DE19601592C1 - Sensor und Verfahren zur Herstellung eines Sensors - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Sensor nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs. Aus der EP 0 375 399 ist be­ reits ein Sensor mit einer Mikrobrücke bekannt, auf der ein Heizelement aus Platin angeordnet ist. Derartige Sensoren werden bevorzugt als Massenflußsensoren eingesetzt. Um eine ausreichend gute Haftung der Platinschicht, aus der das Hei­ zelement herausstruktiert ist, auf der dielektrischen Trä­ gerschicht zu gewährleisten, werden Metalloxyde als haftver­ mittelnde Schicht zwischen Pt und Si₃N₄ eingesetzt.

Aus der DE 36 28 017 ist die Verwendung von Siliziumnitrid (Stickstoffsilizid) als Material für die Membran eines ther­ mischen Durchflußsensors bekannt. Auf dieser dielektrischen Schicht wird dann eine Platinschicht für einen Widerstand angeordnet.

Der erfindungsgemäße Sensor beziehungsweise das erfindungs­ gemäße Herstellungsverfahren für einen Sensor mit den kenn­ zeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche hat demgegenüber den Vorteil, daß eine verbesserte Haftung der Platinschicht auf der dielektrischen Trägerschicht erreicht wird, die auch bei Langzeitbelastungen mit gegenüber Raum­ temperatur deutlich erhöhter Temperatur (<250°) und höher Luftfeuchtigkeit beständig bleibt. Weiterhin kann der erfin­ dungsgemäße Sensor mit besonders einfachen Methoden herge­ stellt werden.

Weiterhin hat sich gezeigt, daß die verwendete Haftschicht aus Platinsilizid keinen Einfluß auf die Eigenschaften der Platinschicht, insbesondere auf den Widerstand als Funktion der Temperatur, hat. Im Vergleich zum komplizierten Aufbringen von Metalloxyden läßt sich die Haftschicht aus Platinsilizid besonders einfach herstellen.

Durch die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gegeben. Als Materialien für die Trägerschicht, die als geschlossene Membran über einer Si- Kaverne ausgeführt werden kann, haben sich eine Vielzahl von Materialien, die Silizium enthalten, (SiO₂, Si₃N₄₁ SiO_xN_y usw. nach verschiedenen Beschichtungsverfahren) bewährt. Als Haftschicht zwischen Trägerschicht (Membran) und Platin hatte sich eine dünne Platinsilizidschicht bewährt, die nur geringe thermisch bedingte Verspannungen zusätzlich einbringt. Typische Abmessungen der Platinschicht liegen zwischen 140 und 160 nm. Die Platinsilizidschicht ist in der Regel zwischen 3 und 6 nm dick. Zum Schutz des Heizelements kann eine dielektrische Abdeckschicht vorgesehen werden, wobei zwischen dem Heizelement und der Abdeckschicht eine Haftschicht aus Platinsilizid vorgesehen ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 eine Draufsicht und die Fig. 2 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Sensorelement und Fig. 3 einen vergrößerten Querschnitt durch eine Membran nach der Erfindung.

In der Fig. 1 wird ein Sensor 1 zeigt, bei dem eine Membran 2 in einem Rahmen 3 aus einkristallinem Silizium aufgespannt ist. Auf der Membran 2 ist ein Heizer 4 angeordnet. Zu beiden Seiten des Heizers 4 sind Temperaturfühler 5 angeordnet. Der Heizer 4 und die Temperaturfühler 5 sind über Zuleitungen 6, die auf dem Rahmen 4 angeordnet sind, elektrisch angeschlossen. Die Zuleitungen 6 münden in Anschlußbereichen 7 auf denen Verbindungsdrähte zur Kontaktierung des Heizers 4 und der Temperaturfühler 5 angebracht werden können. In der Fig. 2 wird ein Querschnitt durch den Sensor 1 im Bereich der Membran 2 gezeigt. Wie zu erkennen ist wird der Rahmen 3 und die Abmessungen der Membran 2 durch eine Ausnehmung 8 bestimmt, die sich ausgehend von der Rückseite des Sensors 1 bis zur Membran 2 erstreckt. In der Fig. 2 sind die geometrischen Abmessungen des Heizers und der Temperaturfühler 5 übertrieben dargestellt. Auf der Oberseite ist weiterhin noch eine Abdeckschicht 9 vorgesehen, die die Oberseite der Membran 2 und auch das Heizelement 4 und die Temperaturfühler 5 bedeckt.

