RU2791082C1 - Способ изготовления тонкопленочных платиновых терморезисторов на диэлектрической подложке и устройство терморезистора (варианты) - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу изготовления тонкопленочных платиновых терморезисторов на диэлектрических подложках и устройству тонкопленочного терморезистора, которые могут быть использованы при изготовлении дискретных измерителей уровня температуры. Повышение надежности и стабильности терморезисторов за счет уменьшения разброса номинальных значений сопротивлений, а также повышение точности изготовления геометрических размеров пленочных элементов является техническим результатом изобретения, который достигается за счет того, что на поверхность маски из составного жертвенного слоя из алюминия и фоторезиста последовательно напыляют в вакууме адгезионный подслой титана и основной слой платины, после чего удаляют жертвенный слой травлением и проводят отжиг диэлектрической подложки с пленочными элементами терморезистора при температуре 400-450°С в атмосфере воздуха. При этом по крайней мере один меандр пленочного резистора, его контактные площадки с клиньями выполнены из слоя платины толщиной 0,2-2,0 мкм, а в качестве адгезионного подслоя между диэлектрической подложкой и слоем платины применен адгезионный слой титана толщиной 0,01-0,02 мкм. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 16 ил., 2 табл.

Description

Технические решения относятся к приборостроению, а именно к способу изготовления тонкопленочных платиновых терморезисторов на тонких диэлектрических подложках (например, стеклянных) и вариантам устройств терморезисторов для реализации способа. Тонкопленочные платиновые терморезисторы предназначены для контроля уровня, измерения температуры и массового расхода компонентов газов и жидкостей, например, при расходовании и хранении топлива в химической, космической и других областях промышленности. При изготовлении тонкопленочных платиновых терморезисторов необходимо сформировать резисторы требуемой формы, для обеспечения заданных номинальных сопротивлений.

Травление платины вызывает определенные трудности и для ее травления необходимо применять, например, длительное травление в сильных травителях или применять ионно-плазменное травление, которое требует специального технологического оборудования и дополнительных производственных затрат. Использование технологии обратной фотолитографии с травлением жертвенного слоя из только одного фоторезиста, позволяет существенного удешевить способ изготовления тонкопленочных платиновых терморезисторов на стеклянной подложке, однако их качество низкое из-за образования так называемой «вуали» - остатков фоторезиста, а также получаемых неровных краев (границ) пленки из платины.

Из научно-технической и патентной литературы (уровня техники) широко известны способы обратной «взрывной» фотолитографии, а также способы изготовления платиновых терморезисторов на диэлектрических подложках, в том числе и на стеклянных подложках.

Так, известна технология обратной взрывной фотолитографии:

- Технология тонких пленок. Под ред. Л. Майссела, Р. Глэнга. Нью-Йорк, 1970. Пер. с англ. Под ред. М.И. Елинсона, Г.Г. Смолко. Т. I. М., «Сов. радио», 1977, 664 с., стр. 624-625, рис. 17. - [1];

- Дж. Фрайден. Современные датчики. Справочник. Москва: «Техносфера» 2006. - 592 с. ISBN 5-948336-050-4, стр. 565-566, рис. 18.16. - [2];

- Патент на изобретение РФ: RU 2096935 С1 от 20.11.1997, МПК Н05К 3/06, H01L 21/30, «Способ фотолитографии» - [3].

Обратная фотолитография по [1, 2 и 3] позволяет обойтись без сильнодействующих химических реактивов и вытравливания на подложке части пленок (слоев) из платины для формирования рисунка. Однако, при ее применении сложно перед нанесением пленки из платины из подложки полностью удалить остатки фоторезиста, и оставшаяся, так называемая «вуаль» от фоторезиста, сильно снижает качество получаемых терморезисторов, так как наличие «вуали» снижает повторяемость геометрических размеров в производстве. Все это приводит к снижению технологичности и повышению затрат при изготовлении терморезисторов. Кроме того, в литературных источниках [1, 2 и 3] в качестве жертвенного слоя не используют чистый алюминий.

Прототипом заявленных технических решений является «Тонкопленочный платиновый терморезистор на стеклянной подложке и способ его изготовления» по патенту РФ: RU 2736630 С1 от 19.11.2020 - [4].

Способ изготовления тонкопленочных платиновых терморезисторов на диэлектрических подложках по прототипу [4] состоит в последовательном нанесении на подложку жертвенного слоя, проведении фотоэкспонирования, проявлении рисунка жертвенного слоя фоторезиста, напылении адгезивного подслоя и основного слоя - платины и дальнейшем проведении обратной фотолитографии с удалением жертвенного слоя с пленками адгезивного подслоя и основного слоя - платины, позволяющий формировать тонкопленочные терморезисторы. При этом жертвенный слой формируют из алюминия путем последовательного напыления в вакууме на пластину из покровного стекла жертвенного слоя алюминия толщиной 0,5-1,0 мкм при температуре 150-200°С и нанесения слоя фоторезиста, далее проводят фотоэкспонирование фоторезиста с формированием рисунка на слое алюминия, травление жертвенного слоя алюминия и смывку остатков фоторезиста, после чего проводят при температуре 150-200°С последовательное напыление на подложку с рисунком из жертвенного слоя алюминия адгезионного подслоя титана толщиной 0,01-0,02 мкм и основного слоя - платины толщиной 0,15-0,25 мкм. Осуществляют обратную взрывную фотолитографию жертвенного слоя алюминия с нанесенными на него пленками адгезионного подслоя титана и основного слоя - платины. Проводят отжиг в вакууме при температуре 150-250°С в течение 20-50 минут и разделяют подложку на отдельные терморезисторы, у каждого из которых их контактные площадки покрывают слоем припоя и осуществляют электротренировку каждого терморезистора.

