DE3874605T2 - Mikrosonde in integrierter schalttechnik zur feststellung bestimmter gase. - Google Patents

Mikrosonde in integrierter schalttechnik zur feststellung bestimmter gase.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Erkennung bestimmter Gase mittels Fühlerelementen, deren elektrische Leitfähigkeit sich bei Anwesenheit dieses Gases ändert.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Das Patent US-A-4,580,439 beschreibt einen Mikrogassensor des Standes der Technik gemäß der Präambel der unabhängigen Patentansprüche 1 und 2.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
  • Fig. 1 eine Draufsicht auf den Mikrofühler gemäß der Erfindung zeigt,
  • 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,
  • Fig. 6 und 7 Schnittdarstellungen sind nach den Linien VI-VI bzw. VII-VII der Fig. 1 bei einem fertiggestellten Sensor,
  • 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,
  • Fig. 8c eine schematische Draufsicht auf eine Konfiguration des Fühlers gemäß der Erfindung ist.
  • 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.
  • Die Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf ein Beispiel eines Mikrofühlers gemäß der Erfindung.
  • 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.
  • 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).
  • Das Fühlerelement 5 ist nach außen über Kontaktpfosten 6 angeschlossen und elektrische Leiter 7, welche letzteren auf den Armen 3 verlaufen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Nachstehend werden die wichtigen Stufen eines Verfahrens beschrieben, das es ermöglicht, die Konfiguration des Mikrofühlers zu erhalten, der oben kurz beschrieben wurde.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Es ist anzumerken, daß in einer Variante das Heizelement 8 aus einer durchgehenden Schicht aus Polysilizium gebildet werden kann.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • Die gerade beschriebenen Arbeitsgänge führen zu der Konfiguration der Fig. 5, in der das Substrat 14 noch seine gleichförmige Dicke aufweist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (6)

1. Mikro-Gasfühler in integrierter Technik, realisiert in einem Halbleitersubstrat (14), und umfassend eine Detektor-Baugruppe (2) mit einem Detektor-Element (5), gebildet von mindestens einer Schicht, die sensibel bezüglich des zu erfassenden Gases ist, wenn sie auf einer vorbestimmten Temperatur liegt, welche Detektor-Baugruppe (2) auf einem Stützrahmen (1) befestigt ist, der eine integrale Partie des Substrats (14) bildet und mit dem die Detektor-Baugruppe (2) über mechanische und elektrische Verbindungsmittel verbunden ist, welche Stützarme (3, 4; 32, 33, 35, 36) umfassen, begrenzt im Inneren des Rahmens (1) durch Ausnehmungen (13), die in die Dicke des Substrats (14) eingebracht sind, und die dazu dienen, die Detektor-Baugruppe abzustützen, wobei elektrische Leiter (7, 10, 12) auf diesen Armen vorgesehen sind zum Sicherstellen der elektrischen Verbindung der Detektor-Baugruppe nach außen, dadurch gekennzeichnet, daß
die Stützarme eine abgewinkelte Form aufweisen und jeweils aufgeteilt sind in ein erstes Segment geringer Länge und ein zweites Segment größerer Länge als das erste Segment, wobei die ersten Segmente verbunden sind mit der Detektor-Baugruppe (2) über eines ihrer Enden, und wobei die zweiten Segmente mit dem Stützrahmen (1) verbunden sind über eines ihrer Enden, wobei die verbleibenden Enden die Abwinkelungen der Stützarme bilden, derart, daß mechanische Belastungen infolge von Temperaturänderungen, denen die Detektor-Baugruppe (2) unterworfen ist, absorbiert werden und die Begrenzung thermischer Verluste begünstigt wird, und
die Stützarme abgewinkelter Form die Zahl zwei oder vier aufweisen.
2. Mikro-Gasfühler in integrierter Technik, realisiert in einem Halbleitersubstrat (14), und umfassend eine Detektor-Baugruppe (2) mit einem Detektor-Element (5), gebildet von mindestens einer für zu erfassendes Gas sensiblen Schicht, wenn sie eine vorbestimmte Temperatur aufweist, wobei die Detektor-Baugruppe (2) auf einem Stützrahmen (1) befestigt ist, der eine integrale Partie des Substrats (14) bildet, und wobei die Detektor-Baugruppe (2) mittels mechanischer und elektrischer Verbindungsmittel angeschlossen ist einschließlich Stützarmen (3, 4; 32, 33, 35, 36), nach innen bezüglich des Rahmens (1) begrenzt durch Ausnehmungen (13), die in die Dicke des Substrats (14) eingebracht sind, und die dazu dienen, die Detektor-Baugruppe abzustützen, wobei elektrische Leiter (7, 10, 12) auf diesen Armen vorgesehen sind zum Sicherstellen der elektrischen Verbindung der Detektor-Baugruppe nach außen, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat einen Außenrahmen (1) definiert, verbunden mit der Detektor-Baugruppe (2) durch einen Zwischenrahmen (34), der über Arme (35) mit der Detektor-Baugruppe verbunden ist und durch Arme (36), welche um 90º bezüglich der letzteren versetzt sind, mit dem Außenrahmen.
3. Mikrofühler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Ausnehmungen (13) durch Schlitze gebildet sind, die den Fühler von einer Seite zur anderen durchsetzen.
4. Mikrofühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Ausnehmungen (13) in der Dicke des Fühlers durch eine Dünnschicht (13A) begrenzt sind, gebildet von einer Isolationsschicht (15), die auf der Seite des Substrats (14) vor der Begrenzung der Detektor-Baugruppe (2) in dem Substrat (14) aufgebracht worden ist.
5. Mikrofühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Detektor-Baugruppe (2) ein temperaturempfindliches Element (11) umfaßt, das gleichzeitig mit dem Aufbringen der elektrischen Leiter realisiert ist und bestimmt ist zur Regelung der Temperatur des Detektor-Elements (5) auf eine Referenztemperatur, und daß das temperaturempfindliche Element nach außen über Leiter (12) verbunden ist, die von dem oder den Stützarm(en) (3; 34-36) getragen sind.
6. Mikrofühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend ein Heizelement (8) in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Detektor-Element (5), und gebildet von einer aufgebrachten Schicht aus einem Material, das durch den Joule-Effekt aufheizbar ist.
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