Способ изготовления высокотемпературного тонкопленочного тензорезистора

 

Способ изготовления высокотемпературного тонкопленочного тензорезистора относится к области изготовления компонентов измерительной техники и может быть использован при создании малогабаритных металлопленочных датчиков механических величин, работоспособных в широком диапазоне рабочих температур. Сущность: для повышения температурной стабильности параметров в расширенном диапазоне рабочих .температур и упрощения технологии изготовления, слой резистивного материала наносят поочередно из двух испарителей, содержащих каждый в отдельности соответствующий резистивный материал с противоположными по знаку Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в технологии изготовления малогабаритных высокостабильных тензодатчиков и при изготовлении высокотемпературных тонкопленочных микросхем. Целью изобретения является повышение температурной стабильности резистотемпературными коэффициентами сопротивления (ТКС), после поочередного нанесения большого количества слоев резистивных материалов при одинаковых условиях наносят раздельно сначала резистивную пленку материала с отрицательным ТКС в течение времени, определяемого из ti соотношения t2 ° щгде Ъбщ и ti 1 +к общее время нанесения резистивного слоя и время совместного нанесения двух резистивных материалов соответственно, затем наносят резистивную пленку материала с положительным ТКС до достижения заданной величины удельного поверхностного сопротивления , после создания резистивного слоя тензорезистора проводят его термостабилизацию в вакууме при температуре совместного напыления, затем охлаждают резистивный слой до температуры 180 - 200°С и производят напуск воздуха, а после создания контактных площадок и формирования тензорезистора его дополнительно термоциклируют в вакууме с подъемом температуры до 290 - 310°С при градиенте 2 - 3 град/мин с выдержкой при этой температуре в течение 1 - 1,5 ч. затем снижают тем- . пературу до 90 - 110°С при градиенте 1-1.5 град/мин и повторяют циклы 4-5 раз. 4 ил. ров в расширенном диапазоне рабочих температур и упрощение технологии изготовления . На фиг. 1 показана структура тонкопленочного тензорезистора, где 1 - металлическая подложка, 2 - изолирующий слой, 3 - первая резистивная пленка (слой), 4 - вторая резистивнэя пленка (слой), 5 - контактfc 00 Ю § ot

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4879488/21 (22) 30.01.90 (46) 07.06.93. Бюл. % 21 (71) Научно-исследовательский институт физических измерений (72) Ю. А. Зеленцов, .И. В. Волохов и Е. В.

Песков (56) Патент США hL 4104607, кл. Н 01 С

1/012. опублик. 1978, Заявка Франции f+ 2386892, кл, Н 01 С, 7/00, опублик. 1981, (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ТОНКОПЛЕНОЧНОГО

ТЕНЗОРЕЗИСТОРА (57) Способ изготовления высокотемпературного тонкопленочного тензорезистора относится к области изготовления компонентов измврительной техники и может быть использован при создании малогабаритных металлопленочных датчиков механических величин, работоспособных в широком диапазоне рабочих температур.

Сущность: для повышения температурной стабильности параметров в расширенном диапазоне рабочих, температур и упрощения технологии изготовления, слой рези. стивного материала наносят поочередно иэ двух испарителей, содержащих каждый в отдельности соответствующий резистивный материал с противоположными по знаку

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в технологии изготовления малогабаритных высокостабильных тензодатчиков и при изготовлении высокотемпературных тонкопленочных микросхем. . Целью изобретения является повышение температурной стабильности резисто„„. Ж „„1820416 А1 (sl)s Н 01 С 17/00 температурными коэффициентами сопро-. тивления (ТКС), после поочередного нанесения большого количества слоев реэистивных материалов при одинаковых условиях наносят раздельно сначала резистивную пленку материала с отрицательным

ТКС в течение времени, определяемого иэ тобщ 1

СООТНОШЕНИЯ t2 = +, ГДЕ Ъ бщ И t1—

1 +K общее время нанесения резистивного слоя и время совместного нанесения двух резистивных материалов соответственно, затем наносят резистивную пленку материала с положительным ТКС до достижения заданной величины удельного поверхностного сопротивления, после создания резистивного слоя тенэорезистора проводят его термостабилиэацию в вакууме при температуре совместного напыления, затем охлаждают резистивный слой до температуры 180—

200 С и производят напуск воздуха, а после создания контактных площадок и формирования тензорезистора его дополнительно термоциклируют в вакууме с подъемом температуры до 290 — 310 С при градиенте 2 — 3 град/мин с выдержкой при этой температуре в течение 1 — 1,5 ч, затем снижают тем. пературу до 90 — 110 С при градиенте 1 — 1,5 град/мин и повторяют циклы 4 — 5 раз. 4 ил. ров в расширенном диапазоне рабочих температур и упрощение технологии изготовления.

