Titel

Verfahren zur Herstellung eines Festkörperelektrolyt-Sensorelements Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Festkörperelektrolyt- Sensorelements. Derartige Festkörperelektrolyt-Sensorelemente können beispielsweise im Bereich der Abgassensorik und in On-Board- Diagnosesystemen eingesetzt werden. Auch andere Einsatzbereiche sind grundsätzlich denkbar.

Festkörperelektrolyt-Sensorelemente sind im Stand der Technik bekannt, zum Beispiel als Lambda-Sonde. Eine Messung eines Restsauerstoffanteils in einem Abgas eines Verbrennungsmotors und eine Rückkopplung des Messwerts mit einer Motorsteuerung kann für eine Minimierung von Schadstoffen, insbesondere von Stickstoffoxiden, erwünscht sein. Die Lambda-Sonden können insbesondere keramische Materialien, insbesondere Zirkoniumoxid, umfassen. Grundsätzlich können hierbei Dickschichttechniken als Herstellverfahren eingesetzt werden. Dies ist beispielsweise aus T. Baunach, K. Schänzlin, L. Diehl, Sauberes Abgas durch Keramiksensoren, Physik Journal, Vol. 5, 2006 bekannt.

Eine als Nernstsonde ausgebildete Lambda-Sonde kann beispielsweise eine Spannung zwischen zwei über einen Festkörperelektrolyten verbundenen Elektroden messen, wobei beispielsweise Yttrium- oder Scandium-stabilisiertes

Zirkoniumdioxid als Membran verwendet werden kann. Dabei wird beispielsweise eine Eigenschaft von Zirkoniumdioxid genutzt, welche darin besteht, dass bei einer hohen Temperatur, üblicherweise bei 650 °C, Sauerstoffionen elektrolytisch transportiert werden können. DE 199 41 051 AI offenbart einen Gasssensor, der als Breitband-Lambda-Sonde ausgebildet ist, welcher eine keramische Festkörperelektrolytbasis und mehrere Elektroden aufweist, welche in Kammern und an der Außenseite der

Festkörperelektrolyten aufgebracht sind.

DE 10 2012 201 304 AI offenbart eine mikro-mechanische Festkörperelektrolyt- Sensorvorrichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Die mikromechanische Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung weist ein mikromechanisches Trägersubstrat mit einer Vorderseite und einer Rückseite; eine erste poröse Elektrode und eine zweite poröse Elektrode; und einen zwischen der ersten porösen Elektrode und der zweiten porösen Elektrode eingebetteten Festkörperelektrolyten auf.

Bekannte Herstellverfahren weisen jedoch eine Mehrzahl an technischen Herausforderungen auf. Dickschichttechniken können grundsätzlich nur relativ große Mindestabmessungen zulassen, und zwar sowohl hinsichtlich der

Strukturbreiten, welche typischerweise größer sind als 30 μηη, als auch hinsichtlich der Schichtdicken, welche üblicherweise größer sind als 10 μηη. Weiterhin können die Festkörperelektrolyt-Sensorelemente grundsätzlich bei bekannten Herstellverfahren hohen Belastungen, insbesondere hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sein. Die Belastungen können zu einer Beschädigung des Festkörperelektrolyt-Sensorelements, insbesondere der Membran des Festkörperelektrolyt-Sensorelements, führen.

Offenbarung der Erfindung

Es wird daher ein Verfahren zur Herstellung mindestens eines

Festkörperelektrolyt-Sensorelements vorgeschlagen, welches die oben genannten Herausforderungen bekannter Verfahren adressiert.

Unter einem Festkörperelektrolyten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Festkörper mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitenden Eigenschaften, zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festkörperelektrolyten handeln. Das erfindungsgemäße Verfahren kann die Verfahrensschritte, welche im Folgenden beschrieben werden, umfassen. Die Verfahrensschritte können beispielsweise in der vorgegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Eine andere Reihenfolge ist jedoch ebenfalls denkbar. Weiterhin können ein oder sogar mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig oder zeitlich überlappend durchgeführt werden. Weiterhin können einer, mehrere oder alle der

Verfahrensschritte einfach oder auch wiederholt durchgeführt werden. Das Verfahren kann darüber hinaus noch weitere Verfahrensschritte umfassen.

Das Verfahren zur Herstellung mindestens eines Festkörperelektrolyt- Sensorelements umfasst die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen mindestens eines Halbleitersubstrats;

b) Ausbilden mindestens einer Kaverne in mindestens einer Oberfläche des Halbleitersubstrats;

c) zumindest teilweises Auffüllen der Kaverne mit mindestens einem

Opferschichtmaterial;

d) Aufbringen mindestens eines Schichtaufbaus des Festkörperelektrolyt- Sensorelements auf das Opferschichtmaterial, wobei der Schichtaufbau mindestens eine Schicht eines elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials und mindestens eine Festkörperelektrolytschicht umfasst;

e) zumindest teilweises Entfernen des Opferschichtmaterials, wobei die

Kaverne zumindest teilweise wieder freigelegt wird, so dass die Kaverne zumindest teilweise von dem Schichtaufbau abgedeckt ist.

