DE10135216A1 - Herstellungsverfahren für ein Dünnschicht-Bauelement, insbesondere einen Dünnschicht-Hochdrucksensor, und Dünnschichtbauelement - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Dünnschicht-Bauelements, insbesondere eines Dünnschicht-Hochdrucksensors, sowie ein Dünnschichtbauelement vorgeschlagen, bei dem auf einer elektrisch nicht leitfähigen Oberfläche einer Membranschicht (10, 20) eine Widerstandsschicht zur Ausbildung von Messelementen, insbesondere Dehnmessstreifen (30), aufgebracht ist, wobei ein Kontaktschichtsystem (41) zur elektrischen Kontaktierung der Messelemente derart auf den Messelementen aufgetragen ist, daß sich zwischen jedem Bereich des Kontaktschichtsystems und der Membranschicht (10, 20) Bereiche der Messelemente (30) befinden. Dies dient zur Bereitstellung insbesondere eines Hochdrucksensors mit symmetrisch ausgestalteten Kapazitäten der Kontakte des Kontaktschichtsystems.

Description

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein Dünnschichtbauelement und ein Dünnschichtbauelement, insbesondere einen Dünnschicht-Hochdrucksensor, welcher ein Substrat aufweist, auf das mindestens eine mit Kontakten zu versehende Funktionsschicht aufzubringen ist. Solche Hochdrucksensoren kommen in zahlreichen Systemen im Kraftfahrzeug zum Einsatz, beispielsweise bei der Benzindirekteinspritzung oder bei Diesel-Common-Rail- Einspritzung. Auch im Bereich der Automatisierungstechnik werden Hochdrucksensoren eingesetzt. Die Funktion dieser Sensoren beruht auf der Umwandlung der durch den Druck hervorgerufenen mechanischen Verformung einer Membran in ein elektrisches Signal mit Hilfe eines Dünnschichtsystems. Aus der DE 100 14 984 sind bereits derartige Dünnschichtsysteme aufweisende Hochdrucksensoren bekannt, die jedoch in der Praxis leicht Schichthaftungsprobleme im Bereich der Kontaktschichten und kapazitive Asymmetrien als Folge fertigungsbedingter Flächenasymmetrien der Kontaktschichten aufweisen können.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise das erfindungsgemäße Dünnschicht-Bauelement mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat demgegenüber den Vorteil, daß Probleme mit Kantenabdeckungen beziehungsweise Kantenabrissen vermieden werden und die Schichthaftung verbessert wird, da das Kontaktschichtsystem auf einem einheitlichen Untergrund abgeschieden wird bzw. da keine oder nur sehr niedrige von den Schichten zu überwindende Stufen vorliegen.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Verfahrens beziehungsweise Dünnschicht- Bauelements möglich.

Besonders vorteilhaft ist, daß dadurch, dass sich zwischen jedem Bereich des Kontaktschichtsystems und der Membranschicht ein Bereich der Messelemente befindet, eine kapazitive Symmetrie gewährleistet wird, da die Fläche und damit die Kapazität der Kontakte (relativ zur Membranschicht) durch die präzise geätzte Widerstandsschicht, nicht aber durch das weniger präzise, in eine Schattenmaske abgeschiedene Kontaktschichtsystem bestimmt wird. Außerdem ist die Schichthaftung verbessert, da das Kontaktschichtsystem auf einem einheitlichen Untergrund abgeschieden wird, und nicht wie bisher, zumindest teilweise auch auf dem isolierenden Untergrund der Membranschicht, auf dem beim Ätzprozess der Widerstandsschicht Rückstände zurückbleiben können, die die Haftung auf dem Untergrund verschlechtern. Ferner liegen überhaupt keine von den Schichten zu überwindende Stufen vor, so daß wirkungsvoll Probleme mit Kantenabdeckungen beziehungsweise Kantenabrissen vermieden werden.

Weiterhin ist es vorteilhaft, die Widerstandsschicht und eine Passivierungsschicht gemeinsam zu ätzen, da auf diesem Wege unter Einsparung einer Maskenebene eine erhöhte Ausbeute erzielt werden kann. Darüber hinaus wird vermieden, daß die Bondbarkeit durch Rückstände gestört wird, die entstehen können, wenn eine Passivierungsschicht durch eine Schattenmaske hindurch aufgebracht wird.