Устройство тонкопленочного платинового терморезистора на диэлектрической подложке по прототипу [4] состоит из диэлектрической подложки прямоугольной формы, на которой в центре размещен пленочный резистор в форме меандра, а по краям коротких сторон прямоугольной подложки расположены контактные площадки, которые к меандру терморезистора подведены в виде клиньев. На свободных от меандра терморезистора и контактных площадок участках подложки находятся прямоугольные технологические площадки, расстояния между которыми равны зазорам между полосками меандра терморезистора. Подложка выполнена из стекла толщиной 0,10-0,19 мм, длиной 4-6 мм, шириной 0,6-1,2 мм, меандр терморезистора занимает площадь от 0,20 мм × 0,20 мм до 0,4 мм × 0,4 мм. Меандр терморезистора, его контактные площадки и прямоугольные технологические площадки выполнены из слоя платины толщиной 0,15-0,25 мкм, а в качестве адгезионного подслоя между стеклянной подложкой и слоем платины применен слой титана толщиной 0,01-0,02 мкм.

Недостатком прототипа [4] - способа является большая длительность процесса травления жертвенного слоя алюминия методом взрывной фотолитографии (порядка 100-120 минут), даже с применением на пустых (свободных) участках диэлектрической подложки прямоугольных технологических площадок, расположенных на расстояниях друг от друга, равных зазорам между полосками меандра терморезистора по устройству [4].

Первым недостатком прототипа [4] - устройства является большое влияние неравномерности толщины напыляемого слоя платины на разброс номинальных сопротивлений пленочных резисторов при толщине платины не более 0,3 мкм и наличие отказов паяных соединений проводов к тонким контактным платиновым площадкам. То есть, приводящих к низкой надежности терморезисторов. Вторым его недостатком является увеличенное рассеивание теплового поля на поверхности подложки из-за наличия дополнительных технологических площадок, которые уменьшают температуру терморезистора при его нагреве и, следовательно, снижают чувствительность изменения сопротивления при изменении физических параметров окружающей среды.

Недостатки способа прототипа [4] ставят следующие нижеприведенные задачи.

а) Сокращение сроков изготовления терморезисторов, за счет сокращения сроков проведения процесса взрывной фотолитографии и травления жертвенного слоя алюминия, находящегося под основным слоем платины. То есть задачу повышения технологичности изготовления. При этом необходимо соблюсти заданные геометрические размеры, достигаемые в прототипе, или их улучшить.

б) Повышение технологичности, надежности, а также уменьшение разброса номинальных значений изготавливаемых терморезисторов за счет увеличения толщины напыляемого слоя платины.

в) Уменьшение разброса величин сопротивлений пленочных элементов.

г) Увеличение надежности изготавливаемых тонкопленочных платиновых терморезисторов на диэлектрической подложке.

Сущность способа изготовления тонкопленочных платиновых терморезисторов на диэлектрической подложке (например, изготовленного в виде тонкой стеклянной пластины из стекла толщиной 0,10-0,19 мм) состоит том, что в вакууме на диэлектрическую подложку напыляют жертвенный слой алюминия (толщиной 1,5-2,0 мкм вместо 0,5-1,0 мкм при температуре 150-200°С), поверх которого наносят фоторезист (толщиной 1,5-2,0 мкм, ранее толщина не была определена),

проводят фотолитографию, путем фотоэкспонирования фоторезиста (фоторезиста с формированием рисунка - маски на жертвенном слое алюминия) и формируют маску удалением фоторезиста и травлением алюминия, при этом на поверхности маски из слоя алюминия оставляют слой фоторезиста (не смывают слой фоторезиста), и тем самим образуют составной жертвенный слой, состоящий из алюминия (толщиной 1,5-2,0 мкм) и фоторезиста (толщиной 1,5-2,0 мкм),

в вакууме проводят (при температуре 150-200°С) последовательное напыление на диэлектрическую подложку с маской из составного жертвенного слоя (алюминия и фоторезиста) адгезионного подслоя титана (толщиной 0,01-0,02 мкм) и основного слоя - платины (толщиной 0,2-2,0 мкм вместо 0,15-0,25 мкм у прототипа),

осуществляют обратную взрывную фотолитографию (удалением, «взрыванием») слоя платины с адгезионным подслоем титана, расположенных на маске из составного жертвенного слоя,

далее проводят отжиг в атмосфере (при температуре 400-450°С в течение 50-70 минут), проводят контроль сопротивлений каждого пленочного резистора и разделение (разрезание) диэлектрической подложки на отдельные терморезисторы (чипы),

покрывают слоем припоя контактные площадки каждого терморезистора и осуществляют электротренировку каждого терморезистора, после чего проводят окончательный контроль сопротивлений каждого пленочного резистора (с отбраковкой).

Сущность устройства тонкопленочного платинового терморезистора на тонкой диэлектрической подложке состоит в том, что диэлектрическая подложка содержит расположенный на ней, по крайней мере, один резистор в форме меандра со своими контактными площадками, которые к меандру терморезистора подведены в виде клиньев. При этом, по крайней мере, один меандр терморезистора, его контактные площадки с клиньями выполнены из слоя платины толщиной 0,2-2,0 мкм, а в качестве адгезионного подслоя между стеклянной подложкой и слоем платины применен слой титана толщиной 0,01-0,02 мкм.

Варианты устройств тонкопленочных терморезисторов на диэлектрической подложке могут отличаться (быть изготовленными) следующим конструктивными особенностями:

- диэлектрическая подложка может быть выполнена из тонкой стеклянной пластины толщиной 0,10-0,19 мм;

- по крайней мере, один меандр пленочного резистора может иметь разную ширину полозков и зазоры между ними;

- по крайней мере, один меандр пленочного резистора может иметь электрическое сопротивление в диапазоне от 20 Ом до 2000 Ом;

- контактные площадки с клиньями, по крайней мере, одного резистора могут быть расположены на одном краю диэлектрической подложки;

- контактные площадки с клиньями, по крайней мере, одного резистора могут быть расположены на противоположных краях диэлектрической подложки;

- диэлектрическая подложка может быть выполнена из тонкой диэлектрической пластины в виде прямоугольника длиной 3,0-9,0 мм, шириной 0,6-4,0 мм;

- на диэлектрической подложке могут быть расположены от одного до пяти (и более) меандров пленочных резисторов;

- расположенные на диэлектрической подложке от двух до пяти меандров пленочных резисторов могут иметь разные форму и размеры.

