Die Erfindung betrifft ein Dünnschichtanzündelement für pyrotechnische Wirkmassen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und Verfahren zu dessen Herstellung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11.
Aus der DE 42 22 223 C1 ist ein elektrisches Anzündmittel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt.
In herkömmlichen Anzündelementen wird eine dünne Drahtbrücke geringen Widerstandes (2Ω) durch einen Stromimpuls erhitzt und verdampft. Durch diesen rein thermischen Impuls wird dann die pyrotechnische Wirkmasse entzündet. In der DE 42 22. 223 C1 wird dabei eine Dünnschicht-Zündbrücke aus Titan, Titannitrid oder einer überwiegend Titan enthaltenden Legierung vorgeschlagen, da Titan oder Titannitrid aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit und ihres gegenüber herkömmlichen Zündbrückenmaterialien höheren elektrischen Widerstandes beim Schmelzen eine großflächige und gleichmäßige Erhitzung der pyrotechnischen Wirkmasse gewährleisten. Die dafür erforderliche Zündenergie ist jedoch sehr hoch, da Titan einen Schmelzpunkt über 1660° Celsius aufweist ; Titannitrid über 2900° Celsius und übliche Titanlegierungen liegen noch darüber.
Eine andere Variante unter Verwendung vorzugsweise des Halbleitermaterials Polysilizium, dessen Wirkungsprinzip ebenfalls thermischer Natur ist, wird in US 4,708,060 beschrieben. Hierbei wird der ab einer erhöhten Temperatur auftretende negative Temperaturkoeffizient des Widerstandsmaterials ausgenutzt. Dies führt im Zündmoment neben der Hitzeübertragung zur Bildung eines dünnen Plasmas und einem konvektiven Druckeffekt. Der Aufbau ist dabei vergleichbar mit einer Widerstandsbrücke.
Ein anderes Zündprinzip, beschrieben in US 5,080,016, basiert auf der Verwendung einer Metallhydridfolie. Auf dieser freitragenden Folie ist ein Kunststoffstreifen aufgebracht, der durch die thermische Zersetzung der Hydridschicht (Gasdruckentwicklung) infolge eines Spannungsimpulses zerteilt und Teile des Kunststoffstreifens (Flyer) beschleunigt werden und auf die in einigem Abstand angeordnete pyrotechnische Wirkmasse treffen, wobei diese durch die Druckwirkung (Schockwelle) des auftreffenden Kunststoffteils gezündet wird. Die zugeführte elektrische Energie wird somit zunächst in thermische Energie und Druck umgesetzt, was wiederum zu einer kinetischen Energie des Flyers führt, welche dieser beim Auftreffen auf die pyrotechnische Wirkmasse in Druck und Wärme umsetzt. Durch diese mehrfache Energieumwandlung treten jedoch erhebliche Wirkungsgradverluste auf, so daß die zur Zündung verwendete Spannung dabei im kV-Bereich liegen muß. Das Patent US 5,080,016 benennt die Elemente Titan, Zirkonium, Nickel und Palladium als geeignete Metalle, um entsprechend Wasserstoff einzulagern.
Generell ist auch die Wasserstoffspeicherung in Metallhydriden als bekannt anzusehen, was jedoch meist als negativer Effekt auf die Festigkeit des Metalls (Wasserstoff-Krankheit) unerwünscht ist. Dieser Effekt kann auch zur gezielten Speicherung von Wasserstoff eingesetzt werden (vgl. Bergmann/ Schäfer : Lehrbuch der Experimentalphysik, Bd. 6 1992, S. 452 f.).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Dünnschichtanzündelement zu entwickeln, welches durch eine geringe Initialisierungsenergie gezündet werden kann und diese mit möglichst geringen Wirkungsgradverlusten an die pyrotechnischen Zündmasse weitergibt. Das Dünnschichtanzündelement soll des weiteren einfach und in großen Stückzahlen herstellbar sein.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches sowie durch das Verfahren zur Herstellung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst.
