DE19924320A1

DE19924320A1 - Isoliervorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines isolierten Bereiches

Info

Publication number: DE19924320A1
Application number: DE19924320A
Authority: DE
Inventors: Roland Mueller-Fiedler; Winfried Bernhard
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-05-27
Filing date: 1999-05-27
Publication date: 2000-12-07
Also published as: WO2000074150A1

Abstract

Es wird eine Isoliervorrichtung (5) mit einem Grundkörper (10) und mindestens einem auf der Oberfläche des Grundkörpers (10) bereichsweise angeordneten Bauteil (20), insbesondere einer Sensiereinrichtung oder einer elektrischen Schaltung, vorgeschlagen, wobei der Grundkörper (10) bereichsweise mit mindestens einem Isolierbereich (30) versehen ist, der aus einem Polymermaterial besteht. Das Bauteil (20) steht dabei bereichsweise direkt mit dem Grundkörper (10) und bereichsweise mit dem Isolierbereich (30) in Kontakt. Daneben wird ein Verfahren zur Herstellung eines thermisch und/oder elektrisch isolierten Bereiches eines Grundkörpers (10) vorgeschlagen, wobei der Grundkörper (10) bereichsweise mit mindestens einem Isolierbereich (30) aus einem gegenüber dem Grundkörper (10) schlecht wärmeleitenden und/oder schlecht elektrisch leitenden Polymermaterial versehen wird. Die vorgeschlagene Isoliervorrichtung (5) eignet sich besonders als Substrat für Dünnschicht-Thermoelemente, Luftmassensensoren oder elektrische Hochfrequenzschaltungsanordnungen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Isoliervorrichtung und ein Ver fahren zur Herstellung eines insbesondere thermisch und/oder elektrisch isolierten Bereiches eines Grundkörpers nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche

Stand der Technik

Für verschiedene Anwendungen sind die elektrische und/oder thermische Isolierung kleiner Bereiche eines Bauteils oder einer elektrischen Schaltung gegenüber dem übrigen Substrat notwendig. Ein Beispiel dafür ist ein Dünnschicht- Thermoelement, bei dem sich der "kalte Kontakt" auf einem thermisch gut leitfähigen Substrat, beispielsweise einem Si liziumwafer befindet, und der "warme" Kontakt" auf einer thermisch gegenüber dem Substrat isolierten Fläche angeord net werden muß. Dazu werden üblicherweise freitragende Mem branen, beispielsweise aus Siliziumnitrid, oder lokal oxi dierte Bereiche eines Siliziumwafers verwendet. Membranen sind zwar gut isolierend, aber mechanisch sehr instabil, während Siliziumoxid mechanisch zwar sehr stabil ist, aber beispielsweise gegenüber einer freitragenden Siliziumnitrid- Membran deutlich besser wärmeleitend ist. Im übrigen ist Si liziumoxid auch schwierig in ausreichender Dicke herzustel len.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Isoliervorrichtung und das erfindungs gemäße Verfahren zur Herstellung eines isolierten Bereiches hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß damit in einem Isolationsbereich insbesondere eine gute thermische und/oder elektrische Isolation dieses Bereiches gegenüber dem übrigen, beispielsweise als Substrat oder Tragkörper dienenden Grundkörper erzielt wird, und daß gleichzeitig ei ne hohe mechanische Stabilität des Isolationsbereiches ge währleistet ist. Diese Vorteile sind verbunden mit einer weitgehend ebenen Oberfläche des Grundkörpers und einem ins gesamt preisgünstigen Herstellungsprozeß.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Isoliervorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen in der hohen räumlichen Auslösung mit der die Isolierbereiche auf dem Grundkörper erzeugt werden können, sowie der Kompatibilität der eingesetzten Verfahren und Verfahrensschritte mit eta blierten Verfahren aus der Halbleitertechnologie. Insbeson dere ist vorteilhaft, daß die eingesetzten Verfahrensschrit te im einzelnen an sich jeweils bekannt und etabliert sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeich nung und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figur zeigt einen Grundkörper mit einem isolierten Be reich und einem darauf angebrachten Bauteil.

