專利名稱:形成鉑電組溫度計(jì)的方法
本發(fā)明是關(guān)于形成一種易于成批生產(chǎn)，并具有所需特性的電阻溫度計(jì)的方法。
金屬鉑薄膜電阻溫度計(jì)正被人們所肯定，但尚存在這樣的問題，這就是如何獲得所需的溫度計(jì)電阻溫度系數(shù)，以及如何將鉑電阻元件制作成幾乎完全連續(xù)的條狀或帶狀并列排列的盤旋圖形，以便得到所需的標(biāo)準(zhǔn)電阻，比如100歐姆。制造一個(gè)具有所需的小型總體尺寸的溫度計(jì)是困難的。該溫度計(jì)的物理尺寸必須被精確地確定以便使每一條或帶段可以相互緊密地排放，鉑條或鉑帶應(yīng)是從這一邊緣到那一邊緣，都具有均勻晶粒，并且還具有抗玷污能力，以便使溫度計(jì)有最高的電阻率。
生產(chǎn)電阻溫度計(jì)元件的方法，已在1982年10月20日公布的英國專利申請(qǐng)2，096，645上闡述過，它公開了在選定的氣氛條件下，采用磁控管濺射的方法。淀積出的溫度計(jì)條用激光調(diào)整或刻槽的方法來確定電阻條的尺寸，公布的這個(gè)專利，強(qiáng)調(diào)了控制氣氛對(duì)于獲得滿意的溫度計(jì)性能的重要性。
1978年2月7日頒發(fā)給迪爾等人(Diehl et al)的美國專利№4.072.593，描述了一種使電阻溫度計(jì)的電阻元件尺寸減小的方法。使用工業(yè)上用的高頻濺射裝置，在一絕緣固體上濺射一層鉑層，并采用激光束使之形成迴折形的線路，以便獲得標(biāo)準(zhǔn)100歐姆電阻。該專利描述了將鉑濺射到襯底上的方法，但沒有提出要使用由隔離刻蝕介質(zhì)確定的通路來獲得電阻溫度計(jì)。溫度計(jì)通過激光(或光刻)形成所需的圖形后，再進(jìn)行回火或熱處理。
1981年1月頒發(fā)給劉(Liu)的美國專利№4，181，755，描述了一種用自掩蔽技術(shù)形成薄膜圖形的工藝。該工藝內(nèi)容為在襯底表面上淀積一層連續(xù)線路薄膜層，然后在線路薄膜表面確定一個(gè)與最終期望的薄膜線路一致的光致抗蝕劑圖形。那么沒有被光致抗蝕劑覆蓋的線路薄膜部分隨后被去掉，在保留下光致抗蝕劑與薄膜線路的同時(shí)，用一層保護(hù)膜涂敷在整個(gè)襯底表面上。再除去薄膜線路表面的光致抗蝕劑，使覆蓋在薄膜線路上的保護(hù)膜也因之被剝離掉，從而使薄膜線路顯露出來。這時(shí)，薄膜線路圖形被保護(hù)膜所包圍，這種器件用來制造肖特基勢(shì)壘二極管。在本專利的例子中，保護(hù)膜要從預(yù)先淀積的導(dǎo)體上除去，本發(fā)明提出在一種惰性刻蝕介質(zhì)上確定制作鉑電阻通路，將鉑材料淀積到通路上，然后將刻蝕介質(zhì)從溫度計(jì)上腐蝕掉。
1982年10月12日頒布給賽姆斯基(symersky)的美國專利№4，353，935描述了一種含有一個(gè)導(dǎo)體圖形的器件生產(chǎn)方法，該方法采用刻蝕技術(shù)來確定至少一種導(dǎo)體。該方法需要多層掩膜，而且在最佳實(shí)施例中，掩膜層由不同物質(zhì)組成的三個(gè)內(nèi)層形成，用這種方法在掩膜上產(chǎn)生凹槽，以便提供需要的導(dǎo)電圖形，用腐蝕方法使表面部分通過掩膜層暴露出來，然后將導(dǎo)電層淀積到掩膜層和暴露面上。該專利沒有說明使用惰性材料作為形成溫度計(jì)圖形的刻蝕介質(zhì)，并且這種刻蝕材料在鉑溫度計(jì)淀積以后，將被清除掉。
1978年4月18日頒布給伯特倫等(Bertram et al)的美國專利№4，085，398，描述了一種使用銅作掩膜的薄膜電阻溫度計(jì)，銅這種掩膜材料在本專利中是不能使用的，本專利要求用惰性刻蝕材料，其它有關(guān)的先有技術(shù)包括1978年1月25日頒布給迪爾等人(Biehl et al)的美國專利№4，103，275，公開了一種為獲得電阻溫度計(jì)的電阻元件所采用的離子刻蝕法，還有1978年12月12日頒布給弗蘭克等(Frank et al)的美國專利№4，129，848，公開了一種在淀積有一層石英膜的絕緣襯底上制作鉑膜電阻元件的方法，它是用濺射的方法來刻蝕石英膜，以便在襯底表面產(chǎn)生出確定鉑溫度計(jì)圖形所需的通路。用化學(xué)腐蝕使鉑暴露出來，以便用濺射刻蝕的方法將多余的鉑膜去掉。
1977年9月20日頒布給賴克特(Reichelt)的美國專利№4，050，052，也提出了一種測(cè)量溫度用的電阻裝置，它包括一個(gè)具有鉑條的溫度計(jì)，鉑條按預(yù)先確定的圖形淀積在襯底上。并且在襯底溫度為500-900℃范圍時(shí)，淀積鉑條。該專利也提出了用熱處理的方法，但它沒有提出可獲得象本發(fā)明所述的那么尖細(xì)的通路的任何方法。
