DE19753642C2

DE19753642C2 - Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Widerstands

Info

Publication number: DE19753642C2
Application number: DE19753642A
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Wienand; Karlheinz Ullrich; Margit Sander; Stefan Dietmann
Original assignee: Heraeus Electro Nite International NV
Current assignee: Heraeus Electro Nite International NV
Priority date: 1996-12-10
Filing date: 1997-12-04
Publication date: 2002-02-28
Anticipated expiration: 2017-12-05
Also published as: US6159386A; EP0944816A1; WO1998026260A1; DE19753642A1; JP2001510562A; TW375744B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Widerstandes, insbeson dere Meßwiderstandes für einen schnell ansprechenden Temperatursensor.

Aus der DE 40 07 129 C2 ist ein elektrischer Widerstand, insbesondere ein Temperatursensor, mit einer auf einem elektrisch isolierenden und eine geringe Strahlungsabsorption aufweisen den Substrat in Mäanderform aufgebrachten elektrisch leitenden Schicht bekannt, deren beide Endpunkte an eine Meßwerkschaltung anschließbar sind, wobei die elektrisch leitende Schicht eine Vielzahl von mäanderförmigen Leiterbahnen in einem Meßfenster umfaßt; dabei steht die Gesamtoberfläche der Leiterbahnen in einer Projektion auf die Ebene des Substrates zu der Oberfläche des Meßfensters in einem Deckungsverhältnis von < 20%, wobei die Summe der Oberflächen des Meßfensters und des das Meßfenster umgebenden Meßfensterrahmens zu der das Substrat im Meßfensterbereich umrandenden Randoberfläche in einem Flächenver hältnis von < 4 : 1 steht. Die Leiterbahn ist mit wenigstens zwei Anschluß-Kontaktfeldern verse hen, wobei ein Teil der Leiterbahn wenigstens eine Ausnehmung des Substrats brückenartig überspannt; die Leiterbahn ist in einer Ebene angeordnet. Das Substrat besteht aus Glas oder Quarz, wobei die Leiterbahn im Randbereich des Substrats zur Ausnehmung benachbart auf der elektrisch isolierenden Oberfläche des Substrats befestigt ist.

Der Temperatursensor soll möglichst genaue Messungen im Temperaturbereich von -80° bis +50°C ohne zusätzliche Strahlungskorrektur - beispielsweise beim Einsatz in Wetter sonden - zulassen.

Der Aufbau des Messwiderstandes ist verhältnismäßig aufwendig.

Aus der DE 30 15 356 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung von Schichten auf einem hochtem peraturbeständigen Substrat aus Keramik mit Hilfe der Dickschichttechnologie bekannt, wobei eine Paste im Siebdruckverfahren aufgebracht wird, deren aktiver Bestandteil aus Glaskeramik und/oder kristallisierenden Gläsern und einer Glasfritte besteht, wobei die Paste anschließend eingebrannt wird. Auf einer Fläche des Substrats, über der eine Schicht freitragend angebracht werden soll, wird zunächst ein unter Temperatureinwirkung vergasbarer Füllstoff aufgebracht und unter Schutzgasatmosphäre auf seine endgültige Dicke zusammengesintert. Anschließend wird zur Bildung der freitragenden Schicht auf den Füllstoff eine Paste mittels Siebdruck aufge tragen, wobei die Paste den Füllstoff mindestens teilweise überdeckt und wenigstens einem Teil der Schichtfläche auf dem Substrat aufliegt. Anschließend wird in einem ersten Brennprozeß zunächst die Paste unter Schutzgasatmosphäre zu einer festen Masse gesintert und in einem zweiten Brennprozeß in oxydierender Atmosphäre der Füllstoff vergast oder verbrannt.

Aus der US 48 95 616 ist ein Mikrobrückenluftstromsensor bekannt, der eine Ausnehmung un terhalb eines Silikonnitriddiaphragmas aufweist, so daß die Ausnehmung nicht für Kontaminati on zugänglich ist. Die Ausnehmung isoliert thermisch Heizelement und Detektoren, die inner halb des Diaphragmas eingekapselt sind. Die Ausnehmung wird durch frontseitiges Ätzen eines Silikonsubstrats hergestellt.

Weiterhin ist aus der US 55 42 558 A ein Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Komponenten bekannt, bei denen eine Struktur auf einer Siliziumschicht hergestellt ist, die in einem weiteren Schritt unterschnitten wird. Das Silizium ist selektiv anullisiert, um die Unter schneidungsoperation durchzuführen. Das Verfahren ermöglicht so die Herstellung von mikro mechanischen Komponenten und kann in die Herstellung von bipolaren Schaltkreiselementen integriert werden.

