WO2021074068A2 - Bauelement und verfahren zur herstellung eines bauelements - Google Patents

Bauelement und verfahren zur herstellung eines bauelements Download PDF

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Thomas Bernert
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Michael Krenn
Stephan Bigl
Markus Puff
Sebastian REDOLFI
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Definitions

  • the present invention relates to a component, in particular an electrical component.
  • the present invention further relates to a method for producing a construction element.
  • the dimensions of the components must be adapted for modern packaging designs, which are in the micrometer and even in the nanometer range.
  • the components are deposited as thin films on carrier structures with electrical connections and described as a discrete component.
  • MEMS Micro Electro Mechanical System
  • SESUB semiconductor Embedded in Substrates
  • the aim of the present invention is to be written to a component that solves the above problems. This object is achieved by a component and a method for producing a component according to the independent claims.
  • a component is described.
  • the construction element is an electrical component.
  • the component is designed for integration into an electrical system.
  • the component is preferably a passive component.
  • the component is, for example, a sensor, capacitor, protective component or heating element.
  • the component has at least one carrier layer.
  • the carrier layer has an upper side and an underside.
  • the carrier layer has a carrier material.
  • the carrier layer preferably comprises silicon, silicon carbide or glass (silicate or borosilicate glass).
  • the component also has at least one functional layer.
  • the component can also have more than one functional layer, for example two or three functional layers.
  • the functional layer has a material (functional material) that has special electrical characteristics.
  • the functional material has a specific U / I characteristic curve, a specific R and B value characteristic curve, a specific charge / discharge curve, a specific capacity, and / or a specific Ri s ( T).
  • the functional layer is preferably arranged on the top of the carrier layer.
  • the functional layer preferably completely covers the upper side of the carrier layer.
  • the functional layer is preferably formed directly on the top of the carrier layer.
  • the functional material is positively and materially on the material al the carrier layer.
  • the functional material is produced locally or as a layer directly in the material of the carrier layer.
  • a thin electrically insulating film can also be formed between the carrier layer and the functional layer.
  • the component can be made very compact.
  • the component has a width of preferably less than or equal to 500 pm, for example 100 pm or 250 pm.
  • the component 1 also has a length of preferably less than or equal to 500 pm, for example 100 pm or 250 pm.
  • the component preferably has a height or thickness of less than or equal to 100 ⁇ m, for example 50 ⁇ m.
  • the component is made very compact, so that it can be integrated as a complete component in an electrical system, such as a printed circuit board or a silicon chip.
  • the component is designed to be embedded directly into an electrical system as a discrete component.
  • the component is designed for direct integration into a MEMS structure and / or into a SESUB structure.
  • the functional layer is preferably a thin film layer.
  • the functional layer is only very thin.
  • the functional layer has a thickness d of 10 nm ⁇ dd 1 ⁇ m, for example 500 nm. This results in a very small, discrete component made available that can be easily embedded in existing structures.
  • the functional layer has a dielectric or antiferroelectric ceramic based on an oxidic material in the perovskite structure type.
  • the perovskite can have mixed crystals of the composition PLZT (lead (Pb) - lanthanum (La) - zirconium (Zr) - titanium (T)).
  • La can be completely or partially replaced by, for example, Na or Cu.
  • the functional layer can have an ion-conducting ceramic based on a material in the Nasicon structure type.
  • the composition can be based on mixed crystals of LATP (lithium aluminum titanium phosphate), LVP (lithium vanadium phosphate), LZP (lithium zirconium phosphate) and other typical active materials for batteries such as LiCo or LiFeP.
  • the functional layer can have a semiconducting material based on an oxide in the spinel structure type or in the perovskite structure type.
  • the composition of the spinel can be based on mixed crystals of N ⁇ Mh2q4, where Ni and Mn can be completely or partially replaced with, for example, Fe, Co, or Al.
  • the perovskite can be based on mixed crystals of the composition CaMn0 3 , where Ca can be completely or partially replaced by, for example, Y, Cr, Al or La.
  • the functional layer can have a semiconducting material based on a perovskite structure made of polycrystalline BaTi0 3 .
  • Pb, Sr or Ca can be used to adjust the Curie temperature.
  • the material can be Y, Have Mn, Fe as dopants.
  • the polycrystalline structure preferably has a positive temperature coefficient.
  • the functional layer has a semiconducting material based on silicon carbide in the hexagonal, wurtzite-like structure or the cubic phase in the zinc blende structure type.
  • the functional layer can have a metal nitride in the wurtzite structure type.
  • the component has a protective layer.
  • the protective layer is arranged on an upper side of the component.
  • the protective layer preferably completely covers the upper side of the component.
  • the protective layer is formed on an upper side of the functional layer.
  • the protective layer can, however, also be formed on structures which are arranged on the functional layer.
  • the protective layer protects the component from external influences.
  • the protective layer preferably has S1O 2 .
  • At least one side surface, preferably all side surfaces, of the component can also be covered by a protective layer.
  • This protective layer also preferably has S1O 2 .
  • this protective layer preferably consists of S1O 2 .
  • the component has at least one bushing.
  • the component can also have more than one implementation, for example two or four implementation.
  • the bushing has a metallic material.
  • the implementation penetrates the carrier layer completely dig. In other words, the implementation extends from the functional layer on the upper side of the carrier layer to the lower side of the carrier layer.
  • the underside of the carrier layer is that side of the carrier layer or of the component which rests on the electronic system in which the component is integrated or on a component of the electronic system.
  • the leadthrough can also completely penetrate the functional layer.
  • the leadthrough extends from an upper side of the functional layer through the functional layer and the carrier layer to the lower side of the carrier layer.
  • At least one contact element for making electrical contact with the component is also formed on the underside of the carrier layer.
  • the component can also have more than one contact element, for example two or four contact elements.
  • the contact element is directly connected to the implementation on the underside of the carrier layer.
  • the contact element can have a bump or a thin electrode, for example.
  • Feedthrough and contact element represent the electrical contact and connection surfaces with the aid of which electrical contact can be made with the component.
  • Classic soldering processes for SMD designs or wire Bonding for electrical contact can therefore be omitted. This makes the component ideally suited to be integrated into a MEMS or SESUB structure.
  • the component also has at least one cover electrode.
  • the cover electrode has, for example, Au, Ni, Cr, Ag, W, Ti or Pt.
  • the Deckelek electrode is designed to make electrical contact with the functional layer from an upper side of the functional layer. Since the component can be contacted in a reliable manner from the bottom via the bushing and the contact element and from the top via the cover electrode.
  • the cover electrode is preferably arranged directly on the functional layer.
  • the cover electrode is deposited on the top of the functional layer.
  • the cover electrode can be sputtered onto the functional layer.
  • the top electrode has a thin metal film.
  • the cover electrode is preferably a thin-film electrode.
  • the top electrode can be single-layered or multilayered.
  • the top electrode has a thickness d of 10 nm ⁇ d d 1 ⁇ m, for example 500 nm. In this way, a very compact component for direct integration into an electrical system is made available.
  • the component has at least two cover electrodes.
  • the cover electrodes are preferably arranged next to one another.
  • the respective cover electrode covers only part of the top of the functional layer.
  • the cover electrodes are spatially and electrically separated from one another by at least one recess or at least one gap.
  • the resistance of the component can be varied or adjusted by the size (in particular the width) of the recess and thus the size of the distance between the cover electrodes.
  • a comb-like interlocking structure can also be provided between the two cover electrodes. In this way, the area between the cover electrodes is increased. Furthermore, the comb-like structure reduces the resistance of the component and also a scattering of the resistance.
  • a method for producing a component in particular an electrical component, is described.
  • the component described above is preferably produced by the method. All properties that are disclosed in relation to the component or the method are also disclosed correspondingly in relation to the respective other aspect and vice versa, even if the respective property is not explicitly mentioned in the context of the respective aspect.
  • the procedure consists of the following steps:
  • the carrier material preferably comprises Si, SiC or glass.
  • the carrier layer formed by the carrier material serves to stabilize the component.
  • the implementation penetrates the carrier material preferably completely dig. In other words, there will be a breakthrough through the germaterial generated, which is later filled with a metallic material.
  • the opening penetrates the carrier material completely only after a thinning step.
  • an opening / recess can first be made in the carrier material and then carrier material is removed so that the opening / recess completely penetrates the carrier material.
  • the carrier material can also be provided with a continuous opening in a single process step.
  • the metallic material can include copper or gold, for example.
  • the resulting functional layer is preferably a thin-film layer.
  • the coating takes place, for example, by means of a PVD (“physical vapor deposition”) process, a CVD (“chemical vapor deposition”) process or galvanically.
  • a tempering step can then optionally take place.
  • the functional layer can be produced by a sol-gel process or by means of ceramic slip and applied to the carrier material by a CSD (Chemical Solution Deposition) process, for example spin coating.
  • a subsequent thermal process is required.
  • the thermal process uses a rapid heating ramp in the range from a few K / s to K / min and up to a maximum of 1200 ° C with a holding time of up to a maximum of 4 hours under air or protective gas such as argon, nitrogen, forming gas and provided without moisture.
  • the method produces a reliable and compact, discrete component which can be easily integrated into existing electrical systems.
  • step E at least one cover electrode is deposited onto an upper side of the functional material.
  • the cover electrode can be produced in one process step with the filling of the at least one feedthrough.
  • separate process steps can also be provided for filling the bushing and for producing the cover electrode.
  • the generation of the at least one cover electrode is an optional step, that is to say the resulting component can also be designed without a cover electrode and can only be contacted from the underside via the bushings and contact elements.
  • the top electrode is preferably deposited by means of a PVD process, a CVD process or galvanically.
  • the resulting cover electrode is preferably a thin film electrode.
  • step D) is carried out before step B) or before step C).
  • the carrier material can be coated with the functional material before the at least one passage is formed or before the at least one passage is filled.
  • the bushing protrudes into the functional layer.
  • the implementation is enclosed by the functional layer. The implementation preferably penetrates the carrier layer and the functional layer completely.
  • FIG. 1 a component in a first Aussch approximate form
  • FIG. 2 shows a component in a second embodiment
  • FIG. 3 shows a component in a third embodiment
  • FIG. 4 shows a component in a fourth embodiment
  • FIG. 5 shows a component in a fifth embodiment
  • FIG. 6 shows a component in a sixth embodiment
  • Figures 7 to 11 show a method for producing a
  • FIGS. 12 to 17 show an alternative method for the production of a component
  • FIGS. 18 to 22 show an alternative method for the production of a component
  • FIGS. 23 to 28 show an alternative method for producing a component
  • FIGS. 29 to 35 show an alternative method for producing a component.
  • FIG. 1 shows a component 1 according to a first embodiment.
  • the component 1 is preferably designed as a passive component.
  • the component 1 is preferably a Sensor element, a capacitor, a protective component or a heating element.
  • the component 1 has at least one carrier layer 2 or a wafer 2.
  • the carrier layer 2 has an upper side 2a and a lower side 2b.
  • the carrier layer 2 has a carrier material, preferably silicon (Si), silicon carbide (SiC) or glass (silicate or borosilicate).
  • the carrier layer 2 is used to mechanically stabilize the component 1.
  • the component 1 also has at least one functional layer 5.
  • the component 1 has exactly one functional layer 5.
  • several functional layers 5 are also conceivable, for example two, three or four functional layers 5, which can for example be arranged next to one another or one above the other.
  • the functional layer 5 is arranged on the upper side 2 a of the carrier layer 2.
  • the functional layer 5 preferably completely covers the top side 2a of the carrier layer 2.
  • the functional layer 5 is arranged on the carrier layer 2 in a form-fitting and material-locking manner.
  • the functional layer 5 is produced locally or as a layer directly in a material of the carrier layer 2.
