DE102015225284A1 - Messchip and method for determining the thermal conductivity of a thin layer - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit einer dünnen Schicht geeigneten Messchip. Der Messchip umfasst ein Substrat (14) mit einer Aussparung (15) und eine Membran (16), die die Aussparung (15) überdeckend auf das Substrat (14) aufgebracht ist. Auf die Membran (16) ist ein Heizdraht (17) aufgebracht. Erfindungsgemäß ist auf der Membran (16) eine Messfeldbegrenzung (18, 19) vorgesehen, die teilweise überdeckend zu der Aussparung (15) im Substrat (14) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit einer dünnen Schicht.The invention relates to a measuring chip suitable for determining the thermal conductivity of a thin layer. The measuring chip comprises a substrate (14) with a recess (15) and a membrane (16) which is applied to the recess (15) covering the substrate (14). On the membrane (16) a heating wire (17) is applied. According to the invention, a measuring field boundary (18, 19) is provided on the membrane (16), which is arranged partially overlapping the recess (15) in the substrate (14). The invention also relates to a method for determining the thermal conductivity of a thin layer.

Description

Die Erfindung betrifft einen zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit einer dünnen Schicht geeigneten Messchip. Der Messchip umfasst ein Substrat mit einer Aussparung und eine Membran, die die Aussparung überdeckend auf das Substrat aufgebracht ist. Auf die Membran ist ein Heizdraht aufgebracht. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit einer dünnen Schicht.The invention relates to a measuring chip suitable for determining the thermal conductivity of a thin layer. The measuring chip comprises a substrate with a recess and a membrane, which is applied to the recess covering the substrate. On the membrane, a heating wire is applied. The invention also relates to a method for determining the thermal conductivity of a thin layer.

Die Wärmeleitfähigkeit einer dünnen Schicht (Probe) kann ermittelt werden, indem gemessen wird, wie viel Wärme ein benachbart zu der dünnen Schicht angeordneter Heizdraht über die Schicht abgibt. Indem die Messung im Bereich einer Aussparung des Messchips vorgenommen wird, wird erreicht, dass die Wärmeableitung weitgehend über die Probe erfolgt, während die Ableitung von Wärme über andere Bestandteile des Messchips möglichst gering gehalten wird. Durch Herausrechnen der anderen Anteile der Wärmeableitung kann auf den Anteil der Wärmeableitung über die Probe geschlossen werden. The thermal conductivity of a thin layer (sample) can be determined by measuring how much heat a heating wire placed adjacent to the thin layer delivers over the layer. By making the measurement in the area of a recess of the measuring chip, it is achieved that the heat dissipation is largely over the sample, while the dissipation of heat through other components of the measuring chip is kept as low as possible. By excluding the other components of the heat dissipation, it is possible to deduce the proportion of heat dissipation through the sample.

Der Messchip ist mit einer Heizstruktur ausgestattet, die einerseits einen definierten Wärmestrom im Material erzeugt und andererseits als Sensor dient, um eine Temperaturerhöhung der Heizstruktur zu ermitteln. In die Berechnung der Wärmeleitfähigkeit der Probe fließt die Information ein, wie groß die Fläche ist, über die die Probe Wärme ableitet. Die Ermittlung dieser Flächengröße ist nicht ganz einfach. Insbesondere bedeutet es hohen Aufwand, wenn die Größe dieser Kontaktfläche über zusätzliche Messungen experimentell bestimmt wird.The measuring chip is equipped with a heating structure which on the one hand generates a defined heat flow in the material and on the other hand serves as a sensor to determine a temperature increase of the heating structure. In the calculation of the thermal conductivity of the sample, the information flows in, how large the area over which the sample dissipates heat. Determining this area size is not easy. In particular, it requires a great deal of effort if the size of this contact surface is determined experimentally via additional measurements.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Messchip und ein Verfahren vorzustellen, mit denen die Wärmeleitfähigkeit einer dünnen Schicht reproduzierbar und ohne weitere Messungen bestimmt werden kann. Ausgehend vom genannten Stand der Technik wird die Aufgabe gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The invention has for its object to present a measuring chip and a method by which the thermal conductivity of a thin layer can be determined reproducibly and without further measurements. Based on the cited prior art, the object is achieved with the features of the independent claims. Advantageous developments are the subject of the dependent claims.

Erfindungsgemäß ist auf der Membran eine Messfeldbegrenzung vorgesehen, die teilweise überdeckend zu der Aussparung im Substrat angeordnet ist.According to the invention, a measuring field boundary is provided on the membrane, which is arranged partially overlapping the recess in the substrate.

Zunächst werden einige Begriffe näher erläutert:
Unter einer dünnen Schicht wird eine geschlossene Schicht aus einem oder verschiedenen festen Materialen verstanden. Die Dicke einer solchen Schicht liegt typischerweise in einem Bereich weniger Mikrometer bis weniger Nanometer. Eine dünne Schicht kann zum Beispiel durch physikalische Verfahren (zum Beispiel Sputtern oder thermisches Aufdampfen), chemische Verfahren (zum Beispiel Atomlagenabscheidung oder Molekularstrahlepitaxi) oder weitere Beschichtungsmethoden (zum Beispiel Drop Casting oder Spin Coating) hergestellt werden und direkt auf einem Messchip abgeschieden werden. In diesem Sinne kann insbesondere auch die Membran eine dünne Schicht darstellen.First, some terms are explained in more detail:
By a thin layer is meant a closed layer of one or several solid materials. The thickness of such a layer is typically in the range of a few microns to less nanometers. For example, a thin layer can be made by physical methods (eg, sputtering or thermal evaporation), chemical methods (eg, atomic layer deposition or molecular beam epitaxy), or other coating methods (for example, drop casting or spin coating), and deposited directly on a measuring chip. In this sense, in particular, the membrane can also represent a thin layer.

Messfeld bezeichnet einen Abschnitt des Messchips, auf dem die Messung der Wärmeleitfähigkeit der Probe vorgenommen wird. Bevorzugt umfasst das Messfeld Bereiche, in dem die Membran bzw. die Kombination aus Membran und Probe mit keinen anderen Komponenten belegt ist außer dem Heizdraht. Insbesondere ist im Bereich des Messfelds die Membran nicht durch das Substrat oder die Messfeldbegrenzung überdeckt. Ausgehend vom Heizdraht wird in diesem Bereich ein definierter Wärmestrom durch die Membran erzeugt über welchen Rückschlüsse auf die Wärmeleitfähigkeit der Membran oder einer aufgebrachten Probe gezogen werden können.Measuring field designates a section of the measuring chip on which the measurement of the thermal conductivity of the sample is carried out. Preferably, the measuring field comprises areas in which the membrane or the combination of membrane and sample is not covered with any other components except the heating wire. In particular, in the region of the measuring field, the membrane is not covered by the substrate or the measuring field boundary. Starting from the heating wire, a defined heat flow through the membrane is generated in this area, by means of which conclusions can be drawn about the thermal conductivity of the membrane or an applied sample.

