Stand der Technik Derzeit erhältliche Strömungssensoren sind vielfach als Dünnschichtmembransensoren realisiert, wobei zur Bestimmung der jeweiligen Strömung das anemometrische Verfahren. einge- setzt wird.

Weiter ist in WO 98/50763 bereits ein integrierter Gasströ- mungssensor vorgeschlagen worden, bei dem in einem Silizium- wafer eine Ausnehmung erzeugt ist, die von einer freitragen- den Membran mit einer zweilagigen Schicht aus Polysilizi- um/Siliziumdioxid oder Polysilizium/Siliziumnitrid über- spannt ist. Weiter sind auf dieser freitragenden Membran in- tegrierte Thermopaare und ein Widerstandsheizleiter vorgese- hen. Die Ausnehmung unter der freitragenden Membran dient der thermischen Isolation der Thermopaare von dem Silizium- substrat. Zur Herstellung dieses integrierten Strömungssen- sors wird ein oberflächenmikromechanisches Strükturierungs- verfahren für Silizium eingesetzt, wobei eine Lage aus porö- sem Silizium als Opferschicht dient. Die als Sensorelemente dienenden Thermopaare bestehen beispielsweise aus polykri- stallinem p-Typ-Silizium/Aluminium oder polykristallinem n-

Typ-Silizium/polykristallinem p-Typ-Silizium. Der Wider- standsheizleiter ist dort ein Streifen aus polykristallinem Silizium.

In der Anmeldung DE 100 30 352.8 ist vorgeschlagen worden, ein Sensorelement auf einer freitragenden, mit Stegen stabi- lisierten Membran anzuordnen, wobei eine Ausnehmung unter der freitragenden Membran durch Überführung von Silizium in poröses Silizium bzw. poröses Siliziumdioxid erzeugt wird.

Weiter wurde dort vorgeschlagen, einen derartigen Sensorauf- bau in einem Strömungssensor zu benutzen.

Bei der Freilegung von Membranen unterscheidet man grund- sätzlich zwei Methoden, die Oberflächenmikromechanik, bei der man im Allgemeinen eine Opferschicht einsetzt, die vor der Membranabscheidung auf der Vorderseite des Tragkörpers, beispielsweise eines Wafers, erzeugt wird. Diese Schicht wird später von der Vorderseite durch Löseöffnungen in der Membran oder im Substrat am Membranrand wieder entfernt.

Weiter ist die sogenannte Bulk-Mikromechanik bekannt, bei der die zuvor erzeugte Membran von der Rückseite des Trag- körpers durch unterschiedliche Ätzverfahren, beispielsweise nasschemisch oder durch ein Plasmaätzverfahren, mittels ei- ner dort eingeätzten Öffnung freigelegt wird.

Bei der Entstehung von porösem Silizium, das als mögliche Opferschicht für einen oberflächenmikromechanischen Prozess grundsätzlich bekannt ist, handelt es sich um eine elektro- chemische Reaktion zwischen Flusssäure und Silizium, bei der eine schwammartige Struktur im Silizium erzeugt wird. Der Wafer muß hierzu gegenüber einem Flusssäureelektrolyten an- odisch gepolt sein. Durch die entstandene poröse Struktur erhält das Silizium eine große innere Oberfläche und dadurch andere chemische und physikalische Eigenschaften als das um- gebende Bulk-Silizium. Insbesondere ist die Reaktivität von

porösem Silizium deutlich gesteigert, wodurch ein selektives Lösen des porösen Siliziums gegenüber Bulk-Silizium möglich ist. Zur Herstellung von porösem Silizium eignen sich ver- schieden dotierte Silizium-Subtrate, wobei man üblicherweise p-dotierte Wafer einsetzt. Durch die Dotierung wird die Strukturgröße innerhalb des porösen Siliziums bestimmt.