В зависимости от требуемого сопротивления, по крайней мере, один меандр терморезистора может занимать площадь от 0,1 мм×0,1 мм до 0,4 мм×0,4 мм (и более) на диэлектрической подложке.

При этом следует заметить, что когда пленочные резисторы терморезистора расположены в центре диэлектрической подложки, то его контактные площадки выведены на противоположные стороны, например на короткие стороны прямоугольной диэлектрической подложки. В случае расположения пленочных резисторов (нескольких меандров) терморезистора у одного из краев прямоугольной диэлектрической подложки, то его (их) контактные площадки, расположены на противоположном к пленочным резисторам (нескольких меандров) краю прямоугольной диэлектрической подложки.

Реализация заявленного способа изготовления тонкопленочных платиновых терморезисторов на диэлектрической подложке и полученных вариантов устройств терморезисторов приводят к следующим положительным эффектам:

а) улучшение (повышение) технологичности изготовления тонкопленочных платиновых терморезисторов;

б) снижение (уменьшению) разброса номинальных значений величин сопротивлений полученных пленочных элементов терморезисторов, повышению стабильности их электрических сопротивлений, а также повышению их надежности;

в) увеличение толщины тонкопленочных платиновых терморезисторов, и повышение точности изготовления геометрических размеров пленочных элементов платиновых терморезисторов;

г) сокращение площади, занимаемой пленочными элементами, за счет уменьшения их размеров и зазоров между ними, а также отсутствия технологических площадок;

д) уменьшение разброса геометрических размеров тонкопленочных элементов платиновых терморезисторов (ширины полосков и зазоров между ними);

е) повышение точности изготовления сопротивлений пленочных элементов платиновых терморезисторов и увеличение выхода годных (изделий);

ж) повышение эффективной работы в режиме самонагрева (снижение мощности нагрева за счет уменьшения размеров области самонагрева).

Техническим результатом заявленных технических решений является уменьшение разброса номинальных значений сопротивлений пленочных резисторов терморезистора, повышение точности изготовления геометрических размеров пленочных элементов терморезистора, повышение стабильности сопротивлений пленочных резисторов терморезистора, надежности терморезистора, повышение технологичности и снижение затрат для его изготовлению, а также повышение эффективности работы терморезистора в режиме самонагрева.

Уменьшение разброса номинальных значений сопротивлений пленочных резисторов терморезистора достигается увеличением толщины напыляемого слоя платины и повышением точности геометрических размеров пленочных элементов терморезистора (по технологии заявленного способа), что также приводит и к увеличению надежности терморезистора.

Точность изготовления геометрических размеров пленочных элементов терморезистора достигается использованием для взрывной фотолитографии составного жертвенного слоя из алюминия и фоторезиста. При этом жертвенный слой алюминия, соприкасающийся с границами краев платиновых пленочных элементов, формирует высококачественный топологический рисунок. Это позволяет изготавливать пленочные элементы с погрешностью 0,2-0,3 микрон.

Стабильность сопротивлений пленочных резисторов терморезистора достигается за счет использования отжига в термостате при температуре 400-450°С в течение 50-70 минут при обычной атмосфере, а не в вакууме как в прототипе. Такие терморезисторы возможно использовать для измерения температуры со точностью (стабильностью) 0,1-0,3°С.

Надежность терморезистора повышается за счет увеличенной толщины напыляемого слоя платины и уплотнения ее структуры за счет отжига в атмосфере.

Повышение технологичности и снижение затрат изготовления терморезисторов достигается ускорением сроков проведения процесса взрывной фотолитографии жертвенных слоев, состоящих из алюминия и фоторезиста, повышением выхода годных терморезисторов за счет более точного изготовления геометрических размеров его пленочных элементов, а также тем, что более рационально может быть использована площадь подложки за счет исключения технологических площадок по сравнению с прототипом.

Повышение эффективности работы терморезистора в режиме самонагрева происходит за счет того, что температура терморезистора в зоне его нагрева (в процессе его работы) протекающим током (самонагрева) повышена и равномерно распределена, а зона нагрева совпадает с площадью, на которой расположен пленочный резистор. Это происходит из-за исключения технологических площадок и уменьшения ширины зазоров между пленочными элементами сопротивлений (уменьшения зазоров между полосками до 4 мкм). При этом повышается температура в зоне нагрева и обеспечивается более высокая чувствительность терморезистора при контроле уровня и измерении расхода.

В конечном итоге улучшение технологичности производства терморезисторов (по заявленному способу) приводит к увеличению выхода годных и снижению стоимости терморезисторов.

При изготовлении по заявленной технологии края нанесенных на подложку слоев платины получаются более ровными, что дополнительно повышает качество получаемых терморезисторов и позволяет уменьшить ширину нанесенных проводников (полосков) меандра терморезистора и ширину промежутков между ними. Нанесение основного слоя - платины большей толщины 0,2-2,0 мкм, чем по прототипу (0,5-1 мкм), приводит к существенному снижению влияния погрешности толщины на сопротивление терморезистора. Кроме того, повышение толщины основного слоя терморезистора - платины приводит к возможности увеличения тока нагрева меандра терморезистора, уменьшению его габаритных размеров.

Все это - снижение влияния погрешности толщины на сопротивление терморезистора, увеличение тока нагрева меандра терморезистора, а также уменьшение его габаритных размеров дополнительно приводит к повышению качества изготавливаемых терморезисторов «в точечном» исполнении.

