Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtsenso- ren, die ein Glassubstrat aufweisen. Ebenso bezieht sich die Erfindung auf Heissfilmanemometer und Feuchtesensoren, die nach diesem Verfahren hergestellt wurden.

Dünnschichtsensoren werden in großen Stückzahlen beispielsweise in der Automobilindustrie zur Messung des Ansaugluftmassenstromes von Verbrennungsmotoren oder als Feuchtesensoren eingesetzt.

Aufgrund von hohen Anforderungen bezüglich der chemischen Beständig- keit und wegen der großen Temperaturbelastungen werden beispielsweise Heissfilmanemometer zur Bestimmung von Gasmassenströmen oft mit ei- nem Substrat aus Glas hergestellt. Auf dieses Glassubstrat werden dünne, etwa 1um starke Schichten, häufig aus Molybdän oder Platin, durch zum Beispiel Vakuumbedampfung oder Katodenzerstäubung (Sputtern) aufge- bracht. Danach wird dieser Verbund in vielen Fällen noch mit einer Schutz- schicht und einer Kontaktschicht versehen. Die notwendigen Sensorstruk- turen werden dann aus den aufgebrachten Schichten, beispielsweise durch einen selektiven Fotoätzprozess, herausgearbeitet.

Ebenso werden kapazitive Feuchtesensoren als Dünnschichtsensoren her- gestellt. Zu diesem Zweck werden zum Beispiel auf das Glassubstrat kammförmig ineinander greifende Elektroden aufgebracht. Darauf wird eine feuchteempfindliche Schicht gebracht, die meistens aus einem Polymerma- terial besteht. Die Kapazität der Elektrodenanordnung ändert sich durch die von der relativen Luftfeuchte abhängige Wasseraufnahme der feuch- teempfindlichen Schicht. Durch Messung der Kapazität kann dann die rela- tive Luftfeuchte bestimmt werden. Zur weiteren Miniaturisierung und zur Re- duzierung der thermischen Ansprechzeit dieser Sensoren ist eine möglichst geringe Dicke des Substrates anzustreben.

Insbesondere bei den Heissfilmanemometern ist es wichtig, dass eine schnelle Ansprechgeschwindigkeit sichergestellt ist, bzw. dass diese Senso- ren eine kurze thermische Zeitkonstante aufweisen. Aus diesen Gründen werden die Heissfilmanemometer mit einem möglichst dünnen Substrat her- gestellt. Auf diesem Glassubstrat befinden sich üblicherweise zwei Messwi- derstände, von denen einer als Heizwiderstand ausgeführt ist. Im Betrieb bei Übertemperatur wird die Temperatur bzw. der Widerstand des stromabwärts gelegenen Heizwiderstandes konstant gehalten, was durch die Nachführung des Sensorstromes erreicht wird. Der Sensorstrom dient gleichzeitig als Messgröße für die Durchflussrate der Ansaugluft. Pulsationen im Ansaug- trakt des Motors und etwaige Strömungsumkehr führen in Kombination mit einer Mittelung über die nichtlineare Charakteristik eines Heissfilmanemo- meters zu Fehlmessungen, die bei modernen Motormanagementsystemen nicht mehr akzeptiert werden können. Ziel ist es deshalb, ein Heissfilmane- mometer zu realisieren, das eine geringere thermische Zeitkonstante auf- weist. Durch Substrate mit geringer Dicke wird die Wärmekapazität des Sub- strates reduziert, wodurch der störende und das Messergebnis verfäl- schende Wärmefluss zwischen Substrat und Sensorstrukturen im thermisch instationären Betrieb minimiert wird.

Um ausreichend niedrige Zeitkonstanten zu erreichen sind Substratdicken von maximal 150 um notwendig. Vorzugsweise sollten Substratdicken von 100 um bis hinab zu etwa 50 um und darunter erreicht werden. Die Herstel- lung von Dünnschichtsensoren in großer Stückzahl auf derartig dünnen Substraten, insbesondere Glassubstraten, ist aus fertigungstechnischer Sicht besonders schwierig und mit großen Ausschussraten begleitet.

