DE102020122923A1

DE102020122923A1 - Sensorelement und Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements

Info

Publication number: DE102020122923A1
Application number: DE102020122923.2A
Authority: DE
Inventors: Anke Weidenfelder; Jan Ihle; Bernhard Ostrick; Jeffrey Krotosky
Original assignee: TDK Electronics AG; Tronics Mems Inc
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2020-09-02
Filing date: 2020-09-02
Publication date: 2022-03-03
Also published as: JP2022551043A; WO2022049056A1; EP4208698A1; CN114729840A; US20220357214A1; JP2024012570A

Abstract

Es wird ein Sensorelement (1) zur Messung einer Temperatur beschrieben aufweisend einen Träger (2) und wenigstens eine Funktionsschicht (7), welche ein Material mit einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstand aufweist, wobei die Funktionsschicht (7) auf dem Träger (2) angeordnet ist. Das Sensorelement (1) weist ferner wenigstens zwei Elektroden (4a, 4b) und wenigstens zwei Kontaktpads (10a, 10b) zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements (1) auf, wobei jeweils ein Kontaktpad (10a, 10b) unmittelbar auf einem Teilbereich einer der Elektroden (4a, 4b) angeordnet ist. Das Sensorelement (1) ist dazu ausgebildet als diskretes Bauelement direkt in ein elektrisches System integriert zu werden. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement, insbesondere einen Temperatursensor. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements, vorzugsweise eines Temperatursensors.
Um passive Bauelemente, wie zum Beispiel Sensoren, Kondensatoren, Schutzbauelemente oder Heizer in elektrische Systeme zu integrieren, müssen die Dimensionen für moderne Packaging-Designs angepasst sein, die im mikrometer- und sogar nanometer-skaligen Bereich liegen. Um diesen Miniaturisierungsgrad zu erreichen, werden die Bauelemente als dünne Filme auf Trägerstrukturen mit elektrischen Anschlüssen abgeschieden und als diskretes Bauelement beschrieben. Diese neuartigen Bauelemente lassen sich in MEMS (Mikro Elektro Mechanisches System) oder SESUB (Semiconductor Embedded in Substrate) Strukturen integrieren.
Nach dem Stand der Technik werden Temperaturen für die Überwachung und Regelung in unterschiedlichsten Anwendungen vorwiegend mit keramischen Heißleiter-Thermistorelementen (NTC), Silizium-Temperatursensoren (KTY), Platin-Temperatursensoren (PRTD) oder Thermoelementen (TC) gemessen. Dabei sind auf Grund der geringen Herstellungskosten die NTC-Thermistoren am weitesten verbreitet. Ein weiterer Vorteil gegenüber Thermoelementen und metallischen Widerstandselementen, wie z.B. Pt-Elementen, besteht in der ausgeprägten negativen Widerstands-Temperatur-Charakteristik.
Für den Einsatz in Leistungsmodulen werden vorwiegend SMD („surface mounted device“ - oberflächenmontierte) NTC-Temperatursensoren verwendet, die aufgelötet werden. Bei Steuermodulen für geringe Leistungen werden alternativ dazu auch NTC-Chips eingesetzt, die an der Unterseite mittels Ag-Sinterpaste, Löten oder Kleben montiert sind und die Oberseite über einen Bonddraht kontaktiert wird.
Für die Integration von elektronischen Bauelementen in beispielsweise MEMS oder SESUB Strukturen sind diese aktuellen technischen Lösungen nicht geeignet. Für diese Systeme sind sehr kleine Elemente, typischerweise kleiner als 500 µm × 500 µm × 100 µm, notwendig, die darüber hinaus noch mit geeigneten Kontaktierungsverfahren integrierbar sein müssen. Hierbei ist insbesondere die Wahl einer geeigneten Elektrode zu beachten. Die klassischen Lötverfahren für SMD Bauformen oder Drahtbondtechnologien für Halbleiterchips (bare dies) können dafür nicht verwendet werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Sensorelement und ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements zu beschreiben, welche die oben stehenden Probleme lösen.
Diese Aufgabe wird durch ein Sensorelement und ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements gemäß der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Gemäß einem Aspekt wird ein Sensorelement beschrieben. Das Sensorelement 1 ist zur Messung einer Temperatur geeignet. Das Sensorelement ist ein Temperatursensor.
Das Sensorelement weist wenigstens einen Träger auf. Vorzugsweise weist das Sensorelement genau einen Träger auf. Der Träger weist ein Trägermaterial auf, vorzugsweise Silicium, Siliciumcarbid oder Glas (silicatisches oder borosilicatisches Glas). Alternativ dazu kann das Trägermaterial auch AlN oder Al₂O₃ aufweisen.
Der Träger weist eine Oberseite und eine Unterseite auf. Die Oberseite ist elektrisch isolierend ausgebildet. Vorzugsweise ist eine isolierende Schicht, beispielsweise SiO₂ oder Si₃N₄, auf der Oberseite des Trägers ausgebildet. Die isolierende Schicht ist unmittelbar auf der Oberseite des Trägers ausgebildet und kann aus einer oder mehreren Schichten aufgebaut sein.
Das Sensorelement weist ferner wenigstens eine Funktionsschicht auf. Die Funktionsschicht ist auf dem Träger angeordnet. Der Träger stabilisiert die Funktionsschicht mechanisch. Eine Dicke der Funktionsschicht liegt zwischen 50 nm und 1 µm, bevorzugt zwischen 100 nm und 500 nm, besonders bevorzugt zwischen 250 nm und 400 nm.
Die Funktionsschicht weist ein Material auf (Funktionsmaterial), das eine spezielle elektrische Charakteristik aufweist. Die Funktionsschicht weist ein Material mit einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstand auf. Vorzugsweise weist die Funktionsschicht eine NTC Keramik auf.
Bevorzugt basiert die NTC Keramik auf einem oxidischen Material im Perowskit oder Spinell Strukturtyp. Alternativ dazu kann die Funktionsschicht basierend auf einem carbidischen oder einem nitridischen Material aufgebaut sein. Eine weitere Alternative stellen Dünnschichten aus Vanadiumoxid oder SiC dar.
Das Sensorelement weist ferner wenigstens zwei Elektroden auf. Die Elektroden sind vorzugsweise als Dünnschichtelektroden ausgebildet. Die Elektroden sind zueinander beabstandet auf dem Träger ausgebildet. Vorzugsweise ragen die Elektroden nicht bis zu einem Randbereich des Trägers. Insbesondere sind die Elektroden bevorzugt in einem Mittel- bzw. Innenbereich auf dem Träger ausgebildet.
Das Sensorelement weist ferner wenigstens zwei Kontaktpads zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements auf. Vorzugsweise weist das Sensorelement genau zwei Kontaktpads auf. Die Kontaktpads sind direkt elektrisch und mechanisch mit den Elektroden verbunden. Jeweils ein Kontaktpad ist unmittelbar auf einem Teilbereich einer der Elektroden angeordnet.
Insgesamt ist das Sensorelement sehr kompakt ausgeführt, so dass es als diskretes Bauelement direkt in ein elektrisches System eingebettet werden kann. Beispielsweise weist das Sensorelement eine maximale Kantenlänge von 1000 µm, bevorzugt < 800 µm, besonders bevorzugt < 500 µm auf. Eine Dicke des Sensorelements ist < 100 µm, bevorzugt < 80 µm, besonders bevorzugt < 50 µm. Beispielsweise ist das Bauelement zur direkten Integration in eine MEMS Struktur und/oder in eine SESUB Struktur ausgebildet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel bedeckt die Funktionsschicht den Träger bzw. die isolierende Schicht auf der Oberseite des Trägers nur teilweise. Beispielsweise ist eine Geometrie der Funktionsschicht so gewählt, dass die Funktionsschicht den Träger / die isolierende Schicht nur im Bereich der Fingerstruktur der Elektroden abdeckt. Vorzugsweise ist die Funktionsschicht lediglich in einem Mittelbereich des Trägers ausgebildet. Insbesondere ragt die Funktionsschicht nicht bis zu einem Randbereich des Trägers. Die Geometrie bzw. das Design der Funktionsschicht ist so gewählt, dass damit ein vorbestimmter Widerstand des Sensorelements eingestellt werden kann. Damit ist das Sensorelement besonders flexibel einsetzbar.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die jeweilige Elektrode einen flächigen Endbereich auf. Die flächigen Endbereiche der beiden Elektroden sind einander gegenüberliegend oder in einem 90° Winkel zueinander angeordnet. Jeweils ein Kontaktpad ist auf dem flächigen Endbereich einer der Elektroden angeordnet. Ferner weist die jeweilige Elektrode eine Mehrzahl von Elektrodenfingern auf. Die Elektrodenfinger der beiden Elektroden sind alternierend zueinander angeordnet.
Der flächige Endbereich und der Bereich mit den Elektrodenfingern gehen unmittelbar ineinander über. Eine Geometrie bzw. ein Design der jeweiligen Elektrode ist so gewählt, dass damit ein vorbestimmter Widerstand des Sensorelements eingestellt werden kann. Insbesondere kann der elektrische Widerstand über Länge, Breite und/oder Anzahl der Elektrodenfinger eingestellt werden. Das Sensorelement kann damit an sehr unterschiedliche Anforderungen angepasst werden und ist sehr flexibel einsetzbar.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Elektroden unmittelbar auf einer Oberseite der Funktionsschicht ausgebildet. Mit anderen Worten, die Funktionsschicht ist zwischen den Elektroden und dem Träger ausgebildet. Diese Ausführung erlaubt ein Trimmen der Elektrode nach dem Aufbringen und einem Test des Sensorelements. Außerdem muss die Elektrode bei dieser Ausführung den Bedingungen des Sinterprozesses der Funktionsschicht nicht standhalten.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Elektroden unmittelbar an einer Unterseite der Funktionsschicht angeordnet. Mit anderen Worten, die Elektroden sind zwischen der Funktionsschicht und dem Träger ausgebildet. Die Ausbildung der Elektrode direkt auf dem Substrat ermöglicht die Verwendung eines Haftvermittlers (z.B. eine Dünnschicht < 10nm zur besseren Anhaftung am Untergrund) wie Ti oder Cr. Dies ist auf der NTC Schicht nicht möglich, da es zu Interaktionen der Haftvermittlerschicht mit dem NTC Material kommen kann. Dies gilt insbesondere für NTC Schichten, die auf einem oxidischen Material im Perowskit oder Spinell Strukturtyp basieren.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Kontaktpads derart ausgebildet, dass sie über eine Oberfläche des Sensorelements herausragen. Vorzugsweise ragen die Kontaktpads ≥ 1 µm über die Oberfläche des Sensorelements hinaus. Bevorzugt ragen die Kontaktpads > 3 µm, besonders bevorzugt > 6 µm über die Oberfläche des Sensorelements hinaus. Dies erleichtert die elektrische Verbindung des Sensorelements.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Sensorelement eine Schutzschicht auf. Die Schutzschicht kann als Material Oxide, Nitride, Keramiken, Gläser oder Kunststoff aufweisen. Die Schutzschicht bedeckt eine Oberseite des Sensorelements mit Ausnahme der Kontaktpads vollständig. Zu diesem Zweck weist die Schutzschicht Aussparungen an der Stelle der Kontaktpads auf. Die Schutzschicht weist eine Dicke zwischen 50nm und 1µm auf, vorzugsweise zwischen 200nm und 600nm, idealerweise zwischen 400nm und 500nmauf. Durch die Schutzschicht wird die Langzeitstabilität des Sensorelements verbessert.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements beschrieben. Vorzugsweise wird durch das Verfahren das oben beschriebene Sensorelement hergestellt. Alle Eigenschaften, die in Bezug auf das Sensorelement oder das Verfahren offenbart sind, sind auch entsprechend in Bezug auf den jeweiligen anderen Aspekt offenbart und umgekehrt, auch wenn die jeweilige Eigenschaft nicht explizit im Kontext des jeweiligen Aspekts erwähnt wird. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

