WO2019219438A1 - Verfahren zum herstellen mindestens einer membrananordnung, membrananordnung für einen mikromechanischen sensor und bauteil - Google Patents

Verfahren zum herstellen mindestens einer membrananordnung, membrananordnung für einen mikromechanischen sensor und bauteil Download PDF

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WO2019219438A1
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wafer
substrate
membrane
volume
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PCT/EP2019/061608
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Renate Mueller
Tobias Sebastian Frey
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01N33/0036—Specially adapted to detect a particular component
    • G01N33/005—Specially adapted to detect a particular component for H2

Definitions

  • the invention relates to a method for producing at least one
  • Membrane arrangement for a micromechanical sensor for the calorimetric detection of gases as well as a membrane arrangement and a component with such a membrane arrangement.
  • sensors For detecting hydrogen, sensors based on the calorimetric principle may be used. Such sensors usually consist of a membrane on which a heating element is arranged. This heating element can be operated with a constant current / voltage or with a constant power by a control electronics.
  • the temperature of the heating element drops due to the higher thermal conductivity of the hydrogen and the associated higher heat dissipation. In this case, the resistance of the heating element is reduced. This change in resistance leads to an additional heating power, which must be applied by the control electronics in order to keep the heating element at a constant temperature.
  • the additional heating power is proportional to
  • thermal conductivity depends on the ambient temperature
  • another temperature sensor for example with another Platinum resistance in an adjacent area of the membrane, the ambient temperature are measured.
  • the humidity in the vicinity of the membrane is also relevant when considering the thermal conductivity of the air and must be taken into account by additional sensors or a more complex evaluation of the measured data.
  • the operating voltage can also be varied to distinguish hydrogen from air humidity. This
  • Differentiation is particularly necessary when hydrogen in the exhaust air of a fuel cell stack is to be detected, for example, but not necessarily, that of a fuel cell vehicle. There is a high humidity.
  • the object underlying the invention can be seen to suggest a manufacturing method and an improved membrane assembly, which reduces external influences on a concentration measurement.
  • the wafer-shaped substrate may preferably be a doped or an undoped semiconductor.
  • thermally and electrically insulating coating of, for example, oxide, nitride, oxide-nitride or oxide-nitride oxide or the like.
  • the thermally and electrically insulating layer ideally forms an etch stop layer below.
  • the material is chosen such that atmospheric moisture can not be stored in the layer or diffused through the layer.
  • the wafer-shaped substrate preferably already comprises electrically conductive structures for forming heating elements, for example of platinum, aluminum, molybdenum, tungsten, copper, gold, silver, doped silicon or the like with or without adhesion promoter layers of aluminum, titanium, tantalum or their oxides or nitrides and the same. These can for example be equipped, sputtered or steamed, a combination of these steps is also possible. Furthermore, the wafer-shaped substrate has further electrical isolation over the metallization, e.g. made of oxide or nitride or the like. Another function of the insulation layer is protection or separation from / from environmental influences such as dust and moisture.
  • At least one reference volume is introduced from a front side of the wafer-shaped substrate into the wafer-shaped substrate by forming a reference membrane at least regionally covering the reference volume by a surface micromechanical and / or volume micromechanical process.
  • Reference volume under formation of a reference volume at least partially covering the reference membrane from a front into the wafer-shaped substrate by a PorSi process with or without subsequent removal of the porous silicon by, for example, a dry etching step or a cloud trench are introduced.
  • the reference volume can be used as a reference for gas measurement, for example when using a Wheatstone bridge in the metal layer.
  • the reference volume may be designed to be open or closed in the direction of one of the two surfaces of the wafer-shaped substrate, in the open embodiment is an exchange with gases and / or gas mixtures in the
  • At least one measurement volume adjacent to the at least one reference volume is introduced from a rear side or the front side of the wafer-shaped substrate into the wafer-shaped substrate to form a measurement membrane.
  • the measuring volume can be introduced into the wafer-shaped substrate with the aid of a suitable surface micromechanical process.
  • a can also be introduced into the wafer-shaped substrate with the aid of a suitable surface micromechanical process.
  • a can also be introduced into the wafer-shaped substrate with the aid of a suitable surface micromechanical process.
  • Combination of anisotropic and isotropic etching process can be used. This can be performed, for example, by sacrificial layer etching and / or wet etching.
  • At least one measurement volume can be introduced by forming a measurement membrane at least partially covering the measurement membrane and an initially closed measurement volume from a front side into the wafer-shaped substrate by a PorSi process with or without subsequent removal of the porous silicon.
  • Measuring volume is conceivable.
  • the wafer-shaped cap substrate which will be defined in more detail below, could be omitted altogether. This is possible, for example, in wet etching processes and leads to a very favorable production form of the wafer arrangement, because it material costs and the manufacturing time of the sensor can be further reduced.
  • a volume-limiting membrane can be formed at the same time.
  • Reference membrane and / or a measuring membrane is that with minimized power consumption, an over-temperature compared to the environment can be set.
  • Ambient conditions such as temperature and humidity, and aging of the chip and an associated drift of the sensor are hardly affected.
  • a wafer-shaped cap substrate is applied to the front side of the wafer-shaped substrate.
  • wafer-shaped substrate consists in increasing the mechanical stability and the mechanical strength.
  • the wafer-shaped cap substrate realizes a fixed thermal boundary condition, thus increasing the
  • Membrane another cavity can be realized, which is filled for example with a thermally different conductive gas. Especially with a poorly conductive gas or vacuum, the sensitivity of the proposed
  • Measuring device increases.
  • Manufacturing method for a micromechanical sensor in particular for a double-membrane chip with an enclosed reference volume for the detection of gases, in particular for hydrogen, in particular by means of the
  • Convection or radiation can be realized.
  • Convection or radiation can be realized.
  • in a further embodiment of the invention may be in the wafer-shaped
  • Cap substrate a channel structure can be created for the targeted supply of measuring and reference gas.
  • the wafer can be separated into a plurality of wafer sections.
  • the respective wafer sections may be used to manufacture the
  • the measurement volume can be analogous to the reference volume through one of the front side of the wafer-shaped substrate applied.
  • the face-down machining for producing and / or the gas-conducting opening of the measuring volume by means of a
  • Trench processes are realized. Direct contact of the front side of the wafer with a holding device, referred to below as chuck, which is referred to as face down processing, may lead to damage of the reference membrane and / or rupture of the membrane during processing due to unevenness and particles on the holding device.
  • chuck which is referred to as face down processing
  • the wafer-shaped wafer-shaped wafer-shaped wafer-shaped substrate According to a further embodiment of the method, the wafer-shaped
  • the at least one measurement volume is introduced by dry etching into the wafer-shaped substrate.
  • sacrificial structures can be removed.
  • undercuts can be generated be able to bring, for example, fluid dynamic advantages when introducing the gas to be measured.
  • the at least one measurement volume is introduced by a trench process into the wafer-shaped substrate.
  • the at least one measurement volume is introduced into the wafer-shaped substrate by a wet-chemical etching process.
  • the wafer-shaped substrate does not rest on a chuck, and thus this step may take place before the cap has been applied. Is no further mechanical protection or increased stability of the wafer-shaped
  • Substrate necessary can be dispensed with the cap.
  • Another advantage of the wet chemical etching method is that the front and back sides of the wafer-shaped substrate can be made in a simultaneous operation. Thus can be processed very cost-effective with high process homogeneity.
  • the at least one measuring volume can thus be introduced flexibly into the wafer-shaped substrate by a large number of different production methods by material removal.
  • the wafer-shaped wafer-shaped wafer-shaped wafer-shaped substrate According to a further embodiment of the method, the wafer-shaped
  • wafer bonding is to be understood as a glass frit bonding, a eutekitscher or anodic bond.
