SENSOR DEVICE FOR THE MEASUREMENT OF PHYSICAL QUANTITIES, AS WELL AS A PROCESS FOR ITS MANUFACTURE, AND ITS APPLICATION

Abstract: 1. Sensor device for the measurement of physical quantities, modifying the electrical properties of silicon, where on a poorly conducting plane substrate there is provided a geometrically predetermined area of a polycrystalline semi-conducting material, said area being in contact with conductors leading to the exterior, characterized by said substrate (2) being provided as a layer on a low-resistance carrier substrate (3) by which a back face contact (11) is provided through an opening (4) in said substrate layer (2), while on said layer (2) consisting of SiO2 there is provided a second SiO2 layer (7) covering a sensor measuring figure (6, 20) and having an opening (5) for a front face contact (12) said front face being metallized in total or in part, and an electrical connection being provided between metallization and said front face contact (12) through an opening (5) in said second layer (7) covering said measuring figure (6, 20), the back side surface of said carrier substrate (3) being metallized.

Description: Sensor zur Messung physikalischer Grössen sowie Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung physikalischer Grössen sowie ei18. Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung. Sensoren zur Messung physikalischer Grössen sind in verschiedenen Ausbildungsformen bekannt Sie dienen beispielsweise zur Bestimmung von Temperatur, Druck, Strömung, Magnetteld, Lichteinstrahlung und anderen Grössen. Mit den bekannten Sensoren sind jedoch verschiedene gravierende Nachteile verbunden. So besitzen sie häufig eine Oberflächenstruktur, die eine Passivierung und eine gegen über Umwelteinflüssen hochstabile Verdrahtungstechnik des Sensors erschwert. Hierdurch wird oftmals ein unmittelbarer physischer Zugang erschwert. Andererseits ändern sich auch über die Zeit die Eichkonstanz und die Lebensdauerqualität. Die Fertigungstoleranzen sind oftmals gross, mit einem dementsprechend negativen Einfluss auf die Messgenauigkeit und damit die davon abhängende mangelnde Reproduzierbarkeit von Messergebnissen bei Wechsel des Sensorelements. Schliesslich ist oftmals, im besonderen für die Temperaturmessung, die Wärmekapazität hoch, so dass sich das endgültige Messergebnis nur langsam einstellt. In Kenntnis dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Sensor der eingangs genannten Art so auszubilden, dass unter Vermeidung der aufgezeigten Nachteile ein genaues Messergebnis sehr rasch erzielt werden kann. Dabei sollte der Sensor eine hohe Lebensdauerqualität besitzen und sich in einer relativ einfachen und kostengünstigen Weist herstellen lassen. Gelöst wird diese Aufgabe gemäss der Erfindung durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Merkmale. Bezüglich weiterer erfindungswesentlicher Merkmale wird auf die Unteransprüche verwiesen. Nach der Erfindung befindet sich auf einem schlechtleitenden, ebenen Substrat geometrisch vorbestimmte dotierte Be reiche aus polykristallinem Silizium, die mit nach aussen abgeführten Leiterbahnen in Kontakt stehen. Polykristallines Silizium hat die Eigenschaft, dass sich seine kristallographische Struktur nur bei hohen Temperaturen von etwa über 500 C ändern kann. Damit bleibt die einmal eingestellte Kristallstruktur bei niedrigen Temperaturen praktisch unver ändert. So gewährleistet der erfindungsgemässe Aufbau des Sensors eine hohe Lebensdauer und Ein genauigkeit. Im Gegensatz zu monokristallinem Silizium können wichtige Material eigenschafteS wie Widerstand und Temperaturkoeffizient, in einem weiten Bereich kontinuierlich verändert werden. Vorgegebene physikalische Parameter lassen sich nach einem bestimmten Einstellverfahren mit hoher GenautKeit erreichen. Hierbei setzt man das dotierte Bauelement einer intensiven Bestrahlung aus und misst die innerhalb des Bauelementes auftretende Ver- änderung, wobei man das Messergebnis zur Steuerung der Strahlungsintensität und -dauer einsetzt. Das Bauelement bettet man in ein System zur Erzeugung vorbestimmter Umgebungsbedingungen