Сущность заявленных технических решений поясняется графическими материалами:

На фигуре 1 представлена последовательность операций технологии изготовления тонкопленочных платиновых терморезисторов с использованием маски из жертвенного алюминия по прототипу [4] в разрезах, где:

1 а) - подложка с нанесенным слоем жертвенного алюминия и слоем фоторезиста;

1 б) - подложка с маской (рисунком) из жертвенного алюминия после проявления фоторезиста, травления жертвенного слоя алюминия и удаления остатков фоторезиста;

где 1 в) - подложка с нанесенным слоем (рисунком) жертвенного алюминия слои адгезионного подслоя титана и основного слоя платины;

где 1 г) - подложка с изображением процесса взрывного травления рисунка из жертвенного алюминия со слоями адгезионного подслоя титана и основного слоя платины;

где 1 д) - подложка с нанесенным адгезионным подслоем титана и основным слоем платины - с рисунком готового пленочного элемента терморезистора.

На фигуре 2 представлена последовательность операций по заявленному способу (технологии) изготовления тонкопленочных терморезисторов с использованием маски из составного жертвенного слоя из фоторезиста и алюминия в разрезах, где

2 а) - подложка с нанесенными соразмерными слоями жертвенного алюминия и слоем фоторезиста, который также после обработки (проявления) становится жертвенным слоем;

2 б) - подложка с маской (рисунком) из комбинированного жертвенного слоя из соразмерных слоев алюминия и фоторезиста, после проявления последнего и травления алюминия;

2 в) - подложка с маской (рисунком) - вид нанесенных на нее маски, комбинированного жертвенного слоя (из алюминия и фоторезистора), адгезионного подслоя из титана и основного слоя платины;

2 г) - подложка с изображением процесса взрывного удаления подслоя титана и основного слоя платины, расположенных на составном жертвенном слое (из алюминия и фоторезистора), путем удаления фоторезиста и травления алюминия;

2 д) - подложка с нанесенным адгезионным подслоем титана и основным слоем платины - с рисунком готового пленочного элемента терморезистора.

На фигуре 3 - структура тонкопленочного терморезистора в разрезе поперечного сечения (контактной площадки) с указанием размеров.

На фигуре 4 а) - часть фотошаблона с технологическими площадками для изготовления одного тонкопленочного платинового терморезистора по прототипу [4].

На фигуре 4 б) - часть фотошаблона без технологических площадок для изготовления одного тонкопленочного платинового терморезистора по заявленному способу.

На фигуре 5 а) - тонкопленочный платиновый терморезистор на стеклянной подложке припаянный контактными площадками к печатной плате.

На фигуре 5 б) - печатная плата с припаянным к ней тонкопленочным платиновым терморезистором на стеклянной подложке.

На фигуре 6 а) - фотография тонкопленочного платинового терморезистора на стеклянной подложке с припаянными проводниками, предназначенного для измерения температуры.

На фигуре 6 б) - фотография на фоне линейки датчика температуры, чувствительным элементом которого является тонкопленочный платиновый терморезистор на стеклянной подложке по фотографии на фиг.6 а).

На фигуре 7 - печатная плата с припаянными на нее тонкопленочным платиновым терморезистором с тремя пленочными резисторами «в точечном исполнении», расположенными на одной стеклянной подложке с контактными площадками, находящимися с противоположных сторон длинной стороны стеклянной подложки (на коротких ее сторонах).

На фигуре 8 - печатная плата с припаянными на нее тонкопленочным платиновым терморезистором с четырьмя пленочными резисторами «в точечном исполнении», расположенными на одной стеклянной подложке с контактными площадками, находящимися на одной короткой стороне стеклянной подложки.

На фигуре 9 - тонкопленочный платиновый терморезистор с четырьмя пленочными резисторами - двумя нагревательными в центре с широкими проводниками и двумя измерительными по краям с более тонкими проводниками (полосками меандра) по фиг. 8, используемый для измерения расхода калориметрическим методом.

На фигуре 10 - фотография, полученная с помощью микроскопа части терморезистора по фигуре 9 - выноска «А» с указанием размеров полосков пленочных элементов резисторов в зонах нагрева и измерения температуры (ширина полосков резистора, используемого для нагрева, 54,5±0,2 мкм, ширина полосков резистора, используемого для измерения температуры, 16,2±0,3 мкм, ширина зазоров между полосками составляет 3,8-4,7 мкм).

На фигуре 11 - фотография, полученная с помощью тепловизора: распределение теплового поля тонкопленочного платинового терморезистора с двумя пленочными резисторами, изготовленного по технологии прототипа [4].

На фигуре 12 - фотография, полученная с помощью тепловизора: распределение теплового поля тонкопленочного платинового терморезистора с двумя пленочными резисторами, изготовленного по заявленному способу.

На фигуре 13 - экспериментальные характеристики (осциллограммы) значений напряжений на выходе балансных мостов при переходе границы жидкость-газ (извлечении из жидкости со скоростью 1 мм/с) двух платиновых терморезисторов. Верхняя кривая соответствует терморезистору, изготовленному по заявляемому способу, нижняя - терморезистору, изготовленному по способу - прототипа [4]. Увеличенное значение напряжений на терморезисторе, изготовленном по заявленному способу, достигается за счет увеличения температуры в зоне нагрева из-за отсутствия технологических площадок.

На фигурах цифрами обозначены: 1 - тонкая диэлектрическая подложка, которая может быть выполнена из стекла (покровного); 2 - жертвенный слой из алюминия; 3 - слой из фоторезиста, используемый для получения маски; 4 - адгезионный подслой из титана; 5 - основной слой платины; 6 - меандр пленочного резистора из основного слоя платины (6.1, 6.2, 6.3, 6.4 - меандры пленочных резисторов «в точечном исполнении»; 7 - контактные площадки тонкопленочного платинового терморезистора; 8 - печатная плата для установки (пайки) терморезистора методом «флип-чип» к контактным площадкам (7).