Bei einer lokal definierten Herstellung von porösem Silizium kommen verschiedene Maskierungsmethoden bzw. Maskierschich- ten zum Einsatz sowie ein sogenannter elektrochemischer Ätz- stopp. Dabei wird als Maskierschicht vielfach eine dünne Schicht an der Oberfläche des p-dotierten Siliziumsubstrates in n-dotiertes Silizium umdotiert, beispielsweise durch Im- plantation oder Eindiffusion eines Dotierstoffes, so dass das poröse Silizium bei einer nachfolgenden elektrochemi- schen Ätzung nur in den p-dotierten Bereichen entstehen kann. Da weiter die Entstehung von porösem Silizium bei die- sem elektrochemischen Ätzprozess isotrop verläuft, wird die zunächst aufgebrachte Maskierschicht dabei vollständig un- terätzt, so dass freitragende Strukturen entstehen.

Eine weitere Möglichkeit zur Maskierung ist neben der Ver- wendung von umdotiertem Silizium der Einsatz von Siliziu- moxidschichten und Siliziumnitridschichten als Maskier- schicht, wodurch diese in einem späteren Prozessschritt auch wieder entfernt werden können. In diesem Fall wird ebenfalls die Maskierschicht isotrop unterätzt.

Zum Herauslösen von erzeugtem porösen Silizium innerhalb ei- nes definierten Bereiches kommt einerseits verdünnte Kalium- hydroxidlösung in Frage und andererseits Flusssäure, wobei es im letzteren Fall erforderlich ist, dass das zunächst er- zeugte poröse Silizium in einem zusätzlichen Oxidations- schritt in poröses Siliziumoxid überführt worden ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war die Realisierung ei- nes Strömungssensors in Oberflächenmikromechanik mit einer verbesserten Stabilität und einer verbesserten thermischen Isolation der eigentlichen Sensorelemente gegenüber dem Tragkörper. Weiter war es Aufgabe, einen Strömungssensor zu entwickeln, der auch eine winkelabhängige Detektion einer Strömung, insbesondere einer Gasströmung erlaubt, und der ein kostengünstiges und gleichzeitig sehr flexibles Herstel- lungsverfahren hinsichtlich des Layouts des Strömungssen- sors ermöglicht.

Vorteile der Erfindung Der erfindungsgemäße Strömungssensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass durch den porösen Siliziumbereich bzw. den porösen Siliziumoxidbereich eine sehr effektive, einfache und zugleich stabile und zuverlässige thermische Isolation der auf diesem porösen Bereich verlaufenden Senso- relemente ermöglicht wird. Insbesondere ist es gegenüber dem Stand der Technik nun nicht mehr erforderlich, eine weitge- hend freitragende Membran zu erzeugen, auf der die Senso- relemente angeordnet sind, so dass die mit dieser Membran verbundenen Nachteile hinsichtlich der erforderlichen auf- wendigen Ätztechnik, einer teilweise unzureichenden Stabili- tät der erhaltenen Membran, einer komplizierten Sägetechnik und einer Gefahr von Verschmutzung der erzeugten Kaverne überwunden werden können.

Die Anordnung der Sensorbauelemente auf einem zumindest weitgehend freitragenden, über eine Ausnehmung führenden Steg hat gegenüber der Anordnung auf einer freitragenden Membran den Vorteil, dass die thermische Isolation der Sen- sorbauelemente deutlich verbessert ist, und dass gleichzei- tig mehrere, beispielsweise auf einem Netzwerk von Stegen

angeordnete Sensorbauelemente, über einer Ausnehmung ange- ordnet werden können, ohne dass diese einzelnen Sensorbau- elemente in direktem thermischen Kontakt untereinander sind, d. h. auch hier ist eine sehr gute thermische Isolation so- wohl gegenüber dem Tragkörper als auch der einzelnen Sensor- bauelemente gegeneinander gegeben.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Strömungssensors ist die Möglichkeit, diesen in Oberflächenmikromechanik in Silizium herzustellen, so dass beispielsweise eine beidsei- tige, vielfach eine unerwünschte Verschmutzung verursachende Bearbeitung eines Siliziumwafers nicht erforderlich ist.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Strömungssensors liegt in der vereinfachten Herstellung und Weiterverarbei- tung des mit den Sensorbauelementen versehenen Tragkörpers.

Dies gilt vor allem in dem Fall, dass der schlecht wärmelei- tende Bereich ein poröser Siliziumbereich oder ein poröser Siliziumoxidbereich ist, da in diesem Fall bei der Weiter- verarbeitung durch eine übliche Aufbau-und Verbindungstech- nik ein Verschmutzen einer Kaverne ebenfalls nicht auftreten kann.

