EP1093132A2 - Planer trimming resistor, its application and manufacturing process - Google Patents
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- EP1093132A2 EP1093132A2 EP00115803A EP00115803A EP1093132A2 EP 1093132 A2 EP1093132 A2 EP 1093132A2 EP 00115803 A EP00115803 A EP 00115803A EP 00115803 A EP00115803 A EP 00115803A EP 1093132 A2 EP1093132 A2 EP 1093132A2
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- H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
- H01C7/22—Elongated resistive element being bent or curved, e.g. sinusoidal, helical
Definitions
- the invention relates to a planar trimming resistor with a substrate and one deposited thereon Resistor layer, a resistor bridge circuit and a sensor that such Use trimming resistor and procedure to manufacture the trimming resistor respectively the resistance bridge circuit or the Sensors.
- Trimming resistors are used in circuits, which were initially manufactured with a certain tolerance and their behavior afterwards by adjusting the resistance value of said Trimming resistors is set exactly.
- Trimmer resistors with a planar resistance layer known, the resistance value after installation of the trimming resistor in a circuit local removal of material from the resistance layer can be adjusted. This is the result Problem that a change in resistance value by removing material of the resistance layer also affects their capacity, especially if if the resistance layer is in the immediate Extends near another conductor, e.g. because they are only separated by a thin layer of insulation is deposited on a metallic substrate.
- the present invention makes a planar Trimming resistor of the type described in the introduction created its capacity through the matching process is not affected.
- This advantage is achieved in that a contact layer, which have better conductivity than that Has resistance layer on the resistance layer is arranged so that it is at least individual positions in contact with the latter stands, and the at least locally ablating Treatment is accessible. If at one such a resistance, the contact layer locally is eliminated, this has the consequence that a Current that would otherwise flow through the contact layer would have, at least partially, in the resistance layer is pushed so that by the removal the contact layer controls the resistance value is increased. But at the same time the resistance layer exist under the worn contact layer remains, the one opposite the substrate changes electrically conductive surface of the Trimming resistor not, and its capacity is not changed by the removal process.
- the contact layer may extend over the Limits of the resistance layer beyond on the substrate extend. However, those areas are allowed the contact layer that is not above the Resistance layer, cannot be removed, otherwise the surface of the balancing resistor would be reduced and thus the capacity would be affected undesirably. To such To rule out problems, it is appropriate to Contact layer in the manufacture of the balancing resistor dimensioned so that they do not have the Edges of the resistance layer protrude.
- the contact layer and the resistance layer are preferably formed in strips. Connection contacts are on opposite ends of the contact layer strip intended.
- the Stripes can be zigzag or meandering in a space-saving manner be arranged on the substrate.
- the trimming resistor preferably has a passivation layer on the the resistance layer essentially covered and only locally individual Window that has the conductive contact enable the contact layer with the resistance layer.
- the passivation layer is between two windows preferably one bottleneck of the contact layer intended. At such a narrow point to cut through the contact layer particularly easily, their severance means that a electrical current that would otherwise pass through the contact layer would have flowed between the two windows must take the path across the resistance layer.
- the passivation layer is not just for protection the resistance layer from environmental influences, their Window structure also has the advantage that it is enough to keep the contact layer on a small Cut length between two windows to the current path in the resistance layer around the im Compared to this length greater distance between extend two windows.
- a preferred application of the trimming resistor is a resistance bridge circuit.
- a resistance bridge circuit At a such a bridge circuit are conveniently the Resistance elements and the at least one trimming resistor formed on the same substrate. So the resistance elements and the Trimming resistor partly with the same process steps getting produced.
- trimming resistor is a sensor that is a deformable Comprises substrate and at least one resistance element, its resistance due to deformation of the substrate is changeable and the one according to the invention Trimming resistor is assigned.
- This resistance element can in turn be part of a Resistor bridge circuit.
- the sensor can advantageously be act a pressure sensor; the substrate can be part a pressure capsule of such a sensor.
- the invention further relates to a method for Manufacture a trimming resistor in which a Resistance layer on an insulating substrate is separated and structured, and in which over the resistance layer in at least local Contact with this formed a contact layer which has better conductivity than the resistance layer Has.
- a passivation layer applied the windows to manufacture of local contact.
- the different layers are photolithographic Process or - especially with sensors advantageous - laser structuring process.
- the Contact layer can in particular also by sputtering of the layer material are generated. It is also conceivable to apply the material of the Contact layer directly through a mask, see above that the contact layer on the resistance layer (separated by passivation) immediately in the desired shape is created.
- the resistance is preferably adjusted by cutting the contact layer between two Windows, preferably by laser ablation.
- This Laser ablation is with the same equipment feasible, which may also previously be used for laser structuring of the different layers used have been.
- FIGs 1, 2 and 3 show a section of a trimming resistor according to the invention in a Top view or in two cuts.
- the Trimming resistor is on a substrate 1, here a stainless steel sheet with an insulation layer 2 built on it from silicon oxide. It includes one Resistance layer 3 made of a material with moderate good conductivity on the insulation layer 2 forms a meandering or zigzag pattern, of which two full periods are shown in Figure 1 are.
- a passivation layer 5 which consists of Silicon nitride or like the insulation layer 2 Silicon oxide exists.
- the contact layer 6 is over the Window 4 with the resistance layer 3 in conductive Contact.
- the conductivity of the contact layer 6 is clear is better than that of the resistance layer 3, flows in the unbalanced state of the balancing resistor a current in the essentially through the contact layer 6.
- the resistance it is intended to adjust the contact layer 6 at a narrow point, e.g. to area 7 cut through.
- the method of laser ablation is suitable, especially with an excimer laser. So that's it easily possible, one on area 7 dosed laser energy so that the Contact layer 6 at the point in question is removed without the underlying one Resistor layer 3 with damaged becomes. For this purpose e.g.