Aus der DE 39 27 735 A1 ist eine Temperaturmeßanordnung (Strahlungsthermometer) mit ei nem temperaturempfindlichen Dünnschichtwiderstand bekannt, der maänderförmig auf eine Kunststoffolie aufgebracht ist, die über eine Höhlung eines Substratmaterials gespannt ist; als Substrat ist eine Leiterplatte bzw. ein Träger aus Epoxidharz vorgesehen.

Eine solche Temperaturmeßanordnung ist aufgrund der geringen thermischen Belastbarkeit von Kunstharz nur zum Einsatz in einer Umgebung mit Temperaturen unterhalb von 200°C geeig net.

Weiterhin ist aus der DE-OS 23 02 615 ein temperaturabhängiger elektrischer Widerstand aus Widerstandsmaterial, das als dünne Schicht eine gewundene Leiterbahn bildet, die auf einer dünnen Folie aufgebracht ist, bekannt; die aus polymerem Kunststoff bestehende Folie über spannt mit ihrer unbeschichteten Seite eine Ausnehmung in einem Trägerkörper, der beispiels weise aus Kupfer besteht, wobei die Ausnehmung die gleiche Form hat wie die Leiterbahn und in Richtung senkrecht zur Folienebene gesehen mit ihr fluchtet; es handelt sich hierbei um eine Temperatur-Meßanordnung, die einen hohen technischen Aufwand für die erforderliche präzise Überdeckung von Leiterbahn und Aussparung erfordert.

Weiterhin ist aus der DE 38 29 765 A1 bzw. der US 49 06 965 ein Platin-Temperatursensor bekannt, bei dem eine Platin-Widerstandsbahn mit wenigstens zwei Enden auf einer Oberfläche wenigstens eines Keramik-Substrats aufgebracht ist; zur Herstellung wird eine Platin-Leiterbahn in Form eines Mäander-Zickzackmusters auf die innere Oberfläche eines Keramikblatts aufge tragen, und anschließend zu einer Rolle geformt, wobei auch Brüche mit Justierbrücken zwi schen benachbarten Punkten des Leiterbahnmusters zwecks Justie-rung vorgesehen sind. Das Keramik-Substrat wird zusammen mit dem aufgetragenen Platin-Widerstand gebrannt. Der Pla tinwiderstand ist durch Abdichtungsmaßnahmen gegenüber der Umgebungsatmosphäre und Feuchtigkeit resistent. Zusätzlich werden nach der Einjustierung auch die hierfür erforderlichen Durchführungsöffnungen und Leitungen mittels Keramik-Beschichtung oder Glaspaste abge dichtet.

Als problematisch erweisen sich bei einer solchen Anordnung die verhältnismäßig hohe Wär mekapazität, welche ein rasches Ansprechen bei plötzlichen Temperaturänderungen nicht ohne weiteres ermöglicht und einen exakten Meßwert erst nach Ablauf einer Übergangsfunktion wie dergibt.

Eine weitere Ausführungsform eines Widerstandselements als schnellen Temperaturfühler ist aus der DE 38 29 195 A1 bekannt; dabei ist das Widerstandselement als Schichtwiderstand aus Platin-Paste ausgebildet, der in einer aus Glaskeramik bestehenden Blase untergebracht ist, welche auf einem elektrisch isolierenden Keramik-Substrat aufgewölbt ist.

Als problematisch ist hierbei die freitragend gewölbte Widerstandsschicht im Hinblick auf me chanische Belastungen wie z. B. Stoß, Druck oder Vibration bei Anwendungen in rauher Umge bung zu sehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen von gegenüber äußeren mechani schen Belastungen unempfindlichen Widerständen schnellansprechender Temperatursensoren anzugeben, die sich insbesondere als Sensoren für sich rasch ändernde Temperaturen in Gasmassen in Temperatur-Bereich von -100 bis +800°C geeignet sind. Weiterhin sollen mit derartig hergestellten Temperatursensoren schnelle Gasmassenmesser mit Mikro-Strukturen aufgebaut werden, deren Reaktion im Millisekunden-Bereich liegt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach einem ersten Verfahren dadurch gelöst, daß in ein Substrat aus Keramik eine Ausnehmung eingebracht wird, diese mit Füllmaterialien aus Glas pasten, Glaskeramik, Glaslot, Silber, Indium, Nickel oder einer Silber-Nickel-Legierung ausge füllt und die so entstandene Füllung mit einer äußeren Oberfläche des Substrats eingeebnet wird, daß anschließend eine Leiterbahn aus Platin oder Gold auf wenigstens einen Teil der e lektrisch isolierend ausgebildeten Substrat-Oberfläche aufgebracht wird, und daß anschließend das Füllmaterial weggeätzt wird, so daß die Leiterbahn die Ausnehmung in einer Ebene brü ckenartig überspannt.

Hierbei erweist es als besonders vorteilhaft, Indium als Füllmaterial einzusetzen, da es sich sehr leicht einebnen läßt und mittels einer Mischung aus: 45 g/l Ce (SO₄)₂, 160 g/l HNO₃, 80 g/l H₂SO₄ bei einer Temperatur von vorzugsweise 60°C chemisch entfernen läßt.