Die Verwendung von porösem Silizium bzw. porösem Siliziu- moxid als Wärmewiderstand in der Ausnehmung erhöht im Übri- gen wesentlich die Stabilität des gesamten Strömungssensors.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Strömungssen- sors liegt zudem in der weitgehenden Freiheit beim Layout des Strömungssensors, d. h. der Anordnung der einzelnen Sen- sorbauelemente über dem schlecht wärmeleitenden Bereich.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.

So ist vorteilhaft, wenn neben den Sensorbauelementen minde- stens ein Heizelment, beispielsweise ein Heizleiter in Form einer Platin-Widerstandsleiterbahn, vorgesehen ist, mit dem die Sensorbauelemente beheizbar sind bzw. mit dem diese auf Betriebstemperatur gebracht werden können.

Vorteilhaft ist weiterhin, wenn das Sensorbauelement eine Leiterbahn, einen Thermistor, ein Thermoelement oder eine Thermosäule aufweist, wobei sich als besonders vorteilhaft auch die Ausbildung des Sensorbauelementes in Form einer Platin-Widerstandsleiterbahn herausgestellt hat. Als Heize- lement bzw. Sensorbauelement eignen sich jedoch auch andere, in Dünnschichttechnik abscheidbare Materialien wie poly-Sili- zium, Platin oder Aluminium.

Zur Realisierung eines Strömungssensors, der auch eine win- kelabhängige Detektion einer Gasströmung erlaubt, ist es vorteilhaft, wenn ein Heizelement und eine Mehrzahl insbe- sondere symmetrisch, kreuzförmig oder sternförmig um das Heizelement oder eine zentrale Fläche angeordneter Sensor- bauelemente vorgesehen sind, wobei diese einzelnen Sensor- bauelemente jeweils zumindest bereichsweise von dem Tragkör- per durch einen gegenüber dem Tragkörper schlecht wärmelei- tenden Bereich getrennt sind. Bevorzugt ist jedem der ein- zelnen Sensorbauelemente ein derartiger Bereich zugeordnet.

In diesem Zusammenhang ist weiter vorteilhaft, wenn diejeni- gen Bereiche des Tragkörpers, die nicht von einem der schlecht wärmeleitenden Bereiche eingenommen sind, mit einer gut wärmeleitenden Deckschicht, beispielsweise einer Silizi- umschicht oder Platinschicht, versehen sind, die als Wärme- senke und der Vergleichmäßigung der Temperaturen innerhalb der Deckschicht dient.

Zeichnungen

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und in der nach- folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Figur 1 ei- nen ersten Verfahrensschritt zur Herstellung eines Strö- mungssensors mit einem Tragkörper und einem porösen Silizi- umbereich im Schnitt, Figur 2 einen zweiten Verfahrens- schritt mit erzeugten Stegen und Figur 3 einen dritten Ver- fahrensschritt mit auf bereichsweise freitragenden Stegen angeordneten Sensorelementen. Die Figur 4 erläutert den er- sten Verfahrensschritt eines zweiten Ausführungsbeispiels, Figur 5 einen weiteren Verfahrensschritt dieses Ausführungs- beispiels, wobei Sensorbauelemente und ein Heizelement er- zeugt worden sind, und Figur 6 zeigt Figur 5 in Draufsicht.

Die Figur 7 erläutert ein drittes Ausführungsbeispiel eines Strömungssensors zur winkelabhängigen Detektion einer Gasströmung.

Ausführungsbeispiele Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figuren 1 bis 3 erläutert. Die Figur 1 zeigt zunächst einen p-dotierten Siliziumwafer als Tragkörper 10, der oberfläch- lich mit einer Maskierung 12 versehen ist. Die Maskierung 12 ist im erläuterten Beispiel eine durch Umdotierung erzeugte n-dotierte Siliziumschicht. Weiter ist in Figur 1 vorgese- hen, dass in einem Oberflächenbereich des Tragkörpers 10 ein Bereich mit porösem Silizium 11 erzeugt ist, wobei innerhalb des porösen Siliziumbereiches 11 die Maskierung 12 in Form von Stegen ausgebildet ist, die über den porösen Siliziumbe- reich 11 führen, und die an ihren Enden mit dem Tragkörper 10 in Verbindung stehen.