- the materials the contact layer 6 and the resistance layer 3 and the wavelength of the laser are chosen so that the ablation energy of the contact layer 6 is smaller than that of the resistance layer 3, so that the energy of the excimer, even after it Destruction of the contact layer 6 the resistance layer 3 reached, not enough to do this too to destroy.
- other - known - Cutting processes such as spark erosion, applicable.
- the composition of the Passivation layer 5 serve.
- the penetration depth of the laser radiation so that this over the Total thickness of the passivation layer 5 from this is absorbed and so their energy in their distributed over the entire volume.
- the resistance layer essential smaller, so that the heating induced by the laser of these layers are on a thin surface layer of these concentrated and sufficient to evaporate this surface layer.
- the contact layer 6 cuts at the narrow point 7 is, the current is forced between the the bottleneck 7 adjacent windows 4 through the Resistive layer 3 to flow.
- Figures 4 and 5 show a preferred application example of the balancing resistance described above.
- FIG 4 is a plan view of the membrane 12 of a Pressure sensor, which is the role of the substrate 1 plays.
- the resistance elements and the trimming resistors are in a common process, to which later is discussed in more detail on the membrane 12 generated; have the resistance elements R1, R2, R3, R4 a resistance layer, that of the resistance layer 3 corresponds to the trimming resistors, however, they do not have a continuous one Contact layer, and the passivation layer 5 is over the resistance elements R1, R2, R3, R4 with Except for their connection pads throughout.
- Figure 5 shows the membrane 12 of Figure 4 in cross section. It is part of a high pressure sensor 11 and is in one piece with a rigid metal frame 13 connected. Is between the two sides the membrane 12 a pressure drop, this leads to a deformation of the membrane 12, and it comes to Example if the pressure below the membrane is higher is as above, in the area of the resistance elements R1 and R2 for compression and in the area of the resistance elements R3 and R4 to stretch at the Surface of the membrane. Affect these deformations the conductivity of the resistance layers of the resistance elements and thus cause a detuning the Wheatstone Bridge leading to one two of the connections K1 to K4, from Zero different measuring voltage leads.
- the resistance layer expediently selected a material that a significant dependence of the specific resistance from deformation.
- suitable Materials e.g. polycrystalline silicon, Chromium-nickel alloy or platinum to mention.
- NiCr layers show practically none Temperature dependence of the resistance, but one relatively small effect when bending while polycrystalline silicon a non-linear temperature dependency, but a much larger one Has an effect when bending.
- Platinum shows also a clear effect with a linear Temperature dependence of the resistance.
- Suitable Layer thicknesses range from 500 to 600 nm for polycrystalline silicon and from 50 to 100 nm for CrNi or platinum.
- the layer thicknesses should be chosen so that the layer conductivity of the resistance layer is smaller than that of the contact layer, regardless the specific conductivities for this Layers of materials used.
- Stage A shows the still empty substrate 1 or the pressure cell of Figure 5, consisting of the Frame 13 and the membrane 12.
- This substrate will first subjected to an incoming inspection for roughness and then wet first and then finally cleaned by argon sputtering.
- the substrate treated in this way is then opened preheated to about 300 ° C for a PECVD oxide deposition prepare.
- the Insulation layer 2 in a thickness of 7-10 microns Silicon oxide deposited. This insulation layer on the substrate is randomly checked for thickness and tension controlled.
- the resistance layer 3 is sputtered applied.
- the surface resistance is checked by the 4-tip method, and the layer thickness is determined by X-ray fluorescence (Level C).
- a structuring step follows in which the first, a large-area resistance layer the meandering structure shown in Figure 1 will be produced.
- the photolithographic Technique involves applying one Lacquer layer, the exposure of the lacquer layer with the desired pattern and its development post-chemical etching of those areas by development have lost their paint layer, and finally the removal of the rest Paint layer.
- the laser structuring stops particularly advantageous structuring process
- laser light becomes a suitable energy density through a mask on the surface of the membrane irradiated. With the help of the deepening on the It is the back of the membrane 12 (see FIG. 5) possible, the sensor suitable for structuring to center. Also, the coated layer automatically brought to the focus level.
- the Laser exposure through the mask causes that layer material exposed to the laser radiation is removed (ablated) so that the multitude the steps of the photolithographic process can be omitted.
- the strength of the absorption of the excimer laser radiation used in the insulation layer 2 can by setting a desired silicon content the insulation layer can be varied. This makes possible it that radiation that towards the end of erosion the resistance layer 3 the insulation layer 2 reached, absorbed over their entire thickness and so the interface between Substrate and insulation layer not or not in of such strength that it becomes a Damage to this boundary layer could result.
- a such a silicon-rich oxide layer can also be used advantageous due to a sputtered silicon oxide layer to reach.
- Such a sputtered layer also has the advantage that the subsequent resistance layer to be applied a higher Long-term stability achieved because of the resistance layer protected from hydrogen is, which is usually in PECVD oxide or Nitride layers built into the deposition becomes. Consequently, should also before the Passivation of the resistance layer a sputtered Oxide layer can be provided.
- Stage (D) shows the substrate with the finished structured one Resistance layer 3.
- a subsequent structuring of the passivation layer 5 can in turn be a photolithographic Technology or laser structuring applied as already for the structuring of the resistance layer 3 described.
- window 4 will be above of the remaining pieces of the resistance layer 3 generated. Those pieces that are one of the Resistance elements R1 to R4 are to be obtained two windows for the connection contacts, those pieces that have the trimming resistors A1, A2 should form a variety of distributed over their surface Windows.
- the finished structured passivation layer 5 (Level F) is checked optically.
- the contact layer 6 applied by sputtering.
- the material for the contact layer 6 is preferred Gold - also because of its stability against Environmental influences - with a layer thickness of 0.3 used up to 0.5 nm. If necessary, however including a metallic adhesive layer and a more metal as a diffusion barrier in the same Step applied. Aluminum or nickel come as materials also in question.