Bei einem solchermaßen hergestellten Widerstand ist die Leiterbahn wenigstens im Bereich der Ausnehmung in Form eines Mäanders ausgebildet, wobei die jeweiligen Umkehrbereiche des Mäanders im Randbereich der Ausnehmung auf der elektrisch isolierenden Oberfläche des Substrats befestigt sind; dabei überspannen Zwischenstege des Mäanders die Ausnehmung brückenartig; die Leiterbahn besteht in einer der bevorzugten Ausführungsformen aus einer Platinschicht/Pt-Folie, die eine Dicke im Bereich von 1 bis 6 µm, vorzugsweise 2,5 µm aufweist.

Dabei erweist es sich als besonders vorteilhaft, daß aufgrund der massearmen Struktur das Sensor-Signal nahezu trägheitslos den sich rasch ändernden Meßparametern folgt.

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung der Widerstandsanordnung besteht die Leiterbahn aus einer Gold-Schicht, wobei die Gold-Schicht eine Dicke im Bereich von 1 µm bis 8 µm, vorzugsweise 2 µm bis 3 µm aufweist. Die Herstellung einer strukturierten Goldschicht erweist sich als vorteilhaft, da galvanische Abscheideverfahren selbst für feine Strukturen nach verschiedenen Verfahren Stand der Technik sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach einem zweiten Verfahren dadurch gelöst, daß in ein Substrat aus Keramik eine Ausnehmung eingebracht wird, diese mit Füllmaterialien aus Glas pasten, Glaskeramik, Glaslot, Silber, Indium, Nickel oder einer Silber-Nickel-Legierung ausge füllt und die so entstandene Füllung mit der Außenoberfläche des Substrats eingeebnet wird, daß anschließend eine ebene Membran im Siebdruck- oder im Dünnschicht-Verfahren auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht wird, daß darauf folgend eine Leiterbahn aus Platin oder Gold galvanisch oder im Dünnschicht-Verfahren auf die Membran aufgebracht wird, und an schließend eine strukturierte Abdeckschicht wenigstens teilweise auf die Leiterbahn aufge bracht und zum Schluß das in der Ausnehmung befindliche Füllmaterial weggeätzt wird. Auch hierbei erweist sich der Einsatz von Indium als Füllmaterial bestens geeignet.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die Membran im Siebdruck-Verfahren als Glas-Membran oder im Dünnschicht-Verfahren als Dünnfilm-Membran aus SiO auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht; somit können vorteilhafterweise übliche Beschichtungs techniken eingesetzt werden; darüber hinaus wird auch die strukturierte Abdeckschicht im Siebdruck-Verfahren als Glas oder im Dünnschicht-Verfahren als Dünnfilmschicht aus SiO auf die Leiterbahn aufgebracht.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Ausnehmung im Tiefenbereich von 20% bis 60% der Dicke des Substrats durch Sägen eingebracht. Es ist jedoch auch mög lich, die Ausnehmung durch Laserbestrahlung auszuschneiden, so daß sie die ganze Substrat dicke umfaßt; ein solches Verfahren ist vorteilhafterweise für eine serienmäßige Fertigung von Widerständen mit geringer Exemplastreuung einzusetzen, da der später erfolgende chemische Ätzangriff zum Entfernen des Füllmaterials sehr schonend (von rückwärts) erfolgen kann.

Vorzugsweise werden Glaspasten mit annähernd dem gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie beim Substrat als Abdeckschicht auf Leiterbahn und Substrat aufgebracht und mit einer Tempe ratur im Bereich von 500°C bis 1.000°C, insbesondere von 850°C bis 920°C, in einem Durch laufofen während eines Zeitraumes von ca. 20 Minuten eingebrannt. Als vorteilhaft erweist sich dabei die verhältnismäßig einfache serienmäßige Fertigung.

Weiterhin wird vorzugsweise die Leiterbahn im Dünnschicht-Verfahren aufgebracht und mittels Fotolithografie, Ionenätzen und Entfernung von Photolack strukturiert; dabei erweist es sich als vorteilhaft, daß eine hohe Präzision des Widerstandes erzielt werden kann.

Es ist jedoch auch möglich, die Leiterbahn auf einer vorher aufgebrachten Metallelektrode gal vanisch in einem Resistkanal abzuscheiden und die Metallelektrode am Schluß chemisch oder per Trockenätzverfahren zu entfernen; dabei erweist es sich als vorteilhaft, daß dieses Verfah ren bei niedrigen Temperaturen ablaufen kann, so daß eine Rißbildung zwischen eingeebnetem Füllmaterial und Substrat verhindert wird. Alternativ können die Leiterbahnen durch das PVD- Verfahren mit Pt gefüllt und per Lift-Off-Technik anschließend separiert werden.

