PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102005048482A1 12.04.2007
Titel Verfahren zur Beschichtung von elektrisch isolierenden Oberflächen und beschichtetes Substrat
Anmelder Universität des Saarlandes, 66123 Saarbrücken, DE
Erfinder Seidel, Helmut, Prof. Dr.rer.nat., 82319 Starnberg, DE;
Schmid, Ulrich, Dr.rer.nat., 66125 Saarbrücken, DE;
Solzbacher, Florian, Prof. Dr., Slc, Utah, US
Vertreter Patentanwaltskanzlei Vièl & Wieske, 66119 Saarbrücken
DE-Anmeldedatum 07.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005048482
Offenlegungstag 12.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2007
IPC-Hauptklasse C23C 16/46(2006.01)A, F, I, 20051007, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C23C 16/02(2006.01)A, L, I, 20051007, B, H, DE   C23C 14/26(2006.01)A, L, I, 20051007, B, H, DE   H01L 21/31(2006.01)A, L, I, 20051007, B, H, DE   B81B 1/00(2006.01)A, L, I, 20051007, B, H, DE   B81C 5/00(2006.01)A, L, I, 20051007, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von elektrisch isolierenden Oberflächen mittels CVD (Chemical Vapour Deposition, chemische Dampfphasenabscheidung) oder PVD (Physical Vapour Deposition, physikalische Dampfphasenabscheidung). Sie betrifft weiterhin ein mittels CVD oder PVD beschichtetes Substrat mit einer elektrisch isolierenden Oberfläche und dessen Verwendung.
Um ein verbessertes Verfahren zur Beschichtung von elektrisch isolierenden Oberflächen mittels CVD oder PVD zu schaffen, wird im Rahmen der Erfindung vorgeschlagen, daß vor dem CVD- bzw. PVD-Beschichtungsvorgang Mikroheizelemente auf einem keramischen Substrat ausgebildet werden, über die während des CVD- bzw. PVD-Beschichtungsvorgangs Energie auf der zu beschichtenden Oberfläche des Substrates freigesetzt wird.
Durch lokale Variation der Oberflächentemperatur während des CVD- bzw. PVD-Prozesses kann somit die Mikrostruktur der abgeschiedenen Schicht beeinflußt werden, wodurch eine Ätzselektivität erzeugt wird. Durch Integration der elektrischen Zuleitungen in den keramischen Grundkörpern beeinflussen diese den Abscheidevorgang nicht und werden ferner ausreichend vor Umwelteinflüssen geschützt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von elektrisch isolierenden Oberflächen mittels CVD (Chemical Vapour Depositon, chemische Dampfphasenabscheidung) oder PVD (Physical Vapour Deposition, physikalische Dampfphasenabscheidung). Sie betrifft weiterhin ein mittels CVD oder PVD beschichtetes Substrat mit einer elektrisch isolierenden Oberfläche und dessen Verwendung.

Miniaturisierte Heizelemente oder Mikroheizelemente sind als Sensorelemente bekannt und werden beispielsweise in der DE 196 45 613 A1, der DE 196 40 959 A1 sowie der US 2003/0098771 A1 beschrieben.

Die US 5,356,756 A beschreibt die Verwendung von Mikroheizelementen für die Herstellung einer Vielzahl von Mikroproben von zu untersuchenden Materialien, wobei ein Substrat mit einer Vielzahl von Mikroheizelementen versehen wird, deren Temperatur individuell steuerbar ist und anschließend eine Materialschicht auf diese Vielzahl von Mikroheizelementen aufgebracht wird, wobei einzelne der Mikroheizelemente einen thermischen Zyklus durchlaufen und auf jedem Mikroheizelement eine Mikroprobe aufgebracht wird. Die "Hotplate"-Struktur besteht aus klassischen Materialien der Mikrosystemtechnik, wie kristallinem Silizium für den Grundkörper und z.B. SiO2 für die Membranstruktur.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Beschichtung von elektrisch isolierenden Oberflächen mittels CVD oder PVD zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß vor dem CVD- bzw. PVD-Beschichtungsvorgang Mikroheizelemente auf einem keramischen Substrat ausgebildet werden, über die während des CVD- bzw. PVD-Beschichtungsvorgangs Energie auf der zu beschichtenden Oberfläche des Substrates freigesetzt wird.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß bei der CVD oder PVD die Oberflächentemperatur einen bedeutenden Einfluß auf die Mikrostruktur der aufgebrachten. Beschichtung hat. Mit dem von der Oberflächentemperatur abhängigen Kristallisationsgrad (z.B. amorph, polykristallin, monokristallin) können Materialeigenschaften (z.B. elektrische, mechanische und optische Größen) innerhalb eines weiten Bereiches variiert werden. Durch lokale Variation der Oberflächentemperatur während des CVD- bzw. PVD-Prozesses kann somit die Mikrostruktur der abgeschiedenen Schicht beeinflußt werden. Vorteile der auf einem keramischen Substrat mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit angeordneten Mikroheizelemente sind insbesondere geringe Wärmeverluste in das Substrat in vertikaler Richtung (geringe Heizleistung) und eine erhöhte örtliche Beschränkung in lateraler Richtung (im Hinblick auf das maskenlose Verfahren). Im Bereich der Mikroheizelemente ist der erzielte Grad der Kristallinität der aufgebrachten Beschichtung höher als in den übrigen Bereichen.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß nach dem CVD- bzw. PVD-Beschichtungsvorgang die Oberfläche des Substrates einem Ätzschritt unterzogen wird.

