传感器元件和用于制造传感器元件的方法与流程

1.本发明涉及一种传感器元件，尤其是温度传感器。本发明还涉及一种用于制造传感器元件、优选温度传感器的方法。


背景技术：

2.为了将无源器件，例如传感器、电容器、保护器件或加热器集成到电系统中，必须适应对于现代封装设计的处于微米和甚至纳米度量范围内的尺寸。为了实现所述小型化程度，将器件作为薄膜沉积在具有电端子的承载结构上并且描述为分立的器件。所述新型器件能集成到mems(微机电系统)或sesub(semiconductor embedded in substrate，嵌入基板中的半导体)结构中。
3.根据现有技术，在完全不同的应用中用于监控和调节的温度主要借助陶瓷热导体-热敏电阻元件(ntc)、硅温度传感器(kty)、铂温度传感器(prtd)或热电偶(tc)测量。在此，由于制造成本低，ntc热敏电阻是最普遍的。与热电偶和金属电阻元件、例如pt元件相比的另一优点是明显的负电阻温度特性。
4.为了在功率模块中使用，主要使用smd(“surface mounted device，表面安装器件”)ntc温度传感器，其被焊上。在用于低功率的控制模块的情况下，对此替选地也使用ntc芯片，所述ntc芯片借助于银烧结膏、焊接或粘接安装在下侧处并且经由键合线接触上侧。
5.所述当前的技术解决方案不适合将电子器件集成到例如mems或sesub结构中。对于这些系统需要非常小的元件，通常小于500μm
×
500μm
×
100μm，所述元件此外还必须能够借助适合的接触方法集成。在此，尤其应考虑适合的电极的选择。用于smd构造方式的传统焊接法或用于半导体芯片的金属线键合技术(裸片)不能用于此。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于说明解决上述问题的传感器元件和用于制造传感器元件的方法。
7.所述目的通过根据独立权利要求的传感器元件和用于制造传感器元件的方法来实现。
8.根据一个方面，说明一种传感器元件。传感器元件1适合于测量温度。传感器元件是温度传感器。
9.传感器元件具有至少一个承载件。优选地，传感器元件具有刚好一个承载件。承载件具有承载材料，优选硅、碳化硅或玻璃(硅酸盐或硼硅酸盐玻璃)。对此替选地，承载材料也可以具有aln或al2o3。
10.承载件具有上侧和下侧。上侧电绝缘地构成。优选地，绝缘层，例如sio2或si3n4在承载件的上侧上构成。绝缘层直接在承载件的上侧上构成并且可以由一个或多个层构造。
11.传感器元件还具有至少一个功能层。功能层设置在承载件上。承载件将功能层机械地稳定。功能层的厚度在50nm和1μm之间，优选在100nm和500nm之间，特别优选在250nm和
400nm之间。
12.功能层具有材料(功能材料)，所述材料具有特定的电特征。功能层具有带有温度相关的电阻的材料。优选地，功能层具有ntc陶瓷。
13.优选地，ntc陶瓷基于钙钛矿或尖晶石结构类型的氧化物材料。对此替选地，功能层基于碳化或氮化物材料构造。另一替选方案是由氧化钒或sic构成的薄层。
14.传感器元件还具有至少两个电极。电极优选构成为薄层电极。电极相对于彼此间隔开地在承载件上构成。优选地，电极不伸至承载件的边缘区域。尤其，电极在承载件上优选在中间区域或内部区域中构成。
15.传感器元件还具有至少两个用于电接触传感器元件的接触盘。优选地，传感器元件具有刚好两个接触盘。接触盘与电极直接电地和机械地连接。各一个接触盘直接设置在电极中的一个电极的子区域上。
16.总的来说，传感器元件非常紧凑地构成，使得所述传感器元件可以作为分立的器件直接嵌入到电系统中。例如，传感器元件具有1000μm，优选＜800μm，特别优选＜500μm的最大边长。传感器元件的厚度为＜100μm，优选＜80μm，特别优选＜50μm。例如，器件构成用于直接集成到mems结构和/或sesub结构中。
