EP1093132B1 - Planarer Abgleichwiderstand, Anwendungen und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

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EP1093132B1
EP1093132B1 EP00115803A EP00115803A EP1093132B1 EP 1093132 B1 EP1093132 B1 EP 1093132B1 EP 00115803 A EP00115803 A EP 00115803A EP 00115803 A EP00115803 A EP 00115803A EP 1093132 B1 EP1093132 B1 EP 1093132B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
contact layer
trimming resistor
contact
substrate
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP00115803A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1093132A3 (de
EP1093132A2 (de
Inventor
Walter Emili
Herbert Goebel
Harald Wanka
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Publication of EP1093132A3 publication Critical patent/EP1093132A3/de
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Publication of EP1093132B1 publication Critical patent/EP1093132B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • 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 balancing resistor with a substrate and a deposited thereon Resistor layer, a resistance bridge circuit and a sensor comprising such Use balance resistor, and procedure for the preparation of the balancing resistor or the resistance bridge circuit or the Sensor.
  • Balancing resistors are used in circuits, the first made with a certain tolerance and their behavior afterwards by adjusting the resistance value of said Adjustment resistors is set exactly.
  • This advantage is achieved in that a contact layer, which has better conductivity than that Resistor layer, on the resistance layer is arranged so that they at least to individual places with the latter in managerial contact stands, and the at least locally ablative Treatment is accessible. If at one such adjustment resistor, the contact layer locally is eliminated, this has the consequence that a Electricity that otherwise flowed through the contact layer at least partially into the resistance layer is pushed, so that by the removal the contact layer of the resistance value controlled is increased. At the same time as the resistance layer exist under the ablated contact layer remains, the substrate opposite one changes electrically conductive surface of the Reconciliation resistance is not, and its capacity is not changed by the removal process.
  • the contact layer may over the Limits of the resistive layer out on the substrate extend. However, those areas are allowed the contact layer, not above the Resistive layer lie, not be removed, otherwise the surface of the balance resistor would be reduced and the capacity thus nevertheless would be undesirable. To such To rule out problems, it is appropriate to the Contact layer during the production of the balancing resistor so that they do not have the Resists edges of the resistive layer.
  • the contact layer and the resistance layer are preferably formed strip-shaped. connecting contacts are at 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 balance resistor has a passivation layer on that the resistance layer essentially covered and only locally individual Window has the conductive contact allow the contact layer with the resistive layer.
  • the contact layer is particularly easy to cut, their severance causes a electric current, otherwise through the contact layer would have flowed between the two windows must take the path over the resistance layer.
  • the passivation layer is not just for protection the resistance layer from environmental influences, their Window structure has the additional advantage that it is sufficient, the contact layer on a small To cut length between two windows to the current path in the resistance layer around the im Compared to this length greater distance between to extend two windows.
  • a preferred application of the balancing resistor is a resistance bridge circuit.
  • the Resistance elements and the at least one balancing resistor formed on the same substrate. So the resistance elements and the Balancing resistor partly with the same process steps getting produced.
  • balancing resistor is a sensor that is a deformable Substrate and at least one resistive element, its resistance by deformation of the substrate is changeable and an inventive Matching resistor is assigned.
  • This resistance element can in turn be part of a Be resistance bridge circuit.
  • the sensor may advantageously be act a pressure sensor; the substrate can be part a pressure capsule of such a sensor.
  • the invention further relates to a defined in claim 16 method for Producing a balancing resistor, in which a Resistance layer on an insulated substrate is separated and structured, and in which over the resistance layer in at least local Contact with this one contact layer formed which is better in conductivity than the resistance layer Has.
  • the windows to manufacture having the local contact.
  • the different layers are suitable photolithographic Procedure or - especially for sensors advantageous - laser structuring method.
  • the Contact layer can in particular also by sputtering of the layer material are generated. Also conceivable is the application of the material of Contact layer directly through a mask, so that the contact layer on the resistance layer (separated by the passivation) immediately in the desired shape arises.
  • the adjustment of the resistance is preferably carried out by severing the contact layer between two Windows, preferably by laser ablation. These Laser ablation is with the same equipment feasible, which may also be previously for the laser structuring used the different layers have been.
  • Figures 1, 2 and 3 show a section of a Inventive balancing resistor in one Top view or in two sections.
  • a substrate 1 here a stainless steel sheet with an insulating layer 2 built of silica on it.
  • He includes one Resistance layer 3 of a material with moderate good conductivity, on the insulation layer 2 forms a meandering or zigzag pattern, of which two complete periods are shown in FIG are.
  • the contact layer 6 is over the Window 4 with the resistance layer 3 in conductive Contact.
  • the conductivity of the contact layer 6 significantly better than that of the resistive layer 3 flows in the unbalanced state of the balancing resistor a current applied through the contact terminals in the essentially through the contact layer 6.
