STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.

Obwohl auf beliebige mikromechanische Bauelemente anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von piezoresistiven Hochdrucksensoren in Dünn- schichtechnologie erörtert.

Piezoresistive Hochdrucksensoren kommen in zahlreichen Systemen, beispielsweise in der Automatisierungstechnik und im Kraftfahrzeugbereich, zum Einsatz. Im Kraftfahrzeugbereich werden die Hochdrucksensoren u.a. bei der Benzindirekteinspritzung, bei der Common-Rail-Dieseldirekteinspritzung, bei der Fahrdynamikregelung und bei der elektrohydraulischen Bremse eingesetzt.

In der nicht vorveröffentlichten DE 102004050983 sind ein piezoresistiver Hochdrucksensor sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren beschrieben, wobei auf einer geeignet ausgelegten Stahlmembran Metallwiderstände als Wheatstone-Brücke verschaltet werden. Durch Dehnung bzw. Stauchung der Widerstände wird eine Verstimmung der Brücke erzeugt, welche eine Messgröße generiert, die den anliegenden Druck darstellt. Dabei ist beispielsweise für die Anwendung im Kraftfahrzeugbereich gefor- dert, dass derartige Hochdrucksensoren eine hohe Empfindlichkeit, d.h. eine möglichst große Widerstandsänderung bei auftretenden mechanischen Verformungen (hoher k-Faktor) aufweisen. Weiterhin wird gefordert, dass die Hochdrucksensoren eine große Temperaturstabilität von mindestens -40° bis +140 ⁰ C besitzen. Darüber hinaus muss eine möglichst hohe Stabilität der Eigenschaften über die Lebensdauer des Sensors im Kraftfahrzeug erreicht werden, also mindestens für eine Zeitspanne von 10 Jahren. Bei speziellen Anwendungen, wie z.B. die Erfassung des Brennraumdrucks, werden darüber hinaus sogar Temperaturbeständigkeiten von bis zu 400 ⁰ C gefordert.

Eine weitere wichtige Eigenschaft ist eine Stabilität gegenüber elektrostatischen Entladungen (ESD), welche insbesondere im Rahmen der Montage auftreten können. Bei derartigen elektrostatischen Ladun- gen können Spannungen von der Größenordnung einiger Kilovolt auftreten.

Wie in der DE 102004050983 erwähnt, wird als metallische Widerstandsschicht in derartigen piezore- sistiven Hochdrucksensoren eine NiCr(Si)-Legierung eingesetzt. Bei der in NiCr(Si)-Schicht handelt es sich in der Regel um eine amorphe Schicht. Die Kontaktierung der Dehnmessstreifen erfolgt über eine spezielle Kontaktschicht, wie z.B. NiCr/Pd/Au oder Ni. Durch eine Passivierungsschicht, beispielsweise eine Si _x N _y -Schicht, wird das darunter befindliche Sensorsystem gegenüber äußeren Einflüssen geschützt. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit der Messbrücke ist eine vollständige Abdeckung durch die Passivierung wesentlich, um einen störungsfreien Betrieb des Sensorelements unter Kraftfahrzeug- Einsatzbedingungen sicherzustellen. Im Allgemeinen sind lediglich die Kontaktierungsflächen des Sen- sorelements unpassiviert.

Bei ESD-Belastung eines derartigen Sensors kann es zu Schädigungen der Funktionsschicht kommen. Derartige Schädigungen bewirken Offsetdriften, die sich auf eine lokal induzierte Phasenumwandlung im amorphen NiCr(Si) zurückführen lassen, bis hin zum kompletten Aufschmelzen der Widerstands- Mäander, durch deren thermische Belastung während des EDS-Strompulses. Der Stromfluss über die Mäander kommt dadurch zustande, dass sich die Ladungen, die durch das ESD-Ereignis auf ein Kon- taktpad gebracht wurden, gleichmäßig auf die vier Kontaktpads verteilen, die zusammen mit dem darunter liegendenden Stahlsubstrat einzelne Kondensatoren bilden.