所有先有技術(shù)的方法都勢(shì)必帶來雜質(zhì)并且使鉑的邊緣處失去輪廓，這樣會(huì)影響溫度計(jì)的電阻溫度系數(shù)。例如，用激光加工勢(shì)必會(huì)引起帶狀物的邊緣熔化;光刻會(huì)產(chǎn)生雜質(zhì);離子和濺射刻蝕硅或二氧化硅時(shí)，則使得這些物質(zhì)作為雜質(zhì)附著在鉑上，并使在其邊緣處的鉑結(jié)構(gòu)受到影響或損壞，以致失去清晰度。在當(dāng)前技術(shù)中，采用掩膜方法腐蝕掉鉑膜中不需要的部分，還存在著一個(gè)問題，因?yàn)閳D形不能按所期望的精度和均勻度合理地確定，以獲得一個(gè)尺寸小間隔密的帶段。這樣的掩膜層在工藝過程完成前勢(shì)必會(huì)受損壞，而且雜質(zhì)也勢(shì)必?fù)饺脬K。
在一合適的襯底上形成一薄膜電阻溫度計(jì)，該襯底與電阻溫度計(jì)材料基本不發(fā)生反應(yīng)。電阻材料最好為鉑，鉑淀積在藍(lán)寶石一類的襯底上，并選用公知的方法提供高純度的鉑，應(yīng)使淀積出的鉑在整個(gè)溫度計(jì)帶或通路的各處都具有柱狀晶粒圖形。用刻蝕工藝將電阻溫度計(jì)材料形成具有迴折圖形的帶狀物，以便用盡量小的表面部分得到所需的電阻值。
要生產(chǎn)溫度計(jì)，需提供一個(gè)具有一般平滑表面的電絕緣襯底。清洗襯底表面，將容易腐蝕掉的材料淀積在襯底表面上形成增長層。這種材料被稱之為刻蝕介質(zhì)，它必須對(duì)鉑是基本上不起化學(xué)反應(yīng)并基本不摻入鉑內(nèi)。在刻蝕介質(zhì)里，以凹陷的通路的形式形成所需的圖形。襯底表面在所形成的凹道中暴露出來。該凹道準(zhǔn)備供濺射鉑溫度計(jì)帶用。
然后將鉑濺射到腐蝕出的通路中暴露出的襯底上，被濺上的鉑同時(shí)也覆蓋在保留的刻蝕介質(zhì)外表面上，并達(dá)到一個(gè)預(yù)定的層度。淀積鉑時(shí)最好采用已知的濺射技術(shù)，并在一種能使獲得的鉑成為具有基本均勻而純凈的柱形晶粒，能適當(dāng)粘接在襯底上的連續(xù)帶狀物的必要條件下進(jìn)行。
刻蝕材料層上制作的鉑溫度計(jì)用的通路邊緣，應(yīng)具有陡峭的緣面。通路的緣面應(yīng)基本與表面垂直，這就可在溫度計(jì)帶狀物的邊緣形成任何形式的柱形晶粒圖形。
淀積出的鉑層中，刻蝕材料通路上邊緣附近的厚度必然薄一些，這就使溫度計(jì)帶狀圖形上方與刻蝕介質(zhì)上表面之間鉑層成了薄弱環(huán)節(jié)，與淀積在通路上的作溫度計(jì)用的鉑層相比，薄弱環(huán)節(jié)處的鉑層是疏松的，能夠讓腐蝕液從部分鉑層滲透進(jìn)去，對(duì)刻蝕材料進(jìn)行腐蝕，這樣刻蝕材料就被腐蝕掉了。淀積在刻蝕材料上的和殘留在所期望的溫度計(jì)圖形以外的鉑失去支持，容易除掉。最后就只保留下所期望的迴折圖形。溫度計(jì)是一個(gè)連續(xù)的帶狀或條狀物，從它的這一邊緣到那一邊緣都具有基本均勻的晶粒結(jié)構(gòu)。在刻蝕材料上形成的通路邊緣表面基本上與襯底是垂直的，這樣，溫度計(jì)帶的截面就基本上是矩形而且界線分明的，不存在尖的或無用的橫向突出物或凸凹不平處。
采用對(duì)于鉑基本不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的刻蝕介質(zhì)和襯底，能使形成的整個(gè)帶狀長條邊緣處的純度得到保證。
所得到的鉑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，具有界線分明的柱形晶粒，這些晶粒組成一個(gè)密集而均勻的圖形。在電阻相同的條件下，與不具有柱形晶粒帶的鉑電阻溫度計(jì)相比，這樣的結(jié)構(gòu)就可使溫度計(jì)的尺寸最小。由于每一通路的邊緣沒有尖的凸凹不平或尖的橫向突出物，(刻蝕介質(zhì)使得邊緣面既平滑而又垂直于襯底)所以通路可以挨得緊密。
鉑里的雜質(zhì)和晶粒結(jié)構(gòu)中的疵點(diǎn)對(duì)鉑的電阻溫度系數(shù)有不利的影響。我們所公開的鉑帶的柱形晶粒結(jié)構(gòu)，其帶狀物截面的每個(gè)邊緣都是均勻和基本上無雜質(zhì)，從而使鉑圖形的電阻溫度系數(shù)得到了很好的控制。溫度系數(shù)能達(dá)到要求的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值一百萬分之3850的鉑電阻溫度計(jì)產(chǎn)量大大增加。而且由于結(jié)構(gòu)與雜質(zhì)受到控制，不同批產(chǎn)品之間的性能差別也大大縮小。
