(57)【要約】  基板（１）に配置された第１のメタライゼーション平面と、この第１のメタライゼーション平面に被着された、コンタクト孔（７）によって構造化されたパッシベーション層（６）と、このパッシベーション層（６）にかつコンタクト孔（７）内に厚膜技術で形成された感応性のセラミックス層（９）とを備えたセンサにおいて、セラミックス層（９）の固着を改善するために、第２のメタライゼーション平面として形成されていて、パッシベーション層（６）とセラミックス層（９）との間に配置された定着剤層（８）が設けられていることが提案される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学的なセンサであって、基板（１）に配置された、電極構造体（ＩＤＴ）が形成された第１のメタライゼーション平面と、該第１のメタライゼーション平面に被着された、コンタクト孔（７）によって構造化されたパッシベーション層（６）と、該パッシベーション層（６）にかつコンタクト孔（７）内に形成された感応性のセラミックス層（９）とが設けられている形式のものにおいて、
第２のメタライゼーション平面として形成されていて、パッシベーション層（６）とセラミックス層（９）との間に配置された定着剤層（８）が設けられていることを特徴とする、化学的なセンサ。
【請求項２】
第２のメタライゼーション平面として形成された定着剤層（８）が、コンタクト孔（７）内で第１のメタライゼーション平面に位置することになるように被着されている、請求項１記載のセンサ。
【請求項３】
別のパッシベーション層（１０）が、定着剤層（８）とセラミックス層（９）との間に配置されていて、定着剤層（８）が部分不動態化されているように構造化されている、請求項１または２記載のセンサ。
【請求項４】
第１のメタライゼーション平面の電極構造体（ＩＤＴ）に２つの共面電極（ＩＤＴ１，ＩＤＴ２）が構造化されており、第２のメタライゼーション平面が、規定された電位にない、請求項１から３までのいずれか１項記載のセンサ。
【請求項５】
第１のメタライゼーション平面の電極構造体（ＩＤＴ）が、第１の電極（ＩＤＴ１）を形成しており、第２のメタライゼーション平面が、第２の電極（ＩＤＴ２）として形成されていて、規定された電位にあり、これによって、感応性のセラミックス層（９）が、鉛直な電極装置を備えている、請求項１から３までのいずれか１項記載のセンサ。
【請求項６】
電極（ＩＤＴ１，ＩＤＴ２）が、櫛型電極として形成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のセンサ。
【請求項７】
第１のメタライゼーション平面に電極構造体（ＩＤＴ）に対して付加的に加熱構造体（４）と温度測定構造体（５）とが形成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のセンサ。
【請求項８】
メタライゼーション層の構造体（４，５，ＩＤＴ）が、ダイヤフラム（３）を有するＳｉ基板（１）の表面に被着されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のセンサ。
【請求項９】
第２のメタライゼーション平面のための材料が、Ａｕ、Ｃｒ／Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、ＷまたはＳｎを含んでいる、請求項１から８までのいずれか１項記載のセンサ。
【請求項１０】
感応性のセラミックス層（９）の被着が、スクリーン印刷法、ディスペンサ法またはインキジェット法によって行われるようになっている、請求項１から９までのいずれか１項記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学的なセンサであって、基板に配置された、電極構造体が形成された第１のメタライゼーション平面と、該第１のメタライゼーション平面に被着された、コンタクト孔によって構造化されたパッシベーション層と、該パッシベーション層にかつコンタクト孔内にディスペンサ法、スクリーン印刷法またはインキジェット法によって、次いで、焼結によって形成された感応性のセラミックス層とが設けられている形式のものに関する。
【０００２】