Ausführungsbeispiele

Die Figur zeigt eine Isoliervorrichtung 5 aus einem Grund körper 10 aus Silizium, der oberflächlich bereichsweise eine Ausnehmung 11 in Form einer Wanne aufweist, die mit einer Füllung 14 aus einem Polymermaterial gefüllt ist. Der Grund körper 10 ist beispielsweise ein Siliziumwafer. Die Füllung 14 füllt die Ausnehmung 11 vollständig aus und schließt oberflächlich mit dem Grundkörper 10 bündig und eben ab. Der Bereich der Ausnehmung 11 bildet dabei einen Isolierbereich 30, der aus einem Material besteht, das gegenüber dem Sili zium des den Isolierbereich 30 umgebenden, verbliebenen Grundkörpers 10 eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die ca. 10^-3-fach bis 10^-5-fach geringer ist als die von Silizium.

Auf der Oberfläche des Grundkörpers 10 ist weiter bereichs weise ein Bauteil 20 angeordnet, so daß der Grundkörper für dieses als Substrat oder Tragkörper dient. Dieses Bauteil 20 ist im erläuterten Ausführungsbeispiel ein flächiges, an sich bekanntes Thermoelement 21, das auf dem Grundkörper 10 und dem Isolierbereich 10 derart angeordnet ist, daß ein Teil des Thermoelementes, ein sogenannter "warmer" Kontakt bereich 12, mit dem Isolierbereich 30 in direktem Kontakt ist. Der verbleibende Teil des Thermoelementes, ein soge nannter "kalter Bereich" 13, ist dagegen mit der Oberfläche des Grundkörpers 10 in direktem Kontakt. Weiterhin sind auf der Oberfläche des Grundkörpers 10 an sich bekannte Kontak tierungen 15 zur elektronischen Auswertung oder Ansteuerung des Thermoelementes 21 vorgesehen.

Die Ausnehmung 11 hat im erläuterten Beispiel eine typische Größe von ca. 10 µm × 10 µm bis zu ca. 1000 µm × 1000 µm bei einer Tiefe von ca. 10 µm bis 500 µm. Das Polymer, mit dem die Ausnehmung 11 gefüllt ist, ist beispielsweise Benzocy clobutan, das von der Fa. Dow Chemical unter dem Handelsna men "Cycloten" vertrieben wird.

Kern der Erfindung ist somit der Einsatz von lokal und ins besondere eng beschränkten Polymerinseln als isolierende Be reiche 30. Dabei kann die Isolierung eine Verminderung der Wärmeleitfähigkeit in dem Isolierbereich 30 bewirken, sie kann jedoch ebenso zur Verminderung der elektrischen Leitfä higkeit, oder zur Veränderung der magnetischen oder dielek trischen Permeabilität eingesetzt werden. Allgemein unter scheidet sich das Polymermaterial in dem Isolierbereich 30 somit in seinen physikalischen Eigenschaften deutlich von dem Material des verbliebenen Grundkörpers 10.

Im für Thermoelemente oder Luftmassensensoren als Bauteile 20 relevanten Fall einer in dem Isolierbereich 30 zu vermin dernden Wärmeleitfähigkeit, wobei der übrige Grundkörper 10 im wesentlichen aus Silizium besteht, eignen sich vor allem Polymere als Füllung 14, die eine 10^-3-fach bis vorzugsweise 10^-6-fach geringere Wärmeleitfähigkeit als Silizium aufwei sen.

