AT399960B

AT399960B - Verfahren zur herstellung eines temperaturabhängigen widerstandes

Info

Publication number: AT399960B
Application number: AT251689A
Authority: AT
Inventors: Helmut Dipl Ing Dr Mitter
Original assignee: E & E Elektronik Gmbh
Priority date: 1989-10-31
Filing date: 1989-10-31
Publication date: 1995-08-25
Also published as: ATA251689A

Description

AT 399 960 B

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines temperaturabhängigen Widerstandes, insbesondere eines Temperatursensors für Widerstandsthermometer, wobei auf einen Träger aus einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder andere isolierende Materialien, vorzugsweise komplex zusammengesetzte isolierende Schichten, eine Schicht eines Metalles, insbesondere Molybdän, aufgebracht wird.

Elektrische Temperaturfühler der eingangs genannten Art sind beispielsweise der DE-OS 25 38 966 zu entnehmen. Bei dieser bekannten Ausbildung eines elektrischen Temperaturfühlers wird auf einem Träger zunächst eine Schicht eines elektrisch leitfähigen Metalloxides aufgetragen, worauf anschließend die gewünschte Schichtstärke eines Metalles, beispielsweise Nickel, Chrom, Platin. Zirkon, Zink, Molybdän oder Eisen aufgebracht wird, welches gemeinsam mit der elektrisch leitenden Metalloxidschicht den temperaturabhängigen Widerstand ausbildet. Je nach Wahl des Metalles bzw. der Kombination von Metalloxid und Metall soll dabei ein positiver Temperaturkoeffizient des Widerstandes erzielt werden, welcher eine geringe Veränderlichkeit des elektrischen Widerstandes in Folge mechanischer Vibrationen und hohe Wärmebeständigkeit und Wiederholbarkeit aufweisen soll.

Alle temperaturabhängigen Metallwiderstände, sei es in Form von gewickelten Drähten oder dünnen Schichten, haben üblicherweise eine mehr oder weniger lineare Temperatur-Widerstandscharakteristik. Um in der Folge beispielsweise unter Verwendung eines Parallelwiderstandes oder Serienwiderstandes eine Linearisierung des Verhaltens zu erreichen, ist es Voraussetzung, daß die Temperatur-Widerstandscharakteristik eine positive Krümmung der Abhängigkeit des Widerstandes von der Temperatur aufweist. Platinwiderstände weisen in der Regel eine negative Krümmung der Abhängigkeit des Widerstandes von der Temperatur auf und sind daher für eine nachträgliche Linearisierung durch Anwendung von Parallelwiderständen oder Serienwiderständen nicht ohne weiteres geeignet.

Unter den bisher verwendeten Metallen für temperaturabhängige findet sich auch Molybdän, welches sich durch eine wesentlich linearere Kennlinie gegenüber einem Platinwiderstand auszeichnet und darüber hinaus die gewünschte positive Krümmung der Abhängigkeit des Widerstandes von der Temperatur aufweist

Beim Aufbringen von Molybdän auf Trägersubstanzen kann eine Vermeidung einer Veränderlichkeit des Widerstandes als Folge mechanischer Vibrationen oder Schwingungen sowie eine hohe mechanische Beständigkeit, hohe Wärmebeständigkeit und Wiederholbarkeit, wenn Molybdän in geringer Schichtstärke aufgetragen wird, nicht ohne weiteres erreicht werden.

