DE10059099C1 - Bauelement mit ESD-Schutz, z.B. Foliensensor zur biometrischen Erkennung (Fingerabdruckerkennungssensor) - Google Patents

Abstract

Das Bauelement enthält eine elektrisch leitende Schicht (2), die Kontaktflächen (9) innerhalb einer mit einer Passivierungsschicht (7) versehenen Berührungsfläche aufweist. Bei Berührung aufgebrachte elektrische Ladungen fließen in die leitende Schicht ab. Geeignet ist das Bauelement insbesondere als kapazitiv messender Fingerabdrucksensor mit strukturierter Metallisierung (5) zur Bilderfassung. Die den ESD-Schutz bewirkende Schicht (2) kann auf eine Trägerschicht (1) aus einer Folie aus Kapton E aufgebracht sein (Foliensensor).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauelement mit einer Schutzvorrichtung gegen Beschädigung infolge elektrostati­ scher Aufladung. Insbesondere betrifft diese Erfindung einen Foliensensor zur biometrischen Erkennung.

Integrierte Schaltungen in Halbleiterchips oder auf bzw. in anderen Trägermaterialien können beschädigt oder zumindest außer Funktion gesetzt werden, wenn elektrostatische Aufla­ dungen auftreten, die unkontrolliert durch Schaltungsteile abfließen. Das betrifft vor allem integrierte Schaltungen, die nicht fest eingebaut werden und nicht durch ein Gehäuse oder eine andere abschirmende Vorrichtung gegen externe Ein­ flüsse geschützt sind, sondern die ständig verschiedenen Um­ welteinflüssen ausgesetzt sind. Dazu gehört die Berührung durch den Menschen, wenn der Chip angefasst wird, so dass durch den Hautkontakt Ladungen auf leitende Teile der Schal­ tung aufgebracht werden, die wegen einer umgebenden Isolation nicht sofort abfliessen können. Das Problem tritt insbesonde­ re bei Chipkarten auf und ist unter der Bezeichnung ESD (electrostatic damage) bekannt.

In der US 6,091,082 ist eine Schichtfolge zum Schutz gegen elektrostatische Entladung für die oberseitige Passivierung eines integrierten Halbleitersensors beschrieben, die eine dielektrische Isolationsschicht, eine mechanische Schutz­ schicht und eine bis zu einem gewissen Grad elektrisch leit­ fähige Entladungsschicht aus SiC_x umfasst.

In der DE 199 01 384 A1 ist ein elektronisches Bauelement mit einer darin enthaltenen Schutzstruktur beschrieben, bei dem leitende Flächen auf einer dielektrischen Schicht ausgebildet sind und darüber eine elektrisch leitende Schutzstruktur angeordnet ist, wobei die Schutzstruktur die leitenden Flä­ chen nicht vollständig abdeckt.

Es gibt verschiedene Ansätze, einen wirksamen ESD-Schutz bei Chipkarten anzubringen. Zumeist werden dafür elektrisch lei­ tende Schichten oder Schichtanteile vorgesehen, die mit den­ jenigen Teilen des Chips, die sich elektrostatisch aufladen können, zumindest so gut elektrisch leitend verbunden sind, dass beim Auftreten einer elektrostatischen Spannung, die ei­ nen vorgegebenen Wert überschreitet, eine kontrollierte Ent­ ladung über die vorgesehene ESD-Schutzschicht erfolgt. Wäh­ rend eine solche ESD-Schutzvorrichtung vergleichsweise ein­ fach in oder an einem Kartenkörper aus Kunststoff angebracht werden kann, treten Schwierigkeiten auf, wenn ein Bauelement auf einer flexiblen Trägerfolie mit einem wirksamen ESD- Schutz versehen werden soll.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Bauelement mit Schichtstruktur anzugeben, das mit einem wirkungsvollen ESD- Schutz versehen ist, womit die Möglichkeit geschaffen werden soll, ein flexibles Trägermaterial einzusetzen.