Unter einem "Halbleitersubstrat" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich ein beliebig geformter Halbleiter zu verstehen, welcher im weiteren Verlauf des Verfahrens einem oder mehreren Bearbeitungs- oder

Beschichtungsschritten unterzogen wird. Beispielsweise kann das

Halbleitersubstrat ein scheibenförmiges oder plattenförmiges Halbleitersubstrat sein. Das Halbleitersubstrat kann insbesondere als Chip ausgebildet sein. Das Halbleitersubstrat kann beispielsweise ganz oder teilweise aus Silizium bestehen. Auch andere Halbleitermaterialien wie Siliziumcarbid, insbesondere temperaturstabiles Siliziumcarbid, oder Galliumnitrid sind grundsätzlich denkbar. Der Begriff "Kaverne" bezieht sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf einen frei und/oder offen gestalteten Hohlraum. Vorzugsweise kann es sich um einen in das Basiselements hineinragenden Hohlraum handeln. Die Kaverne kann beispielsweise eine quaderförmige Grundform oder auch

pyramidenstumpfförmige Grundform aufweisen. Auch andere Grundformen sind grundsätzlich denkbar.

Das Ausbilden der Kaverne kann beispielsweise durch einen Atzprozess erfolgen. Der Atzprozess kann beispielsweise mindestens einen nasschemischen und/oder mindestens einen trockenchemischen Atzprozess umfassen. Der

Atzprozess kann beispielsweise ein reaktives lonenätzen umfassen. Der Begriff "reaktives lonenätzen" bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich einen ionenunterstützten Reaktivätzprozess, bei welchem reaktive Ionen verwendet werden, um Material des Halbleitersubstrats oder eines anderen Werkstoffs abzutragen. Der Ätzvorgang kann bei diesem Verfahren primär physikalisch erfolgen, und es kann eine gewisse Vorzugsrichtung im Ätzangriff entstehen. Dementsprechend kann der Atzprozess zur Ausbildung der Kaverne im Schritt b) insbesondere ganz oder teilweise als anisotroper

Atzprozess ausgestaltet sein. Eine Formgebung der Strukturen kann durch eine Maskierung, insbesondere durch eine mittels Fotolithographie erzeugte

Maskierung, unterstützt werden. Auch ein Einsatz von weiteren Ätzprozessen ist denkbar.

Zwischen dem Halbleitersubstrat und dem Opferschichtmaterial kann mindestens eine Ätzstoppschicht eingebracht werden. Die Ätzstoppschicht kann mindestens ein Material aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus:

Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid. Das Material der Ätzstoppschicht kann chemisch verschieden zu dem Opferschichtmaterial sein und kann vorzugsweise eine deutlich niedrigere Ätzrate bei dem

verwendeten Atzprozess als das Opferschichtmaterial aufweisen. Die

Ätzstoppschicht kann vorzugsweise in einem separaten Prozess auf das

Halbleitersubstrat aufgebracht werden. Die Ätzstoppschicht kann insbesondere als Barriere während des Ausbildens der Kaverne eingerichtet sein.

Insbesondere lässt sich über die Lage der Ätzstoppschicht eine Tiefe der Kaverne einstellen. Das Verfahren kann weiterhin ein Ausbilden mindestens eines Ätzkanals umfassen. Die Kaverne und eine Umgebung des Halbleitersubstrats können über den Ätzkanal miteinander verbunden sein. Der Begriff "Ätzkanal" bezeichnet grundsätzlich einen beliebigen Hohlraum auf der Oberfläche des

Halbleitersubstrats. Insbesondere kann es sich um einen länglichen Hohlraum handeln. Der Ätzkanal kann insbesondere eingerichtet sein, dass in Schritt e) das Opferschichtmaterial durch den Ätzkanal hindurch aus der Kaverne entfernt werden kann. Schritt d) kann derart durchgeführt werden, dass der

Schichtaufbau das Opferschichtmaterial lediglich unvollständig bedeckt und der

Ätzkanal mindestens einen unbedeckten Bereich des Opferschichtmaterials umfasst.

Unter einem„Opferschichtmaterial" ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Material zu verstehen, welches zunächst während des Verfahrens zum Zwecke einer Strukturierung des herzustellenden

Bauelements auf- oder eingebracht wird und auf welches beispielsweise ein oder mehrere weitere Schichten oder Bauteile aufgebracht werden, welches jedoch anschließend und vor Vollendung des Bauelements wieder ganz oder teilweise entfernt wird. Das Opferschichtmaterial dient also beispielsweise als

vorübergehender Träger für nachfolgende Schichten oder Bauteile des

Bauelements, hier also des Festkörperelektrolyt-Sensorelements, und wird später wieder ganz oder teilweise entfernt. Das Opferschichtmaterial kann mindestens ein Material umfassen, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: ein Oxid, insbesondere ein Siliziumoxid; ein Halbmaterial, insbesondere ein Mischhalbleitermaterial, insbesondere Siliziumgermanium; ein Nitrid, insbesondere Siliziumnitrid. Das Opferschichtmaterial kann eine deutlich höhere Ätzrate in dem Ätzprozess aufweisen, als das Material des Halbleitersubstrats. Alternativ oder zusätzlich kann bei dem Einbringen der Ätzstoppschicht das Opferschichtmaterial eine deutlich höhere Ätzrate in dem Ätzprozess aufweisen als das Ätzstoppmaterial. Auch weitere Materialien sind denkbar. Das Opferschichtmaterial kann insbesondere eingerichtet sein, um Teile des Halbleitersubstrats, insbesondere die Kaverne, zu bedecken. Weiterhin kann das Opferschichtmaterial in einem späteren Verfahren wieder ganz oder teilweise von dem Halbleitersubstrat entfernt werden.

Die Kaverne kann ganz oder teilweise mit dem Opferschichtmaterial aufgefüllt werden. Das Opferschichtmaterial kann weitere Teile der Oberfläche des

Halbleitersubstrats ganz oder teilweise bedecken. Das Opferschichtmaterial kann grundsätzlich durch ein beliebiges geeignetes Abscheideverfahren aufgebracht werden, beispielsweise durch eine chemische Gasphasenabscheidung, ein Sputterverfahren, ein Elektronenstrahlverdampfen, eine gepulste Laserdeposition oder eine Atomlagendeposition.

