WO2008110244A2 - Isolatorschichtsystem für einen sensor und sensor mit einem solchen isolatorschichtsystem - Google Patents

Isolatorschichtsystem für einen sensor und sensor mit einem solchen isolatorschichtsystem Download PDF

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WO2008110244A2
WO2008110244A2 PCT/EP2008/001142 EP2008001142W WO2008110244A2 WO 2008110244 A2 WO2008110244 A2 WO 2008110244A2 EP 2008001142 W EP2008001142 W EP 2008001142W WO 2008110244 A2 WO2008110244 A2 WO 2008110244A2
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Wolfgang Kurt Brode
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Hydac Electronic Gmbh
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
    • G01L9/0052—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
    • G01L9/0055—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements bonded on a diaphragm
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    • H01B3/12—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of inorganic substances ceramics

Definitions

  • the invention relates to an insulator layer system for a sensor, in particular a thin-layer insulator layer system for a sensor on a conductive carrier or substrate, and to a sensor with such an insulator layer system, in particular a sensor produced by thin-film or thick-film technology.
  • US Pat. No. 4,970,487 discloses a pressure sensor in which a layer system for isolating strain gauges from the membrane is applied to a metallic membrane.
  • the layer system is formed of at least two layers, each made by sputtering (sputtering). After applying a layer, an ultrasonic cleaning is carried out in each case before the next layer is applied.
  • Possible materials for the individual layers are SiO 2, Al 2 O 3, Ta 2 O 5, AlN and Si 3 N 4.
  • the individual layers are formed of identical materials.
  • the known sensor is already specialized in that the electrical insulation behavior is improved compared to a sensor with a single-layer insulation layer, for some applications especially for applications at a temperature of more than 150 0 C, the insulation behavior is not sufficient.
  • SOI substrate silicon-on-insulator substrate
  • the SOI substrate is composed of a polysilicon layer and silicon bulk material to be recrystallized, and an insulator under the polysilicon layer, consisting of a silicon dioxide layer formed on the bulk material, a silicon nitride layer deposited on the silicon dioxide layer, and an oxynitride layer formed on the silicon nitride interface layer.
  • the invention is therefore based on the object to provide an insulator layer system for a sensor and an associated sensor, which overcome the disadvantages of the prior art.
  • a sensor is to be provided which has an improved insulation behavior even at temperatures above 150 ° C.
  • the adhesion of the insulator layer system to the substrate should be improved.
  • the sensor should also permanently ensure high reliability and be produced inexpensively with high yield.
  • the layer system preferably arranged between the substrate and the sensor element has at least two layers, of which a first layer has a first element and a second layer has a second element, and wherein the second element is different from the first element.
  • the transition from the first layer to the second layer is not abrupt, but is formed by a transition region within which the concentration of the first element does not change abruptly from the value in the first layer to the value in the second layer but at least in sections continuously increases and / or decreases, in particular decreases from the value in the first layer to a lower or zero value.
  • the concentration of the second element in the transition region may increase and / or decrease at least in sections. In one embodiment, the increase or
  • the concentration of the first or second element is monotonically increasing or decreasing in the transition region at least in sections in the mathematical sense.
  • the first layer is an oxide of a metal or semiconductor that forms a base element of that layer, such as Al 2 O 3 or SiO 2.
  • the second layer is the nitride of the base element, for example AlN or Si3N4.
  • the concentration of the first element oxygen decreases at least in sections continuously, starting from an end of the transition region facing the second layer towards an end of the transition region facing the second layer, in particular from the maximum value of the concentration present in the first layer to a value of essentially zero, which is in the second layer is present.
  • the concentration of the second element nitrogen decreases at least in sections continuously towards an end of the transition region facing the first layer, in particular from the maximum concentration value present in the second layer a value of substantially zero present in the first layer.
  • the increase or decrease is the
  • Concentration of the first or second element in the transition region over an extension of at least 5 nm perpendicular to the planar extent of the first layer at least 10% of the value of the concentration of the first element or the second element in the region of the first and second layer adjacent to the transition region.
  • the increase or decrease in concentration of the first or second element is substantially zero to the maximum value over an extension of at least 20 nm, more preferably at least 40 nm, and typically between 20 to 1000 nm, more preferably 40 to 250 nm, and preferably 50 up to 100 nm.
  • the increase or decrease in the concentration of the first or second element is continuous without a jump.
  • the increase or decrease after a section have a continuous course and then be constant or continuously increase or decrease.
  • the increase or decrease extends over the entire transition region for both the first element and the second element.
  • the increase or decrease of at least one of the two elements can take place only in a partial region of the transition region and remain constant in the remaining section of the transition region.
  • the concentration of the first and / or second element in the first and second layers adjoining the transition region is constant.
  • Layers of the layer system produced by cathode sputtering in particular by so-called reactive sputtering, in which, alternatively or in addition to the working gas, typically argon or another so-called noble gas, a reaction gas such as oxygen or nitrogen is added.
  • a reaction gas such as oxygen or nitrogen is added.
  • the ions of the reaction gas react with the sputtered layer atoms in the vacuum chamber and / or on the substrate surface, so that only reaction products cover the substrate surface.
  • high frequency sputtering or DC pulse sputtering is used as the coating method. Both methods use Magnetron as a sputtering source, which as an alternative or in addition to the applied in the normal cathode sputtering electric field, a magnetic field forces the detached from the target secondary electrons on cycloid trajectories. Due to the resulting longer particle paths, the secondary electrons are longer available to the plasma for ionization processes. As a result, the process pressures can be reduced while maintaining the same layer growth rate, which leads to a better, in particular because denser and less porous layer, which accordingly has, inter alia, a better electrical insulation behavior.
  • At least some, preferably all layers of the layer system are produced by cathode sputtering and thereby the vacuum chamber is not ventilated, but the individual layers are applied successively without ventilation of the vacuum chamber. Any required cleaning steps can be carried out by back sputtering and immediately subsequent application of the subsequent layer.
  • the first layer is electrically conductive and the second layer is electrically insulating.
  • the electrically conductive layer may in particular be formed by a metal, such as aluminum, tantalum or titanium.
  • the first layer adjoins the substrate, either directly to the substrate material or to an applied on the substrate material adhesive layer, for example, nickel / chromium. This results in a particularly good adhesion of the first layer to the substrate due to the metal / metal transition.
  • a ductility and an adaptation of the coefficient of thermal expansion can be achieved by which the temperature-induced mechanical stresses are reduced, which both improves the adhesion of the layer system on the substrate, in particular prevents separation of the insulating layers from each other and / or from the substrate, as well as improves the sensor properties, because the offset voltage of the sensor and especially the temperature coefficient of the offset voltage of the sensor is reduced.
  • a second layer is applied, for example, of an oxide or a nitride of the metal of the first layer and thereby applied a first insulating layer on the substrate, wherein in the transition region, the concentration of oxygen and / or nitrogen at least partially starting from the first layer facing the end of Transition region continuously increases to the stoichiometric value in the second layer. Accordingly, the concentration of the first element continuously decreases from the maximum value in the first layer to the stoichiometric value of the oxide or nitride in the second layer.
  • two contiguous layers are formed by an oxide on the one hand and a nitride on the other hand of the same base element, for example, transitions such as Al 2 O 3 / Al N or SiO 2 / Si 3 N 4.
