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DE102015210659A1 - Method of making a solid electrolyte sensing element - Google Patents

Method of making a solid electrolyte sensing element Download PDF

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DE102015210659A1
DE102015210659A1 DE102015210659.4A DE102015210659A DE102015210659A1 DE 102015210659 A1 DE102015210659 A1 DE 102015210659A1 DE 102015210659 A DE102015210659 A DE 102015210659A DE 102015210659 A1 DE102015210659 A1 DE 102015210659A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
layer
solid electrolyte
cavern
semiconductor substrate
electrically conductive
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102015210659.4A
Other languages
German (de)
Inventor
Philipp Nolte
Daniel PANTEL
Christoph Schelling
Robert Roelver
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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 Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Priority to PCT/EP2016/059466 priority patent/WO2016198211A1/en
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    • GPHYSICS
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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung mindestens eines Festkörperelektrolyt-Sensorelements (110) vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
a) Bereitstellen mindestens eines Halbleitersubstrats (112);
b) Ausbilden mindestens einer Kaverne (114) in mindestens einer Oberfläche (116) des Halbleitersubstrats (112);
c) zumindest teilweises Auffüllen der Kaverne (114) mit mindestens einem Opferschichtmaterial (120);
d) Aufbringen mindestens eines Schichtaufbaus (122) des Festkörperelektrolyt-Sensorelements (110) auf das Opferschichtmaterial (120), wobei der Schichtaufbau (122) mindestens eine Schicht (124) eines elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials und mindestens eine Festkörperelektrolytschicht (126) umfasst,
e) zumindest teilweises Entfernen des Opferschichtmaterials (120), wobei die Kaverne (114) zumindest teilweise wieder freigelegt wird, so dass die Kaverne (114) zumindest teilweise von dem Schichtaufbau (122) abgedeckt ist.
A method for producing at least one solid electrolyte sensor element (110) is proposed. The method comprises the following steps:
a) providing at least one semiconductor substrate (112);
b) forming at least one cavern (114) in at least one surface (116) of the semiconductor substrate (112);
c) at least partially filling the cavern (114) with at least one sacrificial layer material (120);
d) applying at least one layer structure (122) of the solid electrolyte sensor element (110) to the sacrificial layer material (120), wherein the layer structure (122) comprises at least one layer (124) of an electrically conductive electrode material and at least one solid electrolyte layer (126),
e) at least partially removing the sacrificial layer material (120), wherein the cavern (114) is at least partially exposed again so that the cavern (114) is at least partially covered by the layer structure (122).

Figure DE102015210659A1_0001
Figure DE102015210659A1_0001

Description

Stand der Technik State of the art

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Festkörperelektrolyt-Sensorelements. Derartige Festkörperelektrolyt-Sensorelemente können beispielsweise im Bereich der Abgassensorik und in On-Board-Diagnosesystemen eingesetzt werden. Auch andere Einsatzbereiche sind grundsätzlich denkbar. The invention relates to a method for producing a solid electrolyte sensor element. Such solid electrolyte sensor elements can be used for example in the field of exhaust gas sensors and in on-board diagnostic systems. Other applications are conceivable in principle.

Festkörperelektrolyt-Sensorelemente sind im Stand der Technik bekannt, zum Beispiel als Lambda-Sonde. Eine Messung eines Restsauerstoffanteils in einem Abgas eines Verbrennungsmotors und eine Rückkopplung des Messwerts mit einer Motorsteuerung kann für eine Minimierung von Schadstoffen, insbesondere von Stickstoffoxiden, erwünscht sein. Die Lambda-Sonden können insbesondere keramische Materialien, insbesondere Zirkoniumoxid, umfassen. Grundsätzlich können hierbei Dickschichttechniken als Herstellverfahren eingesetzt werden. Dies ist beispielsweise aus T. Baunach, K. Schänzlin, L. Diehl, Sauberes Abgas durch Keramiksensoren, Physik Journal, Vol. 5, 2006 bekannt. Solid state electrolyte sensor elements are known in the art, for example as a lambda probe. A measurement of a residual oxygen content in an exhaust gas of an internal combustion engine and a feedback of the measured value with an engine control may be desirable for a minimization of pollutants, in particular of nitrogen oxides. The lambda probes may in particular comprise ceramic materials, in particular zirconium oxide. In principle, thick-film techniques can be used as the production method. This is for example off T. Baunach, K. Schänzlin, L. Diehl, Clean Exhaust Gas by Ceramic Sensors, Physik Journal, Vol. 5, 2006 known.

Eine als Nernstsonde ausgebildete Lambda-Sonde kann beispielsweise eine Spannung zwischen zwei über einen Festkörperelektrolyten verbundenen Elektroden messen, wobei beispielsweise Yttrium- oder Scandium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid als Membran verwendet werden kann. Dabei wird beispielsweise eine Eigenschaft von Zirkoniumdioxid genutzt, welche darin besteht, dass bei einer hohen Temperatur, üblicherweise bei 650 °C, Sauerstoffionen elektrolytisch transportiert werden können. For example, a lambda probe designed as a Nernst probe can measure a voltage between two electrodes connected via a solid electrolyte, it being possible, for example, to use yttrium- or scandium-stabilized zirconium dioxide as a membrane. In this case, for example, a property of zirconium dioxide is used, which consists in that at a high temperature, usually at 650 ° C, oxygen ions can be transported electrolytically.

DE 199 41 051 A1 offenbart einen Gasssensor, der als Breitband-Lambda-Sonde ausgebildet ist, welcher eine keramische Festkörperelektrolytbasis und mehrere Elektroden aufweist, welche in Kammern und an der Außenseite der Festkörperelektrolyten aufgebracht sind. DE 199 41 051 A1 discloses a gas sensor formed as a broadband lambda probe having a ceramic solid electrolyte base and a plurality of electrodes deposited in chambers and on the outside of the solid state electrolyte.

DE 10 2012 201 304 A1 offenbart eine mikro-mechanische Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Die mikro-mechanische Festkörperelektrolyt-Sensorvorrichtung weist ein mikro-mechanisches Trägersubstrat mit einer Vorderseite und einer Rückseite; eine erste poröse Elektrode und eine zweite poröse Elektrode; und einen zwischen der ersten porösen Elektrode und der zweiten porösen Elektrode eingebetteten Festkörperelektrolyten auf. DE 10 2012 201 304 A1 discloses a micro-mechanical solid electrolyte sensor device and a corresponding manufacturing method. The micro-mechanical solid electrolyte sensor device has a micro-mechanical support substrate having a front side and a back side; a first porous electrode and a second porous electrode; and a solid electrolyte embedded between the first porous electrode and the second porous electrode.

Bekannte Herstellverfahren weisen jedoch eine Mehrzahl an technischen Herausforderungen auf. Dickschichttechniken können grundsätzlich nur relativ große Mindestabmessungen zulassen, und zwar sowohl hinsichtlich der Strukturbreiten, welche typischerweise größer sind als 30 µm, als auch hinsichtlich der Schichtdicken, welche üblicherweise größer sind als 10 µm. Weiterhin können die Festkörperelektrolyt-Sensorelemente grundsätzlich bei bekannten Herstellverfahren hohen Belastungen, insbesondere hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sein. Die Belastungen können zu einer Beschädigung des Festkörperelektrolyt-Sensorelements, insbesondere der Membran des Festkörperelektrolyt-Sensorelements, führen. However, known manufacturing methods have a number of technical challenges. In principle, thick-film techniques can only permit relatively large minimum dimensions, both with regard to the structure widths, which are typically greater than 30 μm, and also with regard to the layer thicknesses, which are usually greater than 10 μm. Furthermore, the solid-state electrolyte sensor elements can basically be exposed to high loads, in particular high mechanical loads, in known production methods. The stresses can lead to damage of the solid electrolyte sensor element, in particular of the membrane of the solid electrolyte sensor element.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Es wird daher ein Verfahren zur Herstellung mindestens eines Festkörperelektrolyt-Sensorelements vorgeschlagen, welches die oben genannten Herausforderungen bekannter Verfahren adressiert. Therefore, a method is proposed for producing at least one solid electrolyte sensor element which addresses the above-mentioned challenges of known methods.

Unter einem Festkörperelektrolyten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Festkörper mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitenden Eigenschaften, zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festkörperelektrolyten handeln. In the context of the present invention, a solid electrolyte is to be understood as meaning a solid having electrolytic properties, ie having ion-conducting properties. In particular, it may be a ceramic solid electrolyte.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann die Verfahrensschritte, welche im Folgenden beschrieben werden, umfassen. Die Verfahrensschritte können beispielsweise in der vorgegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Eine andere Reihenfolge ist jedoch ebenfalls denkbar. Weiterhin können ein oder sogar mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig oder zeitlich überlappend durchgeführt werden. Weiterhin können einer, mehrere oder alle der Verfahrensschritte einfach oder auch wiederholt durchgeführt werden. Das Verfahren kann darüber hinaus noch weitere Verfahrensschritte umfassen. The method according to the invention can comprise the method steps which are described below. The method steps can be carried out, for example, in the predetermined order. However, another order is also conceivable. Furthermore, one or even more process steps can be performed simultaneously or overlapping in time. Furthermore, one, several or all of the method steps can be carried out simply or repeatedly. The method may additionally comprise further method steps.

Das Verfahren zur Herstellung mindestens eines Festkörperelektrolyt-Sensorelements umfasst die folgenden Schritte:

  • a) Bereitstellen mindestens eines Halbleitersubstrats;
  • b) Ausbilden mindestens einer Kaverne in mindestens einer Oberfläche des Halbleitersubstrats;
  • c) zumindest teilweises Auffüllen der Kaverne mit mindestens einem Opferschichtmaterial;
  • d) Aufbringen mindestens eines Schichtaufbaus des Festkörperelektrolyt-Sensorelements auf das Opferschichtmaterial, wobei der Schichtaufbau mindestens eine Schicht eines elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials und mindestens eine Festkörperelektrolytschicht umfasst;
  • e) zumindest teilweises Entfernen des Opferschichtmaterials, wobei die Kaverne zumindest teilweise wieder freigelegt wird, so dass die Kaverne zumindest teilweise von dem Schichtaufbau abgedeckt ist.
The method for producing at least one solid electrolyte sensor element comprises the following steps:
  • a) providing at least one semiconductor substrate;
  • b) forming at least one cavern in at least one surface of the semiconductor substrate;
  • c) at least partially filling the cavern with at least one sacrificial layer material;
  • d) applying at least one layer structure of the solid electrolyte sensor element to the sacrificial layer material, the layer structure comprising at least one layer of an electrically conductive electrode material and at least one solid electrolyte layer;
  • e) at least partially removing the sacrificial layer material, wherein the cavern is at least partially exposed again, so that the cavern is at least partially covered by the layer structure.