17.根据一个实施例，功能层在承载件的上侧上仅部分地覆盖承载件或绝缘层。例如，功能层的几何形状选择为，使得功能层仅在电极的指结构的区域中覆盖承载件/绝缘层。优选地，功能层仅在承载件的中间区域中构成。尤其，功能层不伸至承载件的边缘区域。功能层的几何形状或设计选择为，使得由此可以设定传感器元件的预定的电阻。由此可特别灵活地使用传感器元件。
18.根据一个实施例，相应的电极具有面状的端部区域。两个电极的面状的端部区域彼此相对置地或者相对于彼此成90
°
角地设置。各一个接触盘设置在电极中的一个电极的面状的端部区域上。此外，相应的电极具有多个电极指。这两个电极的电极指彼此交替地设置。
19.面状的端部区域和具有电极指的区域直接过渡到彼此中。相应的电极的几何形状或设计选择为，使得由此可以设定传感器元件的预定的电阻。尤其，电阻可以经由电极指的长度、宽度和/或数量设定。传感器元件可以由此匹配于完全不同的要求并且可非常灵活地使用。
20.根据一个实施例，电极直接在功能层的上侧上构成。换言之，功能层在电极和承载件之间构成。所述实施方案允许在施加和测试传感器元件之后调整电极。此外，电极在本实施方案中不必承受功能层的烧结工艺的条件。
21.根据一个实施例，电极直接设置在功能层的下侧上。换言之，电极在功能层和承载件之间构成。电极直接在基板上构成可实现增附剂(例如薄层＜10nm，以更好地附着在基底处)、如ti或cr的使用。这在ntc层上是不可行的，因为会出现增附剂层与ntc材料的相互作用。这尤其适用于基于钙钛矿或尖晶石结构类型的氧化物材料的ntc层。
22.根据一个实施例，接触盘构成为，使得其伸出传感器元件的表面。优选地，接触盘伸出传感器元件的表面≥1μm。优选地，接触盘伸出传感器元件的表面＞3μm，特别优选＞6μm。这使得传感器元件的电连接变得容易。
23.根据一个实施例，传感器元件具有保护层。保护层可以具有氧化物、氮化物、陶瓷、
玻璃或塑料作为材料。保护层除了接触盘外完全地覆盖传感器元件的上侧。为了该目的，保护层在接触盘的部位处具有留空部。保护层具有在50nm和1μm之间，优选在200nm和600nm之间，理想地在400nm和500nm之间的厚度。通过保护层改善传感器元件的长久稳定性。
24.根据另一方面，描述一种用于制造传感器元件的方法。优选地，通过所述方法制造上述传感器元件。关于传感器元件或方法公开的所有特性，也相应地关于相应的其他方面公开并且反之亦然，即使相应的特性并未详尽地在相应的方面的上下文中提到。所述方法具有以下步骤：
25.a)提供承载材料以构成承载件。优选地，承载材料具有si、sic或玻璃。对此替选地，承载材料可以具有aln或al2o3。承载件具有上侧和下侧。优选地承载材料具有si。
26.b)在承载件的上侧上构成电绝缘层，优选sio2。
27.c)在承载件上构成或沉积至少两个电极。沉积通过pvd(“physical vapour deposition，物理气相沉积”)工艺、cvd(“chemical vapour deposition化学气相沉积”)工艺或电镀地进行并且在另一工艺步骤中结构化。
28.电极相对于彼此间隔开地构成。尤其地，电极空间地和电地彼此绝缘。电极在此以交指结构的形式接合到彼此中。在本实施例中，电极直接在承载件的上侧上或在绝缘层上构成。电极构成为，使得其与承载件的边缘区域间隔开。
29.d)将功能材料施加，优选溅镀到电极的子区域上以构成功能层。功能材料优选具有基于钙钛矿或尖晶石结构类型的氧化物材料的ntc陶瓷。替选地，功能材料也可以基于碳化物材料或氮化物材料。替选地，功能材料可以包括由氧化钒或sic构成的薄层或是由氧化钒或sic构成的薄层。
30.功能层构成为薄膜层。功能层仅部分地覆盖承载件或电极。尤其地，功能层构成为，使得其与承载件的边缘区域间隔开并且在电极的指结构的区域上构成(交指结构)。功能层作为整面的薄层沉积并且通过另一工艺步骤、例如借助于光刻才结构化。