Общеизвестный способ обратной фотолитографии (по [1, 2 и 3]) состоит в последовательном нанесении на тонкую диэлектрическую подложку жертвенного слоя из фоторезиста, проведении его фотоэкспонирования и проявлении рисунка жертвенного слоя фоторезиста, напылении адгезивного подслоя и основного слоя - платины, и дальнейшим проведением обратной фотолитографии с удалением жертвенного слоя (фоторезиста) с пленками адгезивного подслоя и основного слоя - платины, приводящим к образованию тонкопленочных терморезисторов.

Однако недостатками данного общеизвестного способа обратной фотолитографии платины, как было указано выше, является сложность полного удаления из подложки остатков фоторезиста перед нанесением пленки из платины, что снижает качество получаемых терморезисторов и приводит к снижению технологичности.

При этом следует заметить, что по общеизвестной технологии производства, первоначально на одну подложку наносят множество топологий терморезистора, а в конце процесса формирования на одной подложке множества терморезисторов, подложку разделяют (разрезают) по границам каждой топологии и получают множество терморезисторов.

Технология производства тонкопленочных платиновых терморезисторов по способу - прототипу [4], представлена для сравнения на фигуре 1, и включает в себя следующие операции:

- нанесение на тонкую диэлектрическую (из стекла) подложку (1) жертвенного слоя из алюминия (2) толщиной 0,5-1 мкм и слоя фоторезиста (3) - фиг. 1 а);

- проведение фотоэкспонирования фоторезиста (3), проявления рисунка жертвенного слоя фоторезиста (3), травления слоя жертвенного слоя алюминия (2), с образованием на подложке (1) маски (рисунка) терморезистора и смывка остатков фоторезиста (3) - фиг.1 б);

- проведение при температуре 150-200°С последовательного напыления на диэлектрическую подложку с жертвенным слоем алюминия адгезивного подслоя титана (4) толщиной 0,01-0,02 мкм и основного слоя - платины (5) толщиной 0,15-0,25 мкм - фиг. 1 в);

- проведение обратной «взрывной» фотолитографии с травлением жертвенного слоя алюминия (2) с нанесенными на него адгезивным подслоем титана (4) и основным слоем платины (5) - фиг.1 г), что позволяет формировать тонкопленочные терморезисторы - фиг.1 д);

- проведение отжига в вакууме при температуре 150-250°С в течение 20-50 минут и контроль параметров каждого терморезистора;

- разделение подложки на отдельные терморезисторы, у каждого из которых их контактные площадки покрывают слоем припоя и осуществляют электротренировку каждого терморезистора.

Обратная («взрывная») фотолитография жертвенного слоя алюминия (2) по способу - прототипу [4] первоначально медленно начинает происходить путем проникновения жидкости травителя через микротрещины и неплотности напыленных на наклонные поверхности границ жертвенного слоя алюминия (2) адгезионного подслоя титана (4) и основного слоя платины (5). При удалении этих наклонных слоев титана (4) и платины (5) процесс травления существенно интенсифицируется. Для увеличения таких наклонных поверхностей (для ускорения процесса) в прототипе [4] на свободных от меандра резистора (резисторов) и его контактных площадок участках диэлектрической подложки нанесены прямоугольные технологические площадки со строго регламентированными размерами. Прямоугольные технологические площадки позволяют при осуществлении обратной «взрывной» фотолитографии (фиг. 1 д)) с травлением жертвенного слоя алюминия (2) с нанесенными на него адгезивным подслоем титана (4) и основным слоем платины (5) существенного сократить время процесса и обеспечить его равномерность протекания по всей поверхности диэлектрической подложки (1), свободной от меандра (6) терморезистора и его контактных площадок (7). Время процесса также сравнительно большое - порядка 60-120 минут.

Однако, наличие прямоугольных технологических площадок с более высокой теплопроводностью, чем теплопроводность подложки на готовом тонкопленочном платиновом терморезисторе, приводит к увеличению рассеивания теплового поля на поверхности подложки. А это в свою очередь приводит к уменьшению температуры терморезистора при его нагреве и, следовательно, снижает чувствительность изменения сопротивления при изменении физических параметров окружающей среды.

Технология производства тонкопленочных платиновых терморезисторов по заявленному способу представлена на фигуре 2, и включает в себя следующие операции:

- нанесение на тонкую диэлектрическую (из стекла) подложку (1) жертвенного слоя из алюминия (2) толщиной 1,5-2 мкм и соразмерного слоя фоторезиста (3) толщиной 1,5-2 мкм - фиг. 2 а);

- проведение фотоэкспонирования фоторезиста (3), проявление рисунка жертвенного слоя фоторезиста (3), травление составного слоя жертвенного слоя алюминия (2), с образованием на подложке (1) рисунка терморезистора без смывки остатков фоторезиста (3), который в последующем является частью составного жертвенного слоя - фиг. 2 б);

- проведение при температуре 150-200°С последовательного напыления на диэлектрическую подложку с составным жертвенным слоем из алюминия и фоторезиста адгезивного подслоя титана (4) толщиной 0,01-0,02 мкм и основного слоя - платины (5) толщиной 1,5-2,0 мкм - фиг. 2 в);

- проведение обратной фотолитографии с удалением составного жертвенного слоя (удаление фоторезиста (3) через образованный при напылении «карниз» и травление алюминия (2)) с нанесенными на него адгезивным подслоем титана (4) и основным слоем платины (5) - фиг. 2 г), что позволяет формировать тонкопленочные терморезисторы - фиг. 2 д);

- проведение отжига в атмосфере при температуре 400-450°С в течение 50-70 минут;

- проведение контроля сопротивлений каждого пленочного резистора;

- разделение подложки на отдельные терморезисторы, у каждого из которых их контактные площадки покрывают слоем припоя и осуществляют электротренировку каждого терморезистора.