Unter einem "Halbleitersubstrat" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich ein beliebig geformter Halbleiter zu verstehen, welcher im weiteren Verlauf des Verfahrens einem oder mehreren Bearbeitungs- oder Beschichtungsschritten unterzogen wird. Beispielsweise kann das Halbleitersubstrat ein scheibenförmiges oder plattenförmiges Halbleitersubstrat sein. Das Halbleitersubstrat kann insbesondere als Chip ausgebildet sein. Das Halbleitersubstrat kann beispielsweise ganz oder teilweise aus Silizium bestehen. Auch andere Halbleitermaterialien wie Siliziumcarbid, insbesondere temperaturstabiles Siliziumcarbid, oder Galliumnitrid sind grundsätzlich denkbar. In the context of the present invention, a "semiconductor substrate" is basically an arbitrarily shaped semiconductor, which is subjected to one or more processing or coating steps in the further course of the process. For example, the semiconductor substrate may be a disk-shaped or plate-shaped semiconductor substrate. The semiconductor substrate may be formed in particular as a chip. For example, the semiconductor substrate may be wholly or partly made of silicon. Other semiconductor materials such as silicon carbide, in particular temperature-stable silicon carbide, or gallium nitride are conceivable in principle.

Der Begriff "Kaverne" bezieht sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf einen frei und/oder offen gestalteten Hohlraum. Vorzugsweise kann es sich um einen in das Basiselements hineinragenden Hohlraum handeln. Die Kaverne kann beispielsweise eine quaderförmige Grundform oder auch pyramidenstumpfförmige Grundform aufweisen. Auch andere Grundformen sind grundsätzlich denkbar. The term "cavern" in the context of the present invention refers to a free and / or open cavity. Preferably, it can be a cavity projecting into the base element. The cavern may, for example, have a cuboidal basic shape or also a truncated pyramidal basic shape. Other basic forms are conceivable in principle.

Das Ausbilden der Kaverne kann beispielsweise durch einen Ätzprozess erfolgen. Der Ätzprozess kann beispielsweise mindestens einen nasschemischen und/oder mindestens einen trockenchemischen Ätzprozess umfassen. Der Ätzprozess kann beispielsweise ein reaktives Ionenätzen umfassen. Der Begriff "reaktives Ionenätzen" bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich einen ionenunterstützten Reaktivätzprozess, bei welchem reaktive Ionen verwendet werden, um Material des Halbleitersubstrats oder eines anderen Werkstoffs abzutragen. Der Ätzvorgang kann bei diesem Verfahren primär physikalisch erfolgen, und es kann eine gewisse Vorzugsrichtung im Ätzangriff entstehen. Dementsprechend kann der Ätzprozess zur Ausbildung der Kaverne im Schritt b) insbesondere ganz oder teilweise als anisotroper Ätzprozess ausgestaltet sein. Eine Formgebung der Strukturen kann durch eine Maskierung, insbesondere durch eine mittels Fotolithographie erzeugte Maskierung, unterstützt werden. Auch ein Einsatz von weiteren Ätzprozessen ist denkbar. The formation of the cavern can be done, for example, by an etching process. The etching process may comprise, for example, at least one wet-chemical and / or at least one dry-chemical etching process. The etching process may include, for example, reactive ion etching. The term "reactive ion etching" in the context of the present invention basically refers to an ion-assisted reactive etching process in which reactive ions are used to remove material from the semiconductor substrate or from another material. The etching process can be done primarily physically in this method, and there may be some preferential direction in the etching attack. Accordingly, the etching process for forming the cavern in step b) can in particular be designed wholly or partly as an anisotropic etching process. Shaping of the structures may be assisted by masking, in particular by masking produced by photolithography. It is also conceivable to use further etching processes.

Zwischen dem Halbleitersubstrat und dem Opferschichtmaterial kann mindestens eine Ätzstoppschicht eingebracht werden. Die Ätzstoppschicht kann mindestens ein Material aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid. Das Material der Ätzstoppschicht kann chemisch verschieden zu dem Opferschichtmaterial sein und kann vorzugsweise eine deutlich niedrigere Ätzrate bei dem verwendeten Ätzprozess als das Opferschichtmaterial aufweisen. Die Ätzstoppschicht kann vorzugsweise in einem separaten Prozess auf das Halbleitersubstrat aufgebracht werden. Die Ätzstoppschicht kann insbesondere als Barriere während des Ausbildens der Kaverne eingerichtet sein. Insbesondere lässt sich über die Lage der Ätzstoppschicht eine Tiefe der Kaverne einstellen. At least one etch stop layer may be introduced between the semiconductor substrate and the sacrificial layer material. The etch stop layer may comprise at least one material selected from the group consisting of: silicon dioxide, silicon nitride, aluminum oxide or aluminum nitride. The material of the etch stop layer may be chemically different than the sacrificial layer material, and may preferably have a significantly lower etch rate in the used etch process than the sacrificial layer material. The etch stop layer may preferably be applied to the semiconductor substrate in a separate process. The etch stop layer may in particular be designed as a barrier during the formation of the cavern. In particular, a depth of the cavern can be adjusted via the position of the etching stop layer.

Das Verfahren kann weiterhin ein Ausbilden mindestens eines Ätzkanals umfassen. Die Kaverne und eine Umgebung des Halbleitersubstrats können über den Ätzkanal miteinander verbunden sein. Der Begriff "Ätzkanal" bezeichnet grundsätzlich einen beliebigen Hohlraum auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats. Insbesondere kann es sich um einen länglichen Hohlraum handeln. Der Ätzkanal kann insbesondere eingerichtet sein, dass in Schritt e) das Opferschichtmaterial durch den Ätzkanal hindurch aus der Kaverne entfernt werden kann. Schritt d) kann derart durchgeführt werden, dass der Schichtaufbau das Opferschichtmaterial lediglich unvollständig bedeckt und der Ätzkanal mindestens einen unbedeckten Bereich des Opferschichtmaterials umfasst. The method may further include forming at least one etch channel. The cavern and an environment of the semiconductor substrate may be interconnected via the etch channel. The term "etch channel" basically refers to any cavity on the surface of the semiconductor substrate. In particular, it may be an elongated cavity. In particular, the etching channel can be set up such that in step e) the sacrificial layer material can be removed from the cavern through the etching channel. Step d) can be carried out such that the layer structure covers the sacrificial layer material only incompletely and the etching channel comprises at least one uncovered region of the sacrificial layer material.

Unter einem „Opferschichtmaterial“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Material zu verstehen, welches zunächst während des Verfahrens zum Zwecke einer Strukturierung des herzustellenden Bauelements auf- oder eingebracht wird und auf welches beispielsweise ein oder mehrere weitere Schichten oder Bauteile aufgebracht werden, welches jedoch anschließend und vor Vollendung des Bauelements wieder ganz oder teilweise entfernt wird. Das Opferschichtmaterial dient also beispielsweise als vorübergehender Träger für nachfolgende Schichten oder Bauteile des Bauelements, hier also des Festkörperelektrolyt-Sensorelements, und wird später wieder ganz oder teilweise entfernt. In the context of the present invention, a "sacrificial layer material" basically refers to any material which is initially applied or introduced during the process for the purpose of structuring the component to be produced and to which, for example, one or more further layers or components are applied but then completely and partially removed before and after completion of the device. The sacrificial layer material thus serves, for example, as a temporary support for subsequent layers or components of the component, in this case the solid electrolyte sensor element, and is later removed completely or partially.

Das Opferschichtmaterial kann mindestens ein Material umfassen, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: ein Oxid, insbesondere ein Siliziumoxid; ein Halbmaterial, insbesondere ein Mischhalbleitermaterial, insbesondere Siliziumgermanium; ein Nitrid, insbesondere Siliziumnitrid. Das Opferschichtmaterial kann eine deutlich höhere Ätzrate in dem Ätzprozess aufweisen, als das Material des Halbleitersubstrats. Alternativ oder zusätzlich kann bei dem Einbringen der Ätzstoppschicht das Opferschichtmaterial eine deutlich höhere Ätzrate in dem Ätzprozess aufweisen als das Ätzstoppmaterial. Auch weitere Materialien sind denkbar. Das Opferschichtmaterial kann insbesondere eingerichtet sein, um Teile des Halbleitersubstrats, insbesondere die Kaverne, zu bedecken. Weiterhin kann das Opferschichtmaterial in einem späteren Verfahren wieder ganz oder teilweise von dem Halbleitersubstrat entfernt werden. The sacrificial layer material may comprise at least one material selected from the group consisting of: an oxide, in particular a silicon oxide; a semi-finished material, in particular a mixed semiconductor material, in particular silicon germanium; a nitride, in particular silicon nitride. The sacrificial layer material may have a significantly higher etching rate in the etching process than the material of the semiconductor substrate. Alternatively or additionally, when introducing the etching stop layer, the sacrificial layer material may have a significantly higher etching rate in the etching process than the etching stop material. Also other materials are conceivable. The sacrificial layer material may in particular be designed to cover parts of the semiconductor substrate, in particular the cavern. Furthermore, in a later method, the sacrificial layer material can be completely or partially removed from the semiconductor substrate again.

Die Kaverne kann ganz oder teilweise mit dem Opferschichtmaterial aufgefüllt werden. Das Opferschichtmaterial kann weitere Teile der Oberfläche des Halbleitersubstrats ganz oder teilweise bedecken. Das Opferschichtmaterial kann grundsätzlich durch ein beliebiges geeignetes Abscheideverfahren aufgebracht werden, beispielsweise durch eine chemische Gasphasenabscheidung, ein Sputterverfahren, ein Elektronenstrahlverdampfen, eine gepulste Laserdeposition oder eine Atomlagendeposition. The cavern can be completely or partially filled with the sacrificial layer material. The sacrificial layer material may be further parts of the surface Cover the semiconductor substrate in whole or in part. The sacrificial layer material may in principle be applied by any suitable deposition method, for example by chemical vapor deposition, sputtering, electron beam evaporation, pulsed laser deposition or atomic layer deposition.