ein. Als Umgebungsbedingungen innerhalb des Systems kann es sich um eine bestimmte Temperatur, Druck, Verbiegung, Strömunq, Lichtbestrahlung, Feuchtigkeit, und/oder andere Bedingungen handeln. Als schlechtleitendes, ebenes Substrat verwendet man bevorzugt Quarz. Quarz besitzt neben ausgezeichneten Isolationseigenschaften eine äusserst geringe Wärmeleitfähigkeit. Der Prüfkörper wird durch die geringe Wärmekapazität des Sensors sowie eine vernachlässigbare Wärmeableitung durch das Quarzsubstrat nur vernachlässigbar gekühlt, so dass sich im besonderen bei Wärmemessungen eine äusserst hohe Messgenauigkeit ergibt. Der planare Aufbau des Sensors auf dem ebenen Substrat ermöglicht eine, bei Verwendung von monokristallinem Sili zium nur schwer realisierte Bauform, bei der kein Drahtbonden erforderlich ist. Hierdurch lässt sich ein leichter physischer Zugang zum Sensor erreichen, d. h., der Sensor kann stets in unmittelbare Nähe des Gegenstandes oder der Umgebung gebracht werden, desen oder deren physikalischer Zustand zu messen ist. Durch die unmittelbare Zugänglichkeit des Sensors lässt sich ein rasches Messergebnis erzielen. Der wenig komplizierte und robuste Aufbau gewährleistet eine geringe mechanische Beeinflussbarkeit und somit eine hohe Lebensdauer. Die Schichtdicke des polykristallinen Siliziums liegt vorzugsweise bei 0,5,um, wobei bevorzugt der geometrisch vorbestimmte dotierte Bereich die Form einer van-der-Pauw Figur besitzt. Durch die Verwendung von van-der-Pauw-Figuren als Messfigur wird eine geringe Abhängigkeit des angezeigten Wertes von der geometrischen Form der Messfigur gewährleistet. Die Fertigungsstreuungen gehen weniger stark ein als bei anderen Messfiguren. Zur Passivierung ist der Sensor mit einer Quarzschicht, einer Siliziumnitridschicht oder einem Schutzlack über zogen. Die Enden der nach aussen abgeführten Leiterbahnen am Rand des Substrats können galvanisch verdickt sein, so dass der Sensor durch Einstecken in einen Normstecker kontaktiert werden kann. Es können auch Kontaktleisten an die Leiterbahnen angelötet sein. Schliesslich ist auch ein Golddrahtbonden an die Leiterbahnen möglich , sowie andere Formen der Bondierunq (bondinq). Gemäss einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist mindestens einer der Kontakte der polykristallinen Messfigur von der Rückseite des Substrats anschliessbar. Hierdurch ergibt sich eine drastische Reduzierung der von dem Sensor beanspruchten Fläche und dementsprechend auch ein kleines Sensorvolumen. Die Wärmekapazität wird in vorteil haftr Weise verkleinert, und ein mechanischer Einbau des Sensors ist auch bei ungünstigen räumlichen Verhältnissen möglich. Der erfindungsgemässe Sensor lässt sich wesentlich kostengünstiger herstellen, da wegen des geringeren Flächenbedarfs des einzelnen Sensors pro gefertigter Fläche eine grössere Anzahl von Sensoren hergestellt werden kann. Diese Ausbildung des Sensors ist bei beliebiger Sensormessfigur möglich. So lassen sich etwa bei einer van-der-Pauw Figur zwei Kontaktierungen von der Rückseite durchführen, womit die angestrebte Flächenreduzierung ermöglicht wird. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform ist jedoch die Mess- figur zweipolig ausgebildet. Dabei befindet sich das Substrat bevorzugt als Schicht auf einem nieder-ohmigen Trägersubstrat, über welches der Rückseitenkontakt durch eine Offnung in der Substratschicht hergestellt ist. Auf der aus SiO2 bestehenden Substratschicht ist nach der bevorzugten Ausführungsform eine zweite SiO2-Schicht aufgebracht, die die Sensormessfigur überdeckt und eine Offnung für den Vorderseitenkontakt aufweist. Zweckmässiq ist die Vorderseite des Sensors qanzflächiq metallisiert, zur Vermeidung von Kurzschlüssen kann die Metallisieruna der Vorderseite auch strukturiert sein, wobei eine elektrische Verbindunq der Metallisierunq mit dem Vorderseitenkontakt über eine Cffnuna in der die Messfiqur überzienenden zweiten Schicht heraestellt ist, während die Rückseite des räqersubstrats ebenfalls Qanzflächiq metallisiert ist. Dabei besteht die Metallisierunq aus einer etwa l,5Xum dicken Aluminiumschicht. Infolqe der zweipoliqen Ausführung und der Kontaktierunq des Vorder- bzw. Kücksei tenkoni-aktes der Sensormessfiqur über die qanzflächice F!etallisierunc der Vorder- und Rückseite des Sensors lässt sich dieser am Installaticnsort in einer einfachen Weise zwischen zwei Klemmkontakten einstecken. Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung des Sensors zeichnet sich dadurch aus, dass man auf ein schlechtleitendes, ebenes Substrat eine Schicht aus polykristallinem Silizium in der Form einer vorbestimmten geometrischen Figur aufbringt, in die Figur eine Dotierung einbringt, an die Siliziumschicht nach aussen abführende Leiterbahnen anlegt und den Sensor mit einer Passivierungsschicht überzieht. Das Aufbringen der polykristallinen Siliziumschicht auf das vorzugsweise aus Quarz oder oxydiertem Silizium bestehende Substrat erfolgt bevorzugt über das chemicalvapor-deposition-Verfahren, über Aufdampfen oder Aufsputtern. Mit Hilfe von bekannten lithographischen Verfahren werden Widerstands- oder van-der-Pauw-Figuren in dieser Schicht erzeugt, und zwar in der Weise, dass nur die Figuren auf dem Substrat erhalten bleiben, während die dazwischenliegenden Siliziumbereiche weggeätzt werden. Anschliessend werden über einen Lithographie- und einen Dotierprozess die Kontaktgebiete der Widerstands- oder van-der-Pauw-Figuren stark vordotiert (Schichtwiderstand 1 In die polykristalline Figur wird nun zunächst eine Dotierung mit einem typischen Schichtwiderstand von etwa 2500JL eingebracht. Anschliessend findet alternativ eine Wärmebehandlung in einem Diffusionsofen statt, wobei bevorzugt die Behandlungstemperatur zwischen etwa 900 und etwa 11000c liegt, oder es erfolgt eine Bestrahlung mit einem Laser für eine Rekristallisation des polykristallinen Gefüges, wobei die Bestrahlungsbedingungen vom Lasertyp und dem Strahlungsaufbau abhänge; Andererseits kann auch die Bestrahlung mittels eines Elektronenstrahls erfolgen. Die Einstellung vorqeqebener Schichtwiderstände oder anderer physikaliscner parameter kann mittels einer Trimmapparatur erfolgen, bei welcher die Eigenschaften des polykristallinen Siliziums durch Laserbestrahlung geändert werden. Eine Kuntrolle der Veränderung erfolgt über eine gleichzeitige Messung der elektrischen Eigenschaften und eine Regelelektronik. Hierzu bettet man vorzugsweise das Bauelement in ein System zur Erzeugung vorbestimmter Umgebungsbedingungen ein. Die abführenden Leiterbahnen definiert man, indem man zunächst eine ganzflächige Metallschicht aufbringt und die Bahnen durch einen nachfolqenden Lithographie- und Ätzprozess ausbildet. Bei der Metallschicht kann es sich um Aluminium mit einer Schichtdicke von etwa 1/um handeln. Die Aufbringung der Abdeckung für eine Passivierung kann auf verschiedene Weise erfolgen. So kann man einerseits den Sensor mit einer Quarz- oder Siliziumnitridschicht bedecken. Andererseits kann die Bedeckung mit einem Schutzlack durch Tauchlackierung erfolgen, oder durch ein Aufsprühen eines Schutzlackes. Ein wichtiger Verwendungsbereich des Sensors liegt auf dem Gebiet der Temperaturmessung. Hierbei steht im besonderen die Messung der Temperatur des menschlichen oder tierischen Körpers im Vordergrund. Aus einleuchtenden Gründen werden an elektronische Körpertemperatur-Messgeräte besonders hohe Anforderungen bezüglich der Messgenauigkeit und Eichkonstanz gestellt. Diese Forderungen vermögen die heute bekailllten elektronischen Messfühler nur ungenügend zu erfüllen. So besitzen Thermoelemente ein zu kleines Messsiqnal, woraus sich eine unzureichende Genauigkeit ergibt. NTC-Widerstände weisen eine zu hohe Fertiqungsstreuung auf. Darüber hinaus zeigt sich ein starker Alterunqseffekt, der sich im besonderen abwertend auf die Eichkonstanz auswirkt Schliesslich besitzen Siliziumtemperatursensoren nach dem spreading-resistance Prinzip eine zu hohe Fertiqungsstreuung sowie einen vergleichsweise voluminösen Aufbau. Hierdurch ergibt sich eine hohe Wärmekapazität und damit eine sehr lange Reaktionszeit. Demgegenüber besitzt der erfindungsgemässe Sensor, im besonderen im Hinblick auf die Temperaturmessung, eine