  • Different bonding methods allow different process control, in particular on an existing boundary layer of wafer-shaped substrate and wafer-shaped cap substrate. Furthermore, different bonding methods have different media resistance in combination with realizable structure width.
  • an adhesion step may be performed after soldering, bonding or welding the wafer-shaped cap substrate. This may be the additional fixation of the wafer-shaped cap substrate or the sealing of the
  • the wafer-shaped cap substrate can thus be arranged flexibly by different methods on the wafer-shaped substrate.
  • the wafer-shaped cap substrate when the wafer-shaped cap substrate is applied to the wafer-shaped substrate, at least one reference volume open or closed in the direction of the front side of the wafer-shaped cap substrate between the at least one reference membrane and the wafer-shaped cap substrate and / or between the at least one measuring membrane and the formed wafer-shaped cap substrate.
  • the wafer-shaped cap substrate may have recesses introduced in advance in the region of the at least one reference membrane and / or in the region of the at least one measuring membrane. These recesses may extend through a thickness of the wafer-shaped cap substrate and thus form a gas passage through the wafer-shaped cap substrate.
  • the wafer-shaped cap substrate may form additional volumes over the membranes, which may be provided with a
  • Reference gas can be filled.
  • Measuring volume of the back of the wafer-shaped substrate gas-conducting opened can be introduced in the wafer-shaped substrate in an open manner on the back or can be embodied in a gas-conducting manner by openings additionally introduced into the wafer-shaped substrate.
  • the advantage of introducing a reference volume from the front side and the measurement volume from the rear side is that different gases can be supplied from the front side and the rear side. For example, it is possible to supply air from the front and hydrogen from the back.
  • channels and openings can be introduced by trench processes in the back wall of the at least one measurement volume.
  • the dimension of the openings in this case is so pronounced that gaseous media can get into the at least one measuring volume.
  • Connection get into the at least one measurement volume.
  • the at least one measurement volume can be opened very inexpensively by a wet-chemical process.
  • the at least one measurement volume is opened in the gas-conducting manner at the rear by an etching process applied to the back side of the wafer-shaped substrate.
  • This etching process may include a trench process, a dry etching process
  • the at least one measuring volume introduced in the wafer-shaped substrate and / or the reference volume can be directed in the direction of the rear side of the
  • PorSi technology gas-conducting modified.
  • the reference volume can in this case be opened in the same way as the measuring volume only from the front of the arrangement. This would have the advantage that the Wheatstone bridge due to higher symmetry with the
  • Measuring volume is easier to tune.
  • the porous structure is like this
  • Particle size can not get into the at least one measurement volume.
  • a process control with PorSi is a porous semiconductor structure anyway
  • a sealing means is arranged on the back side of the wafer-shaped substrate.
  • the sealed cross section of the back of the wafer-shaped substrate can be reduced by the gas-conducting supply to the measuring volume, so that a seal against moisture and other environmental influences by means of wider
  • Sealing rings which are used for example for a media resistance, in the range of at least one measurement volume can be designed technically easier.
  • An advantage of the attached sealant is that the gas below the sample volume can be separated, for example, a hydrogen-moisture mixture in an exhaust tube from a second gas located above the wafer-shaped substrate, such as ambient air.
  • a particular advantage is that it allows the bond pads and bonding wires to be separated from a damaging gas or other component of the air (moisture).
  • the sealant sits in particular on the back, since the dielectric layers present there are particularly moisture-stable. It is also conceivable to arrange the sealant on the front when it comes to other sealing functions, such as dust.
  • Measuring membrane at least one resistor and at least one electrically conductive compound, wherein the with the wafer-shaped
  • Membrane arrangements is separated. In particular, this can be a
  • the implementation of the bridge circuit can take place on a single chip in the embodiment of at least one double membrane or on a chip with a membrane, in which the cap provides and separates measurement and reference volumes.
  • the sensor signal of such a sensor may be due to changing environmental conditions or aging of the
  • At least one reference volume is introduced from a front side into the wafer-shaped substrate by forming a reference membrane at least partially covering the reference volume by a PorSi process with or without subsequent removal of a porous silicon.
  • Reference volume at least partially covering the reference membrane and an initially closed measurement volume to form a
  • Measuring volume at least partially covering the measuring membrane from a front side into the wafer-shaped substrate by a PorSi process with or without subsequent removal of the porous silicon introduced.
  • the reference volume and the measuring volume can be introduced simultaneously or individually. Then there is the possibility of these cavities depending on the desired later
  • the wafer-shaped cap substrate can be omitted, which further streamlines the process flow. Furthermore, the stability of the reference and / or measuring membrane can be increased by being supported by a porous structure, which can be measured at higher pressures in the reference volume and / or measuring volume.
  • An advantage of the process control by means of the ProSi process is that in the at least one reference and / or measuring volume, a specific filter function is realized by the porous silicon.
  • the porous semiconductor structure has a large surface area and with pore sizes which can be adjusted via the process control and can thus assume a filter function with respect to undesired particles, aerosols and / or luminous moisture. Unwanted components can not reach the at least one reference and / or measurement volume due to the particle size. This could be of particular advantage if the gas and / or gas mixture to be measured is contaminated.
  • a diaphragm assembly for a sensor for calorimetrically detecting gases produced by a method of the invention.
  • the membrane arrangement has a cap substrate section connected to a substrate section and at least one reference volume introduced into the substrate section, which is delimited at least on one side in the direction of the cap substrate section by a reference membrane. Furthermore, the membrane arrangement has at least one measuring volume introduced into the substrate section, which is bounded in the direction of the cap substrate section by a one-sided measuring membrane, the reference membrane preferably being at least
  • the measuring volume is designed to be fluid-conducting in the direction of a rear side of the substrate section.
  • a diaphragm assembly for a sensor for calorimetrically detecting gases produced according to the method has at least one measurement volume with a gas access from the back side of the wafer-shaped substrate and at least one reference volume which is closed in the direction of the back side of the wafer-shaped substrate.
  • the closed reference volume can be used as a reference for the gas measurement, for example when using a Wheatstone bridge in the metal layer.
  • the membrane assembly can be used, for example, for a configuration as a double-membrane chip, in which a cavern or a
  • Measuring volume for example, from the back of the wafer-shaped substrate is open and thus has a gas access, wherein the adjacent
  • Reference volume is completed from this access page (see PA 13).
  • a spatial separation of the reference membrane from the measuring membrane proves to be particularly favorable because it can form a reference resistor in cooperation with the electrically conductive structures to any changes, such as humidity and temperature and / or others, in the vicinity of the measuring signal decouple.
  • Another advantage of the reference volume is that a defined gas and / or gas mixture can be included and thus can be measured relative to this.
  • a component in particular a sensor, is provided with a membrane arrangement according to the invention.
  • the membrane arrangement may preferably be a section of a wafer arrangement which is processed according to the method according to the invention and
  • volumes are led.
  • a hermetic shielding of the reference volume can be realized by the cap substrate section.
  • a hermetic shield can also be realized by the
  • Reference volume is not opened gas-conducting or closed again after filling with a reference gas. This allows outer
  • Influences on a measurement, such as a hydrogen concentration can be reduced, whereby a control electronics for operating the diaphragm assembly based sensor technically easier and
  • Fig. 1 is a schematic section through a membrane arrangement according to
  • FIG. 2 shows a schematic section through a membrane arrangement according to FIG.
  • Fig. 3 is a schematic representation of a method for producing a membrane assembly according to a first embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic section through a membrane arrangement 1 according to a first embodiment of the invention.
  • the membrane assembly 1 here is a section of a wafer with a multiplicity of membrane arrangements 1, which have been separated from one another by a separation process.