Die Figur 2 zeigt einen weiteren Verfahrensschritt, bei dem, ausgehend von Figur 1, der poröse Siliziumbereich 11 durch einen Oxidationsschritt in einen Bereich 11 aus porösem Si- liziumoxid überführt worden ist.

Die Figur 3 erläutert dann, wie auf der Oberfläche der Mas- kierung 12 in Dünnschichttechnik ein Heizelement 17 und Sen- sorbauelemente 15 aufgebracht werden. Weiter zeigt Figur 3, dass nach dem Aufbringen des Heizelementes 17 bzw. der Sen- sorbauelemente 15 der poröse Siliziumoxidbereich 11 ent- fernt worden ist, so dass sich eine Ausnehmung 14 und zumin- dest bereichsweise freitragende Stege 13 bilden, die eine Dicke von weniger als 500 nm, insbesondere 100 nm bis 200 nm, aufweisen, und auf denen jeweils die Sensorbauele- mente 15 bzw. das Heizelement 17 verlaufen. Das Heizelement 17 ist gemäß Figur 3 als auf einem Steg 13 verlaufende Wi- derstandsleiterbahn, beispielsweise aus Platin, ausgeführt.

Es dient der Beheizung der Sensorbauelemente 15, um diese beispielsweise auf einer Betriebstemperatur von 100°C zu halten oder den durch das Heizelement 15 beheizten Bereich auf eine definierte Übertemperatur gegenüber dem Bereich der Sensorbauelemente 15 zu bringen. Die Sensorbauelemente 15 sind im erläuterten Beispiel ebenfalls in Dünnschichttechnik aufgebrachte Platin-Widerstandsleiterbahnen.

Im Übrigen sei betont, dass durch die Maskierung des Trag- körpers 10 mit der Maskierung 12 und das isotrope Ätzverhal- ten von porösem Silizium bzw. das isotrope Herauslösen von Siliziumoxid weitgehend beliebige geometrische Formen des freitragenden Steges 13 möglich sind, auf dem die Sensorbau- elemente 15 aufgebracht sind.

Die Abscheidung der Sensorbauelemente 15 bzw. des Heizele- mentes 17 erfolgt bevorzugt physikalisch/chemisch, bei- spielsweise mit Hilfe eines CVD-Verfahrens oder durch Auf- sputtern. Die Stege 13 sind weiter möglichst dünn ausge- führt, damit die Sensorbauelemente 15 trotz der Ausführung der Stege 13 aus Silizium von dem Tragkörper 10 thermisch möglichst gut entkoppelt sind.

Hinsichtlich weiterer, bekannter Details zu dem Herstel- lungsverfahren, der Abscheidung der Heizelemente 17 bzw.

Sensorbauelemente 15, sowie zu der Ausbildung der Ausnehmung 14 und Einzelheiten zur Porosifizierung von Silizium sei auf DE 100 30 352.8 oder WO 98/50763 verwiesen, wo diese einge- hend beschrieben sind.

Die Figuren 4 bis 6 erläutern ein zu den Figuren 1 bis 3 al- ternatives Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines Strö- mungssensors 5. Gemäß Figur 4 geht man dabei zunächst von einem p-dotierten Siliziumwafer als Tragkörper 10 aus, der mit einer Maskierung 12 aus n-dotiertem Silizium versehen ist. Weiter wird die Oberfläche des Tragkörpers 10 erneut mit einem porösen, vorzugsweise nanoporösen oder mesoporösen Siliziumbereich 11 versehen. Die Figur 5 zeigt dann, wie der poröse Siliziumbereich 11 durch Oxidation in einen entspre- chenden porösen Siliziumoxidbereich 11 überführt, und wie anschließend auf der Oberfläche des Tragkörpers 10 bzw. des porösen Siliziumoxidbereiches 11 eine Deckschicht 16 aufge- bracht worden ist. Die Deckschicht 16 ist im erläuterten Beispiel eine schlecht wärmeleitende Schicht, beispielsweise eine Siliziumnitridschicht. Sie dient der Versiegelung des porösen Siliziumoxidbereiches 11. Die Dicke der Deckschicht 16 beträgt beispielsweise 100 nm oder mehr.