- the thickness of the Contact layer 6 is then made using X-ray fluorescence controlled.
- the contact layer 6 For the subsequent structuring of the contact layer 6 come the photolithographic Process or the process of laser structuring in question.
- the nominal dimensions of the contact layer areas, the the contact layer of the trimming resistors are intended to be chosen that taking into account mask tolerances and other manufacturing inaccuracies guaranteed is that the one that remains after structuring Nowhere in the contact layer over the edge protrudes from the underlying resistance layer.
- This measure ensures that the capacitance of the resistance elements and the trimming resistors exclusively through the area its resistance layers 3 is fixed and of possible inaccuracies in positioning the contact layers cannot be influenced. So it is possible to connect the bridge with one high degree of symmetry of the capacity of their individual To make branches. Consequently, the bridge circuit in a wide frequency range of input voltages be operated without unequal distributions the capacity to the individual Branches their output voltage depending on frequency influence.
- Stage (H) shows the sensor with the structured contact layer 6.
- the bridge circuit can be calibrated.
- the proposed method is excellent for the production of high pressure sensors in Large series, because the manufacturing steps up to Level (H) can be advantageous in a holder for a large number of sensors performed simultaneously without any steps in between are an individual treatment of the Require sensors; after adjustment is the Sensor completely finished, without further coating steps would be required.
- H Level
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen planaren Abgleichwiderstand mit einem Substrat und einer darauf abgeschiedenen Widerstandsschicht, eine Widerstandsbrückenschaltung sowie einen Sensor, die einen derartigen Abgleichwiderstand verwenden, und Verfahren zur Herstellung des Abgleichwiderstandes beziehungsweise der Widerstandsbrückenschaltung oder des Sensors.The invention relates to a planar trimming resistor with a substrate and one deposited thereon Resistor layer, a resistor bridge circuit and a sensor that such Use trimming resistor and procedure to manufacture the trimming resistor respectively the resistance bridge circuit or the Sensors.
Abgleichwiderstände kommen in Schaltungen zum Einsatz, die zunächst mit einer gewissen Toleranz gefertigt werden und deren Verhalten anschließend durch Einstellen des Widerstandswertes besagter Abgleichwiderstände exakt eingestellt wird. Es sind Abgleichwiderstände mit einer planaren Widerstandsschicht bekannt, deren Widerstandswert nach Einbau des Abgleichwiderstandes in eine Schaltung durch lokales Abtragen von Material der Widerstandsschicht angepaßt werden kann. Dabei ergibt sich das Problem, daß eine Veränderung des Widerstandswertes durch Abtragen von Material der Widerstandsschicht auch deren Kapazität beeinflußt, insbesondere dann, wenn die Widerstandsschicht sich in unmittelbarer Nähe eines weiteren Leiters erstreckt, z.B. weil sie nur durch eine dünne Isolationsschicht getrennt auf einem metallischen Substrat abgeschieden ist. Eine solche Kapazitätsveränderung kann den Wert des Abgleiches zunichte machen, wenn das Verhalten der abzugleichenden Gesamtschaltung nicht nur vom Widerstandswert, sondern auch von der Kapazität des Abgleichwiderstandes beeinflußt wird. Dieses Problem tritt immer dann auf, wenn der Abgleichwiderstand Teil eines Resonanzkreises ist.Trimming resistors are used in circuits, which were initially manufactured with a certain tolerance and their behavior afterwards by adjusting the resistance value of said Trimming resistors is set exactly. There are Trimmer resistors with a planar resistance layer known, the resistance value after installation of the trimming resistor in a circuit local removal of material from the resistance layer can be adjusted. This is the result Problem that a change in resistance value by removing material of the resistance layer also affects their capacity, especially if if the resistance layer is in the immediate Extends near another conductor, e.g. because they are only separated by a thin layer of insulation is deposited on a metallic substrate. Such a change in capacity can change the value of the Nullify the comparison if the behavior of the overall circuit to be calibrated not only from Resistance value, but also from the capacity of the Adjustment resistance is affected. This Problem always occurs when the trimming resistor Is part of a resonance circuit.
Durch die vorliegende Erfindung wird ein planarer Abgleichwiderstand der eingangs beschriebenen Art geschaffen, dessen Kapazität durch den Abgleichvorgang nicht beeinflußt wird.The present invention makes a planar Trimming resistor of the type described in the introduction created its capacity through the matching process is not affected.
Dieser Vorteil wird dadurch erreicht, daß eine Kontaktschicht, die eine bessere Leitfähigkeit als die Widerstandsschicht aufweist, auf der Widerstandsschicht angeordnet wird, so daß sie wenigstens an einzelnen Stellen mit letzterer in leitendem Kontakt steht, und die wenigstens lokal einer abtragenden Behandlung zugänglich ist. Wenn bei einem solchen Abgleichwiderstand die Kontaktschicht lokal beseitigt wird, so hat dies zur Folge, daß ein Strom, der sonst die Kontaktschicht durchflossen hätte, wenigstens teilweise in die Widerstandsschicht abgedrängt wird, so daß durch die Abtragung der Kontaktschicht der Widerstandswert kontrolliert erhöht wird. Da gleichzeitig aber die Widerstandsschicht unter der abgetragenen Kontaktschicht bestehen bleibt, ändert sich die dem Substrat gegenüberliegende elektrisch leitfähige Oberfläche des Abgleichwiderstandes nicht, und seine Kapazität wird durch den Abtragungsvorgang nicht verändert.This advantage is achieved in that a contact layer, which have better conductivity than that Has resistance layer on the resistance layer is arranged so that it is at least individual positions in contact with the latter stands, and the at least locally ablating Treatment is accessible. If at one such a resistance, the contact layer locally is eliminated, this has the consequence that a Current that would otherwise flow through the contact layer would have, at least partially, in the resistance layer is pushed so that by the removal the contact layer controls the resistance value is increased. But at the same time the resistance layer exist under the worn contact layer remains, the one opposite the substrate changes electrically conductive surface of the Trimming resistor not, and its capacity is not changed by the removal process.