Kennzeichnend für die vorliegende Erfindung ist die Kopplung von physikalischem, chemischem und thermischem Energieeintrag aus dem Hafniumhydrid direkt in die pyrotechnische Wirkmasse bei wesentlich - kleineren Initialisierungsenergiemengen. Neben Zündbrückenschichten aus Hafnium bietet sich auch ein Gemisch mit Titan zur Verknüpfung ihrer jeweils positiven Eigenschaften an.
So reichen Niedervoltspannungen < 50 V und eine Initialisierungsenergie im Bereich einiger Millijoule aus, um die Zündung in Gang zu setzen. Wesentlich für die Energieeinsparung ist dabei die Eigenschaft des Hafniumhydrids, welches sich bereits bei einer Lokaltemperatur ca. 450° bis 800 Grad Celsius zersetzt, währenddessen bisher eine Schmelztemperatur von ca. 1660° Celsius aufgebracht werden mußte. Mit zunehmendem Hafniumanteil erhöht sich bei Gemischen aus Hafnium- und Titanhydrid dabei jeweils die Zersetzungstemperatur.
Beim Zersetzen des Hafniumhydrids oder Hafnium-/Titan-hydrid-Gemischs wird aber atomarer Wasserstoff frei, was zu einem erheblichen Druckanstieg zwischen Zündbrückenschicht und pyrotechnischer Wirkmasse führt. Außerdem wirkt der atomare Wasserstoff selbst als Zündmittel (chemische Reaktion mit dem Sauerstoff und Bestandteilen der pyrotechnischen Wirkmasse). Dabei kann es auch zur Ausbildung eines Plasmas kommen.
Der vorzugsweise ergänzend anteilig verwendete metallische Bestandteil Titan läßt sich prozeßtechnisch einfach beherrschen und weist die grundlegende Wirkungsweise auf, so daß neben der Wirkung des bei der Zersetzung freiwerdenden reaktiven Wasserstoffs sowie der Wirkung des entstehenden Plasmas auch der Energieeintrag durch die erhitzten Metallatome hoch ist, was den Zündvorgang beschleunigt.
Der verwendete metallische Bestandteil Hafnium zeichnet sich durch ein höheres spezifisches Atomgewicht aus, so daß neben der Wirkung des bei der Zersetzung freiwerdenden reaktiven Wasserstoff sowie der Wirkung des entstehenden Plasmas auch der Energieeintrag durch die schweren Metallatome besonders hoch ist, was den Zündvorgang beschleunigt. Vorteilhafter im Vergleich zu anderen Metallhydridschichten ist die bei Hafniumhydrid hohe thermische Stabilität hinsichtlich der Ausdiffusion des Wasserstoffs sowie die gegenüber dem bereits recht guten Titan noch höhere Zersetzungstemperatur der Metallhydridschicht, was sich für günstig auf die Stabilität gegenüber thermischen Umwelteinflüssen und auf die Gesamtlebensdauer des Zündelementes auswirkt.
Diese Kopplung von Energieeinträgen führt zu einer sehr schnellen, im Mikrosekundenbereich liegenden Zündung der pyrotechnischen Wirkmasse, was bei nahezu allen praktischen Anwendungen von Zündelementen äußerst vorteilhaft ist.
Durch die geringe Zündspannung und Initialisierungsenergie reichen bereits Autobatterien o.ä. direkt und ohne aufwendige Spannungsverstärker zur Spannungsversorgung aus. Deshalb können diese Anzündelemente besonders vorteilhaft als Zünder für Airbags und andere Insassenschutzeinrichtungen verwendet werden.
Die thermische Isolationsschicht unter der Zündbrückenschicht verringert Energieverluste durch die Wärmeableitung in das Trägersubstrat hinein und erhöht somit die in Richtung der pyrotechnischen Wirkmasse fließende und somit wirksame Energiemenge. Durch Variation der Strukturgeometrie und insbesondere Dicke der thermischen Isolationsschicht kann daher auch die Zündzeit und die minimal erforderliche Zündspannung beeinflußt werden.