A) Bereitstellung eines Trägermaterials zur Ausbildung eines Trägers. Vorzugsweise weist das Trägermaterial Si, SiC oder Glas auf. Alternativ dazu kann das Trägermaterial AlN oder Al₂O₃ aufweisen. Der Träger weist eine Oberseite und eine Unterseite auf. Bevorzugt weist das Trägermaterial Si auf.
B) Ausbilden einer elektrisch isolierenden Schicht, vorzugsweise SiO₂, auf der Oberseite des Trägers.
C) Ausbilden bzw. Abscheiden von wenigstens zwei Elektroden auf dem Träger. Das Abscheiden erfolgt durch einen PVD („physical vapour deposition“) Prozess, einen CVD („chemical vapour deposition“) Prozess oder galvanisch und wird in einem weiteren Prozessschritt strukturiert.

Die Elektroden werden zueinander beabstandet ausgebildet. Insbesondere sind die Elektroden räumlich und elektrisch voneinander isoliert. Die Elektroden greifen dabei in Form von Interdigitalstrukturen ineinander. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Elektroden direkt auf der Oberseite des Trägers bzw. auf der isolierenden Schicht ausgebildet. Die Elektroden sind derart ausgebildet, dass sie von einem Randbereich des Trägers beabstandet sind.

D) Aufbringen, vorzugsweise Aufsputtern, eines Funktionsmaterials auf einen Teilbereich der Elektroden zur Ausbildung einer Funktionsschicht. Das Funktionsmaterial weist vorzugsweise eine NTC Keramik basierend auf einem oxidischen Material im Perowskit oder Spinell Strukturtyp auf. Alternativ kann das Funktionsmaterial auch auf einem carbidischen oder einem nitridischen Material basieren. Alternativ kann das Funktionsmaterial eine Dünnschicht aus Vanadiumoxid oder SiC umfassen oder darstellen.

Die Funktionsschicht wird als Dünnfilm Schicht ausgebildet. Die Funktionsschicht bedeckt den Träger bzw. die Elektroden nur teilweise. Insbesondere wird die Funktionsschicht so ausgebildet, dass sie vom Randbereich des Trägers beabstandet und auf dem Bereich der Fingerstrukturen (Interdigitalstrukturen) der Elektrode ausgebildet ist. Die Funktionsschicht wird als vollflächige Dünnschicht abgeschieden und erst durch einen weiteren Prozessschritt z.B. mittels Lithographie, strukturiert.
Nach der Abscheidung ist die NTC Schicht noch nicht auskristallisiert.

E) Sintern der Funktionsschicht. Dies dient zur Ausbildung der NTC Eigenschaften des Funktionsmaterials und wird bei Temperaturen bis zu 1000°C durchgeführt
F) Aufbringen einer Schutzschicht auf die Oberseite des Sensorelements. Die Schutzschicht bedeckt die Oberseite bis auf zwei Teilbereiche vollständig. Die Teilbereiche sind über den flächigen Endbereichen der Elektroden angeordnet, auf die im nachfolgenden Prozessschritt die Kontaktpads aufgebracht werden können. Die Schutzschicht wird zur Strukturierung entweder
- (a) vollflächig aufgebracht und die freien Teilbereiche durch einen Folgeprozess wie Lithographie oder Laserstrukturierung erzeugt oder
- (b) durch Verwendung einer Maske beim Abscheidungsprozess direkt strukturiert aufgebracht.
G) Ausbilden von Kontaktpads in den von der Schutzschicht freien Teilbereichen zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements. Jeweils ein Kontaktpad wird dabei unmittelbar auf dem flächigen Endbereich einer der Elektroden ausgebildet. Die Kontaktpads können über die strukturierte Funktionsschicht hinausragen.

Die Kontaktpads können Cu, Au, Ni, Cr, Ag, Ti, W, Pd oder Pt aufweisen. Vorzugsweise weisen die Kontaktpads Cu auf. Vorzugsweise weisen die Kontaktpads eine Dicke von > 5 µm auf. Die Kontaktpads werden so ausgestaltet, dass die über eine Oberfläche des fertiggestellten Sensorelements hinausragen.
Alternativ zu den Kontaktpads können auch Bumps oder dünne Elektroden vorgesehen werden. All diese möglichen Kontaktelemente weisen ein Metall, beispielsweise Cu, Au oder eine lötbare Legierung auf.