Das Verfahren kann vor Durchführung des Schritts d) weiterhin ein Entfernen von überschüssigem Opferschichtmaterial umfassen, derart, dass das

Halbleitersubstrat und das in der Kaverne befindliche Opferschichtmaterial eine gemeinsame ebene Oberfläche bilden, auf welche der Schichtaufbau

aufgebracht wird. Das Entfernen des überschüssigen Opferschichtmaterials kann mindestens einen Prozess umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem chemisch-mechanischen Polierverfahren, einem nasschemischen Ätzprozess, einem trockenchemischen Ätzprozess, einem lonenätzen.

Der Begriff "chemisch-mechanisches Polierverfahren" bezeichnet insbesondere ein Verfahren, welches ein Polieren des Halbleitersubstrats durch ein Poliertuch mit einem definierten Druck umfasst. Insbesondere kann das Poliertuch aus einem Polyurethanschaum hergestellt sein. Weiterhin kann während des Polierverfahrens ein vorzugsweise kolloidales Poliermittel zugegeben werden.

Unter einem "trockenchemischen Ätzprozess" ist grundsätzlich ein Verfahren zu verstehen, bei welchem der Materialabtrag durch beschleunigte Teilchen, insbesondere durch Argon-Ionen, oder mithilfe plasmaaktivierter Gase erfolgt. Es können hierbei physikalische Effekte und/oder chemische Effekte, insbesondere chemische Reaktionen zwischen beschleunigten Teilchen und der Oberfläche des Substrats, ausgenutzt werden. Der Begriff "lonenätzen" bezeichnet grundsätzlich ein Verfahren, bei welchem das Halbleitersubstrat mit Ionen beschossen wird. Beispielsweise kann es sich um das reaktive lonenätzen handeln. Unter einem "Schichtaufbau" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist

grundsätzlich eine beliebige Aufeinanderfolge von ein oder mehreren Schichten zu verstehen. Beispielsweise können die Schichten übereinander angeordnet sein. Die Schichten können sich ganz oder teilweise bedecken. Beispielsweise können die Schichten nebeneinander angeordnet sein. Der Schichtaufbau kann weiterhin Schichten verschiedener Materialien aufweisen. Der Schichtaufbau kann mehrere Schichten desselben Materials aufweisen. Auch andere

Ausführungsformen sind grundsätzlich denkbar.

Unter einer "Porosität" ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verhältnis von Hohlraumvolumen zu Gesamtvolumen eines Stoffes oder Stoff gemisches als dimensionslose Messgröße zu verstehen. Diese Messgröße kann insbesondere in Prozent angegeben werden. Beispielsweise kann das poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenmaterial eine Porosität von mindestens 20 % aufweisen, bevorzugt von mindestens 30 % und besonders bevorzugt von mindestens 40 %. Bei einer Einstellung der Porosität kann es wünschenswert sein, dass zumindest teilweise eine durchgängige Leitfähigkeit der ersten Schicht und/oder der zweiten Schicht mindestens eines porösen, elektrisch leitfähigen Materials vorliegt und eine Bildung von isolierten Inseln zumindest weitgehend reduziert wird. Das poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenmaterial kann mindestens eine

Keramikmetallverbindung, insbesondere Verbundwerkstoffe aus keramischen

Werkstoffen mit einer metallischen Matrix, umfassen. Das poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenmaterial kann mindestens ein Metall aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Platin; Palladium; eine Legierung. Weiterhin kann Stickstoff-dotiertes Graphen eingesetzt werden. Insbesondere kann Stickstoff-dotiertes Graphen aufgrund einer katalytischen Wirkung eingesetzt werden. Auch andere Materialien sind grundsätzlich denkbar. Das poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenmaterial kann weiterhin mindestens ein

keramisches Material aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid. Auch andere Materialien sind grundsätzlich einsetzbar. Der Schichtaufbau kann insbesondere mindestens eine Sensorzelle bilden, welche mindestens eine erste Schicht mindestens eines porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials aufweist und weiterhin mindestens eine zweite Schicht mindestens eines porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials. Der Schichtaufbau kann weiterhin mindestens eine Festkörperelektrolytschicht aufweisen. Die erste Schicht des mindestens einen porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials und die zweite Schicht des mindestens einen porösen elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials können über die

Festkörperelektrolytschicht miteinander verbunden sein. Die erste Schicht kann auf einer der Kaverne zugewandten Seite des Schichtaufbaus angeordnet sein. Die Festkörperelektrolytschicht kann zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordnet sein. Die Festkörperelektrolytschicht kann mindestens ein Material umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumoxid; Scandium-dotiertes Zirkoniumoxid.

Die Bezeichnungen "erste" und "zweite" Schicht sind als reine Bezeichnungen anzusehen, ohne eine Reihenfolge oder Rangfolge anzugeben und

beispielsweise ohne die Möglichkeit auszuschließen, dass mehrere Arten von ersten Schichten und mehrere Arten von zweiten Schichten oder jeweils genau eine Art vorgesehen sein kann. Weiterhin können zusätzliche Schichten, beispielsweise eine oder mehrere dritte Schichten, in dem Schichtaufbau vorhanden sein.