geringe Wärmekapazität, wodurch sich eine kurze Messzeit ergibt. Durch die Verwendung von polykristallinem Silizium als Sensormaterial ist eine hohe Lebensdauerqualität und Eichkonstanz gewährleistet. Durch die erwähnte Einstelltechnik ermöglicht die Verwendung von polykristallinem Silizium die Einhaltung geringer Fertigungstoleranzen. Weiterhin ist der Aufbau weitgehend unempfoindlich, und die Metallisierung sowie die Passivierung des Sensors ist besonders einfach durchzuführen. Schliesslich lässt sich infolge der unmittelbaren Zugänglichkeit des Sensors dieser leicht in engen Kontakt mit einem Körperteil führen, so dass damit die Messung der Körpertemperatur stark vereinfacht wird. Die Auswahl der Behandlungsschritte für die Aufarbeitung der polykristallinen ,Siliziumschicht kann für die jeweils beabsichtigten Anwendungsgebiete ausgerichtet werden. Für die Temperaturmessung kommen beispielsweise die folgenden Kriterien in Betracht: Die Einstellung eines hinreichend grossen Temperaturkoeffizienten, wie etwa 1 %/K, eine unkritische Einstellung, d.h., keine zu starke Abhängigkeit des Temperaturkoeffizienten von den Behandlungs parametern sowie eine Langlebensdauerqualität, d.h., die eingestellten Sensoreigenschaften dürfen sich nur in vernachlässigbarem Ausmass mit der Zeit verändern, wobei Temperaturen von 0 bis lOo C der höher zulässiq sind. Die Ausführungsform des erfindungsgemässen Sensors, dessen Messfigur von der Rückseite des Substrats anschliessbar ist, wird hergestellt, indem man ein nieder-ohmiges Siliziumsubstrat thermisch oxydiert, bis sich eine erste SiO2-Schicht von etwa einem /um Dicke aufgebaut hat, in diese erste SiO2 Schicht eine Öffnung für den Rückseitenkontakt der Sensormessfigur einbringt und auf dieser Schicht die Sensormessfigur aus polykristallinem Silizium definiert, sowie eine Kontaktierung der Anschlussflächen für den Vorder- und den Rückseitenkontakt vornimmt. Hierauf bedeckt man die Vorderseite pyrolytisch mit einer zweiten SiO2-Schicht von etwa einem /um Dicke und bringt hierin eine Öffnung für den Vorderseitenkontakt ein, während man anschliessend eine beiderseitige Metallisierung durchführt. Die Aufarbeitung des polykristallinen Siliziums erfolgt über einen oder mehrere Behandlungsschritte. Dabei wird in die polykristalline Figur zunächst eine Dotierung mit einem typischen Schichtwiderstand von etwa 500lL eingebracht. Anschliessend findet alternativ eine Wärmebehandlung in einem Diffusionsofen statt, wobei bevorzugt die Behandlungstemperatur zwischen etwa 900 C und etwa 1100 C liegt, oder es erfolgt eine Bestrahlung mit einem Laser für eine Rekristallisation des polykristallinen Gefüges, wobei die Bestrahlungsbedingungen vom Lasertyp und dem Strahlungsauf- bau abhängen. Andererseits kann auch die Bestrahlung mittels eines Elektronenstrahls erfolgen. Die Einstellung vorgegebener Schichtwiderstände oder anderer physikalischer Parameter kann mittels einer Trimmapparatus erfolgen, bei welcher die Eigenschaften des polykristallinen Siliziums durch Laserbestrahlung geändert werden. Eine Kon trolle der Veränderung erfolgt über eine gleichzeitige Messung der elektrischen Eigenschaften und einer Regelelektronik. Hierzu bettet man vorzugsweise das Bauelement in ein System zur Erzeugung vorbestimmter Umgebungsbedingungen ein. Somit bearbeitet man die Polysiliziumschicht für eine optimale Sensierung des jeweils gewünschten Umweltparameters. Die Auwahl der Behandlungsschritte erfolgt etwa ach den Kriterien einer Einstellung eines hinreichend grossen Temperaturkoeffizienten (z.B. 1 %/K), einer unkritischen Einstellung, d.h., es soll keine zu starke Abhängigkeit des Temperaturkoeffizienten von den Behandlungsparemetern gegeben sein, und der Langlebensdauerqualität, gemäss welcher die eingestellten Sensoreigenschaften sich nur in vernachlässigbarem Ausmass mit der Zeit verändern dürfen, wobei Temperaturen von 0 bis 100 C zulässig sind. Vorzugsweise führt man die Kuntaktierung über einen Ionenimplantationsprozess mit Lackmaskierung durch. Die Öffnungen für die Vorder- und Rückseitenkontakte bringt man bevorzugt über einen