  • two contiguous layers are each coincidentally an oxide or a nitride of a first and a second base element, for example SiO 2 / Al 2 O 3 or Si 3 N 4 / AlN.
  • two contiguous layers are an oxide of a first base element on the one hand and a nitride of a second base element on the other hand, for example Al 2 O 3 / S 3 N 4 or AlN / SiO 2.
  • the substrate is formed of an electrically conductive material, such as steel or stainless steel. It may be a plate material or a cylindrical material, on the front side of the layer system and the sensor elements are applied.
  • the sensor is a pressure sensor manufactured using thin-film technology or thick-film technology, in which the substrate preferably integrally forms a membrane, which is deflected as a result of pressurization.
  • the sensor elements may be formed by strain gauges or piezoresistive resistors in which due to the deformation of the substrate or the membrane, a change in geometry and / or a change in the charge carrier mobility takes place, which can be converted into an output signal of the sensor, for example by arranging two or four such sensor elements in a half or full bridge.
  • the conversion of the physical variable into an electrical signal is effected indirectly via the deformation of the substrate or the deflection of the membrane.
  • other signal converter principles can be used, for example, piezoelectric sensor elements in which a deformation leads to a polarization and thus to a charge carrier displacement, which can be tapped off as a voltage.
  • the senor is a temperature sensor, in particular a temperature sensor on a metallic carrier.
  • the sensor is a calorimetric sensor, in particular a calorimetric flow sensor, which may also be applied to a metallic carrier.
  • Inventive sensors can be used at temperatures above 150 °, in particular at temperatures above 250 ° and preferably up to temperatures of 600 °.
  • the ion movement occurring at these temperatures and adversely affecting the insulation behavior is inhibited at the transitions of the individual layers of the layer system, in particular when two adjoining layers have different base elements.
  • the incorporation of silicon ions, which originate from an SiO 2 or Si 3 N 4 layer, in a subsequent, for example, aluminum-based layer significantly less favorable than in a transition, for example, from SiO 2 to Si 3 N 4.
  • the layers of the layer system can for example be made of SiO 2, Si 3 N 4, Al 2 O 3, AlN, ZrO 2, BeO, Zr 3 N 4, Ta 2 O 5 and TaN.
  • Fig. 1 shows a cross section through a sensor according to the invention
  • Fig. 2 shows the profile of the concentration of the elements in the first
  • Fig. 4 shows the course of the concentration of the elements in the third
  • Fig. 5 shows the course of the concentration of the elements in the fourth transition region.
  • the substrate 2 is made of a disc-shaped body made of stainless steel, in which a bore is made or turned out on the back, leaving a circumferential stiffening or fastening ring 4, through which a membrane 6 of the substrate 2 is formed.
  • sensor elements 8 are arranged on the front side of the sensor 1, in the exemplary embodiment strain gauges or piezoresistive resistors.
  • a layer system 10 is arranged, whose thickness is increased for reasons of representability.
  • the layer system 10 of a total of five layers 12, 16, 20, 24, 28 is formed.
  • an aluminum layer 12 applied in the embodiment.
  • the aluminum layer 12 can be applied directly to the stainless steel surface of the substrate 2 or a thin, typically between 1 and 1 ⁇ m thick chromium / nickel adhesion-promoting layer can be previously applied to the substrate 2, by which the adhesion of the aluminum layer 12 to the substrate 2 is further improved.
  • a reactive gas can be supplied after a certain time, for example oxygen or
  • Nitrogen In the exemplary embodiment, oxygen was supplied, in such a way that, starting from the aluminum layer 12 to form a first transition region 14, an aluminum oxide layer 16 is formed whose thickness is typically between 10 nm and 2,000 nm, and in particular between 200 and 2,000 nm.
  • the thickness of the first transition region 14 is at least 10 nm, preferably between 20 and 250 nm and in particular between 50 and 100 nm.
  • an aluminum nitride layer 20 is formed whose thickness is typically between 10 nm and 2,000 nm, and in particular between 100 and 1,000 nm.
  • the thickness of the second Transition region 18 is at least 10 nm, preferably between 20 and 250 nm and in particular between 50 and 100 nm.
  • the transition takes place continuously by means of a third transition region 22, within which the concentration of aluminum and nitrogen simultaneously decreases and to a corresponding extent the concentration of silicon and oxygen increases up to the silicon oxide layer 24 facing the end of the third transition region 22 a pure silicon oxide layer 24th is present, whose thickness is typically between 10 nm and 2000 nm, and in particular between 100 and 1000 nm.
  • the thickness of the third transition region 22 is at least 10 nm, preferably between 20 and 250 nm and in particular between 50 and 100 nm.
  • the continuous material transitions have the advantage that a continuous adjustment of the coefficient of thermal expansion takes place, so that on the one hand detachment phenomena of the layers from each other and in particular from the substrate 2 are avoided and, on the other hand, the temperature changes and the mismatch of the thermal expansion coefficients of the individual layers Tensions are reduced.
  • At least one or the other transition between the individual layers is abrupt, for example, the transition from the aluminum nitride layer 20 to the silicon oxide layer 24.
  • the sputtering of the aluminum target can be terminated by using nitrogen as the reaction gas, and then immediately sputtering a silicon target using oxygen as a reaction gas or directly a silica target, and thereby applying the silicon oxide layer 24.
  • a silicon nitride layer 28 is still applied. This can also be done by completing the sputtering of the silicon oxide layer 24 and then sputtering a silicon nitride target directly, thereby depositing the silicon nitride layer 28.
  • the thickness of the fourth transition region 26 is at least 10 nm, preferably between 20 and 250 nm and in particular between 50 and 100 nm.
  • the thickness of the silicon nitride layer 28 is typically between 10 nm and 2000 nm, and in particular between 200 and 2000 nm.
  • the sensor elements 8 in Thick film technology or thin-film technology applied.
  • the application can be carried out in a structured manner, whereas in the case of the thin-film technique, initially a whole-area layer is applied, which is subsequently patterned to produce the sensor elements 8.
  • the sensor elements 8 can in particular be made of a metal or an alloy, for example of chromium-nickel steel, or of polycrystalline materials, for example doped silicon.
  • one or more passivation layers can be applied to the sensor elements 8 in order to protect the sensor elements 8 against environmental influences and thereby increase the long-term stability of the sensor 1.
  • An alternative layer sequence of the layer system 10, starting from the metallic substrate 2, is aluminum-aluminum-aluminum-nitride-silicon-nitride-silicon oxide or also aluminum-aluminum oxide-silicon oxide-silicon nitride-silicon oxide-silicon nitride.
  • the first metallic layer 12 essentially consists of the metal aluminum.
  • the proportion of aluminum atoms decreases from substantially 100% to substantially 40%, corresponding to the composition of the aluminum oxide Al 2 O 3 in the aluminum oxide layer 16.
  • the concentration of oxygen rises from a value of 1
  • the decrease in the concentration of aluminum and the increase in the concentration of oxygen proceeds continuously, in particular continuously monotone decreasing for the aluminum or steadily increasing monotonically for the oxygen.
  • the steepness of the decrease or increase, ie the gradient of the concentration curve can be adapted to the respective requirements.