Das Verfahren kann vor Durchführung des Schritts d) weiterhin ein Entfernen von überschüssigem Opferschichtmaterial umfassen, derart, dass das Halbleitersubstrat und das in der Kaverne befindliche Opferschichtmaterial eine gemeinsame ebene Oberfläche bilden, auf welche der Schichtaufbau aufgebracht wird. Das Entfernen des überschüssigen Opferschichtmaterials kann mindestens einen Prozess umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem chemisch-mechanischen Polierverfahren, einem nasschemischen Ätzprozess, einem trockenchemischen Ätzprozess, einem Ionenätzen. The method may further include removing excess sacrificial layer material prior to performing step d) such that the semiconductor substrate and the sacrificial layer material located in the cavity form a common planar surface to which the layer structure is applied. The removal of the excess sacrificial layer material may include at least one process selected from the group consisting of: a chemical mechanical polishing process, a wet chemical etching process, a dry chemical etching process, an ion etching.

Der Begriff "chemisch-mechanisches Polierverfahren" bezeichnet insbesondere ein Verfahren, welches ein Polieren des Halbleitersubstrats durch ein Poliertuch mit einem definierten Druck umfasst. Insbesondere kann das Poliertuch aus einem Polyurethanschaum hergestellt sein. Weiterhin kann während des Polierverfahrens ein vorzugsweise kolloidales Poliermittel zugegeben werden. In particular, the term "chemical mechanical polishing method" refers to a method which comprises polishing the semiconductor substrate by a polishing cloth having a defined pressure. In particular, the polishing cloth can be made of a polyurethane foam. Furthermore, during the polishing process, a preferably colloidal polishing agent may be added.

Unter einem "trockenchemischen Ätzprozess" ist grundsätzlich ein Verfahren zu verstehen, bei welchem der Materialabtrag durch beschleunigte Teilchen, insbesondere durch Argon-Ionen, oder mithilfe plasmaaktivierter Gase erfolgt. Es können hierbei physikalische Effekte und/oder chemische Effekte, insbesondere chemische Reaktionen zwischen beschleunigten Teilchen und der Oberfläche des Substrats, ausgenutzt werden. A "dry-chemical etching process" is basically a process in which the removal of material takes place by means of accelerated particles, in particular by argon ions, or by means of plasma-activated gases. In this case, physical effects and / or chemical effects, in particular chemical reactions between accelerated particles and the surface of the substrate, can be exploited.

Der Begriff "Ionenätzen" bezeichnet grundsätzlich ein Verfahren, bei welchem das Halbleitersubstrat mit Ionen beschossen wird. Beispielsweise kann es sich um das reaktive Ionenätzen handeln. The term "ion etching" basically refers to a process in which the semiconductor substrate is bombarded with ions. For example, it may be reactive ion etching.

Unter einem "Schichtaufbau" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich eine beliebige Aufeinanderfolge von ein oder mehreren Schichten zu verstehen. Beispielsweise können die Schichten übereinander angeordnet sein. Die Schichten können sich ganz oder teilweise bedecken. Beispielsweise können die Schichten nebeneinander angeordnet sein. Der Schichtaufbau kann weiterhin Schichten verschiedener Materialien aufweisen. Der Schichtaufbau kann mehrere Schichten desselben Materials aufweisen. Auch andere Ausführungsformen sind grundsätzlich denkbar. Under a "layer structure" in the context of the present invention is basically any sequence of one or more layers to understand. For example, the layers can be arranged one above the other. The layers can be completely or partially covered. For example, the layers may be arranged next to one another. The layer structure may further comprise layers of different materials. The layer structure may comprise several layers of the same material. Other embodiments are conceivable in principle.

Unter einer "Porosität" ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verhältnis von Hohlraumvolumen zu Gesamtvolumen eines Stoffes oder Stoffgemisches als dimensionslose Messgröße zu verstehen. Diese Messgröße kann insbesondere in Prozent angegeben werden. Beispielsweise kann das poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenmaterial eine Porosität von mindestens 20 % aufweisen, bevorzugt von mindestens 30 % und besonders bevorzugt von mindestens 40 %. Bei einer Einstellung der Porosität kann es wünschenswert sein, dass zumindest teilweise eine durchgängige Leitfähigkeit der ersten Schicht und/oder der zweiten Schicht mindestens eines porösen, elektrisch leitfähigen Materials vorliegt und eine Bildung von isolierten Inseln zumindest weitgehend reduziert wird. Das poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenmaterial kann mindestens eine Keramikmetallverbindung, insbesondere Verbundwerkstoffe aus keramischen Werkstoffen mit einer metallischen Matrix, umfassen. Das poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenmaterial kann mindestens ein Metall aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Platin; Palladium; eine Legierung. Weiterhin kann Stickstoff-dotiertes Graphen eingesetzt werden. Insbesondere kann Stickstoff-dotiertes Graphen aufgrund einer katalytischen Wirkung eingesetzt werden. Auch andere Materialien sind grundsätzlich denkbar. Das poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenmaterial kann weiterhin mindestens ein keramisches Material aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid. Auch andere Materialien sind grundsätzlich einsetzbar. In the context of the present invention, a "porosity" is to be understood as meaning a ratio of void volume to total volume of a substance or mixture of substances as a dimensionless measured variable. This measure can be specified in particular in percent. For example, the porous, electrically conductive electrode material may have a porosity of at least 20%, preferably of at least 30% and particularly preferably of at least 40%. In the case of a setting of the porosity, it may be desirable for there to be at least partial continuous conductivity of the first layer and / or the second layer of at least one porous, electrically conductive material and formation of isolated islands at least substantially reduced. The porous, electrically conductive electrode material may comprise at least one ceramic metal compound, in particular composite materials of ceramic materials with a metallic matrix. The porous electrically conductive electrode material may comprise at least one metal selected from the group consisting of: platinum; Palladium; an alloy. Furthermore, nitrogen-doped graphene can be used. In particular, nitrogen-doped graphene can be used due to a catalytic effect. Other materials are also conceivable. The porous electrically conductive electrode material may further comprise at least one ceramic material selected from the group consisting of: alumina, zirconia. Other materials are basically usable.

Der Schichtaufbau kann insbesondere mindestens eine Sensorzelle bilden, welche mindestens eine erste Schicht mindestens eines porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials aufweist und weiterhin mindestens eine zweite Schicht mindestens eines porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials. Der Schichtaufbau kann weiterhin mindestens eine Festkörperelektrolytschicht aufweisen. Die erste Schicht des mindestens einen porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials und die zweite Schicht des mindestens einen porösen elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials können über die Festkörperelektrolytschicht miteinander verbunden sein. Die erste Schicht kann auf einer der Kaverne zugewandten Seite des Schichtaufbaus angeordnet sein. Die Festkörperelektrolytschicht kann zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordnet sein. Die Festkörperelektrolytschicht kann mindestens ein Material umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumoxid; Scandium-dotiertes Zirkoniumoxid. The layer structure may in particular form at least one sensor cell, which has at least one first layer of at least one porous, electrically conductive electrode material, and furthermore at least one second layer of at least one porous, electrically conductive electrode material. The layer structure may further comprise at least one solid electrolyte layer. The first layer of the at least one porous, electrically conductive electrode material and the second layer of the at least one porous electrically conductive electrode material can be connected to one another via the solid electrolyte layer. The first layer may be arranged on a side of the layer structure facing the cavern. The solid electrolyte layer may be disposed between the first layer and the second layer. The solid state electrolyte layer may comprise at least one material selected from the group consisting of: yttria-stabilized zirconia; Scandium-doped zirconia.

Die Bezeichnungen "erste" und "zweite" Schicht sind als reine Bezeichnungen anzusehen, ohne eine Reihenfolge oder Rangfolge anzugeben und beispielsweise ohne die Möglichkeit auszuschließen, dass mehrere Arten von ersten Schichten und mehrere Arten von zweiten Schichten oder jeweils genau eine Art vorgesehen sein kann. Weiterhin können zusätzliche Schichten, beispielsweise eine oder mehrere dritte Schichten, in dem Schichtaufbau vorhanden sein. The designations "first" and "second" layer are to be regarded as pure designations without indicating an order or ranking and, for example, without precluding the possibility that several types of first layers and several types of second layers or in each case exactly one type may be provided. Farther For example, additional layers, for example one or more third layers, may be present in the layer structure.

Schritt d) kann folgende Teilschritte umfassen:

  • d1) Aufbringen mindestens einer ersten Schicht eines porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats, wobei die erste Schicht die Kaverne ganz oder teilweise bedeckt;
  • d2) Aufbringen mindestens einer Festkörperelektrolytschicht auf der ersten Schicht, wobei die Festkörperelektrolytschicht die erste Schicht zumindest teilweise bedeckt;
  • d3) Aufbringen mindestens einer zweiten Schicht eines porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials auf der Festkörperelektrolytschicht, wobei die zweite Schicht die Festkörperelektrolytschicht zumindest teilweise bedeckt.
Step d) can comprise the following substeps:
  • d1) depositing at least a first layer of a porous, electrically conductive electrode material on the surface of the semiconductor substrate, wherein the first layer completely or partially covers the cavern;
  • d2) applying at least one solid electrolyte layer on the first layer, wherein the solid electrolyte layer at least partially covers the first layer;
  • d3) applying at least one second layer of a porous, electrically conductive electrode material on the solid electrolyte layer, wherein the second layer at least partially covers the solid electrolyte layer.

Mindestens eine Schicht des Schichtaufbaus kann durch eine strukturierte Abscheidung erfolgen. Die strukturierte Abscheidung kann beispielsweise mindestens einen Schattenmaskenprozess umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens eine Schicht des Schichtaufbaus nach dem Aufbringen strukturiert werden, insbesondere durch mindestens einen lithografischen Prozess. At least one layer of the layer structure can take place by a structured deposition. For example, the structured deposition may include at least one shadow mask process. Alternatively or additionally, at least one layer of the layer structure can be structured after application, in particular by means of at least one lithographic process.

Schritt d) kann weiterhin ein Aufbringen mindestens eines Heizelements umfassen. Insbesondere kann Schritt d) ein Aufbringen mindestens einer Heizerisolationsschicht umfassen. Die Heizerisolationsschicht kann zumindest teilweise eine weitere Schicht des Schichtaufbaus bedecken. Die Heizerisolationsschicht kann aus Siliziumnitrid, Siliziumoxid oder Aluminiumoxid hergestellt sein. Auch andere Materialien sind denkbar. Step d) may further comprise applying at least one heating element. In particular, step d) may comprise applying at least one heater insulation layer. The heater insulation layer may at least partially cover another layer of the layer structure. The heater insulation layer may be made of silicon nitride, silicon oxide or aluminum oxide. Other materials are conceivable.