Lithographieschritt mit anschliessender Ätzung ein. Die Metallisierung führt man durch beiderseitiges Bedampfen mit einer etwa 1,5 um dicken Aluminiumschicht und einen Legierschritt durch. Die Trennung der einzelnen Sensoren voneinander kann durch Ritzen und Brechen, bzw. Sägen entlang der Ritz- bzw. Sägebahnen erfolgen. Eine entsprechende Ausführungsform ist selbstverständlich bei Anwendung konventioneller Verfahren mit monokristallinem Silizium durch eine PN-Ubergang isolierte Sensorfigur möglich, die somit in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt. Das bevorzugte Einsatzgebiet für den erfindungsgemässen Sensor liegt auf dem Gebiet der Temperaturmessung, wobei im besonderen eine Eignung für die Temperaturmessung des menschlichen oder tierischen Körpers, sowie der Messung von Warmwassertemperaturen gegeben ist. Daneben bestehen jedoch auch Ein satzmöqlichkeiteri für die Messung anderer physikalischer Grössen, wie Druck, Strömung, Magnetfeld und Lichteinstrahlung, da alle diese Grössen die elektrischen Eigenschaften von Silizium verändern. Für alle Einsatzmöglichkeiten zeichnet sich der erfindungsgemässe Sensor durch hohe Eichkonstanz und einen robusten Aufbau aus. Die einzelnen Sensoren können sich jedoch durch die Art der Bearbeitung, insbesondere der oben aufgeführten Bearbeitungsprozesse, unterscheiden. Eine Passivierung kann durchgeführt werden, etwa durch die Bedeckung des Sensors mit einer Quarz- oder Siliziumschicht, das Bedecken mit einem Schutzlack durch Tauchlackierung und/ oder durch Aufsprühen mit einem Schutzlack. Polykristallines Silizium hat die Eigenschaft, dass sich seine kristallographische Struktur nur bei sehr hohen Temperaturen (z.B.= > 5oü0C) ändern kann, d.h., die einmal eingestellte Kristallstruktur bleibt bei niedrigen Temperaturen praktisch unverändert. Damit ist Silizium prinzipell zur Herstellung von Sensoren hoher Lebensdauer und grosser Eichgenauigkeit geeignet. Im Gegensatz zu monokristallinem Silizium können wichtige MaterialeigenschEtent wie Widerstand, Temperaturkoeffizient, durch entsprechende Verfahrensschritte in einem weiten Bereich kontinuierlich verändert werden. In Verbindung mit einer präzisen Einstelltechnik, wonach man das Bauelement in ein System zur Erzeugung vorbestimmter Omgebungsbedingungen einbettet, können vorgegebene physikalische Paramter mit hoher Genauigkeit erreicht werden. Der planare Aufbajvon Sensor und Metallisierung auf einem ebenen Substrat ermöglicht eine bei Verwendung von mono kristallinem Silizium nur schwer realisierte Bauform, so dass ein leichter physischer zugang zum Sensur, wie etwa durch Anpressen des Sensors an K(irperstellen bei der Temperaturmessung, ermöglicht wird. Sie ermöglicht eine minimale Wärmekapazität des Sensors, die entscheidend ist für eine kurze Messdauer. Der zuverlässige und robuste Aufbau gewährleistet eine geringe Empfindlichkeit geqenüber äusseren Beanspruchungen. Wie bereits angedeutet, liegt ein besondererAnwendungsbe reich des erfindungsgemässen Sensors auf dem Gebiet der elektronischen Messung der menschlichen und tierischen Körpertemperatur./An elektronische Kdrpertemperatur-Mess- geräte werden aus Sicherheitsgründen besonders hohe Anforderungen bezüglich der Messgenauigkeit und Eichkonstanz gestellt. Diesen Forderungen entsprechen die heute bekannten elektronischen Messfühler nur ungenügend. So ergeben Thermoelemente ein zu kleines Messsignal und damit eine unzureichende Messgenauigkeit. NTC-Widerstände besitzen eine hohe Fertigungsstreuung sowie starke Alterungseffekte, wobei sich die Sensoreichung über die Zeit verändern kann. Schliesslich besitzen Siliziumtemperatursensoren nach dem spreading-resistance Prinzip ebenfalls hohe Fertigungsstreuungen sowie einen vergleichsweise voluminösen Aufbau, womit zwingend eine hohe Wärmekapazität und darnit eine lange Reaktions- d.h. Messzeit verbunden ist. Demqegenüber besitzt der erfindungsgemässe Sensor eine geringe Wärmekapazität und damit eine kurze Messzeit. Infolge der Verwendung von Silizium als Snsormaterial ergibt sich eine hohe Lebensdauerqualität und Eichkonstanz. Infolge der erwähnten