Üblicherweise werden bei der Fertigung von Dünnschichtsensoren handels- übliche Gläser in einer Dicke von 100 um bis 150 um als Substrate verwen- det. Auf diese Glassubstrate werden die Sensorstrukturen von mehreren Sensoren aufgebracht. Danach werden in der Regel noch Schutz-und Kon- taktschichten aufgetragen. Durch die Beschichtung werden erhebliche Spannungen in dem dünnen Glassubstrat erzeugt. Diese Spannungen füh- ren in der Fertigung bereits bei den unzerteilten Glassubstraten zu nicht zu

vernachlässigenden Ausschusszahlen infolge von Brüchen und Rissen. Be- sonders kritisch ist jedoch in diesem Zusammenhang das Zersägen der konfektionierten Glassubstrate auf die Endmaße der Sensoren. Bei diesem Arbeitsschritt werden zwangsläufig zusätzliche Spannungen in das Glas- material eingeleitet, die dann nicht selten zum Bruch der Gläser führen. Um die Ausschussrate in Grenzen zu halten, konnten bisher Glassubstrate nur mit einer Größe von maximal 2 Zoll x 2 Zoll verwendet werden. Darüber hin- aus erzeugen die oben beschriebenen Spannungen, wenn sie nicht zum Bruch führen, Verwerfungen der Gläser. Diese unsystematischen Verfor- mungen sind der limitierende Faktor für die Automatisierungsbestrebungen der Dünnschichtsensorherstellung mit Glassubstraten.

Aus der W098/34084 ist ein Verfahren bekannt, bei dem auf einem Glasträ- ger eine zusätzliche Membranschicht aufgetragen wird. Der Glasträger wird dann auf einer relativ kleinen Teilfläche von der Rückseite her bis zur Memb- ran hin durch einen selektiven Ätzprozess abgetragen. Die Membran, die aus mehreren Schichten bestehen kann, dient dann gleichsam als Substrat für die Sensorstrukturen des Heissfilmanemometers. Auf diese Weise kön- nen Dünnschichtsensoren mit geringer Substratdicke hergestellt werden.

Diese extrem niedrigen Substratdicken haben zwar den Vorteil, dass die An- sprechzeit der Heissfilmanemometer minimiert wird, sie sind aber extrem empfindlich in Bezug auf mechanische Belastungen. Gerade für die Anwen- dung in Kraftfahrzeugen hat sich diese Bauart als zu wenig robust erwiesen.

In der EP 0043001 B1 wird ein Verfahren zur Herstellung von Feuchtesen- soren in Dünnschichttechnik auf einem Glassubstrat beschrieben. Dabei wird die Ausgangsdicke des Glassubstrates nach dem Aufbringen der Sen- sorstrukturen nicht weiter reduziert. Es wird sogar durch Auftragen einer Ätz- schutzschicht aktiv ein Abtragen von Glasmaterial aus dem Substrat im Ätz- prozess verhindert. Die Herstellung von Dünnschichtsensoren mit dünnen Glassubstraten ist daher mit diesem Verfahren äußerst heikel und unwirt- schaftlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zu schaffen, das eine wirtschaftliche Produktion von Dünnschichtsensoren auf dünnen Glassubstraten in hohen Stückzahlen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erge- ben sich aus den Maßnahmen in den von Anspruch 1 abhängigen Ansprü- chen.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahmen können als Ausgangsmate- rial für das Glassubstrat handelsübliche Glasplatten mit einer Ausgangsdicke D von 0,3 mm bis 0,9 mm verwendet werden. Im Gegensatz zu den bisher möglichen Ausgangs-Glassubstratformaten von 2 Zoll x 2 Zoll können durch das neue Verfahren entsprechende Platten mit einer quadratischen Form von 4 Zoll Seitenlänge oder runde Platten von 6 Zoll Durchmesser einge- setzt werden. Die Fläche, die bei der Verwendung dieser Plattengrößen für das Aufbringen der Sensorstrukturen, die eine Kantenlänge von nur wenigen Millimetern aufweisen, herangezogen werden kann, wird demnach um den Faktor 4 bis 7 gesteigert. Entsprechend können durch das neue Verfahren mit vertretbarer Ausschussrate in einem Arbeitsschritt 4 bis 7 mal so viele Sensorstrukturen aufgebracht und herausstrukturiert werden. Gleichzeitig resultiert aus diesem Verfahren eine deutlich verringertre Bruchgefahr.

Weitere Vorteile, sowie Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines möglichen Ausfüh- rungsbeispieles anhand der beiliegenden Figuren.

Es zeigt Figur 1 schematisch die jeweiligen Verfahrensschritte zur Herstellung von Dünnschichtsensoren ;

Figur 2a einen Querschnitt durch einen Verbund aus Glassubstrat und Sensorstrukturen nach dem Einritzen der Gräben ; Figur 2b einen Querschnitt durch einen Verbund aus Glassubstrat und Sensorstrukturen in Verbin- dung mit dem Träger ; Figur 2c einen Querschnitt durch einen Verbund aus Glassubstrat und Sensorstrukturen in Verbin- dung mit dem Träger nach dem Schleifen ; Figur 2d einen Querschnitt durch die umgespannten fertigen Dünnschichtsensoren.