Grundsätzlich darf die Kontaktschicht sich über die Grenzen der Widerstandsschicht hinaus auf dem Substrat erstrecken. Allerdings dürfen diejenigen Bereiche der Kontaktschicht, die nicht oberhalb der Widerstandsschicht liegen, nicht abgetragen werden, da anderenfalls die Oberfläche des Abgleichwiderstandes verringert würde und die Kapazität somit dennoch unerwünscht beeinflußt würde. Um solche Probleme auszuschließen, ist es zweckmäßig, die Kontaktschicht bei der Herstellung des Abgleichwiderstandes so zu bemessen, daß sie nicht über die Ränder der Widerstandsschicht übersteht.In principle, the contact layer may extend over the Limits of the resistance layer beyond on the substrate extend. However, those areas are allowed the contact layer that is not above the Resistance layer, cannot be removed, otherwise the surface of the balancing resistor would be reduced and thus the capacity would be affected undesirably. To such To rule out problems, it is appropriate to Contact layer in the manufacture of the balancing resistor dimensioned so that they do not have the Edges of the resistance layer protrude.
Die Kontaktschicht und die Widerstandsschicht sind vorzugsweise streifenförmig ausgebildet. Anschlußkontakte sind an entgegengesetzten Enden des Kontaktschicht-Streifens vorgesehen. Die Streifen können in platzsparender Weise zickzack- oder mäanderförmig auf dem Substrat angeordnet sein. Vorzugsweise weist der Abgleichwiderstand eine Passivierungsschicht auf, die die Widerstandsschicht im wesentlichen überdeckt und lediglich lokal einzelne Fenster aufweist, die den leitenden Kontakt der Kontaktschicht mit der Widerstandsschicht ermöglichen.The contact layer and the resistance layer are preferably formed in strips. Connection contacts are on opposite ends of the contact layer strip intended. The Stripes can be zigzag or meandering in a space-saving manner be arranged on the substrate. The trimming resistor preferably has a passivation layer on the the resistance layer essentially covered and only locally individual Window that has the conductive contact enable the contact layer with the resistance layer.
Zwischen zwei Fenstern der Passivierungsschicht ist vorzugsweise jeweils eine Engstelle der Kontaktschicht vorgesehen. An einer solchen Engstelle ist die Kontaktschicht besonders einfach zu durchtrennen, ihre Durchtrennung hat zur Folge, daß ein elektrischer Strom, der sonst durch die Kontaktschicht geflossen wäre, zwischen den zwei Fenstern den Weg über die Widerstandsschicht nehmen muß.The passivation layer is between two windows preferably one bottleneck of the contact layer intended. At such a narrow point to cut through the contact layer particularly easily, their severance means that a electrical current that would otherwise pass through the contact layer would have flowed between the two windows must take the path across the resistance layer.
Die Passivierungsschicht dient nicht nur dem Schutz der Widerstandsschicht vor Umwelteinflüssen, ihre Fensterstruktur hat darüber hinaus den Vorteil, daß es genügt, die Kontaktschicht auf einer geringen Länge zwischen zwei Fenstern zu durchtrennen, um den Stromweg in der Widerstandsschicht um den im Vergleich zu dieser Länge größeren Abstand zwischen zwei Fenstern zu verlängern.The passivation layer is not just for protection the resistance layer from environmental influences, their Window structure also has the advantage that it is enough to keep the contact layer on a small Cut length between two windows to the current path in the resistance layer around the im Compared to this length greater distance between extend two windows.
Eine bevorzugte Anwendung des Abgleichwiderstandes ist eine Widerstandsbrückenschaltung. Bei einer solchen Brückenschaltung sind zweckmäßigerweise die Widerstandselemente und der wenigstens eine Abgleichwiderstand auf dem gleichen Substrat ausgebildet. So können die Widerstandselemente und der Abgleichwiderstand zum Teil mit den gleichen Prozeßschritten hergestellt werden.A preferred application of the trimming resistor is a resistance bridge circuit. At a such a bridge circuit are conveniently the Resistance elements and the at least one trimming resistor formed on the same substrate. So the resistance elements and the Trimming resistor partly with the same process steps getting produced.
Eine weitere bevorzugte Anwendung des Abgleichwiderstandes ist ein Sensor, der ein verformbares Substrat und wenigstens ein Widerstandselement umfaßt, dessen Widerstandswert durch eine Verformung des Substrates veränderbar ist und dem ein erfindungsgemäßer Abgleichwiderstand zugeordnet ist. Dieses Widerstandselement kann wiederum Teil einer Widerstandsbrückenschaltung sein. Another preferred application of the trimming resistor is a sensor that is a deformable Comprises substrate and at least one resistance element, its resistance due to deformation of the substrate is changeable and the one according to the invention Trimming resistor is assigned. This resistance element can in turn be part of a Resistor bridge circuit.
Bei dem Sensor kann es sich vorteilhafterweise um einen Drucksensor handeln; das Substrat kann Teil einer Druckkapsel eines solchen Sensors sein.The sensor can advantageously be act a pressure sensor; the substrate can be part a pressure capsule of such a sensor.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Abgleichwiderstandes, bei dem eine Widerstandsschicht auf einem isolierenden Substrat abgeschieden und strukturiert wird, und bei dem über der Widerstandsschicht in wenigstens lokalem Kontakt mit dieser eine Kontaktschicht gebildet wird, die eine bessere Leitfähigkeit als die Widerstandsschicht hat.The invention further relates to a method for Manufacture a trimming resistor in which a Resistance layer on an insulating substrate is separated and structured, and in which over the resistance layer in at least local Contact with this formed a contact layer which has better conductivity than the resistance layer Has.