Die Erfindung hat erkannt, dass es mittels der erfindungsgemäßen Messfeldbegrenzung möglich wird, in bestimmten Bereichen des Messfelds eine definierte Berandung für das Messfeld zu erzeugen. Das Ermitteln der relevanten Fläche der Probe wird dadurch erleichtert. Insbesondere wird es möglich, die Wärmeleitfähigkeit ohne zusätzliche Vermessung der Geometrie der Aussparung zu ermessen. Solche Aussparungen werden typischerweise durch Ätzverfahren hergestellt, die schwer zu kontrollieren sind, da sie von einer Vielzahl an Verfahrensparametern (Zeit, Substrat, Temperatur) abhängen. Der Gebrauch einer Messfeldbegrenzung erlaubt eine bekannte und reproduzierbare Größe eines Messfelds trotz Abweichungen in der Geometrie der Aussparung.The invention has recognized that it is possible by means of the measuring field limitation according to the invention to generate a defined boundary for the measuring field in certain areas of the measuring field. Determining the relevant area of the sample is thereby facilitated. In particular, it becomes possible to measure the thermal conductivity without additional measurement of the geometry of the recess. Such recesses are typically made by etching processes, which are difficult to control because they depend on a variety of process parameters (time, substrate, temperature). The use of a measurement field boundary allows a known and reproducible size of a measurement field despite deviations in the geometry of the recess.

Der erfindungsgemäße Messchip umfasst ein Substrat mit einer Aussparung. Bei dem Substrat handelt es sich bevorzugt um einen Silizium-Wafer. Bei der Aussparung handelt es sich bevorzugt um einen rechteckigen Graben mit Kantenlängen im Bereich 0,1 bis 10 Millimeter. Auf das Substrat ist eine Membran aus elektrisch isolierendem Material die Aussparung überdeckend aufgebracht. Bevorzugt handelt es sich bei der Membran um Siliziumnitrid mit einer Schichtdicke von höchstens 200 Nanometern, bevorzugt höchstens 100 Nanometern, weiter bevorzugt höchstens 50 Nanometern. Eine geringe Schichtdicke der Membran ist von Vorteil für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit, indem parasitäre Wärmeströme außerhalb der Probe so gering wie möglich gehalten werden. The measuring chip according to the invention comprises a substrate with a recess. The substrate is preferably a silicon wafer. In the recess, it is preferably a rectangular trench with edge lengths in the range 0.1 to 10 millimeters. On the substrate, a membrane of electrically insulating material, the recess is applied overlapping. Preferably, the membrane is silicon nitride having a layer thickness of at most 200 nanometers, preferably at most 100 nanometers, more preferably at most 50 nanometers. A small layer thickness of the membrane is advantageous for the determination of the thermal conductivity, as parasitic heat flows outside the sample are kept as low as possible.

Der Heizdraht ist vorzugsweise auf der von dem Substrat abgewandten Seite der Membran aufgebracht. Bevorzugt erstreckt sich der Heizdraht über eine Länge im Bereich mehrerer Millimeter und hat eine Breite von weniger als 5 Mikrometern. Vorzugsweise ist der Heizdraht aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt. Der Heizdraht sollte so gestaltet sein, dass wenigstens eines seiner Enden, bevorzugt beide Enden im Bereich der Aussparung liegen. Wenn eine Überschneidung zwischen dem Heizdraht und dem Substrat vermieden wird, ist die unerwünschte Wärmeableitung reduziert, zu der es ansonsten zwischen dem Heizdraht und dem Substrat kommen könnte. Angaben wie überdecken und überlagern beziehen sich im Rahmen der Erfindung auf eine Projektion in einer zu der Membran senkrechten Richtung.The heating wire is preferably on the side facing away from the substrate side of the membrane applied. Preferably, the heating wire extends over a length in the range of several millimeters and has a width of less than 5 micrometers. Preferably, the heating wire is made of an electrically conductive material. The heating wire should be designed so that at least one of its ends, preferably both ends are in the region of the recess. Avoiding any interference between the heater wire and the substrate reduces the unwanted heat dissipation that might otherwise occur between the heater wire and the substrate. In the context of the invention, information such as overlapping and superimposing refer to a projection in a direction perpendicular to the membrane.

Die Messfeldbegrenzung ist bevorzugt aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit hergestellt. Beim Aufbringen des Heizdrahts und der Messfeldbegrenzung können vorzugsweise zusätzlich Haftvermittler wie Titan oder Chrom zwischen der Membran und den Strukturen verwendet werden. Vorzugsweise werden herkömmliche lithographische Verfahren aus der Mikrostrukturtechnik für die Strukturierung der Messchips verwendet.The measuring field limitation is preferably made of a material with a high thermal conductivity. When applying the heating wire and the measuring field limitation may preferably be used in addition adhesion promoter such as titanium or chromium between the membrane and the structures. Preferably, conventional lithographic techniques from the microstructure technique are used for the patterning of the measuring chips.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Messfeldbegrenzung wenigstens einen, vorzugsweise zwei von dem Heizdraht elektrisch isolierte Abschnitte. Die Gestaltung der Messfeldbegrenzung ist so räumlich unabhängig vom Heizdraht und aufgrund der schlecht wärmeleitenden Membran ebenfalls thermisch von dem Heizdraht isoliert. Eine Temperaturerhöhung des Heizdrahts ist somit entkoppelt von einer Temperaturerhöhung der Messfeldbegrenzung und andersherum.In a preferred embodiment, the measuring field boundary comprises at least one, preferably two sections electrically insulated from the heating wire. The design of the measuring field boundary is thus spatially independent of the heating wire and due to the poor thermal conductivity membrane also thermally insulated from the heating wire. A temperature increase of the heating wire is thus decoupled from an increase in temperature of the measuring field boundary and vice versa.

Der Heizdraht kann sich zwischen den elektrisch isolierten Abschnitten erstrecken. Dadurch dass sich der Heizdraht innerhalb zweier Abschnitte des Messfelds erstreckt, ist es möglich eine Symmetrie des Messfelds zu konstruieren und so einen definierten Bereich für einen Wärmestrom von dem Heizdraht zu zwei Rändern der Messfeldbegrenzung zu erzeugen.The heating wire may extend between the electrically insulated sections. The fact that the heating wire extends within two sections of the measuring field makes it possible to construct a symmetry of the measuring field and thus to generate a defined range for a heat flow from the heating wire to two edges of the measuring field boundary.

In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Messfeldbegrenzung wenigstens einen, vorzugsweise zwei mit dem Heizdraht elektrisch verbundene Kontaktbereiche. Die Kontaktbereiche sind vorzugsweise wesentlich breiter als der Heizdraht, sodass durch jeden Kontaktbereich zugleich ein Ende des Heizdrahts definiert wird. Die elektrisch verbundenen Kontaktbereiche lassen eine Messfeldbegrenzung unmittelbar an den Enden des Heizdrahts zu. Die Kontaktbereiche sind gewöhnlich deutlich breiter als der Heizdraht und können Wärme gut aufnehmen. Ein weiterer Vorteil der Kontaktbereiche ist, dass diese genutzt werden können um den Chip und damit den Heizdraht elektrisch zu kontaktieren. Diese Kontaktierung kann zum Beispiel durch Bonddrähte oder Federkontaktstifte erfolgen. Dabei sind die großen Kontaktbereiche wesentlich weniger empfindlich gegenüber dem ausgeübten Druck der Bondnadel oder des Federkontaktstifts als der schmale Heizdraht. Außerdem sind die Kontaktbereiche unter einem Lichtmikroskop leichter zu erkennen.In one embodiment of the invention, the measuring field boundary comprises at least one, preferably two contact areas electrically connected to the heating wire. The contact areas are preferably substantially wider than the heating wire, so that one end of the heating wire is defined by each contact area at the same time. The electrically connected contact areas allow a measuring field boundary directly at the ends of the heating wire. The contact areas are usually much wider than the heating wire and can absorb heat well. Another advantage of the contact areas is that they can be used to electrically contact the chip and thus the heating wire. This contacting can be done for example by bonding wires or spring contact pins. The large contact areas are much less sensitive to the pressure exerted by the bonding needle or the spring contact pin than the narrow heating wire. In addition, the contact areas are easier to see under a light microscope.