Durch die Anwendung eines halbleiterprozeßkompatiblen Herstellungsprozesses sowie die Verwendung eines Halbleitersubstrates als Trägersubstrat wird die Integration von Sensoren zur Überwachung der Funktionstüchtigkeit (z.B, Feuchtigkeits- und Temperatursensoren) sowie von Ansteuer- und Überwachungselektronik in einer mikroelektronischen Schaltung auf kleinstem Raum möglich. Schaltungstechnische Maßnahmen zur Absicherung des Anzündelements gegen hochfrequente Störimpulse und EMV-Einflüsse können ebenso vorteilhaft realisiert werden.
Um einen möglichst geringen Übergangswiderstand zwischen Zündbrücke und den Kontakten zu gewährleisten, werden zunächst aus der Zündbrückenschicht gegenüber der Zündbrücke großflächige Kontaktflächen ausgeformt und diese möglichst vollständig die Metallisierungsschichten der Kontakte berühren. Neben der Abscheidung der Metallisierungsschicht auf der Zündbrückenschicht ist auch eine Face-Down-Kontaktierung aus im Trägersubstrat integrierte Leitbahnbereiche denkbar, die Zündbrückenschicht von der entgegengesetzten Seite zu kontaktieren. Die Zündbrückenschicht kann dann auf die Trägersubstratoberfläche oder gegebenenfalls auch auf die zwischengeschobene strukturierte Metalllisierungsschicht abgeschieden wird.
Eine Zündbrückenschicht zwischen 0,2 und 2 µm erlaubt bei einem spezifischen Widerstand des Titanhydrids von ca 0,50 µΩ m eine recht große Oberfläche der Zündbrücke und gute Variationsmöglichkeiten durch Länge und Breite der Zündbrücke im bevorzugten Bereich des elektrischen Gesamtwiderstands der Zündbrückenschicht von 0,5 bis ca. 200 Ω.
Das zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Anzündelements erforderliche Verfahren wird in Patentanspruch 11 beschrieben, wobei insbesondere die gegenüber herkömmlichen Temperungsprozessen recht niedrige Temperatur von etwa 350° Celsius für die Wasserstoffeinlagerung sehr vorteilhaft ist. Während die Prozeßdauer bei niedrigeren Temperaturen (unter 300° Celsius) erheblich ansteigt, setzt bei höheren Temperaturen (über 400° Celsius) bereits der Zersetzungsprozeß des Titanhydrids ein, so daß eine Einlagerung von Wasserstoff nicht oder nur unter erheblich schwierigeren Prozeßbedingungen (Druck ect.) möglich wird. Bei hohem Hafniumanteil steigt die Temperaturfestigkeit.
In Zusammenhang damit ist auch die Weiterbildung gemäß Anspruch 13 zu betrachten, wonach beim Abscheiden der Metallisierungsschicht die Zündbrückenschicht gekühlt wird, so daß die lokale Temperatur die 350° Celsius nicht übersteigt.
Alle Herstellungsschritte sind dabei kompatibel für die Fertigung in Halbleiterfabriken ausgestaltet und können somit für eine Vielzahl von Anzündelementen gleichzeitig realisiert werden, indem als Trägersubstrat ein Siliziumwafer verwendet wird, der erst nach allen Herstellungsschritten zersägt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Von grundlegender Bedeutung für alle im folgenden gezeigten Ausführungsbeispiele ist, daß alle Herstellungsschritte und Schichten durch halbleiterprozeßkompatibel sind. Es wird jeweils nur ein Dünnschichtanzündelement gezeigt ; dieses wird jedoch mit einer Vielzahl identischer Anzündelemente auf einer Halbleitersubstratwaferscheibe realisiert. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, anstelle eines Halbleitersubstrates ein anderes Trägersubstrat, bspw. eine Glas- oder Keramikfläche zu verwenden. Die Darstellung der Schichtdicken, -breiten und -längen ist schematisch und nicht maßstäblich.