Schritt e) kann mindestens einen Ätzprozess umfassen. Der Ätzprozess kann insbesondere einen isotropen Ätzprozess umfassen. Der Ätzprozess kann mindestens einen Prozess umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem nasschemischen Ätzprozess, einem trockenchemischen Ätzprozess und dabei insbesondere einem reaktiven Ionenätzen. Step e) may comprise at least one etching process. The etching process may in particular comprise an isotropic etching process. The etching process may comprise at least one process selected from the group consisting of: a wet chemical etching process, a dry chemical etching process, and in particular a reactive ion etching.

Alternativ oder zusätzlich zu Schritt e) kann das Verfahren ein selektives Entfernen des Halbleitersubstrats umfassen. Durch das selektive Entfernen des Halbleitersubstrats kann eine Kavität unter dem Schichtaufbau erzeugt werden. Das selektive Entfernen kann insbesondere einen selektiven Ätzprozess, insbesondere in einem Chlorfluorid-Gas und/oder in einem Xenonfluorid-Gas, umfassen. Alternatively, or in addition to step e), the method may include selectively removing the semiconductor substrate. By selectively removing the semiconductor substrate, a cavity can be created under the layer structure. The selective removal may in particular comprise a selective etching process, in particular in a chlorofluoride gas and / or in a xenon fluoride gas.

In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Festkörperelektrolyt-Sensorelement offenbart, umfassend:

  • I. mindestens ein Halbleitersubstrat;
  • II. mindestens eine in mindestens einer Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildete Kaverne;
  • III. mindestens einen Schichtaufbau, wobei der Schichtaufbau mindestens eine Schicht eines elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials und mindestens eine Festkörperelektrolytschicht umfasst, wobei der Schichtaufbau die Kaverne zumindest teilweise abdeckt.
In another aspect of the present invention, a solid state electrolyte sensing element is disclosed, comprising:
  • I. at least one semiconductor substrate;
  • II. At least one cavern formed in at least one surface of the semiconductor substrate;
  • III. at least one layer structure, wherein the layer structure comprises at least one layer of an electrically conductive electrode material and at least one solid electrolyte layer, wherein the layer structure at least partially covers the cavern.

Das Festkörperelektrolyt-Sensorelement ist herstellbar nach dem Verfahren, wie es bereits oben beschrieben wurde oder nachfolgend beschrieben wird. The solid electrolyte sensor element can be produced by the method as already described above or described below.

Die Festkörperelektrolytschicht kann insbesondere eine Membran ausbilden. Unter einer Membran im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich ein Element mit einer beliebigen Grundfläche und einer definierten Dicke zu verstehen, wobei die Dicke vorzugsweise zwischen 100 nm und 5 µm liegt, oder besonders bevorzugt zwischen 300 nm und 1 µm. Die Membran kann beispielsweise für mindestens einen oder mehrere Stoffe in eine Richtung durchlässig sein. Beispielsweise kann die Membran für mindestens einen oder mehrere Stoffe in beide Richtungen durchlässig sein. Auch andere Ausführungsformen sind grundsätzlich möglich. Auf dem Halbleitersubstrat können mehrere Festkörperelektrolyt-Schichten als Membranen ausgebildet sein. Die Festkörperelektrolyt-Schichten können vorzugsweise parallel zueinander auf dem Halbleitersubstrat angeordnet sein. The solid electrolyte layer may in particular form a membrane. Under a membrane according to the present invention is basically an element with an arbitrary surface area and a defined thickness to understand, the thickness is preferably between 100 nm and 5 microns, or more preferably between 300 nm and 1 micron. The membrane may, for example, be permeable to at least one or more substances in one direction. For example, the membrane may be permeable to at least one or more substances in both directions. Other embodiments are possible in principle. On the semiconductor substrate, a plurality of solid electrolyte layers may be formed as membranes. The solid electrolyte layers may preferably be arranged parallel to one another on the semiconductor substrate.

Die Ätzkanale können eingerichtet sein, um für das Festkörperelektrolyt-Sensorelement einen Druckausgleichskanal für ein Referenzvolumen, insbesondere ein gepumptes O-Referenzvolumen, darzustellen. The etching channels can be set up to display a pressure compensation channel for the reference volume, in particular a pumped O reference volume, for the solid electrolyte sensor element.

Die zweite Schicht des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials insbesondere eingerichtet sein, um eine Heizerstruktur und einen Sensorkontakt bereitzustellen. The second layer of the porous, electrically conductive electrode material may be configured in particular to provide a heater structure and a sensor contact.

Das vorgeschlagene Verfahren weist gegenüber bekannten Verfahren zahlreiche Vorteile auf. Durchschnittliche Abmessungen des Festkörperelektrolyt-Sensorelements können grundsätzlich verringert werden. Beispielsweise können durchschnittliche Abmessungen eines mittels Dickschichttechnik hergestellten Sensorelements im Bereich von 5 mm × 5mm × 2 mm liegen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können die durchschnittlichen Abmessungen des Festkörperelektrolyt-Sensorelements beispielsweise bei 1mm × 2mm × 1 mm liegen. Dies kann insbesondere zu einem verringerten Bauraum, einer schnelleren Betriebsbereitschaft, insbesondere von kleiner als 3 Sekunden und einer geringeren benötigten Heizleistung, beispielsweise von 100 mW, führen. Durch eine Verwendung des Opferschichtmaterials in dem Verfahren zur Herstellung des Festkörperelektrolyt-Sensorelements können grundsätzlich mehrere oder alle Schritte des Verfahrens auf einem massiven Material erfolgen, bevor die Festkörperelektrolytschicht freigestellt wird. Hierdurch kann insbesondere ein vorzeitiger Membranbruch durch mechanische Belastungen während des Verfahrens zur Herstellung verhindert werden. Zusätzlich kann es von Vorteil sein, die Oberfläche des Festkörperelektrolyt-Sensorelements auf mehrere, parallelgeschaltete und kleinflächige Membranen aufzuteilen. So kann insbesondere eine Druckfestigkeit in einem Sensorbetrieb deutlich erhöht werden. Insbesondere kann bei einer identischen Membrandicke die Druckfestigkeit bei einer vierfachen Verringerung einer Membranfläche die Druckfestigkeit um das Achtfache erhöht werden. The proposed method has numerous advantages over known methods. Average dimensions of the solid electrolyte sensor element can be basically reduced. For example, average dimensions of a thick-film sensor element may be in the range of 5 mm × 5 mm × 2 mm. By the method according to the invention, the average dimensions of the solid electrolyte sensor element, for example, at 1mm × 2mm × 1 mm lie. This can in particular lead to a reduced installation space, a faster operational readiness, in particular of less than 3 seconds and a lower required heating power, for example of 100 mW. By using the sacrificial layer material in the method for producing the solid electrolyte sensor element, in principle, several or all steps of the method can be carried out on a solid material before the solid electrolyte layer is released. In this way, in particular premature membrane rupture can be prevented by mechanical loads during the production process. In addition, it may be advantageous to divide the surface of the solid electrolyte sensor element into a plurality of parallel connected and small-area membranes. In particular, a pressure resistance in a sensor operation can be significantly increased. In particular, with an identical membrane thickness, the compressive strength can be increased eightfold with a fourfold reduction in a membrane area.

Das Festkörperelektrolyt-Sensorelement kann grundsätzlich wie folgt hergestellt werden: Das Substrat kann insbesondere Silizium umfassen, da für dieses Material grundsätzlich eine Fülle an Strukturierungs- und Abscheideprozessen zur Verfügung steht, welche für eine Erzeugung des Schichtaufbaus vorteilhaft sind. Des Weiteren weist Silizium grundsätzlich eine hohe Temperaturstabilität (Erweichungstemperatur 1200 °C) auf, welche üblicherweise für einen Einsatz im Bereich der Abgassensorik erforderlich sind. In die Oberfläche des Substrats kann anschließend die Kaverne strukturiert werden, welche eine Vertiefung in einem Bereich der später aktiven Sensorfläche aufweist, sowie je nach Anforderung die Ätzkanäle, die einen Zugang für das Opferschichtmaterial sowie den später notwendigen Druckausgleichskanal für das gepumpte O-Referenzvolumen darstellen. Die Kaverne kann anschließend mit dem Opferschichtmaterial beispielsweise über einen Depositionsprozess ausgefüllt werden. Als Opferschichtmaterial können bevorzugt Siliziumdioxid, aber alternativ auch Siliziumgermanium, oder Siliziumnitrid in Frage kommen. Diese Materialien lassen sich grundsätzlich nasschemisch und/ oder trockenchemisch entfernen. Das Opferschichtmaterial kann einem topologischen Verlauf der Kaverne folgen. Daher kann im Anschluss ein chemisch-mechanisches Polierverfahren durchgeführt werden, bei dem das Opferschichtmaterial bis zu einem Niveau der ursprünglichen Oberfläche des Substrats zurückpoliert wird. Auf die polierte Oberfläche kann das Aufbringen der ersten Schicht des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials, insbesondere einer gasdurchlässigen, porösen Platinschicht, der Festkörperelektrolytschicht sowie der zweiten Schicht des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials, erfolgen. Die Schichten können bereits strukturiert abgeschieden werden, beispielsweise über einen Schattenmaskenprozess. Die Schichten können nachträglich über lithografische Verfahren und anschließende Ätzprozesse, insbesondere Ionenstrahlätzen, strukturiert werden. Die Strukturierung kann so erfolgen, dass ein kleiner Teil der hervorstehenden Ätzkanäle sowie ein Teil der ersten Schicht des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials zu einer besseren späteren Kontaktierung freiliegt. Die zweite Schicht des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials kann so strukturiert werden, dass diese die Heizerstruktur und den Sensorkontakt bereitstellt. In principle, the solid-state electrolyte sensor element can be produced as follows: The substrate can in particular comprise silicon, since a wealth of structuring and deposition processes are available for this material, which are advantageous for producing the layer structure. Furthermore, silicon generally has a high temperature stability (softening temperature 1200 ° C.), which are usually required for use in the area of the exhaust gas sensor system. In the surface of the substrate, the cavern can then be structured, which has a depression in a region of the later active sensor surface, and depending on the requirement, the etching channels, which provide access for the sacrificial layer material and the later required pressure equalization channel for the pumped O reference volume. The cavern can then be filled with the sacrificial layer material, for example via a deposition process. Silica, but alternatively also silicon germanium or silicon nitride may be considered as sacrificial layer material. These materials can be removed basically wet-chemically and / or dry-chemically. The sacrificial layer material can follow a topological course of the cavern. Therefore, a chemical mechanical polishing process may then be performed in which the sacrificial layer material is polished back to a level of the original surface of the substrate. On the polished surface, the application of the first layer of the porous, electrically conductive electrode material, in particular a gas-permeable, porous platinum layer, the solid electrolyte layer and the second layer of the porous, electrically conductive electrode material, take place. The layers can already be deposited in a structured manner, for example via a shadow mask process. The layers can be subsequently structured by lithographic processes and subsequent etching processes, in particular ion beam etching. The structuring can be carried out such that a small part of the projecting etching channels as well as a part of the first layer of the porous, electrically conductive electrode material are exposed for a better subsequent contacting. The second layer of the porous, electrically conductive electrode material may be patterned to provide the heater structure and the sensor contact.

Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn bei dem Schichtaufbau die zweite Schicht des mindestens einen porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials in einer lateralen Ausdehnung nicht über eine laterale Ausdehnung der Kaverne herausreicht. Ein Überlapp zwischen der zweiten Schicht und dem Halbleitersubstrat kann in dem Sensorbetrieb, insbesondere in einem gepumpten Sensorbetrieb, des Sensorelements dazu führen, dass Sauerstoff bis zu einer Grenzfläche zwischen der ersten Schicht des mindestens einen porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials und dem Halbleitersubstrat gepumpt wird und zu einem Abplatzen des Schichtaufbaus führt. In particular, it may be advantageous if, in the layer structure, the second layer of the at least one porous, electrically conductive electrode material in a lateral extent does not extend beyond a lateral extent of the cavity. In the sensor operation, in particular in a pumped sensor operation, an overlap between the second layer and the semiconductor substrate may cause the sensor element to be pumped and pumped to an interface between the first layer of the at least one porous, electrically conductive electrode material and the semiconductor substrate a flaking of the layer structure leads.

Es kann weiterhin vorteilhaft sein, zunächst die erste Schicht des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials zu strukturieren und anschließend die Festkörperelektrolytschicht und die zweite Schicht des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials abzuscheiden. Dadurch kann die Festkörperelektrolytschicht insbesondere über die Kaverne hinaus reichen und eine mechanische Stabilität der Festkörperelektrolytschicht erhöhen. Das Opferschichtmaterial kann durch den Ätzkanal entfernt werden und eine Kavität unter dem Schichtaufbau bilden. Der Ätzkanal kann beispielsweise in dem Halbleitersubstrat an der Grenzfläche zur ersten Schicht des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials gebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Ätzkanal ein Loch in dem Schichtaufbau darstellen. Insbesondere um eine Anforderung an die Druckfestigkeit der Festkörperelektrolytschicht zu erfüllen, können Kontakte auf den Festkörperelektrolytschichten in einer obersten Ebene des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials miteinander verbunden sein. It may also be advantageous to first pattern the first layer of the porous, electrically conductive electrode material and then to deposit the solid electrolyte layer and the second layer of the porous, electrically conductive electrode material. As a result, the solid-state electrolyte layer can extend beyond the cavern, in particular, and increase mechanical stability of the solid-state electrolyte layer. The sacrificial layer material can be removed through the etch channel and form a cavity below the layer structure. The etching channel may be formed, for example, in the semiconductor substrate at the interface with the first layer of the porous, electrically conductive electrode material. Alternatively or additionally, the etching channel may constitute a hole in the layer structure. In particular, in order to meet a requirement for the compressive strength of the solid electrolyte layer, contacts on the solid electrolyte layers may be interconnected in a topmost plane of the porous, electrically conductive electrode material.

In einer Ausführungsform kann die zweite Schicht des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials zu einer Kontaktierung des Sensorelements verwendet werden. Anschließend kann, durch eine Isolationsschicht getrennt, eine weitere Schicht eines porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials für eine Heizerstruktur aufgebracht werden. Ein Vorteil kann darin liegen, dass für die Kontaktierung des Sensorelements und für die Heizstruktur jeweils gute morphologische und/oder elektrische Eigenschaften der Schichten des porösen, elektrisch leitfähigen Materials erreicht und verwendet werden können. In one embodiment, the second layer of the porous, electrically conductive electrode material may be used to contact the sensor element. Subsequently, separated by an insulating layer, a further layer of a porous, electrically conductive electrode material for a heater structure can be applied. One advantage may be that for the contacting of the sensor element and for the heating structure each good morphological and / or electrical properties of the layers of the porous, electrically conductive material can be achieved and used.

Kurze Beschreibung der Figuren Brief description of the figures

Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Further optional details and features of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments, which are shown schematically in the figures.

Es zeigen: Show it:

1.1.1 bis 1.7.2 eine Darstellung von Verfahrensschritten eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das Halbleitersubstrat in Schnittdarstellung (1.1.1, 1.2.1, 1.3.1, 1.4.1, 1.5.1, 1.6.1, 1.7.1) und in Draufsicht (1.1.2, 1.2.2, 1.3.2, 1.4.2, 1.5.2, 1.6.2, 1.7.2) gezeigt ist; 1.1.1 to 1.7.2 2 is a representation of method steps of a first exemplary embodiment of a method according to the invention, wherein the semiconductor substrate is shown in a sectional view (FIG. 1.1.1 . 1.2.1 . 1.3.1 . 1.4.1 . 1.5.1 . 1.6.1 . 1.7.1 ) and in plan view ( 1.1.2 . 1.2.2 . 1.3.2 . 1.4.2 . 1.5.2 . 1.6.2 . 1.7.2 ) is shown;

2.1 bis 2.8 eine Darstellung von Verfahrensschritten eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das Halbleitersubstrat in Schnittdarstellung gezeigt ist; 2.1 to 2.8 a representation of method steps of a second embodiment of a method according to the invention, wherein the semiconductor substrate is shown in sectional view;

3.1 bis 3.10 eine Darstellung von Verfahrensschritten eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das Halbleitersubstrat in Schnittdarstellung gezeigt ist; 3.1 to 3.10 a representation of method steps of a third embodiment of a method according to the invention, wherein the semiconductor substrate is shown in sectional view;

4.1 bis 4.2 eine Darstellung von Teilschritten eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das Halbleitersubstrat in Schnittdarstellung gezeigt ist; 4.1 to 4.2 a representation of substeps of another embodiment of a method according to the invention, wherein the semiconductor substrate is shown in sectional view;

5 Darstellung eines Teilschritts eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das Halbleitersubstrat in Schnittdarstellung gezeigt ist; 5 Representation of a substep of a further embodiment of a method according to the invention, wherein the semiconductor substrate is shown in sectional view;

6.1 bis 6.2 Teilschritte eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das Halbleitersubstrat in Schnittdarstellung gezeigt ist; und 6.1 to 6.2 Partial steps of a further embodiment of a method according to the invention, wherein the semiconductor substrate is shown in sectional view; and

7a und 7b Darstellungen von zwei Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen Festkörperelektrolyt-Sensorelements in Draufsicht. 7a and 7b Representations of two embodiments of a solid state electrolyte sensor element according to the invention in plan view.

Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention

Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Verfahren gezeigt. Diese Ausführungsbeispiele sind getrennt voneinander realisierbar, sind jedoch, wie der Fachmann erkennen wird, auch ganz oder in Teilen miteinander kombinierbar. Various exemplary embodiments of methods according to the invention are shown below. These exemplary embodiments can be implemented separately from one another, but, as the person skilled in the art will recognize, they can also be combined with one another in whole or in part.

Die 1.1.1 bis 1.7.2 zeigen ein exemplarisches erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung mindestens eines Festkörperelektrolyt-Sensorelements 110. Dabei sind die Teilschritte des Verfahrens jeweils so dargestellt, dass das jeweilige Produkt oder Zwischenprodukt, enthaltend ein Halbleitersubstrat 112, jeweils in Schnittdarstellung (1.1.1, 1.2.1, 1.3.1, 1.4.1, 1.5.1, 1.6.1, 1.7.1) und in Draufsicht (1.1.2, 1.2.2, 1.3.2, 1.4.2, 1.5.2, 1.6.2, 1.7.2) gezeigt ist. The 1.1.1 to 1.7.2 show an exemplary first embodiment of a method according to the invention for producing at least one solid electrolyte sensor element 110 , The sub-steps of the method are each illustrated so that the respective product or intermediate product containing a semiconductor substrate 112 , in each case in sectional representation ( 1.1.1 . 1.2.1 . 1.3.1 . 1.4.1 . 1.5.1 . 1.6.1 . 1.7.1 ) and in plan view ( 1.1.2 . 1.2.2 . 1.3.2 . 1.4.2 . 1.5.2 . 1.6.2 . 1.7.2 ) is shown.

In einem Schritt a) wird zunächst mindestens das Halbleitersubstrat 112 bereitgestellt. Dies ist in den 1.1.1 und 1.1.2 dargestellt. Das Halbleitersubstrat 112 kann insbesondere ganz oder teilweise aus Silizium bestehen. Das Halbleitersubstrat 112 kann beispielsweise eine quaderförmige, scheibenförmige oder plattenförmige Grundform aufweisen. Auch andere Ausführungsformen sind grundsätzlich denkbar. In a step a), first at least the semiconductor substrate 112 provided. This is in the 1.1.1 and 1.1.2 shown. The semiconductor substrate 112 may in particular consist entirely or partially of silicon. The semiconductor substrate 112 may for example have a cuboid, disc-shaped or plate-shaped basic shape. Other embodiments are conceivable in principle.