31.在沉积之后，ntc层还没有结晶。
32.e)烧结功能层。这用于构成功能材料的ntc特性并且在直至1000℃的温度执行。
33.f)将保护层施加到传感器元件的上侧上。保护层除了两个子区域外完全地覆盖上侧。子区域在电极的面状的端部区域之上设置，在随后的工艺步骤中可以将接触盘施加到所述面状的端部区域上。将保护层为了结构化(a)整面地施加并且通过后续工艺、如光刻或激光结构化产生露出的子区域，或者(b)通过使用掩模在沉积工艺中直接结构化地施加。
34.g)在由保护层露出的子区域中构成接触盘以电接触传感器元件。各一个接触盘在此直接在电极中的一个电极的面状的端部区域上构成。接触盘可以伸出结构化的功能层。
35.接触盘可以具有cu、au、ni、cr、ag、ti、w、pd或pt。优选地，接触盘具有cu。优选地，接触盘具有＞5μm的厚度。接触盘构成为，使得所述接触盘伸出制成的传感器元件的表面。
36.对接触盘替选地，也可以设有凸块或薄电极。所有这些可能的接触元件具有金属，例如cu、au或可焊接的合金。
37.h)将构件分离或分割。
38.分割在两个步骤中进行：
39.(1)沿x方向/y方向(长度&宽度)分割。这例如可以通过将功能层和承载件等离子刻蚀或锯切和开槽来进行。硅晶片在此没有被锯穿，而只是锯切到限定的厚度。
40.(2)沿z方向(高度)分割。研磨从背侧进行。通过磨削工艺从硅晶片的下侧将材料去除至限定的最终构件厚度。
41.对此进行
42.i)从下侧研磨传感器元件，其中通过磨削工艺从硅晶片的背侧起将材料去除至限定的最终构件厚度，由此分割构件。
43.j)可选地将硅晶片的从下方磨削的下侧等离子刻蚀，以减少例如微裂纹。
44.根据一个实施例，可以在步骤c)之前实施步骤d)。在此情况下，首先在承载件的子区域上构成功能层。接着沉积电极。电极直接在功能层的上侧上构成。
附图说明
45.下面描述的附图不理解为符合比例的。更确切地说，为了更好的示出可以将个别尺寸增大、缩小或也变形地示出。
46.彼此相同或具有相同功能的元件用相同的附图标记表示。
47.附图示出：
48.图1示出根据一个实施例的传感器元件的立体图；
49.图2示出根据按照图1的实施例的传感器元件的剖面图；
50.图3示出制造法的工艺流程。
具体实施方式
51.图1和图2示出根据一个实施例的传感器元件1的示图。传感器元件1优选构成用于测量温度。传感器元件1是温度传感器。传感器元件1非常紧凑地构成。传感器元件的厚度d(参见图2)是优选＜100μm，优选＜80μm，特别优选＜50μm。因此，传感器元件1特别好地适合作为分立的器件直接嵌入电系统中。例如，传感器元件1构成用于集成到mems结构和/或sesub结构中。
52.传感器元件1具有承载件2。承载件2用于机械稳定传感器元件1。承载件2具有上侧11和下侧12。上侧11和下侧12相对置地设置。
53.承载件2具有承载材料，优选硅(si)、碳化硅(sic)或玻璃(硅酸盐或硼硅酸盐)。在一个替选的实施方式中，承载件2具有aln或al2o3作为承载材料。
54.承载件2的上侧11电绝缘地构成。换言之，在承载件2的上侧11处构成有绝缘层3。对于由例如硅构成的承载件2，具有sio2的绝缘层3直接施加在承载件2的上侧11上。
55.绝缘层3具有非常小的厚度。绝缘层3的厚度位于50nm和1μm之间，优选位于250nm和600nm之间。特别优选地，绝缘层3具有500nm的厚度。
56.承载件2优选具有矩形的底面。对此替选地，承载件2也可以方形地构成。承载件2的最大边长l在这两种情况下为1000μm。优选地，承载件2的边长l＜800μm，特别优选＜500μm。
57.传感器元件1还具有至少两个电极4a、4b，以电接触传感器元件1。对此替选地，传感器元件1也可以具有多于两个电极4a、4b，例如三个或四个电极(未详尽地示出)。