Weiterhin ist es vorteilhaft, dass als Material für die Widerstandsschicht Nickelchrom oder Nickelchromsilizium verwendet wird. Dadurch kann auf den PECVD-Prozessschritt bei über 500°C zur Abscheidung des Poly-Siliziums als Widerstandsschicht verzichtet werden und statt dessen ein Sputterprozess zur Abscheidung des Nickelchrom bzw. des Nickelchromsiliziums verwendet werden, der bereits bei 130°C und darunter anwendbar ist. Dadurch kann die maximale Prozesstemperatur deutlich reduziert werden.

Weitere Vorteile ergeben sich durch die weiteren in den abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung genannten Merkmale.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein erstes erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren, Fig. 2 Verfahrensschritte eines zweiten erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens, Fig. 3 ein drittes erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren, Fig. 4 einen Verfahrensschritt eines vierten Herstellungsverfahrens und Fig. 5 Verfahrensschritte eines fünften Herstellungsverfahrens.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt ein erstes erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von Hochdrucksensoren. Zunächst wird (Fig. 1a) ganzflächig auf die zu beschichtende Oberfläche einer Stahlmembran 10 eine Isolationsschicht 20 aufgebracht. Anschließend wird die eigentliche Funktionsschicht für Dehnmessstreifen ganzflächig aufgebracht; diese Dehnmessstreifen 30 werden dann in einem weiteren Schritt mit Hilfe eines photolithographischen Strukturierungsschrittes erzeugt (Fig. 1b). Daran anschließend wird die Kontaktschicht bzw. das Kontaktschichtsystem 40 aufgebracht, die bzw. das zumeist ebenfalls photolithographisch strukturiert wird (Fig. 1c). Alternativ zur photolithographischen Strukturierung der Kontaktschicht 40 wird auch die Schattenmaskentechnik eingesetzt. Zur Einstellung der gewünschten elektrischen Eigenschaften schließt daran häufig ein Abgleichvorgang an, insbesondere zur Einstellung der Symmetrie einer durch mehrere herausstrukturierte piezoresistive Dehnmessstreifen beziehungsweise Widerstandselemente gebildeten Wheatstoneschen Brücke. In einem weiteren Schritt (Fig. 1d) wird eine Passivierungsschicht 50 aufgebracht, deren Strukturierung ebenfalls entweder photolithographisch oder durch Anwendung der Schattenmaskentechnik erfolgt. Wenn die Strukturierung der Passivierungsschicht photolithographisch erfolgt, geschieht dies mittels einer Photolackmaske und einem Plasmaätzschritt, bei dem als Ätzgas vorzugsweise ein CF4/O2 Gasgemisch verwendet wird. Wenn die Strukturierung der Passivierungsschicht mittels der Schattenmaskentechnik erfolgt, wird die Lage der Öffnung der Schattenmaske so gewählt, dass ein Auftragen ausschließlich an geeigneten Positionen oder Orten erfolgt.

In einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden, wie in Fig. 1a und 1b gezeigt, eine Isolationsschicht 20 auf die Stahlmembran 10, anschließend auf die Isolationsschicht 20 eine Widerstandsschicht aufgebracht und in einem weiteren Schritt die Widerstandsschicht zu Dehnmessstreifen beziehungsweise Widerstandselementen 30 strukturiert. Als Isolationsschicht wird beispielsweise eine 10 Mikrometer dicke Siliziumoxidschicht verwendet, die in einem PECVD-Verfahren (PECVD = Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) aufgetragen wird. Als Widerstandsschicht wird eine 500 Nanometer dicke Polysiliziumschicht oder eine 50 Nanometer dicke Nickelchrom- oder Nickelchromsilizium- Schicht aufgebracht, die im Falle des Polysiliziums über einen Photolithographieschritt und einen anschließenden Plasmaätzschritt und im Falle des Nickelchroms oder des Nickelchromsiliziums über einen Nassätzschritt strukturiert wird.