Anschließend wird in einem Schritt b) mindestens eine Kaverne 114 in mindestens einer Oberfläche 116 des Halbleitersubstrats 112 ausgebildet. Dies ist in den 1.2.1 und 1.2.2 gezeigt. Die Kaverne 114 kann eine quaderförmige Grundform aufweisen und in das Halbleitersubstrat 112 hineinragen. Das Ausbilden kann durch einen Ätzprozess, beispielsweise durch reaktives Ionenätzen, erfolgen. Das Verfahren kann weiterhin ein Ausbilden mindestens eines Ätzkanals 118 umfassen. Der Ätzkanal 118 kann eine längliche Form aufweisen und auf der Oberfläche 116 des Halbleitersubstrats 112 ausgebildet sein. Die Kaverne 114 und eine Umgebung des Halbleitersubstrats 112 können über den Ätzkanal 118 miteinander verbunden sein. Subsequently, in a step b) at least one cavern 114 in at least one surface 116 of the semiconductor substrate 112 educated. This is in the 1.2.1 and 1.2.2 shown. The cavern 114 may have a cuboid basic shape and in the semiconductor substrate 112 protrude. The formation can be carried out by an etching process, for example by reactive ion etching. The method may further include forming at least one etch channel 118 include. The etching channel 118 may have an elongated shape and on the surface 116 of the semiconductor substrate 112 be educated. The cavern 114 and an environment of the semiconductor substrate 112 can over the etching channel 118 be connected to each other.

Anschließend wird in einem Schritt c) die Kaverne 114 zumindest teilweise mit mindestens einem Opferschichtmaterial 120 aufgefüllt. Dies ist in den 1.3.1 und 1.3.2 dargestellt. Das Opferschichtmaterial 120 kann mindestens ein Material umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Oxid, insbesondere einem Siliziumoxid; einem Halbleitermaterial, insbesondere einem Mischhalbleitermaterial, insbesondere Siliziumgermanium; einem Nitrid, insbesondere Siliziumnitrid. Das Opferschichtmaterial 120 kann eingerichtet sein, um Teile des Halbleitersubstrats 112, insbesondere die Kaverne 114, zu bedecken. Subsequently, in a step c), the cavern 114 at least partially with at least one sacrificial layer material 120 refilled. This is in the 1.3.1 and 1.3.2 shown. The sacrificial layer material 120 may comprise at least one material selected from the group consisting of: an oxide, in particular a silicon oxide; a semiconductor material, in particular a mixed semiconductor material, in particular silicon germanium; a nitride, in particular silicon nitride. The sacrificial layer material 120 may be arranged to parts of the semiconductor substrate 112 , especially the cavern 114 to cover.

1.4.1 bis 1.7.2 zeigen einem Schritt d) des erfindungsgemäßen Verfahrens, in welchem mindestens ein Schichtaufbau 122 des Festkörperelektrolyt-Sensorelements 110, wie in den 1.7.1 und 1.7.2 dargestellt, auf das Opferschichtmaterial 120 aufgebracht wird. Der Schritt d) kann derart durchgeführt werden, dass der Schichtaufbau 122 das Opferschichtmaterial 120 lediglich unvollständig bedeckt und der Ätzkanal 118 mindestens einen unbedeckten Bereich des Opferschichtmaterials 120 umfasst. Der Schichtaufbau 122 umfasst mindestens eine Schicht eines elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials 124 und mindestens eine Festkörperelektrolytschicht 126. Mindestens eine Schicht des Schichtaufbaus 122 kann durch eine strukturierte Abscheidung erfolgen. Die strukturierte Abscheidung kann beispielsweise mindestens einen Schattenmaskenprozess umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens eine Schicht des Schichtaufbaus 122 nach dem Aufbringen strukturiert werden. Das Strukturieren kann beispielsweise mindestens einen lithografischen Prozess umfassen. Auch andere Verfahren sind grundsätzlich denkbar. 1.4.1 to 1.7.2 show a step d) of the method according to the invention, in which at least one layer structure 122 of the solid electrolyte sensor element 110 as in the 1.7.1 and 1.7.2 shown on the sacrificial layer material 120 is applied. The step d) can be carried out such that the layer structure 122 the sacrificial layer material 120 only incompletely covered and the etching channel 118 at least one uncovered area of the sacrificial layer material 120 includes. The layer structure 122 comprises at least one layer of an electrically conductive electrode material 124 and at least one solid electrolyte layer 126 , At least one layer of the layer structure 122 can be done by a structured deposition. For example, the structured deposition may include at least one shadow mask process. Alternatively or additionally, at least one layer of the layer structure 122 be structured after application. The patterning may include, for example, at least one lithographic process. Other methods are conceivable in principle.

In dem Schritt d) kann das Verfahren folgende Teilschritte umfassen. In einem ersten Teilschritt d1) kann eine erste Schicht 128 des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials auf der Oberfläche 116 des Halbleitersubstrats 112 aufgebracht werden. Dies ist in den 1.4.1 und 1.4.2 dargestellt. Die erste Schicht 128 kann die Kaverne 114 ganz oder teilweise bedecken. Die erste Schicht 128 kann auf einer der Kaverne 114 zugewandten Seite des Schichtaufbaus 122 angeordnet sein. In step d), the method may comprise the following substeps. In a first partial step d1), a first layer 128 of the porous, electrically conductive electrode material on the surface 116 of the semiconductor substrate 112 be applied. This is in the 1.4.1 and 1.4.2 shown. The first shift 128 can the cavern 114 cover in whole or in part. The first shift 128 can on one of the cavern 114 facing side of the layer structure 122 be arranged.

Das poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenmaterial kann mindestens eine Keramikmetallverbindung, insbesondere Verbundwerkstoffe aus keramischen Werkstoffen mit einer metallischen Matrix, umfassen. Das poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenmaterial kann mindestens ein Metall aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Platin; Palladium; eine Legierung. Das poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenmaterial kann weiterhin insbesondere mindestens ein keramisches Material aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid. The porous, electrically conductive electrode material may comprise at least one ceramic metal compound, in particular composite materials of ceramic materials with a metallic matrix. The porous electrically conductive electrode material may comprise at least one metal selected from the group consisting of: platinum; Palladium; an alloy. The porous, electrically conductive electrode material can furthermore in particular comprise at least one ceramic material selected from the group consisting of: aluminum oxide, zirconium dioxide.

In einem zweiten Teilschritt d2) kann die Festkörperelektrolytschicht 126 auf der ersten Schicht 128 aufgebracht werden. Dies ist in den 1.5.1 und 1.5.2 gezeigt. Die Festkörperelektrolytschicht 126 kann die erste Schicht 128 zumindest teilweise bedecken. Die Festkörperelektrolytschicht kann mindestens ein Material umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumoxid; Scandium-dotiertes Zirkoniumoxid. In a second partial step d2), the solid electrolyte layer 126 on the first layer 128 be applied. This is in the 1.5.1 and 1.5.2 shown. The solid electrolyte layer 126 can be the first layer 128 at least partially cover. The solid state electrolyte layer may comprise at least one material selected from the group consisting of: yttria-stabilized zirconia; Scandium-doped zirconia.

In einem dritten Teilschritt d3) kann eine zweite Schicht 130 des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials auf der Festkörperelektrolytschicht 126 aufgebracht werden. Dies ist in den 1.6.1 und 1.6.2 dargestellt. Die zweite Schicht 130 kann die Festkörperelektrolytschicht 126 zumindest teilweise bedecken. Die Festkörperelektrolytschicht 126 kann zwischen der ersten Schicht 128 und der zweiten Schicht 130 angeordnet sein. In a third sub-step d3), a second layer 130 of the porous, electrically conductive electrode material on the solid electrolyte layer 126 be applied. This is in the 1.6.1 and 1.6.2 shown. The second layer 130 can the solid electrolyte layer 126 at least partially cover. The solid electrolyte layer 126 can be between the first layer 128 and the second layer 130 be arranged.

In den 1.7.1 und 1.7.2 wird ein nächster Schritt e) gezeigt, in welchem das Opferschichtmaterial 120 zumindest teilweise entfernt wird. Die Kaverne 114 wird zumindest teilweise wieder freigelegt, so dass die Kaverne 114 zumindest teilweise von dem Schichtaufbau 122 abgedeckt ist. In diesem Ausführungsbeispiel kann das Opferschichtmaterial 120 durch den Ätzkanal 118 hindurch aus der Kaverne 114 entfernt werden. Schritt e) kann beispielsweise mindestens einen Ätzprozess umfassen. Der Ätzprozess kann insbesondere einen isotropen Ätzprozess umfassen. Der Ätzprozess kann mindestens einen Prozess umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem nasschemischen Ätzprozess, einem trockenchemischen Ätzprozess, einem reaktiven Ionenätzen. In the 1.7.1 and 1.7.2 a next step e) is shown, in which the sacrificial layer material 120 at least partially removed. The cavern 114 is at least partially re-exposed, so that the cavern 114 at least partially of the layer structure 122 is covered. In this embodiment, the sacrificial layer material 120 through the etching channel 118 through the cavern 114 be removed. Step e) may comprise, for example, at least one etching process. The etching process may in particular comprise an isotropic etching process. The etching process may include at least one process selected from the group consisting of: a wet chemical etching process, a dry chemical etching process, a reactive ion etching.

Die 2.1 bis 2.8 zeigen Teilschritte eines zweiten exemplarischen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren entspricht in weiten Teilen dem Verfahren gemäß der 1.1.1 bis 1.7.2, so dass weitgehend auf die Beschreibung der 1.1.1 bis 1.7.2 oben verwiesen werden kann. Das Halbleitersubstrat 112 ist dabei jeweils in einer Schnittdarstellung gezeigt, auf eine Draufsicht wurde verzichtet. The 2.1 to 2.8 show sub-steps of a second exemplary embodiment of a method according to the invention. The method corresponds in many parts to the method according to the 1.1.1 to 1.7.2 , so largely on the description of the 1.1.1 to 1.7.2 can be referred to above. The semiconductor substrate 112 is in each case shown in a sectional view, on a plan view has been omitted.

Die dargestellten Teilschritte in den 2.1 bis 2.3 umfassen die Teilschritte a), b) und c) und entsprechen den 1.1.1 bis 1.3.2, so dass insbesondere auf die Beschreibung der 1.1.1 bis 1.3.2 oben verwiesen werden kann. The illustrated sub-steps in the 2.1 to 2.3 comprise the sub-steps a), b) and c) and correspond to the 1.1.1 to 1.3.2 , so in particular to the description of the 1.1.1 to 1.3.2 can be referred to above.