58.这两个电极4a、4b相对于彼此间隔开地在承载件2上构成。相应的电极4a、4b可以一层地或多层地构造。相应的电极4a、4b具有薄的金属膜，例如具有cu、au、ni、cr、ag、ti、w、
pd或pt。优选地，电极4a、4b构成为薄层电极。尤其地，电极4a、4b构成为交指的薄层电极，如下面详细描述那样。
59.相应的电极4a、4b结构化地构成。尤其，电极4a、4b分别具有面状的端部区域5以及带有电极指5的区域。相应的电极4a、4b的面状的端部区域6在本实施例中与具有电极指5的区域相比朝向承载件2的侧部区域或棱边更近地构成。然而，这两个区域(端部区域6和电极指5)优选与承载件2的棱边间隔开地设置。这两个电极4a、4b的面状的端部区域6可以彼此相对置地或相对于彼此成90
°
角地设置。
60.具有电极指5的区域在本实施例中分别在承载件2的中间区域中构成。面状的端部区域6和具有电极指5的区域过渡到彼此中。
61.这两个电极4a、4b分别在电极指5的区域中在承载件的中间区域中彼此接合并且在那构成交指结构。电极4a、4b的电极指5交替地设置。经由电极指5的长度、宽度和/或数量，及其彼此间的间距可以设定传感器元件1的电阻。
62.在本实施例中，电极4a、4b直接在承载件2的上侧11或绝缘层3上构成。对此替选地(未详尽地示出)，电极4a、4b然而也可以在功能层7的上侧14上构成，如之后还阐述那样。
63.传感器元件1还具有功能层7。功能层7具有带有特定电特征的材料。功能层7具有带有温度相关的电阻的材料。功能层7优选具有ntc陶瓷。
64.例如，功能层7具有基于钙钛矿结构类型的氧化物材料的陶瓷。钙钛矿例如基于组成为camno3的混合晶体，其中ca可以完全地或部分地通过例如y、cr、al或la代替。
65.对此替选地，功能层7可以具有基于尖晶石结构类型的氧化物材料的陶瓷。尖晶石的组成在此优选基于nimn2o4的混晶，其中ni和mn可以完全地或部分地被例如fe、co、al代替。
66.此外可以设想基于氧化钒、碳化物材料、例如六方(si、ti)c、2h、4h或6h、立方sic或基于氮化物材料、例如(al、ti)n、crn的功能层7。
67.功能层7优选是薄膜层。换言之，功能层7仅具有非常小的厚度。功能层7的厚度在50nm和1μm之间。功能层7的厚度优选在100nm和500nm之间，特别优选在250nm和400nm之间。
68.功能层7仅部分地覆盖承载件2的上侧11。换言之，功能层7没有整面地设置在承载件2上。功能层7的几何形状和/或设计选择成，使得由此可以设定传感器元件1的特定的电阻值。
69.在一个实施例中(未详尽示出)，功能层7直接在绝缘层3上从而在电极4a、4b之下构成，例如溅镀。换言之，功能层7在承载件2与电极4a、4b之间构成。在该实施例中，功能层7以形状配合和材料配合的方式设置在承载件2上。对此替选地，功能层7直接在承载材料中局部地或作为层产生。
70.对于在额定温度下特别窄地容差的电阻，在这种构造中可以借助附加的微调工艺来设定传感器元件1的电阻。在此，电极4a、4b的材料例如通过激光切割、磨削或锯切被部分地去除，使得通过几何形状改变来调整传感器元件1的电阻。
71.对此替选地(参见图1和2)，功能层7至少部分地施加、特别是溅射到电极4a、4b上。如从图1和2中可见的，电极4a、4b在此在承载件2和功能层7之间，特别是在功能层7的下侧15处构成。功能层7在此直接位于具有电极指5的区域上。
72.传感器元件1还具有至少两个接触盘10a、10b。传感器元件1也可以具有多于两个
的接触盘，例如三个或四个接触盘。接触盘10a、10b构成和设置用于电接触传感器元件1。
73.接触盘10a、10b直接设置在电极4a、4b的面状的端部区域6上。接触盘10a、10b可以一层地或多层地构造。例如cu、au、ni、cr、ag、ti、w、pd或pt可以用作为用于接触盘10a、10b的材料。