В заявленном способе обратная («взрывная») фотолитография составного жертвенного слоя из алюминия и фоторезиста первоначально и быстро начинает происходить путем проникновения жидкости для удаления фоторезиста под нависающий «карниз» (барьер по напылению титана и платины) из жертвенного слоя фоторезиста (3) над жертвенным слоем алюминия (2) - наклонной его периферийной кромкой - фиг. 2 г), и поэтому скорость ее существенно выше, чем по способу прототипу [4]. При этом ровные края рисунка терморезистора обеспечиваются жертвенным слоем алюминия (2), который впоследствии удаляется быстрым травлением по всей его поверхности. То есть, края платиновых элементов терморезистора формируются ровными за счет соприкосновения с краями жертвенного слоя алюминия.

Процесс обратной («взрывной») фотолитографии составного жертвенного слоя из алюминия и фоторезиста протекает существенно быстрее, чем по способу прототипу [4] - порядка 10-20 минут, несмотря на более толстый слой платины, и кроме того, нет необходимости на свободных от меандра резистора (резисторов) и его контактных площадок участках диэлектрической подложки наносить прямоугольные технологические площадки со строго регламентированными размерами.

Таким образом, заявленный способ позволяет по сравнению с прототипом [4]:

во-первых - увеличить скорость проведения обратной «взрывной» фотолитографии;

во-вторых - обойтись без прямоугольных технологических площадок, и тем самым повысить чувствительность готового изделия;

в-третьих - из-за увеличения толщины основного слоя платины существенно повысить качество и надежность тонкопленочного платинового терморезистора, а также обеспечить возможность снижения габаритных (в плане, вид сверху) размеров меандра (нескольких меандров) резистора готового изделия за счет уменьшения зазоров между полосками.

Заявленное устройство (устройства) - тонкопленочный платиновый терморезистор с, по крайней мере, одним меандром резистора (6) или 6.1, 6.2, 6.3, 6.4 - в зависимости от их количества, выполненных на диэлектрической подложке (1). Так, по фигурам 4 и 5 тонкопленочный платиновый терморезистор выполнен на стеклянной подложке (1) прямоугольной формы, с одной стороны которой из пленки платины нанесены: в центре подложки (1) один меандр (6) резистора, и по краям коротких сторон прямоугольной подложки (1) находятся контактные площадки (7), которые к меандру (6) терморезистора подведены в виде клиньев. Меандр (6) терморезистора выполнен в «точечном» исполнении. При этом подложка (1) выполнена из стекла (например, из тонкого теплоизоляционного покровного) толщиной 0,10-0,19 мм, длиной 3,0-9,0 мм, шириной 0,6-4,0 мм. Меандр (6) терморезистора, его контактные площадки (7) выполнены из напыленного слоя пленки платины (5) толщиной 0,2-2,0 мкм, а в качестве подслоя между стеклянной подложкой (1) и слоем платины (5) применен адгезионный слой титана (6) толщиной 0,01-0,02 мкм.

В качестве тонкой диэлектрической подложки так же, как и в прототипе используют большую стеклянную пластину (1) из покровного стекла толщиной 0,10-0,19 мм, размеры которой позволяют расположить (нанести) множество топологий терморезисторов.

Заявленный способ (технология) обратной («взрывной») фотолитографии составного жертвенного слоя из алюминия и фоторезиста, а именно для формирования тонкопленочных платиновых терморезисторов представлен в таблице 1.

В результате осуществления заявленного способа по последовательности операций, представленных в таблице 1, на всей поверхности подложки получались платиновые пленочные элементы с четкими краями, в том числе на размерах до 10 мкм и зазором между полосками пленочных элементов до 3 мкм. Время процессов фотолитографии сократилось с более 1 часа до 10-20 минут. На поверхности подложек отсутствуют дополнительные технологические элементы, влияющие на тепловые характеристики тонкопленочного платинового терморезистора. Повышается технологичность, увеличивается выход годных терморезисторов за счет большого количества получаемых элементов с требуемыми характеристиками как из одной подложки, так и из одной партии, используемой для одновременного напыления. Достигнуто осуществление уменьшения размеров терморезистора (чипа) за счет исключения дополнительных технологических элементов и возможности использования пленочных элементов с меньшими геометрическими размерами.

Конкретное исполнение заявленного устройства реализовано и испытано заявителем. Так, для терморезисторов, изготовленных по фотошаблону, приведенному на фиг. 4 б) точные значения технологических характеристик изготовления и полученных конструктивных параметров составили:

- тонкая стеклянная подложка толщиной 0,16 мм имеет размеры шириной 0,6 мм и длинной 4,0 мм;

- адгезионный слой титана толщиной 0,012 мкм;

- слоя платины толщиной 1,8 мкм;

- температура отжига в атмосфере составила 420°±С, а время отжига - 60 минут;

- имеет электрическое сопротивление 110±2 Ом.

Меандр терморезистора занимает площадь 0,25 мм×0,25 мм. Ширина полосок резистора меандра составляет 0,04 мм, зазор между полосками меандра также составляет 0,04 мм. Меандр терморезистора, и его контактные площадки выполнены из слоя платины толщиной 1,8 мкм, а в качестве адгезионного подслоя между стеклянной подложкой и слоем платины применен слой титана толщиной 0,012 мкм.