Das Verfahren kann vor Durchführung des Schritts d) ein Entfernen von überschüssigem Opferschichtmaterial umfassen. Dies ist in 2.4 dargestellt. Das Entfernen kann derart erfolgen, dass das Halbleitersubstrat 112 und das in der Kaverne 114 und/oder in dem Ätzkanal 118 befindliche Opferschichtmaterial 120 eine gemeinsame ebene Oberfläche 116 bilden, auf welche der Schichtaufbau 122 aufgebracht werden kann. Das Entfernen des überschüssigen Opferschichtmaterials 120 kann mindestens einen Prozess umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem chemisch-mechanischen Polierverfahren, einem nasschemischen Ätzprozess, einem trockenchemischen Ätzprozess, einem Ionenätzen. Auch andere Verfahren sind grundsätzlich denkbar. The method may include removing excess sacrificial layer material prior to performing step d). This is in 2.4 shown. The removal can take place such that the semiconductor substrate 112 and that in the cavern 114 and / or in the etch channel 118 located sacrificial layer material 120 a common flat surface 116 form, on which the layer structure 122 can be applied. The removal of the excess sacrificial layer material 120 may comprise at least one process selected from the group consisting of: a chemical mechanical polishing process, a wet chemical etching process, a dry chemical etching process, an ion etching. Other methods are conceivable in principle.

Die dargestellten Teilschritte in den 2.5 bis 2.8 umfassen die Teilschritte d), insbesondere d1), d2) und d3), sowie e) und entsprechen den Darstellungen in den 1.4.1 bis 1.4.2, so dass insbesondere auf die Beschreibung der 1.4.1 bis 1.7.2 oben verwiesen werden kann. The illustrated sub-steps in the 2.5 to 2.8 include sub-steps d), in particular d1), d2) and d3), and e) and correspond to the representations in the 1.4.1 to 1.4.2 , so that in particular to the description of the 1.4.1 to 1.7.2 can be referred to above.

3.1 bis 3.2 zeigen Teilschritte eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren entspricht in weiten Teilen den Verfahren gemäß der 2.1 bis 2.8, so dass weitgehend auf die Beschreibung der 2.1 bis 2.8 oben verwiesen werden kann. 3.1 to 3.2 show partial steps of a further embodiment of a method according to the invention. The process largely corresponds to the process according to the 2.1 to 2.8 , so largely on the description of the 2.1 to 2.8 can be referred to above.

Die dargestellten Teilschritte in den 3.1 bis 3.7 umfassen zunächst die Teilschritte a), b) und c) sowie nach Durchführen des Teilschritts c) das Entfernen des überschlüssigen Opferschichtmaterials. Die 3.1. bis 3.7 entsprechen daher den 2.1 bis 2.7, so dass insbesondere auf die Beschreibung der 2.1 bis 2.7 oben verwiesen werden kann. The illustrated sub-steps in the 3.1 to 3.7 include first the sub-steps a), b) and c) and after performing the sub-step c) the removal of the oversensitive sacrificial layer material. The 3.1 , to 3.7 therefore correspond to the 2.1 to 2.7 , so in particular to the description of the 2.1 to 2.7 can be referred to above.

Schritt d) kann weiterhin ein Aufbringen mindestens eines Heizelements 132 umfassen. Dies ist in 3.8 dargestellt. Insbesondere kann Schritt d) ein Aufbringen mindestens einer Heizerisolationsschicht 134 umfassen. Die Heizerisolationsschicht 134 kann zumindest teilweise eine weitere Schicht des Schichtaufbaus 122 bedecken. Die Heizerisolationsschicht 134 kann insbesondere aus Siliziumnitrid hergestellt sein. Auch andere Materialien sind denkbar. Step d) may further include applying at least one heating element 132 include. This is in 3.8 shown. In particular, step d) may include applying at least one heater insulation layer 134 include. The heater insulation layer 134 may at least partially another layer of the layer structure 122 cover. The heater insulation layer 134 may in particular be made of silicon nitride. Other materials are conceivable.

Die Heizerisolationsschicht 134 kann durch eine strukturierte Abscheidung, beispielsweise durch einen Schattenmaskenprozess, erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann die Heizerisolationsschicht 134 nach dem Aufbringen strukturiert werden, beispielsweise durch mindestens einen lithographischen Prozess. The heater insulation layer 134 can be done by a structured deposition, for example by a shadow mask process. Alternatively or additionally, the heater insulation layer 134 after application, for example by at least one lithographic process.

Auf die Heizerisolationsschicht 134 kann eine dritte Schicht 135 eines porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials aufgebracht werden. Dies ist in 3.9 dargestellt. On the heater insulation layer 134 can a third layer 135 a porous, electrically conductive electrode material can be applied. This is in 3.9 shown.

In 3.10 ist das Entfernen des überschüssigen Opferschichtmaterials gezeigt. 3.10 entspricht in weiten Teilen der 2.8, so dass weitgehend auf die Beschreibung der 2.8 oben verwiesen werden kann. In 3.10 the removal of the excess sacrificial layer material is shown. 3.10 corresponds in many parts of the 2.8 , so largely on the description of the 2.8 can be referred to above.

4.1 und 4.2 zeigen eine Darstellung von Teilschritten eines weitern Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Halbleitersubstrat 112 ist in Schnittdarstellung gezeigt. Die Teilschritte können zusätzliche Teilschritte der erfindungsgemäßen Verfahren gemäß der 1.1.1 bis 1.7.2, 2.1 bis 2.8 oder 3.1 bis 3.10 darstellen oder auch anstelle von dargestellten Teilschritten der 1.1.1 bis 1.7.2, 2.1 bis 2.8 oder 3.1 bis 3.10 treten. 4.1 and 4.2 show a representation of substeps of a further embodiment of a method according to the invention. The semiconductor substrate 112 is shown in section. The sub-steps can be additional sub-steps of the inventive method according to the 1.1.1 to 1.7.2 . 2.1 to 2.8 or 3.1 to 3.10 represent or instead of illustrated sub-steps of 1.1.1 to 1.7.2 . 2.1 to 2.8 or 3.1 to 3.10 to step.

In 4.1 wird ein Halbleitersubstrat 112 bereitgestellt. Zwischen dem Halbleitersubstrat 112 kann mindestens eine Ätzstoppschicht 136 eingebracht werden. Die Ätzstoppschicht 136 kann beispielsweise Siliziumdioxid umfassen. Das Material kann insbesondere chemisch verschieden zu dem Opferschichtmaterial 120 sein. Die Ätzstoppschicht 136 kann vorzugsweise in einem separaten Prozess auf das Halbleitersubstrat 112 aufgebracht werden. Die Ätzstoppschicht 136 kann insbesondere als Barriere während des Ausbildens der Kaverne 114 eingerichtet sein. Dies ist in 4.2 dargestellt. Insbesondere kann die Ätzstoppschicht 136 eine Tiefe der Kaverne 114 steuern. In 4.1 becomes a semiconductor substrate 112 provided. Between the semiconductor substrate 112 may be at least one etch stop layer 136 be introduced. The etch stop layer 136 For example, it may comprise silicon dioxide. In particular, the material may be chemically different from the sacrificial layer material 120 be. The etch stop layer 136 may preferably be in a separate process on the semiconductor substrate 112 be applied. The etch stop layer 136 in particular as a barrier during the formation of the cavern 114 be furnished. This is in 4.2 shown. In particular, the etch stop layer 136 a depth of the cavern 114 Taxes.

In 5 ist ein Teilschritt eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Das Halbleitersubstrat 112 ist in Schnittdarstellung gezeigt. Der Teilschritt kann einen zusätzlichen Teilschritt der erfindungsgemäßen Verfahren gemäß der 1.1.1 bis 1.7.2, 2.1 bis 2.8 oder 3.1 bis 3.10 darstellen oder auch anstelle von dargestellten Teilschritten der 1.1.1 bis 1.7.2, 2.1 bis 2.8 oder 3.1 bis 3.10 treten. In 5 is a partial step of a further embodiment of a method according to the invention shown. The semiconductor substrate 112 is shown in section. The sub-step may be an additional sub-step of the inventive method according to the 1.1.1 to 1.7.2 . 2.1 to 2.8 or 3.1 to 3.10 represent or instead of illustrated sub-steps of 1.1.1 to 1.7.2 . 2.1 to 2.8 or 3.1 to 3.10 to step.

Der Teilschritt b) kann das Ausbilden mehrerer Kavernen 114 umfassen. Die Kavernen 114 können durch die Ätzstoppschicht 136 begrenzt sein. Zusätzlich können die Kavernen 114 innerhalb des Halbleitersubstrats 112 münden. Sub-step b) can be the formation of several caverns 114 include. The caverns 114 can through the etch stop layer 136 be limited. In addition, the caverns 114 within the semiconductor substrate 112 lead.

6.1 bis 6.2 zeigen Teilschritte eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Teilschritte können zusätzliche Teilschritte der erfindungsgemäßen Verfahren gemäß der 1.1.1 bis 1.7.2, 2.1 bis 2.8 oder 3.1 bis 3.10 oder auch anstelle von dargestellten Teilschritten der 1.1.1 bis 1.7.2, 2.1 bis 2.8 oder 3.1 bis 3.10 treten. 6.1 to 6.2 show partial steps of a further embodiment of the method according to the invention. The sub-steps can be additional sub-steps of the inventive method according to the 1.1.1 to 1.7.2 . 2.1 to 2.8 or 3.1 to 3.10 or instead of illustrated sub-steps of 1.1.1 to 1.7.2 . 2.1 to 2.8 or 3.1 to 3.10 to step.

Alternativ oder zusätzlich zu Schritt e) kann das Verfahren ein selektives Entfernen des Halbsubstrats 112 umfassen. Durch das selektives Entfernen des Halbleitersubstrats 112 kann eine Kavität, insbesondere eine Kaverne 114 unter dem Schichtaufbau 122 erzeugt werden. Das selektive Entfernen kann insbesondere einen selektiven Ätzprozess insbesondere in einem Chlorfluorid-Gas und/oder in einem Xenonfluorid-Gas, umfassen. Alternatively, or in addition to step e), the method may include selectively removing the half-substrate 112 include. By selectively removing the semiconductor substrate 112 may be a cavity, in particular a cavern 114 under the layer structure 122 be generated. The selective removal may in particular comprise a selective etching process, in particular in a chlorofluoride gas and / or in a xenon fluoride gas.

7a und 7b zeigen exemplarische Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Festkörperelektrolyt-Sensorelements 110 in Draufsicht. 7a and 7b show exemplary embodiments of a solid electrolyte sensor element according to the invention 110 in plan view.