Die Erfindung zielt nun darauf ab, einen temperaturabhängigen Widerstand der eingangs genannten Art aut der Basis von Metallen, vorzugsweise von Metallen mit positiver Krümmung der Abhängigkeit des Widerstands von der Temperatur, und im besonderen temperaturabhängige Widerstände mit Molybdän als Material für die temperaturabhängige Schicht zu schaffen, welcher sich durch hohe mechanische Stabilität, hohe Linearität der Temperatur-Widerstandscharakteristik, hohe Wärmebeständigkeit und Wiederholbarkeit so wie sehr kurze Ansprechzeiten auszeichnet und insbesondere auch zur Erzielung besonders kurzer Ansprechzeiten in besonders dünnen Schichten herstellbar ist. Insbesondere soll die Erzielung stabiler und mechanisch hochfester, dünner Schichten die Möglichkeit bieten, Widerstände mit für übliche Auswerteschaltungen geeignetem Widerstandswert und entsprechend großer temperaturempfindlicher Oberfläche herstellen zu können. Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die erfindungsgemäße Verfahrensweise im wesentlichen darin, daß auf den Träger in einem Hochfrequenzplasmaprozeß eine erste dünne Metallschicht unter Verwendung eines Hochfrequenzplasmas aufgebracht wird und daß anschließend unter Verwendung von Gleichstrom ein Sputtern des gleichen Metalles zur Erzielung der gewünschten Schichtstärke vorgenommen wird. Dadurch, daß zunächst eine erste, dünne Metallschicht in einem Hochfrequenzplasmaprozeß aufgebracht wird, wird eine Haftschicht erzielt, auf welcher in Cer Folge durch Sputtern unter Anwendung eines Gleichstromverfahrens eine überaus gleichmäßige, dünne Gesamtschicht aufgetragen werden kann, welche sich durch hohe mechanische Stabilität auszeichnet. Dadurch daß die Gesamtschichtstärke bei gleichzeitig hoher mechanischer Stabilität gegenüber bekannten Verfahrensweisen wesentlich herabsetzen läßt, wird bei gleichem Widerstandswert eine kleinere aktive bzw. temperaturempfindliche Fläche geschaffen und insgesamt aufgrund der relativ dünnen Schichten eine hohe Ansprechgeschwindigkeit erzielt. Die zweistufige Verfahrensweise zum Aufbringen einer einheitlichen Metallschicht dient dabei neben der Verbesserung der mechanischen Festigkeit auch dazu, über die gesamte Fläche eine auch in elektrischen Parametern überaus homogene und konstante Schichtstärke sicherzustellen, ohne daß die Gefahr von Rissen bei der Handhabung von großen Trägerplatten besteht. Insgesamt eignet sich ein derartiges Verfahren daher bevorzugt für die Anordnung einer großen Anzahl derartiger temperaturabhängiger Widerstände auf einem Trägersubstrat, welches in der Folge nach entsprechender, beispielsweise photolitogra-phischer Strukturierung in einzelne temperaturabhängige Widerstände zerteilt werden kann. Gerade beim Zerteilen des Trägermaterials werden die aufgebrachten Schichten in der Regel mechanisch stark bean- 2 10:10:02

AT 399 960 B sprucht und die überaus große Widerstandsfähigkeit, welche aufgrund der erfindungsgemäßen zweistufigen Verfahrensweise erzielbar ist, ermöglicht es daher, auch Trennvorgänge ohne Zerstörung der bereits gebildeten Widerstände sicher durchführen zu können.

Mit Vorteil wird das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt, daß das Verhältnis der Dicke der ersten Schicht zur Dicke der Gesamtschicht kleiner als 1:50, insbesondere kleiner als 1:100 gewählt wird. In der Praxis hat sich gezeigt, daß mit einer derartigen zweistufigen Verfahrensweise unter Einhaltung der genannten Dickenverhältnisse überaus dünne Beschichtungen, insbesondere Beschichtungen, bei welchen die Dicke der Gesamtschicht mit 100 bis 1000 nm, insbesondere mehr als 250 nm, gewählt wird, sicher hergestellt werden können. Derartig dünne Beschichtungen zeichnen sich durch hinreichend hohe Flexibilität ohne die Gefahr von Rissen über den Querschnitt der Widerstandsleiterbahn aus.