圖1是一個(gè)放大了的典型鉑電阻溫度計(jì)示意圖，它具有一個(gè)根據(jù)本發(fā)明，制作在一襯底上的迴折狀鉑帶圖形。
圖2A是本發(fā)明制作電阻溫度計(jì)用的典型襯底的局部縱截面放大圖。
圖2B是與圖2A對(duì)應(yīng)的截面圖，圖中有一層刻蝕介質(zhì)淀積在襯底上表面，為明顯起見，刻蝕介質(zhì)的厚度被大大夸張了。
圖2C是與圖2B對(duì)應(yīng)的截面圖，表示圖2B的下一步工藝情況。這步工藝包括淀積光致抗腐劑，然后使所需通路圖形處的光致抗腐劑曝光，顯影，留下覆蓋在刻蝕介質(zhì)上表面的條狀光致抗蝕劑圖形。
圖2D是一個(gè)與圖2C對(duì)應(yīng)的截面圖，這時(shí)，沒有光致抗腐劑保護(hù)的區(qū)域的刻蝕介質(zhì)已用化學(xué)方法腐蝕掉，以便在襯底上形成淀積鉑溫度計(jì)帶狀物用的迴折形通路。
圖2E是與圖2D中的光致抗腐蝕從留下的刻蝕介質(zhì)上除去后的截面圖，這時(shí)襯底已準(zhǔn)備好，可向確定的通路上淀積鉑溫度計(jì)材料。
圖2F是一個(gè)與圖2E相對(duì)應(yīng)的，已用濺射方法淀積了一層鉑物質(zhì)的截面圖。
圖2G是一個(gè)完成的鉑電阻溫度計(jì)截面圖，它顯示了在鉑迴折線路的截面部分，與圖2F相比，這時(shí)刻蝕介質(zhì)已腐蝕掉，淀積在刻蝕介質(zhì)表面上的鉑層也已去掉;
圖3是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明制作在襯底確定區(qū)域內(nèi)的鉑帶狀物的細(xì)節(jié)擴(kuò)大截面圖。
一個(gè)批量生產(chǎn)的鉑薄膜溫度計(jì)用圖1中的代號(hào)10來表示。鉑電阻條或帶狀物12以連續(xù)的盤旋狀或迴折狀線路的形式限定在襯底24上，線路的長度應(yīng)足以提供所需的電阻值。這樣就可采用體積小，重要輕的襯底，以便改進(jìn)溫度響應(yīng)特性。溫度計(jì)10的要求是具有工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)的電阻溫度系數(shù)(TCR)，這個(gè)數(shù)值為3850PPm(3850×10-6)。在DIN(德國標(biāo)準(zhǔn))中這個(gè)數(shù)值為43760PPm，在BS(英國標(biāo)準(zhǔn))中為1904PPm。溫度計(jì)10可以具有一個(gè)典型的電阻值100歐姆，在電阻條12兩端的一對(duì)電接觸面16，18之間測(cè)得的其它電阻值也仍然是標(biāo)準(zhǔn)的。溫度計(jì)期望具有的電阻溫度系數(shù)為3850PPm±3PPm。在帶區(qū)域中形成的帶或條狀物12，其中至少有一些區(qū)域可以修剪掉以允許在制造后將電阻值調(diào)整為給定值和滿足允許偏差。幾種電阻調(diào)節(jié)可通過在選擇的部位，常常在20A-20D內(nèi)去掉導(dǎo)電帶12獲得，用常規(guī)的方法在這些部位選擇并去掉某部分導(dǎo)電帶12來獲得所需的100歐姆或其它指定值。
在最佳實(shí)施例中，導(dǎo)電線路20A被斷開了，這就有選擇地消去了可供選擇的幾對(duì)平行導(dǎo)電線路區(qū)19中的一部分。不同的導(dǎo)電條區(qū)域19具有不同電阻值，可進(jìn)行粗調(diào)和細(xì)調(diào)，從而獲得所需的總電阻值。導(dǎo)電線路19最好與用20A-20D標(biāo)示的可調(diào)整導(dǎo)電線路段自然分開，以便使調(diào)整電阻時(shí)混入的雜質(zhì)對(duì)所需的電阻溫度系數(shù)或其它所需的電阻特性沒有影響或影響很小。更可取的是，采用激光調(diào)整進(jìn)行切割。
鉑帶12是通過如圖2A-2G所描述的工藝，將鉑按確定線路淀積而形成，其中的圖2A-2G是經(jīng)過放大的。圖2A是部分襯底的橫截面。襯底24是由絕緣材料，比如為外延純(高純)級(jí)別的藍(lán)寶石或氧化鋁制成的，它在很寬的溫度范圍和活性氣氛與環(huán)境中基本上不與鉑起化學(xué)反應(yīng)。襯底24比較薄(垂直高度)，但它具有足夠的強(qiáng)度來支撐迴折形鉑帶。而且，每個(gè)溫度計(jì)用的襯底24還須具有很小的質(zhì)量，以便有快速的溫度響應(yīng)和具有很高的耐久強(qiáng)度。
最佳的材料是具有一個(gè)拋光表面26的高純度藍(lán)寶石，鋁陶瓷或其它具有類似質(zhì)量的材料也可使用。為除去對(duì)淀積材料附著力與結(jié)構(gòu)形式有妨礙的潛在雜質(zhì)，將襯底24的表面26用硫酸/過氧化氫溶液洗凈。