Das Festkörperelektrolyt-Sensorelement 110 umfasst mindestens ein Halbleitersubstrat 112, mindestens eine in mindestens einer Oberfläche 116 des Halbleitersubstrats 112 ausgebildete Kaverne 114, mindestens einen in der Oberfläche 116 des Halbleitersubstrats 112 ausgebildeten Ätzkanal 118 und mindestens einen Schichtaufbau 122. Der Schichtaufbau 122 umfasst mindestens eine Schicht 124 eines elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials und mindestens eine Festkörperelektrolytschicht 126. Der Schichtaufbau 122 deckt die Kaverne 114 zumindest teilweise ab. The solid electrolyte sensor element 110 comprises at least one semiconductor substrate 112 , at least one in at least one surface 116 of Semiconductor substrate 112 trained cavern 114 , at least one in the surface 116 of the semiconductor substrate 112 trained etching channel 118 and at least one layer structure 122 , The layer structure 122 includes at least one layer 124 an electrically conductive electrode material and at least one solid electrolyte layer 126 , The layer structure 122 covers the cavern 114 at least partially off.

Das Festkörperelektrolyt-Sensorelement 110 in 7a kann zwei Schichtaufbauten aufweisen. Die Schichtaufbauten 122 können miteinander verbunden sein. Beispielsweise können die Schichtaufbauten 122 über die zweite Schicht 130 des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials miteinander verbunden sein. The solid electrolyte sensor element 110 in 7a can have two layer structures. The layer structures 122 can be connected to each other. For example, the layer structures 122 over the second layer 130 of the porous, electrically conductive electrode material to be interconnected.

In 7b können ein Teil der Ätzkanäle 118 sowie ein Teil der ersten Schicht 124 des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials des Festkörperelektrolyt-Sensorelements 110 freiliegen. Die zweite Schicht 1230 des porösen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials kann eingerichtet sein, um eine Heizerstruktur und einen Sensorkontakt bereitzustellen. In 7b can be part of the etching channels 118 and part of the first layer 124 of the porous, electrically conductive electrode material of the solid electrolyte sensor element 110 exposed. The second layer 1230 of the porous, electrically conductive electrode material may be configured to provide a heater structure and a sensor contact.

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Claims (11)

Verfahren zur Herstellung mindestens eines Festkörperelektrolyt-Sensorelements (110), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Bereitstellen mindestens eines Halbleitersubstrats (112); b) Ausbilden mindestens einer Kaverne (114) in mindestens einer Oberfläche (116) des Halbleitersubstrats (112); c) zumindest teilweises Auffüllen der Kaverne (114) mit mindestens einem Opferschichtmaterial (120); d) Aufbringen mindestens eines Schichtaufbaus (122) des Festkörperelektrolyt-Sensorelements (110) auf das Opferschichtmaterial (120), wobei der Schichtaufbau (122) mindestens eine Schicht (124) eines elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials und mindestens eine Festkörperelektrolytschicht (126) umfasst, e) zumindest teilweises Entfernen des Opferschichtmaterials (120), wobei die Kaverne (114) zumindest teilweise wieder freigelegt wird, so dass die Kaverne (114) zumindest teilweise von dem Schichtaufbau (122) abgedeckt ist. Method for producing at least one solid electrolyte sensor element ( 110 ), the method comprising the following steps: a) providing at least one semiconductor substrate ( 112 ); b) forming at least one cavern ( 114 ) in at least one surface ( 116 ) of the semiconductor substrate ( 112 ); c) at least partial filling of the cavern ( 114 ) with at least one sacrificial layer material ( 120 ); d) applying at least one layer structure ( 122 ) of the solid electrolyte sensor element ( 110 ) on the sacrificial layer material ( 120 ), the layer structure ( 122 ) at least one layer ( 124 ) of an electrically conductive electrode material and at least one solid electrolyte layer ( 126 e) at least partially removing the sacrificial layer material ( 120 ), whereby the cavern ( 114 ) is at least partially exposed again, so that the cavern ( 114 ) at least partially of the layer structure ( 122 ) is covered. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Verfahren weiterhin ein Ausbilden mindestens eines Ätzkanals (118) umfasst, wobei die Kaverne (114) und eine Umgebung des Halbleitersubstrats (112) über den Ätzkanal (118) miteinander verbunden sind. Method according to the preceding claim, wherein the method further comprises forming at least one etching channel ( 118 ), the cavern ( 114 ) and an environment of the semiconductor substrate ( 112 ) over the etch channel ( 118 ) are interconnected. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei in Schritt e) das Opferschichtmaterial (120) durch den Ätzkanal (118) hindurch aus der Kaverne (114) entfernt wird. Method according to the preceding claim, wherein in step e) the sacrificial layer material ( 120 ) through the etching channel ( 118 ) through the cavern ( 114 ) Will get removed. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei Schritt d) derart durchgeführt wird, dass der Schichtaufbau (122) das Opferschichtmaterial (120) lediglich unvollständig bedeckt, wobei der Ätzkanal (118) mindestens einen unbedeckten Bereich des Opferschichtmaterials (120) umfasst. Method according to one of the two preceding claims, wherein step d) is carried out such that the layer structure ( 122 ) the sacrificial layer material ( 120 ) is incompletely covered, the etch channel ( 118 ) at least one uncovered area of the sacrificial layer material ( 120 ). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Schritt e) mindestens einen Ätzprozess umfasst.  Method according to one of the preceding claims, wherein step e) comprises at least one etching process. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Ätzprozess einen isotropen Ätzprozess umfasst. Method according to the preceding claim, wherein the etching process comprises an isotropic etching process. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schichtaufbau (122) mindestens eine Sensorzelle bildet, wobei die Sensorzelle mindestens eine erste Schicht (128) mindestens eines porösen, elektrisch leitfähigen Materials aufweist, wobei die Sensorzelle weiterhin mindestens eine zweite Schicht (130) mindestens eines porösen, elektrisch leitfähigen Materials aufweist, wobei der Schichtaufbau (122) weiterhin mindestens eine Festkörperelektrolytschicht (126) aufweist, wobei die erste Schicht (128) des mindestens einen porösen, elektrisch leitfähigen Materials und die zweite Schicht (130) des mindestens einen porösen, elektrisch leitfähigen Materials über die Festkörperelektrolytschicht (126) miteinander verbunden sind. Method according to one of the preceding claims, wherein the layer structure ( 122 ) forms at least one sensor cell, wherein the sensor cell at least a first layer ( 128 ) of at least one porous, electrically conductive material, wherein the sensor cell further comprises at least one second layer ( 130 ) comprises at least one porous, electrically conductive material, wherein the layer structure ( 122 ) at least one solid electrolyte layer ( 126 ), wherein the first layer ( 128 ) of the at least one porous, electrically conductive material and the second layer ( 130 ) of the at least one porous, electrically conductive material via the solid electrolyte layer ( 126 ) are interconnected. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Schritt d) folgende Teilschritte umfasst: d1) Aufbringen mindestens einer ersten Schicht (128) eines porösen, elektrisch leitfähigen Materials auf der Oberfläche (116) des Halbleitersubstrats (112), wobei die erste Schicht (128) die Kaverne (114) ganz oder teilweise bedeckt; d2) Aufbringen mindestens einer Festkörperelektrolytschicht (126) auf der ersten Schicht (128), wobei die Festkörperelektrolytschicht (126) die erste Schicht (128) zumindest teilweise bedeckt; d3) Aufbringen mindestens einer zweiten Schicht (130) eines porösen, elektrisch leitfähigen Materials auf der Festkörperelektrolytschicht (126), wobei die zweite Schicht (130) die Festkörperelektrolytschicht (126) zumindest teilweise bedeckt. Method according to one of the preceding claims, wherein step d) comprises the following substeps: d1) applying at least one first layer ( 128 ) of a porous, electrically conductive material on the surface ( 116 ) of the semiconductor substrate ( 112 ), the first layer ( 128 ) the cavern ( 114 ) completely or partially covered; d2) applying at least one solid electrolyte layer ( 126 ) on the first layer ( 128 ), wherein the solid electrolyte layer ( 126 ) the first layer ( 128 ) at least partially covered; d3) applying at least one second layer ( 130 ) of a porous, electrically conductive material on the solid electrolyte layer ( 126 ), the second layer ( 130 ) the solid electrolyte layer ( 126 ) at least partially covered. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren vor Durchführung des Schritts d) ein Entfernen von überschüssigem Opferschichtmaterial (120) umfasst, derart, dass das Halbleitersubstrat (112) und das in der Kaverne (114) befindliche Opferschichtmaterial (120) eine gemeinsame ebene Oberfläche (116) bilden, auf welche der Schichtaufbau (122) aufgebracht wird. Method according to one of the preceding claims, wherein the method prior to performing step d) removal of excess sacrificial layer material ( 120 ), such that the semiconductor substrate ( 112 ) and in the cavern ( 114 ) sacrificial layer material ( 120 ) a common planar surface ( 116 ) to which the layer structure ( 122 ) is applied. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Schritt d) ein Aufbringen mindestens eines Heizelements (132) umfasst. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen das Halbleitersubstrat (112) und das Opferschichtmaterial (120) mindestens eine Ätzstoppschicht (136) eingebracht wird. Method according to one of the preceding claims, wherein step d) comprises applying at least one heating element ( 132 ). Method according to one of the preceding claims, wherein between the semiconductor substrate ( 112 ) and the sacrificial layer material ( 120 ) at least one etch stop layer ( 136 ) is introduced. Festkörperelektrolyt-Sensorelement (110), umfassend: I. mindestens ein Halbleitersubstrat (112); II. mindestens eine in mindestens einer Oberfläche (116) des Halbleitersubstrats (112) ausgebildete Kaverne (114); III. mindestens einen Schichtaufbau (122), wobei der Schichtaufbau (122) mindestens eine Schicht (124) eines elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterials und mindestens eine Festkörperelektrolytschicht (126) umfasst, wobei der Schichtaufbau (122) die Kaverne (114) zumindest teilweise abdeckt; wobei das Festkörperelektrolyt-Sensorelement (110) herstellbar ist nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Solid electrolyte sensor element ( 110 ), comprising: I. at least one semiconductor substrate ( 112 ); II. At least one in at least one surface ( 116 ) of the semiconductor substrate ( 112 ) trained cavern ( 114 ); III. at least one layer structure ( 122 ), the layer structure ( 122 ) at least one layer ( 124 ) of an electrically conductive electrode material and at least one solid electrolyte layer ( 126 ), the layer structure ( 122 ) the cavern ( 114 ) at least partially covers; wherein the solid electrolyte sensor element ( 110 ) can be produced by the method according to any one of the preceding claims.
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