  • the functional layer 5 has a very small thickness of less than or equal to 1 ⁇ m.
  • the functional layer 5 comprises a material with a special electrical characteristic.
  • the functional layer 5 has, for example, a dielectric or anti-ferroelectric ceramic based on an oxidic material in the perovskite structure type.
  • the perovskite for example, is made made of mixed crystals of the composition PLZT, in which La can be completely or partially replaced by, for example, Na or Cu.
  • the functional layer 5 can also have an ion-conducting ceramic based on a material in the Nasicon structure type.
  • the composition is based, for example, on mixed crystals of LATP, LVP, LZP and other typical active materials for batteries such as LiCo, LiFeP.
  • the functional layer 5 can have a semiconducting material based on an oxide in the spinel structure type or in the perovskite structure type.
  • the composition of the spinel is preferably based on mixed crystals of N ⁇ Mh2q4, in which Ni and Mn can be completely or partially replaced with, for example, Fe, Co, Al.
  • the perovskite preferably has mixed crystals of the composition CaMn0 3 , in which Ca can be completely or partially replaced by, for example, Y, Cr, Al or La.
  • the functional layer 5 can furthermore also have a semiconducting material based on a perovskite structure made of polycrystalline BaTi0 3 with Pb, Sr, Ca to adjust the Curie temperature and, for example, Y, Mn, Fe as dopants.
  • the polycrystalline structure here preferably has a positive temperature coefficient.
  • the functional layer 5 can also have a semiconducting material based on silicon carbide in the hexagonal, wurtzite-like structure or the cubic phase in the zinc blende structure type.
  • the functional layer 5 can also have a metal nitride in the wurtzite structure type.
  • the carrier layer 2 also has two passages 3.
  • the component 1 can also have only one passage 3 (see FIG. 3 in this regard) or no passage 3 at all (see FIG. 4 in this regard).
  • more than two bushings 3, for example three or four bushings, are imaginable (not explicitly shown).
  • the respective passage 3 penetrates the carrier layer 2 completely.
  • the bushing 3 protrudes from the top 2a to the bottom 2b of the carrier layer 2.
  • the bushing 3 has a metallic material, for example copper or gold.
  • the component 1 shown in FIG. 1 also has two contact elements 4.
  • the contact elements 4 are arranged on the underside 2 a of the carrier layer 2.
  • the contact elements 4 are formed directly or immediately on the bushings 3.
  • the contact elements 4 are in electrical and mechanical contact with the bushings 3.
  • the Kunststoffele elements 4 are used to make electrical contact with the component 1.
  • the component 1 can be stacked via the contact elements 4, for example, onto other components of an electrical system.
  • the contact elements 4 can be designed, for example, as bumps or as a thin electrode.
  • the contact elements 4 have a metal, for example copper, gold or solderable alloys.
  • the bushings 3 serve the function onstik 5 on the top 2 a of the carrier layer 2 with the To connect contact elements 4 on the underside 2a of the carrier layer 2 and thus to make electrical contact with the functional layer 5.
  • a robust and reliable component 1 is thus provided.
  • a protective layer 7 is also arranged on an upper side 1 a of the component 1.
  • the protective layer 7 is formed directly on the functional layer 5.
  • the protective layer 7 covers an upper side 5a of the functional layer 5 completely.
  • the protective layer 7 preferably has S1O2.
  • the protective layer 7 serves to protect the functional layer 5 and the component 1 from external influences (see also FIG. 2 in this regard).
  • component 1 Due to its special contacting (bushings 3, contact elements 4) and the special layer structure (thin functional layer 5 with special electrical characteristics), component 1 is designed in such a way that it can be integrated as a complete component in a Si chip or on a printed circuit board . In particular, the component 1 is designed to be integrated as a discrete component in MEMS or SESUB structures.
  • the component 1 is very compact.
  • the component 1 has a very small dimension.
  • the construction element 1 has a width of preferably less than or equal to 500 ⁇ m, for example 50 ⁇ m, 100 ⁇ m, 250 ⁇ m, 300 ⁇ m, 400 ⁇ m or 450 ⁇ m.
  • the component 1 has a length of preferably less than or equal to 500 pm, for example 50 pm, 100 pm, 250 pm, 300 pm, 400 pm or 450 pm.
  • the component 1 has a rectangular basic shape.
  • the component 1 has a height (extension in the stacking direction device) of preferably less than or equal to 100 mpi, for example 10 mpi, 50 mpi or 80 mpi.
  • the component 1 is ideally suited for integration in MEMS or SESUB structures.
  • FIG. 2 shows a component 1 in a second embodiment.
  • the component 1 according to FIG. 2 additionally has a cover electrode 6.
  • the cover electrode 6 is arranged on the upper side 5 a of the functional layer 5.
  • the cover electrode 6 is applied directly to the functional layer 5.
  • the top electrode 6 covers the top 5a of the functional layer 5 completely.
  • the functional layer 5 can be contacted from the top by means of the cover electrode 6. Contacting on the underside takes place via bushings 3 and contact elements 4.
  • the cover electrode 6 comprises a metallic material, before given to Au, Ni, Cr, Ag, W, Ti or Pt.
  • the cover electrode 6 is preferably deposited on the functional layer 5, for example by means of a PVD or CVD process or galvanically.
  • the cover electrode 6 is preferably sputtered onto the functional layer 5.
  • the cover electrode 6 is a thin-film electrode. In other words, the cover electrode 6 preferably has a thin metal film.
  • the cover electrode 6 has a thickness d or height of> 100 nm and ⁇ 1 ⁇ m, for example 500 nm.
  • the component 1 also has the protective layer 7 already described in connection with FIG. The cover electrode 6 is therefore net angeord between the functional layer 5 and the protective layer 7 in the case shown. In other words, the protective layer 7 is formed directly on the cover electrode 6 in this exemplary embodiment.
  • the protective layer 7 can also be omitted.
  • the top electrode 6 forms the top of the construction element 1.
  • FIG. 3 shows a component 1 in a third embodiment.
  • the component 1 only has a bushing 3 and a contact element 4, as a result of which the functional layer 5 is contacted from the underside.
  • the contact element 4 can, as already described, be designed as a bump or as a thin electrode.
  • the component 1 also has the cover electrode 6 already described in connection with FIG.
  • the top electrode 6 is absolutely necessary in this exemplary embodiment for making contact (on the top) with the functional layer 5.
  • FIG. 4 shows a component 1 in a fourth embodiment.
  • the component 1 has no feedthroughs 3 and also no contact elements 4 on the underside 2 a of the carrier layer 2. Rather, the functional layer 5 is contacted here exclusively from the top.
  • the component 1 has two cover electrodes 6a, 6b for the electrical connection of the component 1.
  • the cover electrodes 6a, 6b are formed directly on the functional layer 5, preferably deposited, as has already been explained in connection with FIG.
  • the cover electrodes 6a, 6b are arranged next to one another on the functional layer 5.
  • the respective cover electrode 6a, 6b can have a single-layer or multi-layer design.
  • the respective cover electrode 6a, 6b is preferably a thin-film electrode.
  • the respective cover electrode 6a, 6b preferably has at least one sputtered metal layer.
  • the respective cover electrode 6a, 6b has Au, Ni, Cr, Ag, W, Ti or Pt.
  • the respective cover electrode 6a, 6b preferably has a thickness or height between 100 nm and 1 ⁇ m.
  • the top electrodes 6a, 6b form the top of the component 1.
  • a protective layer 7 can also be provided, which is arranged on the top electrode 6a, 6b.
  • the cover electrodes 6a, 6b are electrically separated from one another.
  • at least one recess or a gap 8 is formed between the cover electrodes 6a, 6b, as shown in FIG.
  • This recess 8 separates the cover electrodes 6a, 6b spatially and electrically.
  • a comb structure can also be provided between the cover electrodes 6 (not explicitly shown).
  • the cover electrodes 6 are arranged next to one another, interlocking.
  • FIG. 5 shows a component 1 in a fifth embodiment.
  • the component 1 has two bushings 3, two contact elements 4 and two cover electrodes 6.
  • the feedthroughs 3 not only penetrate the carrier layer 2 but also the functional layer 5 completely.
  • the respective metallic bushing 3 protrudes into the functional layer 5 and is enclosed by it.
  • the respective feedthrough thus extends from the underside 2b of the carrier layer 2 through the carrier layer 2 and the functional layer 5 to the upper side 5a of the functional layer 5.
  • a cover electrode 6 is formed on the top of the respective bushing 3.
  • the respective de- In this exemplary embodiment, the cover electrode 6 is at least partially embedded in the functional layer 5.
  • the cover electrodes 6 thus at least partially form the top side 5a of the functional layer 5.
  • the protective layer 7 is formed directly on the functional layer 5.
  • the protective layer 7 covers the upper side 5 a of the functional layer 5, which is at least partially formed by the cover electrodes 6.
  • FIG. 6 shows a component 1 in a sixth embodiment.
  • the component 1 has two bushings 3, two contact elements 4, and two cover electrodes 6.
  • the bushings 3 penetrate the functional layer 5 completely.
  • the respective passage extends from the underside of the carrier layer 2 through the carrier layer 2 and the functional layer 5 to the upper side of the functional layer 5.
  • the respective passage 3 is here conical.
  • the respective cover electrode 6 is produced in a galvanic process. A “fly-cut” step can then be carried out for the planarization.
  • the respective cover electrode is
  • the protective layer is directly on the functional layer 5
  • the protective layer 7 covers the top side of the functional layer 5.
  • the contacting on the underside takes place again via the bushings 3 and contact elements 4, for example bumps.
  • FIGS. 7 to 11 show a method for producing a component 1.
  • the method is preferably used to produce the component 1 according to one of the exemplary embodiments described above. All the features that have been described in connection with the component 1 are therefore also used for the method and vice versa.
  • a carrier material 10 is provided for forming the carrier layer 2 described above (see FIG. 7 above).
  • the carrier material 10 comprises Si, SiC or glass.
  • a next step B the bushings 3 described above are produced.
  • vias / openings 12 are produced, for example, by photolithography and subsequent plasma etching (“dry etching”) in the carrier material 10 (see FIG. 7 center and bottom).
  • the vias 12 can also be produced with a laser (laser drilling).
  • a step C the vias / openings 12 are filled with a metallic material 13 (for example copper), for example galvanically (see FIG. 8 in this regard).
  • a metallic material 13 for example copper
  • galvanically see FIG. 8 in this regard.
  • the photoresist 11 used in the photolithography is then washed off.
  • the carrier material 10 is coated with a functional material 14 to form the functional layer 5 (see FIG. 9 in this regard).
  • the coating is carried out using a PVD or CVD process, for example.
  • a thin film of the functional material is produced as 14 on the carrier material 10.
  • a tempering step can be carried out after step D).
  • the functional layer 5 can also be produced using a sol-gel process or by means of ceramic slip and applied to the carrier material 10 using a CSD process (e.g. spin coating). With this variant, a subsequent thermal process is required.
  • a CSD process e.g. spin coating
  • step D) can also take place before the vias / openings 12 (step B)) are produced.
  • the metallic material 13 protrudes into the functional layer 5 and is enclosed by it (see also the exemplary embodiment described in connection with FIG. 5 / FIG. 6).
  • electrode material 15 is deposited to form the at least one cover electrode 6 (see FIG. 10 in connection with FIGS. 2 to 6).
  • the electrode material 15 preferably comprises Au, Ni, Cr, Ag, W, Ti or Pt.
  • the deposition takes place through a PVD or CVD process or galvanically.
  • a single-layer or multilayer, thin cover electrode 6 (thin-layer electrode) is produced.
  • the cover electrode 6 is deposited as a thin electrode film on the functional material 14 in this process step. the. If two cover electrodes 6 are deposited, a cutout (see FIG. 4) or a comb-like structure is provided for the electrical separation of the cover electrodes 6a, 6b.
