JP2002503805A - 薄膜設計によるセンサ - Google Patents

薄膜設計によるセンサ

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JP2002503805A
JP2002503805A JP2000531711A JP2000531711A JP2002503805A JP 2002503805 A JP2002503805 A JP 2002503805A JP 2000531711 A JP2000531711 A JP 2000531711A JP 2000531711 A JP2000531711 A JP 2000531711A JP 2002503805 A JP2002503805 A JP 2002503805A
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トロイトラー クリストフ
マレック イリ
コーバー ハンス−フリーデマン
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

(57)【要約】 誘電性支持層(21)と、該層上に配置された白金を含有する層(23)と、該層状に配置された少なくとも1つのカバー層(25)とを有し、その際、白金を含有する層(23)の少なくとも片側の面に、少なくとも所定の範囲にケイ素からなる付加的な付着層を施与している薄膜設計でのセンサを提案している。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 本発明は独立形式請求項記載のセンサに関する。
【0002】 従来の技術 薄膜設計でのセンサは質量流量センサとして使用されることが知られている。
例えばEP0375399号から既にマイクロブリッジを有するセンサが知られ
ている。このマイクロブリッジには白金からなる加熱素子が配置されている。こ
の加熱素子は白金層から所定のパターンで加工成形されており、そして誘電性支
持層上におけるこの白金層の十分に良好な付着を保証するために、上記EP03
75399号には金属酸化物、例えばCr23、Ta25およびNiOからなる
付着助成層が提案されている。これらの金属酸化物は白金と誘電性基板、この場
合にはSi34との間の付着助成層として利用されている。DE−PS1960
1592号からケイ化物、例えばPtSi2、MoSi2および類似の化合物は白
金と誘電性層、例えばSiO2との間の付着助成層として知られている。今まで に知られているこれらの溶解は、例えば白金層中への金属カチオンの拡散導入に
よって引き起こされる抵抗の温度係数の激しい低下のような欠点を有する。特に
湿った雰囲気において電気的長期安定性および機械的安定性に更なる問題が生じ
る。“白金上のアルミニウムワイヤボンディング”技術を実現するために、白金
層のそのベース上への非常に良好な付着が必要不可欠である。公知の層系では前
記の要求は満たされない。
【0003】 本発明の利点 それに対して独立形式請求項に記載の特徴を有する本発明によるセンサは誘電
性支持層上の白金層の改善された付着が少なくとも1層のケイ素含有付着助成層
によって達成され、また高温時および非常に高い大気湿度の際の長期的負荷にお
いても維持されうるという利点を有する。本発明によるセンサは非常に良好な電
気的な長期安定性および熱的安定性を有する。更に多相のケイ化白金系の認識可
能な形成がなされない。より特に有利にはケイ素からなる提案された付着層は、
層付着をアルミニウムワイヤで白金層にボンディングできるように改善すること
が可能である。
【0004】 更なる実施態様は従属形式請求項に記載している。
【0005】 特に有利な実施態様においては、白金層の両側の表面にケイ素含有層が少なく
とも所定の範囲に設けられている。このことは、カバー層を白金層に特に良好に
付着させることも可能にする。またこれは該センサの改善された機械的長期安定
性に寄与する。
【0006】 有利な実施態様においては、両側のケイ素含有層の厚さが同じである。更に有
利な実施態様においては、両側のケイ素層の厚さは異なっていてよく、その際、
有利には上側のケイ素層は白金層の下側の層よりも厚く設けられている。また白
金層の下側のみがケイ素層を有することも可能である。
【0007】 有利な実施態様においては、ケイ素含有層の層厚は0.5〜2.4nmである
。殊に有利には層厚は0.7〜1.2nmである。更に有利な実施態様において
は、例えば下側のケイ素層の層厚は1.2nmであり、かつ上側のケイ素層に関
しては1.7〜2.4nm、有利には2.0〜2.3nmである。2.4nmよ
りも厚い層が多相のケイ化白金系に寄与することは明らかである。更に、白金と
支持層もしくはカバー層の間のケイ素層は、これが熱に起因する僅かな応力をも
たらすに過ぎないという利点を有する。
【0008】 図面 本発明の実施例を図面に記載し、しかも以下の記載でより詳細に説明する。図
1は上面図を示し、図2は本発明によるセンサ素子の横断面を示し、かつ図3は
本発明によるダイヤフラムの拡大横断面を示す。
【0009】 実施例の記載 図1はセンサ1を示しており、そこにはダイヤフラム2が単結晶ケイ素または
酸化ケイ素からなるフレーム3中に張設されている。ダイヤフラム2にはヒータ
4が配置されている。ヒータ4の両側には温度フィーラ5が配置されている。ヒ
ータ4および温度フィーラ5は供給線路6上に電気的に接続されており、該線路
はフレーム3上に配置されている。供給線路6は接続区域7に移行しており、ヒ
ータ4および温度フィーラ5の接触接続のための接続線材が設けられていてよい
【0010】 図2に、ダイヤフラム2の範囲内のセンサ1の横断面を示す。この図から認識
できるように、フレーム3およびダイヤフラム2の寸法は切欠8によって規定さ
れ、該切欠はセンサ1の裏側から始まってダイヤフラム2に至るまで広がってい
る。該図において、ヒータおよび温度フィーラ5のジオメトリ寸法は誇張して示
されている。更に上側にはカバー層9が設けられており、この層は、例えばSi
2からなり、ダイヤフラム2の上側および加熱素子4および温度フィーラ5を 覆っている。
【0011】 図2に示されるセンサは質量流量センサであり、その作動原理は、例えばDE
−PS19601592号から公知である。温度フィーラ5間の加熱素子4は抵
抗素子であり、該素子は薄い白金層から所定のパターンで加工成形されている。
加熱素子4に電流が流れると、加熱素子4の周辺でダイヤフラムの加温が生じる
。温度フィーラ5付近では電気抵抗の測定によってダイヤフラムの温度を規定で
きる。このようなセンサの上側に流量、特に空気流量が導通すると、それに結び
つく質量流量によってダイヤフラム2の熱が取り払われる。その際に流量の強さ
に依存してダイヤフラムの温度が低下し、流量の方向に依存して、加熱素子4の
両側に配置された温度フィーラ5は異なる温度値を示す。選択的に、ダイヤフラ
ム上に加熱素子を1つだけ配置し、かつ加熱された素子の抵抗の測定によって質
量流量を検出することもできる。
【0012】 センサ1の製造は自体公知の方法によって実施する。その際にはケイ素プレー
トから出発し、その上側にダイヤフラム層を施与する。該ダイヤフラム層上にヒ
