DE102005048482A1 - Method for coating electrically insulating surfaces by CVD or PVD e.g. for materials research, involves forming micro-heating elements on ceramic substrate - Google Patents

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Abstract

A method for coating electrically insulating substrates by CVD or PVD, in which before the CVD- or PVD-coating process, micro-heating elements (2) are formed on a ceramic substrate (1) via/over which during the CVD- or PVD-coating process energy is released on the surface of the substrate to be coated. Independent claims are included for the following. (1) (A) A substrate coated by CVD or PVD and (2) (B) Application of substrates coated by CVD or PVD as micro-sensors or micro-actuators.

Description

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.The The invention relates to a method for the coating of electrical insulating surfaces by means of CVD (Chemical Vapor Deposit, Chemical Vapor Deposition) or PVD (Physical Vapor Deposition). It further relates to a CVD or PVD coated substrate with an electrically insulating surface and its use.

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.Miniaturized heating elements or micro heating elements are known as sensor elements and are used for example in the DE 196 45 613 A1 , of the DE 196 40 959 A1 and US 2003/0098771 A1.

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.The US 5,356,756 A describes the use of micro-heating elements for the production of a plurality of micro-samples of materials to be investigated, wherein a substrate is provided with a plurality of micro-heating elements, the temperature of which is individually controllable and then a layer of material is applied to this plurality of micro-heating elements, wherein one of the micro-heating elements go through the thermal cycle and a microprobe is applied to each micro heater. The "hotplate" structure consists of classical microsystem technology materials, such as crystalline silicon for the main body and, for example, SiO 2 for the membrane structure.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Beschichtung von elektrisch isolierenden Oberflächen mittels CVD oder PVD zu schaffen.task The invention is an improved process for coating of electrically insulating surfaces by CVD or PVD too create.

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.These Task is inventively characterized solved, that before the CVD or PVD coating process Micro heating elements are formed on a ceramic substrate, over the while the CVD or PVD coating process energy to be coated on the surface of the substrate is released.

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.The Invention is based on the finding that in the CVD or PVD the surface temperature a significant influence on the microstructure of the applied. Has coating. With the of the surface temperature dependent Degree of crystallinity (e.g., amorphous, polycrystalline, monocrystalline) can Material properties (e.g., electrical, mechanical and optical Sizes) within be varied over a wide range. By local variation of the surface temperature while of the CVD or PVD process can thus the microstructure of the deposited Layer affected become. Advantages of being on a ceramic substrate with very low thermal conductivity arranged micro heaters are in particular low heat losses in the substrate in the vertical direction (low heat output) and an increased local restriction in the lateral direction (with regard to the maskless method). In the field of micro heaters, the degree of crystallinity achieved is the one applied Coating higher than in the rest Areas.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß nach dem CVD- bzw. PVD-Beschichtungsvorgang die Oberfläche des Substrates einem Ätzschritt unterzogen wird.A Development of the invention is that after the CVD or PVD coating process the surface of the substrate an etching step is subjected.

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.There with the above-mentioned higher crystallinity in the range the micro heaters also the etch resistance of there applied coating increases, it is possible by a subsequent etching step the (amorphous or at least finer grained) coating in the remaining areas selectively remove.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Mikroheizelemente mittels Dünnfilmtechnologie oder mittels Dickfilmtechnologie hergestellt werden.According to the invention, it is provided that the micro heaters using thin-film technology or by thick film technology.

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.preferred Embodiments of the invention are that as a ceramic substrate a LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) or HTTC ceramic (High Temperature Cofired Ceramics).

Diese keramischen Werkstoffe zeichnen sich durch eine besonders geringe Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Silizium (Si: ~150 W/mK, LTTC: ~3 W/mK) aus.These Ceramic materials are characterized by a particularly low thermal conductivity compared to silicon (Si: ~ 150 W / mK, LTTC: ~ 3 W / mK).