  • the protective layer 7 can also be formed by applying the corresponding material (preferably SiCh) either to the functional material 14 (exemplary embodiment according to FIG. 1) or to the electrode material 15 (exemplary embodiments according to FIGS. 2 to 6).
  • the corresponding material preferably SiCh
  • a last step E) the components 1 are separated (see FIG. 11). This is done by applying photoresist 11 and then plasma etching or sawing the functional layer 5 and the part of the carrier material 10 which determines the height or thickness of the later carrier layer 2 (notch).
  • the substrate 10 can be thinned on the underside in two steps, with the substrate 10 being etched or ground off in a first step, and the isolation being performed in a second step by flat etching and exposing the contact elements 4 without oxidizing the metal.
  • FIGS. 12 to 17 show an alternative method for producing a component 1.
  • a component 1 with a glass carrier layer 2 is preferably produced in the following method.
  • a carrier material 10 is provided for forming the carrier layer 2 described above (see Figure 12).
  • the carrier material 10 preferably has borosilicate glass (glass wafer).
  • the leadthroughs 3 are generated. In this embodiment, this is done by etching vias / openings 12 in the glass wafer, preferably by LIDE (laser induced deep etching). In this case, openings 12 are preferably produced which have a conical shape (see also FIG. 6 in this regard).
  • the carrier material 10 is coated with a functional material 14 to form the functional layer 5, for example an NTC layer (FIG. 14).
  • a functional material 14 can also be applied in an inner area of the respective vias / opening 12. In particular, the inner area of the vias / opening 12 is completely coated with the functional material 14.
  • the functional material 14 remains in this,sbei game completely on the carrier material 10 or in the réellebe rich of the vias / opening 12. Downstream steps for the partial removal of the functional material 14, which are both expensive and time-consuming, are not required. This simplifies the process and makes it cheaper.
  • the vias / openings 12 are filled with a metallic material 13 (preferably copper), preferably galvanically.
  • a metallic material 13 preferably copper
  • a sacrificial layer or seed layer of the metallic material 13 preferably copper
  • a photolithography mask 16 photoresist
  • the vias / openings 12 are then filled with the metallic material 13 by electroplating. At least partially metallic material 13 is also deposited in gaps located between the photolithography mask 16 on the upper side of the functional material 14 in order to form the cover electrodes 6 (FIG. 16).
  • the photolithography mask 16 is then removed again, for example washed off (FIG. 16). Furthermore, the aforementioned sacrificial layer or seed layer is partially removed, for example by means of etching.
  • the carrier material 10 is thinned out on the underside by means of backgrinding or etching (FIG. 17).
  • the metallic material 13 then protrudes from the underside of the carrier material 10 to the top of the functional material 14.
  • the metallic Ma material 13 consequently penetrates the two layers completely.
  • the metallic material 13 rests partially on the upper side of the carrier material 14, as can be seen from FIGS. 16 and 17 (see also FIG. 6 in this regard).
  • FIGS. 18 to 22 show an alternative method for producing a component 1.
  • a component 1 with a glass carrier layer 2 is preferably produced in the following method.
  • a carrier material 10 for forming the carrier layer 2 described above is provided.
  • the carrier material 10 preferably has glass (silicate or borosilicate) (glass wafer).
  • a hard mask 17 is applied to the upper side of the carrier layer 10 (FIG. 18).
  • the mask 17 is preferably a solid carrier with structures, for example cutouts.
  • the bushings 3 are generated. This is done by etching vias / openings 12 in the glass wafer. In the process, openings 12 are produced which have a conical shape (FIG. 18).
  • the mask 17 is removed again.
  • a functional material 14 to form the functional layer 5, for example an NTC layer (FIG. 19).
  • Functional material 14 is also applied in an inner region of the respective opening 12.
  • a subsequent partial removal of the functional material 14 is not necessary, which simplifies the process and makes it more cost-effective.
  • the vias / openings 12 are filled with a metallic material 13 (for example copper) in a further step.
  • a metallic material 13 for example copper
  • a sacrificial layer / seed layer of the metallic material 13 is first sputtered on (“seed layer sputtering”).
  • seed layer sputtering is first sputtered on (“seed layer sputtering”).
  • photolithography mask 16 is applied to the functional material 14 (FIG. 20).
  • the vias / openings 12 are galvanically filled with the metallic material 13.
  • Metallic material 13 is also partially on the surface of the functional material rials 14 introduced into the spaces between the photolithography mask 16.
  • the photolithography mask 16 is then removed again ent. Furthermore, the sacrificial layer or seed layer is partially removed again, for example by means of etching (FIG. 21).
  • the carrier material 10 is again thinned out on the underside by means of backgrinding or etching (FIG. 22).
  • FIGS. 23 to 28 show an alternative method for producing a component 1.
  • a component 1 with a silicon carrier layer 2 is preferably produced in the following method.
  • a carrier material 10 is provided for forming the carrier layer 2 described above (FIG. 23).
  • the carrier material 10 preferably comprises silicon (silicon wafer).
  • the bushings 3 are generated.
  • vias / openings 12 are made in the silicon wafer with the aid of a laser (FIG. 24).
  • the openings 12 preferably have a conical shape.
  • an electrically insulating layer is produced by applying a corresponding material as (preferably S1O2) to the carrier material 10 (not shown explicitly).
  • a corresponding material as (preferably S1O2)
  • the carrier material 10 is coated with the electrically insulating material. There creates a thin film of the electrically insulating material as.
  • the carrier material 10 is coated with a functional material 14 to form the functional layer 5 (FIG. 25).
  • the functional material 14 is then applied to the insulating layer.
  • the functional material 14 is also applied in an inner area of the vias / openings 12.
  • the vias / openings 12 are filled with a metallic material 13 (preferably copper) in a further step.
  • a sacrificial layer of the metallic material 13 is again first sputtered on.
  • a photolithography mask 16 photoresist is applied to the functional material 14 (FIG. 26).
  • the vias / openings 12 are then filled with the metallic material 13 by electroplating.
  • the photolithography mask 16 and in part also the sacrificial layer are then removed, for example by means of washing or etching (FIG. 21).
  • the carrier material 10 is thinned out on the underside by means of backgrinding or etching (FIG. 28). In this method too, at least partial removal of functional material 14 is not necessary, which leads to a simplified and inexpensive process.
  • Figures 29 to 35 show an alternative method for producing a component 1.
  • preference is given to A component 1 with a silicon carrier layer 2 is produced according to the method.
  • a carrier material 10 is provided for forming the carrier layer 2 described above (FIG. 29).
  • the carrier material 10 preferably comprises silicon (silicon wafer).
  • recesses 19 in the carrier material 10 are generated.
  • photoresist 18 is applied to an upper side of the carrier material 10 (FIG. 29).
  • the cutouts 19 are then produced in areas between the photoresist 18 by plasma etching (FIG. 30).
  • the photoresist 18 is removed again.
  • an electrically insulating layer is produced by applying a corresponding material as (preferably S1O2) to the carrier material 10 (not shown explicitly).
  • a corresponding material as (preferably S1O2)
  • the carrier material 10 is coated with the electrically insulating material.
  • a thin film of the electrically insulating material is created.
  • the carrier material 10 is coated with a functional material 14 to form the functional layer 5 (FIG. 31).
  • a functional material 14 for example, a thin NTC layer is applied to the carrier material 10 or to the insulating layer.
  • Carrier material 14 is also introduced into the previously created recesses 19. In particular, the recesses 19 are filled up with the carrier material 14.
  • the functional material 14 is then abraded on an upper side of the carrier material 10.
  • the grinding takes place in such a way that functional material 14 preferably only remains in the previously created recesses 19, but not on the surface of the carrier material 10 (FIG. 32).
  • the functional material 14 is preferably flush with the surface of the carrier material 10.
  • an upper side of the functional material 14 is coated with photoresist 18 (FIG. 33).
  • the carrier material 10 is removed over a large area by subsequent plasma etching. In particular, the carrier material 10 remains only below the previously produced functional material 14. In this way, vias / openings 12 are created between individual sections / columns made of carrier material 10 and functional material 14 (see FIG. 34).
  • the photoresist 18 is then removed again.
  • the vias / openings 12 - after the application of a sacrificial layer / seed layer (not explicitly shown) - are galvanically filled with a metallic material 13 (preferably copper) (FIG. 35).
  • a final thinning of the carrier layer 2 can be dispensed with, since the carrier material 10 has already been removed by means of plasma etching in an upstream step.

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Abstract

Es wird ein Bauelement(1) beschrieben aufweisend wenigstens eine Trägerschiebt (2), wobei die Trägerschiebt (2) eine Oberseite (2a) und eine Unterseite (2b) aufweist, wenigstens eine FunktIonsschiebt (5), wobei die FunktIonsschiebt (5) an der Oberseite (2a) der Trägerschiebt (2) angeordnet ist und ein Material aufweist, das eine spezielle elektrische Charakteristik teristik aufweist, wobei das Bauelement (1) dazu ausgebildet ist als diskretes Bauelement direkt in ein elektrisches System integriert zu werden. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements beschrieben.

Description

Beschreibung
Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines Bauelements
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauelement, insbeson dere ein elektrisches Bauelement. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Bau elements.
Um passive Bauelemente, beispielsweise Sensoren, Kondensato ren, Schutzbauelemente und/oder Heizer, in elektrische Syste me zu integrieren, müssen die Dimensionen der Bauelemente für modere Packaging-Designs angepasst sein, die im mikrometer- und sogar im nanometer-skaligen Bereich liegen. Um diesen Mi niaturisierungsgrad zu erreichen, werden die Bauelemente als dünne Filme auf Trägerstrukturen mit elektrischen Anschlüssen abgeschieden und als diskretes Bauelement beschrieben. Diese Bauelemente lassen sich in MEMS- (Mikro Elektro Mechanisches System) oder SESUB- (Semiconductor Embedded in Substrate) Strukturen integrieren.
Für die Integration von elektronischen Bauelementen in bei spielsweise MEMS oder SESUB Strukturen sind jedoch die aktu ellen technischen Lösungen nicht geeignet. Für diese Systeme sind sehr kleine Elemente notwendig, die darüber hinaus noch mit geeigneten Kontaktierungsverfahren integrierbar sein müs sen. Klassische Lötverfahren für SMD („Surface Mounted De vice") Bauformen oder Drahtbondtechnologien für „bare dies" können dafür nicht verwendet werden.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es ein Bauelement zu be schrieben, das die voranstehenden Probleme löst. Diese Aufgabe wird durch ein Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements gemäß der unabhängigen Ansprü che gelöst.
Gemäß einem Aspekt wird ein Bauelement beschrieben. Das Bau element ist ein elektrisches Bauelement. Das Bauelement ist zur Integration in ein elektrisches System ausgebildet.
Das Bauelement ist vorzugsweise ein passives Bauelement. Das Bauelement ist beispielsweise ein Sensor, Kondensator, Schutzbauelement oder Heizelement.
Das Bauelement weist wenigstens eine Trägerschicht auf. Die Trägerschicht weist eine Oberseite und eine Unterseite auf. Die Trägerschicht weist ein Trägermaterial auf. Vorzugsweise weist die Trägerschicht Silicium, Siliciumcarbid oder Glas (silicatisches oder borosilicatisches Glas) auf.
Das Bauelement weist ferner wenigstens eine Funktionsschicht auf. Das Bauelement kann auch mehr als eine Funktionsschicht aufweisen, beispielsweise zwei oder drei Funktionsschichten. Die Funktionsschicht weist ein Material auf (Funktionsmateri al), das eine spezielle elektrische Charakteristik aufweist. Beispielsweise weist das Funktionsmaterial eine spezifische U/I Kennlinie, eine spezifische R- und B-Wert Kennlinie, eine spezifischen Lade-/Entladekurve, eine spezifische Kapazität, und/oder einen spezifischen Ris(T) auf.