H) Trennen bzw. Vereinzeln der Bauteile.

Das Vereinzeln erfolgt in zwei Schritten:

(1) Vereinzeln in x-/y- Richtung (Länge & Breite). Dies kann beispielsweise durch Plasmaätzen oder Sägen und Einkerben von Funktionsschicht und Träger erfolgen. Der Si-Wafer wird hierbei nicht durchgesägt, sondern nur bis auf eine definierte Dicke eingesägt.
(2) Vereinzeln in z-Richtung (Höhe). Das Grinding erfolgt von der Rückseite. Durch einen Schleifprozess wird von der Unterseite des Si-Wafers Material bis zu einer definierten finalen Bauteildicke abgetragen.

Dazu erfolgt ein

I) Grinding der Sensorelemente von der Unterseite, wobei durch einen Schleifprozess von der Rückseite des Si-Wafers her Material bis zu einer definierten finalen Bauteildicke abgetragen wird, wodurch die Bauteile vereinzelt werden.
J) optionales Plasmaätzen der heruntergeschliffenen Unterseite des Si-Wafer zur Reduktion von beispielsweise Mikrorissen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann Schritt D) vor Schritt C) ausgeführt werden. In diesem Fall wird zunächst die Funktionsschicht auf einem Teilbereich des Trägers ausgebildet. Anschließend werden die Elektroden abgeschieden. Die Elektroden werden unmittelbar auf einer Oberseite der Funktionsschicht ausgebildet.
Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Darstellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein.
Elemente, die einander gleichen oder die die gleiche Funktion übernehmen, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Es zeigen:

1 eine perspektivische Darstellung eines Sensorelements gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 eine Schnittdarstellung eines Sensorelements gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 1,
3 einen Prozessablauf des Herstellungsverfahrens.