Schritt d) kann folgende Teilschritte umfassen:

dl) Aufbringen mindestens einer ersten Schicht eines porösen, elektrisch

leitfähigen Elektrodenmaterials auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats, wobei die erste Schicht die Kaverne ganz oder teilweise bedeckt;

d2) Aufbringen mindestens einer Festkörperelektrolytschicht auf der ersten

Schicht, wobei die Festkörperelektrolytschicht die erste Schicht zumindest teilweise bedeckt;

d3) Aufbringen mindestens einer zweiten Schicht eines porösen, elektrisch

leitfähigen Elektrodenmaterials auf der Festkörperelektrolytschicht, wobei die zweite Schicht die Festkörperelektrolytschicht zumindest teilweise bedeckt. Mindestens eine Schicht des Schichtaufbaus kann durch eine strukturierte Abscheidung erfolgen. Die strukturierte Abscheidung kann beispielsweise mindestens einen Schattenmaskenprozess umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens eine Schicht des Schichtaufbaus nach dem Aufbringen strukturiert werden, insbesondere durch mindestens einen lithografischen

Prozess.

Schritt d) kann weiterhin ein Aufbringen mindestens eines Heizelements umfassen. Insbesondere kann Schritt d) ein Aufbringen mindestens einer Heizerisolationsschicht umfassen. Die Heizerisolationsschicht kann zumindest teilweise eine weitere Schicht des Schichtaufbaus bedecken. Die

Heizerisolationsschicht kann aus Siliziumnitrid, Siliziumoxid oder Aluminiumoxid hergestellt sein. Auch andere Materialien sind denkbar. Schritt e) kann mindestens einen Atzprozess umfassen. Der Atzprozess kann insbesondere einen isotropen Atzprozess umfassen. Der Atzprozess kann mindestens einen Prozess umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem nasschemischen Atzprozess, einem trockenchemischen Atzprozess und dabei insbesondere einem reaktiven lonenätzen.

Alternativ oder zusätzlich zu Schritt e) kann das Verfahren ein selektives Entfernen des Halbleitersubstrats umfassen. Durch das selektive Entfernen des Halbleitersubstrats kann eine Kavität unter dem Schichtaufbau erzeugt werden. Das selektive Entfernen kann insbesondere einen selektiven Atzprozess, insbesondere in einem Chlorfluorid-Gas und/oder in einem Xenonfluorid-Gas, umfassen.

In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein

Festkörperelektrolyt-Sensorelement offenbart, umfassend:

I. mindestens ein Halbleitersubstrat;

II. mindestens eine in mindestens einer Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildete Kaverne;

III. mindestens einen Schichtaufbau, wobei der Schichtaufbau mindestens eine Schicht eines elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials und mindestens eine Festkörperelektrolytschicht umfasst, wobei der Schichtaufbau die Kaverne zumindest teilweise abdeckt.

Das Festkörperelektrolyt-Sensorelement ist herstellbar nach dem Verfahren, wie es bereits oben beschrieben wurde oder nachfolgend beschrieben wird.

Die Festkörperelektrolytschicht kann insbesondere eine Membran ausbilden. Unter einer Membran im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich ein Element mit einer beliebigen Grundfläche und einer definierten Dicke zu verstehen, wobei die Dicke vorzugsweise zwischen 100 nm und 5 μηη liegt, oder besonders bevorzugt zwischen 300 nm und 1 μηη. Die Membran kann

beispielsweise für mindestens einen oder mehrere Stoffe in eine Richtung durchlässig sein. Beispielsweise kann die Membran für mindestens einen oder mehrere Stoffe in beide Richtungen durchlässig sein. Auch andere

Ausführungsformen sind grundsätzlich möglich. Auf dem Halbleitersubstrat können mehrere Festkörperelektrolyt-Schichten als Membranen ausgebildet sein. Die Festkörperelektrolyt-Schichten können vorzugsweise parallel zueinander auf dem Halbleitersubstrat angeordnet sein.

Die Ätzkanale können eingerichtet sein, um für das Festkörperelektrolyt- Sensorelement einen Druckausgleichskanal für ein Referenzvolumen, insbesondere ein gepumptes O-Referenzvolumen, darzustellen.

Die zweite Schicht des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials insbesondere eingerichtet sein, um eine Heizerstruktur und einen Sensorkontakt bereitzustellen.

Das vorgeschlagene Verfahren weist gegenüber bekannten Verfahren zahlreiche Vorteile auf. Durchschnittliche Abmessungen des Festkörperelektrolyt- Sensorelements können grundsätzlich verringert werden. Beispielsweise können durchschnittliche Abmessungen eines mittels Dickschichttechnik hergestellten Sensorelements im Bereich von 5 mm x 5mm x 2 mm liegen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können die durchschnittlichen Abmessungen des Festkörperelektrolyt-Sensorelements beispielsweise bei 1mm x 2mm x 1 mm liegen. Dies kann insbesondere zu einem verringerten Bauraum, einer schnelleren Betriebsbereitschaft, insbesondere von kleiner als 3 Sekunden und einer geringeren benötigten Heizleistung, beispielsweise von 100 mW, führen. Durch eine Verwendung des Opferschichtmaterials in dem Verfahren zur Herstellung des Festkörperelektrolyt-Sensorelements können grundsätzlich mehrere oder alle Schritte des Verfahrens auf einem massiven Material erfolgen, bevor die Festkörperelektrolytschicht freigestellt wird. Hierdurch kann

insbesondere ein vorzeitiger Membranbruch durch mechanische Belastungen während des Verfahrens zur Herstellung verhindert werden. Zusätzlich kann es von Vorteil sein, die Oberfläche des Festkörperelektrolyt-Sensorelements auf mehrere, parallelgeschaltete und kleinflächige Membranen aufzuteilen. So kann insbesondere eine Druckfestigkeit in einem Sensorbetrieb deutlich erhöht werden. Insbesondere kann bei einer identischen Membrandicke die