  • the gradient can either be greater or smaller than in a middle section of the first transition region 14 at the end of the first transition region 14 facing the first metallic layer 12, or greater or smaller than the end of the first transition region 14 facing the aluminum oxide layer 16.
  • the gradient can also be constant at least in sections, ie the concentration runs linearly over the location x.
  • the profile of the concentration of the elements has a crack.
  • the concentration curve is not strictly monotone, but forms a local minimum or maximum.
  • the course of the concentration of the elements can be adapted to the particular application, in particular in order to minimize the thermally induced stresses or to form a barrier for charge carriers and thereby to improve the insulation properties.
  • FIG. 3 shows the course of the concentration of the elements in atom% in the region of the second transition region 18.
  • the concentration of oxygen within the second decreases Transition region 18 down to zero and maintains this value substantially in the subsequent aluminum nitride layer.
  • the content of aluminum starting from the end of the second transition region 18 facing the aluminum oxide layer 16, increases towards the end facing the aluminum nitride layer 20, except for that in FIG
  • Aluminum nitride layer 20 present stoichiometric value of 50% continuously and steadily increasing. In a corresponding manner, the proportion of nitrogen also increases from a substantially zero value in the aluminum oxide layer 16 and in the end of the second aluminum oxide layer 16
  • Transition region 18 to the stoichiometric value of 50% in the aluminum nitride layer 20 and at the aluminum nitride layer 20 facing the end of the second transition region 18. Also, this increase is continuous and monotonous.
  • an aluminum oxynitride layer which serves both as a barrier to thermally induced charge carriers and thus improves the insulation resistance, as well as an adaptation of the different thermal expansion coefficients of the aluminum nitride layer 20 to the
  • Alumina layer 16 forms.
  • the aluminum nitride layer 20 is also particularly advantageous because it has a high thermal conductivity and thereby avoids the formation of local heat spots.
  • 4 shows the course of the concentration of the elements in the third transition region 22. Starting from the stoichiometric values of 50% for nitrogen and aluminum in the aluminum nitride layer 20, the concentration of these elements steadily and continuously decreases in the third transition region 22. However, the concentration values reach of these elements only at the end of the subsequent silicon oxide layer 24 end in the third transition region 22 is zero.
  • the concentration of the silicon and oxygen atoms is constant and in particular the stoichiometric value is 1/3 or 2, respectively / 3 system.
  • the concentration of the silicon and oxygen atoms rises continuously and continuously from a value of substantially zero at the end facing the aluminum nitride layer 20.
  • FIG. 5 shows the course of the concentration of the elements in the fourth transition region 26.
  • the proportion of oxygen decreases from approximately 2/3 within the fourth transition region 26 to approximately zero, starting from the stoichiometric value present in the silicon oxide layer 24 .
  • the proportion of nitrogen atoms increases from a value of substantially zero to that of the silicon oxide layer 24 facing end of the fourth transition region 26 to the prevailing in the subsequent silicon nitride layer 28 stoichiometric value of 4/7 continuously and steadily.
  • the proportion of the silicon atoms also increases continuously and steadily from the stoichiometric proportion of about 1/3 present in the silicon oxide layer 24 to the stoichiometric proportion of 3/7 present in the silicon nitride layer 28 within the fourth transition region 26.
  • transition regions 14, 18, 22, 26, in which the concentration of the elements changes continuously at least in sections without jump can also be provided only between individual layer pairs of a multilayer coating system 10 and other transitions between a pair of layers can be abrupt ,
  • layer systems 10 may have fewer or more layers than the illustrated embodiment, wherein preferably at least two layers are present in the layer system 10, which are made of different base elements, for example of silicon on the one hand and aluminum on the other.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Isolatorschichtsystem (10) für einen Sensor (1), insbesondere für einen in Dünn- oder Dickschichttechnik hergestellten Druck- oder Kraftsensor, mit einem Schichtsystem (10), das eine erste Schicht und eine zweite Schicht aufweist, wobei die erste Schicht ein erstes Element aufweist und die zweite Schicht ein zweites Element aufweist, das von dem ersten Element verschieden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht durch einen Übergangsbereich (14, 18, 22, 26) gebildet ist, dass die Konzentration des ersten Elements im Übergangsbereich (14, 18, 22, 26) ausgehend von einem der ersten Schicht zugewandten Ende des Übergangsbereichs (14, 18, 22, 26) in Richtung auf ein der zweiten Schicht zugewandtes Ende des Übergangsbereichs (14, 18, 22, 26) mindestens abschnittsweise kontinuierlich zunimmt und/oder abnimmt, und/oder dass die Konzentration des zweiten Elements im Übergangsbereich (14, 18, 22, 26) ausgehend von einem der zweiten Schicht zugewandten Ende des Übergangsbereichs (14, 18, 22, 26) in Richtung auf ein der ersten Schicht zugewandtes Ende des Übergangsbereichs (14, 18, 22, 26) mindestens abschnittsweise kontinuierlich zunimmt und/oder abnimmt, sowie einen Sensor (1) mit einem solchen Isolatorschichtsystem (10).

Description

Isolatorschichtsystem für einen Sensor und Sensor mit einem solchen Isolatorschichtsystem
Die Erfindung betrifft ein Isolatorschichtsystem für einen Sensor, insbesondere ein Dünnschicht-Isolatorschichtsystem für einen Sensor auf einem leitfähigen Träger oder Substrat, sowie einen Sensor mit einem solchen Isolatorschichtsystem, insbesondere einen in Dünn- oder Dickschichttechnik hergestellten Sensor.
Aus der US 4,970,487 ist ein Drucksensor bekannt, bei dem auf einer metallischen Membran ein Schichtsystem zur Isolation von Dehnungsmessstreifen gegenüber der Membran aufgebracht ist. Bei dem bekannten Sensor ist das Schichtsystem aus mindestens zwei Schichten gebildet, die jeweils durch Kathodenzerstäubung (Sputtern) hergestellt sind. Nach dem Aufbringen einer Schicht wird jeweils eine Ultraschallreinigung durchgeführt, bevor die nächste Schicht aufgebracht wird. Als infrage kommende Werkstoffe für die einzelnen Schichten sind SiO2, AI2O3, Ta2O5, AlN und Si3N4 angegeben. Vorzugsweise sind die einzelnen Schichten aus identischen Werkstoffen gebildet.
Obgleich der bekannte Sensor bereits dahingehend spezialisiert ist, dass das elektrische Isolationsverhalten gegenüber einem Sensor mit einer einschichtigen Isolationsschicht verbessert ist, ist für einige Anwendungen, insbesondere für Anwendungen bei einer Temperatur von mehr als 150 0C, das Isolationsverhalten noch nicht ausreichend.