Da mit der oben angesprochenen höheren Kristallinität im Bereich der Mikroheizelemente auch die Ätzresistivität der dort aufgebrachten Beschichtung ansteigt, ist es möglich, durch einen nachfolgenden Ätzschritt die (amorphe oder zumindest feinkörnigere) Beschichtung in den übrigen Bereichen selektiv zu entfernen.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Mikroheizelemente mittels Dünnfilmtechnologie oder mittels Dickfilmtechnologie hergestellt werden.

Bevorzugte Ausbildungen der Erfindung bestehen darin, daß als keramisches Substrat eine LTCC-Keramik (Low Temperature Cofired Ceramics) oder eine HTTC-Keramik (High Temperature Cofired Ceramics) verwendet wird.

Diese keramischen Werkstoffe zeichnen sich durch eine besonders geringe Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Silizium (Si: ~150 W/mK, LTTC: ~3 W/mK) aus.

Es ist vorteilhaft, daß die elektrische Verdrahtung für die Mikroheizelemente in das keramische Substrat integriert bzw. auf dessen Oberfläche angeordnet wird.

Durch die Integration der elektrischen Verdrahtung in Form von Leiterbahnen, welche in das chemisch stabile Substrat integriert sind, wird es möglich, die Mikroheizelemente von der Rückseite her anzuschließen. Durch diesen Lösungsansatz wird eine Beeinflussung des Abscheidevorgangs durch auf der Vorderseite angebrachte elektrische Anschlüsse, wie z.B. Bonddrähte, ausgeschlossen. Gleichzeitig wird die elektrische Verdrahtung während des Abscheidevorgangs und während des späteren Betriebs des Bauelementes vor z.B. korrosiver Umgebung geschützt.

Eine weitere zweckmäßige Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß in das keramische Substrat eine Membranstruktur eingebracht wird.

Diese Membranstruktur dient dazu, die Wärmeverluste während des Heizvorgangs der Mikroheizelemente zu reduzieren.

Weiterhin ist vorgesehen, daß vor dem CVD- bzw. PVD-Beschichtungsvorgang eine dielektrische Schicht auf der zu beschichtenden Oberfläche des Substrates angeordnet wird.

Zur Erfindung gehörig ist auch ein mittels CVD oder PVD beschichtetes Substrat mit einer elektrisch isolierenden Oberfläche, wobei die Beschichtung auf Mikroheizelemente aufgebracht ist, die wiederum auf einem keramischen Substrat angeordnet sind.

Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, daß das keramische Substrat eine LTCC-Keramik (Low Temperature Cofired Ceramics) oder eine HTTC-Keramik (High Temperature Cofired Ceramics) ist.

Es ist zweckmäßig, daß die elektrische Verdrahtung für die Mikroheizelemente in das keramische Substrat integriert bzw. auf dessen Oberfläche angeordnet ist.

Es kann auch vorgesehen sein, daß in das keramische Substrat eine Membranstruktur eingebracht ist.

Schließlich ist es sinnvoll, daß zwischen der mit Mikroheizelementen versehenen Oberfläche des keramischen Substrates und der mittels CVD oder PVD aufgebrachten Beschichtung eine dielektrischen Schicht angeordnet ist.

Im Rahmen der Erfindung liegt weiterhin die Verwendung von erfindungsgemäßen mittels CVD oder PVD beschichteten Substraten als Mikrosensoren oder Mikroaktoren.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung beschrieben.

Es zeigt

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Wie aus 1 ersichtlich ist, wird auf einem keramischen Substrat 1, das vorzugsweise aus LTTC (Low Temperature Cofired Ceramics) oder HTTC (High Temperature Cofired Ceramics) besteht, vorzugsweise in Dünn- oder in Dickfilmtechnologie hergestellte Mikroheizelemente 2 angeordnet und die elektrische Verdrahtung 3 in Multilayertechnologie auf der Oberfläche des keramischen Substrates 1 ausgeführt oder in das keramische Substrat 1 integriert. Auf diese Weise kann die Ansteuerung der Mikroheizelemente 2 von der Rückseite (die der Seite, auf der die Mikroheizelemente 2 angeordnet sind, abgewandt ist) her erfolgen.

Auf die Mikroheizelemente 2, ggf. auch das keramische Substrat 1 und die auf diesem angeordneten Verdrahtung 3 für die Mikroheizelemente 2, kann eine zusätzliche dielektrische Schicht 5, z.B. aus SiO2) aufgebracht sein.