Vorzugsweise sind der Heizdraht und die Messfeldbegrenzung auf derselben Seite der Membran angeordnet. In diesem Fall können die beiden Strukturen in einem Prozessierungsschritt abgeschieden werden, was die Herstellung der Messchips erleichtert. Außerdem ist es möglich, die Messfeldbegrenzung direkt zum Heizdraht auszurichten, was die Bestimmung des Messfeldes erleichtert und die Messgenauigkeit erhöht. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Rückseite der Membran frei bleibt und eine Probe, die auf dem Messchip aufgebracht wird, nicht in Kontakt mit diesen Strukturen kommt.Preferably, the heating wire and the measuring field boundary are arranged on the same side of the membrane. In this case, the two structures can be deposited in a processing step, which facilitates the manufacture of the measuring chips. In addition, it is possible to align the measuring field boundary directly to the heating wire, which facilitates the determination of the measuring field and increases the measuring accuracy. Another advantage is that the back of the membrane remains free and a sample applied to the measuring chip does not come into contact with these structures.

Die Messfeldbegrenzung kann grundsätzlich einteilig oder mehrteilig gestaltet sein. Wenn die Messfeldbegrenzung aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, wird die Messfeldbegrenzung regelmäßig mehrteilig sein, weil ansonsten eine den Heizdraht umgehende elektrische Verbindung entstehen könnte. Die Unterbrechungen zwischen den einzelnen Teilen der Messfeldbegrenzung sollten so klein wie möglich sein, so dass das Messfeld so weit wie möglich durch die Messfeldbegrenzung umrandet ist.The measuring field limitation can basically be designed in one piece or in several parts. If the measuring field boundary is made of an electrically conductive material, the measuring field boundary will be regularly multipart, because otherwise an electrical connection could be created which bypasses the heating wire. The interruptions between the individual parts of the measuring field limitation should be as small as possible, so that the measuring field is surrounded as far as possible by the measuring field boundary.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine innerhalb der Aussparung liegende Umfangslinie des Messfeldes über wenigstens 70%, vorzugsweise wenigstens 80%, weiter vorzugsweise wenigstens 90% von einem Rand der Messfeldbegrenzung gebildet. Desto größer der Bereich ist in dem der Rand des Messfeldes von der Messfeldbegrenzung gebildet wird, desto präziser lässt sich die Größe des Messfeldes kontrollieren und bestimmen. Die Geometrie des Messfeldes ist dabei zu einem Großteil unabhängig von der Geometrie der Aussparung an der Unterseite der Membran. Dabei sollte insbesondere darauf geachtet werden, dass der Heizdraht durch die Messfeldbegrenzung nicht kurzgeschlossen wird. Bevorzugt ist dazu ein Abstand von 10 bis 20 Mikrometern zwischen elektrisch nicht isolierten Teilen der Messfeldbegrenzung einzuhalten. Die Messfeldbegrenzung kann zusammengesetzt sein aus Abschnitten, die mit dem Heizdraht elektrisch leitend verbunden sind (insbesondere die Kontaktbereiche), und Abschnitten, die gegenüber dem Heizdraht elektrisch isoliert sind.In a preferred embodiment, a circumferential line of the measuring field lying within the recess is formed over at least 70%, preferably at least 80%, more preferably at least 90%, of an edge of the measuring field boundary. The larger the area in which the edge of the measuring field is formed by the measuring field boundary, the more precisely the size of the measuring field can be controlled and determined. The geometry of the measuring field is for the most part independent of the geometry of the recess on the underside of the membrane. Particular care should be taken to ensure that the heating wire is not short-circuited by the measuring field limitation. Preferably, a distance of 10 to 20 microns between electrically non-isolated parts of the measuring field limitation is observed. The measuring field boundary may be composed of sections that are electrically connected to the heating wire (in particular the contact areas), and sections that are electrically insulated from the heating wire.

Es kann von Vorteil sein, die Messfeldbegrenzung aus Gold oder Platin herzustellen. Beide Materialien haben eine hohe thermische Leitfähigkeit im Vergleich zu der schlecht wärmeleitenden Membran und können gleichzeitig mit dem Heizdraht auf die Membran aufgebracht werden. Gold und Platin sind außerdem äußerst beständig über weite Temperaturbereiche. Weiterhin verfügen beide Materialien auch bei geringen Schichtdicken über die nötige Härte um mit Bonddrähten oder Federkontaktstiften verbunden zu werden.It may be advantageous to make the measurement field boundary of gold or platinum. Both materials have a high thermal conductivity compared to the poorly thermally conductive membrane and can simultaneously with the heating wire on the Membrane are applied. Gold and platinum are also extremely resistant over wide temperature ranges. Furthermore, both materials have the necessary hardness to be connected with bonding wires or spring contact pins, even at low layer thicknesses.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Isolierschicht auf den Heizdraht und die Messfeldbegrenzung abdeckend aufgebracht. Die Isolierschicht besteht vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Fotolack. Durch die Isolierschicht wird es möglich, die Wärmeleitfähigkeit einer im Bereich der Aussparung auf der von dem Substrat abgewandten Seite der Membran aufgebrachten Probenschicht zu ermitteln. Ein weiterer Vorteil ist es, dass eine Probenschicht auf dem Messchip zum Beispiel mittels Rotationsbeschichtung (Spin Coating) aufgebracht werden kann, da auf der vom Substrat abgewandten Seite der Membran keine Aussparung vorhanden ist. In an advantageous embodiment, an insulating layer is applied covering the heating wire and the measuring field boundary. The insulating layer is preferably made of an electrically insulating photoresist. The insulating layer makes it possible to determine the thermal conductivity of a sample layer applied in the region of the recess on the side of the membrane facing away from the substrate. A further advantage is that a sample layer can be applied to the measuring chip, for example by means of spin coating, since there is no cutout on the side of the membrane facing away from the substrate.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messchips sind ein erstes Messfeld mit einer ersten Messfeldbegrenzung und ein zweites Messfeld mit einer zweiten Messfeldbegrenzung vorgesehen, wobei die Fläche des ersten Messfelds kleiner ist als die Fläche des zweiten Messfelds. Eine solche Ausgestaltung des Messchips bietet die Möglichkeit, bei der Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit an einer Probe in zwei unterschiedlich großen Messfeldern gleichzeitig zu messen. Dadurch kann ein Wärmestrom basierend auf der Wärmeleitung und Wärmestrahlung berücksichtigt werden (Wärmeleitfähigkeit und Emissivität) und so die Wärmeleitfähigkeit mit höherer Genauigkeit bestimmt werden. In a preferred embodiment of the measuring chip according to the invention, a first measuring field with a first measuring field limit and a second measuring field with a second measuring field limit are provided, wherein the area of the first measuring field is smaller than the area of the second measuring field. Such a configuration of the measuring chip offers the possibility of measuring the thermal conductivity of a sample simultaneously in two differently sized measuring fields. As a result, a heat flow based on the heat conduction and heat radiation can be taken into account (thermal conductivity and emissivity) and thus the thermal conductivity can be determined with higher accuracy.

