und diese Schichten tragen gleichermaßen zu
thermischen Verlusten, ausgehend vom Zentrum des Sensors nach außen, bei.
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Das Patent US-A-4,580,439 beschreibt einen Mikrogassensor des
Standes der Technik gemäß der Präambel der unabhängigen Patentansprüche
1 und 2.
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Um einen niedrigen Energieverbrauch im Dauerbetrieb zu
erzielen und um schnelle Veränderungszyklen der Temperatur des Fühlelements
zu realisieren, ist eine sehr geringe thermische Trägheit erforderlich.
Diese Funktionsart erfordert demgemäß, die sensible Partie der Struktur
schnell aufzuheizen, indem man einen Strom mit einer hinreichenden
Intensität in dem Heizelement fließen läßt. Dies bewirkt jedoch für die
Gesamtheit des Mikrosensors und insbesondere für die Membran erhebliche
mechanische Belastungen, die Ursache für Risse oder sogar Spalten in dem
Sensor sein können.
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Man kann aus Vorstehendem ableiten, daß im Falle von Sensoren
des Standes der Technik die Notwendigkeit, die mechanische Festigkeit
der Fühlanordnung sicherzustellen, sich einer Verringerung des
Verbrauchs dieser Sensoren entgegenstellt wegen der thermischen Verluste
infolge dieser Stützelemente.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgemäß, einen
integrierten Mikrosensor der oben angesprochenen Gattung zu schaffen mit
einem verringerten Verbrauch und mit einer erhöhten Festigkeit gegenüber
mechanischen Belastungen.
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Die Erfindung hat demgemäß einen Mikrosensor oder Mikrofühler
für Gas zum Gegenstand, der in der integrierten Technik in einem
Halbleitersubstrat realisiert ist und eine Erfassungsbaugruppe umfaßt,
umfassend ein Fühlelement, gebildet von mindestens einer für zu
erkennendes Gas sensiblen Schicht, wenn sie bei einer vorbestimmten Temperatur
gehalten wird, welche Fühlerbaugruppe auf einem Supportrahmen befestigt
ist, welche einen integrierten Teil des Substrats bildet und mit dem die
Fühlerbaugruppe über mechanische und elektrische Anschlußmittel
verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußmittel Arme umfassen,
die im Innern des Rahmens begrenzt sind durch Ausnehmungen, die in die
Dicke des Substrats eingebracht sind und die dazu dienen, die
Fühlerbaugruppe abzustützen und deren Form und Ausbildung derart vorgesehen sind,
daß die Belastungen in Höhe der Fühlerbaugruppe minimiert werden, wobei
elektrische Leiter vorgesehen sind auf diesen Armen zum Sicherstellen
der elektrischen Verbindung der Fühlerbaugruppe nach außen.
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Dank diesen Merkmalen ist die Fühlerbaugruppe, gebildet von
dem eigentlichen Fühlerelement, mit dem Rahmen des Sensors nur über
mehrere Stützarme verbunden, welche die thermischen Verluste und die
mechanischen Belastungen auf ein striktes Minimum begrenzen. Infolgedessen
erhält man nicht nur eine bessere energetische Ausbeute des Sensors,
sondern auch eine bessere Fähigkeit, die Temperaturschwankungen und
mechanischen Belastungen auszuhalten, die aus ihnen resultieren, weil die
Arme sich leichter deformieren können als die bekannte durchgehende
Membran nach dem Stand der Technik.
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Die Erfindung wird besser verständlich durch Lesen der
nachfolgenden Beschreibung, die nur als Beispiel zu verstehen ist und wobei
auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
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Fig. 1 eine Draufsicht auf den Mikrofühler gemäß der Erfindung
zeigt,
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Fig. 2 bis 5 vier aufeinanderfolgende Stufen der Herstellung
des Fühlers gemäß der Erfindung darstellen, wobei jeweils eine
Schnittansicht nach Linie VI-VI der Fig. 1 wiedergegeben wird,
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Fig. 6 und 7 Schnittdarstellungen sind nach den Linien VI-VI
bzw. VII-VII der Fig. 1 bei einem fertiggestellten Sensor,
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Fig. 8a und 8b schematische Draufsichten auf mehrere
Konfigurationen des Sensors sind, ähnlich jener, die in der Präambel der
Ansprüche 1 und 2 beschrieben sind,
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Fig. 8c eine schematische Draufsicht auf eine Konfiguration
des Fühlers gemäß der Erfindung ist.