Die gleichbleibende und konstante Schichtstärke läßt sich im Anschluß an die Grundbeschichtung unter Verwendung eines HF-Plasmaprozesses in besonders einfacher Weise so hersteilen, daß das Sputtern im Gleichstromverfahren mit einem DC-Magnetron vorgenommen wird. Mittels einem derartigen Gleichstromverfahrens läßt sich die Schichtstärke überaus exakt einstellen und es lassen sich auch geringe Gesamtschichtstärken mit gleichbieibender Schichtstärke und elektrischen Eigenschaften ohne weiteres erzielen. Für die vorangehende Abscheidung einer ersten dünnen Metallschicht wird der HF-Plasmaprozeß bevorzugt bei sehr kleiner Leistungsdichte und hohem Arbeitsgasdruck eingesetzt, um auf diese Weise zu einer Bekeimung des Trägermaterials zu kommen, welches in der Folge zu einer sicheren Haftung und homogenen Verbindung mit der nachfolgenden Beschichtung führt. Bevorzugt wird hiebei so vorgegangen, daß der Hochfrequenzplasmaprozeß bei Leistungsdichten von kleiner als 5 kW/m2 und/oder einem Arbeitsgasdruck von größer als 1.0 Pa durchgeführt wird, wobei in an sich bekannter Weise beim Hochfrequenzplasmaprozeß Argon als Arbeitsgas eingesetzt werden kann.

Insbesondere bei der .gleichzeitigen Herstellung einer größeren Anzahl von temperaturabhängigen Widerständen auf einem entsprechend groß dimensionierten, flächigen Substrat, kann mit Vorteil so vorgegangen werden, daß nach einer, insbesondere photolithographischen, Strukturierung der Metallschicht eine temperaturstabile Schutzschicht, beispielsweise aus Quarz, Glas, Runststoffen, Lacken od.dgl., aufgebracht wird, wobei die Aufbringung einer temperaturstabilen Schutzschicht auch bei großflächigen Bauteilen mit Rücksicht auf die hohe Stabilität der Verbindung der dünnen Schicht mit dem Trägermaterial ohne Gefahr einer Zerstörung der Widerstandsbahnen erfolgen kann.

Um die Widerstands-Temperaturcharakteristik weitergehend zu stabilisieren und linearisieren, kann mit Vorteil so vorgegangen werden, daß der mit der Metallschicht und gegebenenfalls mit der Schutzschicht beschichtete Träger im Vakuum, insbesondere unter Einsatz von Infrarotstrahlern, getempert wird und unter atmosphärischen Bedingunoen unter gegenüber Betriebstemperatur erhöhter Temperatur gealtert wird, wobei insbesondere durch der. Alterungsprozeß bei gegenüber Betriebstemperatur erhöhter Temperatur und unter atmosphärischen Bedingungen die Langzeitstabilität des Temperatur-Widerstandsverhaltens wesentlich verbessert werden kann.

Beim Tempern wird bevorzugt eine Temperatur von unter 650 *C, insbesondere etwa 550 *C bis 600 *C, über einer Dauer von wenigstens 2 min, insbesondere wenigstens 5 min, eingestellt, wobei es hiebei wesentlich erscheint, daß mit Vorteil zwischen 550 *C und 650 *C die Mindesthaltezeit von 5 mm eingehalten wird.

Die Abstimmung des Widerstandswertes auf die nachfolgenden Erfordernisse der Auswerteschaitung, insbesondere die Einstellung eines Widerstandswertes R0 für eine vorgegebene Temperature, insbesondere 0‘C, kann in an sich bekannter Weise dadurch erfolgen, daß in an sich bekannter Weise nach einer Herstellung der Anschlußkontakte die Einstellung des Widerstandes durch ein Lasertrimmen erfolgt.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Auf eine Dünnschichtkeramik, beispielsweise aus Aluminiumoxid, wird mittels eines Hochfrequenzplasmaprozesses eine ca. 5 nm dicke Molybdänschicht bei einer Leistungsdichte von etwa 2,5 kW/m2 und einem Druck des Arbeitsgases Argon von etwa 2,65 Pa aufgebracht. Der Restgasdruck darf dabei einen Wert von etwa 2xi0~‘ Pa nicht überschreiten. Die gewünschte Schichtstärke des temperaturabhängigen Widerstandes wird darauf im selben Vakuum in einem Gleichstromverfahren mil einem DC-Magnetron aufgetragen, wobei beispielsweise eine Schichtdicke von 250 nm Molybdän aufgebracht wird.