Es ist vorteilhaft, daß die elektrische Verdrahtung für die Mikroheizelemente in das keramische Substrat integriert bzw. auf dessen Oberfläche angeordnet wird.It is advantageous that the electrical wiring for the micro-heating elements integrated into the ceramic substrate or arranged on the surface becomes.

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.By the integration of the electrical wiring in the form of printed conductors, which are integrated into the chemically stable substrate, it becomes possible, the Micro heaters from the back to join. Through this approach is an influence on the deposition process by on the front attached electrical connections, such as. Bonding wires, locked out. At the same time, the electrical wiring during the Deposition process and during later Operation of the device before e.g. protected against corrosive environment.

Eine weitere zweckmäßige Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß in das keramische Substrat eine Membranstruktur eingebracht wird.A further appropriate training the invention is that in the ceramic substrate is introduced into a membrane structure.

Diese Membranstruktur dient dazu, die Wärmeverluste während des Heizvorgangs der Mikroheizelemente zu reduzieren.These Membrane structure serves to reduce the heat losses during the To reduce heating of the micro heaters.

Weiterhin ist vorgesehen, daß vor dem CVD- bzw. PVD-Beschichtungsvorgang eine dielektrische Schicht auf der zu beschichtenden Oberfläche des Substrates angeordnet wird.Farther is provided that before the CVD or PVD coating process, a dielectric layer on the surface to be coated of the substrate is arranged.

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.to Invention belongs is also a CVD or PVD coated substrate with a electrically insulating surface, wherein the coating is applied to micro heaters, the are again arranged on a ceramic substrate.

Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, daß das keramische Substrat eine LTCC-Keramik (Low Temperature Cofired Ceramics) oder eine HTTC-Keramik (High Temperature Cofired Ceramics) ist.According to the invention here is provided that the ceramic substrate a LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) ceramic or HTTC (High Temperature Cofired Ceramics) ceramics.

Es ist zweckmäßig, daß die elektrische Verdrahtung für die Mikroheizelemente in das keramische Substrat integriert bzw. auf dessen Oberfläche angeordnet ist.It is appropriate that the electrical Wiring for the micro-heating elements integrated into the ceramic substrate or arranged on the surface is.

Es kann auch vorgesehen sein, daß in das keramische Substrat eine Membranstruktur eingebracht ist.It can also be provided that in the ceramic substrate has a membrane structure introduced.

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.Finally is it makes sense that between the provided with Mikroheizelementen surface of the ceramic substrate and the CVD or PVD deposited coating is a dielectric Layer is arranged.

Im Rahmen der Erfindung liegt weiterhin die Verwendung von erfindungsgemäßen mittels CVD oder PVD beschichteten Substraten als Mikrosensoren oder Mikroaktoren.in the The invention further provides the use of means according to the invention CVD or PVD coated substrates as microsensors or microactuators.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung beschrieben.following is an embodiment of Invention described with reference to a drawing.

Es zeigtIt shows

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. 1 a schematic representation of a device according to the invention.

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.How out 1 it can be seen on a ceramic substrate 1 which preferably consists of LTTC (Low Temperature Cofired Ceramics) or HTTC (High Temperature Cofired Ceramics), preferably in thin or in thick film technology made micro heaters 2 arranged and the electrical wiring 3 in multilayer technology on the surface of the ceramic substrate 1 executed or in the ceramic substrate 1 integrated. In this way, the control of the micro heaters 2 from the back (the side on which the micro heaters 2 are arranged, averted) ago done.

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.On the micro heaters 2 , optionally also the ceramic substrate 1 and the wiring arranged on this 3 for the micro heaters 2 , may be an additional dielectric layer 5 , eg of SiO 2 ) may be applied.

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.During the illustrated application of a coating 4 As part of a CVD or PVD coating process is on the surface using the micro heaters 2 produces a locally different temperature profile. In the field of micro heaters 2 Due to the higher surface temperatures prevailing there and the associated higher surface mobility of the coating atoms applied by means of CVD or PVD, this tends to produce a crystalline crystalline microstructure of the coating 4 generated while outside the micro heaters 2 a more amorphous or at least less crystalline microstructure is present.

