DE19857549B4

DE19857549B4 - Sensor mit einer Membran und Verfahren zur Herstellung des Sensors mit einer Membran

Info

Publication number: DE19857549B4
Application number: DE19857549A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr. Goebel; Christoph Kampshoff
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-12-14
Filing date: 1998-12-14
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2018-12-15
Also published as: DE19857549A1

Abstract

Sensor mit einem Rahmen (1) und einer auf dem Rahmen (1) aufgespannten Membran (2), wobei die Membran (2) streifenförmige Rippen (14) mit einer im Vergleich zur sonstigen Dicke der Membran (2) erhöhten Dicke aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die streifenförmigen Rippen (14) über die Membran (2) hinaus auf den Rahmen (1) ausdehnen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Sensor bzw. von einem Verfahren nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche. Es sind bereits Sensoren, insbesondere Massenflußsensoren, bekannt, die einen Rahmen 1 und darin eingespannt eine Membran 2 aufweisen. Üblicherweise besteht dabei der Rahmen 1 aus einkristallinem Silizium und die Membran 2 aus dielektrischen Materialien. Auf der Membran werden dünne strukturierte Metallschichten abgeschieden, um Heizer, Temperaturelemente oder dergleichen zu erzeugen. Zur Herstellung derartiger Massenflußsensoren werden Siliziumsubstrate verwendet, auf deren Oberseite dielektrische Schichten für die Membran abgeschieden werden. Durch Ätzen des Siliziumsubstrats unterhalb dieser Schichten werden dann die Membranen gebildet.
Aus der JP 09-210748 A ist ein Membransensor bekannt, bei dem zur Erhöhung der Wärmeabstrahlung des Heizers Rippen in die Oberfläche der Membran eingebracht worden sind. Dabei ist vorgesehen, den Heizer und die Rippen zentral auf dem Substrat 1 und darunter eine Ausnehmung zu erzeugen.
Die Schriften DE 42 18 789 A1 , DE 195 27 314 A1 , JP 07-055523 A und JP 61-186820 A beschreiben ebenfalls Membransensoren mit einer darunter befindlichen Kaverne. Die Membranen weisen dabei jeweils Verdickungen auf, die auf den Bereich oberhalb der Kaverne begrenzt sind.
Der erfindungsgemäße Sensor bzw. die erfindungsgemäßen Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche haben demgegenüber den Vorteil, daß die Membranen der Sensoren eine erhöhte Stabilität aufweisen.
Dies wird erreicht, ohne daß damit eine nennenswerte generelle Verdickung der Membran erforderlich ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der technischen Lehre der unabhängigen Patentansprüche ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche. Zur Erhöhung der Stabilität können die streifenförmigen Rippen entweder parallel oder mit Winkeln zu den Rändern von rechteckigen Membranen angeordnet werden. Als Materialien für die Membranen eignen sich Siliziumoxid und Siliziumnitrid.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 das grundlegende Prinzip der Sensoren, 2 bis 4 ein erstes Herstellungsverfahren, 5 bis 7 ein zweites Herstellungsverfahren und die 8 bis 11 verschiedene Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Sensoren.
Beschreibung
In der 1 wird eine Aufsicht auf einen Sensor gezeigt. Der Sensor weist einen Rahmen 1 aus einkristallinem Silizium auf, in dem eine dielektrische Membran 2 eingespannt ist. Auf der Membran 2 ist ein Heizer 3 und zu jeder Seite des Heizers 3 ein Temperaturmeßelement 4 angeordnet. Der Heizer 3 und die Temperaturmeßelemente 4 sind mit Anschlußbereichen 5 verbunden, wobei auf den Anschlußbereichen 5 Drähte aufgebracht werden können, die zur Kontaktierung des Heizers 3 bzw. der Temperaturmeßelemente 4 dienen. In der 1 ist hier exemplarisch ein Massenflußsensor gezeigt, bei dem durch erwärmen des Heizers 3 und Messung der Temperatur durch die Temperaturmeßelemente 4 eine vorbeiströmende Gasmenge bestimmt wird. Die Erfindung ist jedoch für alle Sensoren geeignet, die eine Membran 2 aufweisen, die von einem Rahmen 1 gehalten wird. Im vorliegenden Fall verhält es sich so, daß der Rahmen 1 aus einkristallinem Silizium besteht und die Membran 2 als dielektrische Membran aus Siliziumoxid bzw. Siliziumnitrid oder dergleichen besteht. Der Heizer 3 und die Temperaturmeßelemente 4 bestehen aus dünnen aufgebrachten Metallschichten, beispielsweise dünnen Platinschichten.
