DD288456A5 - Verfahren zur herstellung eines edelmetallfreien, relativ hochohmigen duennschichttemperatursensors - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines edelmetallfreien, relativ hochohmigen Duennschichttemperatursensors, der zur hybriden Integration mit elektrischen Schaltungen angewendet wird. Erfindungsgemaesz wird auf einem temperaturstabilen Substrat durch ein partiell reaktives Hochratezerstaeuben eines CrNi-Targets eine mindestens 100 nm dicke Sensorschicht abgeschieden. Die Schichtabscheidung laeuft in einem N2O2-Reaktionsgasgemisch ab. Das Gasgemisch wird definiert eingeblasen. In der Schicht wird dabei ein bestimmter Sauerstoff- und Stickstoffanteil eingestellt, der wiederum definierte Schichtausgangsparameter sichert. Nach der Strukturierung der Schicht wird diese bei Temperaturen 600C in O2-haltiger Atmosphaere getempert. Die fuer die Einstellung eines Zielwertes fuer den Temperaturkoeffizienten notwendige Temperzeit wird durch Messungen an gezogenen Mustern einmalig ermittelt und fuer die uebrigen Sensorschichten angewendet. Die Sensorschicht wird mit einer SiO2-Schicht passiviert.{Duennschichttemperatursensor, edelmetallfrei; Hochratezerstaeuben; CrNi-Target; Reaktionsgasgemisch; Stickstoff; Schichtausgangsparameter; Temperung; Atmosphaere O2-haltig; Temperzeit; SiO2-Schicht}

Description

Erfindungsgemäß wird auf einem temperaturstabilen Substrat durch partiell reaktives Hochratezerstäuben eines CrNi-Targets eine mindestens 100nm dicko Schicht abgeschieden. Das Target weist eine Zusammensetzung (in At.-%) von Ni:Cr = 40:60 bis 60:40 auf. Die Schlchtabscheidung läuft in einem N₂-O₂-Reaktionsgasgemisch mit Stickstoff als Hauptbestandteil ab. Das Gasgemisch wird direkt und gezielt in das Plasma eingeblasen, indem der Gasstrahl auf die Abtragzone des Targets gerichtet ist. In der Schicht wird erfindungsgemäß ein Stickstof f-Sauerstoff-Anteiliin Bereich von 30,,.40At.-% bei einem Verhältnis von 1:1,5 bis 1:2 eingelagert. Dadurch werden definierte Schichtausgangsparameter, insbesondere ihr spezifischer Widerstand ρ und ihr Temperaturkoeffizient TKR eingestellt. Danach wird die Schicht auf übliche Weise strukturiert. Anschließend wird die CrNi-Schicht in Ovhaltiger Atmosphäre bei Temperaturen a 600⁰C getempert, wobei anhand der vorher bei Temperungen ermittelten TKR-Änderungen an identischen Proben die Konstanten a und h der Funktion ATKR = a (At)^h bestimmt und daraus die notwendigen Temperzeiten At zur Einstellung des beabsichtigten Temperaturkoeffizienten TKR berechnet wurden, die zur Temperung der weiteren CrNi-Sensorschichten benötigt werden. Nachfolgend geschieht die Abdeckung der CrNi-Sensorschicht mit einer SiO₂-Passivierungsschicht, in die Kontaktfenster eingebracht werden. Nach einem Trockenätzprozeß der darin freiliegenden oxidierten CrNi-Schicht wird das CrNi/AI-Kontaktschichtsystem eingebracht. In Ausgestaltung der Erfindung wird der TKR-Wert eines Pt 100-Widerstandes eingestellt.

Ausführungsbeispiel Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden.