Druckfestigkeit bei einer vierfachen Verringerung einer Membranfläche die Druckfestigkeit um das Achtfache erhöht werden. Das Festkörperelektrolyt-Sensorelement kann grundsätzlich wie folgt hergestellt werden: Das Substrat kann insbesondere Silizium umfassen, da für dieses Material grundsätzlich eine Fülle an Strukturierungs- und Abscheideprozessen zur Verfügung steht, welche für eine Erzeugung des Schichtaufbaus vorteilhaft sind. Des Weiteren weist Silizium grundsätzlich eine hohe Temperaturstabilität (Erweichungstemperatur 1200 °C) auf, welche üblicherweise für einen Einsatz im

Bereich der Abgassensorik erforderlich sind. In die Oberfläche des Substrats kann anschließend die Kaverne strukturiert werden, welche eine Vertiefung in einem Bereich der später aktiven Sensorfläche aufweist, sowie je nach

Anforderung die Ätzkanäle, die einen Zugang für das Opferschichtmaterial sowie den später notwendigen Druckausgleichskanal für das gepumpte O-

Referenzvolumen darstellen. Die Kaverne kann anschließend mit dem

Opferschichtmaterial beispielsweise über einen Depositionsprozess ausgefüllt werden. Als Opferschichtmaterial können bevorzugt Siliziumdioxid, aber alternativ auch Siliziumgermanium, oder Siliziumnitrid in Frage kommen. Diese Materialien lassen sich grundsätzlich nasschemisch und/ oder trockenchemisch entfernen. Das Opferschichtmaterial kann einem topologischen Verlauf der Kaverne folgen. Daher kann im Anschluss ein chemisch-mechanisches

Polierverfahren durchgeführt werden, bei dem das Opferschichtmaterial bis zu einem Niveau der ursprünglichen Oberfläche des Substrats zurückpoliert wird. Auf die polierte Oberfläche kann das Aufbringen der ersten Schicht des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials, insbesondere einer gasdurchlässigen, porösen Platinschicht, der Festkörperelektrolytschicht sowie der zweiten Schicht des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials, erfolgen. Die Schichten können bereits strukturiert abgeschieden werden, beispielsweise über einen Schattenmaskenprozess. Die Schichten können nachträglich über lithografische

Verfahren und anschließende Ätzprozesse, insbesondere lonenstrahlätzen, strukturiert werden. Die Strukturierung kann so erfolgen, dass ein kleiner Teil der hervorstehenden Ätzkanäle sowie ein Teil der ersten Schicht des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials zu einer besseren späteren

Kontaktierung freiliegt. Die zweite Schicht des porösen, elektrisch leitfähigen

Elektrodenmaterials kann so strukturiert werden, dass diese die Heizerstruktur und den Sensorkontakt bereitstellt.

Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn bei dem Schichtaufbau die zweite Schicht des mindestens einen porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials in einer lateralen Ausdehnung nicht über eine laterale Ausdehnung der Kaverne herausreicht. Ein Überlapp zwischen der zweiten Schicht und dem

Halbleitersubstrat kann in dem Sensorbetrieb, insbesondere in einem gepumpten Sensorbetrieb, des Sensorelements dazu führen, dass Sauerstoff bis zu einer Grenzfläche zwischen der ersten Schicht des mindestens einen porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials und dem Halbleitersubstrat gepumpt wird und zu einem Abplatzen des Schichtaufbaus führt.

Es kann weiterhin vorteilhaft sein, zunächst die erste Schicht des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials zu strukturieren und anschließend die Festkörperelektrolytschicht und die zweite Schicht des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials abzuscheiden. Dadurch kann die

Festkörperelektrolytschicht insbesondere über die Kaverne hinaus reichen und eine mechanische Stabilität der Festkörperelektrolytschicht erhöhen. Das Opferschichtmaterial kann durch den Ätzkanal entfernt werden und eine Kavität unter dem Schichtaufbau bilden. Der Ätzkanal kann beispielsweise in dem Halbleitersubstrat an der Grenzfläche zur ersten Schicht des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials gebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Ätzkanal ein Loch in dem Schichtaufbau darstellen. Insbesondere um eine Anforderung an die Druckfestigkeit der Festkörperelektrolytschicht zu erfüllen, können Kontakte auf den Festkörperelektrolytschichten in einer obersten Ebene des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials miteinander verbunden sein. In einer Ausführungsform kann die zweite Schicht des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials zu einer Kontaktierung des Sensorelements verwendet werden. Anschließend kann, durch eine Isolationsschicht getrennt, eine weitere Schicht eines porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials für eine Heizerstruktur aufgebracht werden. Ein Vorteil kann darin liegen, dass für die Kontaktierung des Sensorelements und für die Heizstruktur jeweils gute morphologische und/oder elektrische Eigenschaften der Schichten des porösen, elektrisch leitfähigen Materials erreicht und verwendet werden können.

Kurze Beschreibung der Figuren

Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.