ータ4および温度素子5を設け、まず表面全体に他のプロセス工程で成形した白
金層を施与する。白金層から同時に供給線路6および接続区域7も所定のパター
ンで加工成形することができ、これらと加熱素子4および温度フィーラ5とはそ
れらの幅によって異なっている。導体路6のより広い幅に基づいて、これらの導
体路の抵抗は明らかにヒータ4および温度フィーラ5の抵抗よりも小さい。必要
に応じて、次いで更にカバー層9を施与する。他の工程において、ケイ素プレー
トの裏側からダイヤフラム2に至るまで切欠8をもたらす。多数のこのようなセ
ンサを1枚のケイ素ウェハ上に製造し、次いでこれを多数の個々のセンサに分割
することができる。
【0013】 図3においては加熱素子4の範囲におけるダイヤフラムのより拡大した横断面
を示している。ダイヤフラム2はダイヤフラム層と称される誘電性支持層21に
よって形成されている。この誘電性のダイヤフラム層21は、例えば酸化ケイ素
、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素もしくは炭化ケイ素からか、またはこれらの少なく
とも2つの層のサンドイッチ状の配置から構成することができる。これらの材料
はダイヤフラムのために特に良好に適しており、該ダイヤフラムは単結晶ケイ素
からなるフレーム上に張設されている。しかしながら、別の材料、例えばセラミ
ック材料またはガラスも適当である。しかしながら酸化ケイ素が最後の層である
層配置が有利であり、これは特に簡単な手段および特により良好な品質でケイ素
プレートの表面上に、例えばケイ素プレートの熱的酸化によって形成される。ダ
イヤフラム層21上にケイ素からなる付着層22を設ける。該ケイ素層22上に
白金層23が配置されている。更なる実施態様においては、白金層23上に本明
細書で記載していない更なるケイ素層を配置することもできる。必要であれば、
加熱素子4および場合により設けられた温度フィーラ5に更にカバー層を設ける
。カバー層は本明細書では誘電性層25から形成され、該層には場合によっては
同様にケイ素からなる付着助成層24が想定される。二酸化ケイ素層21は、例
えばケイ素プレートの表面の熱的酸化によって製造することができる。そのよう
な熱的酸化は特に高い品質を有する。付着を助成するケイ素層22は自体公知の
方法、例えばケイ素のスパッタリングでの被着によって析出させることができる
。ケイ素層22は電子ビーム法によって蒸発させるか、またはMOCVD法によ
って気相から析出させることも可能である。これらの方法は半導体工業から自体
公知の薄膜ポリシリコン層の析出方法である。そのように形成されたケイ素層2
2の厚さは0.5〜2.4nmである。特にケイ素層22の厚さは0.7〜1.
2nmであるか、もしくは層が両側に施与されている場合には、両側に0.7n
mであるか、または1.2nmかつ白金層23の上側に関しては2.4nmまで
である。
【0014】 実施例において、変更されない白金層系の層厚は: SiO2:400nm Pt:150nm SiO2:500nm Si:380μm である。
【0015】 これらの層系を引き続き700℃で焼き戻しして、白金の電気的特性をセンサ
素子の要求に合わせ、かつ安定させる。また焼き戻しは600〜800℃、有利
には650〜750℃の温度範囲で実施することもできる。
【0016】 本発明による実施において、白金層23の上および/または下にケイ素層を析
出させる。以下のSi−層厚を有する実施例は本発明を詳細に説明するものであ
り、参照として白金層23は: 0.7nmのSi、片側、下側 0.7nmのSi、両側 1.2nmのSi、片側、下側 1.2nmのSi、両側 1.2nmのSi、下側+2.3nmのSi、上側 2.5nmのSi、両側 を使用する。
【0017】 ケイ素付着層のための前記の層厚は150nmのPt−層厚を有する系に関連
している。
【0018】 より大きいかまたは小さいPt−層厚に関しては、Si−層厚の上限に関する
それぞれの数値を同じ比率で高めるか、または低くすることが可能である。
【0019】 ケイ素層が2.5nmの厚さである場合に、多相の白金−ケイ化物系が形成さ
れ、該系は冒頭に記載した欠点を有する。従って、ケイ素層22の厚さは規定範
囲内のみで変化させてもよいので、センサの電気的かつ機械的長期安定性に極め
て大きな影響を与える白金−ケイ化物−多相系を生ずることなく、場合により過
剰のケイ素が白金中に溶解されることは本発明の特記すべき特徴である。
【0020】 図3においては、ケイ素からなる更なる付着層24およびその上の更なる二酸
化ケイ素層25が示されており、後者の層はカバー層として作用する。ケイ素層
24は白金材料上への薄膜ケイ素層の施与によって同様に形成される。
【0021】 図3による層構造の有利な製造は、約300〜700nm、有利には350〜
400nmの熱的酸化物の層厚が成長するまでケイ素ウェハの上表面を熱的に酸
化させることから出発する。スパッタリング装置において、0.5〜2.4nm
のケイ素、その上に100〜200nmの白金、かつその上に再度0.5nmの
ケイ素をスパッタリングにより被着する。引き続き、フォトレジストを施与し、
これをリソグラフィー法によって所定のパターンで加工成形し、引き続きプラズ
マエッチング法で、こうして一連の層に生じたパターンを上側のケイ素層中でパ
ターン加工する。これらは、例えばイオンビームエッチングによるプラズマエッ
チング法によって実施できる。更なるプロセス工程において、半導体技術から公
知のようなCVDによって約300〜500nm、有利には350〜400nm
厚の二酸化ケイ素層を形成させる。次いで、焼き戻し工程を実施し、その際、層
配置を温度>500℃、有利には600〜800℃、より特に有利には650〜
750℃に加熱する。その際、白金の電気的特性をセンサ素子の要求に合わせ、
かつ安定化させる。使用されるセンサの測定原理において、白金層の抵抗の温度
依存性ができるだけ正確であり、かつ再現的に調節されることが望ましい。これ
らは焼き戻しプロセスによって達成される。このようにして生じた抵抗の温度係
数および抵抗自体は長期間にわたり安定化される、すなわち温度係数または抵抗
の変化は何千運転時間を超えて低減されることが立証される。同様に、下層21
は1種の材料だけで実施されるだけでなく、例えば酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸
窒化ケイ素からなる異なる誘電性材料の層配置を使用することも可能である。
【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成12年2月5日(2000.2.5)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項1
【補正方法】変更
【補正内容】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハンス−フリーデマン コーバー ドイツ連邦共和国 テュービンゲン ヘッ ヒンガー シュトラーセ 18アー (72)発明者 ヴェルナー シュタイナー ドイツ連邦共和国 ベープリンゲン ツァ イジヒヴェーク 17/1 Fターム(参考) 2F035 EA05 EA08