Jedes der Messfelder ist mit einem Heizdraht ausgestattet. Vorzugsweise sind ein das erste Messfeld überlagernder Heizdraht und ein das zweite Messfeld überlagernder Heizdraht gleich lang. Die Heizdrähte haben dadurch nahezu den gleichen elektrischen Widerstand und zeigen ein nahezu gleiches Heizverhalten. Außerdem hängt die Geometrie der Messfelder nur noch von Ihrer Breite, also Ausdehnung in einer Richtung senkrecht von der Erstreckungsrichtung des Heizdrahts ab.Each of the measuring fields is equipped with a heating wire. Preferably, a heating wire superimposed on the first measuring field and a heating wire superimposed on the second measuring field are of equal length. The heating wires thus have almost the same electrical resistance and show a nearly equal heating behavior. In addition, the geometry of the measuring fields depends only on their width, ie expansion in a direction perpendicular to the direction of extension of the heating wire.

In thermoelektrischen Generatoren kann Wärme unter Ausnutzung des Seebeck-Effekts direkt in elektrische Energie umgewandelt werden. Der Seebeck-Effekt tritt auf, wenn an einer thermoelektrischen Schicht ein Temperaturgradient anliegt, die Schicht also kalte und warme Bereiche aufweist. Die Effizienz, mit der ein Material Wärme in elektrische Energie umwandeln kann, wird im Allgemeinen durch eine dimensionslose Gütezahl ZT bestimmt, welche proportional zum Quadrat des Seebeck-Koeffizienten S, der elektrischen Leitfähigkeit σ sowie der Temperatur T und invers proportional zur Wärmeleitfähigkeit κ des Materials ist. Es ist wünschenswert für die Bestimmung der Gütezahl, alle Größen einer dünnen Schicht unter festen Umgebungsbedingungen zu messen.In thermoelectric generators, heat can be directly converted into electrical energy by utilizing the Seebeck effect. The Seebeck effect occurs when a temperature gradient is applied to a thermoelectric layer, ie the layer has cold and warm areas. The efficiency with which a material can convert heat into electrical energy is generally determined by a dimensionless figure of merit ZT which is proportional to the square of the Seebeck coefficient S, the electrical conductivity σ and the temperature T and inversely proportional to the thermal conductivity κ of the material is. It is desirable for the determination of the figure of merit to measure all sizes of a thin layer under fixed environmental conditions.

Es ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung einen Messchip zur Verfügung zu stellen, mit dem es möglich ist, alle oben genannten Größen einer dünnen Schicht im Wesentlichen gleichzeitig über einen großen Temperaturbereich zu ermitteln. Es lässt sich dann die Gütezahl ZT unmittelbar mit dem Messchip bestimmen, ohne dass weitere Messungen, etwa zur Bestimmung der Geometrie der Probe, notwendig sind. Der Messchip ist dabei so vorstrukturiert, dass nur ein einziger Abscheidevorgang einer Probe notwendig ist. Mit dem Abscheidevorgang werden alle Messfelder des Messchips mit einer dünnen Schicht belegt.It is an object of the present invention to provide a measuring chip with which it is possible to detect all the above-mentioned sizes of a thin film substantially simultaneously over a wide temperature range. It is then possible to determine the figure of merit ZT directly with the measuring chip without the need for further measurements, for example for determining the geometry of the sample. The measuring chip is so pre-structured that only a single deposition of a sample is necessary. With the deposition process, all measuring fields of the measuring chip are covered with a thin layer.

Dazu umfasst der erfindungsgemäße Messchip vorzugsweise zunächst eine Messeinrichtung, die dazu ausgelegt ist, eine Wärmeleitfähigkeit einer im Bereich der Aussparung auf die Membran aufgebrachten Probenschicht zu ermitteln. Mit Hilfe einer Messeinrichtung auf dem Messchip kann sichergestellt werden, dass beispielsweise der Heizdraht bei einer Messung richtig kontaktiert ist. Außerdem ist die Messeinrichtung in der Lage Ströme und Spannungen anzulegen und zu messen.For this purpose, the measuring chip according to the invention preferably comprises first a measuring device which is designed to determine a thermal conductivity of a sample layer applied to the membrane in the region of the recess. With the aid of a measuring device on the measuring chip, it can be ensured that, for example, the heating wire is correctly contacted during a measurement. In addition, the measuring device is able to create and measure currents and voltages.

Der Messchip kann ferner eine Messeinrichtung aufweisen, die dazu ausgelegt ist, eine elektrische Leitfähigkeit und/oder einen Seebeck-Koeffizienten einer in einem separaten Messfeld aufgebrachten Probenschicht zu ermitteln. So wird sichergestellt, dass alle drei Größen (Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit und Seebeck-Koeffizient) unter gleichen gegebenen Bedingungen auf dem Chip bestimmt werden können. Dadurch dass alle Messeinrichtungen auf dem Chip vorhanden sind, kann die Probe bereits bei einem ersten Temperatur- oder Magnetfeldlauf vollständig charakterisiert werden. Die Messeinrichtungen umfassen dabei Mittel, um Spannungen anzulegen und/oder abzugreifen sowie Mittel um einen Temperaturgradienten über einen weiteren Bereich der Probe zu erzeugen.The measuring chip may further comprise a measuring device which is designed to determine an electrical conductivity and / or a Seebeck coefficient of a sample layer applied in a separate measuring field. This ensures that all three parameters (thermal conductivity, electrical conductivity and Seebeck coefficient) can be determined under the same given conditions on the chip. The fact that all measuring devices are present on the chip, the sample can be fully characterized already at a first temperature or magnetic field. The measuring devices in this case comprise means for applying and / or tapping voltages and for generating means for a temperature gradient over a further region of the sample.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Ermitteln der Wärmeleitfähigkeit einer dünnen Schicht. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird über einen auf einer Membran aufgebrachten Heizdraht eine Heizleistung eingespeist und ein mittlerer Temperaturanstieg des Heizdrahts gemessen. Der Heizdraht ist innerhalb einer Messfeldbegrenzung angeordnet, die eine Aussparung des Substrats auf der Rückseite der Membran teilweise überdeckt. The invention also relates to a method for determining the thermal conductivity of a thin layer. In the method according to the invention, a heating power is fed in via a heating wire applied to a membrane and a mean temperature rise of the heating wire is measured. The heating wire is arranged within a measuring field boundary, which partially covers a recess of the substrate on the back side of the membrane.

Wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Strom durch den Heizdraht geleitet, so wird ein Teil der elektrischen Energie in Joulesche Wärme umgewandelt, was zu einer Temperaturerhöhung des Heizdrahts führt. Die Temperaturerhöhung hängt davon ab, wie viel der Wärme abgeführt wird (durch Konvektion, Wärmeleitung und Wärmestrahlung). Unter gegebenen Randbedingungen lässt sich daraus die Wärmeleitfähigkeit der Membran in der Ebene (in-plane) bestimmen. If a current is passed through the heating wire in the method according to the invention, a portion of the electrical energy is converted into Joule heat, which leads to an increase in temperature of the heating wire. The increase in temperature depends on how much of the heat is dissipated (by convection, heat conduction and heat radiation). Under given boundary conditions, it is possible to determine the thermal conductivity of the membrane in the plane (in-plane).