Bei Aufbringung der elektrischen Leiterbahn auf eine die Ausnehmung wenigstens teilweise überdeckenden plattenförmigen Membran gemäß dem zweiten Verfahren weist die Membran eine Dicke im Bereich von 1 µm bis 50 µm auf.

Hierbei erweist sich die erhöhte Stabilität der Leiterbahn als vorteilhaft, wie sie insbesondere bei starker mechanischer Beanspruchung - z. B. Vibration - gefordert sein kann.

Die Membran besteht entweder aus einer Glasschicht, die eine Dicke zwischen 10 µm und 50 µm aufweist, oder sie besteht vorzugsweise aus einer SiO oder TiO2-Schicht, aufgebracht in einem Dünnschicht-Verfahren, wobei sie eine Dicke zwischen 1 µm und 10 µm, vorzugsweise eine Dicke von 2 µm aufweist. Aufgrund der verhältnismäßig dünnen Membran ist vorteilhaft erweise eine geringe thermische Trägheit und somit eine rasche Ansprechbarkeit gewährleistet.

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung eines Widerstandes wird die Leiterbahn auf dem Substrat mit einer Abdeckschicht aus einem elekrisch isolierenden Werk stoff versehen, die eine Dicke im Bereich von 1 µm bis 50 µm aufweist; hierdurch ist die Leiter bahn insbesondere in aggressiver Umgebung geschützt, so daß sich die Langzeit-Stabilität er höht. Die Abdeckschicht der Leiterbahn besteht entweder aus Glas mit einer Dicke der Glasab deckschicht im Bereich zwischen 10 µm und 50 µm oder aus einer mitteles Dünnschicht- Verfahren aufgebrachten Schicht, wobei die Abdeckschicht vorteilhafterweise aus einer SiO- Schicht besteht, die eine Dicke von 1 µm bis 10 µm, vorzugsweise eine Dicke von 2 µm auf weist.

Aufgrund der verhältnismäßig dünnen Abdeckschicht ist eine rasche Ansprechbarkeit als Tem peratur-Meßwiderstand gegeben, wobei dessen Außen-Oberfläche gegen Eingriffe aus der Umgebungs-Atmosphäre geschützt ist.

Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Fig. 1 bis 8 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine erste bevorzugte Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung;

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Längsachse nach Fig. 1 entlang der Linie AB gemäß Fig. 1;

Fig. 3 zeigt einen nach einem alternativen Verfahren hergestellten Widerstand, bei dem die Ausnehmung per Laserschnitt in das Keramik-Substrat eingebracht wurde;

Fig. 4 zeigt in perspektivischer Darstellung eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Er findung, bei der die Platinstruktur des Meßwiderstandes auf einer Membran aufgebracht ist, die sich auf der Oberfläche des Substrats befindet;

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch die Längsachse der Figur entlang der Linie CD;

Fig. 6 zeigt den zeitlichen Verlauf des Spannungsanstieges (Spannung U als Funktion der Zeit t), wobei der Sensor mit einem Strom von 0,07 A beaufschlagt wird; die Zeitskala beträgt für die Kurven (a) und (b) 0,5 ms/div bzw. Teilstrich, für Kurve (c) 5 ms/div und für Kurve (d) 5 s/div.

Fig. 7 zeigt einen Widerstand, bei dem die Leiterbahn als Mäander aus Platin oder Gold auf einer Dünnfilmmembran aufgebracht ist und im Bereich der Ausnehmung durch eine Abdeck schicht passiviert ist;

Fig. 8 zeigt eine Ansprechzeitenermittlung (Spannung U als Funktion der Zeit t) für einen Wi derstand mit einer Leiterbahn als Platin-Mäander der Dicke 1,7 µm gemäß Fig. 7.

Gemäß Fig. 1 und 2 besteht Keramik-Substrat 1 aus einem quaderförmigen Block mit elek trisch isolierender Oberfläche auf der Basis von Keramik oder Glas; das Substrat 1 ist entlang seiner Mittelachse 2 mit einer Ausnehmung 3 versehen, die von einer als Meßwiderstand die nenden Leiterbahn 4 brückenartig überspannt wird, wobei Teile der Leiterbahn 4 im Randbe reich des Substrats zur Ausnehmung auf dem Substrat befestigt sind. Die Leiterbahn ist an ih ren jeweiligen Enden 5, 6 mit Anschlußkontaktfeldern 7 versehen, welche zur Verbindung mit einer elektrischen Auswerteschaltung dienen. Da die Leiterbahn mit ihrer Dicke von ca. 2,5 µm eine außerordentlich geringe Wärmekapazität aufweist, kann sie in dem die Ausnehmung 3 überbrückenden Bereich außerordentlich rasch die Temperatur der Umgebungsatmosphäre bzw. der durch Ausnehmung 3 strömenden Gasatmosphäre annehmen und somit vorteilhafter weise für eine rasche Auswertung bzw. Anzeige von thermischen Änderungen sorgen.