Diese Aufgabe wird mit dem Bauelement mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den ab­ hängigen Ansprüchen.

Das erfindungsgemäße Bauelement weist auf der von der Berührungsfläche abgewandten Seite von Leiterflächen eine elektrisch leiten­ de Schicht auf, die mit Kontaktstellen innerhalb einer Fläche versehen ist, die einer Berührung insbesondere mit menschli­ cher Hautoberfläche ausgesetzt wird. Elektrische Ladungen, die auf die Berührungsfläche aufgebracht werden, fließen da­ her in die leitende Schicht ab, so dass keine Gefahr besteht, dass diejenigen Komponenten des Bauelementes, die in oder un­ ter der Berührungsfläche angeordnet sind, zu stark aufgeladen werden.

Die elektrisch leitende Schicht lässt sich auf eine flexible Trägerfolie aufbringen, auf der das Bauelement hergestellt wird. Im einfachsten Fall genügt es, wenn kleine Bereiche der der Berührungsfläche zugewandten bzw. von der Trägerfolie bzw. einem Substrat abgewandten Oberseite der leitenden Schicht frei gelassen werden, so dass an diesen Stellen elek­ trische Ladungen in die leitende Schicht abgeleitet werden können. Falls die Dicke einer für das eigentliche Bauelement vorgesehenen Schichtstruktur zu groß ist, um einen Kontakt der frei gelassenen Stellen der leitenden Schicht z. B. mit einer Hautoberfläche zu gewährleisten, können an diesen Stel­ len elektrisch leitende Anteile einer oder mehrerer weiterer elektrisch leitender Schichten nach Art von Kontakt-Pads auf­ gebracht sein. Damit wird erreicht, dass die Kontakte zu der leitenden Schicht des ESD-Schutzes näherungsweise plan mit der Berührungsfläche des Bauelementes abschließen oder die Oberfläche sogar etwas überragen.

Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des erfin­ dungsgemäßen Bauelementes anhand der Fig. 1 bis 4.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Bauelementes im Querschnitt.

Die Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt einer Ausgestaltung des Bauelementes als Fingerabdruckerkennungs- bzw. Fingerabdrucksensor in Aufsicht.

In Fig. 1 ist im Querschnitt eine Schichtstruktur darge­ stellt, bei der auf einer Trägerschicht. 1, z. B. einer dünnen flexiblen Folie, eine als ESD-Schutz vorgesehene elektrisch leitende Schicht 2 aufgebracht ist. Darauf befinden sich die eigentlichen für das Bauelement vorgesehenen Schichten. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um eine Isolationsschicht 3, die zunächst die leitende Schicht 2 von den darüber angeordneten Schichten trennt, um unerwünschte Kurzschlüsse zu verhindern. Es sind eine erste strukturierte Metallisierungsschicht 4 und eine zweite struk­ turierte Metallisierungsschicht 5 vorhanden, die zum Beispiel als Leiterflächen und Anschlussleiterbahnen für einen Folien­ sensor zur biometrischen Erkennung vorgesehen sind. Isolati­ onsschichten 6 füllen die Zwischenräume der Schichten auf. Eine dünne Passivierungsschicht 7, die weggelassen sein kann, dient als Oberflächenschutz und/oder zur Reduzierung von me­ chanischem Abrieb beim Anfassen.

Die oberhalb der leitenden Schicht 2 vorhandene Schichtstruk­ tur ist zur Verdeutlichung übertrieben dick eingezeichnet. Zur Kontaktierung zwischen einer auf die Oberseite des Bau­ elementes aufgelegten Hautoberfläche und der leitenden Schicht 2 des ESD-Schutzes genügen bei Schichtdicken, wie sie bei Bauelementen üblich sind, Aussparungen 8 in der auf der leitenden Schicht 2 aufgebrachten Schichtstruktur, in denen die Oberseite der leitenden Schicht 2 freiliegt. Die Ausspa­ rungen 8 werden in ausreichend großer Anzahl und ausreichend dichter Anordnung vorgesehen. Die leitende Schicht 2 ist vor­ zugsweise mit dem Massekontakt der Schaltung verbunden, und die Oberfläche der leitenden Schicht ist innerhalb der Aus­ sparungen 8 vorzugsweise mit einer aufgedampften Schutz­ schicht 9, beispielsweise aus TiN, zur Vermeidung von Korro­ sion bedeckt.