Aus der DD 296 571 B5 ist ein sogenanntes SOI-(Silicon-On-lnsulator)- Substrat bekannt, das zur Herstellung von dielektrisch isolierten elektronischen Bauelementen dient, die eine erhöhte Spannungs- und Strahlungsfestigkeit aufweisen. Das SOI-Substrat besteht aus einer zu rekristallisierenden Polysiliciumschicht und Siliciumbulkmaterial sowie einem unter der Polysiliciumschicht befindlichen Isolator, bestehend aus einer auf dem Bulkmaterial ausgebildeten Siliciumdioxidschicht, einer auf der Siliciumdioxidschicht abgeschiedenen Siliciumnitridschicht und einer auf der Siliciumnitridschicht zur Grenzflächenmodifikation ausgebildeten Oxynitridschicht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Isolatorschichtsystem für einen Sensor und einen zugehörigen Sensor bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwinden. Insbesondere soll ein Sensor bereitgestellt werden, welcher auch bei Temperaturen oberhalb von 150 0C ein verbessertes Isolationsverhalten aufweist. In einer Ausführungsart soll darüber hinaus die Haftung des Isolatorschichtsystems auf dem Substrat verbessert sein. Der Sensor soll außerdem dauerhaft eine hohe Betriebssicherheit gewährleisten und bei hoher Ausbeute kostengünstig herstellbar sein.
Diese Aufgabe ist durch das im Anspruch 1 bestimmte Isolatorschichtsystem sowie durch den im nebengeordneten Anspruch bestimmten Sensor gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen bestimmt. In einer Ausführungsart weist das vorzugsweise zwischen dem Substrat und dem Sensorelement angeordnete Schichtsystem mindestens zwei Schichten auf, von denen eine erste Schicht ein erstes Element aufweist und eine zweite Schicht ein zweites Element aufweist, und wobei das zweite Element von dem ersten Element verschieden ist. Im Unterschied zum Stand der Technik ist der Übergang von der ersten Schicht zur zweiten Schicht nicht abrupt, sondern durch einen Übergangsbereich gebildet, innerhalb dessen die Konzentration des ersten Elements sich nicht sprunghaft von dem Wert in der ersten Schicht auf den Wert in der zweiten Schicht ändert, sondern mindestens abschnittsweise kontinuierlich zunimmt und/oder abnimmt, insbesondere von dem Wert in der ersten Schicht auf einen demgegenüber geringeren oder auch Null betragenden Wert abnimmt. Alternativ oder ergänzend kann auch die Konzentration des zweiten Elements im Übergangsbereich mindestens abschnittsweise kontinuierlich zunehmen und/oder abnehmen. In einer Ausführungsart ist die Zunahme oder
Abnahme stetig, d. h. die Konzentration des ersten oder zweiten Elements ist im Übergangsbereich mindestens abschnittsweise im mathematischen Sinn monoton steigend oder fallend.
In einer Ausführungsart ist die erste Schicht beispielsweise ein Oxid eines Metalls oder Halbleiters, der ein Basiselement dieser Schicht bildet, beispielsweise AI2O3 oder SiO2. Die zweite Schicht ist das Nitrid des Basiselements, beispielsweise AlN oder Si3N4. Im Übergangsbereich nimmt die Konzentration des ersten Elements Sauerstoff ausgehend von einem der ersten Schicht zugewandten Ende des Übergangsbereich in Richtung auf ein der zweiten Schicht zugewandten Ende des Übergangsbereichs mindestens abschnittsweise kontinuierlich ab, insbesondere von dem in der ersten Schicht vorliegenden Maximalwert der Konzentration auf einen Wert von im Wesentlichen Null, der in der zweiten Schicht vorliegt. Alternativ oder ergänzend nimmt im Übergangsbereich die Konzentration des zweiten Elements Stickstoff ausgehend von einem der zweiten Schicht zugewandten Ende des Übergangsbereichs in Richtung auf ein der ersten Schicht zugewandtes Ende des Übergangsbereichs mindestens abschnittsweise kontinuierlich ab, insbesondere von dem in der zweiten Schicht vorliegenden Maximalwert der Konzentration auf einen Wert von im Wesentlichen Null, der in der ersten Schicht vorliegt.
In einer Ausführungsart beträgt die Zunahme oder Abnahme der
Konzentration des ersten oder zweiten Elements im Übergangsbereich über eine Erstreckung von mindestens 5 nm rechtwinklig zur flächigen Ausdehnung der ersten Schicht mindestens 10 % des Wertes der Konzentration des ersten Elements oder des zweiten Elements in dem an dem Übergangsbereich angrenzenden Bereich der ersten bzw. zweiten Schicht. Vorzugsweise beträgt die Zunahme oder Abnahme über eine Erstreckung von mindestens 10 nm mindestens 20 % des Ausgangswertes und insbesondere über eine Erstreckung von mindestens 20 nm mindestens 50 % des Ausgangswertes. In einer Ausführungsart ist die Zunahme oder Abnahme der Konzentration des ersten oder zweiten Elements von im Wesentlichen Null auf den Maximalwert über eine Erstreckung von mindestens 20 nm, insbesondere mindestens 40 nm und typischerweise zwischen 20 bis 1.000 nm, insbesondere 40 bis 250 nm und vorzugsweise 50 bis 100 nm.
In einer Ausführungsart ist die Zunahme oder Abnahme der Konzentration des ersten oder zweiten Elements kontinuierlich ohne Sprung. Alternativ hierzu kann die Zunahme oder Abnahme nach einem abschnittsweise kontinuierlichen Verlauf auch einen Sprung aufweisen und anschließend konstant sein oder erneut kontinuierlich zunehmen oder abnehmen.
In einer Ausführungsart erstreckt sich die Zunahme oder Abnahme über den gesamten Übergangsbereich, sowohl für das erste Element als auch für das zweite Element. Alternativ hierzu kann die Zunahme oder Abnahme mindestens eines der beiden Elemente lediglich in einem Teilbereich des Übergangsbereichs erfolgen und in dem verbleibenden Abschnitt des Übergangsbereichs konstant bleiben.
In einer Ausführungsart ist außerhalb des Übergangsbereichs die Konzentration des ersten und/oder zweiten Elements in den sich an den Übergangsbereich anschließenden ersten und zweiten Schichten konstant.
In einer Ausführungsart sind mindestens einige, vorzugsweise alle
Schichten des Schichtsystems durch Kathodenzerstäubung hergestellt, insbesondere durch so genanntes reaktives Sputtern, bei dem alternativ oder ergänzend zu dem Arbeitsgas, typischerweise Argon oder ein anderes sogenanntes Edelgas, ein Reaktionsgas wie beispielsweise Sauerstoff oder Stickstoff zugesetzt wird. Die Ionen des Reaktionsgases reagieren mit den abgesputterten Schichtatomen in der Vakuumkammer und/oder auf der Substratoberfläche, so dass nur Reaktionsprodukte die Substratoberfläche bedecken. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, unter Verwendung eines Aluminiumtargets und Sauerstoff als Reaktionsgas eine Aluminiumoxidschicht (AI2O3) abzuscheiden.
Um eine Oxidation der Targetoberfläche bei reaktiven Prozessen zu verhindern, wird als Beschichtungsverfahren das Hochfrequenzsputtern oder das DC-lmpulssputtern genutzt. Beide Verfahren verwenden ein Magnetron als Sputterquelle, wodurch alternativ oder ergänzend zu dem bei der normalen Kathodenzerstäubung angelegten elektrischen Feld ein magnetisches Feld die aus dem Target herausgelösten Sekundärelektronen auf Zykloidenbahnen zwingt. Durch die sich dadurch ergebenden längeren Teilchenbahnen stehen die Sekundärelektronen dem Plasma länger für lonisierungsprozesse zur Verfügung. Dadurch lassen sich die Prozessdrücke bei gleichbleibender Schichtwachstumsrate reduzieren, was zu einer besseren, insbesondere weil dichteren und weniger porösen Schicht führt, die dementsprechend u. a. ein besseres elektrisches Isolationsverhalten aufweist.