洗凈襯底24的表面26后，將一層稱之為刻蝕介質(zhì)的材料28淀積在表面26上，刻蝕介質(zhì)28最好為二氧化硅這樣的材料，它與鉑基本上不起化學(xué)反應(yīng)。在最佳步驟中，用基本上純四乙基正硅酸鹽(TEOS)，或純氧及硅烷源與化學(xué)氣相淀積方法，將刻蝕材料28淀積到清潔的襯底表面26上，厚度最好為25000埃。這種化學(xué)氣相淀積過程產(chǎn)生一層基本純凈的二氧化硅層，這具有很少的在后來的淀積過程中有可能摻入鉑內(nèi)的自由硅原子。氮化硅刻蝕介質(zhì)或其它惰性刻蝕介質(zhì)也能起刻蝕介質(zhì)的作用，只要所選取的材料在鉑淀積時(shí)不與鉑或所使用的氣氛發(fā)生反應(yīng)，以及在鉑淀積過程中，不會(huì)將雜質(zhì)引入鉑中或使鉑變形即可。
如圖2C所示，接著就將一個(gè)光致抗蝕劑層30，例如KTI747R型，涂敷在刻蝕介質(zhì)層28頂上。然后最好采用負(fù)膜版使光致抗蝕劑曝光，以形成構(gòu)成線路的迴折形通路，鉑帶狀物就淀積在這些通路中，然后將光致抗蝕劑顯影，洗凈，使刻蝕介質(zhì)28按所需的鉑線路和圖形暴露出來。光致抗蝕劑的曝光和顯影最好按常規(guī)方法先用斯陶大石腦油，然后用丁基乙酸鹽樹脂清洗。這種方法不會(huì)摻入雜質(zhì)，而這些雜質(zhì)可能對(duì)下一步淀積的鉑的電阻溫度系數(shù)有不良影響。
然后，用一種氧化硅腐蝕劑腐蝕掉光致抗蝕劑所確定通路圖形中的刻蝕介質(zhì)。腐蝕時(shí)間應(yīng)足夠長以便使襯底表面26按所需鉑溫度計(jì)線路形狀暴露出來，如圖2D的部分所示。
再使用等離子抗腐帶或化學(xué)劑抗腐帶將光致抗蝕劑30從保留下來的刻蝕介質(zhì)28上清除掉，保留下的刻蝕介質(zhì)圖形是確定溫度計(jì)線路用的圖形的反圖，如圖2E所示。在這一步工藝中清除所有的光致抗蝕劑是很重要的，因?yàn)樗鼈兪怯锌赡軗饺氡坏矸e的鉑中的雜質(zhì)源。
正如所指出的，以反圖形式存在的刻蝕介質(zhì)28，最好是基本純凈的氧化硅，沒有會(huì)成為潛在的雜質(zhì)的自由硅原子。因此，小心地使用已知技術(shù)來獲得高純度的刻蝕介質(zhì)是我們所希望的。
在圖2E中，襯底表面26為通路圖形暴露出來的部分31A，31B，31C，這時(shí)已準(zhǔn)備好供淀積電阻溫度計(jì)材料鉑使用。連續(xù)的溫度計(jì)線路的邊緣面32和34被隔開來以確定所需的鉑帶寬度，而且是平滑的，但他們稍微有點(diǎn)中凹，因?yàn)檠趸锔g劑沿通路的側(cè)面腐蝕刻蝕介質(zhì)28，然而在通路邊緣與刻蝕介質(zhì)保留部分的上表面29之間線條或邊緣32A與34A(圖2E)，是尖峭的，輪廓分明的。表面32和34基本上是平的，橫截面上凹進(jìn)量僅稍有弧形。刻蝕介質(zhì)和襯底必須對(duì)于鉑不起化學(xué)反應(yīng)，而且在濺射時(shí)的環(huán)境中化學(xué)性質(zhì)與幾何尺寸都穩(wěn)定，以使刻蝕介質(zhì)28和襯底24都不能滲入鉑或與鉑發(fā)生反應(yīng)。
如圖2F所示，接著就將鉑層以所需的方式濺射淀積到襯底24在通路暴露出的表面26上，同時(shí)也越過輪廓線32A和34A濺射到保留下的刻蝕介質(zhì)28的表面29上。濺射方式可以是如ROSEMOUWT工程有限公司，1984年10月31日公開的英國專利№2096645B中所描述的，或如同1978年2月7日頒布給迪爾(Diehl)的美國專利№4，072，593中所描述的。由于淀積時(shí)小心尤為重要，所以須參考有關(guān)文獻(xiàn)，以熟悉所要求的那些技術(shù)。這些技術(shù)在下列文獻(xiàn)中都槪略介紹過美國真空學(xué)會(huì)(地址335 East 45th Strcet，New York)1981年的科目手冊(cè)以及該學(xué)會(huì)資助出版的題為“Sputter Deposition And Ion Beam Processes”(濺射淀積與離子束工藝)的簡明教程;特別值得考慮的是上述科目手冊(cè)中由John A.Thornton編寫的第Ⅵ章Coating Deposition by Sputtering(涂層的濺射淀積)和W·D Westwood編寫的書Glow Discharge Sources For Sputtering(濺射用輝光放電源)中的第四章，第33-36頁。淀積鉑時(shí)，最好在高溫條件下的活性環(huán)境中進(jìn)行，以便獲得所需的晶粒取向與純度。