Das Material der Trägerschicht 1 ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Folie aus Kapton E in einer typi­ schen Dicke von 50 µm. Die leitende Schicht 2 des ESD-Schut­ zes ist vorzugsweise Kupfer in einer typischen Dicke von etwa 12 µm. Die auch als Planarisierung vorgesehene Isolations­ schicht 3 besitzt eine typische Dicke von etwa 5 µm. Dazu vergleichbare Dicken weisen auch die Metallisierungsschichten 4, 5 auf, deren Metall beispielsweise eine dreilagige Schicht aus Titan, Palladium und Gold ist. Die Passivierung 7 kann z. B. ZrO₂ einer typischen Dicke von 0,7 µm bis 1 µm sein. Der Abstand der Kontaktflächen der leitenden Schicht 2 in den Aussparungen 8 zur Oberseite der Passivierungsschicht 7 kann durch die Dicke der Schutzschicht 9 eingestellt werden, die vorzugsweise aus TiN aufgestäubt wird (Sputter-Verfahren).

In Fig. 2 ist ein der Fig. 1 entsprechender Querschnitt ei­ nes alternativen Ausführungsbeispiels dargestellt. Mit Aus­ nahme der in den Aussparungen 8 vorhandenen Schichtstrukturen entspricht der Aufbau dieses Ausführungsbeispiels demjenigen der Fig. 1; es wurden daher übereinstimmende Bezugszeichen eingetragen. Die den herkömmlichen Teil des eigentlichen Bau­ elementes ausmachende Schichtstruktur kann dabei im Prinzip beliebig sein und wurde bei allen Ausführungsbeispielen gleich dargestellt, um die Unterschiede in den erfindungswe­ sentlichen Merkmalen der verschiedenen Ausführungsbeispiele deutlich zu machen.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind in den Aussparungen der Schichtstruktur auf die dort freigelegte Oberseite der leitenden Schicht 2 des ESD-Schutzes eine erste strukturierte Metallschicht 40 und darauf eine zweite struk­ turierte Metallschicht 50 aufgebracht. Diese strukturierten Metallschichten können zusammen mit einer ersten Metallisie­ rungsschicht 4 und einer zweiten Metallisierungsschicht 5, die in der Herstellung des Bauelementes vorgesehen sind, auf­ gebracht werden. Die strukturierten Metallschichten 40, 50 können daher beispielsweise jeweils eine dreilagige Metall­ schicht aus Titan, Palladium und Gold sein, wie sie für die Metallisierungsschichten bereits angegeben wurde. Aber auch andere für Metallisierungen von Bauelementen vorgesehene Schichten sind geeignet.

Mit dem Einbringen dieser Metallschichten 40, 50 in die Aus­ sparungen 8 wird erreicht, dass ein Kontakt zu der leitenden Schicht 2 etwa auf der Höhe der Oberfläche der Planarisie­ rungsschicht 7 möglich wird. Es kann zusätzlich noch eine weitere elektrisch leitende Schicht wie die eingezeichnete oberste Kontaktschicht 10 aufgebracht werden. Diese oberste Kontaktschicht kann z. B. Nickel, Chrom oder Hartgold sein. Diese Metalle eignen sich besonders, um eine weitgehend ab­ riebfeste Oberfläche auszubilden.

Die Oberseite der obersten Kontaktschicht 10 kann plan mit der Passivierungsschicht 7 abschließen oder, wie in Fig. 3 als Alternative dargestellt ist, die Oberseite etwas überra­ gen. Damit kann sichergestellt werden, dass in jedem Fall beim Auflegen eines Fingers oder einer sonstigen Berührung der Oberfläche ein Kontakt zu der leitenden Schicht 2 herge­ stellt wird, der ein Abfließen elektrischer Ladungen dorthin ermöglicht.