Erfindungsgemäß wird, um beim anschließenden Auftrag des Kontaktschichtsystems 40 im Vergleich zur Dicke der Kontaktschicht nur kleine Stufen abzudecken, beim in Fig. 1 gezeigten Verfahren die Widerstandsschicht als ca. 50 Nanometer dicke Nickelchrom- oder Nickelchromsiliziumschicht ausgebildet. Anschließend wird die Kontaktschicht, die in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 40 versehen ist, mittels eines Sputter- oder Aufdampfprozesses aufgebracht. Dies geschieht . entweder mittels einer Schattenmaske oder ganzflächig mit anschließendem Photostrukturierungsprozess mittels eines Ionenstrahlätzschrittes.

Gemäß eines zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Erzeugung des Kontaktschichtsystems wie in Fig. 2 beschrieben verfahren, wobei das Kontaktschichtsystem derart auf den Messelementen aufgetragen wird, dass keine Stufen abgedeckt werden:
Zur Erzeugung des Kontaktschichtsystems 41 wird zunächst eine 500 Nanometer dicke Schichtenfolge aus Nickelchrom, Palladium und anschließend Gold durch eine Schattenmaske hindurch auf die Dehnmessstreifen 30 aufgesputtert oder aufgedampft (Fig. 2a). Die Öffnungen der hierzu verwendeten Schattenmaske liegen hierbei alle innerhalb des Bereichs der zuvor strukturierten Dehnmessstreifen, so daß sich an jeder Stelle des Kontaktschichtsystems 41 zwischen dem Kontaktsystem 41 und der Stahlmembran 10 Bereiche des Dehnmessstreifens 30 befinden. In einem weiteren Schritt (Fig. 2b) wird durch eine weitere Schattenmaske hindurch in einem PECVD-Verfahren eine 500 Nanometer dicke Passivierungsschicht SO aus Siliziumnitrid (Si_xNi_y; x = 3, y = 4) abgeschieden, die die funktionssensitiven Bereiche der Dehnmessstreifen 30 zwischen den Kontakten des Kontaktschichtsystems 41 vor äußeren Einflüssen schützt, um einen störungsfreien Betrieb des Sensorelements unter den Einsatzbedingungen in einem Kraftfahrzeug sicherzustellen.

Fig. 3 zeigt ein drittes erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Hochdrucksensors, bei dem in einem ersten Schritt (Fig. 3a) in einem PECVD-Verfahren eine 10 Mikrometer dicke Siliziumoxid-Isolationsschicht 20 auf eine Stahlmembran 10 aufgebracht wird, auf die anschließend eine Widerstandsschicht 32 aus Polysilizium (500 Nanometer dick) oder aus NiCr (50 Nanometer dick) oder aus NiCrSi (50 Nanometer dick) aufgetragen wird. In einem zweiten Schritt (Fig. 3b) erfolgt das Aufbringen eines 500 Nanometer dicken Kontaktschichtsystems 41 in Schattenmaskentechnik. Als Material wird hierzu Nickel oder eine Schichtenfolge aus Nickelchrom, Palladium und anschließend Gold verwendet. Alternativ kann zur Erzeugung des Kontaktschichtsystems ganzflächig das Kontaktmaterial aufgebracht und anschließend mittels eines Photolithographie- und eines Ätzschrittes eine Strukturierung des aufgebrachten Kontaktmaterials erfolgen. Nachfolgend wird, wie in Fig. 3c dargestellt; ganzflächig eine Siliziumnitridlage 52 und darauf eine Photolackschicht 60 aufgebracht. Der Photolack wird zur Strukturierung der Widerstandsschicht 32 zur Erzeugung der Widerstandselemente beziehungsweise Dehnmessstreifen 30 derart belichtet, daß beim nachfolgenden Entwickeln darüber hinaus sowohl Innenbereiche 43 des Kontaktschichtsystems 41 als auch Randbereiche des Sensors freigelegt bzw. einem Ätzangriff ausgesetzt werden können. Nach der Entwicklung der Photolackschicht 60, dem Wegätzen der Siliziumnitridlage 52 in den Innenbereichen 43, bei dem die Innenbereiche 43 als Ätzstoppschicht dienen, und dem Wegätzen sowohl der Siliziumnitridlage 52 als auch der Widerstandsschicht 32 sowohl zwischen den Kontakten des Kontaktschichtsystems 41 zur Herausbildung der Widerstandselemente als auch in den Randbereichen des Sensorelements resultiert ein noch mit den verbliebenen Teilen der Photolackschicht bedeckter Hochdrucksensor, dessen Dehnmessstreifen 30 mit einer Passivierungsschicht 50 aus Siliziumnitrid bedeckt sind und dessen Kontaktschichtsystem ganzflächig mit nicht entfernten Bereichen der Widerstandsschicht 32 unterlegt ist. Als Ätzverfahren wird hierbei im Falle von Polysilizium als Widerstandsmaterial vorzugsweise ein Plasmaätzprozess unter Einsatz eines Tetrafluorkohlenstoff-Sauerstoff-Gemischs angewandt, im Falle von NiCr oder NiCrSi als Widerstandsmaterial ein nasschemischer Ätzprozess. Nach Beseitigen der restlichen Photolackschicht (Fig. 3e) können in weiteren Schritten die Kontakte des Kontaktschichtsystems mit elektrischen Anschlüssen versehen und die Oberseite des Hochdrucksensors beispielsweise noch mit einem Gehäuse verdeckt werden.