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 誘電性支持層と、該支持層上に配置された白金を有する層と
    、該層の上に配置された少なくとも1つのカバー層とを有するセンサにおいて、
    白金を含有する層(23)の少なくとも片側の表面が、少なくとも所定の範囲に
    、ケイ素を含有する付加的な付着層(22)によるカバーを有するセンサ。
  2. 【請求項2】 白金を含有する層(23)の両側の表面が、少なくとも所定
    の範囲に、ケイ素を含有する付着層(22)を有する、請求項1記載のセンサ。
  3. 【請求項3】 ケイ素を含有する両側の付着層(23)の厚さが同じである
    、請求項2記載のセンサ。
  4. 【請求項4】 ケイ素を含有する両側の付着層(23)の厚さが異なる、請
    求項2記載のセンサ。
  5. 【請求項5】 ケイ素を含有する付着層(23)の層厚が0.5〜2.4n
    mである、請求項1から4までのいずれか1項記載のセンサ。
  6. 【請求項6】 誘電性支持層(21)上に少なくとも1つの温度フィーラ(
    5)が配置されている、請求項1から5までのいずれか1項記載のセンサ。
  7. 【請求項7】 温度フィーラ(5)が金属、有利には白金を含有する、請求
    項6記載のセンサ。
JP2000531711A 1998-02-16 1999-02-11 薄膜設計によるセンサ Pending JP2002503805A (ja)

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DE (2) DE19806211C2 (ja)
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