In einer Ausführungsart werden mindestens einige, vorzugsweise alle Schichten des Schichtsystems durch Kathodenzerstäubung hergestellt und dabei die Vakuumkammer nicht belüftet, sondern die einzelnen Schichten nacheinander ohne Belüftung der Vakuumkammer aufgebracht. Eventuell erforderliche Reinigungsschritte können durch Rücksputtern und unmittelbar anschließendes Aufbringen der darauf folgenden Schicht durchgeführt werden.
In einer Ausführungsart ist die erste Schicht elektrisch leitfähig und die zweite Schicht elektrisch isolierend. Die elektrisch leitfähige Schicht kann insbesondere durch ein Metall wie etwa Aluminium, Tantal oder Titan gebildet sein. In einer Ausführungsart grenzt die erste Schicht an das Substrat an, entweder unmittelbar an den Substratwerkstoff oder an eine auf den Substratwerkstoff aufgebrachte Haftvermittlungsschicht, beispielsweise aus Nickel/Chrom. Dadurch ergibt sich eine besonderes gute Haftung der ersten Schicht an dem Substrat aufgrund des Metall/Metall-Überganges. Außerdem kann durch diesen Metall/Metall-Übergang und in Ausgestaltung der Dicke der Metallschicht eine Duktilität und eine Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten erreicht werden, durch den die temperaturinduzierten mechanischen Spannungen reduziert sind, was sowohl die Haftfähigkeit des Schichtsystems auf dem Substrat verbessert, insbesondere ein Ablösen der Isolationsschichten voneinander und/oder von dem Substrat verhindert, als auch die Sensoreigenschaften verbessert, weil die Offsetspannung des Sensors und vorallem der Temperaturkoeffizient der Offsetspannung des Sensors herabgesetzt ist.
Anschließend wird eine zweite Schicht beispielsweise aus einem Oxid oder einem Nitrid des Metalles der ersten Schicht aufgebracht und dadurch eine erste Isolationsschicht auf das Substrat aufgebracht, wobei im Übergangsbereich die Konzentration von Sauerstoff und/oder Stickstoff mindestens abschnittsweise ausgehend von dem der ersten Schicht zugewandten Ende des Übergangsbereichs kontinuierlich bis zu dem stöchiometrischen Wert in der zweiten Schicht zunimmt. Dementsprechend nimmt die Konzentration des ersten Elements ausgehend von dem Maximalwert in der ersten Schicht auf dem stöchiometrischen Wert des Oxids oder Nitrids in der zweiten Schicht kontinuierlich ab.
In einer Ausführungsart sind zwei aneinandergrenzende Schichten durch ein Oxid einerseits und ein Nitrid andererseits desselben Basiselements gebildet, beispielsweise Übergänge wie AI2O3/AI N oder SiO2/Si3N4.
In einer Ausführungsart sind zwei aneinandergrenzende Schichten jeweils übereinstimmend ein Oxid oder ein Nitrid eines ersten bzw. eines zweiten Basiselements, beispielsweise SiO2/Al2O3 oder Si3N4/AlN. In einer Ausführungsart sind zwei aneinandergrenzende Schichten ein Oxid eines ersten Basiselements einerseits und ein Nitrid eines zweiten Basiselements andererseits, beispielsweise AI2O3/SΪ3N4 oder AlN/SiO2.
In einer Ausführungsart ist das Substrat aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff gebildet, beispielsweise aus Stahl oder Edelstahl. Es kann sich dabei um ein Plattenmaterial handeln oder um ein zylindrisches Material, auf dessen Stirnseite das Schichtsystem und die Sensorelemente aufgebracht sind. In einer Ausführungsart ist der Sensor ein in Dünnschichttechnik oder Dickschichttechnik hergestellter Drucksensor, bei dem das Substrat vorzugsweise einstückig eine Membran bildet, die infolge einer Druckbeaufschlagung ausgelenkt wird.
Die Sensorelemente können durch Dehnungsmessstreifen oder piezoresistive Widerstände gebildet sein, bei denen infolge der Verformung des Substrats bzw. der Membran eine Geometrieänderung und/oder eine Änderung der Ladungsträgerbeweglichkeit erfolgt, die in ein Ausgangssignal des Sensors umgewandelt werden kann, beispielsweise durch Anordnung von zwei oder vier derartiger Sensorelemente in einer Halb- oder Vollbrücke. Die Wandlung der physikalischen Größe in ein elektrisches Signal erfolgt dabei mittelbar über die Verformung des Substrats bzw. die Durchbiegung der Membran. Alternativ oder ergänzend können auch andere Signalwandlerprinzipien eingesetzt werden, beispielsweise piezoelektrische Sensorelemente, bei denen eine Verformung zu einer Polarisation und mithin zu einer Ladungsträgerverschiebung verführt, die als Spannung abgreifbar ist. Weiterhin alternativ oder ergänzend können auch Wandlerprinzipien eingesetzt werden, bei denen die zu detektierende Größe unmittelbar in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, beispielsweise chemische Sensoren oder optische Sensoren. In einer Ausführungsart handelt es sich bei dem Sensor um einen Temperatursensor, insbesondere um einen Temperatursensor auf einem metallischen Träger. In einer Ausführungsart handelt es sich bei dem Sensor um einen kalorimetrischen Sensor, insbesondere einen kalorimetrischen Strömungssensor, der ebenfalls auf einem metallischen Träger aufgebracht sein kann.
Erfindungsgemäße Sensoren können bei Temperaturen über 150° eingesetzt werden, insbesondere bei Temperaturen über 250° und vorzugsweise bis zu Temperaturen von 600°. Die bei diesen Temperaturen einsetzende und das Isolationsverhalten negativ beeinflussende lonenbewegung wird an den Übergängen der einzelnen Schichten des Schichtsystems gehemmt, insbesondere wenn zwei aneinandergrenzende Schichten unterschiedliche Basiselemente aufweisen. So ist die Einlagerung von Siliziumionen, die aus einer SiO2- oder Si3N4-Schicht stammen, in einer daran anschließenden, beispielsweise auf Aluminium basierenden Schicht deutlich ungünstiger als bei einem Übergang beispielsweise von SiO2 zu Si3N4. Die Schichten des Schichtsystems können beispielsweise aus SiO2, Si3N4, AI2O3, AlN, ZrO2, BeO, Zr3N4, Ta2O5 und TaN hergestellt sein.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Sensor, Fig. 2 zeigt den Verlauf der Konzentration der Elemente in dem ersten
Übergangsbereich,
Fig. 3 zeigt den Verlauf der Konzentration der Elemente im Bereich des zweiten Übergangsbereichs,
Fig. 4 zeigt den Verlauf der Konzentration der Elemente in dem dritten
Übergangsbereich, und
Fig. 5 zeigt den Verlauf der Konzentration der Elemente in dem vierten Übergangsbereich.
Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Sensor 1. Das Substrat 2 ist aus einem scheibenförmigen Körper aus Edelstahl hergestellt, in dem auf der Rückseite unter Belassung eines umlaufenden Versteifungs- oder Befestigungsringes 4 eine Bohrung eingebracht oder ausgedreht ist, durch welche eine Membran 6 des Substrats 2 gebildet ist. In dem Bereich der Membran 6 sind auf der Vorderseite des Sensors 1 Sensorelemente 8 angeordnet, im Ausführungsbeispiel Dehnungsmessstreifen oder piezoresistive Widerstände. Infolge einer Druckdifferenz zwischen Vorder- und Rückseite kommt es zu einer Durchbiegung der Membran 6 und demzufolge zu einer Stauchung bzw. Dehnung der Sensorelemente 8, die bei entsprechender Verschattung der Sensorelemente 8 zu einer Halb- oder Vollbrücke ein elektrisches Signal erzeugt.
Zwischen den Sensorelementen 8 und der Membran 6 ist ein Schichtsystem 10 angeordnet, dessen Dicke aus Gründen der Darstellbarkeit vergrößert ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Schichtsystem 10 aus insgesamt fünf Schichten 12, 16, 20, 24, 28 gebildet. Unmittelbar auf die Vorderseite des Substrats 2 ist durch Kathodenzerstäubung eine typisch zwischen 1 nm und 50 nm dicke metallische Schicht 12, im Ausführungsbeispiel eine Aluminiumschicht 12 aufgebracht. Die Aluminiumschicht 12 kann dabei unmittelbar auf die Edelstahloberfläche des Substrats 2 aufgebracht sein oder es kann zuvor eine dünne, typisch zwischen 1 und l Onm dicke Chrom/Nickel-Haftvermittlungsschicht auf das Substrat 2 aufgebracht sein, durch welche die Haftung der Aluminiumschicht 12 auf dem Substrat 2 noch weiter verbessert ist.
Während des Sputterns der Aluminiumschicht 12 kann nach einer gewissen Zeit ein Reaktivgas zugeführt werden, beispielsweise Sauerstoff oder
Stickstoff. Im Ausführungsbeispiel wurde Sauerstoff zugeführt, und zwar in einer Weise, dass sich ausgehend von der Aluminiumschicht 12 unter Bildung eines ersten Übergangsbereiches 14 eine Aluminiumoxidschicht 16 bildet, deren Dicke typischerweise zwischen 10 nm und 2.000 nm beträgt, und insbesondere zwischen 200 und 2.000 nm beträgt. Die Dicke des ersten Übergangsbereichs 14 beträgt mindestens 10 nm, vorzugsweise zwischen 20 und 250 nm und insbesondere zwischen 50 und 100 nm.
Nachdem eine ausreichende Dicke der Aluminiumoxidschicht 14 hergestellt ist, kann, ohne dass die Reaktionskammer der Sputteranlage belüftet wird, der Anteil des Reaktionsgases Sauerstoff sprungartig oder kontinuierlich reduziert werden und gleichzeitig oder zeitversetzt der Anteil eines weiteren Reaktionsgases, im Ausführungsbeispiel Stickstoff, erhöht werden, ebenfalls sprunghaft oder kontinuierlich. Dadurch bildet sich nach einer zweiten Übergangsschicht 18, innerhalb welcher der Sauerstoffgehalt auf Null reduziert wird, eine Aluminiumnitridschicht 20 aus, deren Dicke typischerweise zwischen 10 nm und 2.000 nm beträgt, und insbesondere zwischen 100 und 1.000 nm beträgt. Die Dicke des zweiten Übergangsbereichs 18 beträgt mindestens 10 nm, vorzugsweise zwischen 20 und 250 nm und insbesondere zwischen 50 und 100 nm.
Nachdem die Aluminiumnitridschicht 20 in ausreichender Dicke hergestellt ist, kann entweder ein abrupter oder ein kontinuierlicher Übergang zu der sich daran anschließenden Siliciumoxidschicht 24 hergestellt werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt der Übergang kontinuierlich mittels eines dritten Übergangsbereiches 22, innerhalb dessen gleichzeitig die Konzentration von Aluminium und Stickstoff abnimmt und in entsprechendem Maße die Konzentration von Silicium und Sauerstoff zunimmt bis an dem der Siliciumoxidschicht 24 zugewandten Ende des dritten Übergangsbereiches 22 eine reine Siliciumoxidschicht 24 vorliegt, deren Dicke typischerweise zwischen 10 nm und 2.000 nm beträgt, und insbesondere zwischen 100 und 1.000 nm beträgt. Die Dicke des dritten Übergangsbereichs 22 beträgt mindestens 10 nm, vorzugsweise zwischen 20 und 250 nm und insbesondere zwischen 50 und 100 nm.
Die kontinuierlichen Material Übergänge haben den Vorteil, dass eine kontinuierliche Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten erfolgt, sodass zum einen Ablösungserscheinungen der Schichten voneinander und insbesondere von dem Substrat 2 vermieden sind und zum anderen die bei Temperaturänderungen auftretenden und durch die Nichtübereinstimmung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Schichten hervorgerufenen Spannungen reduziert sind.
Abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, dass jedenfalls der ein oder andere Übergang zwischen den einzelnen Schichten abrupt erfolgt, beispielsweise der Übergang von der Aluminiumnitridschicht 20 zu der Siliciumoxidschicht 24. So kann beispielsweise das Sputtern des Aluminiumtargets unter Verwendung von Stickstoff als Reaktionsgas beendet werden und anschließend unmittelbar ein Siliciumtarget unter Verwendung von Sauerstoff als Reaktionsgas oder auch direkt ein Siliciumoxidtarget gesputtert werden und dadurch die Siliciumoxidschicht 24 aufgebracht werden.
Nachdem die Siliciumoxidschicht 24 in ausreichender Dicke hergestellt ist, wird noch eine Siliciumnitridschicht 28 aufgebracht. Dies kann auch dadurch erfolgen, dass der Sputtervorgang der Siliciumoxidschicht 24 abgeschlossen wird und anschließend unmittelbar ein Siliciumnitridtarget gesputtert wird und dadurch die Siliciumnitridschicht 28 aufgebracht wird. Alternativ hierzu ist es auch möglich, sowohl für das Aufbringen der Siliciumoxidschicht 24 als auch der Siliciumnitridschicht 28 jeweils ein Siliciumtarget zu zerstäuben und dabei zunächst Sauerstoff als Reaktionsgas zu verwenden, um dadurch die Siliciumoxidschicht 24 herzustellen, und anschließend, entweder abrupt oder kontinuierlich, den Sauerstoffanteil zu reduzieren und/oder den Stickstoffanteil zu erhöhen, sodass am Ende die Siliciumnitridschicht 28 abgeschieden wird. In diesem Fall ergibt sich ein vierter Übergangsbereich 26, der nicht nur Anteile von Siliciumoxid und Siliciumnitrid aufweist, sondern auch Anteile von Siliciumoxinitrid.
Die Dicke des vierten Übergangsbereichs 26 beträgt mindestens 10 nm, vorzugsweise zwischen 20 und 250 nm und insbesondere zwischen 50 und 100 nm. Die Dicke der Siliciumnitridschicht 28 beträgt typischerweise zwischen 10 nm und 2.000 nm beträgt, und insbesondere zwischen 200 und 2.000 nm beträgt.