  • the membrane arrangement 1 is configured as an arrangement for a double-membrane chip and can be produced according to a production process for layers of a membrane, for example an ONO membrane (oxide-nitride-oxide) having at least one conductor track contained therein, for example of the metal platinum, gold, silver, Copper, molybdenum, tungsten or non-metallic conductive layers such as polysilicon or a similar material.
  • a membrane for example an ONO membrane (oxide-nitride-oxide) having at least one conductor track contained therein, for example of the metal platinum, gold, silver, Copper, molybdenum, tungsten or non-metallic conductive layers such as polysilicon or a similar material.
  • the membrane may consist of only oxide, only nitride or a mixture of both.
  • the arrangement 1 has a reference membrane 2, which by a
  • Silicon structure in a wafer-shaped substrate 4 has been prepared.
  • a reference volume 6 is formed, which is delimited by the reference membrane 2 in the direction of a front side V of the wafer-shaped substrate 4.
  • the reference membrane 2 is here at least partially open, so that a
  • Gas exchange with the reference volume 6 can take place.
  • the arrangement 1 has a wafer-shaped cap substrate 8, which was applied to the wafer-shaped substrate 4 after the preparation of the reference membrane 2.
  • the wafer-shaped cap substrate 8 has recesses 7 in the region of membranes 2, 10, which extend through the wafer-shaped cap substrate 8.
  • the areas 2 and 10 can also be connected to each other.
  • the recesses 7 have sloping flanks, which may be caused by a wet etching process.
  • the recesses 7 can also be introduced into the wafer-shaped cap substrate 8 with other material removal methods such as, for example, trenches.
  • the wafer-shaped cap substrate 8 is disposed on the wafer-shaped substrate 4 by wafer bonding with glass frit. Due to the wafer-shaped cap substrate 8, the arrangement 1 receives additional stability.
  • the arrangement 1 has a measuring diaphragm 10 adjacent to the reference diaphragm 2.
  • the measuring diaphragm 10 was produced in the wafer-shaped substrate 4 in a further processing with a so-called “face down" orientation of the arrangement 1. It was from the back of the R
  • the measuring volume 14 is designed to be open in the direction of the rear side R and thus allows unimpeded gas flow to the measuring diaphragm 10, but not through it.
  • the wafer-shaped cap substrate 8 may also be dispensed with.
  • a sealing means 15 in the form of a sealing ring 15 is arranged on the rear side R of the wafer-shaped substrate 4.
  • FIG. 2 shows a schematic section through a membrane arrangement 1 according to a second embodiment of the invention.
  • the measurement volume 14 was also by a surface or
  • the measuring volume 14 to the front and to the rear side R of the wafer-shaped substrate 4 is closed and was opened by a subsequent step, for example by a trench process or other etching process gas-conducting to the rear side R.
  • the measuring volume 14 is arranged at the rear
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a method 18 for
  • a wafer-shaped substrate 4 is provided.
  • the wafer-shaped substrate 4 can then with resistors or with electrically conductive compounds in the form of one or more
  • Coatings and their structuring are equipped or provided by means of lithography and the electrically conductive layer is coated by electrically insulating layers 21.
  • the conductive compounds preferably form heating resistors.
  • At least one reference volume 6 is introduced 22 from a front side V into the wafer-shaped substrate 4 by forming a reference membrane 6 at least regionally covering the reference volume 6 by a surface, volume micromechanical process or a PorSi with a dry etching step.
  • the electrical lines and enveloping electrically and thermally insulating layers can also be applied to the wafer-shaped substrate 4 after the forming 22 of the reference volume 6 and / or measuring volume 14 according to method step 21.
  • a wafer-shaped cap substrate 8 is applied to the wafer-shaped substrate 4 and the wafer arrangement is reversed 24 so that a processing of the back side R can be performed.
  • This step can be omitted alternatively.
  • Reference volume 6 adjacent measuring volume 14 from the back side R of the wafer-shaped substrate 4 with the formation of a measuring membrane 10 in the wafer-shaped substrate 4 is introduced. If the measuring volume 14 has already been produced, in this step 25 a gas inflow or a fluid-conducting connection to the measuring volume 14 can be introduced from the rear side R of the wafer-shaped substrate 4. In a final step 26, the wafer-shaped cap substrate 8 connected to the wafer-shaped cap substrate 8 is separated into at least two membrane assemblies 1.

Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zum Herstellen mindestens einer Membrananordnung für einen mikromechanischen Sensor zum kalorimetrischen Detektieren von Gasen, wobei ein waferförmiges Substrat bereitgestellt wird, mindestens ein Referenzvolumen unter Bildung einer das Referenzvolumen zumindest bereichsweise bedeckenden Referenzmembran von einer Vorderseite in das waferförmige Substrat durch einen Oberflächen- bzw. volumenmikromechanischen Prozess eingebracht wird, mindestens ein zu dem mindestens einen Referenzvolumen benachbartes Messvolumen von einer Rückseite oder der Vorderseite des waferförmigen Substrats unter Bildung einer Messmembran in das Substrat eingebracht wird, ein waferförmiges Kappensubstrat auf die Vorderseite des waferförmigen Substrats aufgebracht wird. Des Weiteren sind eine Membrananordnung und ein Bauteil offenbart.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Herstellen mindestens einer Membrananordnunq,
Membrananordnunq für einen mikromechanischen Sensor und Bauteil
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen mindestens einer
Membrananordnung für einen mikromechanischen Sensor zum kalorimetrischen Detektieren von Gasen sowie eine Membrananordnung und ein Bauteil mit einer derartigen Membrananordnung.
Stand der Technik
Für ein Detektieren von Wasserstoff können Sensoren verwendet werden, welche auf dem kalorimetrischen Prinzip basieren. Derartige Sensoren bestehen üblicherweise aus einer Membran, auf welcher ein Heizelement angeordnet ist. Dieses Heizelement kann mit einem konstanten Strom/Spannung oder mit einer konstanten Leistung durch eine Steuerungselektronik betrieben werden.
Hierdurch wird eine Übertemperatur im Vergleich zur Umgebungstemperatur realisiert. Das Funktionsprinzip derartiger Sensoren basiert auf der thermischen Leitfähigkeit von Wasserstoff, die mit 1810 pW/cmK höher ist als die thermische Leitfähigkeit von Luft mit einem Wert von 260 pW/cmK.
Befindet sich in der Umgebung des Heizelements Wasserstoff, so sinkt auf Grund der höheren thermischen Leitfähigkeit des Wasserstoffs und damit einhergehenden größeren Wärmeableitung, die Temperatur des Heizelements. Dabei wird der Widerstand des Heizelements verringert. Diese Widerstands- änderung führt zu einer zusätzlichen Heizleistung, die durch die Steuerungs- elektronik aufgebracht werden muss, um das Heizelement auf konstanter Temperatur zu halten. Die zusätzliche Heizleistung ist proportional zur
Konzentration des Wasserstoffs.
Da die thermische Leitfähigkeit von der Umgebungstemperatur abhängt, kann mittels eines weiteren Temperatursensors, beispielsweise mit einem weiteren Platinwiderstand in einem benachbarten Bereich der Membran, die Umgebungs- temperatur gemessen werden.
Die Luftfeuchte in der Umgebung der Membran ist bei der Betrachtung der thermische Leitfähigkeit der Luft ebenfalls relevant und muss durch zusätzliche Sensoren oder eine aufwändigere Auswertung der Messdaten berücksichtigt werden.
Durch die hohe Anzahl an zu berücksichtigenden Faktoren wird eine Auslegung der Steuerungselektronik erschwert, da ein großer Messbereich und viele Variablen zu berücksichtigen sind. Parallel hierzu ist jedoch eine hohe Auflösung und Genauigkeit bei der Wasserstoffdetektion erforderlich.