Weiterhin ist es vorteilhafterweise möglich, durch Aufbringung eines katalytischen Werkstoffs auf eine als Platin-Folie ausgebildete Leiterbahn Gase selektiv zu erfassen.

Das Substrat 1 besteht dabei aus einer Aluminiumoxidkeramik mit 99,6 Gewichts-% Al₂O₃ und weist eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 1,0 mm auf; vorzugsweise liegt die Dicke des Substrats im Bereich von 0,6 bis 0,7 mm. Die Breite der Ausnehmung 3 liegt bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 1 mm, die Tiefe derselben im Bereich von 0,1 bis 0,4 mm. Die Leiterbahn 4 besteht aus einer Platinschicht der Dicke von ca. 2,5 µm, wobei auf die Platinschicht im Auflagebereich des Substrats 1 im Siebdruck-Verfahren eine Glas-Abdeckschicht 8 aufgebracht ist, wobei die En den 5, 6 der Leiterbahn 4 von der Glas-Abdeckschicht freigelassen sind und mit einer ebenfalls im Siebdruckverfahren aufgebrachten Goldschicht als Anschluß-Kontaktfelder 7 versehen sind.

Zur Herstellung werden in ein Keramik-Substrat 1 aus Aluminiumoxid mit einer Dicke von 0,6 bis 0,7 mm, vorzugsweise 0,635 mm zeilenweise Einfräsungen für Ausnehmung 3 der Breite 0,78 mm auf einer Tiefe von 0,3 mm eingebracht. Die Einfräsungen werden per Dosierspritzen mit Glaspasten verschiedener Typen zunächst teilweise bis zu einer Frästiefe von drei Viertel gefüllt und bei einer Temperatur von 180°C während einer Stunde getrocknet; anschließend werden sie mit einer Spitzentemperatur im Bereich von ca. 850°C für 20 Minuten in einem mit Druckluft durchströmten Durchlaufofen eingebrannt. Danach erfolgt eine zweite Füllung der Ein fräsungen derart, daß nach erneuter Trocknung und nach erneutem Einbrennen der Glaspaste bei gleichen Parametern wie bei der ersten Füllung, eine Überfüllung von ca. 0,1 bis 0,2 mm der Einfräsung im Substrat 1 besteht; dies bedeutet, daß die Füllung um ca. 0,1 bis 0,2 mm über der Außenoberfläche des Substrats hervorsteht.

Danach wird die noch überstehende eingebrannte Glaspaste im Naßverfahren mittels Silizium karbid der Körnungen 350, 500, 800, 1200, 2400 und 4000 so abgeschliffen, daß die Übergän ge im Bereich Keramiksubstrat-Glaspaste eine so geringe Unebenheit besitzen, daß sie im Be reich von weniger als 1 µm liegt. Bei einer mikroskopischen Betrachtung ist kein Spalt mehr zwi schen Keramik und Glas erkennbar, welcher sich bei den Folgeprozessen negativ auswirken könnte. Die formschlüssige Ausfüllung der zeilenweise eingebrachten Ausfräsungen der Aus nehmung 3 ist letztendlich auf die Ausdehnungskoeffizienten der Gläser zurückzuführen, die im betrachteten Temperaturbereich bei ca. 7,5 × 10^-6 pro Grad Celsius liegen und somit nahezu dem Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Aluminiumoxidkeramik des Substrats 1 entsprechen.

Nach einem Reinigungsprozeß werden diese so gefüllten Substrate mit einer dotierten Platin schicht der Dicke von 1,5 µm bis 2,5 µm bedampft; anschließend erfolgen nach dem Stand der Technik - beispielsweise der DE 36 03 785 C2 oder DE 42 02 733 C2 - bekannte Verfahrens schritte wie Fotolithografie, Ionenätzen des Platin und Entfernung des Fotolackes mittels Veraschen.

Bei einer mikroskopischen Kontrolle hat sich ergeben, daß die Platinleiterbahnen mit einer Brei te im Bereich von 10 µm bis 15 µm im Übergangsbereich von Keramik zu Glasplatte unbeschä digt bleiben; nach der Strukturierung erfolgt per Siebdrucken die Aufbringung einer geeigneten Glasdeckschicht 8 (z. B. IP 211 der Firma W. C. Heraeus GmbH) sowie der Anschlußkontaktfel der 7 mit einer Gold-Oberfläche. Die auf dem Nutzen-Keramik-Substrat angeordneten Meßwi derstände werden dann per Gattersäge in Einzelteile aufgetrennt; zum Schluß werden die mit den Glaspasten gefüllten Bereiche aus den Ausnehmungen 3 von den Stirnflächenseiten her herausgelöst. Dies erfolgt mittels konzentrierter HNO₃ (65 Prozent) bei einer Temperatur von 50°C. Ein nach diesem Verfahren hergestellter Temperatursensor weist beispielsweise folgen de Daten auf:
R0 = 6,64 Ohm;
R100 = 9,12 Ohm;
Tk = 3733 ppm/K, wobei das Platin noch ungetempert ist;
R = 0,043 Ohm (Quadratwiderstand);
R ist der Quotient aus spezifischem Widerstand p und Schichtdicke d (R = ρ/d).
Leiterbahnbreite: 50 µm,
Gesamtleiterbahnlänge: L = 8,6 mm.