Die 1 und 2 zeigen eine Darstellung eines Sensorelements 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Sensorelement 1 ist vorzugsweise zur Messung einer Temperatur ausgebildet. Das Sensorelement 1 ist ein Temperatursensor. Das Sensorelement 1 ist sehr kompakt ausgeführt. Eine Dicke D des Sensorelements (siehe 2) ist vorzugsweise < 100 µm, bevorzugt < 80 µm, besonders bevorzugt < 50 µm. Daher eignet sich das Sensorelement 1 besonders gut um als diskretes Bauelement direkt in ein elektrisches System eingebettet zu werden. Beispielsweise ist das Sensorelement 1 zur direkten Integration in eine MEMS Struktur und/oder in eine SESUB Struktur ausgebildet.
Das Sensorelement 1 weist einen Träger 2 auf. Der Träger 2 dient der mechanischen Stabilisierung des Sensorelements 1. Der Träger 2 weist eine Oberseite 11 und eine Unterseite 12 auf. Oberseite 11 und Unterseite 12 sind einer gegenüberliegend angeordnet.
Der Träger 2 weist ein Trägermaterial, vorzugsweise Silicium (Si), Siliciumcarbid (SiC) oder Glas (silicatisch oder borosilicatisch) auf. In einer alternativen Ausführungsform weist der Träger 2 AlN oder Al₂O₃ als Trägermaterial auf.
Die Oberseite 11 des Trägers 2 ist elektrisch isolierend ausgebildet. Mit anderen Worten, an der Oberseite 11 des Trägers 2 ist eine isolierende Schicht 3 ausgebildet. Für einen Träger 2 aus beispielsweise Silicium ist eine isolierende Schicht 3 aufweisend SiO₂ unmittelbar auf der Oberseite 11 des Trägers 2 aufgebracht.
Die isolierende Schicht 3 weist eine sehr geringe Dicke auf. Die Dicke der isolierenden Schicht 3 liegt zwischen 50 nm und 1 µm, vorzugsweise zwischen 250 nm und 600 nm. Besonders bevorzugt weist die isolierenden Schicht 3 eine Dicke von 500 nm auf.
Der Träger 2 hat vorzugsweise eine rechteckige Grundfläche. Alternativ dazu kann der Träger 2 auch quadratisch ausgeführt sein. Eine maximale Kantenlänge L des Trägers 2 beträgt in beiden Fällen 1000 µm. Bevorzugt ist die Kantenlänge L des Trägers 2 < 800 µm, besonders bevorzugt < 500 µm.
Das Sensorelement 1 weist ferner wenigstens zwei Elektroden 4a, 4b zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements 1 auf. Alternativ dazu kann das Sensorelement 1 auch mehr als zwei Elektroden 4a, 4b, beispielsweise drei oder vier Elektroden aufweisen (nicht explizit dargestellt).
Die beiden Elektroden 4a, 4b sind zueinander beabstandet auf dem Träger 2 ausgebildet. Die jeweilige Elektrode 4a, 4b kann ein- oder mehrschichtig aufgebaut sein. Die jeweilige Elektrode 4a, 4b weist dünne Metallfilme, beispielsweise aufweisend Cu, Au, Ni, Cr, Ag, Ti, W, Pd oder Pt auf. Vorzugsweise sind die Elektroden 4a, 4b als Dünnschichtelektroden ausgebildet. Insbesondere sind die Elektroden 4a, 4b als interdigitale Dünnschichtelektroden ausgebildet, wie nachfolgend im Detail beschrieben wird.
Die jeweilige Elektrode 4a, 4b ist strukturiert ausgebildet. Insbesondere weisen die Elektroden 4a, 4b jeweils einen flächigen Endbereich 6 sowie einen Bereich mit Elektrodenfingern 5 auf. Der flächige Endbereich 6 der jeweiligen Elektrode 4a, 4b ist in diesem Ausführungsbeispiel näher zu einem Seitenbereich bzw. zu einer Kante des Trägers 2 hin ausgebildet als der Bereich mit den Elektrodenfingern 5. Jedoch sind beide Bereiche (Endbereich 6 und Elektrodenfinger 5) vorzugsweise von der Kante des Trägers 2 beabstandet angeordnet. Die flächigen Endbereiche 6 der beiden Elektroden 4a, 4b können einander gegenüberliegend oder in einem 90° Winkel zueinander angeordnet sein.
Der Bereich mit den Elektrodenfingern 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel jeweils in einem Mittelbereich des Trägers 2 ausgebildet. Der flächige Endbereich 6 und der Bereich mit den Elektrodenfingern 5 gehen ineinander über.
Die beiden Elektroden 4a, 4b greifen jeweils in dem Bereich der Elektrodenfinger 5 im Mittelbereich des Trägers ineinander und bilden dort eine Interdigitalstruktur aus. Die Elektrodenfinger 5 der Elektroden 4a, 4b sind alternierend angeordnet. Über Länge, Breite und/oder Anzahl der Elektrodenfinger 5, sowie deren Abstand zueinander kann der elektrische Widerstand des Sensorelements 1 eingestellt werden.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 4a, 4b unmittelbar auf der Oberseite 11 des Trägers 2 bzw. der isolierenden Schicht 3 ausgebildet. Alternativ dazu (nicht explizit dargestellt) können die Elektroden 4a, 4b aber auch auf der Oberseite 14 einer Funktionsschicht 7 ausgebildet sein, wie später noch erläutert wird.
Das Sensorelement 1 weist ferner eine Funktionsschicht 7 auf. Die Funktionsschicht 7 weist ein Material mit einer speziellen elektrischen Charakteristik auf. Die Funktionsschicht 7 weist ein Material mit einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstand auf. Die Funktionsschicht 7 weist vorzugsweise eine NTC Keramik auf.
Beispielweise weist die Funktionsschicht 7 eine Keramik basierend auf einem oxidischen Material im Perowskit Strukturtyp auf. Der Perowskit basiert zum Beispiel auf Mischkristallen der Zusammensetzung CaMnO₃, bei dem Ca ganz oder teilweise durch beispielsweise Y, Cr, Al oder La ersetzt sein kann.