Dünne Membranen neigen zum Reißen, wenn sie mechanisch belastet werden. Die Erfindung befaßt sich nun damit, die mechanische Festigkeit von Membranen zu verbessern. Der Erfindung liegt der Effekt zugrunde, daß zwei aufeinander aufgebrachte Schichten dadurch deutlich an Steifigkeit zunehmen, daß die untere Schicht ein Oberflächenrelief aufweist, auf das die zweite Schicht mechanisch stabil verbindend aufgebracht wird. Die Versteifung und Verfestigung gegen Durchbiegen des Schichtsystems wird nicht zuletzt dadurch erreicht, daß sich die zweite obere Schicht in der dritten Dimension ausdehnt, d. h. daß die Membran ein Profil bekommt. Zur weiteren Verfestigung der Membran wird das Profil ausreichend weit auf die Rahmenstruktur ausgedehnt, so daß auch kein Abbrechen der versteiften Membran passieren kann.
Die Erfindung wird nun anhand eines ersten Ausführungsbeispieles erläutert, welches in dem Herstellungsprozeß nach den 2 bis 4 erläutert wird.
In der 2 wird ein Querschnitt durch ein Siliziumsubstrat 10 gezeigt, auf dem durch thermische Oxidation eine Siliziumoxidschicht 11 aufgebracht worden ist. Eine typische Dicke für diese Oxidschicht liegt bei ca. 570 nm. Auf der Oxidschicht wird nun ein Fotolack 12 aufgebracht und strukturiert. Die Strukturierung der Fotolackschicht 12 erfolgt dabei so, daß längliche Streifen entstehen. Diese Streifenstrukturen sind dabei so ausgebildet, daß sie sich vollständig in dem Bereich erstrecken, in dem später die Membran 2 ausgebildet wird und auch darüber hinaus noch auf den Rahmen 1 reichen. Die verschiedenen Möglichkeiten zur Anordnung der Streifen werden in den 8 bis 11 erläutert.
Anschließend erfolgt ein Ätzschritt, in dem die freiliegenden Bereiche der Siliziumdioxidschicht 11, d. h. die Bereiche die nicht von der Fotolackschicht 12 bedeckt sind, geätzt werden. Das Ergebnis dieses Ätzschrittes wird in der 3 dargestellt. Die Ätzung kann beispielsweise durch Eintauchen der gesamten Struktur in Flußsäure erfolgen. Das Ergebnis dieses Schrittes wird in der 3 dargestellt. Durch Einätzen sind nun Grabenstrukturen 13 in die Siliziumdioxidschicht 11 eingebracht worden, zwischen denen (d. h. unterhalb der in der 3 noch dargestellten Fotolackabdeckung 12) Rippenstrukturen 14 stehen bleiben. Die Abmessungen der einzelnen Strukturen sind in der 3 verzerrt dargestellt. Typischerweise haben die Gräben 13 eine Breite (d. h. parallel zur Oberfläche des Siliziumsubstrats 10) eine Abmessung von 40 bis 60 Mikrometern während die Rippenstrukturen typischerweise eine Breite zwischen 5 bis 10 Mikrometern haben. Die Tiefe der eingeätzten Gräben liegt bei der eingangs erwähnten Dicke der Siliziumoxidschicht 11 von 570 nm typischerweise zwischen 60 bis 80 nm. In einem nächsten Verfahrensschritt wird dann der Fotolack 12 entfernt und es werden verschiedene weitere Schichten aufgebracht, die in der 4 durch die Schicht 15 dargestellt sind. In einem ersten Schritt wird dabei auf der Siliziumdioxidschicht 11 eine Siliziumnitridschicht mit einer typischen Dicke von 250 nm abgeschieden. Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Siliziumoxid und Siliziumnitrid wird dabei eine thermische Stabilisierung der Membran erreicht. In einem weiteren Schritt erfolgt dann eine Reoxidation der Siliziumnitridoberfläche, bei der durch Temperaturbehandlung in Sauerstoff die oberen 50 nm der Siliziumnitridschicht wieder in eine Siliziumoxidschicht umgewandelt werden. Dieser Schritt erfolgt um die Haftung einer nachfolgenden Metallschicht, beispielsweise einer Platinschicht zu verbessern. Diese Metallschicht wird anschließend auf die reoxidierte Siliziumoxidschicht aufgebracht. Typischerweise wird dabei eine Platinschicht von ca. 150 nm verwendet. Es erfolgt dann eine Strukturierung dieser Platinschicht um die Metallstrukturen für den Heizer 3, die Temperaturmeßelement 4 und die Anschlußbereiche 5 aus der Platinschicht heraus zu strukturieren. Darauf erfolgt dann noch eine Abscheidung einer ca. 400 nm dicken Siliziumoxidschicht 16, die als Schutzschicht dient. In einem letzten Schritt erfolgt dann ausgehend von der Rückseite des Siliziumsubstrats eine Ätzung des Siliziumsubstrats 10 durch die dann an eine Ausnehmung 100 eingebracht wird, die den Membranbereich 2 definiert.