在一個(gè)最佳實(shí)施例中，在圖2E所示的襯底24的表面和以反圖形式存在的刻蝕介質(zhì)28清洗干凈后，將襯底24置于Material Research CorPoration生產(chǎn)的“Sputtersphere”牌鍍膜設(shè)備中，預(yù)熱到500℃保溫10分鐘，陽極對(duì)陰極的間距定為2英吋，將機(jī)器功能調(diào)為二極管射頻濺射方式。濺射前的初始真空度為10-7毫米水銀柱高。濺射腐蝕在功率為500W下進(jìn)行10分鐘，從而清除保留在表面上的雜質(zhì)，氣氛為基本上純的氧(99.97%氧氣)絕對(duì)壓力為3.37×10-3毫米水銀柱高。然后，淀積99.99%鉑，淀積時(shí)，目標(biāo)電壓為1000V，同時(shí)襯底溫度控制在420℃左右。
濺射持續(xù)360分鐘，以產(chǎn)生一層17000埃厚的鉑層。氣氛為處于3.75×10-3毫米水銀柱高絕對(duì)壓力下的活性氣體，它基本上為純氧(99.99%氧氣)。襯底在濺射過程中，持續(xù)長時(shí)間的高溫，在此期間襯底被置于活性環(huán)境中，要能使襯底24和刻蝕介質(zhì)28即對(duì)鉑基本不起化學(xué)反應(yīng)，又能保持幾何尺寸穩(wěn)定，以便達(dá)到所需的邊緣形狀與線寬，這是非常重要的。
先有技術(shù)中的刻蝕介質(zhì)，例如光致抗蝕劑易于分解和喪失結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，所以在這樣的環(huán)境中，通路邊緣表面將發(fā)生變形。分解使大量雜質(zhì)摻入鉑線路圖形中，而且由于邊緣表面的頂部將變圓滑，使得通路形狀不能保持一定，在某些不規(guī)則的處所或許還可能出現(xiàn)侵蝕現(xiàn)象，這樣，鉑線條的形狀就不能很好地維持恒定。光致抗蝕劑和先有技術(shù)中的刻蝕介質(zhì)也易于滲入鉑內(nèi)。由于較好的含有二氧化硅的刻蝕介質(zhì)不會(huì)在鉑的濺射環(huán)境中發(fā)生反應(yīng)或大量滲入，表面32和34將能保持其形狀，邊緣32A和34A也將能保持其尖峭的邊線，所以鉑線路能保持為由二氧化硅構(gòu)成的反圖所確定的形狀。
上述參數(shù)和設(shè)定值的最佳值和允許范圍列于下表
表1最佳值 允許范圍襯底預(yù)熱溫度 500℃ 200-500℃陽極到陰極間距 2″ 1-3″內(nèi)部初始真空度 1×10-7毫米水銀柱高 ≤1×10-6毫米水銀柱高濺射腐蝕功率 500瓦 100-1000瓦時(shí)間 10分鐘 1-100分鐘氧氣壓力 3.75×10-31×10-3-10×10-3毫米水銀柱高 毫米水銀柱高濺射淀積靶電壓 1000伏 750-1500伏襯底溫度 420℃ 350-500℃時(shí)間 360分鐘 300-600分鐘目標(biāo)鉑層厚度 17000埃 14000-30000埃氧氣壓力 3.75×10-31×10-3-10×10-3毫米水銀柱高 毫米水銀柱高有一、二個(gè)參數(shù)變化±10%是允許的，只要其它參數(shù)保持不變，或者雖有變化，但并不會(huì)使溫度計(jì)總質(zhì)量降低即可。
鉑濺射最好在低速度下進(jìn)行，這樣，濺射時(shí)間就足夠長，以致于它不是一個(gè)決定因素而不需精確計(jì)時(shí)。換句話說，這樣一來濺射時(shí)間就能有足夠高的控制精度，以保證一批一批產(chǎn)品的性能有很好的重復(fù)性。因此，鉑的厚度可以精確控制。精確的厚度對(duì)于獲得所需的電阻溫度系數(shù)并非關(guān)鍵。除此以外，還可以看到，鉑的淀積步驟是容易控制在所需的鉑層厚度所要求的限制之內(nèi)。因此，即使不過分精確地控制時(shí)間，生產(chǎn)過程的重復(fù)性也是很容易獲得的。淀積出的鉑，正如下面將描述的那樣，在帶的長、寬、厚上都是柱形晶粒形式，因此，成批量生產(chǎn)時(shí)也可得到所需的電阻溫度系數(shù)。
本方法的一個(gè)重要特性是它對(duì)工藝過程的變化不敏感。當(dāng)將刻蝕介質(zhì)腐蝕掉形成鉑線路圖形時(shí)，表面32和34的過分凹蝕是一個(gè)令人關(guān)心的問題，但凹蝕用已知的一般腐蝕工藝是容易檢測(cè)和控制的。剝除用于在刻蝕介質(zhì)中形成鉑條圖形的光致抗蝕劑時(shí)，殘留的剝除材料對(duì)刻蝕介質(zhì)或襯底并無有害影響，所以即使剝除的持續(xù)時(shí)間很長，也未發(fā)現(xiàn)不良后果。如果在工藝過程中，腐蝕最后的刻蝕介質(zhì)時(shí)的條件發(fā)生意外變化，這種變化也不容易使襯底報(bào)廢，因?yàn)楦g對(duì)溶液濃度或計(jì)時(shí)的要求并不嚴(yán)格。腐蝕步驟的持續(xù)時(shí)間必須足夠長，以便去掉有可能造成缺陷的那些材料。