Auf einem oxidierten Si-Substrat wird eine CrNi-Schicht durch'ein Hochratesputterverfahren abgeschieden. Die CrNi-Schicht besteht aus einer zur Substratkonditionierung dienenden 10nm dicken hochreaktiven Teilschicht und der eigentlichen funktioneilen 210nm dicken reaktiven Teilschicht. Als Reakt'onsgas wird ein OyNi-Gemisch mit einem At.-%-Verhältnis von 30:70 verwendet. Sein Partialdruck im Plasmaraum beträgt i,2Pa. Zum Zweck der Aktivierung des Stickstoffeinbaues in die CrNi-Schicht '.vird das Reaktivgas gezielt direkt in das Plasmf der Hochratezerstäubung eingeblasen, indem der Gasstrahl auf die Abtragzone des Targets gerichtet wird und so 30... 40At.-^ej Sauerstoff- und Stickstoff im Verhältnis 1,5:1 bis 2:1 in die Schicht eingelagert wird. Über geeignete Analyseverfahren (Auger-Analyse, SMNS-Analyse) wird der Einbau der Rekativgaskomponenten kontrolliert, um das genannte erforderliche Verhältnis der Komponenten einzuhalten. Das CrNi-Sputtertarget weist eine Zusammensetzung Cr:Ni (in At.-%) von 50:50 auf. die Beschichtungsrate beträgt bei 1 kW Sputterleistung am Planarplasmatron 13nm/min

Mit diesen Parametern werden zunächst folgende Schichteigenschaften erreicht:

• spezifischer Widerstand^)» 500 μίΐ · cm

• Temperaturkoeffizient des Widerstandes TKR - -150...-250ppm/K

• Flächenwiderstand R_F = 25 Ω/D.

Es folgt die naßchemische Strukturierung der Widerstandsschicht. Anschließend erfolgt das Tempern an Luft bei einer Temperatur von 605⁰C. Die Temperzeit wird einmalig anhand beliebig ausgewählter Muster ermittelt. Dabei wird jeweils mit einer um 2h längeren Temperzeit getempert. Aus den dabei ermittelten bzw. berechneten Werten für die TKR und die Konstanten a und h aus der Beziehung

ATKR = a · (At)^h

werden die notwendigen Temperzeiten zur Erreichung des Ziel-Temperaturkoeffizienten (TKR = 3800 ± 100 ppm/K) festgestellt und gegebenenfalls grafisch dargestellt. Im vorliegenden Beispiel wurden folgende Temperschritte bei jeweils neuen Mustern vollzogen:

TKR₁Oh) = -200ppm/K/TKR(4h) = 3730ppm/K/TKR₍eh) = 3800ppm/K/TKR,e_h) = 3855ppm/K. Der Koeffizient a wurde mit 3699,8 und der Exponent h mit 0,0435 ermittelt. Die nun auf diesen erwünschten TKR-Wert eingestellte CrNi-Sensorschicht wird in einem weiteren Sputterprozeß mit einer SiCyAbdeckschlcht von 0,3 μιτι Dicke versehen. Nach dem Einbringen der Kontaktfenster durch ein naßchemisches Ätzverfahren

erfolgt ein Sputterätzschritt, um die Oxidschicht auf der CrNi-Schicht in den Fenstern zu baseitigen, damit eine sichere ohmsche

Kontaktierung möglich wird. Dabei wird ca. 50% der Schichtdicke abgetragen. Danach wird ein Kontaktsystem, bestehend aus

einer 25nm dicken nichtroaktiven CrNi-Schicht und einer 1,2pm dicken Al-Schicht aufgesputtert und nachfolgend naßchemisch strukturiert. Der Widerstar.dsabgleich orfolgt mittels Laserstrahl, wobei die Erwärmung des Substrates durch die Bearbeitung berücksichtigt wird.

Der so erhaltene Temperatursensor ist zum Einsatz in hermetischen und quasihermetischen Gehäusen für Einsatztemperaturen

im Bereich von -30°C bis 15O⁰C geeignet. Er weist weiter folgende Parameter auf:

• Stabilität AR/R < ± 1 %o für 1000 h, 15O⁰C

• Linearität vergleichbar Pt 100

• Hochohmigkeit R > 1 kfl

• TKR-Einstellung zwischen 3400...4000ppm/K.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung eines edelmetallfreien, relativ hochohmigen Dünnschichttemperatursensors, gekennzeichnet dadurch, daß auf einem temperaturstabilen Substrat durch partiell reaktives Hoehratezerstäuben eines CrNi-Targets der Zusammensetzung (At.-%) von NhCr = 40:60 bis 60:40 in einem Nj-CVReaktionsgasgemisch mit Stickstoff »Is Hauptbestandteil, welches gezielt direkt in das Plasma eingeblasen wird, indem der Gasstrahl auf die Äbtragzone des Targets gerichtet ist, eine mindestens 100 nm dicke Schicht abgeschieden wird, wobei in der Schicht ein Stickstoff-Sauerstoffanteil im Bereich von 3O...4OAt.-%bei einem Verhältnis von Stickstoff zu Sauerstoff von 1:1,5 bis 1:2 eingestellt wird und dadurch definierte Ausgangsparameter, insbesondere ihr spezifischer Widerstand^ und ihr Temperaturkoeffizient TKR erzielt werden, daß danach die Schicht strukturiert wird, daß anschließend in (Vhaltiger Atmosphäre die CrNi-Schicht bei Temperaturen >: 600⁰C getempert wird, wobei anhand der vorher bei Temperungen ermittelten TKR-Änderungen an identischen Proben die Konstanten a und h der Funktion ATKR = a· (At)^h bestimmt und daraus die notwendige Temperzeit At zur Einstellung des beabsichtigten.Temperaturkoeffizienten TKR berechnet wurden, die zur Temperung der weiteren CrNi-Sensorschichten benötigt werden, daß nachfolgend die Abdeckung d CrNi-Schicht mit einer SiCvPassivierungsschicht. erfolgt, in die Kontaktfenster eingebracht werden, daß nach einem Trockenätzprozeß der darin freiliegenden oxidierten CrNi-Schicht die Kontaktierung der CrNi-Schicht mit einem CrNi/AI-Schichtsystem erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch ^gekennzeichnet dadurch, daß der TKR-Wert eines Pt 100-Widerstandes eingestellt wird.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Sensoren. Sie betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines edelmetallfreien, relativ hochohmigen Dünnschichttemperatursensors, der zur hybriden Integration mit elektronischen Schaltungen, insbesondere mit analoger oder digitaler Auswerteelektronik, angewendet wird.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es ist eine große Anzahl von Möglichkeiten bekannt, um Temperatursensoren in Schichttechnik zu realisieren. Diese Möglichkeiten erstrecken sich sowohl auf die Werkstoffauswahl als auch auf die Variation der Herstellungsbedingungen. Aufgrund seiner sehr guten Linearität im R = f (T)-Verhalten wird Platin häufig als Werkstoff für einen derartigen Schichtsensor eingesetzt (DE 3630393). Basierend auf der Tatsache, daß die Verwendung von Platin einen äußerst hohen Kostenaufwand erfordert, ist versucht worden, andere Werkstoffe anzuwenden, die zu gleichen bzw. annähernd gleichen Eigenschaften, wie der Platin-Sensor sie besitzt, führen.

So wird in der DD-PS 218705 ein Verfahren zur Herstellung eines Ni-Schichttemperatursensors, der für ein Widerstandsthermometer mit Pt-Kennlinie verwendet wird, beschrieben. Die Ni-Schicht wird dabei auf ein beheiztes Substrat aufgedampft. Anschließend werden Cr-Atome in die Ni-Schicht eingelagert. Dabei sollen die Cr-Atome ihre maximale Konzentration in der Mitte der Schichtdicke aufweisen. Durch diese Dotierung wird der Tk-Wert der Ni-Schicht auf den T_K-Wert für einen Platinschichtsensor gesenkt. Diese Ni-Schicht erweist sich aufgrund ihrer Materialeigenschaften für die Realisierung hochohmiger (einige kO) Sensoren als ungeeignot, wenn als weitere Bedingung ein kleiner Flächenbedarf angestrebt wird. Es sind elektrische Widerstände in Schichtform bekannt, die insbesondere auch aus einer Nickel-Chrom-Legierung bestehen. Diese Schichten weisen kleine Werte der Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes auf. Es ist weiterhin bekannt, den Temperaturkoeffizienten der Widerstandsschicht durch Tempern auf Werte in einem vorgegebenen Bereich einzustellen. Diese Widerstandsschichten sind gegen Korrosion empfindlich, wodurch sich ein Überziehen des Widerstandes mit einer Schutzschicht erforderlich macht (DE 2235656).

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines hochohmigen und edelmetallfreien Dünnschichttemperatursensors zu realisieren, das wenig materialkostenaufwendig ist.

Darlegung des Wesens.dor Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines edelmetallfreien Dünnschichttemperatursensnrs zu schaffen, das einen relativ hochohmigen, eine sehr gute Linearität des R = f (T)-Verlaufes und eine hohe Stabilität aufweisenden Sensor ergibt, dessen Temperaturkoeffizient gezielt eingestellt werden kann. Das Ziel der Erfindung ist dabei zu berücksichtigen.