Die Funktionsschicht ist bevorzugt an der Oberseite der Trä gerschicht angeordnet. Die Funktionsschicht bedeckt die Ober seite der Trägerschicht vorzugsweise vollständig. Die Funkti onsschicht ist vorzugsweise unmittelbar auf der Oberseite der Trägerschicht ausgebildet. Insbesondere befindet sich das Funktionsmaterial form- und materialschlüssig auf dem Materi- al der Trägerschicht. Alternativ dazu ist das Funktionsmate rial direkt in dem Material der Trägerschicht lokal oder als Schicht erzeugt.
Alternativ dazu kann - je nach Ausgestaltung der Träger schicht, beispielsweise im Fall eines Siliciumträgers - zwi schen der Trägerschicht und der Funktionsschicht auch ein dünner elektrisch isolierender Film ausgebildet sein.
Durch die spezielle Zusammensetzung kann das Bauelement sehr kompakt ausgeführt werden. Beispielsweise weist das Bauele ment eine Breite von vorzugsweise kleiner oder gleich 500 pm auf, zum Beispiel 100 pm oder 250 pm. Das Bauelement 1 weist ferner eine Länge von vorzugsweise kleiner oder gleich 500 pm auf, zum Beispiel 100 pm oder 250 pm. Das Bauelement weist vorzugsweise eine Höhe bzw. Dicke von kleiner oder gleich 100 pm, beispielsweise 50 pm auf.
Folglich ist das Bauelement sehr kompakt ausgeführt, so dass es als komplettes Bauelement in ein elektrisches System, wie eine Leiterplatte oder einen Siliciumchip integriert werden kann. Insbesondere ist das Bauelement dazu ausgebildet als diskretes Bauelement direkt in ein elektrisches System einge bettet zu werden. Beispielsweise ist das Bauelement zur di rekten Integration in eine MEMS Struktur und/oder in eine SESUB Struktur ausgebildet.
Die Funktionsschicht ist vorzugsweise eine Dünnfilm Schicht. Mit anderen Worten, die Funktionsschicht weist nur eine sehr geringe Dicke auf. Beispielsweise weist die Funktionsschicht eine Dicke d von 10 nm < d d 1 pm auf, zum Beispiel 500 nm. Auf diese Weise wird ein sehr kleines, diskretes Bauelement zur Verfügung gestellt, dass problemlos in bestehende Struk turen eingebettet werden kann.
In einer Ausführungsform weist die Funktionsschicht eine di elektrische oder antiferroelektrische Keramik basierend auf einem oxidischen Material im Perowskit Strukturtyp auf. Der Perowskit kann dabei Mischkristalle der Zusammensetzung PLZT (Blei (Pb) - Lanthan (La) - Zirkonium (Zr) - Titan (T)) auf weisen. La kann ganz oder teilweise durch beispielsweise Na, oder Cu ersetzt sein.
Alternativ dazu kann die Funktionsschicht eine ionenleitende Keramik basierend auf einem Material im Nasicon Strukturtyp aufweisen. Die Zusammensetzung kann dabei auf Mischkristallen von LATP (Lithium Aluminium Titan Phosphate), LVP (Lithium Vanadium Phosphate), LZP (Lithium Zirkonium Phosphate) und anderen typischen Aktivmaterialien für Batterien wie bei spielsweise LiCo oder LiFeP basieren.
Alternativ dazu kann die Funktionsschicht ein halbleitendes Material basierend auf einem Oxid im Spinell Strukturtyp oder im Perowskit Strukturtyp aufweisen. Die Zusammensetzung des Spinells kann auf Mischkristallen von NίMh2q4 basieren, wobei Ni und Mn mit beispielsweise Fe, Co, oder Al ganz oder teilweise ersetzt sein können. Der Perowskit kann auf Mischkristallen der Zusammensetzung CaMn03 basieren, wobei Ca ganz oder teilweise durch beispielsweise Y, Cr, Al oder La ersetzt sein kann.
Alternativ dazu kann die Funktionsschicht ein halbleitendes Material basierend auf einer Perowskit Struktur aus polykris tallinem BaTi03 aufweisen. Pb, Sr oder Ca können dabei zur Anpassung der Curie Temperatur dienen. Das Material kann Y, Mn, Fe als Dotierstoffe aufweisen. Die polykristalline Struk tur weist vorzugsweise einen positiven Temperaturkoeffizien ten auf.
In einer alternativen Ausführungsform weist die Funktions schicht ein halbleitendes Material basierend auf Siliciumcar- bid in der hexagonalen, wurtzitähnlichen Struktur oder der kubischen Phase im Zinkblende Strukturtyp auf. Alternativ da zu kann die Funktionsschicht ein Metallnitrid im Wurtzit Strukturtyp aufweisen.
Diese oben beschriebenen Materialien ermöglichen das Abschei den der Funktionsschicht auf der Trägerschicht als stabile Dünnfilm Schicht. Damit kann ein zuverlässiges und kompaktes Bauelement zur Verfügung gestellt werden.
In einer Ausführungsform weist das Bauelement eine Schutz schicht auf. Die Schutzschicht ist an einer Oberseite des Bauelements angeordnet. Die Schutzschicht bedeckt die Ober seite des Bauelements vorzugsweise vollständig.
Beispielsweise ist die Schutzschicht auf einer Oberseite der Funktionsschicht ausgebildet. Die Schutzschicht kann aber auch auf Strukturen ausgebildet sein, die auf der Funktions schicht angeordnet sind. Die Schutzschicht schützt das Bau element vor äußeren Einflüssen. Vorzugsweise weist die Schutzschicht S1O2 auf.
In einer weiteren Ausführungsform kann auch wenigstens eine Seitenfläche, bevorzugt alle Seitenflächen, des Bauelements von einer Schutzschicht überzogen sein. Diese Schutzschicht weist ebenfalls vorzugsweise S1O2 auf. Insbesondere besteht diese Schutzschicht vorzugsweise aus S1O2. In einer Ausführungsform weist das Bauelement wenigstens eine Durchführung auf. Das Bauelement kann auch mehr als eine Durchführung aufweisen, beispielsweise zwei oder vier Durch führungen. Die Durchführung weist ein metallisches Material auf. Die Durchführung durchdringt die Trägerschicht vollstän dig. Mit anderen Worten, die Durchführung reicht von der Funktionsschicht an der Oberseite der Trägerschicht bis hin zur Unterseite der Trägerschicht. Die Unterseite der Träger schicht ist dabei diejenige Seite der Trägerschicht bzw. des Bauelements, welche auf dem elektronischen System, in welches das Bauelement integriert wird, bzw. auf einer Komponente des elektronischen Systems, aufliegt.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Durchführung zusätzlich auch die Funktionsschicht vollständig durchdrin gen. In diesem Fall reicht die Durchführung von einer Ober seite der Funktionsschicht durch die Funktionsschicht und die Trägerschicht hindurch bis hin zur Unterseite der Träger schicht .
An der Unterseite der Trägerschicht ist ferner wenigstens ein Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements ausgebildet. Das Bauelement kann aber auch mehr als ein Kon taktelement aufweisen, beispielsweise zwei oder vier Kontak telemente. Das Kontaktelement ist an der Unterseite der Trä gerschicht unmittelbar mit der Durchführung verbunden.
Das Kontaktelement kann beispielsweise einen Bump oder eine dünne Elektrode aufweisen. Durchführung und Kontaktelement stellen die elektrischen Kontakt- und Verbindungsflächen dar, mit Hilfe derer das Bauelement elektrisch kontaktiert werden kann. Klassische Lötverfahren für SMD Bauformen oder Draht- bonden zur elektrischen Kontaktierung können demnach entfal len. Damit ist das Bauelement hervorragend dazu geeignet in eine MEMS oder SESUB Struktur integriert zu werden.
In einer Ausführungsform weist das Bauelement ferner wenigs tens eine Deckelektrode auf. Die Deckelektrode weist bei spielsweise Au, Ni, Cr, Ag, W, Ti oder Pt auf. Die Deckelek trode ist zur elektrischen Kontaktierung der Funktionsschicht von einer Oberseite der Funktionsschicht her ausgebildet. Da mit kann das Bauelement auf zuverlässige Weise von der Unter seite her über die Durchführung und das Kontaktelement und von der Oberseite her über die Deckelektrode kontaktiert wer den.
Vorzugsweise ist die Deckelektrode unmittelbar auf der Funk tionsschicht angeordnet. Insbesondere ist die Deckelektrode auf der Oberseite der Funktionsschicht abgeschieden. Die De ckelektrode kann auf die Funktionsschicht aufgesputtert sein. Die Deckelektrode weist einen dünnen Metallfilm auf. Vorzugs weise ist die Deckelektrode eine Dünnschicht-Elektrode. Die Deckelektrode kann einschichtig oder mehrschichtig ausgebil det sein. Beispielsweise weist die Deckelektrode eine Dicke d von 10 nm < d d 1 pm auf, zum Beispiel 500 nm. Auf diese Wei se wird ein sehr kompaktes Bauelement zur direkten Integrati on in ein elektrisches System zur Verfügung gestellt.
In einer Ausführungsform weist das Bauelement wenigstens zwei Deckelektroden auf. Vorzugsweise sind die Deckelektroden ne beneinander angeordnet. Die jeweilige Deckelektrode bedeckt dabei lediglich einen Teil der Oberseite der Funktions schicht. Die Deckelektroden sind durch wenigstens eine Aussparung bzw. wenigstens einen Spalt räumlich und elektrisch voneinander getrennt. Durch die Größe (insbesondere die Breite) der Aus sparung und damit die Größe des Abstands zwischen den De ckelektroden kann der Widerstand des Bauelements variiert bzw. eingestellt werden.
An Stelle einer Aussparung kann auch eine kammartig ineinan- dergreifende Struktur zwischen den beiden Deckelektroden vor gesehen sein. Auf diese Weise wird die Fläche zwischen den Deckelektroden vergrößert. Ferner wird durch die kammartige Struktur der Widerstand des Bauelements und auch eine Streu ung des Widerstands verringert.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements, insbesondere eines elektrischen Bauelements, be schrieben. Vorzugsweise wird durch das Verfahren das oben be schriebene Bauelement hergestellt. Alle Eigenschaften, die in Bezug auf das Bauelement oder das Verfahren offenbart sind, sind auch entsprechend in Bezug auf den jeweiligen anderen Aspekt offenbart und umgekehrt, auch wenn die jeweilige Ei genschaft nicht explizit im Kontext des jeweiligen Aspekts erwähnt wird. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
A) Bereitstellen eines Trägermaterials zur Ausbildung der Trägerschicht (Wafer). Das Trägermaterial weist vorzugsweise Si, SiC oder Glas auf. Die durch das Trägermaterial ausgebil dete Trägerschicht dient zur Stabilisierung des Bauelements.
B) Ausbildung von wenigstens einer Durchführung. Die Durch führung durchdringt das Trägermaterial vorzugsweise vollstän dig. Mit anderen Worten es wird ein Durchbruch durch das Trä- germaterial erzeugt, welcher später mit einem metallischen Material aufgefüllt wird.
Bei diesem Prozessschritt kann vorgesehen sein, dass der Durchbruch erst nach einem Ausdünnschritt des Trägermaterials dieses auch vollständig durchdringt. Mit anderen Worten, zu nächst kann eine Öffnung / Ausnehmung in das Trägermaterial eingebracht werden und anschließend wird Trägermaterial abge tragen, so dass die Öffnung / Ausnehmung das Trägermaterial vollständig durchdringt. Alternativ dazu kann das Trägermate rial aber auch in einem einzigen Prozessschritt mit einer durchgehenden Öffnung versehen werden.