Die Figur 1 soll im wesentlichen dazu dienen, den Verfahrensablauf zu er- läutern. In den Figuren 2a bis 2d wird anhand von Querschnitten der Her- stellungsprozess gezeigt. Gleiche Teile sind in den Figuren 2a bis 2d mit identischen Bezugszeichen gekennzeichnet.

In dem gezeigten Beispiel werden zunächst auf ein quadratisches Glassub- strat 1 mit einer Ausgangsdicke D von 0,5 mm und einer Kantenlänge von 4 Zoll im Arbeitsschritt S10 Sensorstrukturen 2 aufgebracht. Die Sensor- strukturen 2 sind in diesem Fall für ein Heissfilmanemometer und bestehen daher aus einem Messwiderstand und einem Heizwiderstand und den dazu- gehörigen Schutz-und Kontaktschichten.

Alternativ hierzu können die Sensorstrukturen 2 auch kammförmige Elektro- den mit einer entsprechenden feuchteempfindlichen Schicht und ggf. zusätz- lichen Schutzschichten für Feuchtesensoren sein.

Definitionsgemäß wird diejenige Seite des Glassubstrates 1, auf welche die Sensorstrukturen 2 aufgebracht werden als Vorderseite 1.1 bezeichnet. Die gegenüberliegende Seite des Glassubstrates 1 wird folglich als Rückseite

1.2 benannt. Durch die vergleichsweise große Ausgangsdicke D und die da- mit verbundene hohe mechanische Stabilität des Glassubstrates 1 ist des- sen Handhabung unproblematisch. Selbst nach dem Aufbringen der Sensor- strukturen 2 zeigt das vergleichsweise dicke Glassubstrat 1 praktisch nie Risse oder Verwerfungen. Die Sensorstrukturen 2 für ein Heissfilmanemo- meter bestehen beispielsweise aus Molybdän-Leiterbahnen, die durch Sputtern auf dem Glassubstrat 1 aufgebracht werden. Diese Bahnen werden danach mit einer Schutzschicht überzogen, die wiederum mit einer Kontakt- schicht aus Gold beaufschlagt wird. Danach werden die entsprechenden Strukturen durch einen selektiven Fotoätzprozess herausgearbeitet.

Sobald die Herstellung der Sensorstrukturen 2, bestehend aus den oben genannten Schichten, abgeschlossen ist, wird das Glassubstrat 1 im dar- gestellten Beispiel zwischen den Sensorstrukturen 2 in zwei senkrecht zu- einander liegenden Richtungen eingeritzt (Fig. 2a) Die Tiefe t der so einge- brachten Gräben 1.3 ist dabei so gewählt, dass nach dem unten beschrie- benen Schleifprozess der Rückseite 1.2 des Glassubstrates 1 nur noch die rechteckigen Dünnschichtsensoren ohne Verbindungsbrücken im Glassub- strat 1 liegen bleiben. Mit anderen Worten ist die Tiefe t der Gräben 1.3 grö- ßer als die Enddicke d des Glassubstrates 1.

Danach wird im Schritt S20 der Verbund aus Glassubstrat und Sensorstruk- turen an dessen Vorderseite mit einem Träger 3 verbunden. Dies erfolgt bei- spielsweise über eine lösbare Aufspannklebeverbindung. Als lösbare Auf- spannklebeverbindung kommt etwa gemäß dem dargestellten Beispiel ein Schmelzklebstoff in Form eines Wachses 4 in Betracht, das auf der Vorder- seite 1.1 des Verbundes aus Sensorstrukturen 2 und Glassubstrat 1 in flüs- siger oder zähflüssiger Form aufgetragen wird. Die Vorderseite 1.1 wird so- dann gemäß der Figur 2b mit dem Träger 3, der vorzugsweise ebenso aus Glas besteht, in Kontakt gebracht Anschließend lässt man das Wachs 4 ab- kühlen, wobei sich dieses verfestigt, und so eine unverrückbare Verbindung zwischen dem Träger 3 und dem Verbund aus Sensorstrukturen 2 und Glas- substrat 1 bildet.

Neben Wachsen können auch andere Schmelzklebstoffe, wie zum Beispiel Kolophonium, oder synthetische Stoffverbindungen, etwa aus der Kategorie der Polymerverbindungen verwendet werden. Zu einem späterem Zeitpunkt kann die Verbindung durch Erwärmung auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Klebstoffes wieder gelöst werden.