In der DE 102004050983 ist es weiterhin beschrieben, die piezoresistive Widerstandsschicht 4 durch einen Sputterprozess aufzubringen und in einem thermischen Stabilisierungs- bzw. Alterungsschicht zu tempern. Durch eine Wahl der Temperatur in einem Bereich von 350 bis 450 ⁰ C lässt sich eine Teilkristallisation erzielen, welche ein stabileres Verhalten des Sensors, insbesondere hinsichtlich des Offsets bei elektrostatischer ESD-Belastung, hervorruft. Dies liegt daran, dass die Phasenumwandlung in der NiCr(Si)-Schicht durch die ESD-Belastung in dem Alterungsschritt quasi vorweggenommen werden kann. Durch die Vorwegnahme der Phasenummantelung ist eine ESD-Festigkeit von 4 kV erreichbar. Unter Beibehaltung aller wesentlichen Bauteileigenschaften, wie z.B. Eingangswiderstand und Ausgangssignal ("Spanne"), bildet dieser Wert die absolute Obergrenze für die bekannte Dünnschichttechnologie.

Fig. 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines in der nicht-vorveröffentlichen DE 102004050983 beschriebenen mikromechanischen Bauelements.

In Fig. 3 bezeichnet Bezugszeichen 1 eine Stahlmembran, die derart in einen Rahmen 3 eingebunden ist, dass ein Gasvolumen 5 mit einem Druck P ₅ von einem Gasvolumen 6 mit einem Druck P ₆ getrennt ist. Dabei kann der Rahmen 3 grundsätzlich aus dem gleichen Material wie die Membran 1 bestehen, was jedoch nicht zwingend erforderlich ist. Maßgeblich für die Funktionsweise eines derart aufgebauten Drucksensors ist es, dass kein Druckausgleich zwischen dem Gasvolumen 5 und dem Gasvolumen 6 durch die Membran 1 erfolgen kann. Auf der Membran 1 befindet sich eine Widerstandsschicht 4 aus einem piezoresistiven Material. Zur Auswertung der Druckmessgröße, die mit dieser Widerstandsschicht 4 erfasst werden, sind Kontaktierungen 2 vorgesehen, die eine Weiterleitung der Druckmessgröße zu einer nicht gezeigten Auswertungseinrichtung ermöglichen.

Die ESD- Anforderungen an derartige Sensoren werden in den kommenden Jahren weiter ansteigen. Gewünscht ist derzeit ein Wert der Spannungsfestigkeit des Gesamtsensors von bis zu 16 kV, was eine entsprechende Erhöhung der ESD- Anforderungen an die verwendeten Sensorelemente nach sich zieht.

VORTEILE DER ERFINDUNG

Das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Herstellungsverfahren nach Anspruch 11 bzw. 13 weisen den Vorteil auf, dass der ESD-Schutz wesentlich verbessert ist.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, das Sensorelement eines mikromechanischen Bauelements, z.B. den Widerstands-Mäander des piezoresistiven Drucksensors, durch einen geeigneten Bypass vor zu großen Strömen zu schützen und somit die ESD-Festigkeit weiter zu erhöhen. Die erfindungsgemäße Struktur beeinflusst die wesentlichen Bauteileigenschaften, wie z.B. Eingangswi- derstand und Ausgangssignal ("Spanne") nicht, denn sie ist im Normalbetrieb des Bauelements stromlos. Erfindungsgemäß wird dem Sensorelement eine Funkenstrecke parallel geschaltet, die einen Überspannungsschutz bildet. Somit ist gewährleistet, dass es bei einer genau festgelegten Spannung zu einer Funkenentladung kommt, die in einem leitfähigen Kanal aus ionisiertem Gas resultiert. Oberhalb dieser Spannung weist die Funkenstrecke einen relativ geringen Widerstand auf, so dass die Sensorelemente, die parallel zu der Funkenstrecke geschaltet sind, vor zu hohen ESD-Strömen geschützt sind.

Obwohl die erfindungsgemäße Opferstruktur selbst prinzipiell durch einen ESD-PuIs geschädigt werden kann, ist dies unkritisch, da über die Lebensdauer typischer Bauelemente ohnehin nur mit einigen wenigen, insbesondere ein bis zwei, ESD-Pulsen zu rechnen ist, und zwar vor allem beim Einbau.