На фиг. 1 показана структура тонкопленочного тензорезистора, где 1 — металлическая подложка, 2 — изолирующий слой, 3— первая реэистивная пленка (слой), 4 — вторая резистивная пленка (слой), 5 — контакт1820416 ные площадки к тенэорезистору, 6 — пассивирующий слой.

На фиг. 2 — 4 представлена кинетика изменения сопротивления многослойногд тензореэистора при термостабилизации в вакууме, во время термоциклирования в вакууме и. в процессе испытаний на стабильность.

Общее сопротивление тензореэистора, представленного на фиг. 1, можно записать как и = (п 1(Лр 1+ Лр 2) + п2До1+

+n3Ap AN, где Лр1 и Ар2 -удельные поверхностные сопротивления тонких первого (3) и второго (4} слоев резистивных материалов; п1, п2, n3 — количество циклов нанесения совместных слоев 3 и 4 резистивных материалов с противоположными по знаку ТКС, количество циклов нанесения слоев реэи-, стивного материала с отрицательным ТКС, количество циклов нанесения слоев реэистивного материала с положительным TKC соответственно;

N — число квадратов резистивного слоя тенэорезистора.

Сопротивление тенэорезистора в зависимости от температуры можно представить как

Ят=-К (1+аоб ЬТ), (2) где Ио- сопротивление тензорезистора при нормальной температуре То - 20 С; аоб- величина ТКС резистивного слоя тензореэистора;

A T — диапазон рабочих температур.

Тогда из выражения (2)

Вт Ro в. Ъ т @

Подставив в выражение (3) значения йт и йо, равные

Rygn1(Apf (1+a1 Ат }+А/3(1+са Лт))+

+ п2Apf (1+a1.ЬТ) +

+ пзЛД(1 +ЩИТ)) N, Йо = (П1(Лф + Лф ) + П2 Л/Я+

+пзЛф ) ..N, и приняв, что Лр1 = Ьф = Ap, а пз =

-kn2, получим, (4) где а1 и а2- ТКС резистивных пленок из материалов с отрицательным и положительным его значением соответственно;

К вЂ” коэффициент, зависящий от отношения числа циклов нанесения слоев материала с положительным ТКС к числу циклов нанесения слоев материала с отрицательным ТКС.

Из выражения (4) при условии, что

5 аоб = О, получим

a1+Ka2

П1=Поб +Ка

Поб П1+ П2(1 + K}. (5)

Способ изготовления высокотемпера10 турного тонкопленочного тензорезистора состоит из следующих операций. Очищенные металлические подложки 1, например, из нержавеющей стали марки 36НХТЮ помещали в вакуумную установку типа

УРМ3.279.047 и наносили изолирующий слой 2, например, иэ двуокиси кремния толщиной 1,5 — 2 мкм (фиг. 1). Затем подложки

1 с изолирующим слоем 2 помещали в вакуумную установку типа УВН71ПЗ, оборудо20 ванную двумя магнетронными источниками.

В рабочей камере установки создавали остаточное давление Рост =- (5 -6)10 мм рт. ст., производили нагрев подложек 1 с изолирующим слоем 2 до температуры Тпол = 350+

+10 С при вращающейся карусели (Ч = 60

o6/мин) и выдерживали их при этой температуре в течение Ь д - 30+ 5 мин, Затем в рабочую камеру установки подавали нейтральный гаэ, например аргон, и создавали

30 остаточное давление Ро т = 5 .10 мм рт. ст.