präzisen Einstelltechnik ergeben sich geringe Fertigungstoleranzen und dementsprechend eine hohe Messgenauigkeit. Die planare Metallisierung ermöglicht einen robusten und gegenüber äusseren Einwirkunqen weitgehend unempflindlichen Aufbau. Eine Passivierung des Sensors lasst sich in einer be sonders einfachen Weise durchführen. Schliesslich gestattet der geringe Fluchenbedarf des erfindungsgemässen Sensors eine äusserst kostenqünstiqe Herstellung. Weitere Vorteile, Einzelheiten und erfindungswesentliche Merkmale ergeben sich aus der nachfolqenden Beschreibung zweier Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigt im einzelnen: Fig. 1 einen Teilschnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Sensors in vergrösserter Darstellung, Fig. 2 die Draufsicht auf einen geometrisch vorbe stimmten dotierten Bereich aus polykristallinem Silizium, der hier als Vierpol-Sensor die Form einer van-der-Pauw-Figur besitzt, Fig. 3 eine Draufsicht auf diese Ausführungsform des erfindungsgemässen Sensors, Fig. 4 einen weiteren Teilschnitt durch den Sensor unter Darstellung der abführenden Leiter bahnen, Fig. 5 die Draufsicht auf eine andere bevorzugte Ausführungsform des Sensors in schematischer Darstellung und Fig. 6 einen Längsschnitt durch den Sensor gemäss Fig. 5. Der in dem Teilschnitt gemäss Fig 1 dargestellte Sensor umfasst ein ebenes, aus einem schlechtleitenden Material, wie Quarz, bestehendes Substrat 1±. Auf diesem Substrat befindet sich eine Schicht 2u aus polykristallinem Silizium. Diese Schicht 20 ist zur icssivierunq mit einer Abdeckung 40 versehen. Wie sich aus fig. 1 ergibt, besitzt das Substrat eine ebene überflächenstruktur. Das Aufbringen der polykristallinen Siliziumschicht 20 erfolgt über das chemical-vapor-deposition Verfahren, Aufdampfen oder Aufsputtern, in einer Schichtdicke von beispielsweise 0,5,um. Mit Hilfe lithographischer Verfahren wird etwa eine van-der-Pauw-Figur erzeugt, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Es ist jedoch an dieser Stelle besonders zu betone, dass es sich hierbei nicht zwingend um eine van-der-Pauw-Figur handeln muss, sondern dass auch andere geometrisch vorbestimmte Bereiche ausgebildet werden können. Die zunächst ganzflächig aufgebrachte Schicht 20 bleibt nur im Bereich dieser Figuren erhalten, während die dazwischenliegenden Siliziumgebiete weggeätzt werden. Anschliessend werden über einen Lithographie- und einen Dotierprozess die Kontaktgebiete 60 der Widerstands- oder van-der-Pauw-Figur stark vordotiert (schichtwiderstand L 30kl). Die aus polykristallinem Silizium bestehende Widerstandsfigur 20 wird dann einem oder mehreren Behandlungsschritten unterworfen, wobei zunächst eine Dotierung (typischer Schichtwiderstand 2 50-12) und eine anschliessende Temperaturbehandlung in einem Diffusionsofen durchgeführt wird. Die typische Behandlunstemperatur liegt bei 9OO bis 11000C. Alternativ hierzu wird für eine Rekristallisation des polykristallinen Gefüges eine Bestrahlung mit einem Laser oder einem Elektronenstrahl durchgeführt. Es werden vorgegebne Schichtwiderstände oder andere physikalische Parameter eingestellt, wobei die Eigenschaften des polykristallinen Siliziums durch die Laserbestrahlung geändert werden. Das Substrat 10 mit der darau- befindlichen Messfigur 20 wird ganzflächig mit einer etallschicht überzogen, die bei spielsweise aus Aluminium bestehen kann und eine Dicke von etwa 1/um besitz. leber einen sich anschliessenden Lithographie- und Ätzprozess werden Leiterbahnen 30 definiert, wie sie in den E'ig. 3 und 4 dargestellt sind. Die Leiterbahnen 30 stehen mit den Messfiguren in Verbindung und sind, soweit es sich bei den Figuren um van-der-Pauw-tiguren handelt, an die Kontaktgebiete 60 angeschlossen. Aus Fig. 4 ergibt sich der Anschluss einer Leiterbahn 30 an die Messfigur 20 aus polykristallinem Silizium. Die am Aussenrand des Sensors lieqenden Enden 50 der Leiterbahnen 30 können eine galvanische Verdickung tragen, so dass der Sensor durch Einstecken in einen Normstecker kontaktiert werden kann. Es kann auch eine Kontaktleiste an die Leiterbahnen 30 angelötet sein. Schliesslich kann die Kontaktierung auch über ein konventionelles Golddrahtbonden an die Leiterbahnen 30 erfolgen. Abschliessend wird der Sensor für eine .-assivierung mit einer Schicht 4u (Fig 1) verzogen. Es kann sich hierbei um eine Quarz- oder Siliziumnitridschicht handeln. Es kann auch eine Schicht 40 aus Schutzlack durch einen Eintauchvorgang oder durch Aufsprühen aufgebracht werden. Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Sensors soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 5 und 6 näher erläutert werden. Der in den Fig. 5 und 6 dargestellte Sensor 1 umfasst ein niederohmiges Trägersubstrat 3, das aus Silizium besteht, mit einem spezifischen Widerstand von z.B. C1 ohm cm. Dieses Substrat 3 wird z.B. thermisch oxydiert, bis eine erste SiO2-Schicht 2 als Substrat für die Sensormessfigur 6 mit einer Schichtdicke von etwa 1/um aufgewachsen ist. Anschliessend wird über eine Sandad-Lithographieschritt eine Öffnung 4 für den Rückseitenkontakt 11 in die erste Si02-Schicht 2 geätzt. Bei diesem Ätzschritt wird auch die SiO2-Schicht auf der Scheibenrückseite entfernt. Anschliessend wird die Vorderseite des Substrats 3 mit einer z9B. 0,5/um dicken Schicht aus polykristallinem Silizium bedeckt. Als nächster Schritt erfolgt die Definition der Sensormessfigur 6 sowie eine Kontaktdotierunq der Anschlussflächen für den Vorderseitenkontakt 12 sowie den Rückseitenkontakt 11. Es ist hierbei zu beachten, dass die späteren Verbindungen Aluminium-Polysilizium und Polysilizium/Substrat jeweils spenfreie Kontakte ergeben. Die Kontaktierung kann über einen Ionenimplantationsprozess mit Lackmaskierung erfolgen. Anschliessend wird die Polysiliziumschicht so bearbeitet, dass sie für die Sensierung des gewünschten Umweltparameters optimal geeignet ist. Im Anschluss hieran bedeckt man die Vorderseite des Substrats 2 pyrolytisch mit einer etwa 1/um dicken zweiten Si02-Schicht 7, die die Sensormessfigur 6 ebenfalls überdeckt. Über einen Lithoqraphieschritt mit anschliessendem Ätzen erzeugt man innerhalb der zweiten Siu2-Schicht 7 eine Öffnung 5 für den Vorderseitenkontakt 12. Die Metallisierung des Sensors erfolgt einfach durch ein bei derseitiqes Bedampfen der zweiten SiO2-Schicht 7 auf der Vorderseite des Sensors 1 einerseits und des Träqersubstrats 3 auf dessen Rückseite andererseits, mit einer etwa 1,5/um dicken Aluminium-Schicht 9 und einem Legierschritt. Die Trennunq der einzelnen Sensoren voneinander wird durch sitzen und Brechen bzw. Sägen entlang der Ritz- bzw. Sägebahnen 13 vorgenommen. Die Kontktierung des Sensors 1 erfolgt über zwei Klemmkontakte lu auf den metailisierten Vorder- und Rückseiten 9 des Sensors 1, wobei jedoch auch andere Kontaktierung, wie etwa durch Löten, ohne weiteres möglich sind. Der Sensor 1 kann schliesslich, wie dies in Fig. 6 durch eine Schicht 14 angezeigt ist, mit einem Passivierungsüberzug versehen sein, der ausserhalb des Eingriffsbereiches der Klemmkontakte 10 auf die Metallisierung 9 des Sensors 1 aufgebracht ist. Die Hassivierung kann aus einer Quarz- oder Siliziumschicht bestehen, oder auch durch einen Schutzlack gebildet werden, der durch Tauchlackierung oder Aufsprühen aufgebracht ist. Nach einer besonderen Ausfünrunqsform der Erfindunq können die Sensoren auct aus einer Kombination der oben beschriebenen Sensoren bestehen. Diese Kombination kann sowohl dadurch erreicht werden, dass mehrere der beschriebenen einzelnen Sensoren nebeinander anqeurdnet werden, als auch dadurch, dass bei der P-ertiqunq gleichzeitig eine Kombination der vurheschriebenen Sensoren nergestellt wird (intearierter Sensor). Eine besondere Ausfi;hrurlasiurm umfasst die Herstellunq und Anweridunq vun Strömurlassensoren nacn dem Anemometer-Prinzip, wobei sich zwischen, zwei oder mehreren Sensoren der beschriebenen Art eine Wärmequelle, z. ss. ein heizter Widerstand, befindet. Je nach btrömunqsrichtunq wird die Wärme dieser Quelle bevorzugt auf einen oder mehrere dieser Sensoren übertragen. Mit den Sensoren der beschriebenen Art lässt sich eine flächenhafte Verteilung vun Umweltparametern, wie z. B. eine flächenhafte Temperaturverkeilung, nehmen.