In der Fig. 4 ist ein Ausschnitt aus einem erfindungsgemäß ausgebildeten Fingerabdrucksensor in Aufsicht dargestellt. Ein solcher Sensor, der insbesondere ein Foliensensor mit ei­ ner Folie als Trägerschicht sein kann, weist eine zur Bild­ erfassung vorgesehene gerasterte Anordnung aus Leiterflächen 13, 14 auf, die in mindestens zwei verschiedenen Richtungen miteinander verschaltet sind. Diese Leiterflächen können bei­ spielsweise nach Art einer Matrix angeordnet sein und über Zuleitungen 11, 12 zeilenweise und spaltenweise miteinander und mit einem jeweiligen Eingang einer Ansteuerschaltung ver­ bunden sein.

Mittels der Zuleitungen können die Kapazitäten zueinander be­ nachbarter Leiterflächen gemessen werden. Diese Kapazitäten ändern sich, wenn auf der Oberseite (Berührungsfläche, Aufla­ gefläche) ein Finger oder ein anderer Körperteil aufgelegt ist. Die Hautoberfläche des in Stege und Furchen strukturier­ ten Fingerabdrucks verursacht örtlich unterschiedliche Kapa­ zitätsänderungen zwischen den Leiterflächen, so dass die Struktur der Hautoberfläche in dem erfassten gerasterten Bild reproduziert wird. Entsprechend der Darstellung der Fig. 4 sind zwischen den Leiterflächen 13, 14 Kontaktflächen 15 an­ geordnet, die durch in Aussparungen freiliegende Bereiche der Oberfläche der leitenden Schicht 2 des ESD-Schutzes oder durch eine darauf aufgebrachte weitere elektrisch leitende Schicht, wie zum Beispiel eine oberste Kontaktschicht, gebil­ det sind.

In jedem Fall sind die Kontaktflächen 15 mit einer hinter der Zeichenebene unter der Anordnung aus Leiterflächen vorhande­ nen, elektrisch leitenden Schicht 2 verbunden, die als ESD- Schutz vorgesehen ist und vorzugsweise mit einem Massean­ schluss verbunden ist. Beim Auflegen eines Fingers auf die Auflagefläche oder Berührungsfläche eines derartigen Sensors wird daher ein Kontakt der Hautoberfläche mit den Kontaktflä­ chen 15 hergestellt, über die eventuell vorhandene elektri­ sche Ladung in die leitende Schicht 2 und ggf. zu dem Masse­ anschluss hin abgeführt werden kann. In der Fig. 4 sind au­ ßerdem typische, aber nicht als Einschränkung aufzufassende Abmessungen der Leiter und deren Abstände zueinander einge­ zeichnet.

Wenn als Material der Trägerschicht 1 eine Trägerfolie aus Kapton E verwendet wird, kann die leitende Schicht 2 des ESD- Schutzes besonders kostengünstig als Kupferkaschierung aufge­ bracht werden. Es ist statt dessen aber auch möglich, diese Schicht bei dem erfindungsgemäßen Bauelement physikalisch (z. B. durch Sputtern) oder chemisch (CVD, chemical vapor de­ position) abzuscheiden. Mit der Integration einer auf Masse­ potential liegenden Schichtebene in den Schichtaufbau erübri­ gen sich alle weiteren, ggf. systemspezifischen Maßnahmen zur Ableitung elektrostatischer Ladungen.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass sie bei einem Bauelement, das als biometrischer Sensor vorgesehen ist, die Sensorfunktion nicht beeinträch­ tigt. Die leitende Schicht unterhalb der eigentlichen Bauele­ mentstruktur verursacht keine störenden Nebeneffekte und ist praktisch bei jedem Bauelement auf einfache Weise zu inte­ grieren. Damit ist insbesondere die Ausbildung eines Bauele­ mentes auf einer flexiblen Folie (Foliensensor) leicht mög­ lich. Die leitende Schicht kann auf einen besonders kriti­ schen Bereich begrenzt sein, z. B. nur unterhalb einer Aufla­ gefläche für einen Finger vorhanden sein. Einen wirkungsvol­ leren ESD-Schutz erreicht man je nach Bauelementstruktur mit einer größerflächigen oder ganzflächigen Ausgestaltung einer solchen Schicht.