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Es ist festzuhalten, daß in den Zeichnungen die Dicken-
Proportionen der verschiedenen Schichten nicht genau berücksichtigt sind
aus Gründen der Klarheit. Gleichermaßen reflektiert die Form dieser
Schichten nicht genau die Realität, da die gewählte Darstellung nur der
Erläuterung des Aufbaus des Sensors gemäß der Erfindung dient.
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Die Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf ein Beispiel eines
Mikrofühlers gemäß der Erfindung.
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Dieser Mikrofühler oder Mikrosensor umfaßt einen Stützrahmen
1, dessen Form vorzugsweise rechteckig ist mit einer Seitenlänge von
beispielsweise 35 mm. Im Zentrum dieses Rahmens 1 ist eine
Fühlerbaugruppe 2 vorgesehen, die mechanisch mit dem Stützrahmen 1 über Stützarme
3 und 4 verbunden ist, von denen es insgesamt vier gibt, welche jeweils
die Form einer L-Abwinkelung aufweisen.
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Die Fühlerbaugruppe 2 umfaßt ein Fühlerelement 5, dessen
elektrische Leitfähigkeit sich bei Vorhandensein eines zu erfassenden Gases
unter der Voraussetzung ändert, daß es auf eine gegebene Temperatur
zwischen beispielsweise 150º und 700ºC gebracht wird. In dem beschriebenen
Falle besteht das Fühlerelement 5 aus einer polykristallinen Schicht aus
Zinnoxid (Sn0&sub2;) und ermöglicht die Erkennung des Vorhandenseins von
beispielsweise Kohlenmonoxid (CO) oder Äthanol (C&sub2;H&sub5;OH).
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Das Fühlerelement 5 ist nach außen über Kontaktpfosten 6
angeschlossen und elektrische Leiter 7, welche letzteren auf den Armen 3
verlaufen.
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Die Fühlerbaugruppe 2 umfaßt außerdem ein Heizelement 8 in
Form eines Mäanders, der dem Fühlerelement 5 unterlegt ist (in Fig. 1
erkennt man es mit gestrichelten Linien). Dieses Heizelement kann von
einer Silizitschicht beispielsweise gebildet sein. Es ist an
Kontaktpfosten 9 angeschlossen, verbunden mit Leitern 10, die auf den Armen 4
angeordnet sind.
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Die Fühlerbaugruppe 2 umfaßt ferner eine leitende Bahn 11 in
Form eines Mäanders, hergestellt aus einem Material, dessen Widerstand
sich mit der Temperatur ändert und dazu dient, die Temperatur der
Fühlerbaugruppe festzustellen. Diese Bahn 11 ist verbunden mit Leitern 12,
die auf den Armen 3 vorgesehen sind. Die Leiterbahn 11 kann mit einem
Steuerschaltkreis (nicht dargestellt) über Leiter 12 verbunden sein, um
die Intensität des Stromes zu regeln, der in dem Heizelement 8 fließt,
entsprechend einer Solltemperatur des Fühlerelements 5.
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Der Mikrofühler kann in ein Standardgehäuse vom Typ T05 (nicht
dargestellt) eingekapselt sein, wobei es sich versteht, daß das
Fühlerelement 5 exponiert bleiben muß, um in Kontakt mit einer Atmosphäre zu
gelangen, in der das Vorhandensein von Gas erkannt werden muß.
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Die Figur 1 zeigt deutlich, daß die Ausnehmungen 13, begrenzt
von dem Stützrahmen 1 und nicht belegt von den Armen 3 und 4 und der
Fühlerbaugruppe 2, Leerräume bilden, in denen kein Material vorhanden
ist. Diese Ausnehmungen 13 bilden demgemäß Fenster, die den Mikrosensor
von einer Seite zur anderen durchsetzen. Die thermischen Verluste
erfolgen im wesentlichen über die Stützarme 3 und 4, welche die
Fühlerbaugruppe tragen, und sie sind aus diesem Grunde auf ein striktes Minimum
begrenzt.
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Nachstehend werden die wichtigen Stufen eines Verfahrens
beschrieben, das es ermöglicht, die Konfiguration des Mikrofühlers zu
erhalten, der oben kurz beschrieben wurde.