При этом, при изготовлении составной жертвенный слой формируют из алюминия (первая часть составного жертвенного слоя) путем напыления в вакууме на пластину из покровного стекла слоя алюминия толщиной 1,25 мкм при температуре 180°С и дальнейшего нанесения слоя фоторезиста (вторая часть составного жертвенного слоя) толщиной 1,25 мкм. Далее проводят фотоэкспонирование фоторезиста с формированием рисунка на слое алюминия по известной технологии. Проводят травление жертвенного слоя алюминия и оставляют остатки фоторезиста (второй части составного жертвенного слоя) на жертвенном слое алюминия (первой части составного жертвенного слоя). Далее проводят при температуре 180°С последовательное напыление на подложку с рисунком из составного жертвенного слоя (из фоторезиста и алюминия) адгезионного подслоя титана толщиной 0,012 мкм и основного слоя - платины толщиной 1,8 мкм. Осуществляют обратную взрывную фотолитографию составного жертвенного слоя (из фоторезиста и алюминия) с нанесенными на него пленками адгезионного подслоя титана и основного слоя - платины. Проводят отжиг в атмосфере при температуре 420°С в течение 60 минут. Разрезают подложку с напыленными пленочными элементами (большую стеклянную пластину - заготовку) на отдельные терморезисторы. У каждого терморезистора контактные площадки покрывают слоем припоя и осуществляют электротренировку каждого терморезистора и контроль его параметров (с отбраковкой).

Сопротивление пленочного резистора рассчитывается с помощью известного выражения:

ρ - удельное сопротивление материала (платины),

- длина пленочного элемента (длина меандра резистора),

w - ширина пленочного элемента (ширина полоска меандра),

t - толщина пленочного элемента (толщина полоска меандра).

Связь между конструктивными размерами и удельным сопротивлением резистивного материала также можно не учитывать при одном технологическом цикле изготовления и использовании одной и той же резистивной мишени, как и длину полоска меандра L, много больше ширины полоска меандра W резистора.

Влияние изменения конструктивных параметров на величину сопротивления тонкопленочного платинового терморезистора можно записать следующим образом:

При этом по прототипу [4] возможно было при заданном сопротивлении R достигнуть следующих параметров:

толщина полосков меандра t=0,15-0,25 мкм±0,027 мкм

ширина полосков меандра: w=40-60 мкм±0,1 мкм

минимальные зазоры между полосками меандра: s=25±0,1 мкм.

По заявленному способу при том же заданном сопротивлении R можно существенно уменьшить ширину w полосков и расстояние s между ними, за счет существенного увеличения толщины полосков меандра достигнуть следующих параметров:

толщина полосков меандра t=1,5-2,0 мкм

ширина полосков меандра: w=12-60 мкм

минимальные зазоры между полосками меандра: s=5±0,1 мкм.

Исходя из вышеизложенного (из формул ф. 1 и ф. 2) при том же заданном сопротивлении R за счет увеличения толщины полосков меандра t и уменьшения зазора между полосками меандра s площадь нагрева меандра (меандров) резисторов становится существенно меньше, и, следовательно, возрастает чувствительность тонкопленочного титанового терморезистора. То есть возрастает чувствительность изменения сопротивления от изменения физических свойств окружающей среды.

На фигурах 5, 6, 7 и 8 представлены терморезисторы (разных конструктивных исполнений) на стеклянной подложке (1) со своими покрытыми слоем припоя (например, облуженными) контактными площадками (7), которые припаяны к печатным дорожкам печатным платам (8) сенсоров (разных конструктивных исполнений).

По заявленным техническим решениям могут быть изготовлены устройства (терморезисторы) с несколькими пленочными резисторами. Например, приведенные на фигурах 7 и 8 устройства терморезисторов с совмещенными резисторами «в точечном исполнении», расположенными на одной стеклянной подложке.

Кроме того, контактные площадки таких терморезисторов с совмещенными резисторами «в точечном исполнении» могут находиться как с противоположных сторон подложки, так и с одной стороны подложки. Так на фиг. 7 представлен тонкопленочный платиновый терморезистор с тремя резисторами «в точечном исполнении», расположенными на одной стеклянной подложке с контактными площадками, находящимися с противоположных сторон длинной стороны стеклянной подложки (на коротких ее сторонах). На фиг. 8 представлен тонкопленочный платиновый терморезистор с четырьмя резисторами «в точечном исполнении», расположенными на одной стеклянной подложке с контактными площадками, находящимися на одной короткой стороне стеклянной подложки. При этом терморезисторы по фигурам 7 и 8 припаяны по технологии флип-чип на печатную плату сенсора для датчика расхода газа или жидкости.

Использование технологии по заявленному способу позволяет изготавливать терморезисторы меньших размеров (размещать на меньшей площади) за счет уменьшения зазоров и ширины проводников. На фигурах 9 и 10 показаны топологии терморезисторов для измерения температуры на подложке размером 0,6×3,5 мм, минимальный зазор и ширина проводника могут составлять соответственно 4 и 16 мкм.

Результаты измерений геометрических размеров пленочных элементов платиновых терморезисторов, выполненных с использованием микроскопа Altami МЕТ 12, и вольтметра универсального В7-34 приведены в таблице 2.

Для определения влияния дополнительных технологических элементов на распределение теплового поля были проведены исследования тепловых режимов терморезисторов с использованием тепловизора фирмы FLUKE FLIR SC 620 при разрешении 640×480 пкс в экране 15×10 мм и чувствительностью 0,04 К.

Терморезистор, установленный на печатную плату, подключался к источнику питания и с помощью прибора В7-40 измерялось напряжение на резисторе и выставлялся заданный ток. К нагретой части терморезистора подводился объектив тепловизора, производилась фокусировка и съемка распределения тепловых полей, обозначаемых по мере уменьшения температуры от 100°С до 20°С цветом от красного до голубого.

Результаты исследований распределения тепловых полей для платиновых терморезисторов с двумя пленочными резисторами, выполненных в виде меандра, изготовленных по разным технологиям (по технологии прототипа и заявленной технологии), приведены на фигурах 11 и 12.

Наличие дополнительных технологических площадок снижает температуру в зоне нагрева и увеличивает ее размер, что приводит к уменьшению чувствительности и к изменению температуры (сопротивления) терморезистора при изменении физических параметров окружающей среды (фигура 11).