Vorzugsweise fällt über dem Zwischenraum der Bypass-Struktur die gesamte anliegende Spannung ab, welche sich beispielsweise bei einem Mäander gleichmäßig über die Vielzahl der Mäanderfinger verteilt. Somit kann die Bypass-Struktur eine Funkenstrecke mit einem Layout-Abstand aufweisen, der in der Größenordnung des Layout-Abstandes des Sensorselements liegt.

In den Unteransprüchen rinden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung sind die erste und zweite Funktionsschicht identisch und liegen in derselben Ebene. Dies vereinfacht den Herstellungsprozess erheblich.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das Sensorelement einen piezoresistiven Mäanderbereich auf, wobei das elektrische Bypasselement zwei flächige Bereiche aufweist, die durch den Spaltbereich voneinander getrennt sind.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung erstreckt sich der Spaltbereich über zwei im wesentlichen parallele und gleichlange Seiten der flächige Bereiche.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung bestehen die erste und zweite Funktionsschicht aus NiCr(Si).

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind das Sensorelement und das Bypasselement durch einen ersten und zweiten Kontaktbereich elektrisch angeschlossen, welche durch eine dritte Funktions- Schicht gebildet sind.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung besteht die dritte Funktionsschicht aus NiCr/Au/Pd oder aus Ni.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die erste und zweite Funktionsschicht identisch und liegen in verschiedenen Ebenen, die durch eine Isolierschicht voneinander getrennt sind. Diese Variante hat den Vorteil einer besseren Isolation des Bypasselements vom Substrat.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Substrat leitfähig, wobei zwischen dem Substrat und dem Sensorelement und Bypasselement eine Isolierschicht vorgesehen ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist oberhalb vom Sensorelement und Bypasselement mindestens eine Passivierungsschicht vorgesehen.

ZEICHNUNGEN

Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgen- den Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. la,b,c schematische Ansichten eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer ersten Aus- fuhrungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar Fig. Ia in Draufsicht von oben,

Fig. Ib im Querschnitt entlang einer Linie A-A' in Fig. Ia und Fig. Ic im Querschnitt entlang einer Linie B-B' in Fig. Ia;

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer zweiten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar im Querschnitt entlang der Linie B-B' in Fig. Ia; und

Fig. 3 eine schematische Querschnittsansicht eines in der nicht-vorveröffentlichen

DE 102004050983 beschriebenen mikromechanischen Bauelements.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.

Fig. la,b,c sind schematische Ansichten eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer ersten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar Fig. Ia in Draufsicht von oben, Fig. Ib im Querschnitt entlang einer Linie A-A' in Fig. Ia und Fig. Ic im Querschnitt entlang einer Linie B-B' in Fig. Ia.

In Fig. Ia bezeichnet Bezugszeichen 1 die bereits im Zusammenhang mit Fig. 3 beschriebene Stahlmembran, auf der sich eine dünne Isolationsschicht 49 aus SiO _x befindet. Bezugszeichen 40 bezeichnet eine mäanderförmig strukturierte piezoresistive Widerstandsschicht aus NiCr(Si) zur Erfassung einer Verformung der Membran 1 bei Druckbelastung.

Elektrisch und geometrisch parallel angeordnet zur Widerstandsschicht 40 ist ein Bypass-Element aus NiCr(Si), welches zwei flächige Bereiche 45a, 45b aufweist, die durch einen Spalt 46 voneinander getrennt sind. Der Spalt 46 dient im späteren Betrieb als Funkenstrecke bei Anliegen einer ESD- Spannung. Angeschlossen sind das Bypass-Element 45a, 45b und die Widerstandsschicht 40 durch Kontaktbereiche 10a, 10b, die das Bypass-Element 45a, 45b und die Widerstandsschicht 40 am Rand in den Bereichen IIa, 1 Ib bzw. llc, 1 Id teilweise überlappen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Anschlussbereiche 10a, 10b aus NiCr/Pd/Au oder Ni.

Wie aus Fig. Ib erkennbar, ist das derart aufgebaute mikromechanische Bauelement in Form eines pie- zoresistiven Hochdrucksensors durch eine Passivierungsschicht 50 aus Si _x N _x passiviert.