C) Füllen der wenigstens einen Durchführung mit einem metal lischen Material, beispielsweise galvanisch. Das metallische Material kann beispielsweise Kupfer oder Gold aufweisen.
D) Beschichten des Trägermaterials mit einem Funktionsmateri al zur Ausbildung der Funktionsschicht. Die dabei resultie rende Funktionsschicht ist vorzugsweise eine Dünnfilm Schicht .
Das Beschichten erfolgt beispielsweise mittels eines PVD („physical vapour deposition") Prozesses, eines CVD („Chemi cal vapour deposition") Prozesses oder galvanisch. Optional kann anschließend ein Temperschritt erfolgen.
Alternativ dazu kann die Funktionsschicht durch einen Sol-Gel Prozess bzw. mittels Keramikschlicker erzeugt und durch ein CSD (Chemical Solution Deposition) Verfahren, beispielsweise Spin Coating, auf das Trägermaterial aufgetragen werden. In diesem Fall ist ein anschließender thermischer Prozess erfor- derlich . Je nach Keramik wird bei dem thermischen Prozess eine rasche Aufheizrampe im Bereich von einigen K/s bis K/min und bis zu maximal 1200°C mit einer Haltezeit bis zu maximal 4 Stunden unter Luft oder Schutzgas wie zum Beispiel Argon, Stickstoff, Formiergas mit und ohne Feuchte vorgesehen.
E) Vereinzeln der Bauelemente. Dies kann beispielsweise durch Aufbringen von Photolack und anschließendem Plasmaätzen oder Sägen und Einkerben von Funktionsschicht und Trägerschicht erfolgen .
Durch das Verfahren wird ein zuverlässiges und kompaktes dis kretes Bauelement erzeugt, welches sich auf einfache Art und Weise in bestehende elektrische Systeme integrieren lässt.
In einer Ausführungsform erfolgt vor Schritt E) ein Abschei den von wenigstens einer Deckelektrode auf eine Oberseite des Funktionsmaterials. Beispielsweise kann die Deckelektrode in einem Prozessschritt mit dem Füllen der wenigstens einen Durchführung erzeugt werden. Alternativ dazu können für das Füllen der Durchführung und für das Erzeugen der Deckelektro de aber auch separate Prozessschritte vorgesehen sein.
Das Erzeugen der wenigstens einen Deckelektrode ist ein opti onaler Schritt, das heißt das resultierende Bauelement kann auch ohne Deckelektrode ausgebildet sein und nur über die Durchführungen und Kontaktelemente von der Unterseite her kontaktiert werden.
Das Abscheiden der Deckelektrode erfolgt vorzugsweise mittels eines PVD Prozesses, eines CVD Prozesses oder galvanisch. Die dabei resultierende Deckelektrode ist vorzugsweise eine Dünn film Elektrode.
In einer Ausführungsform wird Schritt D) vor Schritt B) oder vor Schritt C) durchgeführt. Mit anderen Worten, die Be schichtung des Trägermaterials mit dem Funktionsmaterial kann vor der Ausbildung der wenigstens einen Durchführung oder vor dem Füllen der wenigstens einen Durchführung erfolgen. In diesem Fall ragt die Durchführung in die Funktionsschicht hinein. Beispielsweise wird die Durchführung von der Funkti onsschicht umschlossen. Vorzugsweise durchdringt die Durch führung die Trägerschicht und die Funktionsschicht vollstän dig.
Durch das Aufträgen des Funktionsmaterials vor dem Füllen der wenigstens einen Durchführung kann vorzugsweise ein späteres Abtragen des Funktionsmaterials vermieden werden. Dadurch wird ein besonders kostengünstiges und schnelles Herstel lungsverfahren ermöglicht.
Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maß stabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Dar stellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein.
Elemente, die einander gleichen oder die die gleiche Funktion übernehmen, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Es zeigen:
Figur 1 ein Bauelement in einer ersten Ausfüh rungsform, Figur 2 ein Bauelement in einer zweiten Ausfüh rungsform,
Figur 3 ein Bauelement in einer dritten Ausfüh rungsform,
Figur 4 ein Bauelement in einer vierten Ausfüh rungsform,
Figur 5 ein Bauelement in einer fünften Ausfüh rungsform,
Figur 6 ein Bauelement in einer sechsten Ausfüh rungsform,
Figuren 7 bis 11 ein Verfahren zur Herstellung eines
Bauelements,
Figuren 12 bis 17 ein alternatives Verfahren zur Herstel lung eines Bauelements,
Figuren 18 bis 22 ein alternatives Verfahren zur Herstel lung eines Bauelements,
Figuren 23 bis 28 ein alternatives Verfahren zur Herstel lung eines Bauelements,
Figuren 29 bis 35 ein alternatives Verfahren zur Herstel lung eines Bauelements.
Die Figur 1 zeigt ein Bauelement 1 gemäß einer ersten Ausfüh rungsform. Das Bauelement 1 ist vorzugsweise als passives Bauelement ausgebildet. Das Bauelement 1 ist vorzugsweise ein Sensorelement, ein Kondensator, ein Schutzbauelement oder ein Heizelement.
Das Bauelement 1 weist wenigstens eine Trägerschicht 2 bzw. einen Wafer 2 auf. Die Trägerschicht 2 weist eine Oberseite 2a und eine Unterseite 2b auf. Die Trägerschicht 2 weist ein Trägermaterial, vorzugsweise Silicium (Si), Siliciumcarbid (SiC) oder Glas (silicatisch oder borosilicatisch) auf. Die Trägerschicht 2 dient der mechanischen Stabilisierung des Bauelements 1.
Das Bauelement 1 weist ferner wenigstens eine Funktions schicht 5 auf. In diesem Ausführungsbeispiel weist das Bau element 1 genau eine Funktionsschicht 5 auf. Aber es sind auch mehrere Funktionsschichten 5 vorstellbar, beispielsweise zwei, drei oder vier Funktionsschichten 5, die beispielsweise nebeneinander oder übereinander angeordnet sein können.
Die Funktionsschicht 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel an der Oberseite 2a der Trägerschicht 2 angeordnet. Die Funkti onsschicht 5 bedeckt die Oberseite 2a der Trägerschicht 2 vorzugsweise vollständig. Die Funktionsschicht 5 ist form- und materialschlüssig auf der Trägerschicht 2 angeordnet. Al ternativ dazu ist die Funktionsschicht 5 direkt in einem Ma terial der Trägerschicht 2 lokal oder als Schicht erzeugt.
Die Funktionsschicht 5 weist eine sehr geringe Dicke von kleiner oder gleich 1 pm auf.
Die Funktionsschicht 5 weist ein Material mit einer speziel len elektrischen Charakteristik auf. Die Funktionsschicht 5 weist beispielsweise eine dielektrische oder antiferroelek trische Keramik basierend auf einem oxidischen Material im Perowskit Strukturtyp auf. Der Perowskit besteht zum Beispiel aus Mischkristallen der Zusammensetzung PLZT, bei dem La ganz oder teilweise durch beispielsweise Na oder Cu ersetzt sein kann.
Die Funktionsschicht 5 kann auch eine ionenleitende Keramik, basierend auf einem Material im Nasicon Strukturtyp aufwei sen. In diesem Fall basiert die Zusammensetzung beispielswei se auf Mischkristallen von LATP, LVP, LZP und anderen typi schen Aktivmaterialien für Batterien wie zum Beispiel LiCo, LiFeP.
Alternativ dazu kann die Funktionsschicht 5 ein halbleitendes Material aufweisen basierend auf einem Oxid im Spinell Struk turtyp oder im Perowskit Strukturtyp. Die Zusammensetzung des Spinells basiert dabei vorzugsweise auf Mischkristallen von NίMh2q4, bei dem Ni und Mn mit beispielsweise Fe, Co, Al ganz oder teilweise ersetzt sein können. Der Perowskit weist vor zugsweise Mischkristalle der Zusammensetzung CaMn03, bei dem Ca ganz oder teilweise durch beispielsweise Y, Cr, Al oder La ersetzt sein kann.
Die Funktionsschicht 5 kann ferner auch ein halbleitendes Ma terial basierend auf einer Perowskit Struktur aus polykris tallinem BaTi03 aufweisen mit Pb, Sr, Ca zur Anpassung der Curie Temperatur und beispielsweise Y, Mn, Fe als Dotierstof fe. Hierbei weist die polykristalline Struktur vorzugsweise einen positiven Temperaturkoeffizienten auf.
Alternativ dazu kann die Funktionsschicht 5 auch ein halblei tendes Material basierend auf Siliciumcarbid in der hexagona len, wurtzitähnlichen Struktur oder der kubischen Phase im Zinkblende Strukturtyp aufweisen. In einer alternativen Aus- führung kann die Funktionsschicht 5 ferner ein Metallnitrid im Wurtzit Strukturtyp aufweisen.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 weist die Trägerschicht 2 ferner zwei Durchführungen 3 auf. Alternativ dazu kann das Bauelement 1 auch nur eine Durchführung 3 (siehe hierzu die Figur 3) oder gar keine Durchführung 3 (siehe hierzu die Fi gur 4) aufweisen. Ferner sind auch mehr als zwei Durchführun gen 3, beispielsweise drei oder vier Durchführungen vorstell bar (nicht explizit dargestellt).
Die jeweilige Durchführung 3 durchdringt die Trägerschicht 2 vollständig. Mit anderen Worten, die Durchführung 3 ragt von der Oberseite 2a bis zur Unterseite 2b der Trägerschicht 2. Die Durchführung 3 weist ein metallisches Material auf, bei spielsweise Kupfer oder Gold.
Das in Figur 1 gezeigte Bauelement 1 weist ferner zwei Kon taktelemente 4 auf. Die Kontaktelemente 4 sind an der Unter seite 2a der Trägerschicht 2 angeordnet. Die Kontaktelemente 4 sind direkt bzw. unmittelbar an den Durchführungen 3 ausge bildet. Die Kontaktelemente 4 stehen in elektrischem und me chanischem Kontakt mit den Durchführungen 3. Die Kontaktele mente 4 dienen zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements 1. Ferner kann das Bauelement 1 über die Kontaktelemente 4 beispielsweise auf andere Komponenten eines elektrischen Sys tems gestackt werden.
Die Kontaktelemente 4 können beispielsweise als Bumps oder als dünne Elektrode ausgeführt sein. Die Kontaktelemente 4 weisen ein Metall, beispielsweise Kupfer, Gold oder lötbare Legierungen auf. Die Durchführungen 3 dienen dazu die Funkti onsschicht 5 an der Oberseite 2a der Trägerschicht 2 mit den Kontaktelementen 4 an der Unterseite 2a der Trägerschicht 2 zu verbinden und damit die Funktionsschicht 5 elektrisch zu kontaktieren. Damit wird ein robustes und verlässliches Bau element 1 bereit gestellt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel (nicht explizit darge stellt) ist an einer Oberseite la des Bauelements 1 ferner eine Schutzschicht 7 angeordnet. Die Schutzschicht 7 ist in diesem Fall unmittelbar auf der Funktionsschicht 5 ausgebil det. Die Schutzschicht 7 bedeckt eine Oberseite 5a der Funk tionsschicht 5 vollständig. Die Schutzschicht 7 weist vor zugsweise S1O2 auf. Die Schutzschicht 7 dient dem Schutz der Funktionsschicht 5 und des Bauelements 1 vor äußeren Einflüs sen (siehe hierzu auch Figur 2).