Es zeigen:

Figuren 1.1.1 bis 1.7.2 eine Darstellung von Verfahrensschritten eines ersten

Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das Halbleitersubstrat in Schnittdarstellung (1.1.1, 1.2.1, 1.3.1, 1.4.1, 1.5.1, 1.6.1, 1.7.1) und in Draufsicht (1.1.2, 1.2.2, 1.3.2, 1.4.2, 1.5.2, 1.6.2, 1.7.2) gezeigt ist;

Figur 2.1 bis 2.8 eine Darstellung von Verfahrensschritten eines zweiten

Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das Halbleitersubstrat in Schnittdarstellung gezeigt ist;

Figur 3.1 bis 3.10 eine Darstellung von Verfahrensschritten eines dritten

Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das Halbleitersubstrat in Schnittdarstellung gezeigt ist; Figur 4.1 bis 4.2 eine Darstellung von Teilschritten eines weiteren

Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das Halbleitersubstrat in Schnittdarstellung gezeigt ist;

Figur 5 Darstellung eines Teilschritts eines weiteren

Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das Halbleitersubstrat in Schnittdarstellung gezeigt ist;

Figur 6.1 bis 6.2 Teilschritte eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das Halbleitersubstrat in Schnittdarstellung gezeigt ist; und

Figuren 7a und 7b Darstellungen von zwei Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen Festkörperelektrolyt-Sensorelements in Draufsicht.

Ausführungsformen der Erfindung

Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Verfahren gezeigt. Diese Ausführungsbeispiele sind getrennt voneinander realisierbar, sind jedoch, wie der Fachmann erkennen wird, auch ganz oder in Teilen miteinander kombinierbar.

Die Figuren 1.1.1 bis 1.7.2 zeigen ein exemplarisches erstes

Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung mindestens eines Festkörperelektrolyt-Sensorelements 110. Dabei sind die Teilschritte des Verfahrens jeweils so dargestellt, dass das jeweilige Produkt oder Zwischenprodukt, enthaltend ein Halbleitersubstrat 112, jeweils in

Schnittdarstellung (Figuren 1.1.1, 1.2.1, 1.3.1, 1.4.1, 1.5.1, 1.6.1, 1.7.1) und in Draufsicht (Figuren 1.1.2, 1.2.2, 1.3.2, 1.4.2, 1.5.2, 1.6.2, 1.7.2) gezeigt ist.

In einem Schritt a) wird zunächst mindestens das Halbleitersubstrat 112 bereitgestellt. Dies ist in den Figuren 1.1.1 und 1.1.2 dargestellt. Das

Halbleitersubstrat 112 kann insbesondere ganz oder teilweise aus Silizium bestehen. Das Halbleitersubstrat 112 kann beispielsweise eine quaderförmige, scheibenförmige oder plattenförmige Grundform aufweisen. Auch andere Ausführungsformen sind grundsätzlich denkbar.

Anschließend wird in einem Schritt b) mindestens eine Kaverne 114 in mindestens einer Oberfläche 116 des Halbleitersubstrats 112 ausgebildet. Dies ist in den Figuren 1.2.1 und 1.2.2 gezeigt. Die Kaverne 114 kann eine

quaderförmige Grundform aufweisen und in das Halbleitersubstrat 112 hineinragen. Das Ausbilden kann durch einen Ätzprozess, beispielsweise durch reaktives lonenätzen, erfolgen. Das Verfahren kann weiterhin ein Ausbilden mindestens eines Ätzkanals 118 umfassen. Der Ätzkanal 118 kann eine längliche

Form aufweisen und auf der Oberfläche 116 des Halbleitersubstrats 112 ausgebildet sein. Die Kaverne 114 und eine Umgebung des Halbleitersubstrats 112 können über den Ätzkanal 118 miteinander verbunden sein. Anschließend wird in einem Schritt c) die Kaverne 114 zumindest teilweise mit mindestens einem Opferschichtmaterial 120 aufgefüllt. Dies ist in den Figuren 1.3.1 und 1.3.2 dargestellt. Das Opferschichtmaterial 120 kann mindestens ein Material umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Oxid, insbesondere einem Siliziumoxid; einem Halbleitermaterial, insbesondere einem Mischhalbleitermaterial, insbesondere Siliziumgermanium; einem Nitrid, insbesondere Siliziumnitrid. Das Opferschichtmaterial 120 kann eingerichtet sein, um Teile des Halbleitersubstrats 112, insbesondere die Kaverne 114, zu bedecken. Figuren 1.4.1 bis 1.7.2 zeigen einem Schritt d) des erfindungsgemäßen

Verfahrens, in welchem mindestens ein Schichtaufbau 122 des

Festkörperelektrolyt-Sensorelements 110, wie in den Figuren 1.7.1 und 1.7.2 dargestellt, auf das Opferschichtmaterial 120 aufgebracht wird. Der Schritt d) kann derart durchgeführt werden, dass der Schichtaufbau 122 das

Opferschichtmaterial 120 lediglich unvollständig bedeckt und der Ätzkanal 118 mindestens einen unbedeckten Bereich des Opferschichtmaterials 120 umfasst. Der Schichtaufbau 122 umfasst mindestens eine Schicht eines elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials 124 und mindestens eine

Festkörperelektrolytschicht 126. Mindestens eine Schicht des Schichtaufbaus 122 kann durch eine strukturierte Abscheidung erfolgen. Die strukturierte Abscheidung kann beispielsweise mindestens einen Schattenmaskenprozess umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens eine Schicht des

Schichtaufbaus 122 nach dem Aufbringen strukturiert werden. Das Strukturieren kann beispielsweise mindestens einen lithografischen Prozess umfassen. Auch andere Verfahren sind grundsätzlich denkbar.

In dem Schritt d) kann das Verfahren folgende Teilschritte umfassen. In einem ersten Teilschritt dl) kann eine erste Schicht 128 des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials auf der Oberfläche 116 des Halbleitersubstrats 112 aufgebracht werden. Dies ist in den Figuren 1.4.1 und 1.4.2 dargestellt. Die erste Schicht 128 kann die Kaverne 114 ganz oder teilweise bedecken. Die erste Schicht 128 kann auf einer der Kaverne 114 zugewandten Seite des

Schichtaufbaus 122 angeordnet sein.