Aus Fig. Ic sind insbesondere die oben beschriebenen Überlappungsbereiche 1 Ia, 1 Ib der Kontaktbereiche 10a, 10b zum Anschluss des Bypass-Elements 45a, 45b erkennbar.

Beispielsweise wurde bei einem Layout- Abstand von etwa 16 μm und einer anliegenden Spannung von

4 kV an einem Widerstands-Mäander eine Feldstärke von ca. 2,5 MV/cm beobachtet. Bei dieser Feldstärke kommt es ohne Bypasselement zu lateralen Durchschlägen durch das umgebende SiO _x / Si _x N _x . Aus der Literatur sind zwar Durchschlagsfestigkeiten von 4 MV/cm für Si _x N _x und 8 MV/cm für SiO _x bekannt, die beobachteten Durchbruchfeldstärken lagen bei allen getesteten Bauteilen zwischen 3 und 4 kV.

Der Effekt lässt sich durch das Design einer geeigneten Bypass-Struktur kontrollieren. Durch die Vorgabe des Abstands zwischen den Leiterbahnen des Bypass-Elements lässt sich eine Durchbruchspan- nung kontrolliert einstellen, ab der es zu einem Funkenüberschlag im Bypasselement 45a, 45b kommt. Hierdurch wird die Sensorstruktur 40 vor ESD-Spannungsdurchbrüchen geschützt. Vorteilhaft ist es, wenn der Widerstand des Sensorelements mit einigen kOhm relativ groß gewählt wird, so dass eine Durchschlagsfestigkeit von 1 kV pro 5 μm erreicht wird. Dies hätte zur Folge, dass ein Spalt 46 von 10 μm einen Schutz der Mäanderstruktur gegenüber Spannungen von über 2 kV gewährleisten kann. Die Dimensionierung der Größe des Spalts 46 ergibt sich unter Berücksichtigung der Tatsache, dass

über der Vielzahl von Mäanderfingern der Widerstandsschicht 40 die anliegende ESD-Spannung gleich verteilt wird, während sie in ihrer gesamten Größe über dem Spalt 46 anliegt.

Die Durchbruchspannung der Bypass-Struktur sollte typischerweise etwa 1 kV unterhalb der Durch- bruchspannung des Sensorelements liegen, bei der kritische Stromflüsse auftreten. Der für die Sensorstruktur kritische Wert kann durch ESD-Tests mit zunehmender Spannung ermittelt werden und ist für die bekannten Sensorelemente hinlänglich genau bestimmbar.

Es wurde experimentell beobachtet, dass bei Funkenüberschlägen im Bypasselement 45a, 45b keine Schädigung der umliegenden Schichten 49,50 auftritt, so dass davon auszugehen ist, dass das mikromechanische Bauelement in seiner Funktion durch die Bypass-Struktur nicht beeinträchtigt wird. Dies gilt insbesondere für die SiO _x -Schicht 49, die als Isolation zu einem darunter liegenden Stahlsubstrat 1 dient, und für die Si _x N _y -Schicht 50, die die Funktionsschicht an der Oberseite gegen Feuchtigkeit schützt.

Hat man eine Brückenstruktur mit beispielsweise 4 Widerstands-Mäandern, so ist eine Bypass-Struktur parallel zu jedem der vier Widerstands-Mäander zu schalten. Bei einem ESD-PuIs auf eines der vier Kontaktpads würden diese die Mäander überbrücken und somit die Kontaktpads kurzschließen. Die diskutierte Verteilung der Ladungen auf alle vier Kontaktpads würde also nicht über die Mäander erfol- gen, und diese wären somit vor einer thermischen Überlastung geschützt.

Versuche haben gezeigt, dass die ausführungsgemäße Bypass-Struktur geeignet ist, das mikromechanische Bauelement in Form eines piezoresistiven Hochdrucksensors wirksam vor den beim Einbau zu erwartenden einigen ESD-Pulsen schützen kann.

Im Folgenden wird das Herstellungsverfahren der in Fig. Ia-Ic illustrierten ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements in Form des piezoresistiven Hochdrucksensors näher erläutert.