-з

Включали магнетроны, содержащие каждый мишени иэ резистивных сплавов,, например иэ сплава X20H75I0 (207ь хрома, 75$ никеля, 5$ алюминия) и из сплава молибден-рений

МР47ВП (477; молибдена, остальное рений), при следующих режимах: ток напыления

1х2онтбю = 2,2 А, ток напыления 1мРюйп1,5 А. По предварительным исследованиям были определены значения ТКС резистив40 ных пленок из материалов X20H75f0 и

МР47ВП в диапазоне температур — 60—

300 С: ахб2онтбю -1,5 10 / С,а мраюп= 5 10 / С. Величина сопротивления тензорезистора выбрана равной R - 500й

+é50 Ом. удельное поверхностное сопротивление резистивного слоя рсл-40 ч-4 Ом/кв. при числе квадратов резистивного слоя N

=12,5. Исходя иэ полученных значений ТКС

50 реэистивных пленок из сплавов Х20Н75Ю и

МР47ВП, по выражению (5) при значении коэффициента К - 0,14 определяли п1

*0,2поб. ДлЯ полУчениЯ заДанной величины .удельного поверхностного сопротивления р л число циклов. нанесения тонких резистивных слоев поб составляет 120. Отсюда число циклов нанесения резистивных слоев совместно наносимых пленок двух материалов составляет п1 4, %

1820416

При скорости вращения карусели V = 60 о /мин время совместного напыления резистивных пленок (3, 4) из материалов

Х20Н75Ю и МР47ВП составило 24 с, После совместного напыления магнетронный ис- 5 точник с материалом Х20Н75Ю отключали и продолжали напыление верхнего слоя 3 из материала МР47ВП в течение 84 с. Затем вновь напыляли пленку 4 из материала

Х20Н75Ю до получения заданной величины 10 р реэистивного слоя. После завершения напыления материала Х20Н75Ю его магнетронный источник отключен, подачу аргона прекращали, а в рабочей камере восстанавливали давление до P«> = (5 — 6) 10 е мм рт. 15

- ст., затем производили термостабилизэцию напыленнного резистивного слоя при рабочем вакууме Рост = (5 — 6) 10 мм рт. ст. и

-е температуре подложек Т«лл = 350 и 10 С в течение 5,5 — 6 ч, после чего подложки ох-. 20 лаждали до температуры 180 С и производили напуск воздуха в. обьем рабочей камеры.

Кинетика изменения сопротивления многослойного тензорезистора при термо- 25 стабилизации в вакууме представлена на фиг, 2 и оценивалась по величине изменения сопротивления свидетеля. Через 5,5 — 6 ч величина сопротивления свидетеля стэбилизировалэсь. Подложки 1 с напыленным 30 резистивным слоем (3 — 4) помещали в вакуумную установку типа УВН71ПЗ, через трафарет (свободную маску) производили напыление контактного слоя, например, на основе хром-золото и формировали контэк- 35 тные площадки 5 к тенэореэисторам. После этого производили формирование рисунка тенэорезистивного слоя (3, 4) стандартными методами. фотолитографии и травили незащищенные фоторезистом участки реэистив- 40 ного слоя ионным пучком в среде газа аргона при следующих режимах: остаточное давление Рост - (1 — 2) 10 мм рт. ст, ток ионного пучка 0,08 — 0,1 А, напряжение ано-. да Оа = 5,0 - 5,5 кВ, время травления астр. = 45

-42 — 44 мин. Затем подложки со сформированными тенэореэисторами помещали в вакуумную камеру и производили термоциклирование при следующих режимах: давление P«t = (5 — 6) 10 е мм рт. ст., 50 подьем температуры до Тдодд = 300 + 10 С с градиентом 2 — 3 град/мин, выдержка при этой температуре в течение 1 — 1,5 ч, снижение температуры до Т дл = 100 «+10 С с градиентом 1,0 — 1,5 град/мин и повторяли -55 циклы еще 4-5 раз.

Кинетика изменения сопротивления многослойного тенэореэистора в процессе термоциклирования в вакууме представлена на фиг. 3. Величина сопротивления тензорезистора при выбранных режимах термоциклирования стабилизируется на пятом-шестом цикле. Основные изменения сопротивления происходят в течение первых четырех циклов m (- 1.3 — 1,5$), AR по истечении пятого-шестого цикла термоциклирования изменения сопротивления тензорезистора не превышает 0,015 .