Auf das so hergestellte Schichtsystem 10, das insgesamt eine Schichtdicke zwischen 1 und 50 μm aufweist, insbesondere zwischen 2 und 40 μm und vorzugsweise zwischen 5 und 20 μm, werden die Sensorelemente 8 in Dickschichttechnik oder Dünnschichttechnik aufgebracht. Im Falle der Dickschichttechnik kann das Aufbringen strukturiert erfolgen, wohingegen im Falle der Dünnschichttechnik zunächst eine ganzflächige Schicht aufgebracht wird, die anschließend strukturiert wird, um die Sensorelemente 8 herzustellen. Die Sensorelemente 8 können insbesondere aus einem Metall oder einer Legierung hergestellt sein, beispielsweise aus Chrom-Nickel-Stahl, oder aus polykristallinen Werkstoffen, beispielsweise dotiertem Silizium. Je nach Anwendungsfall können auf die Sensorelemente 8 noch eine oder mehrere Passivierungsschichten aufgebracht werden, um die Sensorelemente 8 gegenüber Umgebungseinwirkungen zu schützen und dadurch die Langzeitstabilität des Sensors 1 zu erhöhen.
Eine alternative Schichtfolge des Schichtsystems 10 ist ausgehend von dem metallischen Substrat 2 Aluminium-Aluminiurnoxid-Alurniniumnitrid- Siliciumnitrid-Siliciumoxid oder auch Aluminium-Aluminiumoxid- Siliciumoxid-Siliciumnitrid-Siliciumoxid-Siliciumnitrid.
Die Fig. 2 zeigt den Verlauf der Konzentration der Elemente in dem ersten Übergangsbereich 14. Ausgehend von dem Substrat 2 besteht die erste metallische Schicht 12 im Wesentlichen aus dem Metall Aluminium.
Im ersten Übergangsbereich 14 sinkt der Anteil der Aluminiumatome von im Wesentlichen 100 % auf im Wesentlichen 40 %, entsprechend der Zusammensetzung des Aluminiumoxids AI2O3 in der Aluminiumoxidschicht 16. In entsprechender Weise steigt die Konzentration des Sauerstoffs ausgehend von einem Wert von im
Wesentlichen Null sowohl im Substrat 2 als auch in der ersten metallischen Schicht 12 auf den stöchiometrischen Wert von etwa 60 % in der Aluminiumoxidschicht 16 an. Die Abnahme der Konzentration des Aluminiums und die Zunahme der Konzentration von Sauerstoff verläuft dabei kontinuierlich, insbesondere stetig monoton fallend für das Aluminium bzw. stetig monoton steigend für den Sauerstoff. Die Steilheit der Abnahme bzw. Zunahme, d. h. der Gradient des Konzentrationsverlaufes, kann dabei an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Insbesondere kann der Gradient entweder an dem der ersten metallischen Schicht 12 zugewandten Ende des ersten Übergangsbereichs 14 größer oder kleiner als in einem mittleren Abschnitt des ersten Übergangsbereichs 14 sein, oder größer oder kleiner als an dem der Aluminiumoxidschicht 16 zugewandten Ende des ersten Übergangsbereichs 14 sein. Der Gradient kann auch mindestens abschnittsweise konstant sein, d. h. die Konzentration verläuft über dem Ort x linear.
Grundsätzlich ist es auch möglich, dass an dem der ersten metallischen Schicht 12 zugewandten Ende, und/oder in einem mittleren Abschnitt, und/oder an dem der Aluminiumoxidschicht 16 zugewandten Ende der Verlauf der Konzentration der Elemente einen Sprung aufweist. Außerdem ist es möglich, dass der Konzentrationsverlauf nicht streng monoton ist, sondern ein lokales Minimum oder Maximum ausbildet. Letztlich kann der Verlauf der Konzentration der Elemente an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden, insbesondere um die thermisch induzierten Spannungen zu minimieren oder um eine Barriere für Ladungsträger zu bilden und dadurch die Isolationseigenschaften zu verbessern.
Das vorstehend Genannte gilt in entsprechender Weise für die anderen Übergangsbereiche 18, 22 und 26. Die Fig. 3 zeigt den Verlauf der Konzentration der Elemente in Atom% im Bereich des zweiten Übergangsbereichs 18. Ausgehend von den stöchiometrischen Werten für Aluminium (40 %) und Sauerstoff (60 %) in der Aluminiumoxidschicht 16 sinkt die Konzentration des Sauerstoffs innerhalb des zweiten Übergangsbereichs 18 bis auf Null ab und behält diesen Wert im Wesentlichen auch in der daran anschließenden Aluminiumnitridschicht bei. Demgegenüber erhöht sich der Gehalt an Aluminium ausgehend von dem der Aluminiumoxidschicht 16 zugewandten Ende des zweiten Übergangsbereichs 18 zu dem der Aluminiumnitridschicht 20 zugewandten Ende bis auf den in der
Aluminiumnitridschicht 20 vorliegenden stöchiometrischen Wert von 50 % kontinuierlich und stetig steigend. In entsprechender weise erhöht sich auch der Anteil des Stickstoffs von einem im Wesentlichen Null betragenden Wert in der Aluminiumoxidschicht 16 und in dem der Aluminiumoxidschicht 16 zugewandten Ende des zweiten
Übergangsbereichs 18 bis auf den stöchiometrischen Wert von 50 % in der Aluminiumnitridschicht 20 und an dem der Aluminiumnitridschicht 20 zugewandten Ende des zweiten Übergangsbereichs 18. Auch dieser Anstieg ist stetig und monoton.
Innerhalb des zweiten Übergangsbereichs 18 bildet sich eine Aluminiumoxinitridschicht, die sowohl als Barriere gegenüber thermisch induzierten Ladungsträgern dient und damit die Isolationsfestigkeit verbessert, als auch eine Anpassung der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Aluminiumnitridschicht 20 an die
Aluminiumoxidschicht 16 bildet. Die Aluminiumnitridschicht 20 ist auch deshalb besonders vorteilhaft, weil sie eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und dadurch die Ausbildung von lokalen Hitzepunkten vermeidet. Die Fig. 4 zeigt den Verlauf der Konzentration der Elemente in dem dritten Übergangsbereich 22. Ausgehend von den stöchiometrischen Werten 50 % für Stickstoff und Aluminium in der Aluminiumnitridschicht 20 sinkt die Konzentration dieser Elemente stetig und kontinuierlich in dem dritten Übergangsbereich 22. Allerdings erreichen die Konzentrationswerte dieser Elemente erst an dem der anschließenden Siliciumoxidschicht 24 zugewandten Ende in dem dritten Übergangsbereich 22 den Wert Null. Dementsprechend erfolgt an der Grenze zwischen dem dritten Übergangsbereich 22 und der Siliciumoxidschicht 24 eine sprungartige Absenkung der Konzentration von Stickstoff und Aluminium auf Null, beispielsweise indem ein Sputtervorgang, an dem noch ein Aluminiumtarget beteiligt war, beendet wird und anschließend ein Sputtervorgang gestartet wird, an dem kein Aluminiumtarget mehr beteiligt ist. Dadurch entsteht auch ein Sprung in der Konzentration von Silicium und Sauerstoff an dem Übergang von dem dritten Übergangsbereich 22 zu der Siliciumoxidschicht 24. Innerhalb der Siliciumoxidschicht 24 ist die Konzentration der Silicium- und Sauerstoffatome konstant und beträgt insbesondere den stöchiometrischen Wert 1/3 bzw. 2/3. Innerhalb des dritten Übergangsbereiches 22 steigt die Konzentration der Silicium- und Sauerstoffatome ausgehend von einem Wert von im Wesentlichen Null an dem der Aluminiumnitridschicht 20 zugewandten Ende stetig und kontinuierlich an.
