Selektive Erzeugung von Nanostrukturen auf einer Waferoberfläche zur Realisierung von optischen und mechanischen Funktionen beim Aufbau eines Echtzeitölsensors

Inhalt:
Für einen Sensor zur Echtzeitüberwachung der Ölqualität bei Drücken bis zu 400 bar, ist es erforderlich 2 mm dicke Siliziumwafer für Aufbau einer Messküvette zu verwenden. Diese Mindestdicke wurde ermittelt, um die mechanische Festigkeit der Küvettenwände zu realisieren. Das Messprinzip des Sensors basiert auf der Änderung des Infrarotspektrums, welche durch die Änderung der Ölqualität hervorgerufen wird. Die erste Herausforderung bei der Herstellung dieser Küvetten bestand darin, zwei Nichtstandardwafer effektiv zu verbinden. Da diese unflexibel sind und einen großen Waferbow haben, sind Standardbondverfahren ungeeignet, da sie den Bow nicht kompensieren können, und somit eine geringe Ausbeute an Küvetten liefern. Deshalb wird hier die SiCer-Technik [1] verwendet, bei der auf der Oberfläche der Wafer Nanostrukturen in Form von Nadeln mit einem kombinierten Plasmaätzprozess erzeugt werden. Auf diese nadelartige Waferoberfläche wird eine strukturierte LTCC-Folie auflaminiert, der zweite Wafer wird dazu ausgerichtet, ebenfalls laminiert und anschließend wird der Aufbau gesintert, sodass ein fester Verbund entsteht. Für dieses Verfahren müssen die Nadeln kurz und kegelförmig sein, damit sie gut in die LTCC-Folie eindringen können und eine hohe Festigkeit gewährleistet ist. Ein weiterer Punkt bei der Herstellung der Küvette sind die optischen Eigenschaften. Es hat sich herausgestellt, dass lange, dünne Nadeln auf beiden Seiten des Wafers die Transmission des Siliziums im relevanten Infrarotspektrum entscheidend erhöhen. Gleichzeitig zeigt sich, dass solche Nanostrukturen im Ölkanal die durch die Grenzflächen hervorgerufenen Interferenzen entscheidend reduzieren. Weiterhin kann unter Verwendung des Bondverfahrens auf der Emitterseite ein lötbarer Keramikring integriert werden, an dem das Emittergehäuse hermetisch angelötet werden kann. Die einzelnen Herstellungsschritte für diese komplexe Aufgabenstellung werden erläutert und die Funktionalität eines Demonstratoraufbaus wird dargestellt. Die hier vorgestellten Arbeiten entstanden im Rahmen des vom BMBF geförderten Projektes NaMiFlu (Förderkennzeichen 16SV5360).