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Auf den beiden Seiten eines Siliziumsubstrats 14 mit einer
Dicke von einigen hundert Mikron läßt man zunächst eine dicke
Siliziumoxidschicht 15, 16 einer Dicke von 1 1µm beispielsweise aufwachsen (Fig.
2). In der oberen Schicht 15 auf der Seite der Fühlerbaugruppe dieses
Substrats werden danach Öffnungen 17 in einer Weise eingebracht, daß von
dieser Schicht 15 nur Bereiche übrigbleiben, deren Konturen schließlich
den Fenstern 13 entsprechen. Die Öffnungen 17 werden durch herkömmlichen
chemischen Abtrag realisiert, nachdem die Schicht über eine Maske 18
exponiert worden ist.
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Danach werden die beiden Seiten des Substrats vollständig mit
einer Schicht 19, 20 (Fig. 3) aus thermischem Siliziumoxid einer Dicke
von beispielsweise 0,2 µm überzogen, wonach eine Bor-Implantierung
erfolgt, symbolisiert durch die Pfeile F, wodurch an dem Ort der Öffnungen
17 p+-Zonen 21 erzeugt werden, die am Ende Barrieren gegen einen
chemischen Angriff bilden, wie weiter unten erläutert.
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Die folgende Stufe des Herstellungsverfahrens (Fig. 4 und
folgende) besteht darin, aus der Gasphase bei niedrigem Druck
(LPCVD-Verfahren) eine Isolationsschicht 22, 23 aus Siliziumnitrit (Si&sub3;N&sub4;)
beispielsweise auf beiden Seiten des Substrats aufzubringen.
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Es folgt nun die Realisierung des Heizelements 8. In dem
dargestellten Falle handelt es sich zunächst darum, durch Niederschlag aus
der Gasphase oder CVD eine Siliziumschicht in der zentralen Zone des
Substrats aufzubringen, die am Ende der Fühlerbaugruppe 2 entsprechen
muß. Diese Siliziumschicht wird mit einer Titanschicht abgedeckt, und
das Ganze wird einem Plasmaangriff ausgesetzt zum Bilden des Mäanders,
wie in Fig. 1 angedeutet. Danach wird eine thermische Behandlung
angewandt, um aus den Niederschlägen aus Silizium und Titan Titansilizit zu
bilden, das zu dem Heizwiderstand 8 wird.
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Es ist anzumerken, daß in einer Variante das Heizelement 8 aus
einer durchgehenden Schicht aus Polysilizium gebildet werden kann.
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Die Vorrichtung wird danach vollständig auf beiden Seiten mit
zwei Isolationsschichten 24, 25 bzw. 26, 27 abgedeckt. Die erste Schicht
24, 25 erzielt man durch Niederschlag von Siliziumoxid aus einer
Gasphase niedrigen Drucks mit einer Dicke von 1 µm, und die zweite Schicht
wird aufgebaut mittels eines identischen Verfahrens aus Siliziumnitrit
(Si&sub3;N&sub4;) mit einer Dicke von beispielsweise 0,15 µm. Gemäß einer Variante
können die beiden Schichten durch einen einzigen Niederschlag von
Siliziumnitrit mit einer Dicke von beispielsweise 0,4 µm ersetzt werden.
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Der so erhaltene Aufbau wird danach einem chemischen Angriff
ausgesetzt, um die 0xid- und Nitritschichten 19, 22, 24 und 26 auf der
Oberseite des Substrats abzubauen, senkrecht zu den Abschnitten 15 aus
dickem Siliziumoxid. Für diesen Arbeitsgang kann man dieselbe Maske 18
verwenden wie jene, die für die Begrenzung der Öffnungen 17 verwendet
worden war (Fig. 2).
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Öffnungen 28 werden nun in die zentrale Zone des Fühlers
eingebracht zum Ermöglichen der Herstellung der Pfosten 9, die dazu dienen,
das Heizelement aus Titansilizit zu kontaktieren.