Die Figur 1 zeigt ein Anzündelement mit bereits abgeschiedender, strukturierter und hydrierter Zündbrückenschicht 2 aus Hafniumhydrid HfHx ; (0,025<x<2) oder einem Gemisch aus Hafniumhydrid mit TiHx ; (0,2<x<2) auf einem Trägersubstrat 4 mit einer thermischen Isolationsschicht 3.
Die thermischen Isolationsschicht 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel als geschlossene epitaktisch abgeschiedene SiO2-Schicht ausgestaltet. Grundsätzlich kann diese aber auch durch Oxidation einer Siliziumsubstratoberfläche hergestellt werden. Darüber hinaus sind auch andere Stoffe zur thermischen Isolation geeignet. Wesentlich für die funktion ist jedoch, daß es weder durch die thermische Isolationsschicht 3 noch durch das Trägersubstrat 4 ,falls auf die thermische Isolationsschicht 3 verzichtet wird, die Zündbrückenschicht 2 elektrisch kurzgeschlossen wird.
Die Kontaktflächen 21 (siehe Fig.1a) der zündbrückenschicht sind verbreitert ausgeführt, um einen möglichst geringen übergangswiderstand zu den Kontakten 1 zu erreichen. Entsprechend werden die Kontakte 1 als eine Al-Schicht oder eine andere Schicht aus einem hochleitfahigen Material realisiert (siehe Fig.1b und Fig.1c), um eine Kontaktierung zu erleichtern. Die Abmessungen der Kontaktflächen 21 richten sich nach den jeweils geforderten Kontaktierungsbedingungen. In Figur 1c wird noch einmal die Abfolge der Schichten im Schnitt deutlich, wobei die variable Dicke d der thermischen Isolationsschicht 3 den Zündzeitpunkt und die mindestens erforderliche Zündspannung beeinflußt. Wird nämlich die Zündbrückenschicht 2 vom Strom durchflossen, so ist die Zeit bis zum Erreichen der kritischen Zersetzungstemperatur im wesentlichen von der Wärmeleitfähigkeit der Isolationsschicht 3 abhängig. Kann eine größere Wärmemenge über die Isolationsschicht 3 an das Trägersubstrat 4 abfließen, so verzögert sich der Zündzeitpunkt oder aber es muß eine höhere Leistung umgesetzt werden, was eine höhere Zündspannung bedeutet.
Wie Figur 2 als zweites Ausführungsbeispiel zeigt, kann die Hafniumund/oder Titanhydridschicht 2 auch direkt auf dem Trägersubstrat 4 abgeschieden werden, falls eine Verzögerung des Zündzeitpunktes gewünscht oder die Zündspannung entsprechend hoch gewählt wird und außerdem das Trägersubstrat nicht elektrisch leitfähig ist. Die Kontakte 1 sind dabei wieder auf der strukturierten Zündbrückenschicht 2 abgeschieden (vgl. Fig. 2b und 2c).
Figur 3 verdeutlicht die letztlich wirksame Oberfläche der Zündbrückenschicht 2. Auch in dieser Figur 3 wurde eine rechteckfömige Struktur der Zündbrücke 2 der wirksamen Länge I und Breite b gewählt. Diese Struktur ist besonders einfach über die bekannten Gleichungen R=ρ I/A und P=U2/R theoretisch zu berechnen und außerdem fertigungstechnisch einfach zu dimensionieren. Die kritische Zündeigenschaften, wie Zündzeiten und Zündspannungen können dadurch angepaßt werden..
Figur 4 zeigt das Prinzipschaltbild des Zündstromkreises. Die Zündung erfolgt durch Anlegen einer elektrischen Spannung U im Niedervoltbereich an die metallisierten Kontakte 1. Infolge des einsetzenden Stromflusses kommt es zu einer joulschen Erwärmung der Zündbrücke 2 , welche daraufhin durch ihre Erwärmung und die chemische Zersetzung (Freisetzung von reaktivem Wasserstoff) und eine Plasmaentladung den Zündvorgang in der direkt aufliegenden pvrotechnischen Wirkmasse 5 ( vgl. Fig. 5) initiiert. Die heißen Metallatome und der Druck führen dabei zu einer großflächigen Entzündung.