たいてい金属酸化物を含む感応性の層の電気抵抗が、評価構造体である電極によって評価可能となる化学的なセンサは、特にガスセンサまたは湿度センサとして多数の構成で知られている。ガス検知のための感応性の層として、一般的に多孔質のセラミックス層、たとえばＳｎＯ２またはＷＯ３が使用される。このセラミックス層の電気的な表面伝導度は、ガスの吸着時に変化する。多孔質のセラミックス層は、ドーピング物質によって選択的に特定のガスに対して感応性にすることができる。
【０００３】
このようなセラミックスの抵抗性は極めて高い。これによって、測定抵抗も同じく大きくなる。したがって、評価構造体は、通常、櫛型構造体（ＩＤＴ；「Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ」）、すなわち、指状に噛み合う２つの共面電極から成っている。これは、それぞれ異なる極性の個々の指状体の間に横方向で形成された抵抗の並列接続ひいては減じられたセンサ内部抵抗もしくは高められたセンサの感度に相当している。
【０００４】
しばしば、電極および加熱抵抗のほかに、さらに、温度測定抵抗がセンサに設けられる。この場合、たとえば白金から成るメタライゼーション層の全てのエレメントは１つのメタライゼーション平面に構造化され得る。特に温度測定抵抗の「後時効」を阻止するために、メタライゼーション平面にしばしばパッシベーション層、典型的には酸化ケイ素が設けられる。このパッシベーション層は、電極と、パッシベーション層に被着される感応性の層との間のコンタクトを可能にするために、コンタクト孔によって構造化され得る。
【０００５】
メタライゼーション層の構造体と感応性の層とが、慣用の形式では、酸化アルミニウム基板に被着されるのに対して、その間には、シリコン基板をベースとしてマイクロマシニング技術により製造されたダイヤフラムセンサも知られている。ダイヤフラムに配置されたセンサ構造体を基板から熱的に分離することによって、センサの減じられた出力消費が得られる。
【０００６】
ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４から成るダイヤフラムに被着された感応性の層を備えたマイクロ構造化されたシリコンダイヤフラムセンサは、たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第１９７１０３５８号明細書に基づき公知である。しかし、この公知のセンサでは、冒頭で述べた形式のセンサと異なり、加熱構造体と温度測定構造体としか酸化ケイ素層によって不動態化されない。その後、この酸化ケイ素層に三次元的な櫛型の電極構造体が被着される。この電極構造体内には、感応性の層がスクリーン印刷技術により充填される。
【０００７】
一般的に、感応性のセラミックス層のスクリーン印刷技術による形成時には、このセラミックス層が厚膜ペーストとしての被着後にさらに焼結されなければならない。この場合に生ぜしめられるかまたは残される機械的な応力、特に界面張力は、層材料の剥離およびパーティクル発生を生ぜしめ得る。別のマイクロマシニングプロセスへの、たとえばＳｎＯ２またはＷＯ３の影響は不明瞭であり、これによって、一般的に汚染危険が存在している。焼結時に形成された金属酸化物セラミックスの多孔性は一方で所望されている。なぜならば、セラミックスの高い感度が、体積に対する表面の高い比によって好都合に生ぜしめられるからである。しかし、同時に多孔性は層の機械的な安定性にネガティブな影響を与える。この安定性に課せられる最も重要な要求は、セラミックス層が基礎と電極とにセンサの寿命にわたって固着していることにある。さらに、セラミックスと電極との電気的なコンタクトが変質してはならない。
【０００８】
現在、セラミックス層は直接パッシベーション層に形成される。この場合、セラミックスの固着がしばしば不十分であることが分かった。本発明の課題は、固着に関する状況を改善することにある。
【０００９】
この課題は、本発明によれば、請求項１記載の化学的なセンサによって解決される。改良形および有利な手段は従属請求項から明らかである。
【００１０】
本発明は、第２のメタライゼーション平面として形成されていて、パッシベーション層とセラミックス層との間に配置された定着剤層が設けられていることによって、冒頭で述べた形式の化学的なセンサに基づいている。
【００１１】