Wie im Querschnitt durch die 4 zu erkennen ist, wird so eine Membran 2 geschaffen, die in sich profiliert ist, indem einzelne Streifen vorhanden sind, die ca. 60 bis 80 nm dicker sind als der Rest des Membranbereichs 2. Bei den genannten Abmessungen von ca. 60–80 nm Dicke, einer Breite der Streifen von ca. 5 bis 10 Mikrometern und einem Abstand zwischen den Streifen von ca. 40 bis 60 Mikrometern werden nur ca. 2% der Membranfläche verdickt. Dies ist vorteilhaft, da bei einem Massenflußsensor eine generelle Verdickung der Membran zu einer erhöhten Abfuhr von Wärme vom Heizer 3 und einer entsprechenden Verschlechterung der Kennlinie führen würde. Weiterhin ist der Anteil der Verdickung der Membran so gering, daß nur in nicht nennenswerter Weise zusätzliche mechanische Spannungen in die Membran eingebracht werden. Auf der anderen Seite ist jedoch der Stabilitätsgewinn der Membran deutlich höher als 2%, da durch die Verzahnung der Schichten miteinander eine deutlich höhere Stabilität erreicht wird.
Die Erfindung wurde hier im Zusammenhang mit einem Massenflußsensor beschrieben. Sie ist jedoch bei allen Sensoren, die eine Membran nutzen, anwendbar. Dies können insbesondere auch Sensoren sein, die Membranen aus anderen Materialien als Siliziumoxid oder Siliziumnitrid aufweisen.
In den 5 bis 7 wird ein zweites Herstellungsverfahren für die erfindungsgemäßen Sensoren beschrieben.
In der 5 wird ein Querschnitt durch ein Siliziumsubstrat 10 gezeigt, auf dessen Oberseite durch thermische Oxidation eine Siliziumoxidschicht mit einer Dicke von ca. 500 nm abgeschieden wurde. Auf der Siliziumoxidschicht 11 wird anschließend eine ca. 250 nm dicke Schicht aus Siliziumnitrid 21 und darauf eine 60 bis 80 nm dicke Siliziumoxidschicht 22 abgeschieden.
Durch anschließendes Aufbringen einer Fotomaske, Strukturieren der Fotomaske und einen Ätzschritt erfolgt dann eine Strukturierung der oberen Siliziumoxidschicht 22, so daß streifenförmige Bereiche der oberen Oxidschicht 22 verbleiben.
In einem nächsten Schritt erfolgt dann eine Reoxidation, bei der sich auf der Oberfläche der streifenförmigen Bereiche der Oxidschicht 22 bzw. auf der Oberfläche der Siliziumnitridschicht 21 wiederum eine Siliziumoxidschicht 23 in der Dicke von ca. 50 nm bildet. Es ist so wieder eine dielektrische Schichtfolge geschaffen, die streifenförmige Gräben 13 und streifenförmige Rippenbereiche 14 aufweist, wie dies in der 7 gezeigt wird. Die weitere Bearbeitung erfolgt wie zu den Schichten 15 und 16 der 4 beschrieben wurde.
Das Herstellungsverfahren nach den 5 bis 7 stellt ein zweites alternatives Herstellungsverfahren für die erfindungsgemäßen Sensoren dar.
In der 8 wird nun eine Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes Sensorelement mit einem Rahmen 1 und einem Membranbereich 2 gezeigt. Zur Vereinfachung wurde auf eine Darstellung des Heizers 3, der Temperaturmeßelemente 4 und der Anschlußbereiche 5 verzichtet. In der Aufsicht der 8 sind die verdickten Rippen 14 zu erkennen, die hier parallel zu den Schmalseiten des rechteckförmigen Membranbereichs 2 angeordnet sind. In der 9 wird eine andere Aufsicht gezeigt, bei der die Rippen 14 parallel zu den Längsseiten des rechteckförmigen Membranbereichs 2 angeordnet sind.
In der 10 wird eine weitere Aufsicht auf einen Sensor mit einem Rahmen 1 und einer darauf aufgespannten Membran 2 gezeigt. In der Aufsicht der 10 sind streifenförmige Rippenstrukturen 14 zu erkennen, die sich sowohl parallel zu den Längs- wie auch zu den Schmalseiten des rechteckförmigen Membranbereichs 2 erstrecken. Durch diese Ausgestaltung wird eine besonders steife Membran 2 geschaffen.
In der 11 wird eine weitere Aufsicht auf einen Rahmen 1 mit einer Membran 2 gezeigt, wobei hier jedoch Rippenstrukturen 14 in einem Winkel von 45° zu den Seiten des rechteckigen Membranbereichs 2 angeordnet sind.
Die Vorteile liegen darin, daß gerichtete Verspannungen durch Heizen der aufgebrachten Pt-Schicht so je nach Gegebenheiten des konkreten Layout unterschiedlich abgefangen werden können.