Als Verfahren zur Erzeugung der Ausnehmung 11, die weitge hend beliebige Formen annehmen kann und insbesondere in Form einer Grube, einer Wanne, eines Grabens oder einer Platte, Schicht oder Insel ausgebildet sein kann, eignen sich bei spielsweise an sich bekannte isotrope oder anisotrope Ätz verfahren für Silizium. Die so erzeugte Ausnehmung 11 wird dann mit dem Polymermaterial in an sich bekannter Weise, beispielsweise durch Dispensen, gefüllt, so daß nach einem nachgeschalteten, an sich bekannten Aushärteschritt eine glatte Oberfläche der Füllung 14 entsteht, die die Ausneh mung 11 bündig und eben mit der Oberfläche des Grundkörpers 10 abschließt bzw. füllt. Teilweise ist nach dem Aushärten eine an sich bekannte Nachbearbeitung der Oberfläche in den Isolierbereichen 30 durch Polieren oder Ätzen erforderlich.

Bei Verwendung geeigneter Polymere wie beispielsweise Ben zocyclobutan, Perfluorcyclobutan, Polyimid, Polycyanurat oder eines Ormocers entsteht somit eine ebene glatte Ober fläche des Grundkörpers 10 mit hoher mechanischer Stabili tät, auf der neben der ursprünglichen Oberfläche des Grund körpers 10 auch die erzeugten Isolationsbereiche 30 vorlie gen. Auf dieser derart vorbereiteten Oberfläche können dann durch weitere, an sich bekannte Prozeßschritte das Bauteil 20, beispielsweise ein Dünnschicht-Thermoelement 21 oder ein Array von Dünnschicht-Thermoelementen, aufgebracht werden.

Der Isolierbereich 30 kann weiter offensichtlich in analoger Weise auch als elektrisch isolierender oder gegenüber dem Material des Grundkörpers elektrisch schlecht leitender Be reich hergestellt werden. Dazu eignet sich beispielsweise als Füllung 14 das Polymermaterial Benzocyclobutan. In die sem Fall weist der Isolierbereich 30 eine elektrische Leit fähigkeit auf, die vorzugsweise etwa 10^-3-fach bis 10^-10-fach schlechter als die von Silizium ist.

Das Bauteil 20 kann weiterhin auch eine anderweitige Sen siereinrichtung, beispielsweise ein Luftmassensensor, oder allgemein eine elektrische Schaltungsanordnung, wie bei spielsweise eine elektrische Hochfrequenzschaltungsanordnung sein, die bereichsweise von der Oberfläche des Grundkörpers 10 in einem oder mehreren definierten Isolierbereichen 30 elektrisch isoliert werden soll.

Wie in der Figur angedeutet, ist es beispielsweise im Fall, daß das Bauteil 20 ein Thermoelement 21 oder ein Array von Thermoelementen ist, weiter zweckmäßig, wenn das Bauteil 20 derart auf dem Grundkörper 10 angeordnet ist, daß seine Grundfläche bzw. die Berührfläche zwischen Grundkörperober fläche und Isolierbereichoberfläche zu etwa gleichen Teilen mit dem Isolierbereich 30 und der Oberfläche des Grundkör pers 10 in Kontakt steht.

Das erläuterte Ausführungsbeispiel kann im übrigen auch da hingehend modifiziert werden, daß der Isolierbereich 30 nicht in Form einer mit einer Füllung versehenen Ausnehmung 11 ausgeführt ist, sondern aus einer bereichsweise auf dem Grundkörper 10 aufgebrachten Isolierschicht besteht.