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auf die Membran eine Probenschicht aufgebracht werden. Die Probenschicht wird vorzugsweise auf einer anderen Seite der Membran angeordnet als der Heizdraht und die Messfeldbegrenzung. Zum Aufbringen der Probenschicht können herkömmliche Verfahrung zur Abscheidung von dünnen Schichten verwendet werden. Vorzugsweise unterschreitet das Produkt aus Wärmeleitfähigkeit und Dicke der aufgebrachten Schicht einen Wert von 2·10^–7 Watt pro Kelvin nicht. Ist auf die Membran zusätzlich eine Probenschicht aufgebracht, ist das Verfahren sensitiv auf die Komponente der Wärmeleitfähigkeit die in der gemeinsamen Ebene der Membran und der Probe liegt (in-plane).In a preferred embodiment of the method according to the invention, a sample layer can be applied to the membrane. The sample layer is preferably arranged on a different side of the membrane than the heating wire and the measuring field boundary. For applying the sample layer, conventional methods for depositing thin layers can be used. The product of thermal conductivity and thickness of the applied layer preferably does not fall below a value of ^{2.times.10.sup.-7} watts per Kelvin. If a sample layer is additionally applied to the membrane, the method is sensitive to the component of the thermal conductivity that lies in the common plane of the membrane and the sample (in-plane).

Bevorzugt kann auf die Probenschicht eine Abdeckschicht aufgebracht werden, wobei die Dicke der Abdeckschicht vorzugsweise wenigstens um den Faktor 10, weiter vorzugsweise wenigstens um den Faktor 20, weiter vorzugsweise wenigstens um den Faktor 100 größer ist als die Dicke der Membran. Die Abdeckschicht kann ebenfalls über herkömmliche Verfahren zur Abscheidung von dünnen Schichten aufgebracht werden. Es ist aber auch möglich, die Abdeckschicht aufzusprühen. Die Abdeckschicht dient als Wärmesenke und bewirkt eine Richtungsänderung des Wärmestroms in der Membran und/oder Probe. Der Wärmestrom wird nun in Richtung der Abdeckschicht abgelenkt und die Messung der Wärmeleitfähigkeit ist sensitiv auf die Komponente der Wärmeleitfähigkeit, die senkrecht zu der gemeinsamen Ebene von Membran und Probe ausgerichtet ist (out-of-plane).A covering layer may preferably be applied to the sample layer, wherein the thickness of the covering layer is preferably at least a factor of 10, more preferably at least a factor of 20, more preferably at least 100 times greater than the thickness of the membrane. The cover layer may also be applied by conventional thin film deposition techniques. But it is also possible to spray on the cover layer. The cover layer serves as a heat sink and causes a change in direction of the heat flow in the membrane and / or sample. The heat flow is now deflected in the direction of the cover layer and the measurement of the thermal conductivity is sensitive to the component of the thermal conductivity, which is aligned perpendicular to the common plane of the membrane and sample (out-of-plane).

Aus Gründen der einfachen Handhabung kann es vorteilhaft sein, dass die Abdeckschicht aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht, insbesondere aus Graphit. Bevorzugt kann das Graphit aus einer Spraydose direkt auf den Messchip aufgesprüht werden.For reasons of simple handling, it may be advantageous for the covering layer to consist of a material with high thermal conductivity, in particular of graphite. Preferably, the graphite can be sprayed from a spray can directly on the measuring chip.

Das Verfahren kann mit weiteren Merkmalen fortgebildet werden, die im Zusammenhang des erfindungsgemäßen Messchips beschrieben sind. Der Messchip kann mit weiteren Merkmalen fortgebildet werden, die im Zusammenhang des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben sind.The method can be developed with further features which are described in the context of the measuring chip according to the invention. The measuring chip can be further developed with further features which are described in connection with the method according to the invention.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand vorteilhafter Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings, given by way of advantageous embodiments. Show it:

1: eine schematische Darstellung einer Vorderseite eines Teils eines erfindungsgemäßen Messchips; 1 a schematic representation of a front side of a part of a measuring chip according to the invention;

2: eine schematische Darstellung einer Rückseite des Messchips aus 1 ohne Proben; 2 : a schematic representation of a back of the measuring chip 1 without samples;

3: eine vergrößerte Schnittdarstellung von Teilen des erfindungsgemäßen Messchips aus 1 mit einer Probe; 3 : An enlarged sectional view of parts of the measuring chip according to the invention 1 with a sample;

4: eine vergrößerte Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messchips mit einem zweiten Messfeld; 4 FIG. 4: an enlarged sectional view of a second embodiment of a measuring chip according to the invention with a second measuring field; FIG.

5: eine vergrößerte Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messchips mit zwei Messfeldern und einer Abdeckschicht; 5 : An enlarged sectional view of a third embodiment of a measuring chip according to the invention with two measuring fields and a covering layer;

6: eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen einer Wärmeleitfähigkeit einer dünnen Schicht; 6 a schematic view of a method according to the invention for determining a thermal conductivity of a thin layer;

7: eine schematische Darstellung der Vorderseite eines erfindungsgemäßen Messchips zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit, elektrischen Leitfähigkeit und Seebeck-Koeffizient einer Probe; 7 a schematic representation of the front side of a measuring chip according to the invention for determining the thermal conductivity, electrical conductivity and Seebeck coefficient of a sample;

8: eine schematische Darstellung der Rückseite des Messchips aus 8; 8th : a schematic representation of the back of the measuring chip 8th ;

9: eine vergrößerte Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Messchips in einer alternativen Ausführungsform. 9 : An enlarged sectional view of a measuring chip according to the invention in an alternative embodiment.

Ein erfindungsgemäßer Messchip ist in 1 von oben und in 2 von unten gezeigt. Der Messchip umfasst ein Substrat 14 mit einer Aussparung 15. Auf eine Oberseite des Substrats 14 ist eine Membran 16 aus elektrisch isolierendem Material so aufgebracht, dass die Membran 16 die Aussparung 15 vollständig überdeckt. Auf der Membran 16 ist ein Heizdraht 17 so aufgebracht, dass er die Aussparung 15 überlagert. Ferner ist eine Messfeldbegrenzung 18, 19 vorgesehen, welche aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zur Wärmeleitfähigkeit der Membran 16 besteht, zum Beispiel Gold oder Platin und welche auf die Membran 16 aufgebracht ist. Ein Teil 18 der Messfeldbegrenzung erstreckt sich elektrisch isoliert entlang der beiden Seiten des Heizdrahts 17 während sich ein weiterer Teil der Messfeldbegrenzung 19 elektrisch verbunden mit dem Heizdraht entlang der Stirnseiten des Heizdrahts 17 erstreckt.An inventive measuring chip is in 1 from above and in 2 shown from below. The measuring chip comprises a substrate 14 with a recess 15 , On top of the substrate 14 is a membrane 16 made of electrically insulating material so applied that the membrane 16 the recess 15 completely covered. On the membrane 16 is a heating wire 17 so upset that he has the recess 15 superimposed. Furthermore, a measuring field limitation 18 . 19 provided, which of a material with high thermal conductivity compared to the thermal conductivity of the membrane 16 consists of, for example, gold or platinum and which on the membrane 16 is applied. A part 18 the measuring field boundary extends electrically insulated along the two sides of the heating wire 17 while another part of the measuring field boundary 19 electrically connected to the heating wire along the end faces of the heating wire 17 extends.