Neben der Verwendung einer Wheatstone-Brücke zum Herausfiltern der Umgebungseffekte, kann darüber hinaus die Betriebsspannung variiert werden, um Wasserstoff von einer Luftfeuchte unterscheiden zu können. Diese
Unterscheidung ist insbesondere notwendig, wenn Wasserstoff in der Abluft eines Brennstoffzellenstapels, beispielsweise aber nicht notwendigerweise, dem eines Brennstoffzellenfahrzeugs nachgewiesen werden soll. Dort herrscht eine hohe Luftfeuchte.
Offenbarung der Erfindung
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, ein Herstellungsverfahren und eine verbesserte Membrananordnung vorzuschlagen, welche äußere Einflüsse auf eine Konzentrationsmessung verringert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen
Unteransprüchen und gehen aus der Beschreibung hervor.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen mindestens einer Membrananordnung für einen mikromechanischen Sensor zum
kalorimetrischen Detektieren von Gasen bereitgestellt. In einem Verfahrensschritt der erfindungsgemäßen Lösung wird ein
waferförmiges Substrat bereitgestellt. Das waferförmige Substrat kann bevorzugt ein dotierter oder ein undotierter Halbleiter sein.
Auf das waferförmige Substrat kann bevorzugt eine thermisch und elektrisch isolierende Beschichtung aus beispielsweise Oxid, Nitrid, Oxid-Nitrit oder Oxid- Nitrit-Oxid oder ähnlichem aufgebracht werden. Die thermisch und elektrisch isolierende Schicht bildet im Folgenden idealerweise eine Ätzstopp-Schicht. Vorteilhafterweise ist das Material derart gewählt, dass Luftfeuchte nicht in die Schicht eingelagert werden kann oder durch die Schicht hindurch diffundiert.
Das waferförmige Substrat umfasst vorzugsweise bereits elektrisch leitfähige Strukturen zum Ausbilden von Heizelementen, beispielsweise aus Platin, Aluminium, Molybdän, Wolfram, Kupfer, Gold, Silber, dotiertes Silizium oder dergleichen mit oder ohne Haftvermittlerschichten aus Aluminium, Titian, Tantal oder deren Oxiden bzw. Nitriden und dergleichen. Diese können beispielsweise bestückt, besputtert oder bedampft werden, eine Kombination dieser Schritte ist ebenfalls möglich. Des Weiteren weist das waferförmige Substrat eine weitere elektrische Isolierung über der Metallisierung, z.B. aus Oxid oder Nitrid oder ähnlichem auf. Eine weitere Funktion der Isolationsschicht ist der Schutz bzw. die Trennung vor/von Umgebungseinflüssen wie Staub und Feuchte.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird mindestens ein Referenzvolumen unter Bildung einer das Referenzvolumen zumindest bereichsweise bedeckenden Referenzmembran von einer Vorderseite des waferförmigen Substrats in das waferförmige Substrat durch einen oberflächenmikromechanischen und/ oder volumenmikromechanischen Prozess eingebracht.
Dies kann beispielsweise durch Nassätzen oder Opferschichtätzen erreicht werden.
Alternativ oder additiv zu diesem Verfahrensschritt kann mindestens ein
Referenzvolumen unter Bildung einer das Referenzvolumen zumindest bereichsweise bedeckenden Referenzmembran von einer Vorderseite in das waferförmige Substrat durch einen PorSi-Prozess mit oder ohne anschließendem Entfernen des porösen Siliziums durch beispielsweise einen Trockenätzschritt bzw. einen Cloudtrench eingebracht werden.
Alternativ kann nur ein Prozess zum Einsatz kommen oder eine Kombination der einzelnen Prozesse. Das Referenzvolumen kann als Referenz für die Gasmessung, beispielsweise bei der Verwendung einer Wheatstone’schen Messbrücke im Metalllayer, verwendet werden.
Das Referenzvolumen kann in Richtung einer der beiden Oberflächen des waferförmigen Substrats offen oder geschlossen gestaltet sein, in der offenen Ausführung ist ein Austausch mit Gasen und/ oder Gasgemischen in der
Umgebung möglich. In der geschlossenen Variante können bestimmte Gase und/oder Gasgemische im Referenzvolumen eingeschlossen werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird mindestens ein zu dem mindestens einen Referenzvolumen benachbartes Messvolumen von einer Rückseite oder der Vorderseite des waferförmigen Substrats unter Bildung einer Messmembran in das waferförmige Substrat eingebracht.
Das Messvolumen kann ebenso wie das Referenzvolumen mit Hilfe eines geeigneten oberflächenmikromechanischen Prozesses in das waferförmige Substrat eingebracht werden. Darüber hinaus kann auch ein
volumenmikromechanischer Prozess aus jeweils einem und/oder einer
Kombination von anisotropem und isotropem Ätzverfahren eingesetzt werden. Dies kann beispielsweise durch Opferschichtätzen und/ oder Nassätzen durch geführt werden.
Alternativ oder additiv dazu kann mindestens ein Messvolumen unter Bildung einer das Messvolumen zumindest bereichsweise bedeckenden Messmembran und ein zunächst geschlossenes Messvolumen von einer Vorderseite in das waferförmige Substrat durch einen PorSi-Prozess mit oder ohne anschließendem Entfernen des porösen Siliziums eingebracht werden.
Eine weitere mögliche Prozessführung ist ein von der Vorderseite des
waferförmigen Substrats wirkender oberflächenmikromechanischer und/oder volumenmikromechanischer und PorSi-Prozess zur gleichzeitigen Erzeugung des Referenz- und Messvolumens hat. Dieses Vorgehen hat den Vorteil einer verkürzten Prozessführung und ein von der Rückseite wirkender
volumenmikromechanischer Prozess zur gasleitenden Öffnung des
Messvolumens ist denkbar. In dieser Ausführungsform könnte auf das waferförmige Kappensubstrat, das weiter unten genauer definiert wird, insgesamt verzichtet werden. Dies ist beispielsweise bei Nassätzprozessen möglich und führt zu einer sehr günstigen Herstellungsform der Waferanordnung, denn es können Materialkosten und die Herstellzeit des Sensors weiter verringert werden.
Bei der Herstellung eines Referenz- oder Messvolumens oder einer Referenz- oder Messkaverne kann zeitgleich eine das Volumen begrenzende Membran ausgebildet werden. Ein Vorteil einer Ausführung als Membran, wie zum Beispiel einer
Referenzmembran und/ oder einer Messmembran, besteht darin, dass bei minimierter Leistungsaufnahme eine Übertemperatur gegenüber der Umgebung eingestellt werden kann.
Durch die Membrananordnung und der elektrischen Auslegung als Wheatstone- Brücke kann ein Sensorsignal durch die sich ändernden
Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise Temperatur und Luftfeuchtigkeit, sowie Alterung des Chips und einem damit einhergehenden Drift des Sensors kaum beeinflusst werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird ein waferförmiges Kappensubstrats auf die Vorderseite des waferförmigen Substrats aufgebracht. Der Vorteil eines
Aufbringens des waferförmigen Kappensubstrats auf der Vorderseite des
waferförmigen Substrats besteht in der Erhöhung der mechanischen Stabilität und der mechanischen Beanspruchbarkeit. Das waferförmige Kappensubstrat realisiert eine fixe thermische Randbedingung, somit erhöht sich die
Abgleichbarkeit und Reproduzierbarkeit des Systems. In einer geschlossenen
Ausführungsform des waferförmigen Kappensubstrats kann oberhalb der
Membran ein weiterer Hohlraum realisiert werden, der beispielsweise mit einem thermisch anders leitenden Gas gefüllt wird. Insbesondere bei einem schlecht leitenden Gas oder Vakuum wird die Sensitivität der vorgeschlagen
Messvorrichtung erhöht.