Das derart mit Molybdän beschichtete Trägermaterial wird anschließend photolitographisch strukturiert, worauf in Liftoff-Technik auf der gesamten Fläche des Widerstandsthermometers eine Schutzschicht aus SiOz in einer Stärke von etwa 500 nm durch Sputtern aufgebracht wird. Die soweit fertiggestellten Temperatursensoren, wobei auf einem Träger eine Vielzahl von in weiterer Folge durch Zerteilen des Trägers mitsamt der strukturierten Metallschicht herstellbaren Einzelsensoren ausgebildet ist. werden nachfolgend einer Temperaturbehandlung im Vakuum unter Einsatz von Infrarotstrahlen unterzogen, wobei eine Temperatur von etwa 575'C für die Dauer von wenigstens 5 min erhalten wird. Daran anschließend 3 10:10:02

Claims

AT 399 960 B wird unter atmosphärischer Bedingungen unter gegenüber Betriebstemperatur erhöhter Temperatur ein Alterungsprozeß durchgeführt. Die Fertigstellung der einzelnen Sensoren erfolgt anschließend in bekannter Weise durch ein Herstellen von Anschlußkontakten, ein Trimmen, insbesonderer Lasertrimmen, zur Einstellung des Widerstandes, ein s Trennen des Trägermaterials mitsamt der strukturierten Metallschicht zur Ausbildung der einzelnen Sensoren, ein Kontaktieren sowie die Durchführung von Tests der hergestellten Temperatursensoren. Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung eines temperaturabhängigen Widerstandes, insbesondere eines Temperatursensors für Widerstandsthermometer, wobei auf einen Träger aus einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder andere isolierende Materialien, vorzugsweise komplex zusammengesetzte isolierende Schichten, eine Schicht eines Metalles, insbesondere Molybdän, aufgebracht wird dadurch gekennzeichnet, daß auf den Träger in einem Hochfrequenz-75 plasmaprozeß eine erste dünne Metallschicht unter Verwendung eines Hochfrequenzplasmas aufgebracht wird und daß anschließend unter Verwendung von Gleichstrom ein Sputtern des gleichen Metalles zur Erzielung der gewünschten Schichtstärke vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Dicke der ersten 20 Schicht zur Dicke der Gesamtschicht kleiner als 1:50 gewählt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß das Verhältnis kleiner als 1:100 gewählt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet daß das Sputtern im Gieichstromver-fahren mit einem DC-Magnetron vorgenommen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß der Hochfrequenzplasmaprozeß bei Leistungsdichten von kleiner als 5 kW/m2 und/oder einem Arbeitsgasdruck von größer so als 1,0 Pa durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß beim Hochfrequenzplasmaprozeß Argon als Arbeitsgas eingesetzt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Gesamt schicht mit 100 bis 1000 nm gewählt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke mit mehr als 250 nm gewählt wird. 40
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach einer Strukturierung der Metallschicht eine temperaturstabile Schutzschicht aufgebracht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine photolitographische Strukturierung 45 vorgenommen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht aus Quarz, Glas, Kunststoffen, Lacken od.dgl. aufgebracht wird. so
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Metallschich! und gegebenenfalls mit der Schutzschicht beschichtete Träger im Vakuum getempert wird und unter atmosphärischen Bedingungen unter gegenüber Betriebstemperatur erhöhter Temperatur gealtert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennezeichnet, daß der Träger unter Einsatz von Infrarot- 55 Strahlern getempert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß beim Tempern eine Temperatur von unter 650’C über einer Dauer von wenigstens 2 min eingestellt wird. 4 10:10:02 ΑΤ 399 960 Β
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß beim Tempern eine Temperatur von etwa 550 bis 600 · C eingestellt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß beim Tempern die Temperatur über wenigstens 5 min gehalten wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise nach einer Herstellung der Anschlußkontakte die Einstellung des Widerstandes durch ein Lasertrimmen erfolgt. 5 10:10:02