Das poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenmaterial kann mindestens eine Keramikmetallverbindung, insbesondere Verbundwerkstoffe aus keramischen Werkstoffen mit einer metallischen Matrix, umfassen. Das poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenmaterial kann mindestens ein Metall aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Platin; Palladium; eine Legierung. Das poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenmaterial kann weiterhin insbesondere mindestens ein keramisches Material aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid.

In einem zweiten Teilschritt d2) kann die Festkörperelektrolytschicht 126 auf der ersten Schicht 128 aufgebracht werden. Dies ist in den Figuren 1.5.1 und 1.5.2 gezeigt. Die Festkörperelektrolytschicht 126 kann die erste Schicht 128 zumindest teilweise bedecken. Die Festkörperelektrolytschicht kann mindestens ein Material umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Yttriumstabilisiertes Zirkoniumoxid; Scandium-dotiertes Zirkoniumoxid.

In einem dritten Teilschritt d3) kann eine zweite Schicht 130 des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials auf der Festkörperelektrolytschicht 126 aufgebracht werden. Dies ist in den Figuren 1.6.1 und 1.6.2 dargestellt. Die zweite Schicht 130 kann die Festkörperelektrolytschicht 126 zumindest teilweise bedecken. Die Festkörperelektrolytschicht 126 kann zwischen der ersten Schicht 128 und der zweiten Schicht 130 angeordnet sein.

In den Figuren 1.7.1 und 1.7.2 wird ein nächster Schritt e) gezeigt, in welchem das Opferschichtmaterial 120 zumindest teilweise entfernt wird. Die Kaverne 114 wird zumindest teilweise wieder freigelegt, so dass die Kaverne 114 zumindest teilweise von dem Schichtaufbau 122 abgedeckt ist. In diesem

Ausführungsbeispiel kann das Opferschichtmaterial 120 durch den Ätzkanal 118 hindurch aus der Kaverne 114 entfernt werden. Schritt e) kann beispielsweise mindestens einen Ätzprozess umfassen. Der Ätzprozess kann insbesondere einen isotropen Ätzprozess umfassen. Der Ätzprozess kann mindestens einen Prozess umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem nasschemischen Ätzprozess, einem trockenchemischen Ätzprozess, einem reaktiven lonenätzen.

Die Figuren 2.1 bis 2.8 zeigen Teilschritte eines zweiten exemplarischen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren entspricht in weiten Teilen dem Verfahren gemäß der Figuren 1.1.1 bis 1.7.2, so dass weitgehend auf die Beschreibung der Figuren 1.1.1 bis 1.7.2 oben verwiesen werden kann. Das Halbleitersubstrat 112 ist dabei jeweils in einer

Schnittdarstellung gezeigt, auf eine Draufsicht wurde verzichtet.

Die dargestellten Teilschritte in den Figuren 2.1 bis 2.3 umfassen die Teilschritte a), b) und c) und entsprechen den Figuren 1.1.1 bis 1.3.2, so dass insbesondere auf die Beschreibung der Figuren 1.1.1 bis 1.3.2 oben verwiesen werden kann.

Das Verfahren kann vor Durchführung des Schritts d) ein Entfernen von überschüssigem Opferschichtmaterial umfassen. Dies ist in Figur 2.4 dargestellt. Das Entfernen kann derart erfolgen, dass das Halbleitersubstrat 112 und das in der Kaverne 114 und/oder in dem Ätzkanal 118 befindliche Opferschichtmaterial

120 eine gemeinsame ebene Oberfläche 116 bilden, auf welche der

Schichtaufbau 122 aufgebracht werden kann. Das Entfernen des überschüssigen Opferschichtmaterials 120 kann mindestens einen Prozess umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem chemisch-mechanischen Polierverfahren, einem nasschemischen Ätzprozess, einem trockenchemischen Atzprozess, einem lonenätzen. Auch andere Verfahren sind grundsätzlich denkbar.

Die dargestellten Teilschritte in den Figuren 2.5 bis 2.8 umfassen die Teilschritte d), insbesondere dl), d2) und d3), sowie e) und entsprechen den Darstellungen in den Figuren 1.4.1 bis 1.4.2, so dass insbesondere auf die Beschreibung der Figuren 1.4.1 bis 1.7.2 oben verwiesen werden kann.

Figur 3.1 bis 3.2 zeigen Teilschritte eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren entspricht in weiten Teilen den Verfahren gemäß der Figuren 2.1 bis 2.8, so dass weitgehend auf die

Beschreibung der Figuren 2.1 bis 2.8 oben verwiesen werden kann.

Die dargestellten Teilschritte in den Figuren 3.1 bis 3.7 umfassen zunächst die Teilschritte a), b) und c) sowie nach Durchführen des Teilschritts c) das

Entfernen des überschlüssigen Opferschichtmaterials. Die Figuren 3.1. bis 3.7 entsprechen daher den Figuren 2.1 bis 2.7, so dass insbesondere auf die Beschreibung der Figuren 2.1 bis 2.7 oben verwiesen werden kann.

Schritt d) kann weiterhin ein Aufbringen mindestens eines Heizelements 132 umfassen. Dies ist in Figur 3.8 dargestellt. Insbesondere kann Schritt d) ein Aufbringen mindestens einer Heizerisolationsschicht 134 umfassen. Die

Heizerisolationsschicht 134 kann zumindest teilweise eine weitere Schicht des Schichtaufbaus 122 bedecken. Die Heizerisolationsschicht 134 kann

insbesondere aus Siliziumnitrid hergestellt sein. Auch andere Materialien sind denkbar.