На сформированные тензорезисторы вакуумным напылением наносили пассивирующий слой 6, например, двуокиси кремния толщиной 0,8 — 1 мкм, Процесс заканчивали проведением стабилизирующего отжига тенэорезисторов нэ воздухе при температуре Т т е = 250 С в течение 10 ч.

Изготовленные предложенным способом многослойные тенэорезистары были испытаны на стабильность сопротивления при температуре +300 С в течение 500 ч (фиг. 4).

Величина ТКС многослойных тензорезисторов в диапазоне температур — 60—

+300 С составила 2 х 10 /град.

Результаты временных испытаний при температуре Т сд = 300 С в течение 500 ч показали, что изменения сопротивлений

hR тенэорезисторов () составили не более 0,002 за все время испытаний.

Предлагаемый высокотемпературный тонкопленочный тензорезистор и способ его изготовления по сравнению с прототипом обеспечивают следующие преимущества: существенно расширяется в- область положительных диапазон рабочих температур (до +300 С), ТКС многослойного тенэорезистора в диапазоне рабочих температур — 60 — +300 С составляет не более 2 х 10 е

1/грэд, повышается стабильность сопротивления тензорезисторов, которая при

300 С составляет не более 0,0020, упрощается технология изготовления многослойноf0 тензорезистора эа счет исключения достаточно сложных операций создания на каждой резистивной пленке промежуточного слоя диэлектрика попеременной ее обработкой парами воды и парами галогенида алюминия, повышается воспроизводимость параметров многослойных тонкопленочных тензорезисторов.

Формула изобретения

Способ изготовления высокотемпературного тонкопленочного тенэорезистора, включающий формирование реэистивного слоя путем послойного нанесения реэистивных материалов с равным сопротивлением. на единицу площади и противоположными

1820416 по знаку температурными коэффициентами сопротивления (ТКС) до достижения требуемой величины сопротивления, нанесение слоя контактного материала, формирование рисунка резистивного элемента и контакт- 5 ных площадок тонкопленочного тензорезистора и создание. пассивированного слоя на нем, отличающийся тем, что,с целью повышения температурной стабильности параметров и технологичности изготовле- 10 ния, пбслойное нанесение резистивных материалов осуществляют поочередным нанесением монослоев реэистивных материалов из двух испарителей с различными резистивными материалами, после чего осу- 15 ществляют дополнительное последовательное нанесение реэистивной пленки с отрицательным ТКС, а затем резистивной пленки с положительным ТКС до получения требуемой величины сопротивления, а по- 20 сле формирования резистивного слоя проводят его термостабилизацию в течение 4,5 — 6,0 ч в вакууме при температуре его напыления, затем резистивный слой охлаждают до 190-200 С и производят напуск воздуха, 25 после формирования контактных площадок и тензорезистора его дополнительно термоциклируют 4 — 5 раэ в вакууме путем подьема температуры до 290 — 310 С при градиенте 2,0 — 3,0 град/мин с выдержкой при этой температуре в течение 1,0 — 1,5 ч, затем снижают температуру до 90 — 110 С при градиенте 1 — 1,5 ОС/мин, причем время

ti нанесения последовательных монослоев двух материалов и время t2 нанесения монослоя материала с отрицательной величиной

ТКС выбирают из выражения а + К а ов- И

11= 1об + и Й2 = 1 + К где toe — общее время нанесения последовательных монослоев, а и a2 — величины

ТКС тонкопленочных слоев первого и второго резистивных материалов;

К вЂ” коэффициент, определяемый соотношением циклов нанесения монослоев материала с положительной величиной ТКС и монослоев материала с отрицательной величиной ТКС.

1820416

ФО

Л, Ц2КЯ.

/0 2,0 3,0 4,0 50 6Р

400

400

Составитель Ю.Зеленцов

Техред М.Моргентал Корректор И.Шмакова

Редактор

Заказ 2032 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по иаобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-иадательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина. 101

200 ЗОО фиг.Ф.

too