Bei dem in den Fig. 2 dargestellten Sensor handelt es sich um einen Massenflußsensor dessen Wirkprinzip außer der EP 0 375 399 bekannt ist. Bei dem Heizelement 4 unter den Temperaturfühlern 5 handelt es sich um Widerstandselemente die aus einer dünnen Platinschicht herausstruktuiert sind. Durch das Heizelement 4 wird ein Strom geleitet, der eine Erwärmung der Membran in der Umgebung des Heizelements 4 bewirkt. An den Temperaturfühlern 5 kann durch Messung des elektrischen Widerstandes die Temperatur der Membran bestimmt werden. Wenn auf der Oberseite eines derartigen Sensors eine Strömung, insbesondere eine Luftströmung entlangstreicht, so wird durch den damit verbundenen Massenfluß Wärme von der Membran 2 abgeführt. In Abhängigkeit von der Stärke der Strömung wird dabei die Temperatur der Membran verringert, wobei in Abhängigkeit von der Strömungsrichtung die zu beiden Seiten des Heizelements 4 angeordneten Temperaturfühlern 5 unterschiedliche Temperaturwerte anzeigen. Alternativ ist es auch möglich nur ein Heizelement 4 auf der Membran anzuordnen und durch Messung des Widerstands dieses beheizten Elements den Massenstrom nachzuweisen.

Die Herstellung des Sensors 1 erfolgt ausgehend von einem Siliziumplättchen auf dessen Oberseite eine Membranschicht aufgebracht ist. Auf dieser Membranschicht werden Heizer 4 und Temperaturelemente 5 erzeugt, indem zunächst ganzflächig eine Platinschicht aufgebracht wird, die in einem weiteren Prozeßschritt strukturiert wird. Aus der Platinschicht können gleichzeitig auch Zuleitungen 6 und Anschlußbereiche 7 herausstrukturiert werden, die sich von den Heizelementen 4 und den Temperaturfühlern 5 durch ihre Breite unterscheiden. Aufgrund der größeren Breite der Leiterbahnen 6 ist der Widerstand dieser Leiterbahnen deutlich geringer als der Widerstand der Heizer 4 und Temperaturfühler 5. Nach Bedarf wird dann noch eine Abdeckschicht 9 aufgebracht. In einem weiteren Schritt wird von der Rückseite des Siliziumplättchens eine Ausnehmung 8 eingebracht, die bis zur Membran 2 reicht. Es lassen sich eine Vielzahl derartiger Sensoren auf einem Siliziumwafer herstellen, der dann in eine Vielzahl von einzelnen Sensoren 1 zerteilt wird.

In der Fig. 3 ist ein vergrößerter Querschnitt durch eine Membran im Bereich des Heizelements 4 gezeigt. Die Membran 2 wird von einer dielektrischen Membranschicht 21 gebildet. Diese dielektrische Membranschicht 21 kann beispielsweise aus Siliziumdioxyd, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid oder Siliziumcarbit (SiC) oder aus sandwichartigen Folgen von mindestens zwei diesen Schichten bestehen. Diese Materialien sind besonders gut für Membranen geeignet, die auf einem Rahmen aus einkristallinem Silizium aufgespannt werden. Es sind jedoch auch andere Materialien, beispielsweise Keramikmaterialien oder Glas, geeignet. Bevorzugt wird jedoch eine Schichtfolge mit Siliziumoxyd als letzter Schicht, die sich mit besonders einfachen Mitteln und besonders guter Qualität auf der Oberfläche von Siliziumplatten erzeugen läßt. Auf der Membranschicht 21 ist eine haftvermittelnde Schicht 22 aus Platinsilizid vorgesehen. Auf der Platinsilizidschicht 22 ist dann die Platinschicht 23 angeordnet. Sofern dies gewünscht wird, können das Heizelement 4 und eventuell vorgesehene Temperaturfühler 5 noch mit einer Abdeckschicht versehen sein. Die Abdeckschicht wird hier von einer dielektrischen Schicht 25 gebildet, für die gegebenenfalls eine haftvermittelnde Schicht 24 aus Platinsilizid vorgesehen ist.

Die Siliziumoxydschicht 21 kann beispielsweise durch thermische Oxidation der Oberfläche einer Siliziumplatte hergestellt werden. Derartige thermische Oxydschichten sind von besonders hoher Güte. Die haftvermittende Silizidschicht 22 kann dadurch hergestellt werden, daß auf der Siliziumoxydschicht 21 zunächst eine dünne Siliziumschicht abgeschieden wird. Dies kann beispielsweise durch Sputtern oder Elektrodenstrahl verdampfen oder eine chemische Abscheidung aus der Gasphase geschehen. Für die chemische Abscheidung sind die aus der Halbleitertechnik bekannten Prozesse zur Abscheidung dünner Polysiliziumschichten geeignet. Die Dicke der so gebildeten Siliziumschicht beträgt einige nm, vorzugsweise 5 nm. In einem weiteren Prozeßschritt wird dann eine Platinschicht 23 aufgebracht. Durch einen Temperprozeß, das heißt durch Erwärmen der Schichten auf Temperaturen von mehr als 500°C wird dann eine Platinsilizidschicht gebildet. Die ursprünglich aufgebrachte Siliziumschicht wird dabei teilweise oder vollständig durch eine Reaktion mit dem aufgebrachten Platin in eine Platinsilizidschicht umgewandelt. Da die Schichtdicke der Platinschicht 23 größer als 100 nm ist, wird nur ein geringer Teil des aufgebrachten Platins für die Bildung des Platinsilizids verbraucht. Es bleibt somit immer eine ausreichende Dicke der Platinschicht für den Heizer beziehungsweise für den Temperaturfühler übrig. Die Umwandlung der Siliziumschicht in eine Platinsilizidschicht kann unmittelbar nach dem Aufbringen der Platinschicht, nach dem Strukturieren der Platinschicht oder nach dem Aufbringen einer Abdeckschicht erfolgen. In der Fig. 3 wird eine weitere Haftschicht 24 aus Platinsilizid und darauf angeordnet eine Siliziumoxydschicht 25 gezeigt, die als Abdeckschicht wirkt. Die Platinsilizidschicht 24 wird ebenfalls durch Aufbringen einer dünnen Siliziumschicht, die mit dem Platinmaterial der Platinschicht 23 reagiert, gebildet. Alternativ ist es auch möglich die Platinsilizidschichten 22 und 24 unmittelbar durch Aufsputtern (Sputtern vom Pt-Si-Target, Kosputtern von Si und Pt oder reaktives Sputtern von Pt in Silangas) oder Elektronenstrahlverdampfen von Platinsilizid auf zubringen.