2 zeigt das Substrat mit der freitragenden Membran 16, die die Aussparung 15 vollständig überdeckt. 2 shows the substrate with the cantilever membrane 16 that the recess 15 completely covered.

Aus der Schnittdarstellung in 3 des erfindungsgemäßen Messchips aus 1 ist ersichtlich, dass die Messfeldbegrenzung 18 die Aussparung 15 in dieser Ausführungsform zu beiden Seiten des Heizdrahts 17 teilweise überdeckt. Entlang der innerhalb der Aussparung 15 liegenden Ränder der Messfeldbegrenzung 18 lässt sich eine innerhalb der Aussparung 15 liegende Umfangslinie des Messfeldes konstruieren. Das so definierte Messfeld ist demzufolge immer kleiner als die Fläche, die durch die Aussparung an der Unterseite der Membran 16 definiert ist. 3 zeigt außerdem eine Probe 20 in Form einer dünnen Schicht, die an einer Unterseite der Membran 16 im Bereich der Aussparung 15 aufgebracht ist.From the sectional view in 3 of the measuring chip according to the invention 1 it can be seen that the measuring field limitation 18 the recess 15 in this embodiment on both sides of the heating wire 17 partially covered. Along the inside of the recess 15 lying edges of the measuring field boundary 18 one can be inside the recess 15 Construct the circumferential line of the measurement field. The measuring field thus defined is therefore always smaller than the area that passes through the recess at the bottom of the membrane 16 is defined. 3 also shows a sample 20 in the form of a thin layer attached to a bottom of the membrane 16 in the area of the recess 15 is applied.

In 4 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messchips mit einem zweiten Messfeld gezeigt. Neben der ersten Ausnehmung 15 im Substrat 14 ist eine zweite Ausnehmung 25 im Substrat 14 vorgesehen, wobei die Aussparungen 15, 25 unterschiedlich breit sind. Innerhalb jeder Aussparung 15, 25 ist eine Probenschicht 20 auf die freitragende Membran 16 aufgebracht. Auf der gegenüberliegenden Seite der Membran 16 ist jeweils ein Heizdraht 17, 27 überlagernd zu der Aussparung 15, 25 aufgebracht. Die Heizdrähte 17, 27 haben in dieser Ausführungsform einen identischen Querschnitt und eine identische Länge, wie es in 8 gezeigt ist. Die gezeigte Messfeldbegrenzung 18 ist auf beiden Seiten des Heizdrahts 17 jeweils im gleichen Abstand zum Heizdraht 17 und teilweise überdeckend zur Aussparung 15 angeordnet und erstreckt sich nahezu über die gesamte Länge des Heizdrahts 17, wie es in 1 gezeigt ist. In dieser Ausführungsform erstreckt sich die innerhalb der Aussparung 15 liegende Umfangslinie des Messfelds über mehr als 90% von einem Rand der Messfeldbegrenzung 18, 19, da die beiden Kontaktbereiche 19 ebenfalls teilweise überdeckend zur Aussparung 15 angeordnet sind. Gleiches gilt für Messfeldbegrenzung 28 im Hinblick auf Heizdraht 27, der Abstand zwischen Heizdraht 27 und Messfeldbegrenzung 28 ist jedoch nicht identisch. Die Messfelder in dieser Ausgestaltung sind unterschiedlich groß. Dadurch ist es möglich mit einer einmal auf dem Messchip aufgebrachten Probenschicht 20 in beiden Messfeldern die gleiche Messung in unterschiedlich großen Messfeldern durchzuführen. Dadurch kann neben der Wärmeleitfähigkeit der Probenschicht 20 auch die Emissivität des Heizdrahts 17, 27 experimentell bestimmt werden.In 4 a second embodiment of the measuring chip according to the invention with a second measuring field is shown. Next to the first recess 15 in the substrate 14 is a second recess 25 in the substrate 14 provided, with the recesses 15 . 25 are different widths. Inside each recess 15 . 25 is a sample layer 20 on the self-supporting membrane 16 applied. On the opposite side of the membrane 16 is each a heating wire 17 . 27 overlapping to the recess 15 . 25 applied. The heating wires 17 . 27 have in this embodiment an identical cross section and an identical length, as in 8th is shown. The measuring field limitation shown 18 is on both sides of the heating wire 17 each at the same distance to the heating wire 17 and partially overlapping the recess 15 arranged and extends almost over the entire length of the heating wire 17 as it is in 1 is shown. In this embodiment, it extends within the recess 15 lying peripheral line of the measuring field over more than 90% of an edge of the measuring field boundary 18 . 19 because the two contact areas 19 also partially overlapping to the recess 15 are arranged. The same applies to the measuring field limitation 28 with regard to heating wire 27 , the distance between heating wire 27 and measuring field limitation 28 is not identical. The measuring fields in this embodiment are of different sizes. This makes it possible with a once applied to the measuring chip sample layer 20 perform the same measurement in different measuring fields in both measuring fields. As a result, in addition to the thermal conductivity of the sample layer 20 also the emissivity of the heating wire 17 . 27 be determined experimentally.

5 zeigt eine weitere Ausführungsform des Messchips, bei dem auf die Probenschicht 20 eine Abdeckschicht 30 aufgebracht wurde. Die Darstellung ist, wie alle anderen Darstellungen auch, nicht maßstabsgetreu und soll lediglich andeuten, dass die Abdeckschicht 30 um mindestens einen Faktor 10 größer ist als die Dicke der Membran 16. Die Abdeckschicht 30 wurde mit einem Graphitspray aufgetragen. Der Messchip mit Abdeckschicht 30 ermöglicht eine Bestimmung der out-of-plane Komponente der Wärmeleitfähigkeit einer dünnen Schicht, wie es im Zusammenhang des erfindungsgemäßen Verfahrens erklärt ist. 5 shows a further embodiment of the measuring chip, wherein the sample layer 20 a cover layer 30 was applied. The representation is, like all other representations, not true to scale and is merely to indicate that the cover layer 30 by at least a factor of 10 greater than the thickness of the membrane 16 , The cover layer 30 was applied with a graphite spray. The measuring chip with covering layer 30 allows a determination of the out-of-plane component of the thermal conductivity of a thin layer, as explained in the context of the method according to the invention.

Außerdem zeigt 5 eine alternative Ausführungsform der Messfeldbegrenzung 18, 19. Ein Teil der Messfeldbegrenzung 18 überschneidet sich mit Messfeldbegrenzung 28 und ist so angeordnet, dass dieser Teil der Messfeldbegrenzung 18 beide Aussparungen 15, 25 teilweise überdeckt.Also shows 5 an alternative embodiment of the measuring field limitation 18 . 19 , Part of the measuring field limitation 18 overlaps with measuring field limitation 28 and is arranged so that this part of the measuring field boundary 18 both recesses 15 . 25 partially covered.