Auf der Widerstandsschicht wird vor der Bildung der Kontaktschicht vorzugsweise eine Passivierungsschicht aufgebracht, die Fenster zur Herstellung des lokalen Kontaktes aufweist. Zur Strukturierung der verschiedenen Schichten eignen sich photolithographische Verfahren oder - bei Sensoren besonders vorteilhaft - Laserstrukturierungsverfahren. Die Kontaktschicht kann insbesondere auch durch Aufsputtern des Schichtmaterials erzeugt werden. Denkbar ist auch die Aufbringung des Materials der Kontaktschicht direkt durch eine Maske hindurch, so daß die Kontaktschicht auf der Widerstandsschicht (getrennt durch die Passivierung) unmittelbar in der gewünschten Gestalt entsteht.Before the formation of the Contact layer preferably a passivation layer applied the windows to manufacture of local contact. For structuring the different layers are photolithographic Process or - especially with sensors advantageous - laser structuring process. The Contact layer can in particular also by sputtering of the layer material are generated. It is also conceivable to apply the material of the Contact layer directly through a mask, see above that the contact layer on the resistance layer (separated by passivation) immediately in the desired shape is created.
Der Abgleich des Widerstandes erfolgt vorzugsweise durch Durchtrennen der Kontaktschicht zwischen zwei Fenstern, vorzugsweise durch Laserablation. Diese Laserablation ist mit den gleichen Apparaturen durchführbar, die ggf. auch zuvor für die Laserstrukturierung der verschiedenen Schichten eingesetzt worden sind.The resistance is preferably adjusted by cutting the contact layer between two Windows, preferably by laser ablation. This Laser ablation is with the same equipment feasible, which may also previously be used for laser structuring of the different layers used have been.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren.Further features and advantages of the invention result itself from the following description of exemplary embodiments with reference to the figures.
Die Figuren 1, 2 und 3 zeigen einen Ausschnitt eines
erfindungsgemäßen Abgleichwiderstandes in einer
Draufsicht beziehungsweise in zwei Schnitten. Der
Abgleichwiderstand ist auf einem Substrat 1, hier
einem Edelstahlblech mit einer Isolationsschicht 2
aus Siliziumoxid darauf aufgebaut. Er umfaßt eine
Widerstandsschicht 3 aus einem Material mit mäßig
guter Leitfähigkeit, die auf der Isolationsschicht
2 ein mäander- oder zickzackförmiges Muster bildet,
von dem zwei vollständige Perioden in Figur 1 gezeigt
sind.Figures 1, 2 and 3 show a section of a
trimming resistor according to the invention in a
Top view or in two cuts. The
Trimming resistor is on a
Auf der Widerstandsschicht 3 ist auf ihrer gesamten
Oberfläche mit Ausnahme von einzelnen Fenstern 4,
eine Passivierungsschicht 5 aufgebracht, die aus
Sliliziumnitrid oder wie die Isolationsschicht2 aus
Siliziumoxid besteht. Eine Kontaktschicht 6 aus einem
Metall mit guter elektrischer Leitfähigkeit,
hier Gold, folgt dem mäanderartigen Verlauf der Widerstandsschicht
3, hat allerdings eine geringere
Breite als diese und ist so plaziert, daß ihre Ränder
nirgends über die Ränder der Widerstandsschicht
3 überstehen. Die Kontaktschicht 6 ist über die
Fenster 4 mit der Widerstandsschicht 3 in leitendem
Kontakt.On the
Kontaktanschlüsse (nicht dargestellt) befinden sich
an den gegenüberliegenden Enden der streifenartigen
Kontaktschicht 6.There are contact connections (not shown)
at the opposite ends of the strip-
Da die Leitfähigkeit der Kontaktschicht 6 deutlich
besser ist als die der Widerstandsschicht 3, fließt
im unabgeglichenen Zustand des Abgleichwiderstandes
ein über die Kontaktanschlüsse angelegter Strom im
wesentlichen durch die Kontaktschicht 6. Um den Widerstand
abzugleichen, ist vorgesehen, die Kontaktschicht
6 an einer Engstelle, z.B. dem Bereich 7 zu
durchtrennen. Um diese Durchtrennung auszuführen,
eignet sich das Verfahren der Laserablation,
insbesondere mit einem Excimerlaser. Damit ist es
ohne weiteres möglich, eine auf den Bereich 7
eingestrahlte Laserenergie so zu dosieren, daß die
Kontaktschicht 6 an der betreffenden Stelle
abgetragen wird, ohne daß gleichzeitig die darunterliegende
Widerstandsschicht 3 mit beschädigt
wird. Zu diesem Zweck können z.B. die Materialien
der Kontaktschicht 6 und der Widerstandsschicht 3
und die Wellenlänge des Lasers so gewählt werden,
daß die Ablationsenergie der Kontaktschicht 6
kleiner ist als die der Widerstandsschicht 3, so
daß die Energie des Excimers, selbst wenn sie nach
Zerstörung der Kontaktschicht 6 die Widerstandsschicht
3 erreicht, nicht ausreicht, um auch diese
zu zerstören. Es sind aber auch andere - bekannte -
Verfahren zum Durchtrennen, wie zum Beispiel Funkenerosion,
anwendbar.Since the conductivity of the
Als Hilfsmittel zum Schutz der Widerstandsschicht 3
vor Beschädigung kann auch die Zusammensetzung der
Passivierungsschicht 5 dienen. So ist z.B. durch
geeignete Wahl des Siliziumgehaltes der Passivierungsschicht
5 möglich, die Eindringtiefe der Laserstrahlung
so einzustellen, daß diese über die
Gesamtdicke der Passivierungsschicht 5 hinweg von
dieser absorbiert wird und so ihre Energie in deren
gesamtem Volumen verteilt. Im Vergleich dazu ist
die Eindringtiefe der Strahlung bei den Metallen
oder Halbleitermaterialien der Kontaktschicht beziehungsweise
der Widerstandsschicht wesentlich
kleiner, so daß die durch den Laser induzierte Erhitzung
dieser Schichten sich auf eine dünne Oberflächenlage
von diesen konzentriert und ausreicht,
um diese Oberflächenlage zu verdampfen.As an aid to protecting the
Wenn die Kontaktschicht 6 an der Engstelle 7 durchtrennt
ist, ist der Strom gezwungen, zwischen den
der Engstelle 7 benachbarten Fenstern 4 durch die
Widerstandsschicht 3 zu fließen. Durch Zerstören
der Kontaktschicht 6 zwischen einer wählbaren Zahl
von Fenstern 4 ist es auf diese Weise möglich, die
Weglänge, die der Strom in der Widerstandsschicht 3
zurücklegen muß, und damit den Widerstandswert des
Abgleichwiderstandes schrittweise sehr genau einzustellen.If the
Die Figuren 4 und 5 zeigen ein bevorzugtes Anwendungsbeispiel des oben beschriebenen Abgleichwiderstandes.Figures 4 and 5 show a preferred application example of the balancing resistance described above.