Zur Ermittlung der Ansprechzeit des Sensors wird ein Meßaufbau verwendet, bei dem ein Stromgenerator ein Stromsignal von 0,100 A innerhalb einer Zeit von 0,5 ms auf den Sensor aufschaltet, der sich in einer Umgebungsatmosphäre bei einer Temperatur von T = 25°C befin det. Die Erwärmung des Sensors wird als zeitabhängiger Spannungsabfall mit einem Speiche roszilloskop festgehalten, aus dem der zeitliche Verlauf des Temperaturanstiegs des Sensors ermittelt werden kann. Aus der Spannung U_∞ kann die sich einstellende Gleichgewichtstempe ratur berechnet werden.

Ein nach diesen Verfahren hergestellter Temperatursensor zeigt einen schnellen Spannungs anstieg auf 0,73 Volt und infolge der Erwärmung wird ein weiterer Spannungsanstieg auf U_∞ = 0,860 V erhalten, was einem Widerstand von R_∞ = 8,60 Ohm und einer Temperatur von T_∞ = 78°C entspricht. Der Temperatursprung von ΔT = 53°C wurde innerhalb von 3,2 ms er reicht (t 50%).

Alternativ zum soeben beschriebenen Verfahren können zur Erzeugung einer freien Mäander struktur der Leiterbahn Prozeßschritte in Anlehnung an die von Hanke und Nohr /1/, /2/ be schriebene CIB-Technologie angewendet bzw. in modifizierter Form angewendet werden (CIB = Chip In Board).

/1/ Nohr, W.-D.; Hanke, G.

Reverse Beam-Lead Interconnections for Ultra High-Speed Multichip Applications.

5th International Conference & Exhibition on Multichip Modules, Denver/USA, 17.-19.04.1996.

/2/ Hanke, G.; Nohr, W.-D.

A new Chip Interconnection Technic for Ultra High-Speed and Millimeterwave Applications.

1996 IEEE MTTS International Microwave Symposium, San Francisco/USA, June 96.

Nach dem Laserschneiden von Substratöffnungen gemäß Fig. 3 wird nach einer chemischen Kantenreinigung eine Dünnfilmmetallisierung Cr/Au durch PVD-Verfahren aufgebracht. Die Substratöffnungen werden anschließend von der Rückseite her mit Indium gefüllt. Danach er folgt eine gleichmäßige Fotolackbeschichtung (Dicke z. B. 6 µm), anschließend die Belichtung und Entwicklung des Lackes. Die so freigelegten Leiterbahnen werden nun z. B. in einem gal vanischen Feingoldelektrolyt auf eine Dicke von beispielsweise 5 µm aufgebaut. Nach der Lac kentfernung wird die Grundmetallisierung per Ionenätzverfahren oder naßchemisch in einem Differenzätzprozeß entfernt. Zum Schluß wird die eingebrachte Indium-Füllung chemisch wie der herausgelöst.

Diese Prozeßschritte wurden so modifiziert, um ein Bauteil mit einer freitragenden Platin-Leiter bahnstruktur zu erhalten. Dabei wurde die Cr/Au Grundmetallisierung durch eine mittels PVD- Verfahren aufgebrachte Platindünnschicht von 0,05 µm bis 0,1 µm ersetzt.

Nach dem Fotostrukturierungsprozeß ist in einem sauren Platin-Elektrolyten eine 1,5 µm bis 3 µm dicke Platin-Leiterbahnstruktur galvanisch abgeschieden worden. Die Platin-Strukturen sind per Ionenätzprozeß getrennt worden, zum Schluß wurde noch ein Temperprozeß der Pla tin-Schicht durchgeführt. Das weitere Aufbringen der Abdeck- und Kontaktierungsschichten 7, 8 geschah wie zuvor beschrieben.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform des Widerstandes, bei dem das gleiche Substrat 1 mit Aus nehmung verwendet wird, wie in dem zuvor erläuterten ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2. Im Gegensatz hierzu wurde die Oberfläche des Substrats 1 durch eine ebene platten förmige Membran 10 aus Glas abgedeckt, welche die Ausnehmung 3 nach oben hin abschließt; auf dieser Membran 10 ist sodann die Leiterbahn 4 als Platinbeschichtung aufgebracht, wobei ähnlich wie anhand Fig. 1 und 2 erläutert, die Enden 5 und 6 der Leiterbahn jeweils mit An schlußkontaktfeldern 7 verbunden sind, welche ebenfalls auf der Membran 10 aufgebracht sind. Die Struktur der Leiterbahn 4 ist ebenso wie die Glas-Abdeckschicht 8 durch Siebdruckverfah ren aufgetragen, die Gesamtglasdicke der Membran 10 liegt im Bereich von 10 µm bis 50 µm.