Zunächst erfolgt eine Eingangsreinigung der Stahlmembran 1. Anschließend wird über der Stahlmembran 1 eine dünne Schicht 49 aus SiO _x abgeschieden. Nach einer Zwischenreinigung erfolgt ein Aufsput- tern einer NiCr(Si)-Schicht, welche sowohl die Widerstandsschicht 40 als auch die Bypass-Struktur 45a, 45b bildet. Zur Strukturierung der mäanderformigen Widerstandsschicht 40 und des Bypass- Elements 45a, 45b erfolgt ein üblicher Photoprozess mit den Schritten Belacken, Belichten, Entwickeln,

Hardbake, Ätzen und Strippen. Nach einem daran anschließenden Voraltern des Widerstandselements 40 und des Bypass-Elements 45a, 45b, beispielsweise durch den aus der DE 102004050983 beschriebenen Teilkristallisationsprozess, werden unter Verwendung einer Schattenmaske die Kontaktbereiche 10a, 10b in den Bereichen 1 Ia-I Id teilweise überlappend mit der Mäander- Widerstandsschicht 40 bzw. dem Bypass-Element 45a, 45b aufgebracht.

Es folgen ein Vorabgleich, eine Zwischenreinigung und anschließend die Abscheidung der Passivie- rungsschicht 50 aus Si _x N _x .

Der beschriebene Herstellungsprozess hat den wesentlichen Vorteil, dass die Einführung des zusätzlichen Bypass-Elements 45a, 45b lediglich eine Änderung der Photomaskengeometrie erforderlich macht, da das Bypass-Element 45a, 45b in derselben Ebene liegt wie das mäanderförmige Widerstandselement 40 und aus demselben Material besteht.

Fig. 2 ist eine schematische Ansicht eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar im Querschnitt entlang der Linie B-B' in Fig. Ia.

Bei der in Fig. 2 gezeigten zweiten Ausführungsform ist das Bypass-Element 45a', 45b' mit dem Spalt 46' in einer von der Ebene des Widerstandselements 40 verschiedenen Ebene angeordnet.

Bei dem entsprechenden Herstellungsverfahren wird zunächst in einer ersten Ebene das mäanderförmige Widerstandselement 40 mit den Kontaktbereichen 10a', 10b' hergestellt. Es folgt die Abscheidung einer ersten Passivierungsschicht 50a aus Si _x N _x . Anschließend erfolgt eine Abscheidung und eine Strukturierung des Bypass-Elements 45a', 45b' auf der Oberfläche der ersten Passivierungsschicht 50a, nachdem oberhalb der Kontaktbereich 10a', 10b' entsprechende Durchgangslöcher Vl bzw. V2 zur Kontaktierung in der ersten Passivierungsschicht 50a gebildet sind.

Nach Strukturierung des Bypass-Elements 45a', 45b' wird die gesamte Struktur durch eine zweite Passivierungsschicht 50b aus Si _x N _y abgedeckt.

Obwohl das Herstellungsverfahren für diese zweite Ausführungsform aufwändiger ist als für die oben erläuterte erste Ausführungsform, da zwei Photoebenen notwendig sind, weist die zweite Ausführungsform den Vorteil auf, dass die Isolationsschicht 49 aus SiO _x , welche sich oberhalb der Strahlmembran 1 befindet, besser gegenüber den Funkenüberschlägen zwischen den Teilbereichen 45a', 45b' des Bypass-

Elements geschützt ist, da der Spalt 46' für die Funkenentladung weiter von der Isolierschicht 49 entfernt ist.

Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern vielfältigt modifizierbar. Insbesondere sind die Bauelementgeometrie und die Materialien beliebig und nicht auf die gezeigten Beispiele beschränkt.

Mikromechanisches Bauelement und entsprechendes Herstellungsverfahren

BEZUGSZEICHENLISTE:

1 Stahlsubstrat

2 Kontaktierungen

3 Rahmen

4 Widerstandsschicht

5 Gasvolumen

6 Gasvolumen

P5,P6 Drucke

40 Sensorelement

41 Mäanderspalt

45a,45b;

45a',45b' Bereiche vom Bypasselement

46;46' Spalt

1Oa ₅ IOb;

10a',10b' Kontaktflächen l la-d Überlappungsbereiche

49 Isolierschicht

50;50a,50b Passivierungsschicht