Figur 4 ist eine Draufsicht auf die Membran 12 eines
Drucksensors, die hier die Rolle des Substrates
1 spielt. Auf dieser Membran sind vier Widerstandselemente
R1, R2, R3, R4 mit Anschlüssen A1,
A2, A3, A4 zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet.
Abgleichwiderstände A1, A2 der mit Bezug auf Figuren
1 bis 3 beschriebenen Art sind mit den Widerstandselementen
R3, R4 in Reihe geschaltet. Die Widerstandselemente
und die Abgleichwiderstände sind
in einem gemeinsamen Prozeß, auf den später noch
genauer eingegangen wird, auf der Membran 12
erzeugt; die Widerstandselemente R1, R2, R3, R4 besitzen
eine Widerstandsschicht, die der Widerstandsschicht
3 der Abgleichwiderstände entspricht,
sie besitzen jedoch keine durchgehende
Kontaktschicht, und die Passivierungsschicht 5 ist
über den Widerstandselementen R1, R2, R3, R4 mit
Ausnahme von ihren Anschlußpads durchgehend.Figure 4 is a plan view of the
Figur 5 zeigt die Membran 12 der Figur 4 im Querschnitt.
Sie ist Teil eines Hochdrucksensors 11 und
ist einstückig mit einem starren Metallrahmen 13
verbunden. Befindet sich zwischen den zwei Seiten
der Membran 12 ein Druckgefälle, so führt dies zu
einer Verformung der Membran 12, und es kommt, zum
Beispiel wenn der Druck unterhalb der Membran höher
ist als darüber, im Bereich der Widerstandselemente
R1 und R2 zu einer Stauchung und im Bereich der Widerstandselemente
R3 und R4 zu einer Dehnung an der
Oberfläche der Membran. Diese Verformungen beeinflussen
die Leitfähigkeit der Widerstandsschichten
der Widerstandselemente und bewirken so eine Verstimmung
der Wheatstone-Brücke, die zu einer an
zweien der Anschlüsse K1 bis K4 abgreifbaren, von
Null verschiedenen Meßspannung führt.Figure 5 shows the
Für diese Anwendung wird für die Widerstandsschicht zweckmäßigerweise ein Material gewählt, das eine deutliche Abhängigkeit des spezifischen Widerstandes von einer Verformung aufweist. Als geeignete Materialien sind hier z.B. polykristallines Silizium, Chrom-Nickellegierung oder auch Platin zu erwähnen. Dabei zeigen NiCr-Schichten praktisch keine Temperaturabhängigkeit des Widerstandes, aber einen relativ kleinen Effekt beim Verbiegen, während polykristallines Silizium eine nichtlineare Temperaturabhängigkeit, dafür aber einen deutlich größeren Effekt beim Verbiegen aufweist. Platin zeigt ebenfalls einen deutlichen Effekt bei einer linearen Temperaturabhängigkeit des Widerstandes. Geeignete Schichtdicken liegen im Bereich von 500 bis 600 nm für polykristallines Silizium und von 50 bis 100 nm für CrNi oder Platin.For this application, the resistance layer expediently selected a material that a significant dependence of the specific resistance from deformation. As suitable Materials here are e.g. polycrystalline silicon, Chromium-nickel alloy or platinum to mention. NiCr layers show practically none Temperature dependence of the resistance, but one relatively small effect when bending while polycrystalline silicon a non-linear temperature dependency, but a much larger one Has an effect when bending. Platinum shows also a clear effect with a linear Temperature dependence of the resistance. Suitable Layer thicknesses range from 500 to 600 nm for polycrystalline silicon and from 50 to 100 nm for CrNi or platinum.
Generell sind die Schichtdicken so zu wählen, daß die Schichtleitfähigkeit der Widerstandsschicht kleiner als die der Kontaktschicht ist, ungeachtet der spezifischen Leitfähigkeiten der für diese Schichten verwendeten Materialien.In general, the layer thicknesses should be chosen so that the layer conductivity of the resistance layer is smaller than that of the contact layer, regardless the specific conductivities for this Layers of materials used.
In Figur 6 sind die aufeinanderfolgenden Stufen A bis H des Verfahrens zur Herstellung eines Abgleichwiderstandes gemäß Figuren 1 bis 3 beziehungsweise des mit Abgleichwiderständen A1, A2 ausgestatteten Sensors aus Figur 4 und 5 gezeigt.In Figure 6, the successive stages are A to H of the method for producing a trimming resistor according to Figures 1 to 3 respectively the equipped with trimming resistors A1, A2 Sensor shown in Figures 4 and 5.
Stufe A zeigt das noch leere Substrat 1 beziehungsweise
die Druckdose aus Figur 5, bestehend aus dem
Rahmen 13 und der Membran 12. Dieses Substrat wird
zunächst einer Eingangskontrolle auf Rauhigkeit unterzogen
und anschließend zunächst naß und dann
durch Argon-Rück-Kathodenzerstäubung endgereinigt.