  • a bottleneck e.g. to area 7 cut.
  • the method of laser ablation is suitable in particular with an excimer laser. That's it readily possible, one on the area 7 irradiated laser energy so that the Contact layer 6 at the relevant point is removed without at the same time the underlying Resistor layer 3 with damaged becomes.
  • the materials the contact layer 6 and the resistance layer 3 and the wavelength of the laser can be chosen so that the ablation of the contact layer.
  • the composition of the Passivation layer 5 serve.
  • the penetration depth of the laser radiation adjust so that these on the Total thickness of the passivation layer 5 away from this is absorbed and so their energy in their distributed throughout the entire volume.
  • the penetration depth of the radiation at the metals or semiconductor materials of the contact layer or the resistance layer essential smaller, so that the induced by the laser heating these layers are on a thin surface layer concentrated and sufficient of these to evaporate this surface layer.
  • Figures 4 and 5 show a preferred application example of the balancing resistor described above.
  • FIG. 4 is a plan view of the membrane 12 of FIG Pressure sensor, here the role of the substrate 1 plays.
  • this membrane are four resistor elements R1, R2, R3, R4 with terminals A1, A2, A3, A4 connected to a Wheatstone bridge. Balancing resistors A1, A2 with reference to figures 1 to 3 described with the resistance elements R3, R4 connected in series.
  • the resistance elements and the balancing resistors are in a common process, to which later is received in more detail on the membrane 12th generated; the resistor elements R1, R2, R3, R4 have a resistive layer, that of the resistive layer 3 corresponds to the balancing resistances, however, they do not have a continuous one Contact layer, and the passivation layer 5 is over the resistive elements R1, R2, R3, R4 with Exception of their connecting pads throughout.
  • FIG. 5 shows the membrane 12 of FIG. 4 in cross section. It is part of a high pressure sensor 11 and is integral with a rigid metal frame thirteenth connected. Located between the two sides the diaphragm 12 a pressure gradient, 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 field of resistance elements R1 and R2 to a compression and in the area of the resistance elements R3 and R4 to an elongation at the Surface of the membrane. These deformations influence the conductivity of the resistive layers the resistance elements and cause a detuning the Wheatstone Bridge leading to one two of the terminals K1 to K4 tapped, of Zero different measuring voltage leads.
  • the resistance layer expediently, a material chosen, the one distinct dependence of the specific resistance from deformation.
  • materials are here e.g. polycrystalline silicon, Chrome-nickel alloy or platinum to mention.
  • NiCr layers show virtually no Temperature dependence of the resistance, but one relatively small effect when bending while polycrystalline silicon has a non-linear temperature dependence, but for a much larger Has bending effect.
  • Platinum shows also a significant effect in a linear Temperature dependence of the resistance.
  • suitable Layer thicknesses are in the range of 500 to 600 nm for polycrystalline silicon and from 50 to 100 nm for CrNi or platinum.
  • the layer thicknesses should be selected so that the layer conductivity of the resistance layer smaller than that of the contact layer, regardless the specific conductivities of these Layers of used materials.
  • Stage A shows the still empty substrate 1 and the pressure box of Figure 5, consisting of the Frame 13 and the membrane 12.
  • This substrate is initially subjected to an incoming control for roughness and then wet and then final purification by argon-back sputtering.
  • the thus treated substrate is then on preheated to about 300 ° C to make it for a PECVD oxide deposition prepare.
  • the Insulation layer 2 in a thickness of 7-10 microns Deposited silicon oxide. This isolation layer on the substrate is sampled for thickness and tension controlled.
  • the resistance layer 3 by sputtering applied.
  • the surface resistance is checked by the 4-point method, and the layer thickness is determined by X-ray fluorescence (Level C).
  • a structuring step in which the initially applied over a large area resistive layer the meander structure shown in FIG will be produced.
  • the photolithographic Technique involves the application of a Lacquer layer, exposing the lacquer layer with the desired pattern and its evolution, a afterchemical etching of those areas through the development has lost its lacquer coating, and finally the removal of the rest Paint layer.
  • the laser structuring stops particularly advantageous structuring method Hereby, laser light becomes suitable energy density through a mask on the surface of the membrane irradiated. With the help of the recess at the Rear side of the membrane 12 (see Figure 5) is it possible, the sensor suitable for structuring to center. In addition, the coated level automatically brought into the focal plane.
  • the Laser exposure through the mask causes the with the laser radiation acted upon layer material removed (ablated), so that the multiplicity 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, towards the end of the ablation the resistance layer 3, the insulating layer 2 achieved absorbed over the entire thickness absorbed is and so is the interface between Substrate and insulation layer not or not in of such strength that it becomes one could cause damage to this boundary layer.