Die Heizerisolationsschicht 134 kann durch eine strukturierte Abscheidung, beispielsweise durch einen Schattenmaskenprozess, erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann die Heizerisolationsschicht 134 nach dem Aufbringen strukturiert werden, beispielsweise durch mindestens einen lithographischen Prozess.

Auf die Heizerisolationsschicht 134 kann eine dritte Schicht 135 eines porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials aufgebracht werden. Dies ist in Figur 3.9 dargestellt. In Figur 3.10 ist das Entfernen des überschüssigen Opferschichtmaterials gezeigt. 3.10 entspricht in weiten Teilen der Figur 2.8, so dass weitgehend auf die Beschreibung der Figur 2.8 oben verwiesen werden kann.

Figuren 4.1 und 4.2 zeigen eine Darstellung von Teilschritten eines weitern Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das

Halbleitersubstrat 112 ist in Schnittdarstellung gezeigt. Die Teilschritte können zusätzliche Teilschritte der erfindungsgemäßen Verfahren gemäß der Figuren 1.1.1 bis 1.7.2, 2.1 bis 2.8 oder 3.1 bis 3.10 darstellen oder auch anstelle von dargestellten Teilschritten der Figuren 1.1.1 bis 1.7.2, 2.1 bis 2.8 oder 3.1 bis 3.10 treten.

In Figur 4.1 wird ein Halbleitersubstrat 112 bereitgestellt. Zwischen dem

Halbleitersubstrat 112 kann mindestens eine Ätzstoppschicht 136 eingebracht werden. Die Ätzstoppschicht 136 kann beispielsweise Siliziumdioxid umfassen. Das Material kann insbesondere chemisch verschieden zu dem

Opferschichtmaterial 120 sein. Die Ätzstoppschicht 136 kann vorzugsweise in einem separaten Prozess auf das Halbleitersubstrat 112 aufgebracht werden. Die Ätzstoppschicht 136 kann insbesondere als Barriere während des Ausbildens der Kaverne 114 eingerichtet sein. Dies ist in Figur 4.2 dargestellt. Insbesondere kann die Ätzstoppschicht 136 eine Tiefe der Kaverne 114 steuern.

In Figur 5 ist ein Teilschritt eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Das Halbleitersubstrat 112 ist in

Schnittdarstellung gezeigt. Der Teilschritt kann einen zusätzlichen Teilschritt der erfindungsgemäßen Verfahren gemäß der Figuren 1.1.1 bis 1.7.2, 2.1 bis 2.8 oder 3.1 bis 3.10 darstellen oder auch anstelle von dargestellten Teilschritten der Figuren 1.1.1 bis 1.7.2, 2.1 bis 2.8 oder 3.1 bis 3.10 treten.

Der Teilschritt b) kann das Ausbilden mehrerer Kavernen 114 umfassen. Die Kavernen 114 können durch die Ätzstoppschicht 136 begrenzt sein. Zusätzlich können die Kavernen 114 innerhalb des Halbleitersubstrats 112 münden. Figuren 6.1 bis 6.2 zeigen Teilschritte eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Teilschritte können zusätzliche Teilschritte der erfindungsgemäßen Verfahren gemäß der Figuren 1.1.1 bis 1.7.2, 2.1 bis 2.8 oder 3.1 bis 3.10 oder auch anstelle von dargestellten Teilschritten der Figuren 1.1.1 bis 1.7.2, 2.1 bis 2.8 oder 3.1 bis 3.10 treten.

Alternativ oder zusätzlich zu Schritt e) kann das Verfahren ein selektives Entfernen des Halbsubstrats 112 umfassen. Durch das selektives Entfernen des Halbleitersubstrats 112 kann eine Kavität, insbesondere eine Kaverne 114 unter dem Schichtaufbau 122 erzeugt werden. Das selektive Entfernen kann insbesondere einen selektiven Ätzprozess insbesondere in einem Chlorfluorid- Gas und/oder in einem Xenonfluorid-Gas, umfassen.

Figuren 7a und 7b zeigen exemplarische Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Festkörperelektrolyt-Sensorelements 110 in Draufsicht.

Das Festkörperelektrolyt-Sensorelement 110 umfasst mindestens ein

Halbleitersubstrat 112, mindestens eine in mindestens einer Oberfläche 116 des Halbleitersubstrats 112 ausgebildete Kaverne 114, mindestens einen in der Oberfläche 116 des Halbleitersubstrats 112 ausgebildeten Ätzkanal 118 und mindestens einen Schichtaufbau 122. Der Schichtaufbau 122 umfasst mindestens eine Schicht 124 eines elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials und mindestens eine Festkörperelektrolytschicht 126. Der Schichtaufbau 122 deckt die Kaverne 114 zumindest teilweise ab.

Das Festkörperelektrolyt-Sensorelement 110 in Figur 7a kann zwei

Schichtaufbauten aufweisen. Die Schichtaufbauten 122 können miteinander verbunden sein. Beispielsweise können die Schichtaufbauten 122 über die zweite Schicht 130 des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials miteinander verbunden sein.

In Figur 7b können ein Teil der Ätzkanäle 118 sowie ein Teil der ersten Schicht 124 des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials des

Festkörperelektrolyt-SensorelementsllO freiliegen. Die zweite Schicht 1230 des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials kann eingerichtet sein, um eine Heizerstruktur und einen Sensorkontakt bereitzustellen.