Das Bauelement 1 ist durch seine spezielle Kontaktierung (Durchführungen 3, Kontaktelemente 4) und den speziellen Schichtaufbau (dünne Funktionsschicht 5 mit spezieller elektrischer Charakteristik) so konzipiert, dass es als kom plettes Bauelement in einem Si-Chip oder auf eine Leiterplat te integriert werden kann. Insbesondere ist das Bauelement 1 dazu ausgebildet als diskretes Bauelement in MEMS oder SESUB Strukturen integriert zu werden.
Insgesamt ist das Bauelement 1 sehr kompakt ausgeführt. Das Bauelement 1 weist eine sehr geringe Abmessung auf. Das Bau element 1 weist eine Breite von vorzugsweise kleiner oder gleich 500 gm auf, beispielsweise 50 pm, 100 pm, 250 pm, 300 pm, 400 pm oder 450 pm. Das Bauelement 1 weist eine Länge von vorzugsweise kleiner oder gleich 500 pm auf, beispielsweise 50 pm, 100 pm, 250 pm, 300 pm, 400 pm oder 450 pm. Vorzugs weise weist das Bauelement 1 eine rechteckige Grundform auf. Das Bauelement 1 weist eine Höhe (Ausdehnung in Stapelrich- tung) von vorzugsweise kleiner oder gleich 100 mpi, beispiels weise 10 mpi, 50 mpi oder 80 mpi auf.
Durch die kompakte Bauweise und die Kontaktierung mittels den Durchführungen 3 und den Kontaktelementen 4 eignet sich das Bauelement 1 hervorragend zur Integration in MEMS oder SESUB Strukturen.
Die Figur 2 zeigt ein Bauelement 1 in einer zweiten Aus führungsform. Im Unterschied zu dem in Zusammenhang mit Figur 1 beschriebenen Bauelement 1 weist das Bauelement 1 gemäß Fi gur 2 zusätzlich eine Deckelektrode 6 auf. Die Deckelektrode 6 ist auf der Oberseite 5a der Funktionsschicht 5 angeordnet. Insbesondere ist die Deckelektrode 6 unmittelbar auf der Funktionsschicht 5 aufgebracht. In diesem Ausführungsbeispiel bedeckt die Deckelektrode 6 die Oberseite 5a der Funktions schicht 5 vollständig. Die Funktionsschicht 5 kann mittels der Deckelektrode 6 von der Oberseite her kontaktiert werden. Die unterseitige Kontaktierung erfolgt über die Durchführun gen 3 und Kontaktelemente 4.
Die Deckelektrode 6 weist ein metallisches Material, bevor zugt Au, Ni, Cr, Ag, W, Ti oder Pt auf. Vorzugsweise ist die Deckelektrode 6 auf der Funktionsschicht 5 abgeschieden, zum Beispiels mittels eines PVD oder CVD Prozesses oder galva nisch. Bevorzugt ist die Deckelektrode 6 auf der Funktions schicht 5 aufgesputtert. Die Deckelektrode 6 ist eine Dünn schichtelektrode. Mit anderen Worten, die Deckelektrode 6 weist bevorzugt einen dünnen Metallfilm auf. Die Deckelektro de 6 weist eine Dicke d bzw. Höhe von > 100 nm und < 1 pm auf, beispielsweise 500 nm. In diesem Ausführungsbeispiel weist das Bauelement 1 ferner die bereits in Zusammenhang mit Figur 1 beschriebene Schutz schicht 7 auf. Die Deckelektrode 6 ist daher im gezeigten Fall zwischen Funktionsschicht 5 und Schutzschicht 7 angeord net. Anders ausgedrückt, die Schutzschicht 7 ist in diesem Ausführungsbeispiel unmittelbar auf der Deckelektrode 6 aus gebildet .
In einem alternativen Ausführungsbeispiel (nicht explizit dargestellt) kann die Schutzschicht 7 aber auch entfallen. In diesem Fall bildet die Deckelektrode 6 die Oberseite des Bau elements 1. In diesem Ausführungsbeispiel besteht die Mög lichkeit eine zusätzliche Kontaktierung, beispielsweise durch Drahtbonden auf der Deckelektrode 6 zu realisieren (nicht ex plizit dargestellt).
In Bezug auf alle weiteren Merkmale des Bauelements 1 gemäß Figur 2 wird auf die Beschreibung zu Figur 1 verwiesen.
Die Figur 3 zeigt ein Bauelement 1 in einer dritten Aus führungsform. In diesem Ausführungsbeispiel weist das Bauele ment 1 lediglich eine Durchführung 3 und ein Kontaktelement 4 auf, wodurch die Funktionsschicht 5 von der Unterseite her kontaktiert wird. Das Kontaktelement 4 kann wie bereits be schrieben als Bump oder als dünne Elektrode ausgeführt sein.
Das Bauelement 1 weist in diesem Ausführungsbeispiel ferner die bereits in Zusammenhang mit Figur 2 beschriebene De ckelektrode 6 auf. Anders als bei Figur 2 ist die Deckelekt rode 6 in diesem Ausführungsbeispiel zur (oberseitigen) Kon taktierung der Funktionsschicht 5 zwingend erforderlich. In Bezug auf alle weiteren Merkmale des Bauelements 1 gemäß Figur 3 wird auf die Beschreibung zu Figur 1 und zu Figur 2 verwiesen.
Die Figur 4 zeigt ein Bauelement 1 in einer vierten Aus führungsform. In diesem Ausführungsbeispiel weist das Bauele ment 1 keine Durchführungen 3 und auch keine Kontaktelemente 4 an der Unterseite 2a der Trägerschicht 2 auf. Vielmehr wird die Funktionsschicht 5 hier ausschließlich von der Oberseite her kontaktiert. Insbesondere weist das Bauelement 1 zwei De ckelektroden 6a, 6b zum elektrischen Anschluss des Bauele ments 1 auf. Die Deckelektroden 6a, 6b sind unmittelbar auf der Funktionsschicht 5 ausgebildet, vorzugsweise abgeschie den, wie bereits in Zusammenhang mit Figur 2 erläutert wurde. Die Deckelektroden 6a, 6b sind nebeneinander auf der Funkti onsschicht 5 angeordnet.
Die jeweilige Deckelektrode 6a, 6b kann einschichtig oder mehrschichtig ausgebildet sein. Die jeweilige Deckelektrode 6a, 6b ist vorzugsweise eine Dünnschichtelektrode. Die jewei lige Deckelektrode 6a, 6b weist vorzugsweise wenigstens eine gesputterte Metallschicht auf. Beispielsweise weist die je weilige Deckelektrode 6a, 6b Au, Ni, Cr, Ag, W, Ti oder Pt auf. Vorzugsweise weist die jeweilige Deckelektrode 6a, 6b eine Dicke bzw. Höhe zwischen 100 nm und 1 pm auf.
Die Deckelektroden 6a, 6b bilden in diesem Ausführungsbei spiel die Oberseite des Bauelements 1. Alternativ dazu (nicht explizit dargestellt) kann aber auch eine Schutzschicht 7 vorgesehen sein, die auf den Deckelektrode 6a, 6b angeordnet ist. Die Deckelektroden 6a, 6b sind elektrisch voneinander ge trennt. Zu diesem Zweck ist wenigstens eine Aussparung bzw. einen Spalt 8 zwischen den Deckelektroden 6a, 6b ausgebildet, wie in Figur 4 dargestellt ist. Diese Aussparung 8 trennt die Deckelektroden 6a, 6b räumlich und elektrisch. Mit der Größe (horizontale Ausdehnung, also Ausdehnung senkrecht zur Sta pelrichtung) der Aussparung 8 kann der Widerstand des Bauele ments 1 eingestellt werden. Wird die Aussparung 8 verklei nert, so sinkt der Widerstand. Dadurch wird aber auch eine Streuung des Widerstands vergrößert. Um dies zu vermeiden bzw. um die Fläche zwischen den Deckelektroden 6a, 6b zu ver größern und damit den Widerstand zu verringern, kann auch ei ne Kammstruktur zwischen den Deckelektroden 6 vorgesehen sein (nicht explizit dargestellt). Die Deckelektroden 6 sind in diesem Fall ineinandergreifend nebeneinander angeordnet.
Die Figur 5 zeigt ein Bauelement 1 in einer fünften Aus führungsform. In diesem Ausführungsbeispiel weist das Bauele ment 1 zwei Durchführungen 3, zwei Kontaktelemente 4, sowie zwei Deckelektroden 6 auf.
Im Vergleich zu dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel durchdringen in diesem Ausführungsbeispiel die Durchführungen 3 nicht nur die Trägerschicht 2 sondern auch die Funktions schicht 5 vollständig. Insbesondere ragt die jeweilige metal lische Durchführung 3 in die Funktionsschicht 5 und wird von dieser umschlossen. Die jeweilige Durchführung erstreckt sich damit von der Unterseite 2b der Trägerschicht 2 durch die Trägerschicht 2 und die Funktionsschicht 5 hindurch bis hin zur Oberseite 5a der Funktionsschicht 5.
An der Oberseite der jeweiligen Durchführung 3 ist jeweils eine Deckelektrode 6 ausgebildet. Auch die jeweilige De- ckelektrode 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel zumindest teilweise in die Funktionsschicht 5 eingebettet. Die De ckelektroden 6 bilden damit zumindest teilweise die Oberseite 5a der Funktionsschicht 5.
Unmittelbar auf der Funktionsschicht 5 ist die Schutzschicht 7 ausgebildet. Die Schutzschicht 7 bedeckt in diesem Fall die Oberseite 5a der Funktionsschicht 5, welche zumindest teil weise durch die Deckelektroden 6 gebildet wird.
Die unterseitige Kontaktierung erfolgt über Durchführungen 3 und Kontaktelemente 4, beispielsweise Bumps. Es können dabei auch mehr als die in Figur 5 dargestellten Durchführungen vorgesehen sein, beispielsweise vier Durchführungen.
Die Figur 6 zeigt ein Bauelement 1 in einer sechsten Aus führungsform. Wie auch bei der in Figur 5 gezeigten Ausfüh rung weist das Bauelement 1 zwei Durchführungen 3, zwei Kon taktelemente 4, sowie zwei Deckelektroden 6 auf.
Auch hier durchdringen die Durchführungen 3 die Funktions schicht 5 vollständig. Insbesondere erstreckt sich die jewei lige Durchführung von der Unterseite der Trägerschicht 2 durch die Trägerschicht 2 und die Funktionsschicht 5 hindurch bis hin zur Oberseite der Funktionsschicht 5.
Anders als bei der Ausführung gemäß Figur 5 ist die jeweilige Durchführung 3 hier konisch ausgebildet. In diesem Fall wird die jeweilige Deckelektrode 6 in einem galvanischen Prozess erzeugt. Anschließend kann für die Planarisierung noch ein „Fly-cutten" Schritt durchgeführt werden. In diesem Ausführungsbeispiel ist die jeweilige Deckelektrode
6 auf der Oberfläche der Funktionsschicht 5 ausgebildet. Unmittelbar auf der Funktionsschicht 5 ist die Schutzschicht
7 ausgebildet. Die Schutzschicht 7 bedeckt die Oberseite der Funktionsschicht 5. Die unterseitige Kontaktierung erfolgt wiederum über die Durchführungen 3 und Kontaktelemente 4, beispielsweise Bumps.
Die Figuren 7 bis 11 zeigen ein Verfahren zur Herstellung ei nes Bauelements 1. Vorzugsweise wird durch das Verfahren das Bauelement 1 gemäß einem der oben beschriebenen Ausführungs beispiele hergestellt. Alle Merkmale die in Zusammenhang mit dem Bauelement 1 beschrieben wurden, finden daher auch für das Verfahren Anwendung und umgekehrt.
In einem ersten Schritt A) wird ein Trägermaterial 10 zur Ausbildung der oben beschriebenen Trägerschicht 2 bereitge stellt (siehe Figur 7 oben). Vorzugsweise weist das Trägerma terial 10 Si, SiC oder Glas auf.