Basierend auf den beschriebenen Verfahrensschritten kann ein vereinfachtes
Herstellungsverfahren für einen mikromechanischen Sensor insbesondere für einen Doppelmembranchip mit einem eingeschlossenen Referenzvolumen zur Detektion von Gasen, insbesondere für Wasserstoff, insbesondere mittels des
Prinzips der thermischen Leitfähigkeit in Gasen und/oder Gasgemischen,
Konvektion oder Strahlung realisiert werden. In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform kann im waferförmigen
Kappensubstrat eine Kanalstruktur angelegt werden für die gezielte Zuleitung von Mess-und Referenzgas.
Anschließend kann der Wafer in eine Vielzahl an Waferabschnitten separiert werden. Die jeweiligen Waferabschnitte können für eine Herstellung der
Sensoren verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird das waferförmige
Kappensubstrat nach dem Einbringen des Referenzvolumens auf das
waferförmige Substrat aufgebracht. Hierdurch kann das Messvolumen analog zum Referenzvolumen durch einen von der Vorderseite des waferförmigen
Substrats wirkenden oberflächenmikromechanischen und
volumenmikromechanischen Prozess oder PorSi-Prozess in das waferförmige
Substrat eingebracht werden. Anschließend kann das waferförmige
Kappensubstrat auf dem bearbeiteten waferförmigen Substrat angeordnet
werden.
Durch diese besonders günstige und vereinfachte Prozessierbarkeit des
erfindungsgemäßen Verfahrens kann beispielsweise die Face-Down Bearbeitung zur Herstellung und/oder die gasleitende Öffnung des Messvolumens mittels eines
Trench prozesses realisiert werden. Ein direkter Kontakt der Vorderseite des Wafers mit einer Haltevorrichtung, im Folgenden als Chuck bezeichnet, dieses wird als face down Bearbeitung bezeichnet, kann während der Bearbeitung wegen Unebenheiten und Partikeln auf der Haltevorrichtung zu einer Schädigung der Referenzmembran und/oder Bruch der Membran führen.
Nach einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das waferförmige
Kappensubstrat nach dem Einbringen des mindestens einen Messvolumens auf das waferförmige Substrat aufgebracht.
Dies hat den Vorteil, dass bei beispielsweise Nassätzverfahren die Fügung und das waferförmige Kappensubstrat nicht beschädigt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das mindestens eine Messvolumen durch Trockenätzung in das waferförmige Substrat eingebracht.
Ein Vorteil des Trockenätzverfahrens besteht darin, dass vorher angelegte
Opferstrukturen definiert entfernt werden können. Somit können Hinterschnitte erzeugt werden, die beispielsweise fluiddynamische Vorteile beim Einleiten des zu messenden Gases bringen können.
Alternativ und/ oder additiv wird das mindestens eine Messvolumen durch einen Trenchprozess in das waferförmige Substrat eingebracht. Ein Vorteil des
Herstellungsprozesses mittels Trenchen besteht im Einbringen beliebiger Geometrien. Somit können kleine Chips realisiert werden.
Alternativ und/oder additiv wird das mindestens eine Messvolumen durch ein nasschemisches Ätzverfahren in das waferförmige Substrat eingebracht.
In diesem Fall liegt das waferförmige Substrat nicht auf einem Chuck auf und somit kann dieser Schritt stattfinden bevor die Kappe aufgebracht wurde. Ist kein weiterer mechanischer Schutz oder eine erhöhte Stabilität des waferförmigen
Substrats notwendig kann auf die Kappe verzichtet werden.
Ein weiterer Vorteil des Nasschemischen Ätzverfahrens liegt darin, dass die Vorder- und Rückseite des waferförmigen Substrats in einem gleichzeitigen Arbeitsschritt erfolgen können. Somit kann sehr kostengünstig bei hoher Prozesshomogenität prozessiert werden.
Das mindestens eine Messvolumen kann somit flexibel durch eine Vielzahl an unterschiedlichen Herstellungsverfahren durch Materialabtrag in das waferförmige Substrat eingebracht werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das waferförmige
Kappensubstrat durch Kleben, Löten, Wafer Bonden oder Schweißen auf die
Vorderseite des waferförmigen Substrats aufgebracht, wobei unter Wafer Bonden ein Glas-Frit-Bonding, ein eutekitscher oder ein anodischer Bond zu verstehen ist.
Unterschiedliche Bondverfahren erlauben andere Prozessführung, insbesondere auf einer vorliegenden Grenzschicht von waferförmigen Substrat und waferförmigen Kappensubstrat. Des Weiteren haben unterschiedliche Bondverfahren unterschiedliche Medienresistenz in Kombination mit realisierbarer Strukturbreite.
Alternativ kann ein Klebeschritt auch nach dem Löten, Bonden oder Schweißen des waferförmigen Kappensubstrats durchgeführt werden. Dies kann der zusätzlichen Fixierung des waferförmigen Kappensubstrats oder der Versiegelung der
Membrananordung dienen. Das waferförmige Kappensubstrat kann somit flexibel durch unterschiedliche Verfahren am waferförmigen Substrat angeordnet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei einem Aufbringen des waferförmigen Kappensubstrats auf das waferförmige Substrat mindestens ein in Richtung der Vorderseite des waferförmigen Kappensubstrats offenes oder geschlossenes Referenzvolumen zwischen der mindestens einen Referenzmembran und dem waferförmigen Kappensubstrat und/oder zwischen der mindestens einen Messmembran und dem waferförmigen Kappensubstrat gebildet. Hierfür kann das waferförmige Kappensubstrat im Vorfeld eingebrachte Ausnehmungen im Bereich der mindestens einen Referenzmembran und/oder im Bereich der mindestens einen Messmembran aufweisen. Diese Ausnehmungen können sich durch eine Dicke des waferförmigen Kappensubstrats hindurch erstrecken und somit einen Gasdurchgang durch das waferförmige Kappensubstrat bilden.
Alternativ oder zusätzlich kann das waferförmige Kappensubstrat zusätzliche Volumen über den Membranen bilden, welche beispielsweise mit einem
Referenzgas gefüllt sein können.
Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das mindestens eine von der Vorderseite des waferförmigen Substrats unter Bildung der Messmembran in das waferförmige Substrat eingebrachte
Messvolumen von der Rückseite des waferförmigen Substrats gasleitend geöffnet. Dabei kann das Messvolumen rückseitig offen in dem waferförmigen Substrat eingebracht sein oder durch zusätzlich in das waferförmige Substrat eingebrachte Öffnungen gasleitend ausgestaltet sein.
Der Vorteil einer Einbringung eines Referenzvolumens von der Vorderseite und des Messvolumens von der Rückseite besteht darin, dass unterschiedliche Gase von der Vorderseite und der Rückseite zugeführt werden können. Es ist beispielsweise möglich Luft von der Vorderseite und Wasserstoff von der Rückseite zuzuführen.
Beispielsweise können Kanäle und Öffnungen durch Trench prozesse in die rückseitige Wandung des mindestens einen Messvolumens eingebracht werden. Die Dimension der Öffnungen ist hierbei derart ausgeprägt, dass gasförmige Medien in das mindestens eine Messvolumen hineingelangen können. Dabei können Partikel und Aerosole aufgrund ihrer Teilchengröße nicht durch die
Verbindung in das mindestens eine Messvolumen gelangen.
Alternativ kann das mindestens eine Messvolumen kann durch einen nasschemischen Prozess sehr kostengünstig geöffnet werden.
Durch die Art der erfindungsgemäßen Prozessführung der Erzeugung des
Referenzvolumens von der Vorderseite des waferförmigen Substrats kann eine Abdichtung des Referenzvolumens in Richtung einer Rückseite des
waferförmigen Substrats entfallen, da ein geschlossenes Referenzvolumen entsteht, welches nicht extra durch beispielsweise einen separaten Sockelwafer verschlossen werden muss.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das mindestens eine Messvolumen rückseitig durch einen auf die Rückseite des waferförmigen Substrats angewandten Ätzprozess gasleitend geöffnet.