Die Anordnung der pyrotechnischen Wirkmasse 5 kann einerseits direkt auf der Zündbrückenschicht 2 erfolgen (siehe Fig. 5), um neben der Wasserstoffreaktion und Plasmawirkung auch die direkte Wärmeleitung zu nutzen. Oder es wird mittels abstandsbestimmender Zwischenschichten 6 zur Zündbrückenschicht 2 ein geringer Abstand 7 realisiert (siehe Fig. 6), um vornehmlich die reine Plasmawirkung auszunutzen.
Figur 7 zeigt nun noch ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Zündbrückenschicht 2 im Bereich der Kontaktflächen 21 von der unteren, der pyrotechnischen Wirkmasse entgegengesetzten Seite kontaktiert wird. Die Kontakte 1 sind bspw. in die Trägersubstratoberseite eingelassen. Zwischen den Kontakten 1 und unter dem wirksamen Bereich der Zündbrückenschicht 2 ist die thermische Isolationsschicht 3 vorgesehen, welche die Zündbrückenschicht 2 thermisch und elektrisch vom Trägersubstrat 4 isoliert. Zu den Kontakten 1 hin weist das Trägersubstrat Leitbahnbereiche 4.1 auf, die bspw. aus hochdotiertem Trägersubstratmaterial (Si) sind. Die beiden Leitbahnbereiche 4.1 sind durch einen Isolationsgraben 4.2 im Trägersubstrat 4 voneinander isoliert. Vorteil dieses Ausführungsbeispieles ist ggfs. der Verzicht auf eine Al-Schicht und externe Anschlüsse an die Kontakte. Außerdem wird die Berührung zwischen pyrotechnischer Wirkmasse und Zündbrückenschicht vereinfacht und verbessert.
Neben den vorangehend beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen sind insbesondere auch andere, zum Beispiel kreisförmige Ausgestaltungen der Zündbrückenschicht denkbar.
In Figur 8 wiederum im Schnitt ein Ausführungsbeispiel einer weitere Weiterbildung der Erfindung dargestellt, wonach auf der Zündbrückenschicht 2 im wirksamen Bereich der Zündbrücke zwischen den Kontakten 1 eine Dämmschicht 7 abgeschieden ist. Durch eine derartige, bspw.aus Oxidmaterial bestehende Dämmschicht 7 kann der Aufheizprozeß der Zündbrückenschicht auf die für die Zersetzung erforderliche Temperatur durch eine Druckerhöhung beschleunigt werden. Die Dicke der Schicht und ihre Struktur (lokale Verjüngung der Dämmschicht 7 als Soll-Bruchstelle ect.) ist dabei so gewählt, daß nach dem Freisetzen des reaktiven Wasserstoffs und der beginnenden Expansion die Dämmschicht 7 bei einem vorab definierten Druck öffnet und das heiße Wasserstoffgas sowie die heißen Partikel der Zündbrückenschicht und, falls sich ausbildend, auch das Plasma an bzw. in die pyrotechnische Wirkmasse 5 gelangen können.
Vorzugsweise ist auch die Dämmschicht 7 nur so dick, daß diese direkt beim Beginn der Reaktion der Zündbrückenschicht 2 zerstört wird. Die Dämmschicht 7 kann aus einem Material oder einer Folge von Schichten bestehen, bei der zumindest die direkt an der zündbrückenschicht 2 liegende elektrisch isolierend seien muß, damit die Zündbrückenschicht 2 nicht überbrückt wird. Eine teilweise Metallabscheidung als Deckschicht der Dämmschicht 7 ist jedoch denkbar, da durch die Reflexion an der metallisierten Deckschicht die Wärme vor der Zerstörung der Dämmschicht 7 in die Zündbrückenschicht 2 zurück reflektiert wird und sich diese somit schneller erhitzt.