Bei bevorzugten Ausgestaltungen des Bauelementes werden die Kontaktflächen 15 in einer Größe mit Durchmessern von typisch ca. 15 µm bis 20 µm ausgebildet. In Anbetracht der Dicke der Schichtstrukturen kann so ein direkter Kontakt zwischen einem aufliegenden Finger und der leitenden Schicht 2 hergestellt werden. Eine erhabene Ausgestaltung der Kontaktflächen 15 mittels einer vorzugsweise galvanischen Abscheidung zusätzli­ cher Metallschichten bietet sich in den Fällen an, in denen mit einer Ausgestaltung gemäß Fig. 1 kein ausreichend guter Kontakt (z. B. zu der Hautoberfläche) möglich ist. Wie be­ reits erwähnt, kann abgesehen von der Struktur des erfindungsgemäßen ESD-Schutzes die Ausgestaltung der für die beab­ sichtigte Funktion des Bauelementes erforderlichen Schicht­ struktur im Prinzip frei gewählt werden.

Es können auf der Trägerschicht 1 insbesondere auch aktive Komponenten integriert werden. Die Passivierungsschicht 7 kann entfallen oder durch eine mehrlagige Schutzschicht er­ setzt sein. Die für das Bauelement vorgesehene Struktur von Metallisierungen kann eine oder mehrere Metallisierungs­ schichten umfassen, die auch mit Intermetalldielektrika von­ einander getrennt sein können. Es ergeben sich aus der für das Bauelement vorgesehenen Schichtstruktur keine grundsätz­ lichen Einschränkungen für die Ausgestaltung der beschriebe­ nen ESD-Schutzschicht.

Claims (9)

1. Bauelement mit Schichtstruktur, das eine Berührungsfläche aufweist und bei dem in oder unter der Berührungsfläche eine gerasterte Anordnung aus Leiterflächen (13, 14) vorhanden ist, die in mindestens zwei verschiedenen Richtungen miteinander ver­ schaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtstruktur auf der von der Berührungsfläche abge­ wandten Seite der Leiterflächen (13, 14) eine elektrisch lei­ tende Schicht (2) umfasst, die mit Kontaktflächen (9; 10; 15) innerhalb der Berührungsfläche versehen ist und die als Schutz gegen Beschädigung des Bauelementes durch elektrosta­ tische Aufladung vorgesehen ist.

2. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Berührungsfläche Teil eines Sensors zur biometrischen Er­ kennung ist.

3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Schichtstruktur auf einer Folie als Trägerschicht (1) aufgebracht ist.

4. Bauelement nach Anspruch 3, bei dem die leitende Schicht (2) unmittelbar auf der Folie aufge­ bracht ist.

5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Kontaktflächen (9; 10; 15) zwischen den Leiterflächen (13, 14) angeordnet sind.

6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Kontaktflächen (9; 10; 15) mit mindestens einer struktu­ rierten weiteren elektrisch leitenden Schicht (9; 40, 50, 10) ausgebildet sind.

7. Bauelement nach Anspruch 6, bei dem die weitere elektrisch leitende Schicht (9) TiN ist.

8. Bauelement nach Anspruch 6, bei dem die weitere elektrisch leitende Schicht (40, 50, 10) mindes­ tens eine Metallisierung und einen galvanisch abgeschiedenen Schichtanteil umfasst.

9. Bauelement nach Anspruch 8, bei dem der galvanisch abgeschiedene Schichtanteil mindestens ein Element aus der Gruppe von Nickel, Chrom und Hartgold ent­ hält.