Alternativ dazu kann die Funktionsschicht 7 eine Keramik basierend auf einem oxidischen Material im Spinell Strukturtyp aufweisen. Die Zusammensetzung des Spinells basiert dabei vorzugsweise auf Mischkristallen von NiMn₂O₄, bei dem Ni und Mn mit beispielsweise Fe, Co, Al ganz oder teilweise ersetzt sein können.
Vorstellbar sind ferner Funktionsschichten 7 basierend auf Vanadiumoxid, einem carbidischen Material, beispielsweise hexagonales (Si, Ti)C, 2H, 4H oder 6H, kubisches SiC oder basierend auf einem nitridischen Material, beispielsweise (Al,Ti)N, CrN.
Die Funktionsschicht 7 ist vorzugsweise eine Dünnfilm Schicht. Mit anderen Worten, die Funktionsschicht 7 weist nur eine sehr geringe Dicke auf. Die Dicke der Funktionsschicht 7 liegt zwischen 50 nm und 1 µm. Bevorzugt liegt die Dicke der Funktionsschicht 7 zwischen 100 nm und 500 nm, besonders bevorzugt zwischen 250 nm und 400 nm.
Die Funktionsschicht 7 bedeckt die Oberseite 11 des Trägers 2 lediglich teilweise. Mit anderen Worten, die Funktionsschicht 7 ist nicht vollflächig auf dem Träger 2 angeordnet. Eine Geometrie und/oder ein Design der Funktionsschicht 7 ist so ausgewählt, dass damit ein bestimmter Widerstandswert des Sensorelements 1 eingestellt werden kann.
In einem Ausführungsbeispiel (nicht explizit dargestellt) ist die Funktionsschicht 7 unmittelbar auf der isolierenden Schicht 3 und damit unterhalb der Elektroden 4a, 4b ausgebildet, zum Beispiel aufgesputtert. Mit anderen Worten, die Funktionsschicht 7 ist zwischen dem Träger 2 und den Elektroden 4a, 4b ausgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Funktionsschicht 7 form- und materialschlüssig auf dem Träger 2 angeordnet. Alternativ dazu ist die Funktionsschicht 7 direkt in dem Trägermaterial lokal oder als Schicht erzeugt.
Für besonders eng tolerierte Widerstände bei Nenntemperatur kann in diesem Aufbau mit einem zusätzlichen Trimmprozess der Widerstand des Sensorelements 1 eingestellt werden. Dabei wird Material der Elektroden 4a, 4b durch beispielsweise Laserschneiden, Schleifen oder Einsägen partiell so entfernt, dass durch die Geometrieveränderung der Widerstand des Sensorelements 1 angepasst wird.
Alternativ dazu (siehe 1 und 2) ist die Funktionsschicht 7 zumindest teilweise auf den Elektroden 4a, 4b aufgebracht, insbesondere aufgesputtert. Wie aus den 1 und 2 ersichtlich ist, sind die Elektroden 4a, 4b dabei zwischen dem Träger 2 und der Funktionsschicht 7, insbesondere an einer Unterseite 15 der Funktionsschicht 7 ausgebildet. Die Funktionsschicht 7 liegt dabei unmittelbar auf dem Bereich mit den Elektrodenfingern 5 auf.
Das Sensorelement 1 weist ferner wenigstens zwei Kontaktpads 10a, 10b auf. Das Sensorelement 1 kann auch mehr als zwei Kontaktpads, beispielsweise drei oder vier Kontaktpads aufweisen. Die Kontaktpads 10a, 10b sind zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements 1 ausgebildet und angeordnet.
Die Kontaktpads 10a, 10b sind unmittelbar auf den flächigen Endbereichen 6 der Elektroden 4a, 4b angeordnet. Die Kontaktpads 10a, 10b können ein- oder mehrschichtig aufgebaut sein. Als Materialen für die Kontaktpads 10a, 10b können beispielsweise Cu, Au, Ni, Cr, Ag, Ti, W, Pd oder Pt verwendet werden.
Die Kontaktpads 10a, 10b weisen eine Dicke von > 400 nm, vorteilhafterweise > 1 µm, besonders bevorzugt > 5 µm auf. Für die Integration in eine SESUB-Struktur weisen die Kontaktpads 10a, 10b vorzugsweise Kupfer auf. Insbesondere sind die Kontaktpads 10a, 10b aus Cu aufgebaut.
Die Dicke der Cu-Kontaktpads 10a, 10b ist dabei so aufgebaut, dass die Kontaktpads 10a, 10b über eine Oberfläche 13 des Sensorelements 1 herausragen (siehe hierzu insbesondere 2). Die Cu-Kontaktpads 10a, 10b ragen dabei mindestens 1 µm, vorzugsweise > 3 µm, idealerweise > 6 µm über die Oberfläche 13 heraus. Diese Stärke/Dicke der Cu-Kontaktpads 10a, 10b wird für die weitere Verarbeitung in der SESUB Struktur benötigt, um eine verlässliche elektrische Verbindung aufzubauen.
Das Sensorelement 1 kann ferner eine Schutzschicht 8 aufweisen. Die Schutzschicht 8 dient dazu die Langzeitstabilität des Sensorelements 1 zu verbessern. Die Schutzschicht 8 weist ein nichtleitendes Material auf, aufweisend beispielsweise Oxide, Nitride, Keramiken, Gläser oder Kunststoffe und kann aus einer oder mehreren Schichten bestehen.
Die Schutzschicht 8 bedeckt eine Oberseite des Sensorelements 1 mit Ausnahme der Kontaktpads 10a, 10b vollständig. Die Schutzschicht 8 weist insbesondere Aussparungen 9 auf, aus welchen die Kontaktpads 10a, 10b zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements 1 herausragen.
Die Schutzschicht 8 wird durch einen PVD oder CVD Prozess erzeugt und mittels Lithographie strukturiert. Eine Dicke der Schutzschicht 8 liegt zwischen 50 nm und 1 µm. Bevorzugt liegt die Dicke der Schutzschicht 8 zwischen 200 nm und 600 nm, besonders bevorzugt zwischen 400 nm und 500 nm.
Durch die kompakte Bauweise der einzelnen Komponenten des Sensorelements 1 eignet sich das Sensorelement 1 hervorragend zur Integration in MEMS oder SESUB Strukturen.
Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements 1 beschrieben. Vorzugsweise wird durch das Verfahren das Sensorelement 1 gemäß einem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele hergestellt. Alle Merkmale die in Zusammenhang mit dem Sensorelement 1 beschrieben wurden, finden daher auch für das Verfahren Anwendung und umgekehrt.
In einem ersten Schritt A) wird ein Trägermaterial zur Ausbildung des oben beschriebenen Trägers 2 bereitgestellt. Vorzugsweise weist das Trägermaterial Si, SiC oder Glas auf. Alternativ dazu kann das Trägermaterial AlN oder Al₂O₃ aufweisen. Der Träger 2 weist eine Oberseite 11 und eine Unterseite 12 auf. Vorzugsweise weist der Träger 2 eine maximale Kantenlänge L von weniger als 500 µm auf.
In einem nächsten Schritt B) erfolgt das Ausbilden einer elektrisch isolierenden Schicht 3 auf der Oberseite 11 des Trägers 2. Beispielsweise weist die isolierende Schicht 3 SiO₂ auf. Idealerweise wird eine isolierende Schicht 3 mit einer Dicke von 500 nm auf der Oberseite 11 des Trägers 2 erzeugt.
In einem weiteren Schritt C) erfolgt das Ausbilden/Abscheiden von wenigstens zwei Elektroden 4a, 4b auf dem Träger 2. Das Abscheiden erfolgt durch einen PVD oder CVD Prozess oder galvanisch. Die Strukturierung der Elektroden erfolgt in einem Folgeprozess, dies kann beispielsweise ein Lithographie Prozess oder Laserstrukturierung sein. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Elektroden 4a, 4b direkt auf der isolierenden Schicht 3 ausgebildet.
Die Elektroden 4a, 4b können einschichtig oder mehrschichtig ausgebildet sein und weisen beispielsweise Cu, Au, Ni, Cr, Ag, Ti, W, Pd oder Pt auf. Die Elektroden 4a, 4b sind als Dünnschichtelektroden ausgebildet. Die Elektroden 4a, 4b sind strukturiert ausgebildet und weisen jeweils einen flächigen Endbereich 6 sowie eine Mehrzahl von Elektrodenfingern 5 auf. Durch die Geometrie bzw. das Design der Elektroden 4a, 4b kann der Widerstand des Sensorelements eingestellt werden.
In einem weiteren Schritt D) erfolgt das Aufbringen eines Funktionsmaterials zur Ausbildung einer Funktionsschicht 7. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Funktionsmaterial auf einen Teilbereich der Elektroden 4a, 4b aufgebracht. Dies erfolgt beispielsweise durch Sputtern oder einen Spincoating Prozess. Das Funktionsmaterial wird zunächst vollflächig aufgebracht und in einem weiteren Prozess (beispielsweise Lithographie oder Laserstrukturierung) strukturiert.
Alternativ dazu kann Schritt D) auch vor Schritt C) ausgeführt werden, so dass das Funktionsmaterial 7 unmittelbar auf der isolierenden Schicht 3 des Trägers 2 aufgesputtert wird und anschließend die Elektroden 4a, 4b auf die Funktionsschicht 7 aufgebracht werden.
Das Funktionsmaterial weist vorzugsweise eine NTC Keramik basierend auf einem oxidischen Material im Perowskit oder Spinell Strukturtyp auf. Alternativ kann das Funktionsmaterial auch eine NTC Keramik basierend auf einem carbidischen oder einem nitridischen Material aufweisen. In einer weiteren Alternative umfasst das Funktionsmaterial Dünnschichten aus Vanadiumoxid oder SiC oder besteht daraus.
Die Funktionsschicht 7 bedeckt die Oberseite des Trägers 2 bzw. die Elektroden 4a, 4b lediglich teilweise. Durch die Geometrie bzw. das Design der Funktionsschicht 7 kann der Widerstand des Sensorelements 1 eingestellt werden. Vorzugsweise weist die Funktionsschicht 7 eine Dicke zwischen 250 nm und 400 nm auf.
In einem weiteren Schritt E) erfolgt das Ausbilden von Kontaktpads 10a, 10b auf wenigstens einem Teilbereich der Elektroden 4a, 4b. Jeweils ein Kontaktpad 10a, 10b wird dabei unmittelbar auf dem flächigen Endbereich 6 einer Elektrode 4a, 4b ausgebildet.
Vorzugsweise weisen die Kontaktpads 10a, 10b Cu auf und haben eine Dicke von > 5 µm. Insbesondere ragen die Kontaktpads 10a, 10b bei dem fertigen Sensorelement 1 über die Oberfläche 13 des Sensorelements 1 heraus. Alternativ dazu können Bumps statt der Kontaktpads ausgebildet werden.
In einem nächsten Schritt G) erfolgt das Ausbilden einer Schutzschicht 8. Die Schutzschicht 8 kann Oxide, Nitride, Keramikern oder Gläser aufweisen und wird mittels eines PVD oder CVD Prozesses erzeugt und mittels Lithographie strukturiert. Idealerweise weist die Schutzschicht 8 eine Dicke zwischen 400 nm und 500 nm auf und bedeckt die Oberseite des Sensorelements 1 mit Ausnahme der Kontaktpads 10a, 10b vollständig.
In einem weiteren Schritt H) erfolgt das Vereinzeln der Sensorelemente. Dies kann beispielsweise durch Plasmaätzen oder Sägen und Einkerben von Funktionsschicht 7 und Träger 2 erfolgen. Der Si-Wafer wird hierbei nicht durchgesägt, sondern nur bis auf eine definierte Dicke eingesägt.
Durch anschließendes Grinding von der Rückseite (ein Schleifprozess) wird in einem letzten Schritt I) von der Rückseite des Si-Wafers Material bis zu einer definierten finalen Bauteildicke abgetragen. Durch diesen Schritt kommt es zur tatsächlichen Vereinzelung der Bauteile.
3 zeigt einen Prozessflow des Herstellungsverfahrens. Der Prozess ist hier in acht Stufen S1 bis S8 unterteilt, die jeweils mehrere der bereits beschriebenen Verfahrensschritte A) bis J) umfassen können. Die Stufen umfassen