與鉑貼近的材料，在高溫下的活性環(huán)境或氣氛中不與鉑發(fā)生反應(yīng)，這一點(diǎn)很重要，這樣，有害雜質(zhì)就不會(huì)引入鉑內(nèi)。
淀積的鉑層厚度約為17000埃，它不象刻蝕介質(zhì)28的厚度(垂直高度)那樣厚(約25000埃)，因此，如圖2F所示，在淀積完鉑之后，帶狀或條狀電阻溫度計(jì)12的厚度或高度不等于確定溫度計(jì)線路形狀的邊緣表面32和34的整個(gè)高度。由于邊緣32A和34A在淀積進(jìn)行時(shí)，沒有被磨圓，所以鉑層的薄弱環(huán)節(jié)，即上下鉑層的互連部分36和38是沿著邊緣表面32和34形成;這部分薄的疏松鉑層的寬度，為刻蝕介質(zhì)層28的厚度與17000埃之差，17000埃在這里是淀積出的鉑條的高度和厚度。薄弱環(huán)節(jié)36和38形成薄而多孔的鉑帶，其寬約為8000埃，沿整個(gè)線路與邊緣32A和34A相鄰接。
如果需要，淀積在每一通路上的鉑溫度計(jì)帶的厚度可保持為14000埃-30000埃范圍內(nèi)，前提是刻蝕介質(zhì)28的厚度也相應(yīng)變化，使它的厚度總是厚于所需鉑帶的厚度?？涛g介質(zhì)28的厚度最好至少為所需鉑的厚度(表面26上的高)的1.3-1.5倍。
薄的鉑帶段36和38通常是足夠疏松的，這樣液態(tài)腐蝕劑就能滲透到薄帶層區(qū)域中去。然后用一種對(duì)鉑和襯底幾乎沒有影響的腐蝕劑，例如氫氟酸，來腐蝕掉刻蝕介質(zhì)的保留部分。由于腐蝕劑對(duì)鉑和襯底幾乎無影響，所以腐蝕最后刻蝕介質(zhì)時(shí)的腐蝕時(shí)間和溫度要求不嚴(yán)格，而且對(duì)于從一塊襯底生產(chǎn)出的合格溫度計(jì)的產(chǎn)量也無影響，即最終腐蝕劑在時(shí)間和溫度上的正常變化將不會(huì)造成廢品率增加。在所有刻蝕介質(zhì)腐蝕掉以后，用編號(hào)40表示的，位于刻蝕介質(zhì)頂部的那部分鉑層，將會(huì)在薄弱帶段36和38處與鉑溫度計(jì)帶或條12的上緣機(jī)械地分離。這項(xiàng)任務(wù)可以通過除去40部分來完成或用適當(dāng)?shù)难心チ涎心ャK層，以破除40部分的鉑帶。溫度計(jì)條或帶12緊密地粘接在襯底表面，所以它不會(huì)脫落。薄的鉑帶36和38也被磨掉使得鉑帶12上不存在任何薄的或不規(guī)則的邊緣部分。而這樣在實(shí)際中勢(shì)必會(huì)破壞和改變溫度計(jì)10的總電阻，圖2G就是器件制作到這一步時(shí)的情況。
如果需要，一種附加的步驟可用來幫助腐蝕掉刻蝕介質(zhì)。在刻蝕介質(zhì)28被腐蝕掉之前，用一種濃度低的鉑腐蝕劑來腐蝕薄帶36和38，時(shí)間約為5-15分鐘，比如該腐蝕劑可為含有10H2O∶9Hcl∶1HNO
的溶液。這種低濃度腐蝕劑對(duì)于在襯底表面26上的鉑帶厚度無明顯影響，但在這一腐蝕過程中，薄帶36和38可被基本清除，因?yàn)?，該帶很薄而且與牢固地附著在襯底表面26的鉑帶相比是很疏松的。當(dāng)通過這一附加鉑腐蝕劑將薄帶36和38基本上清除掉時(shí)，以反圖形狀存在的刻蝕介質(zhì)也象上所述那樣被清除掉，同時(shí)鉑層部分40也容易被清除，因?yàn)樗鼈兪歉?dòng)的，可用某種氣流穿過襯底表面26將它們吹走。
然后將溫度計(jì)10按要求清理干凈，并在1000℃的氧氣中對(duì)它進(jìn)行熱處理6小時(shí)左右。這種熱處理不會(huì)清除掉柱形晶顆結(jié)構(gòu)，只是將薄膜變得更緊湊。因此，在熱處理期間，在襯底表面上的鉑條或帶12的厚度減少到原淀積厚度的一半左右(7000-15000埃)，同時(shí)鉑帶或條12的導(dǎo)電率也增加了。熱處理溫度可在800-1000℃之間變化，溫度計(jì)的加熱時(shí)間5-7小時(shí)之間。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，熱處理后，厚度至少為7000埃的鉑帶可提供所需的電阻溫度系數(shù)。在最初的熱處理期間，電阻溫度系數(shù)和鉑電阻率變化迅速，然后在熱處理快結(jié)束時(shí)就變化相對(duì)慢，以致，在合適的時(shí)間控制下，每批產(chǎn)品的電阻溫度系數(shù)和鉑電阻率沒有多大變化。