74.接触盘10a、10b具有》400nm、有利地》1μm、特别优选地》5μm的厚度。为了集成到sesub结构中，接触盘10a、10b优选具有铜。尤其，接触盘10a、10b由cu构造。
75.cu接触盘10a、10b的厚度在此构造成，使得接触盘10a、10b伸出传感器元件1的表面13(对此尤其参见图2)。cu接触盘10a、10b在此伸出表面13至少1μm，优选地》3μm，理想地》6μm。cu接触盘10a、10b的这种强度/厚度对于在sesub结构中的进一步处理是必需的，以便建立可靠的电连接。
76.传感器元件1此外可以具有保护层8。保护层8用于改善传感器元件1的长期稳定性。保护层8具有不导电材料，例如包括氧化物、氮化物、陶瓷、玻璃或塑料，并且可以由一层或多层组成。
77.除了接触盘10a、10b之外，保护层8完全覆盖传感器元件1的上侧。保护层8尤其具有留空部9，接触盘10a、10b为了传感器元件1的电接触从所述留空部中伸出。
78.保护层8通过pvd或cvd工艺产生并且借助于光刻结构化。保护层8的厚度位于50nm和1μm之间。保护层8的厚度优选在200nm和600nm之间，特别优选在400nm和500nm之间。
79.由于传感器元件1的各个组件的紧凑的构造方式，传感器元件1优异地适合于集成在mems或sesub结构中。
80.下面说明用于制造传感器元件1的方法。优选地，通过所述方法制造根据上述实施例之一的传感器元件1。因此，结合传感器元件1描述的所有特征也用于该方法，并且反之亦然。
81.在第一步骤a)中，提供承载材料以构成上述承载件2。优选地，承载材料具有si、sic或玻璃。对此替选地，承载材料可以具有aln或al2o3。承载件2具有上侧11和下侧12。优选地，承载件2具有小于500μm的最大边长l。
82.在下一步骤b)中，在承载件2的上侧11上构成电绝缘层3。例如，绝缘层3具有sio2。理想地，在承载件2的上侧11上产生具有500nm厚度的绝缘层3。
83.在另一步骤c)中，在承载件2上构成/沉积至少两个电极4a、4b。沉积通过pvd或cvd工艺或电镀地进行。电极的结构化在后续工艺中进行，这例如可以是光刻工艺或激光结构化。在本实施例中，电极4a、4b直接在绝缘层3上构成。
84.电极4a、4b可以一层地或多层地构成并且例如具有cu、au、ni、cr、ag、ti、w、pd或pt。电极4a、4b构成为薄层电极。电极4a、4b结构化地构成并且分别具有面状的端部区域6以及多个电极指5。通过电极4a、4b的几何形状或设计可以设定传感器元件的电阻。
85.在另一步骤d)中施加功能材料，以构成功能层7。在本实施例中，将功能材料施加到电极4a、4b的子区域上。这例如通过溅镀或旋涂工艺进行。首先将功能材料整面地施加并且在另一工艺(例如光刻或激光结构化)中结构化。
86.对此替选地，步骤d)也可以在步骤c)之前执行，使得功能材料7直接溅镀在承载件2的绝缘层3上并且随后将电极4a、4b施加到功能层7上。
87.功能材料优选地具有基于钙钛矿或尖晶石结构类型的氧化物材料的ntc陶瓷。替
选地，功能材料也可以具有基于碳化物材料或氮化物材料的ntc陶瓷。在另一替选方案中，功能材料包括由氧化钒或sic构成的薄层或由其组成。
88.功能层7仅部分地覆盖承载件2的上侧或电极4a、4b。通过功能层7的几何形状或设计可以设定传感器元件1的电阻。优选地，功能层7具有在250nm和400nm之间的厚度。
89.在另一步骤e)中在电极4a、4b的至少一个子区域上构成接触盘10a、10b。各一个接触盘10a、10b在此直接在电极4a、4b的面状的端部区域6上构成。
90.优选地，接触盘10a、10b具有cu并且具有＞5μm的厚度。尤其，接触盘10a、10b在制成的传感器元件1中伸出传感器元件1的表面13。对此替选地，可以构成凸块来代替接触盘。
91.在下一步骤g)中构成保护层8。保护层8可以具有氧化物、氮化物、陶瓷或玻璃并且借助于pvd或cvd工艺产生并且借助于光刻结构化。理想地，保护层8具有在400nm和500nm之间的厚度并且除了接触盘10a、10b外完全地覆盖传感器元件1的上侧。
92.在另一步骤h)中分割传感器元件。这例如可以通过将功能层7和承载件2等离子刻蚀或锯切和开槽进行。硅晶片在此没有被锯穿，而只是被锯切到限定的厚度。
93.通过随后从背侧进行研磨(磨削工艺)在最后的步骤i)中将材料从硅晶片的背侧去除到限定的最终构件厚度。通过所述步骤实际地分割构件。
94.图3示出制造方法的工艺流程。该工艺在此分为八个阶段s1至s8，这些阶段分别可以包括已经描述的方法步骤a)至j)中的多个方法步骤。
95.这些阶段包括：
96.s1根据步骤a)和b)提供硅晶片
97.s2根据步骤c)将电极沉积和结构化
98.s3根据步骤d)将功能层沉积和结构化
99.s4根据步骤e)将功能层烧结以建立ntc特性
100.s5根据方法步骤c)或如在阶段s2中将电极沉积和结构化。阶段s5是对于阶段s2替选的，阶段s2在此情况下可以取消。因此要么使用s2、要么使用s5。
101.s6根据步骤f)将钝化层沉积和结构化
102.s7根据步骤g)将接触盘沉积和结构化
103.s8根据步骤h)和i)将各个传感器元件分割
104.s9将传感器元件从下侧可选地再次磨削并且可选地等离子刻蚀。
105.对这里给出的主题的描述不限于各个具体实施方式。更确切地说，各个实施方式的特征——只要技术上有意义——可以任意地相互组合。
106.附图标记列表
[0107]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
传感器元件
[0108]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
承载件
[0109]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
绝缘层
[0110]
4a、b
ꢀꢀꢀ
电极
[0111]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电极指
[0112]6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
端部区域
[0113]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
功能层
[0114]8ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
保护层
[0115]9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
留空部
[0116]
10a、b
ꢀꢀ
接触盘
[0117]
11
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
承载件的上侧
[0118]
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
承载件的下侧
[0119]
13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
传感器元件的表面
[0120]
14
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
功能层的上侧
[0121]
15
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
功能层的下侧
[0122]dꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
传感器元件的厚度
[0123]
l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
承载件的边长