In einer zur in Fig. 3 dargestellten dritten Ausführungsform alternativen Vorgehensweise (viertes Verfahren) kann, anstelle von Siliziumnitrid (Fig. 3c) photoempfindliches BCB (= Benzocyclobuten) als Passivierungslage 52 aufgetragen werden. Das Belichten und Entwickeln von Photolackschicht und BCB-Schicht kann dann gleichzeitig erfolgen, so daß nachfolgend nicht mehr die Passivierungsschicht, sondern nur noch die Widerstandsschicht geätzt werden muß. Nach dem Entfernen der Photolackschicht kann sich dann noch, wie in Fig. 4 gezeigt, ein Erwärmen der Anordnung auf eine Temperatur von beispielsweise 300°C anschließen, um ein leichtes Verfließen (engl. "Reflow") der BCB-Schicht zu erzielen und somit die äußeren Kanten der Dehnmessstreifen 30 auch noch mit der aus der BCB-Lage resultierenden Passivierungsschicht 55 zu bedecken.

In einem weiteren zur in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform alternativen fünften Herstellungsverfahren wird unter Einsatz von Nickelchrom als Widerstandsmaterial auf die Verwendung von Photolack gänzlich verzichtet und, im Anschluß an einer in den Teilfiguren 3a und b dargestellten Vorgehensweise, lediglich eine Lage 57 photoempfindlichen BCB-Materials ganzflächig auf die Oberfläche von Widerstandsschicht 32 beziehungsweise Kontaktschichtsystem 41 aufgesprüht oder aufgedruckt (Fig. 5a). Nach Belichten und Entwickeln der BCB-Lage 57 ist die Widerstandsschicht sowohl in Randbereichen als auch in dem Bereich zwischen den Kontakten derart freigelegt, daß zum einen bereits die erwünschte Passivierungsschicht 58 entsteht und zum anderen ein nachfolgendes nasschemisches Ätzen der Widerstandsschicht an diesen freigelegten Stellen zur gewünschten Strukturierung der Widerstandsschicht zu Dehnmessstreifen 30 führt (Fig. 5b). Ein Verzicht auf eine Photolackschicht ist im Falle von NiCr oder NiCrSi als Widerstandsmaterial und dem Einsatz eines nasschemischen Ätzprozesses möglich, da die BCB-Schicht resistent gegenüber der Säure zum Ätzen des Nickelchroms oder des Nickelchromsiliziums ist. Ein wiederum sich anschließendes "Reflow-Bake" führt zu einer Abrundung der Passivierungsschichtkanten an den Kontakten sowie insbesondere zu einer Passivierung auch der Kantenbereiche der Dehnmessstreifen 30 infolge der sich ausbildenden umgeformten Passivierungsschicht 59.