При одинаковом токе нагрева терморезисторы различаются откликом изменения напряжения, у терморезистора, изготовленного по заявляемой технологии отклик больше, а время задержки переходного процесса меньше.

Реализация заявленных технических решений (способа и устройства) позволяет достичь следующих положительных свойств (качеств):

- сокращения разброса номинальных сопротивлений и повышение выхода годных терморезисторов за счет увеличения толщины напыляемого слоя платины;

- увеличения надежности за счет использования платиновых слоев большой толщины;

- исключения влияния технологических площадок на распределение теплового поля;

- увеличения выхода годных за счет снижения влияния толщины платиновых проводников на номинальное сопротивление пленочного резистора;

- снижения стоимости за счет снижения сроков изготовления терморезисторов путем повышения технологичности, в виду совершенствования процесса взрывной фотолитографии - использованием вместо одного жертвенного слоя алюминия составного жертвенного слоя, состоящего из слоев алюминия и фоторезиста.

Литература

1. Технология тонких пленок. Под ред. Л. Майссела, Р. Глэнга. Нью-Йорк, 1970. Пер. с англ. Под ред. М.И. Елинсона, Г.Г. Смолко. Т. I. М., «Сов. радио», 1977, 664 с., стр. 624…625, рис. 17.

2. Дж. Фрайден. Современные датчики. Справочник. Москва: «Техносфера» 2006. - 592 с. ISBN 5-948336-050-4, стр. 565…566, рис. 18.16.

3. Патент на изобретение РФ: RU 2096935 С1 от 20.11.1997, МПК H05K 3/06, H01L 21/30, «Способ фотолитографии».

4. Патент (заявителя) на изобретение РФ: RU 2736630 С1 от 19.11.2020, МПК G01C 17/06, под названием «Тонкопленочный платиновый терморезистор на стеклянной подложке и способ его изготовления» - прототип.

Claims (17)

1. Способ изготовления тонкопленочных платиновых терморезисторов на диэлектрической подложке, состоящий в напылении в вакууме на диэлектрическую подложку жертвенного слоя алюминия с последующим нанесением на жертвенный слой алюминия слоя фоторезиста, проведении фотолитографии путем фотоэкспонирования фоторезиста и травлении жертвенного слоя алюминия с формированием рисунка - маски из жертвенного слоя алюминия, проведении последовательного напыления в вакууме на диэлектрическую подложку с маской из жертвенного слоя адгезионного подслоя титана и основного слоя - платины, осуществлении обратной взрывной фотолитографии жертвенного слоя с нанесенными на него пленками адгезионного подслоя титана и основного слоя - платины, проведении отжига, разделении диэлектрической подложки на отдельные терморезисторы, покрытия слоем припоя контактных площадок терморезисторов и осуществление электротренировки терморезисторов и контроля сопротивлений терморезисторов,

отличающийся тем, что

на поверхности жертвенного слоя алюминия после фотолитографии оставляют фоторезист и таким образом формируют составной жертвенный слой, состоящий из алюминия и фоторезиста,

проводят последовательное напыление в вакууме на подложку с маской из составного жертвенного слоя адгезионного подслоя титана и основного слоя - платины,

проводят обратную взрывную фотолитографию и удаляют маску из составного жертвенного слоя с нанесенными на маску пленками адгезионного подслоя титана и основного слоя - платины путем удаления слоя фоторезиста и травления слоя алюминия

и получают пленочные элементы терморезистора,

проводят отжиг диэлектрической подложки в атмосфере при температуре в диапазоне 400-450°С.

2. Тонкопленочный терморезистор на диэлектрической подложке, на которой размещен по крайней мере один пленочный резистор в форме меандра со своими контактными площадками, которые к меандру терморезистора подведены в виде клиньев, отличающийся тем, что

по крайней мере один меандр пленочного резистора, его контактные площадки с клиньями выполнены из слоя платины толщиной 0,2-2,0 мкм, а в качестве адгезионного подслоя между диэлектрической подложкой и слоем платины применен адгезионный слой титана толщиной 0,01-0,02 мкм.

3. Тонкопленочный терморезистор на диэлектрической подложке по п. 2, отличающийся тем, что диэлектрическая подложка выполнена из тонкой стеклянной пластины толщиной 0,10-0,19 мм.

4. Тонкопленочный терморезистор на диэлектрической подложке по п. 2, отличающийся тем, что по крайней мере один меандр пленочного резистора имеет разную ширину полосков и зазоры между ними.

5. Тонкопленочный терморезистор на диэлектрической подложке по п. 2, отличающийся тем, что по крайней мере один меандр пленочного резистора имеет электрическое сопротивление в диапазоне от 20 до 2000 Ом.

6. Тонкопленочный терморезистор на диэлектрической подложке по п. 2, отличающийся тем, что контактные площадки с клиньями по крайней мере одного резистора расположены на одном краю диэлектрической подложки.

7. Тонкопленочный терморезистор на диэлектрической подложке по п. 2, отличающийся тем, что контактные площадки с клиньями по крайней мере одного резистора расположены на противоположных краях диэлектрической подложки.

8. Тонкопленочный терморезистор на диэлектрической подложке по п. 2, отличающийся тем, что диэлектрическая подложка выполнена из тонкой диэлектрической пластины в виде прямоугольника длинной 4,0-9,0 мм, шириной 0,6-4,0 мм.

9. Тонкопленочный терморезистор на диэлектрической подложке по п. 2, отличающийся тем, что на диэлектрической подложке расположены от одного до пяти меандров пленочных резисторов.

10. Тонкопленочный терморезистор на диэлектрической подложке по п. 2, отличающийся тем, что расположенные на диэлектрической подложке от двух до пяти меандров пленочных резисторов имеют разные форму и размеры.

Images