Fig. 5 zeigt eine Schnittdarstellung quer zur Achse 2 entlang der Linie CD der Fig. 4.

Zur Herstellung wird ein Silberprofildraht mit den Abmessungen 0,79 mm × 0,28 mm auf Substrat-größe abgelängt und mittels einer bei ca. 900°C aufschmelzenden Glaspaste z. B. des Typs IP 156 der Firma W. C. Heraeus GmbH, in die Ausnehmung nahezu eben eingebettet.

Anschließend wird eine Abdeckplatte mittels zweier Klammern auf dem Substrat befestigt. Die Glaspaste wird danach bei einer Temperatur T = 120°C für zwei Stunden getrocknet und bei ei ner Spitzentemperatur von ca. 920°C während einer Dauer von zwanzig Minuten eingebrannt. Dann erfolgt ein zweimaliger Siebdruck einer anderen Glaspaste mit anschließender Trocknung und Einbrand bei einer Spitzentemperatur von 850°C während einer Dauer von zwanzig Minu ten. Hieraus resultiert die bereits vorher erwähnte Gesamtglasdicke der Membran 10 von 10 µm bis 50 µm; nach Reinigung der Glasoberfläche wird der bereits anhand der Fig. 1 und 2 beschriebene Prozeß geführt bis zur anschließenden Vereinzelung der Einzelsubstrate.

Die Einzelteile werden in konzentrierter Salpetersäure bei einer Temperatur von 50°C geätzt, um das Silberprofilband vollständig zu entfernen; ein nach diesem Ausführungsbeispiel herge stellter Temperatursensor weist folgende Daten auf, wobei die Platindicke 2 µm beträgt:
R0 = 8,70 Ohm;
R25 = 9,54 Ohm;
R100 = 11,97 Ohm;
Tk = 3754 ppm/K;
R = 0,054 Ohm (Quadratwiderstand);
Leiterbahnbreite: 20 µm,
Gesamtleiterbahnlänge: L = 3,5 mm.

Gemäß Fig. 6 wurde der gleiche Aufbau zur Messung wie nach dem ersten Ausführungsbei spiel verwendet; der Sensor wurde hierbei mit einem Strom von 0,07 A beaufschlagt. Dabei wird am betrachteten Sensor ein rascher Spannungsanstieg auf U = 0,67 V innerhalb von 0,5 ms beobachtet; infolge der einsetzenden Erwärmung steigt die Spannung U_∞ = 1,2 V an, was einem Widerstand von R_∞ = 17,14 Ohm und einer Temperatur von T_∞ = 279°C entspricht. Der Temperatursprung von ΔT = 254°C wird innerhalb von 5 ms (t 50%) erreicht.

In Fig. 6 sind die erzielten Meßkurven dieses Ausführungsbeispieles dargestellt. An einem rein Ohmschen Widerstand von 6,8 Ohm (Meßkurve a; Zeitskala: 0,5 ms/div.) ist nach einer ge neratorbedingten Einschwingzeit von ca. 0,5 ms kein weiterer Spannungsanstieg und somit kein Temperaturanstieg erkennbar. Dieses Verhalten ist bei dem Platintemperatursensor gemäß Ausführungsbeispiel 2 grundlegend anders; der Meßwiderstand heizt sich gemäß den dargestellten zeitlichen Meßkurven b) (Zeitskala: 0,5 ms/div), c) (Zeitskala: 5 ms/div) und d) (Zeitskala: 5 s/div) auf und erreicht eine Gleichgewichtstemperatur von ca. 279°C.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7, ist die Membran 10 durch ein PVD-Verfahren in einer Dicke von 2 µm aufgebracht worden. Zusätzlich wurde eine dünne Pt-Elektrode der Dicke 0,05 µm im gleichen PVD-Prozeß mit aufgebracht. Nach dem Fotostrukturierungsprozeß sind die Leiterbahnen freigelegt worden; diese wurden anschließend in einem sauren Pt-Elektrolyten in einer Dicke von ca. 1,8 µm galvanisch erzeugt. Nach der Entfernung des Fotolackes wurde das Substrat gemäß den Einzelsensoren in einer Diamantsäge geritzt und anschließend die Indium- Füllung in den quadratischen Substrataussparungen naßchemisch entfernt. Nun wurde eine Differenzätzung des Platin von ca. 0,1 µm per Ionenätzprozeß durchgeführt, um die Leiterbah nen elektrisch zu trennen; danach erfolgte eine Temperung. Selektiv ist nun eine zweite SiO- Schicht in gleicher Dicke als Abdeckschicht 8 mittels PVD-Verfahren aufgebracht worden, dann erfolgte ein Gold-Siebdruck der Kontaktierungsflächen 7.