S1 Vorsehen eines Si Wafers entsprechend den Schritten A) und B)
S2 Abscheiden und Strukturieren der Elektrode entsprechend dem Schritt C)
S3 Abscheiden und Strukturieren der Funktionsschicht entsprechend dem Schritt D)
S4 Sintern der Funktionsschicht zur Herstellung der NTC Eigenschaften entsprechend dem Schritt E)
S5 Abscheiden und Strukturieren der Elektrode wie in Stufe S2 bzw. entsprechend Verfahrensschritt C). Die Stufe S5 ist alternativ zur Stufe S2, die in diesem Fall entfallen kann. Es wird also entweder Stufe S2 oder S5 eingesetzt.
S6 Abscheiden und Strukturieren der Passivierungsschicht entsprechend dem Schritt F)
S7 Abscheiden und Strukturieren der Kontaktpads entsprechend dem Schritt G)
S8 Vereinzelung der einzelnen Sensorelemente entsprechend den Schritten H) und I)
S9 Optionales nochmaliges Schleifen der Sensorelemente von der Unterseite und optionales Plasmaätzen.

Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen - soweit technisch sinnvoll - beliebig miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

1: Sensorelement
2: Träger
3: Isolierende Schicht
4a,b: Elektrode
5: Elektrodenfinger
6: Endbereich
7: Funktionsschicht
8: Schutzschicht
9: Aussparung
10a,b: Kontaktpad
11: Oberseite des Trägers
12: Unterseite des Trägers
13: Oberfläche des Sensorelements
14: Oberseite der Funktionsschicht
15: Unterseite der Funktionsschicht
D: Dicke des Sensorelements
L: Kantenlänge des Trägers