6 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen der Wärmeleitfähigkeit einer dünnen Schicht. Dabei wird über die beiden Kontaktbereiche 19 eine Heizleistung 35, beispielsweise über einen konstanter Strom, über dem Heizdraht 17 eingespeist, sodass sich der Heizdraht 17 erwärmt. Gleichzeitig wird ebenfalls zwischen den beiden Kontaktbereichen 19 eine mittlere Temperaturerhöhung 36 über dem Heizdraht 17 gemessen, beispielsweise über eine Widerstandsmessung des Heizdrahts 17. Aus der Temperaturänderung 36 in Kenntnis der eingespeisten Leistung 35 und der Größe des Messfelds lässt sich die Wärmeleitfähigkeit einer Probenschicht 20 bestimmen. Die Aussparung 15 ist in dieser Ansicht nicht zu erkennen. Die Anordnung der erfindungsgemäßen Messfeldbegrenzung 18 ist identisch zu der in 1 dargestellten Messfeldbegrenzung 18 und ist teilweise überdeckend zu der Aussparung 15 angeordnet. 6 schematically shows the inventive method for determining the thermal conductivity of a thin layer. It is about the two contact areas 19 a heating power 35 , for example, via a constant current, over the heating wire 17 fed, so that the heating wire 17 heated. At the same time also becomes between the two contact areas 19 a medium temperature increase 36 over the heating wire 17 measured, for example via a resistance measurement of the heating wire 17 , From the temperature change 36 in knowledge of the input power 35 and the size of the measuring field allows the thermal conductivity of a sample layer 20 determine. The recess 15 is not visible in this view. The arrangement of the measuring field limitation according to the invention 18 is identical to the one in 1 shown measuring field limitation 18 and is partially overlapping to the recess 15 arranged.

7 und 8 zeigen eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messchips, wobei neben den beiden Messfeldern für die Wärmeleitfähigkeitsmessung ein drittes Messfeld für eine Probenschicht 20 vorgesehen ist. In dieser Ausführungsform wurde eine Probenschicht 20 bereits auf allen Messfeldern gleichzeitig während eines einzigen Abscheidevorgangs aufgebracht. Auf dem dritten Messfeld ist die Probeschicht 20 direkt auf der Membran 16 aufgebracht ohne dass eine Aussparung 15 des Substrats 14 vorgesehen ist. Es ist eine Messeinrichtung vorgesehen, die dazu ausgelegt ist, eine elektrische Leitfähigkeit 40 und/oder einen Seebeck-Koeffizienten 41 der Probenschicht 20 zu bestimmen. 7 and 8th show a further embodiment of the measuring chip according to the invention, wherein in addition to the two measuring fields for the thermal conductivity measurement, a third measuring field for a sample layer 20 is provided. In this embodiment, a sample layer 20 already applied to all fields simultaneously during a single deposition process. On the third measuring field is the sample coating 20 directly on the membrane 16 applied without a recess 15 of the substrate 14 is provided. There is provided a measuring device which is designed to have an electrical conductivity 40 and / or a Seebeck coefficient 41 the sample layer 20 to determine.

In 8 ist darüber hinaus gezeigt, dass bei einer parallelen Wärmeleitfähigkeitsmessung in zwei Messfeldern, die Heizdrähte 17 und 27 in Reihe geschaltet werden, um bei gleichen Abmessungen der Heizdrähte 17, 27 eine identisch eingespeiste Heizleistung 35 zu erhalten. Bei identischen Probenschichten 20 ist eine mittlere Temperaturerhöhung 36 des Heizdrahts 17 dann unterschiedlich zu einer mittleren Temperaturerhöhung des Heizdrahts 27 aufgrund der unterschiedlichen Größe der Messfelder.In 8th In addition, it is shown that in a parallel thermal conductivity measurement in two measuring fields, the heating wires 17 and 27 be connected in series to the same dimensions of the heating wires 17 . 27 an identical heat input 35 to obtain. For identical sample layers 20 is a medium temperature increase 36 of the heating wire 17 then different to a mean temperature increase of the heating wire 27 due to the different size of the measuring fields.

Eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messchips ist in 9 gezeigt. Auf dem Heizdraht 17 und der Messfeldbegrenzung 18 ist eine zusätzliche Isolierschicht 22 aufgebracht, so dass die Isolierschicht 22 den Heizdraht 17 und die Messfeldbegrenzung 18, 19 abdeckt. Wie es in 9 gezeigt ist, erstreckt sich die Isolierschicht 22 auch seitlich vom Heizdraht 17 und der Messfeldbegrenzung 18 um die elektrische Isolation zu einer Probenschicht 22, die im Bereich der Aussparung 15 auf der vom Substrat 14 abgewandten Seite der Membran 16 aufgebracht ist, sicherzustellen. Die Isolierschicht 22 besteht aus elektrisch isolierendem Material, zum Beispiel aus einem Fotolack. Eine Probenschicht 20, die großflächig auf dem Messchip aufgebracht wird, ist dann nicht in direktem Kontakt mit dem Heizdraht 17 oder der Messfeldbegrenzung 18, 19. Auch in dieser Ausführungsform ist das Messfeld zumindest teilweise durch eine die Aussparung 15 überdeckende Messfeldbegrenzung 18, 19 definiert.An alternative embodiment of the measuring chip according to the invention is shown in FIG 9 shown. On the heating wire 17 and the measuring field boundary 18 is an additional insulating layer 22 applied, leaving the insulating layer 22 the heating wire 17 and the measuring field limit 18 . 19 covers. As it is in 9 is shown, the insulating layer extends 22 also on the side of the heating wire 17 and the measuring field boundary 18 to the electrical insulation to a sample layer 22 that are in the area of the recess 15 on the from the substrate 14 opposite side of the membrane 16 is applied, ensure. The insulating layer 22 consists of electrically insulating material, for example a photoresist. A sample layer 20 , which is applied over a large area on the measuring chip, then is not in direct contact with the heating wire 17 or the measuring field boundary 18 . 19 , Also in this embodiment, the measuring field is at least partially through a recess 15 overlapping measuring field boundary 18 . 19 Are defined.

Es ist vorgesehen den erfindungsgemäßen Messchip in einer Maschine (nicht gezeigt) so anzuordnen, dass die Kontaktflächen 19 des Messchips und der Maschine elektrisch miteinander verbunden sind. Die Verbindung kann beispielsweise über Federkontaktstifte oder Bonddrähte hergestellt werden. Eine Messung der Wärmeleitfähigkeit kann innerhalb der Maschine in einem Vakuum stattfinden um Konvektion als Wärmeübertragung auszuschließen. Außerdem ist der Chip thermisch mit der Maschine gekoppelt, um etwa einen Temperaturgradienten über der Probe zu erzeugen. Weiterhin können als Parameter die Temperatur und das Magnetfeld von der Maschine eingestellt werden.It is envisaged to arrange the measuring chip according to the invention in a machine (not shown) so that the contact surfaces 19 of the measuring chip and the machine are electrically connected to each other. The connection can be made for example via spring contact pins or bonding wires. A measurement of the thermal conductivity can take place within the machine in a vacuum to exclude convection as heat transfer. In addition, the chip is thermally coupled to the machine to produce, for example, a temperature gradient across the sample. Furthermore, the temperature and the magnetic field can be set by the machine as parameters.