２つの層に被着された上側のメタライゼーション層によって、多孔質の感応性のセラミックス層を、パッシベーション層によって付与された基礎により良好に結合することが可能となる。同時に、上側の平面でそれぞれ２つのコンタクト孔開口の間に配置された金属製の定着剤層は、電気力線ひいては２つの櫛型電極指の間の電流路の著しい空間的な制限を生ぜしめる。これによって、最終的に、感応性のセラミックスにおける活性の領域の著しい制限が生ぜしめられている。このことは、たとえばシリコーンによるセンサ被毒に対する改善された防護の利点を随伴する。さらに、本発明によれば、第２のメタライゼーション平面のアクティブな電気的な利点の可能性が、しかし、それどころか、特にセンサ電極に相俟って開ける。ちなみに、定着剤層は、ボンディング材料として適している場合には、センサのボンディング領域に使用されてもよい。
【００１２】
第２のメタライゼーション平面として形成された定着剤層が、コンタクト孔内で第１のメタライゼーション平面に位置することになるように被着されていると有利である。
【００１３】
別のパッシベーション層が、定着剤層とセラミックス層との間に配置されていて、定着剤層が部分不動態化されているように構造化されていると有利であり得る。
【００１４】
第１のメタライゼーション平面の電極構造体に２つの共面電極が構造化されており、第２のメタライゼーション平面が、規定された電位にないことが提案されていてよい。この事例では、等電位面による機能性のセラミックス領域の固着および制限の改善に関する上述した利点が結果的に生ぜしめられる。
【００１５】
しかし、択一的には、第１のメタライゼーション平面の電極構造体が、第１の電極を形成しており、第２のメタライゼーション平面が、第２の電極として形成されていて、規定された電位にあり、これによって、感応性のセラミックス層が、鉛直な電極装置を備えていることが提案されていてもよい。これによって、その他の点で通常の、リソグラフィ技術により設定された横方向の電極間隔に比べて、著しく短縮された電極間隔が得られる。他方では、これによって、セラミックス層の横方向の延在長さももはや測定技術的な要求によって設定されておらず、場合により減じることができる。
【００１６】
これに相俟って、電極を櫛型電極として形成すると有利である。しかし、このことは、あらゆる別の構成でも可能である。
【００１７】
第１のメタライゼーション平面に電極構造体に対して付加的に加熱構造体と温度測定構造体とが形成されていると有利である。
【００１８】
メタライゼーション層の構造体が、ダイヤフラムを有するＳｉ基板の表面に被着されていると有利である。
【００１９】
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【００２０】
図１には、シリコン基板１が示してある。このシリコン基板１には、たとえば基板１の裏面からの空洞２のエッチングによって、誘電性のダイヤフラム３が形成されている。このダイヤフラム３は、たとえば二酸化ケイ素および窒化ケイ素の層順序から成っていてよい。ダイヤフラム３の上方には、たとえば白金材料から成る第１のメタライゼーション平面が位置している。このメタライゼーション層は、化学的なセンサのための加熱構造体４と、それぞれ異なる極性の櫛型電極指ＩＤＴ１，ＩＤＴ２と、場合により温度抵抗５とが形成されているように構造化されている。第１のメタライゼーション平面の白金メタライゼーション層のより良好な固着のために、一番上側のダイヤフラム層、ここでは窒化ケイ素を表面的に酸化ケイ素層３′に変換すると有利である。
【００２１】
第１のメタライゼーション平面の上方には、たとえばＣＶＤ酸化物、ＣＶＤ窒化物またはＣＶＤ酸窒化物から成るパッシベーション層６（中間絶縁層）が位置している。このパッシベーション層６には孔７が位置している。この孔７は、セラミックス層９とボンディングランドとのコンタクティングのために働く。パッシベーション層６には、第２のメタライゼーション平面である定着剤層８が位置している。この定着剤層８は、セラミックス層９に対する定着のために働き、さらに以下で図３に相俟って説明するように、規定された電位に最適に置くことができ、この場合、第２の櫛型電極ＩＤＴ２として働くことができる。この場合、この事例では、第１のメタライゼーション平面が、評価構造体に関して、同じ極性の櫛型電極指ＩＤＴ１しか有していない。
【００２２】
図２に示したように、第２のメタライゼーション平面として形成された定着剤層８は、コンタクト孔開口７内で第１のメタライゼーション平面に位置することになるように被着されていてよい。別のパッシベーション層１０が、選択的に第２のメタライゼーション層８に位置していてよい。パッシベーション層１０もやはり接続目的のための孔を有している。