Weiter sei erwähnt, dass der poröse Siliziumbereich 11 bzw. der poröse Siliziumoxidbereich 11 bevorzugt mit einem Poro- sitätsgrad größer 60% erzeugt wird, um die Masse an verblei- bendem Silizium zu minimieren und gleichzeitig eine noch ausreichende Stabilität zu gewährleisten. Die Überführung von porösem Silizium in poröses Siliziumoxid bewirkt eine weitere Reduktion der Wärmeleitfähigkeit, da gut wärmelei- tendes Silizium in schlecht wärmeleitendes Siliziumoxid überführt wird.

Dabei ist festzuhalten, dass Silizium eine typische Wärme- leitfähigkeit von 150 W/Km, Siliziumdioxid von 1,4 W/Km, po- röses Silizium von 1 bis 2 W/Km und oxidiertes poröses Sili- zium eine typische Wärmeleitfähigkeit von 0,3 bis 1,4 W/Km hat. Insofern ist es zur Gewährleistung einer möglichst gu- ten thermischen Isolation der Sensorbauelemente 15 bevor- zugt, einen porösen Siliziumoxidbereich 11 zu erzeugen.

Das Aufbringen der Deckschicht 16 erfolgt in Figur 5 bevor- zugt analog dem Aufbringen der Sensorbauelemente 15 bzw. der Heizelemente 17, d. h. durch ein physikalisch-chemisches Ab- scheideverfahren, beispielsweise ein CVD-Verfahren oder ein Aufsputtern. Hinsichtlich einer möglichst guten Wärmeisola- tion des Sensorbauelementes 15 gegenüber dem Tragkörper 10 ist es zudem zweckmäßig, wenn die Dicke des porösen Siliziu- moxidbereiches 11'möglichst groß gewählt ist, und bei- spielsweise zwischen 50 pm und 200 pm liegt.

Nach dem Abscheiden der Deckschicht 16 auf der Oberfläche des Tragkörpers 10 bzw. der Oberfläche des porösen Siliziu- moxidbereiches 11 erfolgt dann analog zu Figur 3 eine Ab- scheidung des Heizelementes 17 bzw. von Sensorbauelementen 15 in Form von Platin-Widerstandsleiterbahnen. Das Heizele- ment 17 dient dabei erneut der Beheizung der Sensorbauele- mente 15 bzw. der gesamten Deckschicht 16.

Die Funktion des Strömungssensors 5 beruht darauf, dass durch die Strömung eines Mediums, beispielsweise eines Ga- ses, mit dem der Strömungssensor 5 beaufschlagt ist, eine Änderung der Temperatur der Sensorbauelemente 15 auftritt, was sich in einer Änderung des elektrischen Widerstandes der Sensorbauelemente 15 äußert. Diese Änderung des elektrischen Widerstandes wird dann über nicht dargestellte Auswertemit- tel detektiert.

Die Figur 6 zeigt Figur 5 in Draufsicht, wobei erkennbar ist, dass zwei Sensorbauelemente 15 nebeneinander auf der Oberfläche des porösen Siliziumoxidbereiches 11 erzeugt worden sind, die von dem Heizelement 17 getrennt sind. Dabei sei betont, dass sich sowohl das Heizelement 17 als auch die Sensorelemente 15 gemäß Figur 6 auf der Deckschicht 16 be- finden, so dass der dargestellte poröse Siliziumoxidbereich 11 in Draufsicht eigentlich nicht sichtbar ist.