  • a Such silicon-rich oxide layer can also be advantageously by a sputtered silicon oxide layer to reach.
  • Such a sputtered layer also has the advantage that thereby the subsequent to be applied resistance layer a higher Achieved long-term stability, because thereby the resistance layer protected from the hydrogen is usually in PECVD oxide or Nitride layers incorporated in the deposition becomes. Consequently, then should also before Passivation of the resistive layer a sputtered Oxide layer can be provided.
  • Stage (D) shows the substrate with the finished textured Resistive layer 3.
  • a subsequent structuring of the passivation layer 5 can turn a photolithographic Technique or laser structuring applied as already for the structuring of the resistance layer 3 described.
  • windows 4 are each above the remaining pieces of the resistance layer 3 generated. Those pieces that one of the Resistive elements R1 to R4 to form obtained two windows for the passage of the connection contacts, those pieces that match the balance resistors A1, A2 should receive a variety of distributed over its surface Windows.
  • the finished structured passivation layer 5 (Step F) is optically controlled.
  • the contact layer becomes 6 applied by sputtering.
  • the material for the contact layer 6 is preferably Gold - also because of its stability against Environmental influences - with a layer thickness of 0.3 used to 0.5 nm. If necessary, but will including a metallic adhesive layer and a another metal as a diffusion barrier in the same Step up. Aluminum or nickel come as materials also in question.
  • the thickness of the Contact layer 6 is then by means of X-ray fluorescence controlled.
  • the photolithographic Method or method of laser structuring in question.
  • the nominal dimensions of the contact layer areas, the contact layer of the balancing resistors are to be formed, are chosen in consideration of mask tolerances and other manufacturing inaccuracies guaranteed is that the remaining after structuring Contact layer at no point over the edge protrudes the underlying resistance layer.
  • This measure ensures that the capacitance of the resistive elements and the balancing resistors exclusively through the area their resistive layers 3 is fixed and of any inaccuracies in positioning the contact layers can not be affected. So it is possible to use the bridge circuit with a high degree of symmetry of the capacity of their individual To produce branches. Consequently, the bridge circuit in a wide frequency range of input voltages be operated without unequal distributions the capacity on the individual Branches their output voltage frequency dependent influence.
  • Stage (H) shows the sensor with finished structured contact layer 6. At this stage of production, after complete completion of all coating and structuring steps, the calibration of the bridge circuit can take place.
  • the proposed method is excellent for the production of high pressure sensors in Large series, because the manufacturing steps up to Stage (H) can be used advantageously in a holder for a large number of sensors are performed simultaneously without having to take steps in between that are a single treatment of Sensors require; after the adjustment is the Sensor completely finished, without further coating steps would be required.
  • the sensor can even be adjusted only then be when the membrane 12 with the metal frame 13th - Figure 5 - have been welded to a discharge nozzle is what may be a minor Can lead to detuning of the resistance bridge.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)

Description

Stand der Technik
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.
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. US 3996 551 offenbart einen Abgleichwiderstand mit den Merkmale des Oberberiffs von Anpruch 1.
Vorteile der Erfindung
Durch die vorliegende in Anspruch 1 definierte Erfindung wird ein planarer Abgleichwiderstand der eingangs beschriebenen Art geschaffen, dessen Kapazität durch den Abgleichvorgang nicht beeinflußt wird.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Bei dem Sensor kann es sich vorteilhafterweise um einen Drucksensor handeln; das Substrat kann Teil einer Druckkapsel eines solchen Sensors sein.
Die Erfindung betrifft ferner ein in Anpruch 16 definiertes Verfahren zum Herstellen eines Abgleichwiderstandes, bei dem eine Widerstandsschicht auf einem isolierten 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.
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.
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.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren.
Figuren
  • Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Abgleichwiderstandes.
  • Figur 2 zeigt den Ausschnitt im Schnitt entlang der Linie II-II aus Figur 1.
  • Figur 3 zeigt einen zweiten Schnitt entlang der Linie III-III aus Figur 1.
  • Figur 4 zeigt eine Widerstandsbrücke mit Ausgleichwiderständen gemäß der Erfindung auf einer Membran eines Drucksensors;
  • Figur 5 zeigt einen Teil dieses Drucksensors im Schnitt; und
  • Figur 6 zeigt die einzelnen Schritte des Herstellungsverfahrens des Sensors der Figuren 4 und 5.
    • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
    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.
    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.
    Kontaktanschlüsse (nicht dargestellt) befinden sich an den gegenüberliegenden Enden der streifenartigen Kontaktschicht 6.
    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.
    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.
    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.
    Die Figuren 4 und 5 zeigen ein bevorzugtes Anwendungsbeispiel des oben beschriebenen Abgleichwiderstandes.
    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.
    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.