Das so behandelte Substrat wird anschließend auf
etwa 300°C vorgeheizt, um es für eine PECVD-Oxidabscheidung
vorzubereiten. Anschließend wird die
Isolationsschicht 2 in einer Dicke von 7-10 µm aus
Siliziumoxid abgeschieden. Diese Isolationsschicht
auf dem Substrat wird stichprobenweise auf Dicke
und Spannung kontrolliert.Stage A shows the still
Ausgehend von dem beschichteten Substrat 1 (Stufe
B) wird die Widerstandsschicht 3 durch Kathodenzerstäubung
aufgetragen. Der Oberflächenwiderstand
wird durch das 4-Spitzen-Verfahren überprüft, und
die Schichtdicke wird durch Röntgenfluoreszenz bestimmt
(Stufe C).Starting from the coated substrate 1 (stage
B) the
Es folgt ein Strukturierungsschritt, in dem aus der zunächst großflächig aufgebrachten Widerstandsschicht die in Figur 1 gezeigte Mäanderstruktur hergestellt wird. Für diese Strukturierung kann eine photolithographische Technik oder eine Laserstrukturierungstechnik eingesetzt werden. Die photolithographische Technik umfaßt das Aufbringen einer Lackschicht, das Belichten der Lackschicht mit dem gewünschten Muster und ihre Entwicklung, ein nachchemisches Ätzen derjenigen Bereiche, die durch die Entwicklung ihre Lackschicht verloren haben, und abschließend die Entfernung der restlichen Lackschicht. Die Laserstrukturierung stellt ein besonders vorteilhaftes Strukturierungsverfahren dar. Hierbei wird Laserlicht geeigneter Energiedichte durch eine Maske auf die Oberfläche der Membran eingestrahlt. Mit Hilfe der Vertiefung an der Rückseite der Membran 12 (siehe Figur 5) ist es möglich, den Sensor geeignet für die Strukturierung zu zentrieren. Außerdem wird die beschichtete Ebene automatisch in die Fokusebene gebracht. Die Laserbelichtung durch die Maske bewirkt, daß das mit der Laserstrahlung beaufschlagte Schichtmaterial entfernt (ablatiert) wird, so daß die Vielzahl der Schritte des photolithographischen Verfahrens entfallen können.A structuring step follows in which the first, a large-area resistance layer the meandering structure shown in Figure 1 will be produced. For this structuring can a photolithographic technique or a laser structuring technique be used. The photolithographic Technique involves applying one Lacquer layer, the exposure of the lacquer layer with the desired pattern and its development post-chemical etching of those areas by development have lost their paint layer, and finally the removal of the rest Paint layer. The laser structuring stops particularly advantageous structuring process Here, laser light becomes a suitable energy density through a mask on the surface of the membrane irradiated. With the help of the deepening on the It is the back of the membrane 12 (see FIG. 5) possible, the sensor suitable for structuring to center. Also, the coated layer automatically brought to the focus level. The Laser exposure through the mask causes that layer material exposed to the laser radiation is removed (ablated) so that the multitude the steps of the photolithographic process can be omitted.
Die Stärke der Absorption der verwendeten Excimer-Laserstrahlung
in der Isolationsschicht 2 kann
durch Einstellen eines gewünschten Siliziumgehaltes
der Isolationsschicht variiert werden. Dies ermöglicht
es, daß Strahlung, die gegen Ende der Abtragung
der Widerstandsschicht 3 die Isolationsschicht
2 erreicht, über deren gesamte Dicke verteilt absorbiert
wird und so die Grenzfläche zwischen
Substrat und Isolationsschicht nicht oder nicht in
einer solchen Stärke erreicht, daß sie zu einer
Schädigung dieser Grenzschicht führen könnte. Eine
solche siliziumreiche Oxidschicht läßt sich auch
vorteilhaft durch eine aufgesputterte Siliziumoxidschicht
erreichen. Eine solche gesputterte Schicht
hat außerdem den Vorteil, daß dadurch die anschließend
aufzubringende Widerstandsschicht eine höhere
Langzeitstabilität erreicht, weil dadurch die Widerstandsschicht
vor dem Wasserstoff geschützt
wird, der üblicherweise in PECVD-Oxid- beziehungsweise
Nitrid-Schichten bei der Abscheidung mit eingebaut
wird. Folgerichtig sollte dann auch vor der
Passivierung der Widerstandsschicht eine gesputterte
Oxidschicht vorgesehen werden.The strength of the absorption of the excimer laser radiation used
in the
Stufe (D) zeigt das Substrat mit der fertig strukturierten
Widerstandsschicht 3.Stage (D) shows the substrate with the finished structured one
In dieser Stufe findet eine optische Kontrolle
statt, anschließend wird eine Passivierungsschicht
5 abgeschieden (Stufe E). Dicke und Spannung dieser
Schicht werden in ähnlicher Weise wie bei der Widerstandsschicht
3 in Stufe (C) kontrolliert. Anschließend
findet eine Temperung bei 350°C statt.
Für eine nachfolgende Strukturierung der Passivierungsschicht
5 können wiederum eine photolithographische
Technik oder Laserstrukturierung angewendet
werden, wie bereits für die Strukturierung der Widerstandsschicht
3 beschrieben. In diesem Strukturierungsschritt
werden Fenster 4 jeweils oberhalb
der bestehengebliebenen Stücke der Widerstandsschicht
3 erzeugt. Diejenigen Stücke, die eines der
Widerstandselemente R1 bis R4 bilden sollen, erhalten
zwei Fenster für die Durchführung der Anschlußkontakte,
diejenigen Stücke, die die Abgleichwiderstände
A1, A2 bilden sollen, erhalten
eine Vielzahl von über ihre Oberfläche verteilten
Fenstern.At this stage there is an optical control
instead, then a
Die fertig strukturierte Passivierungsschicht 5 (Stufe F) wird optisch kontrolliert.The finished structured passivation layer 5 (Level F) is checked optically.