圖3的標(biāo)號(hào)與前圖一致，它顯示了鉑帶和條12結(jié)構(gòu)的放大截面圖，當(dāng)采用上述方法淀積時(shí)，鉑層由緊緊排列在一起的柱狀晶粒44構(gòu)成。晶粒44在帶的厚度或高度方向的長度最好基本上連續(xù)。晶粒最好有垂直于襯底表面26的縱軸。如果濺射如所述的那樣仔細(xì)，晶粒的絕大部分應(yīng)是連續(xù)的。鉑帶的結(jié)構(gòu)包括頂面48，底面50，第一側(cè)面52與第二側(cè)面54;底面50粘合或固定或連接在襯底表面26上，第一側(cè)面52和第二側(cè)面54是平滑的，但它們稍微向外彎曲(它們是凸?fàn)畹?，這與刻蝕介質(zhì)的邊緣面32和34是稍微向里彎曲或稍微凹狀相一致。
由于在濺射鉑的過程中，刻蝕介質(zhì)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，所以柱狀晶粒44基本上均勻分布在帶或條12的整個(gè)區(qū)域直到第一側(cè)面52和第二側(cè)面54。因此，整個(gè)帶基本上都由柱形晶粒構(gòu)成。在淀積鉑的過程中，由刻蝕介質(zhì)確定的形成鉑帶或條12用的通路始終是尖峭的。
由于在濺射環(huán)境中，刻蝕介質(zhì)28不與鉑起化學(xué)反應(yīng)而且尺寸穩(wěn)定，所以幾乎沒有雜質(zhì)或疵點(diǎn)在第一側(cè)面和第二側(cè)面52和54上出現(xiàn)。因此，第一側(cè)面和第二側(cè)面是界線分明的，平滑的，基本上與襯底表面26垂直。同時(shí)，這還產(chǎn)生另一個(gè)好處，就是淀積鉑用的通路可較緊湊地形成或排列在一起，這樣鉑條也就可緊湊地排列在一起。如果刻蝕介質(zhì)中的通路邊緣顯示明顯的橫向凸起，結(jié)構(gòu)不完整，或者在淀積鉑時(shí)，有向襯底表面上延伸的趨向，這就使通路中形成的部分條或帶之間產(chǎn)生短路的可能性增加。采用如圖3所示的鉑結(jié)構(gòu)，可以獲得所需的電阻溫度系數(shù)和更小尺寸的溫度計(jì)，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)的條或帶部分邊緣界線分明。采用上述掩膜刻蝕技術(shù)，寬度為20微米，帶段間距為20微米的鉑帶可以容易地成批生產(chǎn)。
掩膜刻蝕技術(shù)允許生產(chǎn)尺寸更小的溫度計(jì)，無論淀積的鉑是否具有柱形結(jié)構(gòu)。由于采用一種非活性的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定材料為確定線路形狀的刻蝕介質(zhì)，所以每一線路的側(cè)表面都是界線分明的，而且基本上不含雜質(zhì)。如果側(cè)表面含有雜質(zhì)或界線不分明，淀積鉑的電阻溫度系數(shù)就會(huì)降低。當(dāng)然，所用的鉑塊的尺寸或體積對(duì)于所獲得的電阻溫度系數(shù)也是很重要的。
采用低雜質(zhì)含量的鉑，鉑帶厚度的增加可導(dǎo)致電阻溫度系數(shù)的增加。加大帶12的厚度時(shí)，面電阻率降低，帶必須做得很窄，或做得更長，這樣才能獲得作溫度計(jì)所需要的工作電阻。以前確定圖形的方法會(huì)沿邊緣往鉑中摻入大量雜質(zhì)，這樣，用過去的方法將圖形做得越窄，摻入的雜質(zhì)就越多，而且會(huì)使電阻的溫度系數(shù)進(jìn)一步降低。因此，以往的溫度計(jì)需要用更長，更寬的條或帶圖形，來獲得所需要的電阻和電阻溫度系數(shù)。采用高雜質(zhì)含量的鉑時(shí)，溫度計(jì)不可能達(dá)到所需的電阻溫度系數(shù)。
柱形鉑晶粒結(jié)構(gòu)的附加好處是能更好地控制電阻溫度系數(shù)，而且重復(fù)性極好。在選定厚度范圍內(nèi)，具有柱形晶粒結(jié)構(gòu)的鉑層厚度的精確度對(duì)于鉑帶或鉑條的電阻溫度系數(shù)是不重要的。因此，淀積鉑時(shí)也不要求精確計(jì)時(shí)，從而在工業(yè)生產(chǎn)條件下，成批生產(chǎn)的成功率就大大增加。
盡管通過參照最佳實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明已進(jìn)行了描述，但是精通本專業(yè)的技術(shù)人員將會(huì)發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的形式與細(xì)節(jié)可在不脫離本發(fā)明的內(nèi)容和范圍的情況下予以改變。
權(quán)利要求
1.一個(gè)具有迴折鉑電阻帶狀的鉑電阻溫度計(jì)，該鉑電阻帶在一襯底上形成一個(gè)圖形，其中鉑是在活性環(huán)境下淀積到襯底上的，步驟包括將襯底預(yù)熱至某一選定的高溫；在襯底上濺射淀積鉑至所需厚度；在濺射淀積鉑的同時(shí)，將襯底溫度控制在選定的高溫。