Ein solcher Widerstand zeigt in einem dynamischen Test ein Verhalten, wie es in Fig. 8 darge stellt ist. Die Werte für diesen Sensor betrugen:
R0 = 9,17 Ohm;
R100 = 12,70 Ohm;
Temperaturkoeffizient Tk = (R100 - R0)/100 . R0 = 3849 . 10^-6 K^-1.

Mit den angegebenen elektrischen Strömen wurde der Platin-Mäander von Raumtemperatur ausgehend auf die in Fig. 8 angegebenen Temperaturen aufgeheizt.

Die Zeit, um 50% dieses Temperatursprunges zu erreichen, ist ebenfalls in Fig. 8 mit angege ben und beträgt für ein solches Widerstand t (50%) = 5 ms.

Mit diesem Widerstand wurde noch ein zwanzig stündiger Temperaturwechseltest durchgeführt. Dabei wurde der Widerstand mit einer Frequenz von f = 30 Hz während der genannten 20 Stunden elektrisch 2.160.000 mal von Raumtemperatur auf eine Temperatur T = 370°C aufge heizt; dieser Test wurde vom Widerstand unbeschadet überstanden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Widerstandes, insbesondere Meßwiderstandes für einen schnellansprechenden Temperatursensor, dadurch gekennzeichnet, daß in ein Substrat (1) aus Keramik eine Ausnehmung (3) eingebracht wird, diese mit Füllmaterialien aus Glaspasten, Glaskeramik, Glaslot, Silber, Indium, Nickel oder einer Silber-Nickel- Legierung ausgefüllt und die so entstandene Füllung mit einer äußeren Oberfläche des Substrats (1) eingeebnet wird, daß anschließend eine Leiterbahn (4) aus Platin oder Gold auf wenigstens einen Teil der elektrisch isolierend ausgebildeten Substrat-Oberfläche auf gebracht wird, und daß anschließend das Füllmaterial weggeätzt wird, so daß die Leiter bahn (4) die Ausnehmung (3) in einer Ebene brückenartig überspannt.

2. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Widerstandes, insbesondere Meßwiderstandes für einen schnellansprechenden Temperatursensor, dadurch gekennzeichnet, daß in ein Substrat (1) aus Keramik eine Ausnehmung (3) eingebracht wird, diese mit Füllmaterialien aus Glaspasten, Glaskeramik, Glaslot, Silber, Indium, Nickel oder einer Silber-Nickel- Legierung ausgefüllt und die so entstandene Füllung mit der Außenoberfläche des Substrats (1) eingeebnet wird, daß anschließend eine ebene Membran (10) im Siebdruck- oder im Dünnschicht-Verfahren auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht wird, daß darauf fol gend eine Leiterbahn (4) aus Platin oder Gold galvanisch oder im Dünnschicht-Verfahren auf die Membran (10) aufgebracht wird, und anschließend eine strukturierte Abdeckschicht (8) wenigstens teilweise auf die Leiterbahn (4) aufgebracht und zum Schluß das in der Aus nehmung (3) befindliche Füllmaterial weggeätzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (10) im Siebdruck- Verfahren als Glas-Membran oder im Dünnschicht-Verfahren als Dünnfilm-Membran aus SiO auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturierte Abdeck schicht (8) im Siebdruck-Verfahren als Glas oder im Dünnschicht-Verfahren als Dünnfilm schicht aus SiO auf die Leiterbahn (4) aufgebracht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausneh mung (3) im Tiefenbereich von 20% bis 60% der Dicke des Substrats (1) eingebracht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausneh mung (3) per Laserbestrahlung ausgeschnitten wird und die ganze Substratdicke umfaßt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaspasten mit annähernd dem gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie das Substrat (1) als Abdeck schicht auf Leiterbahn (4) und Substrat (1) aufgebracht werden, die mit einer Temperatur im Bereich von 500°C bis 1.000°C, insbesondere von 850°C bis 920°C, in einem Durchlaufofen während eines Zeitraumes von ca. 20 Minuten eingebrannt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllmaterial ein Profilband aus Silber oder Nickel oder ein Legierungsmaterial dieser beiden Metalle ein gesetzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (4) im Dünnschicht-Verfahren aufgebracht wird und mittels Fotolithografie, Ionenätzen und Entfer nung von Photolack strukturiert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (4) auf einer vorher aufgebrachten Metallelektrode galvanisch in einem Resistkanal abgeschieden wird und die Metallelektrode am Schluß chemisch oder per Trockenätzverfahren entfernt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (4) in ei nem fotolithografisch erzeugten Resistkanal durch ein PVD-Verfahren abgeschieden wird und der Fotolack anschließend entfernt wird.