【００２３】
本発明によるセンサを製作するためには、シリコン未加工ウェーハがまず熱酸化される。次いで、ＬＰＣＶＤ窒化物の析出もしくは酸化物の形成が行われる。その後、ウェーハの表面で、第１のメタライゼーション層の析出と、ヒータ４、温度フィーラ５および櫛型電極ＩＤＴへの第１のメタライゼーション層の構造化が行われる。その後、パッシベーション層６、たとえばＣＶＤ酸化物が被着される。ウェーハの裏面には、ダイヤフラム３を形成するための空洞エッチングに用いられるエッチングマスクが規定される。減じられた熱導出によって、センサがより迅速に制御可能となる。引き続き、たとえば材料Ａｕ、Ｃｒ／Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、ＷまたはＳｎから成る定着剤層８もしくは第２のメタライゼーション平面の被着が行われる。これに続いて、定着剤層８が、櫛型電極指の間の領域にしか残らないように構造化される。のちに、この領域ならびに場合により、さらに、ボンディングランドにはセラミックスが固着されるようになっている。
【００２４】
その後、ウェーハの表面でコンタクト孔７がパッシベーション層６にエッチングされる。この場合、定着剤層８は部分的にエッチングマスクとして働くことができる。定着剤層８の被着とコンタクト孔７のエッチングとは逆の順序で行われてもよい。次いで、表面に防護ラッカが塗布され、空洞２が背後から異方性のエッチングによって製作される。次いで、ペーストドットが塗布され、炉内で焼結されて、多孔質のセラミックス層９が形成される。自体公知の方法ステップに対するさらなる詳細は、上述したドイツ連邦共和国特許出願公開第１９７１０３５８号明細書から知ることができる。
【００２５】
図３には、本発明によるセンサの、改善された定着を上回る機能を説明するために、センサの横断面の一部が示してある。ｚ軸目盛りは著しく過剰に高められて図示してある。また、図面をより見やすくするために、セラミックス性の機能層９も図示していない。
【００２６】
両櫛型電極ＩＤＴ１，ＩＤＴ２の間に電圧が印加される。測定信号は電流として検出される。上側の第２のメタライゼーション平面、すなわち、構造化された定着剤層８が、規定された電位にない、すなわち、変動する事例では、両ＩＤＴは下側の第１のメタライゼーション平面に実現されている。付加的な第２のメタライゼーション層もしくは定着剤層８がないと、図３に破線の矢印によって示したように、両ＩＤＴの間の電流路が専らセラミックス層を介して延びる恐れがある。これに対して、本発明による定着剤層８によって、電流路は、図示のように、定着剤層８と両ＩＤＴとの間で延びている。この場合、電流路はコンタクト孔７以外で定着剤層８を介して延びている。たとえば被毒によるセラミックスドットもしくはセラミックス層９の外周面における伝導度の変化は、この構成では、有利には実際にもはや問題にならない。なぜならば、電気力線ひいては電流路が著しく空間的に制限されているからである。
【００２７】
上側の第２のメタライゼーション平面（定着剤層８）が、規定された電位（たとえば０Ｖ）に置かれる事例では、第２のメタライゼーション平面がＩＤＴ２として使用され得る。電極間隔は、この事例では、変動する定着剤層８の場合の効果的にほぼ半分の大きさである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明によるセンサの断面図である。
【図２】同じ図面で、センサの変化形を示す図である。
【図３】同じ図面で、図１もしくは図２による横断面の概略的な一部を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  基板、  ２  空洞、  ３  ダイヤフラム、  ３′  酸化ケイ素層、  ４  ヒータ、  ５  温度フィーラ、  ６  パッシベーション層、  ７  孔、  ８  定着剤層、  ９  セラミックス層、  １０  パッシベーション層、  ＩＤＴ１，ＩＤＴ２  櫛型電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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