Claims (16)

Messchip zum Bestimmen der Wärmeleitfähigkeit einer dünnen Schicht, umfassend ein Substrat (14) mit einer Aussparung (15), eine Membran (16) aus elektrisch isolierendem Material, welche die Aussparung (15) überdeckend auf das Substrat (14) aufgebracht ist, und einen auf die Membran (16) aufgebrachten Heizdraht, der die Aussparung (15) überlagert, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Membran (16) eine die Aussparung (15) teilweise überdeckende Messfeldbegrenzung (18, 19) angeordnet ist.Measuring chip for determining the thermal conductivity of a thin layer, comprising a substrate ( 14 ) with a recess ( 15 ), a membrane ( 16 ) made of electrically insulating material, which the recess ( 15 ) covering on the substrate ( 14 ) and one on the membrane ( 16 ) applied heating wire, the recess ( 15 superposed, characterized in that on the membrane ( 16 ) one the recess ( 15 ) partially covering the measuring field boundary ( 18 . 19 ) is arranged. Messchip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfeldbegrenzung (18, 19) wenigstens einen, vorzugsweise zwei von dem Heizdraht (17) elektrisch isolierte Abschnitte (18) umfasst.Measuring chip according to claim 1, characterized in that the measuring field limitation ( 18 . 19 ) at least one, preferably two of the heating wire ( 17 ) electrically isolated sections ( 18 ). Messchip nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizdraht (17) sich zwischen den elektrisch isolierten Abschnitten (18) erstreckt.Measuring chip according to claim 2, characterized in that the heating wire ( 17 ) between the electrically isolated sections ( 18 ). Messchip nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfeldbegrenzung (18, 19) wenigstens einen, vorzugsweise zwei mit dem Heizdraht (17) elektrisch verbundene Kontaktbereiche (19) umfasst.Measuring chip according to claim 1 or 2, characterized in that the measuring field boundary ( 18 . 19 ) at least one, preferably two with the heating wire ( 17 ) electrically connected contact areas ( 19 ). Messchip nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizdraht (17) und die Messfeldbegrenzung (18, 19) auf einer Seite der Membran (16) angeordnet sind.Measuring chip according to one of claims 1 to 4, characterized in that the heating wire ( 17 ) and the measuring field limitation ( 18 . 19 ) on one side of the membrane ( 16 ) are arranged. Messchip nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine innerhalb der Aussparung (15) liegende Umfangslinie des Messfelds über wenigstens 70%, vorzugsweise wenigstens 80%, weiter vorzugsweise wenigstens 90% von einem Rand der Messfeldbegrenzung (18, 19) gebildet wird. Measuring chip according to one of claims 1 to 5, characterized in that one inside the recess ( 15 ) lying peripheral line of the measuring field over at least 70%, preferably at least 80%, more preferably at least 90% of an edge of the measuring field boundary ( 18 . 19 ) is formed. Messchip nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfeldbegrenzung (18, 19) aus Gold und/oder Platin besteht.Measuring chip according to one of claims 1 to 6, characterized in that the measuring field limitation ( 18 . 19 ) consists of gold and / or platinum. Messchip nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Isolierschicht (22) auf den Heizdraht (17) und die Messfeldbegrenzung (18, 19) abdeckend aufgebracht ist.Measuring chip according to any one of claims 1 to 7, characterized in that an insulating layer ( 22 ) on the heating wire ( 17 ) and the measuring field limitation ( 18 . 19 ) is applied covering. Messchip nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch ein erstes Messfeld mit einer ersten Messfeldbegrenzung (18, 19) und ein zweites Messfeld mit einer zweiten Messfeldbegrenzung (28), wobei die Fläche des ersten Messfelds kleiner ist als die Fläche des zweiten Messfelds.Measuring chip according to one of Claims 1 to 8, characterized by a first measuring field with a first measuring field limitation ( 18 . 19 ) and a second measuring field with a second measuring field boundary ( 28 ), wherein the area of the first measuring field is smaller than the area of the second measuring field. Messchip nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein das erste Messfeld überlagernder Heizdraht (17) und ein das zweite Messfeld überlagernder Heizdraht (27) die gleiche Länge haben.Measuring chip according to claim 9, characterized in that a heating wire superimposed on the first measuring field ( 17 ) and a heating wire (FIG. 2) superposing the second measuring field ( 27 ) have the same length. Messchip nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Messeinrichtung, die dazu ausgelegt ist, eine Wärmeleitfähigkeit einer im Bereich der Aussparung (15) auf die Membran (16) aufgebrachten Probenschicht (20) zu ermitteln.Measuring chip according to one of Claims 1 to 10, characterized by a measuring device which is designed to have a thermal conductivity in the region of the recess ( 15 ) on the membrane ( 16 ) applied sample layer ( 20 ) to investigate. Messchip nach einem der Ansprüche 1 bis 11 gekennzeichnet durch eine Messeinrichtung, die dazu ausgelegt ist, eine elektrische Leitfähigkeit (40) und/oder einen Seebeck-Koeffizienten (41) einer in einem dritten Messfeld aufgebrachten Probenschicht (20) zu ermitteln. Messchip according to one of claims 1 to 11 characterized by a measuring device which is adapted to an electrical conductivity ( 40 ) and / or a Seebeck coefficient ( 41 ) of a sample layer applied in a third measuring field ( 20 ) to investigate. Verfahren zum Ermitteln der Wärmeleitfähigkeit einer dünnen Schicht, wobei über einen auf einer Membran (16) aufgebrachten Heizdraht (17) eine Heizleistung (35) eingespeist wird und ein Temperaturanstieg (36) des Heizdrahts (17) gemessen wird, wobei der Heizdraht (17) auf der Membran (16) innerhalb einer Messfeldbegrenzung (18, 19) angeordnet ist, welche teilweise überdeckend zu einer Aussparung (15) eines die Membran (16) tragenden Substrats angeordnet ist.Method for determining the thermal conductivity of a thin layer, with one on a membrane ( 16 ) applied heating wire ( 17 ) a heating power ( 35 ) and a temperature rise ( 36 ) of the heating wire ( 17 ), the heating wire ( 17 ) on the membrane ( 16 ) within a measuring field boundary ( 18 . 19 ) is arranged, which partially overlapping to a recess ( 15 ) one of the membrane ( 16 ) supporting substrate is arranged. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Membran (16) eine Probenschicht (20) aufgebracht wird.A method according to claim 13, characterized in that (on the membrane 16 ) a sample layer ( 20 ) is applied. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Probenschicht (20) eine Abdeckschicht (30) aufgebracht wird, wobei die Dicke der Abdeckschicht (30) wenigstens um den Faktor 10, vorzugsweise um den Faktor 20, weiter vorzugsweise um den Faktor 100 größer ist als die Dicke der Membran (16).Method according to one of claims 13 or 14, characterized in that on the sample layer ( 20 ) a cover layer ( 30 ) is applied, wherein the thickness of the cover layer ( 30 ) is at least a factor of 10, preferably by a factor of 20, more preferably by a factor of 100 greater than the thickness of the membrane ( 16 ). Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckschicht (30) aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, insbesondere aus Graphit, besteht.Method according to claim 15, characterized in that the covering layer ( 30 ) consists of a material with high thermal conductivity, in particular of graphite.

Images