Bezugszeichenliste

5

Isoliervorrichtung

10

Grundkörper

11

Ausnehmung

12

"warmer" Kontaktbereich

13

"kalter" Kontaktbereich

14

Füllung

15

Kontaktierung

20

Bauteil

21

Thermoelement

30

Isolierbereich

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines thermisch und/oder elektrisch isolierten Bereiches eines Grundkörpers (10), da durch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (10) bereichsweise mit mindestens einem Isolierbereich (30) aus einem gegenüber dem Grundkörper (10) schlecht wärmeleitenden und/oder schlecht elektrisch leitenden Polymermaterial versehen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine Ausnehmung (11) des Grundkörpers (10) er zeugt wird, die danach mit einer Füllung (14) aus dem Poly mermaterial versehen wird, oder daß auf den Grundkörper (10) bereichsweise eine Isolierschicht aus dem Polymermaterial aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Polymermaterial ein elektrisch zumindest weitgehend isolierendes Polymer und/oder ein gegenüber Silizium schlecht wärmeleitendes Polymer, insbesondere Benzocyclo butan, Perfluorcyclobutan, Polyimid, Polycyanurat oder ein Ormocer, verwendet wird, und daß als Grundkörper (10) ein Siliziumkörper, insbesondere ein Siliziumwafer, verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Isolierbereich (30) oder die Ausnehmung (11) in Form eines Grabens, einer Wanne, einer Platte, einer Schicht oder einer Insel, ausgehend von der Oberfläche oder auf der Oberfläche des Grundkörpers (10), erzeugt wird, und daß der von der Ausnehmung (11) eingenommene Raum von der Füllung (14) mit dem Polymermaterial vollständig ausfüllt wird, wobei die Oberfläche des Grundkörpers (10) von der Füllung (14) insbesondere bündig und eben abgeschlossen wird.

5. Isoliervorrichtung mit einem Grundkörper (10) und mindestens einem auf dem Grundkörper (10) bereichsweise an geordneten Bauteil (20), insbesondere einer Sensiereinrich tung oder einer elektrischen Schaltung, dadurch gekennzeich net, daß der Grundkörper (10) bereichsweise mit mindestens einem Isolierbereich (30) versehen ist, der aus einem Poly mermaterial besteht, und daß das Bauteil (20) bereichsweise direkt mit dem Grundkörper (10) und bereichsweise mit dem Isolierbereich (30) in Kontakt steht.

6. Isoliervorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekenn zeichnet, daß sich das Polymermaterial in seinen physikali schen Eigenschaften, insbesondere seiner Wärmeleitfähigkeit und/oder seiner elektrischen Leitfähigkeit, deutlich von dem Material des Grundkörpers (10) unterscheidet.

7. Isoliervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß das Material des Grundkörpers (10) zumindest im wesentlichen Silizium ist, oder daß der Grundkörper (10) ein Siliziumwafer ist.

8. Isoliervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der Isolierbereich (30) eine Ausnehmung (11) ist, die mit einer Füllung aus dem Polymermaterial, insbe sondere aus Benzocyclobutan, Perfluorcyclobutan, Polyimid, Polycyanurat oder einem Ormocer, versehen ist, oder daß der Isolierbereich (30) eine auf dem Grundkörper (10) bereichs weise aufgebrachte Isolierschicht ist.

9. Isoliervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß das die Ausnehmung (11) ausfüllende oder das den Isolierbereich (30) bildende Polymermaterial eine Wärme leitfähigkeit aufweist, die etwa 10^-3-fach bis 10^-6-fach schlechter als die von Silizium ist und/oder daß das die Ausnehmung (11) ausfüllende oder das den Isolierbereich (30) bildende Polymermaterial eine elektrische Leitfähigkeit auf weist, die etwa 10^-3-fach bis 10^-10-fach schlechter als die von Silizium ist.

10. Isoliervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ausnehmung (11) oder der Isolierbereich (30) die Form eines Grabens, einer Wanne, einer Platte, ei ner Schicht oder einer Insel hat, und daß die mit dem Poly mermaterial gefüllte Ausnehmung (11) zumindest bereichsweise eine ebene und bündig abschließende Oberfläche des Grundkör pers (10) bildet.

11. Isoliervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß das Bauteil (20) ein Dünnschicht- Thermoelement, ein Array von Dünnschicht-Thermoelementen, ein Luftmassensensor oder eine elektrische Hochfrequenz schaltungsanordnung ist.