Hochtemperaturfeste, dünnschicht-kompatible LTCC-Keramiken zur Entwicklung neuartiger, miniaturisierter Sensorelemente

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Low-Temperature Co-fired Ceramics (LTCC) ist ein Glas-Keramik-Verbundwerkstoff, der sich durch niedrige Sintertemperaturen < 900°C auszeichnet und hauptsächlich im Bereich der hybriden Aufbau- und Verbindungstechnik verarbeitet wird. Um diesen Verbundwerkstoff als Trägersubstrat für funktionale Strukturen mit geometrischen Abmessungen im Mikrometerbereich für Anwendungen unter rauen Umgebungsbedingungen nutzbar zu machen, soll im Rahmen dieses Projektes eine hochtemperaturstabile, dünnschicht-kompatible LTCC-Keramik entwickelt werden. Da das neuartige, keramische Trägersubstrat und die Dünnschichtstrukturen bevorzugt auf den Einsatz im Bereich miniaturisierter Metalloxid-Gassensoren abzielen, wird eine Temperaturstabilität des Gesamtaufbaus im Dauerlastbetrieb von mindestens 600°C angestrebt. Im Hinblick auf eine geringe Leistungsaufnahme der benötigten Heizerelemente ist ferner eine Mikrostrukturierung notwendig, um dünne Membranen mit geringer Wärmeankopplung an das Substrat realisieren zu können. Die technischen Anforderungen an die LTCC-Keramik sollen hauptsächlich über die Verwendung von Füllstoffpartikeln im Nanometerbereich und ein verändertes Rekristallisationsverhalten der Glasmatrix der LTCC-Werkstoffe erzielt werden, wobei die Verdichtung bei Temperaturen < 900 °C beibehalten werden muss. Um ein grundlegendes Verständnis der Schichtwachstumskinetik von gesputterten, hochtemperaturstabilen, metallischen Dünnfilmen (Titan, Tantal, Platin) und Diffusionsbarrieren (Titannitrid, Tantalnitrid) zu erhalten, sollen über systematische Testreihen auf unterschiedlichen Substraten (LTCC, siliziumbasiert) der Einfluss von Abscheideparametern und ¿Post Deposition Annealing Schritten auf charakteristische Kenngrößen des Schichtwachstums ermittelt und bewertet werden. Ferner sind elektrische Materialparameter (spezifischer Widerstand, Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes) der (ultra)dünnen Schichten oder Dünnschichtsystemen zu bestimmen und mit den Wachstumsparametern bzw. deren Mikrostruktur zu korrelieren. Die Funktionalität der technologischen Neuentwicklungen sollen exemplarisch an Hand von miniaturisierten Gas Sensorelementen an einem Gasmessplatz demonstriert werden.