In einem nachfolgenden Schritt wird die Kontaktschicht
6 durch Kathodenzerstäubung aufgetragen.
Als Material für die Kontaktschicht 6 wird vorzugsweise
Gold - auch wegen seiner Stabilität gegen
Umwelteinflüsse - mit einer Schichtdicke von 0,3
bis 0,5 nm verwendet. Gegebenenfalls wird aber
darunter noch eine metallische Haftschicht und ein
weiteres Metall als Diffusionsbarriere im gleichen
Schritt aufgebracht. Aluminium oder Nickel kommen
als Materialien ebenfalls in Frage. Die Dicke der
Kontaktschicht 6 wird anschließend mittels Röntgenfluoreszenz
kontrolliert.In a subsequent step, the
Für die darauffolgende Strukturierung der Kontaktschicht
6 kommen wiederum das photolithographische
Verfahren oder das Verfahren der Laserstrukturierung
in Frage. Die Sollabmessungen der Kontaktschichtbereiche,
die die Kontaktschicht der Abgleichwiderstände
bilden sollen, sind so gewählt,
daß unter Berücksichtigung von Maskentoleranzen und
sonstigen Fertigungsungenauigkeiten gewährleistet
ist, daß die nach der Strukturierung bestehenbleibende
Kontaktschicht an keiner Stelle über den Rand
der darunterliegenden Widerstandsschicht hinausragt.
Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, daß
die Kapazität der Widerstandselemente und der Abgleichwiderstände
ausschließlich durch die Fläche
ihrer Widerstandsschichten 3 festgelegt ist und von
eventuellen Ungenauigkeiten bei der Positionierung
der Kontaktschichten nicht beeinflußt werden kann.
So ist es möglich, die Brückenschaltung mit einem
hohen Maß an Symmetrie der Kapazität ihrer einzelnen
Zweige zu fertigen. Folglich kann die Brückenschaltung
in einem weiten Frequenzbereich von Eingangsspannungen
betrieben werden, ohne daß Ungleichverteilungen
der Kapazität auf die einzelnen
Zweige ihre Ausgangsspannung frequenzabhängig
beeinflussen.For the subsequent structuring of the
Eine Alternative bei der Herstellung der Kontaktschicht
6 ist die Verwendung einer "Schattenmaske",
die während des Aufbringens des Materials der Kontakt
nur diejenigen Bereiche an der Oberfläche des
Substrates freiläßt, an denen beim fertigen Sensor
tatsächlich eine Kontaktschicht benötigt wird. Auf
diese Weise besteht die Möglichkeit, die Strukturierung
der Kontaktschicht völlig einzusparen, das
heißt die Stufe (G) der Fertigung wird übersprungen.An alternative in the production of the
Stufe (H) zeigt den Sensor mit fertig strukturierter
Kontaktschicht 6.
Auf dieser Stufe der Fertigung, nach vollständigem
Abschluß sämtlicher Beschichtungs- und Strukturierungsschritte,
kann das Einmessen der Brückenschaltung
erfolgen.Stage (H) shows the sensor with the
At this stage of the production, after all the coating and structuring steps have been completed, the bridge circuit can be calibrated.
Beim nachfolgenden Einmessen der Widerstandsbrücke
wird eine Eingangsspannung an diagonal gegenüberliegende
Anschlüsse, z.B. K1, K3, der Brückenschaltung
angelegt, und eine Ausgangsspannung an den
beiden anderen Ausgingen gemessen. Wenn diese von
Null verschieden ist, ist ein Abgleich des Sensors
erforderlich, der dadurch erfolgt, daß bei einem
der zwei Abgleichwiderstände A1, A2 Bereiche der
Kontaktschicht wie der Bereich 7 aus Figur 1 in der
Zahl zerstört werden, wie notwendig ist, um die
Ausgangsspannung auf Null zu bringen. Diese lokale
Zerstörung wird mit einem Excimerlaser durchgeführt.
Wenn die vorhergehenden Strukturierungsschritte
bereits durch Laserablation durchgeführt
worden sind, kann zweckmäßigerweise der gleiche
Laser auch für den Abgleich zum Einsatz kommen. Es
sind aber auch andere - bekannte - Verfahren zum
Durchtrennen, wie zum Beispiel Funkenerosion, anwendbar.When subsequently measuring the resistance bridge
becomes an input voltage to diagonally opposite
Connections, e.g. K1, K3, the bridge circuit
applied, and an output voltage to the
measured on the other two outputs. If this from
Zero is different, is an adjustment of the sensor
required, which takes place in that at a
of the two trimming resistors A1, A2 ranges of
Contact layer as the
Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich ausgezeichnet zur Herstellung von Hochdrucksensoren in Großserie, denn die Herstellungsschritte bis zur Stufe (H) können vorteilhaft in einer Halterung für eine große Zahl von Sensoren gleichzeitig durchgeführt werden, ohne daß zwischendurch Schritte erforderlich sind, die eine Einzelbehandlung der Sensoren erfordern; nach erfolgtem Abgleich ist der Sensor vollständig fertig, ohne daß weitere Beschichtungsschritte erforderlich wären. The proposed method is excellent for the production of high pressure sensors in Large series, because the manufacturing steps up to Level (H) can be advantageous in a holder for a large number of sensors performed simultaneously without any steps in between are an individual treatment of the Require sensors; after adjustment is the Sensor completely finished, without further coating steps would be required.
Der Sensor kann sogar auch erst dann abgeglichen
werden, wenn die Membran 12 mit dem Metallrahmen 13
- Figur 5 - auf einen Druckstutzen geschweißt worden
ist, was unter Umständen zu einer geringen
Verstimmung der Widerstandsbrücke führen kann.Only then can the sensor be adjusted
when the
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