Als alternative lösbare Aufspannklebeverbindung können beidseitig mit Klebstoff beschichteten Klebefolien eingesetzt werden. Die Verwendung dieser Klebefolien hat den Vorteil, dass sich in diese Folien die Sensor- strukturen 2 unter dem Druck der nachfolgenden Abtragprozesse eingraben können, so dass lokale Druckspitzen in den herzustellenden Sensoren ver- mieden werden können. Selbstverständlich sind mit dem Begriff Klebefolien auch gleichwirkende flächige Materialen wie etwa Klebegewebebänder oder klebende Schaumfolien etc. gemeint. Bei diesen Klebefolien können bevor- zugt Folien mit einer Klebebeschichtung verwendet werden, deren Haftkraft unter Einwirkung von UV-Licht signifikant nachlässt, bzw. verschwindet. Auf diese Weise kann durch geeignete Bestrahlung die Klebewirkung zum ge- wünschten Zeitpunkt deaktiviert werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Verbindung zwischen dem Verbund aus Glassubstrat 1 und Sensorstrukturen 2 mit dem Träger 3 auch durch Unterdruck hergestellt werden. In diesem Fall wird zum Beispiel durch einen perforierten Träger 3 Luft angesaugt. Sobald das Glassubstrat 1 mit den Sensorstrukturen 2 mit dem Träger 3 verbunden ist, fällt der Druck auf der Saugseite der Unterdruckquelle, so dass eine Anpresskraft infolge der Druckdifferenz zwischen Umgebung und Kontaktfläche entsteht. Damit die Sensorstrukturen 2 beim Aufspannen auf den Träger 3 nicht beschädigt werden, ist es zweckmäßig eine geeignete Zwischenschicht aus weichem Material vorzusehen.

Anschließend wird, gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel, das Sub- stratmaterial in drei Teilschritten (S31, S32, S33) von der Rückseite 1.2 her bis zur resultierenden Enddicke d des Glassubstrates 1 abgetragen (Fi- gur 1).

Die gesamte Rückseite 1.2 des aufgespannten Glassubstrates 1 wird zu- nächst im Schritt S31 mit einem relativ groben Schleifwerkzeug bearbeitet.

Das Ziel des Schrittes S31 ist es, dass der weitaus größte Teil des abzutra- genden Substratmaterials bereits hier entfernt wird, bzw., dass nach S31 die Ausgangsdicke D kaum größer ist als die anzustrebende resultierende End- dicke d des Glassubstrates 1.

Die Erfindung ist nicht auf eine Bearbeitung der gesamten Rückseite 1.2 des Glassubstrates 1 eingeschränkt, vielmehr ist in diesem Zusammenhang ein weitgehend großflächiges Abtragen der Rückseite 1.2 bis auf die resultie- rende Enddicke d des Glassubstrates 1 gemeint. Das heißt, dass flächen- bezogen mindestens 75% der Rückseite 1.2 des Ausgangs-Glassubstrates dem Abtragprozess ausgesetzt werden. Als Verfahren zur Durchführung des Abtragens von Substratmaterial können nicht nur Schleif-, sondern auch beispielsweise Polier-oder Ätzverfahren angewendet werden.

Der erste Abtragschritt dient häufig maßgeblich dazu, den Großteil des Vo- lumens des abzutragenden Substratmaterials, etwa 60% bis 75% oder mehr zu entfernen. Der Abtragprozess kann bereits nach diesem Schritt abge- schlossen sein, sofern die Enddicke d des Glassubstrates 1 erreicht ist, und die bearbeitete Oberfläche eine ausreichende Qualität bezüglich Rauheit aufweist.

Mit Vorteil wird jedoch im Anschluss an den ersten relativ groben Abtrag- schritt die Rückseite 1.2 im Rahmen des Abtragprozesses in einem zweiten Schritt (S32) einer weiteren Bearbeitung zur Verminderung der Rauheit un- terzogen. Dadurch sollen Spannungsspitzen infolge von Mikrokerben an der Oberfläche reduziert werden. Die derart behandelten Glassubstrate 1 sind dann trotz ihrer geringen Dicke mechanisch relativ unempfindlich. Im Schritt S32 (Figur 1) wird deshalb im vorliegendem Ausführungsbeispiel die zuvor grob geschliffene Rückseite 1.2 einem Feinschliffprozess unterzogen.

Alternativ zum Feinschleifen könnte beispielsweise auch ein Polierprozess vorgenommen werden. Zur Verminderung der Rauheit der Rückseite 1. 2

können auch andere geeigneten Oberflächenbehandlungsmethoden heran- gezogen werden. Diese Schritte können beispielsweise die oben genannten sein, wobei diese sowohl einzeln, überlagert oder aber auch in beliebig kombinierter Abfolge durchgeführt werden können.

Eine weitere Steigerung der mechanischen Belastbarkeit der dünnen Senso- ren ist durch einen weiteren Abtragschritt, im vorliegendem Beispiel gemäß Figur 1, ein Ätzprozess S33, der Rückseite 1.2 möglich. Durch das Anätzen in diesem Bereich wird die Oberfläche der Rückseite 1.2 extrem glatt, wo- durch die Kerbspannungsspitzen in größtem Umfang beseitigt werden. Bei diesem Schritt wird die Rückseite 1.2 des Glassubstrates 1 mit Flusssäure behandelt. Dadurch werden Mikroerhebungen an der Rückseite 1.2 entfernt, bis die Enddicke d des Glassubstrates 1 erreicht wird (Fig. 2c). Die derart behandelten Glassubstrate 1, haben dann eine sehr glatte Rückseite 1.2.

Als Ätzprozesse können alternativ oder ergänzend zu dem gezeigtem Bei- spiel auch Trockenätzprozesse oder Polierätzprozesse angewendet werden.

Die vergleichsweise kleinen Dünnschichtsensoren befinden sich nun nach dem letzten Abtragschritt unabhängig voneinander einzeln auf dem Träger (Figur 2c). Um die Dünnschichtsensoren für die weitere Handhabung zu ge- eigneten Stückzahlen zusammenzufassen, werden diese dann in dem ge- zeigten Beispiel auf einen sogenannten Endproduktträger 5 umgespannt (S40, Figur 1). Zu diesem Zweck werden die Dünnschichtsensoren an den Rückseiten 1.2 durch einen Umspannkleber 6 mit dem Endproduktträger 5 verbunden. Die Vorderseiten 1.1 der Dünnschichtsensoren stehen zu die- sem Zeitpunkt noch mit dem Träger 3 durch das Wachs als Aufspannkleber 4 in Verbindung. Ähnlich wie der Aufspannkleber 4, ist auch der Umspann- kleber 6 ein lösbarer Kleber. Allerdings kann in diesem Beispiel der Um- spannkleber 6 im Gegensatz zum als Aufspannkleber 4-im vorliegenden Beispiel das Wachs-mit UV-Licht deaktiviert werden.

Es ist grundsätzlich zweckmäßig, dass für die Aufspann-und Umspannkle- ber 4,6 unterschiedliche Klebertypen herangezogen werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn Aufspann-und Umspannkleber 4,6 durch unter-

schiedliche Maßnahmen oder Wirkprinzipien deaktiviert werden können (UV- Licht, Wärme). Ebenso können auch Aufspann-und Umspannkleber 4,6 verwendet werden, deren Wirkung beispielsweise bei unterschiedlichen Temperaturniveaus nachlässt. Auf diese Weise kann selektiv die jeweilig gewünschte Klebeverbindung gelöst werden.

Schließlich wird die Verbindung zwischen dem Träger 3 und dem Verbund aus Glassubstrat 1 und Sensorstrukturen 2. im Schritt S50 wieder gelöst. Zu diesem Zweck wird eine Erwärmung der Anordnung vorgenommen, so dass das Wachs 4 eine Temperatur erfährt, die über dessen Schmelzpunkt liegt.

Der Umspannkleber 6 bleibt trotz dieser Erwärmung weiterhin wirksam. Die fertigen Dünnschichtsensoren sind dann nur noch mit dem Endproduktträger 5 in Kontakt. Gegebenenfalls können auch noch Lötbumps für die An- schlusstechnik der Dünnschichtsensoren platziert werden. Die fertigen Dünnschichtsensoren werden zusammen mit dem Endproduktträger 5 ver- sandt.

Die gestrichelten Pfeile in der Fig. 1 sollen zum Ausdruck bringen, dass in anderen Ausgestaltungen der Erfindung auch entsprechende Arbeitsschritte übersprungen werden können. Das angeführte Beispiel soll die Erfindung nicht auf diese Ausführung beschränken. Es kann in dem erfindungsgemä- ßen Verfahren beispielsweise auch nur ein Abtragschritt vorgenommen wer- den, der entweder einer der Prozesse S31, S32, oder S33 ist oder ein ande- res Abtragverfahren umfasst.