Claims

Sensorelement (1) zur Messung einer Temperatur aufweisend - wenigstens einen Träger (2) mit einer Oberseite (11) und einer Unterseite (12), wobei die Oberseite (11) elektrisch isolierend ausgebildet ist, - wenigstens eine Funktionsschicht (7), welche ein Material mit einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstand aufweist, wobei die Funktionsschicht (7) auf dem Träger (2) angeordnet ist, - wenigstens zwei Elektroden (4a, 4b), wobei die Elektroden (4a, 4b) zueinander beabstandet auf dem Träger (2) ausgebildet sind, - wenigstens zwei Kontaktpads (10a, 10b) zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements (1), wobei jeweils ein Kontaktpad (10a, 10b) unmittelbar auf einem Teilbereich einer der Elektroden (4a, 4b) angeordnet ist, wobei das Sensorelement (1) dazu ausgebildet ist als diskretes Bauelement direkt in ein elektrisches System integriert zu werden.
Sensorelement (1) nach Anspruch 1, wobei die Funktionsschicht (7) die Oberseite (11) des Trägers (2) nur teilweise bedeckt.
Sensorelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine isolierende Schicht (3) unmittelbar auf der Oberseite (11) des Trägers (2) ausgebildet ist.
Sensorelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die jeweilige Elektrode (4a, 4b) als Dünnschicht-Elektrode ausgebildet ist.
Sensorelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die jeweilige Elektrode (4a, 4b) einen flächigen Endbereich (6) aufweist und wobei jeweils ein Kontaktpad (10a, 10b) auf dem flächigen Endbereich (6) einer der Elektroden (4a, 4b) angeordnet ist.
Sensorelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die jeweilige Elektrode (4a, 4b) eine Mehrzahl von Elektrodenfingern (5) aufweist, wobei die Elektrodenfinger (5) der beiden Elektroden (4a, 4b) alternierend zueinander angeordnet sind.
Sensorelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Elektroden (4a, 4b) unmittelbar auf einer Oberseite (14) der Funktionsschicht (7) ausgebildet sind.
Sensorelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Elektroden (4a, 4b) unmittelbar an einer Unterseite (15) der Funktionsschicht (7) angeordnet sind.
Sensorelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kontaktpads (10a, 10b) derart ausgebildet sind, dass sie über eine Oberfläche (13) des Sensorelements (1) herausragen.
Sensorelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Schutzschicht (8), wobei die Schutzschicht (8) eine Oberseite des Sensorelements (1) mit Ausnahme der Kontaktpads (10a, 10b) vollständig bedeckt.
Sensorelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Träger (2) Silicium, Siliciumcarbid oder Glas aufweist oder wobei der Träger (2) AlN oder Al₂O₃ als Trägermaterial aufweist.
Sensorelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Funktionsschicht (7) eine NTC Keramik basierend auf einem oxidischen Material im Perowskit oder Spinell Strukturtyp aufweist oder wobei die Funktionsschicht (7) eine NTC Keramik basierend auf einem carbidischen oder einem nitridischen Material aufweist, oder wobei die Funktionsschicht eine Dünnschicht aus Vanadiumoxid oder SiC aufweist.
Sensorelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Dicke (D) des Sensorelements (1) < 100 µm beträgt.
Sensorelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (1) zur direkten Integration in eine MEMS Struktur und/oder in eine SESUB Struktur ausgebildet ist.
Sensorelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Widerstand des Sensorelements (1) durch eine Geometrie der Funktionsschicht (7) und/oder der Elektroden (4a, 4b) eingestellt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements (1) aufweisend die folgenden Schritte: A) Bereitstellung eines Trägermaterials zur Ausbildung eines Trägers (2); B) Ausbilden einer elektrisch isolierenden Schicht (3) auf einer Oberseite (11) des Trägers (2); C) Ausbilden von wenigstens zwei Elektroden (4a, 4b) auf dem Träger (2); D) Aufbringen eines Funktionsmaterials auf einen Teilbereich der Elektroden (4a, 4b) zur Ausbildung einer Funktionsschicht (7) ; E) Sintern der Funktionsschicht (7); F) Aufbringen einer Schutzschicht (8) auf die Oberseite des Sensorelements, wobei die Schutzschicht (8) die Oberseite bis auf zwei Teilbereiche vollständig bedeckt, wobei die Teilbereiche über den flächigen Endbereichen der Elektroden angeordnet sind, auf die im nachfolgenden Prozessschritt die Kontaktpads aufgebracht werden können; G) Ausbilden von Kontaktpads (10a, 10b) in dem von der Schutzschicht freien Teilbereichen zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements (1); H) Trennen der Bauteile indem entweder mit einer Diamantsäge oder durch einen Plasmaätzschritt eingesägt wird, so dass die Bauteile nach diesem Schritt noch nicht final vereinzelt sind; I) Grinding der Sensorelemente von der Unterseite, wobei durch einen Schleifprozess von der Rückseite des Si-Wafers her Material bis zu einer definierten finalen Bauteildicke abgetragen wird, wodurch die Bauteile vereinzelt werden; J) optionales Plasmaätzen der heruntergeschliffenen Unterseite des Si-Wafer zur Reduktion von beispielsweise Mikrorissen.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei Schritt D) vor Schritt C) ausgeführt wird, und wobei die Elektroden (4a, 4b) unmittelbar auf einer Oberseite (14) der Funktionsschicht (7) ausgebildet werden.