Die bevorzugte Herstellung des Schichtaufbaus nach der Fig. 3 geht davon aus, die Oberfläche eines Siliziumwafers thermisch zu oxydieren bis eine Schichtdicke von circa 500 nm thermisches Oxyd aufgewachsen ist. In einer Sputteranlage werden dann 5 nm Silizium, darauf 150 nm Platin und darauf wiederum 5 nm Silizium aufgesputtert. Anschließend wird ein Photolack aufgebracht, durch einen Lithographieprozeß strukturiert und anschließlich wird die so erzeugte Struktur durch einen Plasmaätzprozeß in das Schichtpaket bestehend aus oberer Siliziumschicht, Platinschicht und unterer Siliziumschicht übertragen. Dieses kann beispielsweise durch einen Plasmaätzprozeß mittels Ionenstrahlätzen erfolgen. In einem weiteren Prozeßschritt wird dann eine circa 400 nm dicke Siliziumoxydschicht durch Chemical Vapor Deposition erzeugt, wie es aus der Halbleitertechnik bekannt ist. Danach erfolgt ein Temperprozeß bei dem die Schicht folge auf Temperaturen von größer als 500°C, vorzugsweise von größer als 650°C erhitzt wird. Bei diesem Temperprozeß erfolgt eine Umwandlung der Siliziumschichten in eine Platinsilizidschicht, wobei dabei ein Teil der Platinschicht verbraucht wird. Weiterhin werden bei diesem Temperprozeß die Eigenschaften der Platinschicht vorteilhaft beeinflußt. Bei dem verwendeten Meßprinzip des Sensors ist es wünschenswert, das die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes der Platinschicht möglichst genau und reproduzierbar eingestellt wird. Dies wird durch den Temperprozeß erreicht. Weiterhin ist so sichergestellt, daß der so erzeugte Temperaturkoeffizient des Widerstandes und der Widerstand selbst für einen langen Zeitraum stabilisiert wird, d. h. eine Veränderung dieses Temperaturkoeffizienten oder des Widerstandes über der Zeit (mehrere tausend Betriebsstunden) wird verringert. Dabei hat es sich experimentell gezeigt, daß Platinsilizid nur einen geringen Einfluß auf die Langzeitstabilität der Eigenschaften der Platinschichten hat.

Weiterhin ist es möglich, die untere Schicht 21 nicht nur aus einem Material auszuführen, sondern eine Schichtfolge verschiedener dielektrische Materialien, beispielsweise eine Schicht Siliziumoxyd und eine Schicht Siliziumnitrit, zu verwenden.

Claims (8)

1. Sensor mit einer dielektrischen Trägerschicht (2) auf der ein Widerstandselement (4) aus Platin angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Widerstandselement 4 und der Membran (2) eine Haftschicht (22) aus Platinsilizid angeordnet ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die dielektrische Trägerschicht Siliziumoxyd, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid oder Siliziumcarbit oder eine Schichtfolge dieser Materialien vorgesehen ist.

3. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Pt-Widerstandselement (4) eine Dicke zwischen 100 bis 200 nm, vorzugsweise 140 bis 160 nm und die Platinsilizidschicht eine Dicke von 2 bis 8 nm vorzugsweise 3 bis 6 nm aufweist.

4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abdeckschicht vorgesehen ist, die die Oberseite der Trägerschicht (2) und das Widerstandselement (4) bedeckt, und daß zwischen dem Widerstandselement (4) und der Abdeckschicht (9, 25) eine Haftschicht (24) aus Platinsilizid angeordnet ist.

5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Trägerschicht (2) mindestens ein Temperaturfühler (5) aus Platin angeordnet ist.

6. Verfahren zur Herstellung eines Sensors, bei dem eine Platinschicht (23) auf einer dielektrischen Trägerschicht (21) aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Platinschicht (23) und der Trägerschicht (21) eine Platinsilizidschicht (22) oder eine Siliziumschicht (22) die zumindest teilweise in einem späteren Temperschritt in eine Platinsilizidschicht (22) umgewandelt wird, aufgebracht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Platinschicht (23) strukturiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht (21) durch thermische Oxidation einer Siliziumplatte gebildet wird.