Dieser Ätzprozess kann ein Trenchprozess, ein Trockenätzprozess, ein
Nassätzprozess und/ oder eine Kombination der Schritte oder ähnliches sein.
Das im waferförmigen Substrat eingebrachte mindestens eine Messvolumen und/oder das Referenzvolumen kann in Richtung der Rückseite des
waferförmigen Substrats durch eine Porös-Halbleiter-Technologie, wie
beispielsweise PorSi-Technologie, gasleitend modifiziert werden.
Das Referenzvolumen kann hierbei auf dieselbe Art wie das Messvolumen nur von der Vorderseite der Anordnung aus geöffnet werden. Dies hätte den Vorteil, dass die Wheatstonsche Brücke aufgrund höherer Symmetrie mit dem
Messvolumen leichter abstimmbar ist.
Ein Vorteil einer porösen Halbleiterstruktur im mindestens einem Messvolumen besteht drin, dass die Halbleiterstruktur eine große Oberfläche und mit
einstellbaren Porengrößen aufweist und somit Filterfunktion gegenüber anderen Gasen und/der Partikeln übernehmen kann. Die poröse Struktur ist derart
ausgeprägt, dass Partikel, Aerosole oder Leuchtfeuchtigkeit aufgrund der
Teilchengröße nicht in das mindestens eine Messvolumen gelangen können. Bei einer Prozessführung mit PorSi ist eine poröse Halbleiterstruktur ohnehin
angelegt und die Offenporigkeit kann über die Prozessführung eingestellt
werden. io
Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf der Rückseite des waferförmigen Substrats ein Dichtmittel angeordnet. Der abzudichtende Querschnitt der Rückseite des waferförmigen Substrats kann durch die gasleitende Zuführung zum Messvolumen verkleinert werden, sodass eine Abdichtung gegen Feuchte und andere Umwelteinflüsse mittels breiter
Dichtungsringe, die beispielweise für eine Medienresistenz verwendet werden, im Bereich des mindestens einen Messvolumens technisch einfacher ausgeführt sein kann.
Ein Vorteil des angebrachten Dichtmittels besteht darin, dass das unterhalb des Messvolumens befindliche Gas beispielsweise ein Wasserstoff-Feuchte-Gemisch in einem Abluftrohr von einem zweiten Gas, das sich oberhalb des waferförmigen Substrats befindet, wie beispielsweise Umgebungsluft, getrennt werden kann.
Ein besonderer Vorteil liegt darin, dass dadurch die Bondpads und Bonddrähte von einem sie beschädigenden Gas oder sonstigem Bestandteil der Luft (Feuchtigkeit) getrennt werden können. Das Dichtmittel sitzt insbesondere auf der Rückseite, da die dort vorliegenden dielektrischen Schichten besonders feuchtestabil sind. Denkbar ist ebenfalls das Dichtmittel auf der Vorderseite anzuordnen, wenn es um andere Dichtfunktionen geht, beispielsweise Staub.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die mindestens eine Referenzmembran und die mindestens eine
Messmembran mindestens ein Wiederstand und mindestens eine elektrische leitfähige Verbindung angeordnet, wobei das mit dem waferförmigen
Kappensubstrat verbundene waferförmige Substrat in mindestens zwei
Membrananordnungen separiert wird. Insbesondere kann hierdurch eine
Wheatston’sche Brückenschaltung auf die Membrananordnung vor einem
Separationsschritt aufgebracht werden. Hierdurch kann technisch einfach eine Vielzahl an Membrananordnungen gleichzeitig bearbeitet bzw. hergestellt werden.
Die Umsetzung der Brückenschaltung kann auf einem einzelnen Chip in der Ausführungsform von mindestens einer Doppelmembran stattfinden oder auf einem Chip mit einer Membran, bei der die Kappe Mess- und Referenzvolumen bereitstellt und voneinander trennt. Das Sensorsignal eines derartigen Sensors kann durch sich ändernde Umgebungsbedingungen oder eine Alterung des
Chips bzw. der verwendeten Metalle und damit einhergehendem Drift des
Widerstandes nicht verändert, da alle Widerstände der Brückenschaltung den gleichen Schwankungen unterworfen sind und die Brückenspannung sich somit nicht ändert.
Des Weiteren können sich fertigungstechnische Schwankungen in den auf die Membrananordnung aufgebrachten Widerständen auf eine Leistungsfähigkeit des Sensors auswirken, da die Widerstände der Brückenschaltung in
unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind und somit diesen
Schwankungen im gleichen Maße unterworfen sind. Wenn alle Widerstände in einer Brückenschaltung die gleichen Schwankungen erfahren, hat dies einen geringen Einfluss auf eine resultierende Brückenspannung.
Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens ein Referenzvolumen unter Bildung einer das Referenzvolumen zumindest bereichsweise bedeckenden Referenzmembran von einer Vorderseite in das waferförmige Substrat durch einen PorSi-Prozess mit oder ohne anschließendem Entfernen eines porösen Siliziums eingebracht.
Des Weiteren wird gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mindestens ein Referenzvolumen unter Bildung einer das
Referenzvolumen zumindest bereichsweise bedeckenden Referenzmembran und ein zunächst geschlossenes Messvolumen unter Bildung einer das
Messvolumen zumindest teilweise bedeckenden Messmembran von einer Vorderseite in das waferförmige Substrat durch einen PorSi-Prozess mit oder ohne anschließendem Entfernen des porösen Siliziums eingebracht.
Bei der Prozessführung mit PorSi können das Referenzvolumen und das Messvolumen gleichzeitig oder einzeln eingebracht werden. Anschließend besteht die Möglichkeit diese Hohlräume je nach gewünschter späterer
Anwendung zur Oberseite und/ oder Rückseite zu öffnen.
Bei einer Prozessführung mit PorSi kann das waferförmige Kappensubstrat entfallen, was den Prozessfluss weiter verschlankt. Des Weiteren kann die Stabilität der Referenz- und/ oder Messmembran erhöht werden, indem sie von einer porösen Struktur unterstützt wird, dadurch kann bei höheren Drücken im Referenzvolumen und/oder Messvolumen gemessen werden. Ein Vorteil der Prozessführung mittels ProSi-Prozess, ist das im mindestens einen Referenz- und/oder Messvolumen gezielt eine Filterfunktion durch das poröse Silizium realisiert werden. Die poröse Halbleiterstruktur besitzt eine große Oberfläche und mit über die Prozessführung einstellbaren Porengrößen und kann somit Filterfunktion gegenüber unerwünschten Partikel, Aerosolen und/ oder Leuchtfeuchtigkeit übernehmen. Unerwünschte Komponenten können aufgrund der Teilchengröße nicht in das mindestens eine Referenz- und/oder Messvolumen gelangen. Dies könnte von besonderem Vorteil sein, wenn das zu messende Gas- und/oder Gasgemisch verschmutzt ist.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Membrananordnung für einen Sensor zum kalorimetrischen Detektieren von Gasen, hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren bereitgestellt. Die Membrananordnung weist einen mit einem Substratabschnitt verbundenen Kappensubstratabschnitt und mindestens ein in den Substratabschnitt eingebrachtes Referenzvolumen, welches in Richtung des Kappensubstratabschnitts von einer Referenzmembran zumindest einseitig begrenzt ist auf. Des Weiteren weist die Membrananordnung mindestens ein in den Substratabschnitt eingebrachtes Messvolumen, welches in Richtung des Kappensubstratabschnitts von einer einseitigen Messmembran begrenzt ist auf, wobei die Referenzmembran bevorzugt zumindest
bereichsweise in Richtung einer Vorderseite des Kappensubstratabschnitts fluidleitend geöffnet wird. Das Messvolumen wird in Richtung einer Rückseite des Substratabschnitts fluidleitend ausgestaltet.