2.根據(jù)權(quán)項(xiàng)1的溫度計(jì)，其中鉑是以射頻方式淀積到襯底上的。
3.根據(jù)權(quán)項(xiàng)1的溫度計(jì)，其中活性環(huán)境的壓力小于大氣壓。
4.根據(jù)權(quán)項(xiàng)1的溫度計(jì)，其中所選擇的襯底溫度為350℃-500℃。
5.根據(jù)權(quán)項(xiàng)1的溫度計(jì)，其中溫度計(jì)在鉑淀積完后要進(jìn)行熱處理，并且熱處理后淀積層具有足夠的厚度，以在襯底上形成至少厚為7000埃的帶狀物。
6.一種用電阻材料制造薄膜電阻溫度計(jì)的工藝過程，包括步驟如下提供一個(gè)具有上表面的襯底;淀積一層刻蝕介質(zhì)，該刻蝕介質(zhì)基本上與襯底表面上的電阻材料不起化學(xué)反應(yīng)，將通路中的襯底表面暴露在外，通路形狀是由與預(yù)定圖形相反的刻蝕介質(zhì)圖形確定的;將所需的電阻材料淀積在襯底的露出部分和刻蝕介質(zhì)上;清除刻蝕介質(zhì)和刻蝕介質(zhì)上的電阻材料，同時(shí)留下電阻材料牢固地粘在由通路中暴露出的襯底表面上。
7.根據(jù)權(quán)項(xiàng)6的工藝過程，它包括的步驟為首先將刻蝕介質(zhì)淀積到襯底上，然后腐蝕掉刻蝕介質(zhì)以形成通路，該通路具有在由高出襯底表面的刻蝕介質(zhì)所確定的表面。
8.根據(jù)權(quán)項(xiàng)7的工藝過程，在淀積完電阻材料后，將刻蝕介質(zhì)從襯底上腐蝕掉，同時(shí)除去不在所確定通路上的電阻材料。
9.根據(jù)權(quán)項(xiàng)8的工藝過程，其中淀積在通路中的電阻材料厚度小于刻蝕介質(zhì)的厚度，這樣，通路側(cè)表面的高度將超過通路中淀積材料的厚度，從而，使淀積的電阻材料在靠近該側(cè)表面的最外部分形成疏松帶段。
10.一種成批生產(chǎn)的鉑薄膜電阻溫度計(jì)，其中包括用于支撐鉑的襯底物;在襯底物上形成的彎曲帶狀圖形的電阻帶，電阻帶具有一定的帶長，預(yù)定的厚度和確定帶狀圖形寬度的邊緣;該電阻帶的特征在于從整個(gè)長度，厚度與寬度方向看，它都具有由緊密排列的柱狀鉑晶粒組成的基本均勻的結(jié)構(gòu)，而且上述結(jié)構(gòu)的周圍邊緣基本上沒有疵點(diǎn)。
11.根據(jù)權(quán)項(xiàng)10的電阻溫度計(jì)，其中鉑晶粒具有基本上垂直于襯底的縱軸。
12.根據(jù)權(quán)項(xiàng)11的電阻溫度計(jì)，其中鉑的大部分晶粒在帶的整個(gè)厚度方向是連續(xù)的。
13.一個(gè)薄膜電阻溫度計(jì)，它具有在一絕緣襯底上的一個(gè)預(yù)定圖形上形成的電阻材料，該電阻材料具有可控的電阻溫度系數(shù)，其中溫度計(jì)的形成步驟包括形成一層刻蝕介質(zhì)層，它基本上與襯底上的電阻材料不發(fā)生化學(xué)反應(yīng);在刻蝕介質(zhì)上形成一個(gè)與預(yù)定圖形相反的反圖;在襯底上淀積電阻材料;清除刻蝕介質(zhì)和附著在刻蝕介質(zhì)上的電阻材料，同時(shí)留下位于預(yù)定圖形處的固定于襯底上的電阻材料，它具有一個(gè)可控的電阻溫度系數(shù)。
14.根據(jù)權(quán)項(xiàng)13的溫度計(jì)，其中電阻溫度系數(shù)可被控制，而與一批一批之間薄膜厚度變化基本無關(guān)。
15.根據(jù)權(quán)項(xiàng)13的溫度計(jì)，其中電阻材料包括鉑。
16.根據(jù)權(quán)項(xiàng)13的溫度計(jì)，其中刻蝕介質(zhì)包括高純度的二氧化硅。
專利摘要
在一工藝中形成鉑電阻溫度計(jì)，該工藝包括在淀積在襯底上的惰性介質(zhì)上確定供電阻溫度計(jì)用的通路；將通路中的襯底表面暴露出，使惰性介質(zhì)形成反圖；然后將電阻材料同時(shí)淀積在通路中露出的襯底表面和保留在襯底上的惰性材料表面，此后，惰性材料被腐蝕掉，這樣淀積在惰性材料上的電阻材料就松動(dòng)，可清除，于是在形成電阻溫度計(jì)的所需線路上留下電阻材料條。該電阻條污染少，雜質(zhì)濃度低，因而可容易地獲得所需電阻溫度系數(shù)的溫度計(jì)。
文檔編號(hào)G01K7/16GK85106536SQ85106536
公開日1987年3月18日 申請(qǐng)日期1985年8月30日
發(fā)明者羅伯特·C·伯哈拉, 詹姆斯·A·魯夫 申請(qǐng)人:羅斯蒙德公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan