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WO2002050527A1 - Verfahren zur herstellung von dünnschichtsensoren, insbesondere heissfilmanemometern und feuchtesensoren - Google Patents

Verfahren zur herstellung von dünnschichtsensoren, insbesondere heissfilmanemometern und feuchtesensoren Download PDF

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WO2002050527A1
WO2002050527A1 PCT/EP2001/014229 EP0114229W WO0250527A1 WO 2002050527 A1 WO2002050527 A1 WO 2002050527A1 EP 0114229 W EP0114229 W EP 0114229W WO 0250527 A1 WO0250527 A1 WO 0250527A1
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WO
WIPO (PCT)
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glass substrate
sensor structures
composite
carrier
connection
Prior art date
Application number
PCT/EP2001/014229
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English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Timelthaler
Original Assignee
E+E Elektronik Ges.M.B.H.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by E+E Elektronik Ges.M.B.H. filed Critical E+E Elektronik Ges.M.B.H.
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Priority to EP01271537A priority patent/EP1348121A1/de
Publication of WO2002050527A1 publication Critical patent/WO2002050527A1/de

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
    • G01N27/223—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance for determining moisture content, e.g. humidity
    • G—PHYSICS
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    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/688—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
    • G01F1/69—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element of resistive type
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    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
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    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/121—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid for determining moisture content, e.g. humidity, of the fluid

Definitions

  • the invention relates to a method for producing thin-film sensors which have a glass substrate.
  • the invention also relates to hot-film anemometers and moisture sensors which have been produced by this method. 5
  • Thin-film sensors are used in large numbers, for example in the automotive industry to measure the intake air mass flow of internal combustion engines or as moisture sensors.
  • hot film anemometers for the determination of gas mass flows are often made with a substrate made of glass. Thin, approximately 1 ⁇ m thick layers, often made of molybdenum or platinum, are applied to this glass substrate by
  • this composite is then provided with a protective layer and a contact layer.
  • the necessary sensor structures are then worked out of the applied layers, for example by a selective photo-etching process.
  • Capacitive moisture sensors are also manufactured as thin-film sensors. For this purpose, electrodes which intermesh with one another in comb-like fashion are applied to the glass substrate. A moisture-sensitive layer is placed on top, which is usually made of a polymer material.
  • the capacity of the electrode arrangement changes due to the water absorption of the moisture-sensitive layer, which is dependent on the relative air humidity.
  • the relative humidity can then be determined by measuring the capacity.
  • the hot-film anemometers are made with the thinnest possible substrate.
  • the aim is therefore to implement a hot film anometer that has a lower thermal time constant. Substrates with a small thickness reduce the thermal capacity of the substrate, thereby minimizing the disturbing heat flow between the substrate and the sensor structures that falsifies the measurement result in thermally unsteady operation.
  • substrate thickness In order to achieve sufficiently low time constants, a maximum substrate thickness of 150 ⁇ m is necessary. Substrate thicknesses of 100 ⁇ m down to about 50 ⁇ m and below should preferably be achieved.
  • the production of thin-film sensors in large numbers on such thin substrates, in particular glass substrates, is particularly difficult from a manufacturing point of view and is accompanied by high reject rates.
  • a method is known from WO98 / 34084 in which an additional membrane layer is applied to a glass support.
  • the glass carrier is then removed on a relatively small area from the back to the membrane by a selective etching process.
  • the membrane which can consist of several layers, then serves as a substrate for the sensor structures of the hot-film anemometer. In this way, thin-film sensors with a small substrate thickness can be produced.
  • These extremely low substrate thicknesses have the advantage that the response time of the hot film anemometer is minimized, but they are extremely sensitive to mechanical loads. This design has proven to be insufficiently robust, especially for use in motor vehicles.
  • EP 0043001 B1 describes a method for producing moisture sensors using thin-film technology on a glass substrate.
  • the initial thickness of the glass substrate is not further reduced after the sensor structures have been applied.
  • Even the application of an etching protection layer actively prevents the removal of glass material from the substrate in the etching process.
  • the production of thin-film sensors with thin glass substrates is therefore extremely delicate and uneconomical with this method.
  • the invention is therefore based on the object of providing a method which enables economical production of thin-film sensors on thin glass substrates in large numbers.
  • the new method means that corresponding plates with a square shape with a side length of 4 inches or round plates with a diameter of 6 inches can be used.
  • the area that can be used when applying these plate sizes for the application of the sensor structures, which have an edge length of only a few millimeters, is accordingly increased by a factor of 4 to 7. Accordingly, 4 to 7 times as many sensor structures can be applied and structured out in one work step using the new method with a reasonable reject rate. At the same time, this procedure results in a significantly reduced risk of breakage.
  • Figure 1 shows schematically the respective process steps for the production of thin-film sensors
  • Figure 2a shows a cross section through a composite
  • Figure 2b shows a cross section through a composite
  • Figure 2c shows a cross section through a composite of glass substrate and sensor structures in connection with the carrier after grinding
  • Figure 2d shows a cross section through the reclamped finished thin-film sensors.
  • FIGS. 2a to 2d are essentially intended to explain the process flow.
  • the production process is shown in FIGS. 2a to 2d using cross sections. Identical parts are identified in FIGS. 2a to 2d with identical reference symbols.
  • sensor structures 2 are first applied to a square glass substrate 1 with an initial thickness D of 0.5 mm and an edge length of 4 inches in step S10.
  • the sensor structures 2 are in this case for a hot film anemometer and therefore consist of a measuring resistor and a heating resistor and the associated protective and contact layers.
  • the sensor structures 2 can also be comb-shaped electrodes with a corresponding moisture-sensitive layer and, if appropriate, additional protective layers for moisture sensors.
  • the front side 1.1 that side of the glass substrate 1 on which the sensor structures 2 are applied is referred to as the front side 1.1.
  • the opposite side of the glass substrate 1 is consequently the back 1.2 named. Due to the comparatively large initial thickness D and the associated high mechanical stability of the glass substrate 1, its handling is unproblematic. Even after the sensor structures 2 have been applied, the comparatively thick glass substrate 1 practically never shows cracks or warps.
  • the sensor structures 2 for a hot film anemometer consist, for example, of molybdenum conductor tracks, which are applied to the glass substrate 1 by sputtering. These tracks are then covered with a protective layer, which in turn is covered with a gold contact layer. The corresponding structures are then worked out using a selective photo-etching process.
  • the glass substrate 1 in the example shown is incised in two directions perpendicular to one another between the sensor structures 2 (FIG. 2a).
  • the depth t of the trenches 1.3 thus introduced is selected so that after the grinding process of the rear side 1.2 of the glass substrate 1 described below, only the rectangular thin-film sensors remain in the glass substrate 1 without connecting bridges. In other words, the depth t of the trenches 1.3 is greater than the final thickness d of the glass substrate 1.
  • the composite of glass substrate and sensor structures is then connected to a carrier 3 on its front side in step S20.
  • a releasable clamping adhesive connection As a releasable clamping adhesive connection, a hot melt adhesive in the form of a wax 4, which is applied to the front side 1.1 of the composite of sensor structures 2 and glass substrate 1 in liquid or viscous form, is suitable, for example in accordance with the example shown.
  • the front side 1.1 is then brought into contact with the carrier 3, which preferably also consists of glass, according to FIG. 2b.
  • the wax 4 is then allowed to cool, whereby it solidifies, thus forming an immovable connection between the support 3 and the composite of sensor structures 2 and glass substrate 1.
  • hotmelt adhesives such as rosin, or synthetic material compounds, for example from the category of polymer compounds, can also be used.
  • the connection can be released again by heating to a temperature above the melting point of the adhesive.
  • Adhesive films coated with adhesive on both sides can be used as an alternative detachable mounting adhesive connection.
  • the use of these adhesive films has the advantage that the sensor structures 2 can dig into these films under the pressure of the subsequent removal processes, so that local pressure peaks in the sensors to be produced can be avoided.
  • the term adhesive films also means flat materials with the same effect, such as adhesive fabric tapes or adhesive foam films, etc.
  • foils with an adhesive coating can preferably be used, the adhesive force of which diminishes significantly or disappears under the action of UV light. In this way, the adhesive effect can be deactivated at the desired time by suitable radiation.
  • connection between the composite of glass substrate 1 and sensor structures 2 with the carrier 3 can also be produced by negative pressure.
  • air is sucked in, for example, through a perforated carrier 3.
  • the pressure on the suction side of the vacuum source drops, so that a contact pressure arises as a result of the pressure difference between the environment and the contact surface. So that the sensor structures 2 are not damaged when they are clamped onto the carrier 3, it is expedient to provide a suitable intermediate layer made of soft material.
  • the substrate material is removed in three partial steps (S31, S32, S33) from the rear side 1.2 up to the resulting final thickness d of the glass substrate 1 (FIG. 1).
  • the entire rear side 1.2 of the stretched glass substrate 1 is first processed in step S31 with a relatively coarse grinding tool.
  • the aim of step S31 is that the vast majority of the substrate material to be removed is removed here, or that after S31 the initial thickness D is scarcely greater than the resulting final thickness d of the glass substrate 1 to be aimed for.
  • the invention is not restricted to processing the entire rear side 1.2 of the glass substrate 1, but rather in this connection means a largely large-area removal of the rear side 1.2 up to the resulting final thickness d of the glass substrate 1. This means that at least 75% of the rear side 1.2 of the starting glass substrate is exposed to the removal process. Not only grinding, but also, for example, polishing or etching methods can be used as the method for carrying out the removal of substrate material.
  • the first removal step is often used to remove the majority of the volume of the substrate material to be removed, approximately 60% to 75% or more.
  • the removal process can already be completed after this step, provided that the final thickness d of the glass substrate 1 has been reached and the processed surface is of sufficient quality in terms of roughness.
  • the reverse side 1.2 is advantageously subjected to a further processing to reduce the roughness in a second step (S32) as part of the removal process. This is to reduce voltage peaks due to micro-notches on the surface.
  • the glass substrates 1 treated in this way are then mechanically relatively insensitive despite their small thickness.
  • step S32 (FIG. 1), the previously roughly ground back 1.2 is therefore subjected to a fine grinding process in the present exemplary embodiment.
  • a polishing process could also be carried out, for example.
  • Other suitable surface treatment methods can also be used. These steps can be, for example, those mentioned above, which can be carried out individually, overlaid or in any combination.
  • a further increase in the mechanical load-bearing capacity of the thin sensors is possible by means of a further removal step, in the present example according to FIG. 1, an etching process S33 on the rear side 1.2.
  • the surface of the rear side 1.2 becomes extremely smooth, which largely eliminates the notch stress peaks.
  • the back 1.2 of the glass substrate 1 is treated with hydrofluoric acid.
  • micro elevations on the rear side 1.2 are removed until the final thickness d of the glass substrate 1 is reached (FIG. 2c).
  • the glass substrates 1 treated in this way then have a very smooth back 1.2.
  • dry etching processes or polishing etching processes can also be used as etching processes.
  • the comparatively small thin-film sensors are now independently on the support after the last removal step (FIG. 2c).
  • these are then clamped onto a so-called end product carrier 5 (S40, FIG. 1).
  • the thin-film sensors on the rear sides 1.2 are connected to the end product carrier 5 by a transformer adhesive 6.
  • the front sides 1.1 of the thin-film sensors are still connected to the carrier 3 by the wax as a mounting adhesive 4 at this time.
  • the transformer glue 6 is a removable glue.
  • the transformer adhesive 6 can be deactivated with UV light, in contrast to as the adhesive 4 - in the present example, the wax.
  • clamping and transformer adhesive 4 It is fundamentally expedient that different adhesive types are used for the clamping and transformer adhesive 4, 6.
  • clamping and clamping adhesive 4, 6 are replaced by Different measures or principles of action can be deactivated (UV light, heat).
  • Clamping and reclamping adhesives 4, 6 can also be used, the effect of which wears off, for example, at different temperature levels. In this way, the desired adhesive connection can be released selectively.
  • step S50 the connection between the carrier 3 and the composite of glass substrate 1 and sensor structures 2 is released again in step S50.
  • the arrangement is heated so that the wax 4 experiences a temperature which is above its melting point.
  • the transformer adhesive 6 remains effective despite this heating.
  • the finished thin-film sensors are then only in contact with the end product carrier 5. If necessary, solder bumps can also be placed for the connection technology of the thin-film sensors.
  • the finished thin-film sensors are shipped together with the end product carrier 5.
  • the dashed arrows in FIG. 1 are intended to express that corresponding working steps can also be skipped in other configurations of the invention.
  • the example given is not intended to limit the invention to this embodiment.
  • only one removal step can be carried out in the method according to the invention, which is either one of the processes S31, S32, or S33 or comprises another removal method.

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Abstract

Zur wirtschaftlichen und effektiven Herstellung von Dünnschichtsensoren in großer Stückzahl werden zunächst Sensorstrukturen auf ein Glassubstrat aufgebracht (S10) und der Verbund aus Glassubstrat und Sensorstrukturen an dessen Vorderseite mit einem Träger unverrückbar verbunden (S20). Danach wird das Substratmaterial von der Rückseite her bis zu einer resultierenden Enddicke (d) des Glassubstrates weitgehend großflächig abgetragen (S31, S32, S33). Die optionalen Abtragschritte (S32; S33) dienen zur Verminderung der Rauheit der Rückseite. Schließlich wird die Verbindung zwischen dem Träger und dem Verbund aus Glassubstrat und Sensorstrukturen wieder gelöst (S50). Dadurch, dass bei diesem Verfahren vergleichsweise dicke Glassubstrate beschichtet werden, wird die Ausschussrate durch Bruch oder Verformung der Glassubstrate signifikant reduziert, auch wenn die Glassubstrate der fertigen Dünnschichtsensoren sehr dünn sind. Darüber hinaus kann mit diesem Verfahren der Automatisierungsgrad in der Dünnschichtsensorherstellung erhöht werden.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON DUNNSCHICHTSENSOREN, INSBESONDERE HEISSFILMANE- MOMETERN UND FEUCHTESENSOREN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Dunnschichtsensoren, die ein Glassubstrat aufweisen. Ebenso bezieht sich die Erfindung auf Heissfilmanemometer und Feuchtesensoren, die nach diesem Verfahren hergestellt wurden. 5
Dunnschichtsensoren werden in großen Stückzahlen beispielsweise in der Automobilindustrie zur Messung des Ansaugluftmassenstromes von Verbrennungsmotoren oder als Feuchtesensoren eingesetzt.
10 Aufgrund von hohen Anforderungen bezüglich der chemischen Beständigkeit und wegen der großen Temperaturbelastungen werden beispielsweise Heissfilmanemometer zur Bestimmung von Gasmassenströmen oft mit einem Substrat aus Glas hergestellt. Auf dieses Glassubstrat werden dünne, etwa 1μm starke Schichten, häufig aus Molybdän oder Platin, durch zum
15 Beispiel Vakuumbedampfung oder Katodenzerstäubung (Sputtern) aufgebracht. Danach wird dieser Verbund in vielen Fällen noch mit einer Schutzschicht und einer Kontaktschicht versehen. Die notwendigen Sensorstrukturen werden dann aus den aufgebrachten Schichten, beispielsweise durch einen selektiven Fotoätzprozess, herausgearbeitet.
20
Ebenso werden kapazitive Feuchtesensoren als Dunnschichtsensoren hergestellt. 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-
25 terial besteht. Die Kapazität der Elektrodenanordnung ändert sich durch die von der relativen Luftfeuchte abhängige asseraufnahme der feuchteempfindlichen Schicht. Durch Messung der Kapazität kann dann die relative Luftfeuchte bestimmt werden. Zur weiteren Miniaturisierung und zur Reduzierung der thermischen Ansprechzeit dieser Sensoren ist eine möglichst
30 geringe Dicke des Substrates anzustreben. Insbesondere bei den Heissfilmanemometem ist es wichtig, dass eine schnelle Ansprechgeschwindigkeit sichergestellt ist, bzw. dass diese Sensoren 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 Messwiderstände, 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 Ansaugtrakt 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 aufweist. Durch Substrate mit geringer Dicke wird die Wärmekapazität des Substrates reduziert, wodurch der störende und das Messergebnis verfälschende Wärmefluss zwischen Substrat und Sensorstrukturen im thermisch instationären Betrieb minimiert wird.
Um ausreichend niedrige Zeitkonstanten zu erreichen sind Substratdicken von maximal 150 μm notwendig. Vorzugsweise sollten Substratdicken von 100 μm bis hinab zu etwa 50 μm und darunter erreicht werden. Die Herstellung von Dunnschichtsensoren 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 Dunnschichtsensoren handelsübliche Gläser in einer Dicke von 100 μm bis 150 μm als Substrate verwen- det. Auf diese Glassubstrate werden die Sensorstrukturen von mehreren Sensoren aufgebracht. Danach werden in der Regel noch Schutz- und Kontaktschichten aufgetragen. Durch die Beschichtung werden erhebliche Spannungen in dem dünnen Glassubstrat erzeugt. Diese Spannungen führen in der Fertigung bereits bei den unzerteilten Glassubstraten zu nicht zu vernachlässigenden Ausschusszahlen infolge von Brüchen und Rissen. Besonders 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 hinaus 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 WO98/34084 ist ein Verfahren bekannt, bei dem auf einem Glasträger eine zusätzliche Membranschicht aufgetragen wird. Der Glasträger wird dann auf einer relativ kleinen Teilfläche von der Rückseite her bis zur Membran 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 können Dunnschichtsensoren mit geringer Substratdicke hergestellt werden. Diese extrem niedrigen Substratdicken haben zwar den Vorteil, dass die Ansprechzeit der Heissfilmanemometer minimiert wird, sie sind aber extrem empfindlich in Bezug auf mechanische Belastungen. Gerade für die Anwendung in Kraftfahrzeugen hat sich diese Bauart als zu wenig robust erwiesen.
In der EP 0043001 B1 wird ein Verfahren zur Herstellung von Feuchtesensoren in Dünnschichttechnik auf einem Glassubstrat beschrieben. Dabei wird die Ausgangsdicke des Glassubstrates nach dem Aufbringen der Sensorstrukturen nicht weiter reduziert. Es wird sogar durch Auftragen einer Ätzschutzschicht aktiv ein Abtragen von Glasmaterial aus dem Substrat im Ätz- prozess verhindert. Die Herstellung von Dunnschichtsensoren mit dünnen Glassubstraten ist daher mit diesem Verfahren äußerst heikel und unwirtschaftlich. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zu schaffen, das eine wirtschaftliche Produktion von Dunnschichtsensoren auf dünnen Glassubstraten in hohen Stückzahlen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Maßnahmen in den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahmen können als Ausgangsmaterial 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 eingesetzt 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 Ausführungsbeispieles anhand der beiliegenden Figuren.
Es zeigt
Figur 1 schematisch die jeweiligen Verfahrensschritte zur Herstellung von Dunnschichtsensoren; 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 Verbindung mit dem Träger;
Figur 2c einen Querschnitt durch einen Verbund aus Glassubstrat und Sensorstrukturen in Verbindung mit dem Träger nach dem Schleifen;
Figur 2d einen Querschnitt durch die umgespannten fertigen Dunnschichtsensoren.
Die Figur 1 soll im wesentlichen dazu dienen, den Verfahrensablauf zu erläutern. 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 Glassubstrat 1 mit einer Ausgangsdicke D von 0,5 mm und einer Kantenlänge von 4 Zoll im Arbeitsschritt S10 Sensorstrukturen 2 aufgebracht. Die Sensorstrukturen 2 sind in diesem Fall für ein Heissfilmanemometer und bestehen daher aus einem Messwiderstand und einem Heizwiderstand und den dazugehörigen Schutz- und Kontaktschichten.
Alternativ hierzu können die Sensorstrukturen 2 auch kammförmige Elektroden mit einer entsprechenden feuchteempfindlichen Schicht und ggf. zusätz- liehen 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 damit verbundene hohe mechanische Stabilität des Glassubstrates 1 ist dessen Handhabung unproblematisch. Selbst nach dem Aufbringen der Sensorstrukturen 2 zeigt das vergleichsweise dicke Glassubstrat 1 praktisch nie Risse oder Verwerfungen. Die Sensorstrukturen 2 für ein Heissfilmanemometer 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 Kontaktschicht 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 dargestellten Beispiel zwischen den Sensorstrukturen 2 in zwei senkrecht zu- einander liegenden Richtungen eingeritzt (Fig. 2a) Die Tiefe t der so eingebrachten Gräben 1.3 ist dabei so gewählt, dass nach dem unten beschriebenen Schleifprozess der Rückseite 1.2 des Glassubstrates 1 nur noch die rechteckigen Dunnschichtsensoren ohne Verbindungsbrücken im Glassubstrat 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 Sensorstrukturen an dessen Vorderseite mit einem Träger 3 verbunden. Dies erfolgt beispielsweise 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 Vorderseite 1.1 des Verbundes aus Sensorstrukturen 2 und Glassubstrat 1 in flüssiger oder zähflüssiger Form aufgetragen wird. Die Vorderseite 1.1 wird sodann gemäß der Figur 2b mit dem Träger 3, der vorzugsweise ebenso aus Glas besteht, in Kontakt gebracht. Anschließend lässt man das Wachs 4 abkühlen, wobei sich dieses verfestigt, und so eine unverrückbare Verbindung zwischen dem Träger 3 und dem Verbund aus Sensorstrukturen 2 und Glassubstrat 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 Abtrag prozesse eingraben können, so dass lokale Druckspitzen in den herzustellenden Sensoren vermieden 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 gewünschten 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 Substratmaterial in drei Teilschritten (S31 , S32, S33) von der Rückseite 1.2 her bis zur resultierenden Enddicke d des Glassubstrates 1 abgetragen (Figur 1). Die gesamte Rückseite 1.2 des aufgespannten Glassubstrates 1 wird zunächst im Schritt S31 mit einem relativ groben Schleifwerkzeug bearbeitet. Das Ziel des Schrittes S31 ist es, dass der weitaus größte Teil des abzutragenden Substratmaterials bereits hier entfernt wird, bzw., dass nach S31 die Ausgangsdicke D kaum größer ist als die anzustrebende resultierende Enddicke 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 resultierende Enddicke d des Glassubstrates 1 gemeint. Das heißt, dass flächenbezogen 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 Volumens des abzutragenden Substratmaterials, etwa 60% bis 75% oder mehr zu entfernen. Der Abtragprozess kann bereits nach diesem Schritt abge- schlössen 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 Abtrag prozesses in einem zweiten Schritt (S32) einer weiteren Bearbeitung zur Verminderung der Rauheit unterzogen. 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 herangezogen 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 Sensoren 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 Beispiel auch Trockenätzprozesse oder Polierätzprozesse angewendet werden.
Die vergleichsweise kleinen Dunnschichtsensoren befinden sich nun nach dem letzten Abtragschritt unabhängig voneinander einzeln auf dem Träger (Figur 2c). Um die Dunnschichtsensoren für die weitere Handhabung zu geeigneten Stückzahlen zusammenzufassen, werden diese dann in dem gezeigten Beispiel auf einen sogenannten Endproduktträger 5 umgespannt (S40, Figur 1 ). Zu diesem Zweck werden die Dunnschichtsensoren an den Rückseiten 1.2 durch einen Umspannkleber 6 mit dem Endproduktträger 5 verbunden. Die Vorderseiten 1.1 der Dunnschichtsensoren stehen zu diesem Zeitpunkt noch mit dem Träger 3 durch das Wachs als Aufspannkleber 4 in Verbindung. Ähnlich wie der Aufspannkleber 4, ist auch der Umspannkleber 6 ein lösbarer Kleber. Allerdings kann in diesem Beispiel der Umspannkleber 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 Umspannkleber 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 Dunnschichtsensoren sind dann nur noch mit dem Endproduktträger 5 in Kontakt. Gegebenenfalls können auch noch Lötbumps für die Anschlusstechnik der Dunnschichtsensoren platziert werden. Die fertigen Dunnschichtsensoren werden zusammen mit dem Endproduktträger 5 versandt.
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 erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise auch nur ein Abtragschritt vorgenommen werden, der entweder einer der Prozesse S31 , S32, oder S33 ist oder ein anderes Abtragverfahren umfasst.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen von Dunnschichtsensoren, wobei
Sensorstrukturen (2) auf der Vorderseite (1.1) eines Glassubstrates (1) aufgebracht werden, - der Verbund aus Glassubstrat (1) und Sensorstrukturen (2) an dessen Vorderseite (1.1) mit einem Träger (3) verbunden wird, danach das Substratmaterial von der Rückseite (1.2) bis zu einer resultierenden Enddicke (d) des Glassubstrates (1) weitgehend großflächig abgetragen wird, - schließlich die Verbindung zwischen dem Träger (3) und dem Verbund aus Glassubstrat (1) und Sensorstrukturen (2) wieder gelöst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Abtragen des Substratmaterials mindestens zwei Abtragschritte umfasst, von denen ein erster Abtrag- schritt ein Schleifprozess ist, und mindestens ein nachfolgender Abtragschritt das Vermindern der Rauheit der Rückseite umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein dem ersten Abtragschritt nachfol- gendem Abtragschritt einen Polierprozess umfasst.
4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein dem ersten Abtragschritt nachfolgendem Abtragschritt einen Feinschleifprozess umfasst.
5. Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein dem ersten Abtragschritt nachfolgendem Abtragschritt einen Ätzprozess umfasst.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei vor der Verbindung des Trägers (3) mit dem Verbund aus Glassubstrat (1) und Sensorstrukturen (2) in das Glassubstrat (1) von der Vorderseite (1.1) her Gräben (1.3) eingebracht werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Tiefe (t) der Gräben (1.3) größer als die Enddicke (d) des Glassubstrates (1) ist.
8. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Verbindung zwischen dem Träger (3) und dem Verbund aus Glassubstrat (1) und Sensorstrukturen (2) über eine lösbare Aufspannklebeverbindung (4) hergestellt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Verbindung zwischen dem Träger (3) und dem Verbund aus Glassubstrat (1) und Sensorstrukturen (2) mit Hilfe eines Schmelzklebstoffes (4) hergestellt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Verbindung zwischen dem Träger (3) und dem Verbund aus Glassubstrat (1) und Sensorstrukturen (2) mit Hilfe einer Klebefolie hergestellt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Verbindung zwischen dem Trä- ger (3) und dem Verbund aus Glassubstrat (1) und Sensorstrukturen (2) mit Hilfe von Unterdruck hergestellt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 oder 6, wobei nach dem weitgehend großflächigen Abtragen des Glassubstrates (1) der Verbund aus Glassub- strat (1) und Sensorstrukturen (2) an dessen Rückseite (1.2) auf einen
Endproduktträger (5) umgespannt, und über eine lösbare Umspannklebeverbindung (6) mit demselben verbunden wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1 oder 6, wobei nach dem weitgehend groß- flächigen Abtragen des Glassubstrates (1) der Verbund aus Glassubstrat (1) und Sensorstrukturen (2) an dessen Rückseite (1.2) auf einen Endproduktträger (5) umgespannt, und über eine lösbare Umspannklebeverbindung (6) mit demselben verbunden wird.
14. Heissfilmanemometer, hergestellt nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11.
15. Feuchtesensor, hergestellt nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11.
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