Während des dargestellten Aufbringen einer Beschichtung 4 im Rahmen eines CVD- bzw. PVD-Beschichtungsvorgangs wird auf der Oberfläche mit Hilfe der Mikroheizelemente 2 ein lokal unterschiedliches Temperaturprofil erzeugt. Im Bereich der Mikroheizelemente 2 wird aufgrund der dort herrschenden höheren Oberflächentemperaturen und der damit verbundenen höheren Oberflächenmobilität der mittels CVD oder PVD aufgebrachten Beschichtungsatome eine tendentiell kristalline Mikrostruktur der Beschichtung 4 erzeugt, während außerhalb der Mikroheizelemente 2 eine eher amorphe oder zumindest weniger kristalline Mikrostruktur vorliegt.

Da feinkörnigere Phasen aufgrund der größeren Anzahl von Korngrenzen und Defekten eine höhere Ätzrate zeigen als die entsprechende kristalline Phase, ist die Ätzsensibilität der ersteren höher, so daß es möglich ist, in einem (z.B. wäßrigen) Ätzschritt die Beschichtung außerhalb der Mikroheizelemente zu entfernen und diejenige auf den Mikroheizelemente zu belassen. Es wird auf diese Weise möglich, eine maskenlose Oberflächenstrukturierung mittels CVD- bzw. PVD-Verfahren durchzuführen.

Die Mikroheizelemente 2 können auch nach dem Aufbringen der Beschichtung 4 verwendet werden, um die erforderliche Temperatur, z.B. für einen Gassensor, basiert auf einem Dünnschichtelement auf Metalloxidbasis. Zusätzlich ist zu diesem Zweck im vorliegenden Fall in das keramische Substrat eine Membranstruktur 6 eingebracht, um die thermischen Verluste der Vorrichtung zu minimieren.

Neben der Verwendung als Sensor (Drucksensor, Temperatursensor, etc.) kann die erzeugte Struktur auch in der Mikroaktorik verwendet werden, da die erzeugte Struktur über die Mikroheizelemente 2 zyklisch aufgeheizt werden kann. Durch den Temperatureffekt auf die Mikrostruktur der Beschichtung wird z.B. über eine Phasenänderung einer Formgedächtnislegierung eine Verformung der Oberfläche erzielt, welche beispielsweise als Pumpbewegung verwendet werden kann.


Anspruch[de]
Verfahren zur Beschichtung von elektrisch isolierenden Substraten mittels CVD (Chemical Vapour Depositon) oder PVD (Physical Vapour Deposition), dadurch gekennzeichnet, daß vor dem CVD- bzw. PVD-Beschichtungsvorgang Mikroheizelemente (2) auf einem keramischen Substrat (1) ausgebildet werden, über die während des CVD- bzw. PVD-Beschichtungsvorgangs Energie auf der zu beschichtenden Oberfläche des Substrates freigesetzt wird. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem CVD- bzw. PVD-Beschichtungsvorgang die Oberfläche des Substrates (1) einem Ätzschritt unterzogen wird. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroheizelemente (2) mittels Dünnfilmtechnologie oder mittels Dickfilmtechnologie hergestellt werden. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als keramisches Substrat (1) eine LTCC-Keramik (Low Temperature Cofired Ceramics) oder eine HTTC-Keramik (High Temperature Cofired Ceramics) verwendet wird. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Verdrahtung (3) für die Mikroheizelemente (2) in das keramische Substrat (1) integriert bzw. auf dessen Oberfläche angeordnet wird. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in das keramische Substrat (1) eine Membranstruktur (6) eingebracht wird. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem CVD- bzw. PVD-Beschichtungsvorgang eine dielektrische Schicht (5) auf der zu beschichtenden Oberfläche des Substrates (1) angeordnet wird. Mittels CVD oder PVD beschichtetes Substrat mit einer elektrisch isolierenden Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (4) auf Mikroheizelemente (2) aufgebracht ist, die wiederum auf einem keramischen Substrat (1) angeordnet sind. Substrat gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Substrat (1) eine LTCC-Keramik (Low Temperature Cofired Ceramics) oder eine HTTC-Keramik (High Temperature Cofired Ceramics) ist. Substrat gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Verdrahtung (3) für die Mikroheizelemente (2) in das keramische Substrat (1) integriert bzw. auf dessen Oberfläche angeordnet ist. Substrat gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in das keramische Substrat (1) eine Membranstruktur (6) eingebracht ist. Substrat gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der mit Mikroheizelementen (2) versehenen Oberfläche des keramischen Substrates (1) und der mittels CVD oder PVD aufgebrachten Beschichtung (4) eine dielektrischen Schicht (5) angeordnet ist. Verwendung von erfindungsgemäßen mittels CVD oder PVD beschichteten Substraten gemäß den Patentansprüchen 8 bis 12 als Mikrosensoren oder Mikroaktoren.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com