Alternativ kann auch wie in der DE 100 14 984 beschrieben eine Strukturierung der Widerstandsschicht mit einem Laserverfahren erfolgen.

Die Einheit von (Edel-)Stahlmembran 10 und Isolationsschicht 20 kann auch wahlweise durch eine Glasmembran ersetzt werden.

In einer weiteren Alternative kann die Isolationsschicht aus anderen organischen oder anorganischen Schichten bestehen, beispielsweise aus "HSQ" (engl. "Hydrogen Silsesguioxan") von Dow Corning, aus "SiLK" von Dow Chemical oder aus. "Flare" von Allied Signal.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung eines Dünnschicht-Bauelements, insbesondere eines Dünnschicht-Hochdrucksensors, bei dem auf einer elektrisch nicht leitfähigen Oberfläche einer Membranschicht (10, 20) eine Widerstandsschicht zur Ausbildung von Messelementen, insbesondere Dehnmessstreifen (30), aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kontaktschichtsystem (40, 41) zur elektrischen Kontaktierung der Messelemente derart auf den Messelementen aufgetragen wird, daß keine Stufen oder im Vergleich zur Dicke der Kontaktschicht nur kleine Stufen abgedeckt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktschichtsystem (41) derart auf den Messelementen aufgetragen wird, daß sich zwischen jedem Bereich des Kontaktschichtsystems und der Membranschicht (10, 20) ein Bereich der Messelemente (30) befindet.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Auftragen des Kontaktschichtsystems mittels eines Sputterprozesses oder eines Aufdampfprozesses durch die Öffnungen einer Schattenmaske hindurch erfolgt, wobei die Lage der Öffnungen so gewählt ist, daß ein Auftragen ausschließlich auf der Widerstandsschicht erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht zunächst ganzflächig aufgetragen, und in einem weiteren Schritt die Widerstandsschicht photolithographisch oder mittels eines Laserverfahrens strukturiert wird, so daß die laterale Ausdehnung der strukturierten Widerstandsschicht beziehungsweise der Messelemente an allen Stellen größer ist als die Öffnungen in der nachfolgend zum Auftragen des Kontaktschichtsystems verwendeten Schattenmaske.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht zunächst ganzflächig aufgetragen wird, in einem weiteren Schritt das Kontaktschichtsystem auf die Widerstandsschicht aufgebracht und in einem weiteren Schritt die Anordnung ganzflächig mit einer Passivierungsschicht versehen wird, wobei nachfolgend die Strukturierung der Widerstandsschicht und der Passivierungsschicht mittels nur einer Ätzmaske erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzmaske durch Auftragen, Belichten und Entwickeln einer Photolackschicht auf der Passivierungsschicht hergestellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Passivierungsschicht fotoempfindliches BCB verwendet wird, so daß mit der Photolackschicht gleichzeitig die Passivierungsschicht mitbelichtet und mitentwickelt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Widerstandsschicht (30) Nickelchrom oder Nickelchromsilizium verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Widerstandsschicht Nickelchrom oder Nickelchromsilizium und als gleichzeitig als Ätzmaske dienende Passivierungsschicht eine Schicht aus BCB-Material verwendet wird, ohne zusätzlich eine Photolackschicht aufzutragen.

10. Dünnschicht-Bauelement, insbesondere Dünnschicht- Hochdrucksensor, bei dem auf einer elektrisch nicht leitfähigen Oberfläche einer Membranschicht (10, 20) eine Widerstandsschicht zur Ausbildung von Messelementen, insbesondere Dehnmessstreifen (30), aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontaktschichtsystem (40, 41) zur elektrischen Kontaktierung der Messelemente derart auf den Messelementen aufgetragen wird, daß keine Stufen oder im Vergleich zur Dicke der Kontaktschicht nur kleine Stufen abgedeckt werden.

11. Dünnschicht-Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktschichtsystem (41) zur elektrischen Kontaktierung der Messelemente derart auf den Messelementen aufgetragen ist, daß sich zwischen jedem Bereich des Kontaktschichtsystems und der Membranschicht (10,20) Bereiche der Messelemente (30) befinden.