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.There fine-grained Phases due to the larger number of grain boundaries and defects show a higher etch rate than the corresponding one crystalline phase, is the etch sensitivity of the former higher, so that it possible in an (e.g., aqueous) etching step the coating outside remove the micro heaters and those on the micro heaters to leave. It is possible in this way, a maskless surface structuring using CVD or PVD method.

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.The micro heaters 2 can also after applying the coating 4 be used to the required temperature, eg for a gas sensor, based on a metal oxide based thin film element. In addition, for this purpose, in the present case in the ceramic substrate, a membrane structure 6 introduced to minimize the thermal losses of the device.

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.In addition to the use as a sensor (pressure sensor, temperature sensor, etc.), the structure produced can also be used in the microactuator, since the structure generated by the micro heaters 2 can be heated cyclically. Due to the temperature effect on the microstructure of the coating, a deformation of the surface is achieved, for example via a phase change of a shape memory alloy, which can be used, for example, as a pumping movement.

Claims (13)

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.Process for the coating of electrically insulating substrates by means of CVD (Chemical Vapor Depositon) or PVD (Physical Vapor Deposition), characterized in that micro-heating elements (12) are heated before the CVD or PVD coating process. 2 ) on a ceramic substrate ( 1 ) are formed, through which during the CVD or PVD coating process energy is released on the surface to be coated of the substrate. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem CVD- bzw. PVD-Beschichtungsvorgang die Oberfläche des Substrates (1) einem Ätzschritt unterzogen wird.Process according to Claim 1, characterized in that after the CVD or PVD coating process, the surface of the substrate ( 1 ) is subjected to an etching step. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroheizelemente (2) mittels Dünnfilmtechnologie oder mittels Dickfilmtechnologie hergestellt werden.Process according to Claim 1, characterized in that the micro-heating elements ( 2 ) are produced by thin film technology or by thick film technology. 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.Process according to claim 1, characterized in that as a ceramic substrate ( 1 ) LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) or HTTC (High Temperature Cofired Ceramics) ceramics are used. 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.Method according to claim 1, characterized in that the electrical wiring ( 3 ) for the micro heaters ( 2 ) in the ceramic substrate ( 1 ) is integrated or arranged on the surface. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in das keramische Substrat (1) eine Membranstruktur (6) eingebracht wird.Process according to Claim 1, characterized in that the ceramic substrate ( 1 ) a membrane structure ( 6 ) is introduced. 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.Method according to one of the preceding claims, characterized in that, prior to the CVD or PVD coating process, a dielectric layer ( 5 ) on the surface of the substrate to be coated ( 1 ) is arranged. 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.CVD or PVD coated substrate having an electrically insulating surface, characterized in that the coating ( 4 ) on micro heaters ( 2 ), which in turn is supported on a ceramic substrate ( 1 ) are arranged. 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.Substrate according to Claim 8, characterized in that the ceramic substrate ( 1 ) is LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) or HTTC (High Temperature Cofired Ceramics) ceramics. 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.Substrate according to Claim 8, characterized in that the electrical wiring ( 3 ) for the micro heaters ( 2 ) in the ceramic substrate ( 1 ) is integrated or arranged on the surface. Substrat gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in das keramische Substrat (1) eine Membranstruktur (6) eingebracht ist.Substrate according to claim 8, characterized in that in the ceramic substrate ( 1 ) a membrane structure ( 6 ) is introduced. 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.Substrate according to claim 8, characterized in that between the micro heating elements ( 2 ) provided surface of the ceramic substrate ( 1 ) and the CVD or PVD applied coating ( 4 ) a dielectric layer ( 5 ) is arranged. Verwendung von erfindungsgemäßen mittels CVD oder PVD beschichteten Substraten gemäß den Patentansprüchen 8 bis 12 als Mikrosensoren oder Mikroaktoren.Use of inventive by CVD or PVD coated Substrates according to claims 8 to 12 as microsensors or microactuators.
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