Claims: pATENTANSpRÜCHE: 1. Sensor zur Messung physikalischer Grössen, d a d u r c h q e k e n n z e i c h n e t , dass sich auf einem schlechtleitenden,ebenen Substrat (1O) geometrisch vorbestimrnte dotierte Bereiche aus polykristallinem Silizium (20) befinden, die mit nach aussen abgeführten Leiterbahnen (30) in Kontakt stehen. 2. Sensor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Schichtdicke des polykristallinen Siliziums etwa i,5/um beträgt. 3. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Enden der nach aussen abgetührten Leiterbahnen (3u) mit einer gaivanischen Verdickung (5L) zur Anpassung an einem Normstecker versehen sind. 4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h q e k e n n z e i c h n e t , dass an die Enden der Leiterbahnen (3o) Kontakte angelötet, angeschweisst, angeklebt oder anders befestiqt sind. 5. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der geometrisch vorbestimmte dotierte Bereich (2U3 einen Vierpol-Sensor etwa in der Form einer van-der-Pauw-Figur darstellt. 6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Messfigur (60) zweipolig ausgebildet ist. 7. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mindestens einer der Kontakte (11) der polykristallinen Messfigur (6) von der Rückseite des Substrats anschliessbar ist. 8. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sich das Substrat (2) als Schicht auf einem niederohmigen Trägersubstrat (3) befindet, über welches der Rückseitenkontakt (11) durch eine Öffnung (4) in der Substratschicht (2) hergestellt ist. 9. Sensor nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass auf der aus Siz2 bestehenden Substratschicht (2) eine zweite SiO2-Schicht (7) aufgebracht ist, die die Sensormessfigur (6) überdeckt und eine Öffnung (5) für den Vorderseitenkontakt (12) aufweist. 10. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Vorderseite ganz flächiq oder teilweise metallisiert ist, wobei eine elektrische Verbindung der Netallisierung mit dem Vorderseitenkontakt (12) über eine Offnung (5) in der die Messfigur (6) überziehenden zweiten Schicht (7) hergestellt ist. 11. Sensor nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Rückseite des Trägersubstrats (3) metallisiert ist. 12. Sensor nach den Ansprüchen 1w oder 11, d a d u r c h q e k e n n z e i c h n e t , dass die etallisierun (9) aus einer etwa 1,5 /um dicken Aluminiumschicht besteht. 13. Sensor nach einem der Anspruch 1 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass er als passivierende Abdeckung (4U) eine Quarz-, Siliziumnitrid- oder Lackschicht trägt. 14. Verfahren zur Herstellung des Sensors nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass man auf ein schlechtleitendes,. ebenes Substrat eine Schicht aus polykristallinem Silizium in Form einer vorbestimmten geometrischen Figur aufbringt, in die Figur eine Dotierung einbringt, an die Siliziumschicht nach aussen abführende Leiterbahnen anlegt und den Sensor mit einer Passivierungsschicht überzieht. 15. Verfahren zur Herstellung des Sensors nach den Ansprüchen 7 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass man ein niederohmiges Siliziumsubstrat thermisch oxydiert, bis sich eine erste Si02-Schicht von etwa 1/um Dicke aufgebaut hat, in diese erste Siu2-Schicht eine Öffnung für den Rückseitenkontakt der Sensormessfigur einbringt und auf dieser Schicht die Sensormessfigur aus polykristallinem Silizium definiert, sowie eine Kontaktdotierunq der Anschlussflächen für den Vorder- und Rückseitenkontakt vornimmt, worauf man die Vorderseite pyrolytidch mit einer zweiten SiO2-Schicht von etwa 1/um Dicke bedeckt und hierin eine Öffnung für den Vor derseitenkontakt einbringt, während man anschliessend eine beiderseitige Metallisierung durchführt. 16. Verfahren nach Anspruch 1 und 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass man die polykristalline Siliziumschicht durch das chemical-vapor-deposition-Verfahren, durch Aufdampfen oder Aufsputtern aufbringt und anschliessend mit Hilfe von lithoqraphischen Verfahren die Widerstandsoder van-der-Pauw-Figuren ausbildet. 17. Verfahren nach Anspruch 1 und 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass man im Anschluss an die Dotierung eine Wärmebehandlung oder alternativ zur Rekristallisation des polykristallinen Gefüges eine Bestrahlung mit einem Laser oder einem Elektronenstrahl vornimmt. 18. Verfahren nach Anspruch 1 und 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass man die Leiterbahnen definiert, indem man zunächst eine qanzflächige Metallschicht aufbringt und die Bahnen durch einen nachfolgenden Lithographie- und Ätzprozess ausbildet. 19. Verfahren nach Anspruch 1 und 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass man die Dotierung über einen Ionenimplantationsprozess mit Lackmaskierung durchführt. 2U. Verwendung des Sensors nach den Ansprüchen 1 bis 13 zur Temperaturmessung. 21. Verwendung des Sensors nach den Ansprüchen 1 bis 13 zur Druck-, Strömungs-, Magnetfeld und/oder Lichteinstrahlungsmessung, sowie weiterer Messungen von physikalischen Um gebungsbedinqungen, welche den Schichtwiderstand von Silizium verändern. 22. S°n"soren, d a d u r c h q e k e n n z e i c h n e t , dass sie aus einer Kombination der in den Ansprüchen 1 bis 13 beschriebenen Sensoren bestehen. 23. Herstellung und Anwendung ein- oder zweidimensionaler Anordnunqen (Arrays) von Sensoren, g e k e n n z e i c h n e t d a d u r c h , dass sie in integrierter Weise aus Sensoren der in den Ansprüchen 1 bis 13 beschriebenen Art hergestellt werden. 24. Herstellung und Anwendung von strc)munqssensoren, g e k e n n z e i c h n e t d a d u r c h, dass sich zwischen zwei oder mehreren Sensoren der in den Ansprüchen 1 bis 13 beschriebenen Art eine WarmequelAe (z.B. ein beheizter Widerstand) befindet.

Inventors: SCHAUMBURG, HANNO, PROF. DR.-ING.
Applicants: SCHAUMBURG, HANNO, PROF. DR.-ING.
Application year: 1982
Main classification: G01K7
IPC codes: G01K7, G01K13