Claims

Sensor mit einem Rahmen (1) und einer auf dem Rahmen (1) aufgespannten Membran (2), wobei die Membran (2) streifenförmige Rippen (14) mit einer im Vergleich zur sonstigen Dicke der Membran (2) erhöhten Dicke aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die streifenförmigen Rippen (14) über die Membran (2) hinaus auf den Rahmen (1) ausdehnen.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die streifenförmigen Rippen (14) die mechanische Stabilität der Membran (2) erhöhen.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (2) eine geschlossene Schicht aufweist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (2) eine rechteckförmige Ausgestaltung aufweist, und daß die streifenförmigen Rippen (14) parallel zu Längsseiten und/oder Schmalseiten der rechteckförmigen Membran (2) orientiert sind.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (2) rechteckförmig ausgestaltet ist, und daß die streifenförmigen Rippen (14) mit einem Winkel von 45° zu Längsseiten und/oder Querseiten der rechteckförmigen Membran (2) angeordnet sind.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (2) eine Dicke zwischen 0,5 bis 5 Mikrometer, die Rippen (14) im Vergleich zur Membran (2) eine erhöhte Dicke von 0,05 bis 0,5 Mikrometer, einer Breite von 1 bis 10 Mikrometer und einen Abstand zwischen 10 bis 100 Mikrometer zueinander aufweisen.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (1) aus einkristallinem Silizium und die Membran (2) aus Siliziumoxid und/oder aus Siliziumnitrid ausgebildet sind.
Verfahren zur Herstellung eines Sensors mit einem Rahmen (1) und einer darin eingespannten Membran (2), wobei • auf einem Siliziumsubstrat (10) eine Siliziumoxidschicht (11) erzeugt wird, und • in einem nachfolgenden Schritt mittels einer Fotolackmaske und einem Ätzprozeß streifenförmige Rippenstrukturen in der Siliziumdioxidschicht (11) ausgebildet werden, und • in nachfolgenden Schritten weitere Schichten derart aufgebracht werden, und • die streifenförmigen Rippen (14) bei der fertiggestellten Membran (2) erhalten bleiben, dadurch gekennzeichnet, dass die streifenförmigen Rippen (14) über die Membran hinaus auf den Rahmen (1) erzeugt werden.
Verfahren zur Herstellung eines Sensors mit einem Rahmen (1) und einer Membran (2), wobei • auf einem Siliziumsubstrat (10) zunächst eine Siliziumdioxidschicht (11), darauf eine Siliziumnitridschicht (21) und darauf wieder eine Siliziumoxidschicht (22) erzeugt werden, und • in einem weiteren Schicht mit einer Fotolackmaske und einem Ätzprozeß die oberste Siliziumoxidschicht (22) zu streifenförmigen Rippen (14) strukturiert wird, und • darauf weitere Schichten für die Membran (2) derart abgeschieden werden, daß die Rippen (14) auch bei der fertiggestellten Membran (2) noch erhalten sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (14) über die Membran hinaus auf den Rahmen (1) erzeugt werden.