Eine gemäß dem Verfahren hergestellte Membrananordnung für einen Sensor zum kalorimetrischen Detektieren von Gasen weist mindestens ein Messvolumen mit einem Gaszugang von der Rückseite des waferförmigen Substrats und mindestens ein Referenzvolumen, welches in Richtung der Rückseite des waferförmigen Substrats geschlossen ist. Das geschlossene Referenzvolumen kann als Referenz für die Gasmessung, beispielsweise bei der Verwendung einer Wheatstone’schen Messbrücke im Metalllayer, verwendet werden.
Die Membrananordnung kann beispielsweise für eine Ausgestaltung als ein Doppelmembranchip eingesetzt werden, bei dem eine Kaverne bzw. ein
Messvolumen beispielsweise von der Rückseite des waferförmigen Substrats offen ist und damit einen Gaszugang aufweist, wobei das benachbarte
Referenzvolumen von dieser Zugangsseite abgeschlossen ist (s. PA 13). Eine räumliche Trennung der Referenzmembran von der Messmembran erweist sich als besonders günstig, da sie in Zusammenwirkung mit den elektrisch leitfähigen Strukturen einen Referenzwiderstand bilden kann, um etwaige Änderungen, wie zum Beispiel Feuchte und Temperatur und/oder andere, in der Umgebung von dem Messsignal zu entkoppeln.
Ein weiterer Vorteil des Referenzvolumens besteht darin, dass ein definiertes Gas und/oder Gasgemisch eingeschlossen werden kann und somit relativ zu diesem gemessen werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Bauteil, insbesondere ein Sensor, mit einer erfindungsgemäßen Membrananordnung bereitgestellt.
Die Membrananordnung kann vorzugsweise ein Abschnitt einer Waferanordnung sein, welche gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet und
anschließend in eine Vielzahl an Abschnitten separiert wurde. Durch die
entgegengesetzt eingebrachten Öffnungen des Messvolumens und des
Referenzvolumens kann ein Gasstrom technisch einfach in die jeweiligen
Volumina geführt werden. Insbesondere kann eine hermetische Abschirmung des Referenzvolumens durch den Kappensubstratabschnitt realisiert werden.
Eine hermetische Abschirmung kann ebenfalls realisiert werden, indem das
Referenzvolumen nicht gasleitend geöffnet wird oder nach dem Befüllen mit einem Referenzgas wieder verschlossen wird. Hierdurch können äußere
Einflüsse auf eine Messung, beispielsweise einer Wasserstoffkonzentration, reduziert werden, wodurch eine Steuerungselektronik zum Betreiben des auf der Membrananordnung basierenden Sensors technisch einfacher und
kosteneffizienter ausgestaltet sein kann.
Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen
Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Gegenstände näher erläutert. Hierbei zeigen
Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine Membrananordnung gemäß
einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch eine Membrananordnung gemäß
einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen einer Membrananordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf.
Die Figur 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine Membrananordnung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Membrananordnung 1 ist hier ein Abschnitt aus einem Wafer mit einer Vielzahl an Membrananord- nungen 1 , welche durch einen Separationsvorgang voneinander getrennt wurden.
Die Membrananordnung 1 ist als eine Anordnung für einen Doppelmembranchip ausgestaltet und kann nach einem Herstellungsprozess für Schichten einer Membran, beispielsweise einer ONO-Membran (Oxid-Nitrid-Oxid) mit mindestens einer darin enthaltenen Leiterbahn, beispielsweise aus dem Metall Platin, Gold, Silber, Kupfer, Molybdän, Wolfram oder nicht-metallische leitende Schichten wie Polysilzium oder einem ähnlichen Material. Alternativ kann die Membran aus jeweils nur Oxid, nur Nitrid oder einer Mischungen aus beiden bestehen. Die Anordnung 1 weist eine Referenzmembran 2 auf, welche durch einen
Oberflächen- oder volumenmikromechanischen oder PorSi-Prozess, letzterer ggf. in Kombination mit einem Trockenätzschritt zum Entfernen der porösen
Silizumstruktur in einem waferförmigen Substrat 4 hergestellt wurde. Dabei entsteht zeitgleich ein Referenzvolumen 6, welches von der Referenzmembran 2 in Richtung einer Vorderseite V des waferförmigen Substrats 4 begrenzt wird. Die Referenzmembran 2 ist hier zumindest bereichsweise offen, sodass ein
Gasaustausch mit dem Referenzvolumen 6 stattfinden kann.
Die Anordnung 1 weist ein waferförmiges Kappensubstrat 8 auf, welches nach dem Herstellen der Referenzmembran 2 auf das waferförmige Substrat 4 aufgebracht wurde. Das waferförmige Kappensubstrat 8 weist im Bereich von Membranen 2, 10 Aussparungen 7 auf, welche sich durch das waferförmige Kappensubstrat 8 hindurch erstrecken. Die Bereiche 2 und 10 können auch miteinander verbunden sein. Gemäß dem Ausführungsbeispiel weisen die Aussparungen 7 schräge Flanken auf, diese können durch einen Nassätzprozess verursacht werden. Die Aussparungen 7 können jedoch auch mit anderen Materialabtragsverfahren wie beispielsweise Trenchen, in das waferförmige Kappensubstrat 8 eingebracht werden. Das waferförmige Kappensubstrat 8 ist durch Wafer-Bonden mit Glasfrit auf dem waferförmigen Substrat 4 angeordnet. Durch das waferförmige Kappensubstrat 8 erhält die Anordnung 1 zusätzliche Stabilität.
Des Weiteren weist die Anordnung 1 eine der Referenzmembran 2 benachbarte Messmembran 10 auf. Die Messmembran 10 wurde in das waferförmige Substrat 4 bei einer weiteren Bearbeitung mit einer sogenannten„face down“ Orientierung der Anordnung 1 hergestellt. Dabei wurde von der Rückseite R des
waferförmigen Substrats ein Ätzverfahren zum Erzeugen eines Messvolumens 14 angewandt. Das Messvolumen 14 ist in Richtung der Rückseite R offen ausgestaltet und ermöglicht somit einen ungehinderten Gasdurchfluss zur Messmembran 10, aber nicht durch sie hindurch. Im Falle eines andersartigen Ätzprozesses, der keine Face down-Bearbeitung benötigt, wie zum Beispiel Nassätzen oder der die Anordnung 1 am Rand haltert, kann ggf. auch auf das waferförmige Kappensubstrat 8 verzichtet werden.
Im Bereich des Messvolumens 14 ist an der Rückseite R des waferförmigen Substrats 4 ein Dichtmittel 15 in Form eines Dichtrings 15 angeordnet.
In der Figur 2 ist ein schematischer Schnitt durch eine Membrananordnung 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Im Unterschied zur Membrananordnung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, wurde hier das Messvolumen 14 ebenfalls durch einen Oberflächen- oder
volumenmikromechanischen Prozess oder einen ProSi-Prozess von der
Vorderseite V des waferförmigen Substrats 4 aus, in das waferförmige Substrat 4 eingebracht. Hierbei kann auch ein sogenannter Cloudtrench angewandt werden. Idealerweise wird anschließend eine Beschichtung mit einer ONO-Membran und der eingebetteten Metallstruktur aus Platin durchgeführt. Hierdurch ist das Messvolumen 14 zur Vorder- und zur Rückseite R des waferförmigen Substrats 4 geschlossen und wurde durch einen nachträglichen Schritt, beispielsweise durch einen Trenchprozess oder anderem Ätzprozess gasleitend zur Rückseite R geöffnet. Hierdurch weist das Messvolumen 14 rückseitig angeordnete
Öffnungen 16 auf, welche vorzugsweise verhindern, dass Partikel und
Feuchtigkeit nicht in das Messvolumen 14 gelangen.