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Man kann danach eine Zinnoxidschicht (SnO&sub2;) auf der zentralen
Zone der Komponente aufbringen und danach die Konfiguration des
Fühlerelements 5 mittels des Verfahrens begrenzen, was als "lift-off" an sich
bekannt ist, wonach die Komponente einer Metallisation beispielsweise
aus Chromtitanplatin mit Hilfe dieser selben Methode unterworfen wird,
um den Temperaturdetektor 11, die Kontakte 6 und 9 und die leitenden
Anschlußbahnen 7, 10 und 12 zu bilden. Um die Leitfähigkeit dieser Bahnen
zu verbessern, ist es vorteilhaft, auf jeder von ihnen ein Goldband 7a,
10a, 12a aufzubringen, nachdem die Anschlüsse geformt worden sind.
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Die gerade beschriebenen Arbeitsgänge führen zu der
Konfiguration der Fig. 5, in der das Substrat 14 noch seine gleichförmige Dicke
aufweist.
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Die nachfolgenden Arbeitsgänge des Verfahrens werden
ausschließlich von der Rückseite her (unten in den Figuren) des Substrats
14 ausgeführt, wobei die Seite entsprechend der Fühlerbaugruppe in
geeigneter Weise geschützt werden muß, um den verschiedenen erforderlichen
Angriffen standzuhalten.
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Zunächst werden die Oxid- und Nitritschichten 20, 23, 25 und
27 auf einer Fläche entsprechend dem Rechteck 29, das in Fig. 1
punktiert eingezeichnet ist, geöffnet, bis die Oberfläche des Substrats 14
aus Silizium erreicht wird. Das Substrat wird danach mit Kaliumhydroxid
(KOH) attackiert, bis nur noch eine Dicke von etwa 10 µm übrig ist.
Während dieses anisotropen Angriffs bilden die < 100> -Ebenen des Siliziums
die Ebenen des Angriffsendes, was dem Hohlraum 30 (Fig. 6 und 7), der
auf diese Weise eingebracht worden ist, seitliche Schrägen von etwa 54º
verleiht. Diesem Arbeitsgang folgt ein Angriff mit Äthylendiamin, was
die Herstellung des Hohlraums 30 vollendet, wobei die mit Bor dotierten
Zonen 21 Barrieren gegen diesen Angriff bilden. Unter den Abschnitten 15
des dicken Siliziumoxids wird das Substrat jedoch abgetragen bis zur
Unterseite dieser Abschnitte. Mit anderen Worten wird bei diesem Stadium
der Fertigung die Fühlerbaugruppe 2 mit dem Rahmen 1 des Fühlers
einerseits über die Arme 3 und 4 verbunden und andererseits durch einen
Flügel aus Siliziumoxid, der im Augenblick noch die Fenster 13 füllt.
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Man kann diese Flügel (wie bei 13A in Fig. 6 angedeutet)
belassen, wenn die Anwendungsbedingungen (insbesondere Stöße) des Sensors
besonders kritisch sind, doch ist es gleichermaßen möglich, sie mit
Hilfe von gepufferter Flußsäure zu eliminieren.
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In der Ausführungsform nach Figuren 1 bis 7 ist die
Fühlerbaugruppe 2 mechanisch mit dem Rahmen 1 über die Arme 3 und 4 in
abgewinkelter Form verbunden, welche Anordnung vorteilhaft ist hinsichtlich der
Absorption von mechanischen Belastungen bei Änderungen der Temperatur,
denen die Fühlerbaugruppe 2 unterworfen ist, und sie ist gleichermaßen
vorteilhaft für die Begrenzung der thermischen Verluste.
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Die Figuren 8a und 8b zeigen Konfigurationen des Fühlers
ähnlich jenen, wie sie in der Präambel der unabhängigen Ansprüche 1 und 2
beschrieben sind. In jedem Falle definiert das Substrat einen Rahmen 1,
der mit dieser Baugruppe über zwei langgestreckte Arme 32 (Fig. 8a) oder
über vier Arme 33 in Kreuzanordnung verbunden ist.
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Die Figur 8c zeigt, daß eine andere Konfiguration ins Auge
gefaßt werden kann, um die Detektorbaugruppe 2 aufzuhängen. In diesem
Falle definiert das Substrat einen Rahmen 1, der mit dieser Baugruppe über
einen Zwischenrahmen 34 verbunden ist, welcher über Arme 35 mit der
Fühlerbaugruppe 2 verbunden ist und über Arme 36, die zu den letzteren um
90º versetzt sind, mit dem äußeren Rahmen 1 verbunden ist.