    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.
    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 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.
    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.
    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).
    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.
    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.
    Stufe (D) zeigt das Substrat mit der fertig strukturierten Widerstandsschicht 3.
    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.
    Die fertig strukturierte Passivierungsschicht 5 (Stufe F) wird optisch kontrolliert.
    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.
    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.
    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.
    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.
    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 Ausgängen 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.
    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.
    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.

    Claims (22)

    1. Planarer Abgleichwiderstand mit
      einem Substrat (1) und
      einer auf dem Substrat (1) abgeschiedenen Widerstandsschicht (3), und
      einer auf der Widerstandsschicht (3) angeordneten Kontaktschicht (6), die eine bessere Leitfähigkeit als die Widerstandsschicht aufweist,
      wobei die Kontaktschicht (6)
      wenigstens an einzelnen Stellen (4) mit der Widerstandsschicht (3) in leitendem Kontakt steht und
      wenigstens lokal (7) oberhalb der Widerstandsschicht (3) einer abtragenden Behandlung zugänglich ist,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Widerstandsschicht (3) zwischen dem Substrat (1) und einer Passivierungsschicht (5) eingeschlossen ist, wobei die Passivierungsschicht Fenster (4) aufweist, durch die hindurch die Kontaktschicht (6) die Widerstandsschicht berührt.
    2. Abgleichwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (6) nicht über die Ränder der Widerstandsschicht (3) übersteht.
    3. Abgleichwiderstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (6) und die Widerstandsschicht (3) streifenförmig sind, und dass Anschlusskontakte an entgegengesetzten Enden der Kontaktschicht (6) vorgesehen sind.
    4. Abgleichwiderstand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifen zickzack-oder mäanderformig auf dem Substrat (1) angeordnet sind.
    5. Abgleichwiderstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Isolationsschicht (2) zwischen der Widerstandsschicht (3) und dem Substrat (1) angeordnet ist.
    6. Abgleichwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (6) jeweils zwischen zwei Fenstern (4) eine Engstelle (7) aufweist.
    7. Abgleichwiderstand nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (6) an wenigstens einer Stelle (7) zwischen zwei Fenstern (4) durchtrennt ist.
    8. Abgleichwiderstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsschicht (3) aus einer Nickel-Chrom-Legierung, aus Platin oder aus PolySilizium besteht.
    9. Abgleichwiderstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (6) eine Schicht aus Gold umfasst.
    10. Abgleichwiderstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (6) eine Haftschicht und/oder eine Diffusionsbarriere an ihrer Unterseite aufweist.
    11. Widerstandsbrückenschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens einen Abgleichwiderstand (A1, A2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
    12. Widerstandsbrückenschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandselemente (R1, R2, R3, R4) der Widerstandsbrückenschaltung und der Abgleichwiderstand (A1, A2) auf einem gleichen Substrat (1) ausgebildet sind.
    13. Sensor mit einem verformbaren Substrat (1, 12) und wenigstens einem Widerstandselement (R3, R4) dadurch gekennzeichnet, dass dem Widerstandselement (R3, R4) ein Abgleichwiderstand (A1, A2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zugeordnet ist.
    14. Sensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandselement (R3, R4) Teil einer Widerstandsbrückenschaltung ist.
    15. Sensor nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1, 12) Teil einer Druckkapsel ist.
    16. Verfahren zum Herstellen eines Abgleichwiderstandes, bei dem eine Widerstandsschicht (3) auf einem isolierten Substrat (1) abgeschieden und strukturiert wird, wobei über der Widerstandsschicht (3) in wenigstens lokalem Kontakt mit dieser eine Kontaktschicht (6) gebildet wird, die eine bessere Leitfähigkeit als die Widerstandsschicht hat,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      auf der Widerstandsschicht (3) vor der Bildung der Kontaktschicht (6) eine Passivierungsschicht (5) aufgebracht wird, die Fenster (4) zur Herstellung des lokalen Kontaktes aufweist.
    17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsschicht (3) und/oder gegebenenfalls die Passivierungsschicht (5) photolithographisch und/oder durch Laserbestrahlung strukturiert werden.
    18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (5) durch Sputtern oder Aufdampfen erzeugt wird.
    19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat (1) vor Erzeugung der Widerstandsschicht (3) eine Isolationsschicht (2) durch Aufsputtern einer Siliziumschicht erzeugt wird.
    20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Kontaktschicht (6) durch eine Maske hindurch aufgebracht wird.
    21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass für den Abgleich des Abgleichwiderstandes (A1, A2) die Kontaktschicht (6) zwischen zwei Fenstern (4) durchtrennt wird, um einen Stromfluss durch die Widerstandsschicht (3) zu erzwingen.
    22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrennung durch Laserablation oder Funkenerosion erfolgt.
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