In einem nächsten Schritt B) werden die oben beschriebenen Durchführungen 3 hergestellt. Dazu werden Vias / Durchbrüche 12 beispielsweise durch Photolithographie und anschließendem Plasmaätzen („dry etching") in dem Trägermaterial 10 erzeugt (siehe Figur 7 Mitte und unten). Alternativ lassen sich die Vias 12 auch mit einem Laser erzeugen (Laserdrilling).
Die Vias / Durchbrüche 12 werden in einem Schritt C) mit ei nem metallischen Material 13 (beispielsweise Kupfer) gefüllt, beispielsweise galvanisch (siehe hierzu Figur 8). Der bei der Photolithographie verwendete Photolack 11 (siehe Figur 7) wird anschließend abgewaschen. In einem weiteren Schritt D) erfolgt das Beschichten des Trä germaterials 10 mit einem Funktionsmaterial 14 zur Ausbildung der Funktionsschicht 5 (siehe hierzu Figur 9).
Die Beschichtung erfolgt beispielsweise durch einen PVD oder CVD Prozess. Dabei wird ein dünner Film des Funktionsmateri als 14 auf dem Trägermaterial 10 erzeugt. Optional kann nach Schritt D) ein Temperschritt erfolgen.
Alternativ dazu kann die Funktionsschicht 5 auch durch einen Sol-Gel Prozess beziehungsweise mittels Keramikschlicker er zeugt und durch ein CSD Verfahren (z.B. Spin-Coating) auf das Trägermaterial 10 aufgetragen werden. Bei dieser Variante ist ein anschließender thermischer Prozess erforderlich.
Der Verfahrensschritt D) kann in einem alternativen Ausfüh rungsbeispiel auch vor dem Erzeugen der Vias / Durchbrüche 12 (Schritt B)) erfolgen. In diesem Fall ragt das metallische Material 13 in die Funktionsschicht 5 hinein und wird von dieser umschlossen (siehe hierzu auch das in Zusammenhang mit Figur 5 / Figur 6 beschriebene Ausführungsbeispiel).
In einem weiteren Schritt erfolgt das Abscheiden von Elektro denmaterial 15 zur Ausbildung der wenigstens einen Deckelek trode 6 (siehe hierzu Figur 10 in Zusammenhang mit den Figu ren 2 bis 6). Das Elektrodenmaterial 15 weist vorzugsweise Au, Ni, Cr, Ag, W, Ti oder Pt auf. Das Abscheiden erfolgt durch einen PVD oder CVD Prozess oder galvanisch.
Es wird dabei eine einschichtige oder mehrschichtige dünne Deckelektrode 6 (Dünnschichtelektrode) erzeugt. Insbesondere wird die Deckelektrode 6 bei diesem Verfahrensschritt als dünner Elektrodenfilm auf dem Funktionsmaterial 14 abgeschie- den. Werden zwei Deckelektroden 6 abgeschieden, so wird eine Aussparung (siehe Figur 4) oder eine kammartige Struktur zur elektrischen Trennung der Deckelektroden 6a, 6b vorgesehen.
In einem optionalen Schritt kann weiterhin das Ausbilden der Schutzschicht 7 durch Aufbringen des entsprechenden Materials (vorzugsweise SiCh) entweder auf das Funktionsmaterial 14 (Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1) oder auf das Elektroden material 15 (Ausführungsbeispiele gemäß Figuren 2 bis 6) er folgen.
In einem letzten Schritt E) werden die Bauelemente 1 verein zelt (siehe hierzu Figur 11). Dies erfolgt durch Aufbringen von Photolack 11 und anschließendem Plasmaätzen oder Sägen der Funktionsschicht 5 und dem Teil des Trägermaterials 10 welcher die Höhe bzw. Dicke der späteren Trägerschicht 2 be stimmt (Einkerben).
Alternativ dazu kann das Abdünnen des Trägermaterials 10 auf der Unterseite in zwei Schritten erfolgen, wobei in einem ersten Schritt das Trägermaterial 10 flächig weggeätzt oder abgeschliffen wird, und in einem zweiten Schritt die Verein zelung durch ein flächiges Ätzen erfolgt und die Kontaktele mente 4 freigelegt werden, ohne das Metall dabei zu oxidie ren.
Die Figuren 12 bis 17 zeigen ein alternatives Verfahren zur Herstellung eines Bauelements 1. Vorzugsweise wird in dem folgenden Verfahren ein Bauelement 1 mit einer Glas- Trägerschicht 2 erzeugt.
In einem ersten Schritt wird ein Trägermaterial 10 zur Aus bildung der oben beschriebenen Trägerschicht 2 bereitgestellt (siehe Figur 12). Vorzugsweise weist das Trägermaterial 10 borosilicatisches Glas auf (Glaswafer).
In einem weiteren Schritt (siehe Figur 13) werden die Durch führungen 3 erzeugt. Dies erfolgt in diesem Ausführungsbei spiel mittels Ätzen von Vias / Durchbrüchen 12 in den Glas wafer, vorzugsweise durch LIDE (laser induced deep etching). Hierbei werden vorzugsweise Durchbrüche 12 erzeugt, welche eine konische Form aufweisen (siehe hierzu auch Figur 6).
Es folgt in einem weiteren Schritt das Beschichten des Trä germaterials 10 mit einem Funktionsmaterial 14 zur Ausbildung der Funktionsschicht 5, beispielsweise eine NTC Schicht (Fi gur 14). Hierbei kann Funktionsmaterial 14 auch in einem In nenbereich des jeweiligen Vias / Durchbruchs 12 aufgebracht werden. Insbesondere wird der Innenbereich des Vias / Durch bruchs 12 komplett mit dem Funktionsmaterial 14 beschichtet.
Das Funktionsmaterial 14 verbleibt in diesem Ausführungsbei spiel vollständig auf dem Trägermaterial 10 bzw. im Innenbe reich des Vias / Durchbruchs 12. Nachgelagerte Schritte zur teilweisen Entfernung des Funktionsmaterials 14, welche so wohl teuer als auch zeitaufwändig sind, sind nicht erforder lich. Dadurch wird das Verfahren vereinfacht und verbilligt.
Die Vias / Durchbrüche 12 werden in einem weiteren Schritt mit einem metallischen Material 13 (vorzugsweise Kupfer) ge füllt, vorzugsweise galvanisch. Dazu wird zunächst eine Op ferschicht bzw. Keimschicht des metallischen Materials 13 (vorzugsweise Kupfer) auf das Funktionsmaterial 14 aufgesput- tert (nicht explizit dargestellt). Ferner wird in diesem Zu sammenhang eine Photolithographie Maske 16 (Photolack) auf das Funktionsmaterial 14 aufgebracht (Figur 15). Anschließend werden die Vias / Durchbrüche 12 galvanisch mit dem metallischen Material 13 gefüllt. Auch in zwischen der Photolithographie Maske 16 befindliche Zwischenräume an der Oberseite des Funktionsmaterials 14 wird zumindest teilweise metallisches Material 13 abgeschieden zur Ausbildung der De ckelektroden 6 (Figur 16).
Die Photolithographie Maske 16 wird anschließend wieder ent fernt, beispielsweise abgewaschen (Figur 16). Ferner wird auch die vorher erwähnte Opferschicht bzw. Keimschicht teil weise entfernt, beispielsweise mittels Ätzen.
In einem letzten Schritt erfolgt ein Ausdünnen des Trägerma terials 10 auf der Unterseite mittels Rückschleifen („Backgr- inding) oder Ätzen (Figur 17). Das metallische Material 13 ragt danach von der Unterseite des Trägermaterials 10 bis hin zur Oberseite des Funktionsmaterials 14. Das metallische Ma terial 13 durchdringt die beiden Schichten folglich vollstän dig. Das metallische Material 13 liegt dabei teilweise auf der Oberseite des Trägermaterials 14 auf, wie aus den Figuren 16 und 17 ersichtlich ist (siehe hierzu auch Figur 6).
Die Figuren 18 bis 22 zeigen ein alternatives Verfahren zur Herstellung eines Bauelements 1. Vorzugsweise wird in dem folgenden Verfahren ein Bauelement 1 mit einer Glas- Trägerschicht 2 erzeugt.
In einem ersten Schritt wird ein Trägermaterial 10 zur Aus bildung der oben beschriebenen Trägerschicht 2 bereitge stellt. Vorzugsweise weist das Trägermaterial 10 Glas (sili- catisches oder borosilicatisches) auf (Glaswafer). Anders als bei dem im Zusammenhang mit den Figuren 12 bis 17 beschriebenen Verfahren wird in einem nächsten Schritt eine harte Maske 17 auf die Oberseite der Trägerschicht 10 aufge bracht (Figur 18). Bei der Maske 17 handelt es sich vorzugs weise um einen festen Träger mit Strukturen, beispielsweise Aussparungen .
In einem nächsten Schritt werden die Durchführungen 3 er zeugt. Dies erfolgt mittels Ätzen von Vias / Durchbrüchen 12 in den Glaswafer. Es werden dabei Durchbrüche 12 erzeugt, welche eine konische Form aufweisen (Figur 18).
In einem weiteren Schritt wird die Maske 17 wieder entfernt. Es folgt das Beschichten des Trägermaterials 10 mit einem Funktionsmaterial 14 zur Ausbildung der Funktionsschicht 5, beispielsweise eine NTC Schicht (Figur 19). Funktionsmaterial 14 wird hierbei auch in einem Innenbereich des jeweiligen Durchbruchs 12 aufgebracht. Auch hier ist ein nachgelagertes teilweises Entfernen des Funktionsmaterials 14 nicht erfor derlich, was das Verfahren vereinfacht und kostengünstiger macht.
Die Vias / Durchbrüche 12 werden in einem weiteren Schritt mit einem metallischen Material 13 (beispielsweise Kupfer) gefüllt. Dazu wird zunächst eine Opferschicht / Keimschicht des metallischen Materials 13 aufgesputtert („seed layer sputtering") . Es wird ferner eine Photolithographie Maske 16 auf das Funktionsmaterial 14 aufgebracht (Figur 20).
Im Folgenden werden die Vias / Durchbrüche 12 galvanisch mit dem metallischen Material 13 gefüllt. Metallisches Material 13 wird auch teilweise auf die Oberfläche des Funktionsmate- rials 14 in die Zwischenräumen zwischen der Photolithographie Maske 16 eingebracht.
Die Photolithographie Maske 16 wird anschließend wieder ent fernt. Ferner wird auch die Opferschicht bzw. Keimschicht teilweise wieder entfernt, beispielsweise mittels Ätzen (Fi gur 21).
In einem letzten Schritt erfolgt wiederum ein Ausdünnen des Trägermaterials 10 auf der Unterseite mittels Rückschleifen („Backgrinding) oder Ätzen (Figur 22).
Die Figuren 23 bis 28 zeigen ein alternatives Verfahren zur Herstellung eines Bauelements 1. Bevorzugt wird in dem fol genden Verfahren ein Bauelement 1 mit einer Silicium- Trägerschicht 2 erzeugt.
In einem ersten Schritt wird ein Trägermaterial 10 zur Aus bildung der oben beschriebenen Trägerschicht 2 bereitgestellt (Figur 23). Vorzugsweise weist das Trägermaterial 10 Silicium auf (Siliciumwafer).
In einem nächsten Schritt werden die Durchführungen 3 er zeugt. Insbesondere werden mit Hilfe eines Lasers Vias / Durchbrüche 12 in den Silicumwafer eingebracht (Figur 24).
Die Durchbrüche 12 weisen vorzugsweise eine konische Form auf.
In einem weiteren Schritt wird eine elektrisch isolierende Schicht erzeugt durch Aufbringen eines entsprechenden Materi als (vorzugsweise S1O2) auf das Trägermaterial 10 (nicht ex plizit dargestellt). Insbesondere wird das Trägermaterial 10 mit dem elektrisch isolierenden Material beschichtet. Dabei entsteht ein dünner Film des elektrisch isolierenden Materi als.
In einem nächsten Schritt wird das Trägermaterial 10 mit ei nem Funktionsmaterial 14 beschichtet zur Ausbildung der Funk tionsschicht 5 (Figur 25). Das Funktionsmaterial 14 wird da bei auf die isolierende Schicht aufgebracht. Das Funktionsma terial 14 wird auch in einem Innenbereich der Vias / Durch brüche 12 aufgebracht.
Die Vias / Durchbrüche 12 werden in einem weiteren Schritt mit einem metallischen Material 13 (vorzugsweise Kupfer) ge füllt. Dazu wird wiederum zunächst eine Opferschicht des me tallischen Materials 13 aufgesputtert. Ferner wird eine Pho tolithographie Maske 16 (Photolack) auf das Funktionsmaterial 14 aufgebracht (Figur 26).
Anschließend werden die Vias / Durchbrüche 12 galvanisch mit dem metallischen Material 13 gefüllt. Die Photolithographie Maske 16 und teilweise auch die Opferschicht werden anschlie ßend entfernt, beispielsweise mittels Abwaschen bzw. Ätzen (Figur 21).
In einem finalen Schritt erfolgt ein Ausdünnen des Trägerma terials 10 auf der Unterseite mittels Rückschleifen („Backgr- inding) oder Ätzen (Figur 28). Auch bei diesem Verfahren ist ein zumindest teilweises Abtragen von Funktionsmaterial 14 nicht erforderlich, was zu einem vereinfachten und kosten günstigen Prozess führt.
Die Figuren 29 bis 35 zeigen ein alternatives Verfahren zur Herstellung eines Bauelements 1. Bevorzugt wird in dem fol- genden Verfahren ein Bauelement 1 mit einer Silicium- Trägerschicht 2 erzeugt.
In einem ersten Schritt wird ein Trägermaterial 10 zur Aus bildung der oben beschriebenen Trägerschicht 2 bereitgestellt (Figur 29). Vorzugsweise weist das Trägermaterial 10 Silicium auf (Siliciumwafer).
Anschließend werden Aussparungen 19 im Trägermaterial 10 er zeugt. Hierfür wird Photolack 18 auf eine Oberseite des Trä germaterials 10 aufgebracht (Figur 29). Anschließend werden die Aussparungen 19 in Bereichen zwischen dem Photolack 18 durch Plasmaätzen erzeugt (Figur 30). In einem nächsten Schritt wird der Photolack 18 wieder entfernt.
In einem weiteren Schritt wird eine elektrisch isolierende Schicht erzeugt durch Aufbringen eines entsprechenden Materi als (vorzugsweise S1O2) auf das Trägermaterial 10 (nicht ex plizit dargestellt). Insbesondere wird das Trägermaterial 10 mit dem elektrisch isolierenden Material beschichtet. Es ent steht ein dünner Film des elektrisch isolierenden Materials.
In einem nächsten Schritt wird das Trägermaterial 10 mit ei nem Funktionsmaterial 14 beschichtet zur Ausbildung der Funk tionsschicht 5 (Figur 31). Beispielsweise wird eine dünne NTC Schicht auf das Trägermaterial 10 bzw. auf die isolierende Schicht aufgebracht. Trägermaterial 14 wird dabei auch in die vorher erzeugten Aussparungen 19 eingebracht. Insbesondere werden die Aussparungen 19 mit dem Trägermaterial 14 aufge füllt.
Anschließend erfolgt ein Abschleifen des Funktionsmaterials 14 an einer Oberseite des Trägermaterials 10. Insbesondere erfolgt das Abschleifen in der Art und Weise, dass Funktions material 14 vorzugsweise lediglich in den vorher erzeugten Aussparungen 19, nicht jedoch auf der Oberfläche des Träger materials 10 verbleibt (Figur 32). Insbesondere schließt das Funktionsmaterial 14 vorzugsweise eben mit der Oberfläche des Trägermaterials 10 ab.
In einem nächsten Schritt wird eine Oberseite des Funktions materials 14 mit Photolack 18 beschichtet (Figur 33). Durch anschließendes Plasmaätzen wird das Trägermaterial 10 groß flächig entfernt. Insbesondere verbleibt Trägermaterial 10 lediglich unterhalb des vorher erzeugten Funktionsmaterials 14. Auf diese Weise entstehen Vias / Durchbrüche 12 zwischen einzelnen Abschnitten / Säulen aus Trägermaterial 10 und Funktionsmaterial 14 (siehe Figur 34). Anschließend wird der Photolack 18 wieder entfernt.
In einem weiteren Schritt werden die Vias / Durchbrüche 12 - nach dem Aufbringen einer Opferschicht / Keimschicht (nicht explizit dargestellt) - galvanisch mit einem metallischen Ma terial 13 (vorzugsweise Kupfer) gefüllt (Figur 35). Bei die sem Verfahren kann ein finales Ausdünnen der Trägerschicht 2 entfallen, da das Trägermaterial 10 bereits in einem vorgela gerten Schritt mittels Plasmaätzen abgetragen wurde.
Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen - soweit technisch sinnvoll - beliebig miteinander kombiniert werden. Bezugszeichenliste
1 Bauelement la Oberseite des Bauelements lb Unterseite des Bauelements lc Seitenfläche des Bauelements
2 Trägerschicht / Wafer
2a Oberseite der Trägerschicht
2b Unterseite der Trägerschicht
3 Durchführung
4 Kontaktelernent
5 FunktionsSchicht
5a Oberseite der Funktionsschicht
6, 6a, 6b Deckelektrode
7 Schutzschicht
8 Aussparung
10 Trägermaterial
11 Photolack
12 Via
13 Metallisches Material
14 Funktionsmaterial
15 Elektrodenmaterial
16 Photolithographie Maske
17 Maske
18 Photolack
19 Aussparung

Claims

Patentansprüche
1. Bauelement(1) aufweisend
- wenigstens eine Trägerschicht (2), wobei die Trägerschicht (2) eine Oberseite (2a) und eine Unterseite (2b) aufweist,
- wenigstens eine Funktionsschicht (5), wobei die Funktions schicht (5) an der 0#berseite (2a) der Trägerschicht (2) an geordnet ist und ein Material aufweist, das eine spezielle elektrische Charakteristik aufweist, wobei das Bauelement (1) dazu ausgebildet ist als diskretes Bauelement direkt in ein elektrisches System integriert zu werden.
2. Bauelement(1) nach Anspruch 1, wobei die Trägerschicht (2) Silicium, Siliciumcarbid oder Glas aufweist.
3. Bauelement(1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Funktionsschicht (5) form- und materialschlüssig auf der Trägerschicht (2) aufgebracht ist oder wobei die Funktionsschicht (5) direkt in einem Material der Träger schicht (2) lokal oder als Schicht erzeugt ist.
4. Bauelement(1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Funktionsschicht (5) eine dielektrische oder anti ferroelektrische Keramik basierend auf einem oxidischen Mate rial im Perowskit Strukturtyp aufweist.
5. Bauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Funktionsschicht (5) eine ionenleitende Keramik ba sierend auf einem Material im Nasicon Strukturtyp aufweist.
6. Bauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Funktionsschicht (5) ein halbleitendes Material ba sierend auf einem Oxid im Spinell Strukturtyp oder im Perowskit Strukturtyp aufweist.
7. Bauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Funktionsschicht (5) ein halbleitendes Material ba sierend auf einer Perowskit Struktur aus polykristallinem BaTi03 mit Pb, Sr, Ca zur Anpassung der Curie Temperatur und Y, Mn, Fe als Dotierstoffe aufweist, wobei die polykristalli ne Struktur einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist.
8. Bauelement(1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend wenigstens eine Schutzschicht (7), wobei die Schutzschicht (7) an einer Oberseite (la) des Bauelements
(1) und/oder an wenigstens einer Seitenfläche (lc) des Bau elements (1) angeordnet ist.
9. Bauelement(1) nach Anspruch 8, wobei die Schutzschicht (7) S1O2 aufweist.
10. Bauelement(1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend wenigstens eine Durchführung (3), wobei die Durchführung (3) die Trägerschicht (2) vollständig durch dringt, und wobei an der Unterseite (2b) der Trägerschicht
(2) wenigstens ein Kontaktelement (4) zur elektrischen Kon taktierung des Bauelements (1) ausgebildet ist.
11. Bauelement(1) nach Anspruch 10, aufweisend wenigstens zwei Durchführungen (3), wobei an der Unterseite (2b) der Trägerschicht (2) zwei Kontaktelemente (4) ausgebildet sind.
12. Bauelement(1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend wenigstens eine Deckelektrode (6, 6a, 6b), wobei die Deckelektrode (6, 6a, 6b) zur elektrischen Kontak tierung der Funktionsschicht (5) von einer Oberseite (5a) der Funktionsschicht (5) her ausgebildet ist.
13. Bauelement(1) nach Anspruch 12, wobei die Deckelektrode (6, 6a, 6b) unmittelbar auf der Funk tionsschicht (5) angeordnet ist.
14. Bauelement(1) nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Deckelektrode (6, 6a, 6b) wenigstens eine gesput- terte Schicht aufweist.
15. Bauelement(1) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, aufweisend wenigstens zwei Deckelektroden (6a, 6b), wobei die Deckelektroden (6a, 6b) nebeneinander angeordnet sind, und wobei die Deckelektroden (6a, 6b) durch wenigstens eine Aus sparung (8) räumlich und elektrisch voneinander getrennt sind.
16. Bauelement(1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Bauelement (1) zur direkten Integration in eine MEMS Struktur und/oder in eine SESUB Struktur ausgebildet ist.
17. Verfahren zur Herstellung eines Bauelements (1) aufwei send die folgenden Schritte:
A) Bereitstellen eines Trägermaterials (10) zur Ausbildung der Trägerschicht (2);
B) Ausbildung von wenigstens einer Durchführung (3), wobei die Durchführung (3) das Trägermaterial (10) vollständig durchdringt; C) Füllen der wenigstens einen Durchführung (3) mit einem me tallischen Material (13);
D) Beschichten des Trägermaterials (10) mit einem Funktions material (14) zur Ausbildung der Funktionsschicht (5);
E) Vereinzeln der Bauelemente (1).
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei vor Schritt E) ein Abscheiden wenigstens einer De ckelektrode (6, 6a, 6b) auf eine Oberseite des Funktionsmate rials (14) erfolgt.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Funktionsschicht (5) durch einen PVD oder CVD Pro zess erzeugt wird oder wobei das Funktionsmaterial (14) durch einen Sol-Gel Prozess oder mittels Keramikschlicker erzeugt wird und durch ein CSD Verfahren auf das Trägermaterial (10) aufgetragen wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei nach Schritt D) ein Temperschritt erfolgt.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei Schritt D) vor Schritt B) oder vor Schritt C) durchge führt wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei die Deckelektrode (6, 6a, 6b) zur elektrischen Kontak tierung der Funktionsschicht (5) von einer Oberseite (5a) der Funktionsschicht (5) her ausgebildet ist.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, die Deckelektrode (6, 6a, 6b) unmittelbar auf der Funktions schicht (5) angeordnet wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, wobei an der Unterseite (2b) der Trägerschicht (2) wenigstens ein Kontaktelement (4) zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements (1) ausgebildet wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 24, wobei das Bauelement (1) zur direkten Integration in eine MEMS Struktur und/oder in eine SESUB Struktur ausgebildet ist.
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