Die Fig. 5 zeigt den Verlauf der Konzentration der Elemente in dem vierten Übergangsbereich 26. Dabei sinkt der Anteil des Sauerstoffs ausgehend von dem in der Siliciumoxidschicht 24 vorliegenden stöchiometrischen Wert von etwa 2/3 innerhalb des vierten Übergangsbereiches 26 auf den Wert von annähernd Null ab. Demgegenüber steigt der Anteil der Stickstoffatome von einem Wert von im Wesentlichen Null an dem der Siliciumoxidschicht 24 zugewandten Ende des vierten Übergangsbereichs 26 auf den in der anschließenden Siliciumnitridschicht 28 herrschenden stöchiometrischen Wert von 4/7 kontinuierlich und stetig an. Der Anteil der Siliciumatome steigt ebenfalls ausgehend von dem in der Siliciurnoxidschicht 24 vorliegenden stöchiometrischen Anteil von etwa 1/3 auf den in der Siliciumnitridschicht 28 vorliegenden stöchiometrischen Anteil von 3/7 innerhalb des vierten Übergangsbereichs 26 kontinuierlich und stetig an.
Abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel können die Übergangsbereiche 14, 18, 22, 26, in denen sich die Konzentration der Elemente mindestens abschnittsweise ohne Sprung kontinuierlich ändert, auch nur zwischen einzelnen Schichtpaaren eines mehrschichtigen Schichtsystems 10 vorgesehen sein und andere Übergänge zwischen einem Schichtpaar können abrupt erfolgen. Ebenso können Schichtsysteme 10 weniger oder mehr Schichten als das dargestellte Ausführungsbeispiel aufweisen, wobei vorzugsweise mindestens zwei Schichten in dem Schichtsystem 10 vorhanden sind, die aus unterschiedlichen Basiselementen, beispielsweise aus Silicium einerseits und Aluminium andererseits, hergestellt sind.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Isolatorschichtsystem (10) für einen Sensor (1), insbesondere für einen in Dünn- oder Dickschichttechnik hergestellten Druck- oder Kraftsensor, mit einem Schichtsystem (10), das eine erste Schicht und eine zweite Schicht aufweist, wobei die erste Schicht ein erstes Element aufweist und die zweite Schicht ein zweites Element aufweist, das von dem ersten Element verschieden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht durch einen Übergangsbereich (14, 18, 22, 26) gebildet ist, dass die Konzentration des ersten Elements im Übergangsbereich (14, 18, 22, 26) ausgehend von einem der ersten Schicht zugewandten Ende des Übergangsbereichs (14, 18, 22, 26) in Richtung auf ein der zweiten Schicht zugewandtes Ende des Übergangsbereichs (14, 18, 22, 26) mindestens abschnittsweise kontinuierlich zunimmt und/oder abnimmt, und/oder dass die Konzentration des zweiten Elements im Übergangsbereich (14, 18, 22, 26) ausgehend von einem der zweiten Schicht zugewandten Ende des Übergangsbereichs (14, 18, 22, 26) in Richtung auf ein der ersten Schicht zugewandtes Ende des Übergangsbereichs (14, 18, 22, 26) mindestens abschnittsweise kontinuierlich zunimmt und/oder abnimmt.
2. Isolatorschichtsystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des ersten Elements im Übergangsbereich (14,
18, 22, 26) mindestens abschnittsweise kontinuierlich abnimmt und/oder die Konzentration des zweiten Elements im Übergangsbereich (14, 18, 22, 26) mindestens abschnittsweise kontinuierlich zunimmt.
3. Isolatorschichtsystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zunahme oder Abnahme der Konzentration des ersten Elements im Übergangsbereich (14, 18, 22, 26) über eine Erstreckung von mindestens 5 nm rechtwinklig zur flächigen
Ausdehnung der ersten Schicht mindestens 10 % des Wertes der Konzentration des ersten Elements in dem an den Übergangsbereich (14, 18, 22, 26) angrenzenden Bereich der ersten Schicht beträgt.
4. Isolatorschichtsystem (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kontinuierliche Zunahme oder Abnahme der Konzentration des zweiten Elements im Übergangsbereich (14, 18, 22, 26) über eine Erstreckung von mindestens 5 nm rechtwinklig zur flächigen Ausdehnung der zweiten Schicht mindestens 10 % des Wertes der Konzentration des zweiten
Elements in dem an den Übergangsbereich (14, 18, 22, 26) angrenzenden Bereich der zweiten Schicht beträgt.
5. Isolatorschichtsystem (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht elektrisch leitfähig ist und die zweite Schicht elektrisch isolierend ist.
6. Isolatorschichtsystem (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht an ein Substrat (2) angrenzt.
7. Isolatorschichtsystem (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht ein Oxid oder Nitrid eines in der ersten Schicht enthaltenen oder die erste Schicht bildenden Werkstoffes ist.
8. Isolatorschichtsystem (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Schichten des Schichtsystems (10) ein Oxid eines Basiselements ist und eine daran anschließende weitere Schicht des Schichtsystems ein Nitrid des
Basiselements ist, und dass der Übergangsbereich (14, 18, 22, 26) ein Oxinitrid ist.
9. Isolatorschichtsystem (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Schichten des
Schichtsystems (10) ein Oxid oder Nitrid eines ersten Basiselements ist und eine daran anschließende weitere Schicht des Schichtsystems ein Oxid oder Nitrid eines zweiten Basiselements ist, und dass im Übergangsbereich (14, 18, 22, 26) die Konzentration des ersten Basiselements mindestens abschnittsweise abnimmt und/oder die
Konzentration des zweiten Basiselements mindestens abschnittsweise kontinuierlich zunimmt.
10. Isolatorschichtsystem (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolatorschichtsystem
(10) auf ein elektrisch leitfähiges Substrat (2) aufbringbar ist.
1 1. Sensor (1 ), insbesondere in Dünn- oder Dickschichttechnik hergestellter Druck- oder Kraftsensor, mit einem flächigen Substrat (2) und mindestens einem Sensorelement (8) zum unmittelbaren oder mittelbaren Wandeln einer zu ermittelnden Größe in ein elektrisches Signal, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Substrat (2) und dem Sensorelement (8) ein Isolatorschichtsystem (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche angeordnet ist.
12. Sensor (1 ) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) elektrisch leitfähig ist.
13. Sensor (1 ) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) ein in Dünnschichttechnik oder Dickschichttechnik hergestellter Drucksensor ist mit einem vorzugsweise einstückig eine Membran (6) bildenden Substrat (2), auf welches das Schichtsystem (10) aufgebracht ist.
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