Die Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 18 zum
Herstellen einer Membrananordnung 1 gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel. In einem ersten Verfahrensschritt 20 wird ein waferförmiges Substrat 4 bereitgestellt.
Das waferförmige Substrat 4 kann anschließend mit Widerständen bzw. mit elektrisch leitfähigen Verbindungen in Form von einer oder mehrerer
Beschichtungen und deren Strukturierung mittels Lithographie ausgestattet bzw. versehen werden und die elektrisch leitende Schicht wird von elektrisch isolierenden Schichten umhüllt 21. Die leitfähigen Verbindungen bilden vorzugsweise Heiz-Widerstände.
Anschließend wird mindestens ein Referenzvolumen 6 unter Bildung einer das Referenzvolumen 6 zumindest bereichsweise bedeckenden Referenzmembran 2 von einer Vorderseite V in das waferförmige Substrat 4 durch einen Oberflächen-, volumenmikromechanischen Prozess oder einem PorSi mit Trockenätzschritt Prozess eingebracht 22.
Alternativ oder zusätzlich können die elektrischen Leitungen und einhüllenden elektrisch und thermisch isolierenden Schichten gemäß dem Verfahrensschritt 21 auch nach dem Bilden 22 des Referenzvolumens 6 und/ oder Messvolumens 14 auf das waferförmige Substrat 4 aufgebracht werden.
In einem weiteren Schritt 23 wird ein waferförmiges Kappensubstrat 8 auf das waferförmige Substrat 4 aufgebracht und die Waferanordnung umgedreht 24, sodass eine Bearbeitung der Rückseite R durchgeführt werden kann.
Dieser Schritt kann alternativ entfallen.
Dabei wird in einem Schritt 25 mindestens ein zu dem mindestens einen
Referenzvolumen 6 benachbartes Messvolumen 14 von der Rückseite R des waferförmigen Substrats 4 unter Bildung einer Messmembran 10 in das waferförmige Substrat 4 eingebracht. Wenn das Messvolumen 14 bereits hergestellt wurde, kann bei diesem Schritt 25 ein Gaszufluss bzw. eine fluidleitende Verbindung zum Messvolumen 14 von der Rückseite R des waferförmigen Substrats 4 eingebracht werden. In einem letzten Schritt 26 wird das mit dem waferförmigen Kappensubstrat 8 verbundene waferförmige Substrat 4 in mindestens zwei Membrananordnungen 1 separiert.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren (18) zum Herstellen mindestens einer Membrananordnung (1 ) für einen mikromechanischen Sensor zum kalorimetrischen Detektieren von Gasen, wobei
ein waferförmiges Substrat (4) bereitgestellt wird (20),
mindestens ein Referenzvolumen (6) unter Bildung einer das
Referenzvolumen (6) zumindest bereichsweise bedeckenden
Referenzmembran (2) von einer Vorderseite (V) in das waferförmige Substrat (4) durch einen Oberflächen- oder volumenmikromechanischen Prozess eingebracht (22) wird,
mindestens ein zu dem mindestens einen Referenzvolumen (6) benachbartes Messvolumen (14) von einer Rückseite (R) oder der Vorderseite (V) des waferförmigen Substrats (4) unter Bildung einer Messmembran (10) in das waferförmige Substrat (4) eingebracht (25) wird,
ein waferförmiges Kappensubstrat (8) auf die Vorderseite (V) des waferförmigen Substrats (4) aufgebracht wird (23).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das waferförmige Kappensubstrat (8) nach dem Einbringen (22) des Referenzvolumens (4) auf das waferförmige Substrat (4) aufgebracht (23) wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das waferförmige Kappensubstrat (8) nach dem Einbringen (25) des mindestens einen Messvolumens (14) auf das waferförmige Substrat aufgebracht (23) wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das mindestens eine Messvolumen (14) durch Trockenätzung, einen Trenchprozess oder einen Nassätzungsprozess in das waferförmige Substrat (4) eingebracht (25) wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das waferförmige
Kappensubstrat (8) durch anodisches oder eutektisches Bonden, Bonden mit Glas Frit, Kleben, Löten oder Schweißen auf die Vorderseite (V) des waferförmigen Substrats (4) aufgebracht (23) wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei bei einem Aufbringen des waferförmigen Kappensubstrats (8) auf das waferförmige Substrat (4) mindestens ein in Richtung der Vorderseite (V) des waferförmigen
Kappensubstrats (8) offenes oder geschlossenes Referenzvolumen (6) zwischen der mindestens einen Referenzmembran (2) und dem
waferförmigen Kappensubstrat (8) und/oder zwischen der mindestens einen Messmembran (10) und dem waferförmigen Kappensubstrat (8) gebildet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das mindestens eine von der Vorderseite (V) des waferförmigen Substrats (4) unter Bildung der Messmembran (10) in das waferförmige Substrat (4) eingebrachte
Messvolumen (14) von der Rückseite (R) des waferförmigen Substrats (4) gasleitend geöffnet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das mindestens eine Messvolumen (14) rückseitig durch einen auf die Rückseite (R) des waferförmigen Substrats (4) angewandten Materialabtrag oder durch eine auf der Rückseite (R) des waferförmigen Substrats (4) eingebrachte poröse Halbleiterstruktur (16) gasleitend geöffnet wird und falls nötig eine poröse Siliziumstruktur entfernt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei auf der Rückseite (R) des waferförmigen Substrats (4) ein Dichtmittel (15) angeordnet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei auf die mindestens eine Referenzmembran (2) und die mindestens eine Messmembran (10) mindestens ein Widerstand und mindestens eine elektrische leitfähige Verbindung angeordnet (21 ) wird, wobei das mit dem waferförmigen
Kappensubstrat (8) verbundene waferförmige Substrat (4) in mindestens zwei Membrananordnungen (1 ) separiert (26) wird.
1 1. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei mindestens ein
Referenzvolumen (6) unter Bildung einer das Referenzvolumen (6) zumindest bereichsweise bedeckenden Referenzmembran (2) von einer Vorderseite (V) in das waferförmige Substrat (4) durch einen PorSi-Prozess mit oder ohne anschließendem Entfernen eines porösen Siliziums eingebracht (22) wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei mindestens ein
Referenzvolumen (6) unter Bildung einer das Referenzvolumen (6) zumindest bereichsweise bedeckenden Referenzmembran (2) und ein zunächst geschlossenes Messvolumen (14) unter Bildung einer das Messvolumen zumindest teilweise bedeckenden Messmembran (10) von einer Vorderseite (V) in das waferförmige Substrat (4) durch einen PorSi-Prozess mit oder ohne anschließendem Entfernen des porösen Siliziums eingebracht (22) wird.
13. Membrananordnung (1 ) für einen Sensor zum kalorimetrischen Detektieren von Gasen, hergestellt nach einem Verfahren (18) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend
einen mit einem Substratabschnitt (4) verbundenen
Kappensubstratabschnitt (8),
mindestens ein in den Substratabschnitt (4) eingebrachtes
Referenzvolumen (6), welches in Richtung des Kappensubstratabschnitts (8) von einer Referenzmembran (2) einseitig begrenzt ist,
mindestens ein in den Substratabschnitt (4) eingebrachtes Mess- volumen (14), welches in Richtung des Kappensubstratabschnitts (8) von einer Messmembran (10) einseitig begrenzt ist,
wobei die Referenzmembran (2) zumindest bereichsweise in Richtung einer Vorderseite (V) des Kappensubstratabschnitts (8) und das Messvolumen (10) in Richtung einer Rückseite (R) des Substratabschnitts (4) fluidleitend ausgestaltet sind.
14. Bauteil, insbesondere ein Sensor, mit einer Membrananordnung (1 ) nach Anspruch 13.
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