Die Figur 7 erläutert ein drittes Ausführungsbeispiel zur winkelabhängigen Detektion einer Gasströmung mit Hilfe des Strömungssensors 5. Dazu ist auf der Oberfläche des Tragkör- pers 10 aus p-dotiertem Silizium zunächst in der vorstehend bereits erläuterten Weise mit Hilfe einer entsprechenden Maskierung 12 ein poröser Siliziumoxidbereich 11 erzeugt worden, der im konkreten Beispiel sternförmig auf eine zen- trale Fläche 19 hinzielt, die ebenfalls aus porösem Silizium besteht. Weiter ist vorgesehen, dass anschließend auf der gesamten Oberfläche des Tragkörpers 10 eine Deckschicht 16 aufgebracht ist, die die porösen Siliziumoxidbereiche 11 versiegelt. Diese Deckschicht 16 ist in Figur 7 nicht darge- stellt, ist jedoch völlig analog zur Figur 5. Im dem erläu- terten Ausführungsbeispiel sind schließlich diejenigen Be- reiche des Tragkörpers 10, die nicht von einem porösen Sili- ziumbereich 11 eingenommen sind, mit einer weiteren, gut wärmeleitenden Deckschicht 18, beispielsweise einer Silizi- umschicht oder Platinschicht, versehen. Diese dient dazu, ein thermisches Übersprechen zwischen den einzelnen Sensor- bauelementen 15 zu verhindern.

In Abwandlung von Figur 7 kann im Übrigen vorgesehen sein, dass auf die Deckschicht 16 gemäß Figur 5 in dem Ausfüh- rungsbeispiel gemäß Figur 7 verzichtet wird, da eine Versie- gelung der porösen Siliziumoxidbereiche 11 nicht zwingend

erforderlich ist. Diese Ausführungsform hat jedoch Nachteile hinsichtlich der Langzeitstabilität. In diesem Fall ist wei- ter dann auch ein Aufbringen der weiteren Deckschicht 18 nicht zwingend erforderlich, da in den Bereichen der Ober- fläche des Tragkörpers 10, die nicht von dem porösen Silizi- umoxidbereich 11 eingenommen sind, ohnehin die Oberfläche des Tragkörpers 10 aus Silizium besteht. Bevorzugt wird al- lerdings auch in diesem Fall die Deckschicht 18 aufgebracht, um damit die Kanten bzw. Begrenzungen der erzeugten Wärme- senke exakt zu definieren.

In Figur 7 ist schließlich dargestellt, dass auf der Ober- fläche des Tragkörpers 10 im Bereich der porösen Siliziu- moxidbereiche 11 insgesamt acht Sensorbauelemente 15 in Form von U-förmigen Platin-Widerstandsleiterbahnen aufge- bracht sind. Diese Sensorbauelemente 15 sind somit völlig analog zu Figur 6, Figur 3 oder Figur 5 ausgeführt. Weiter ist vorgesehen, dass auf der zentralen Fläche 19 gemäß Figur 7 ein Heizelement 17 in Form einer Platin-Widerstands- leiterbahn vorgesehen ist, das über entsprechende Zuleitun- gen mit einem elektrischen Strom beaufschlagt wird, so dass über das Heizelement 17 die Sensorbauelemente 15 beheizbar sind. Bevorzugt sind die Sensorbauelemente 15 kreuzförmig bzw. sternförmig um das zentrale Heizelement 17 angeordnet, so dass eine winkelabhängige Detektion einer Gasströmung mit Hilfe eines solchen Strömungssensors 5 möglich ist.

Die Winkelgenauigkeit ist dabei dann offensichtlich von der Anordnung der Sensorbauelemente 15 bzw. der Zahl der Sensor- bauelemente 15 abhängig, d. h. durch die Anordnung von mehr als acht Sensorbauelementen 15 kann die Auflösung des Strö- mungssensors 5 deutlich gesteigert werden. Eine mögliche Form des Heizelementes 17 ist, wie in Figur 7 dargestellt, eine Schneckenform mit quadratischer Grundfläche.

Es ist offensichtlich, dass hinsichtlich des Layouts der erläuterten Strömungssensoren 5 eine Vielzahl von Möglich- keiten bestehen. So ist es beispielsweise ohne Weiteres mög- lich, ausgehend von Figur 3, ein Netzwerk von Stegen 13 zu erzeugen, die jeweils zumindest weitgehend freitragend über der Ausnehmung 14 geführt sind, und auf denen sich Sensor- bauelemente 15 bzw. auch mehrere Heizelemente 17 befinden, die dann beispielsweise gemäß Figur 7 angeordnet sind.