JPH01500629A - 高温拡散隔壁を有する薄いフィルム状の白金抵抗温度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 １３、前記隔壁層は、約６０００オングストロームの厚さを有していることを特 徴とする前記請求の範囲第１１項記社の発明。

１４、前記誘電体層は二酸化シリコンであることを特徴とする前記請求の範囲第 １０項記載の発明。

１５、前記誘電体層は化学的蒸着工程によって形成されることを特徴とする前記 請求の範囲第１４項記載の発明。

１６、前記化学的蒸着工程はＴＥＯＳ工程であることを特徴とする前記請求の範 囲第１５項記載の発明。

１７、前記誘電体層は約２０００オングストロームの厚さをもつことを特徴とす る前記請求の範囲第１４項記載の発明。

１８、薄フイルム抵抗温度センサの製造方法であって、該方法が基板上に薄フィ ルムの白金抵抗素子を形成する工程と、良性の誘電体材料の第１の層で抵抗素子 を覆う工程と、該第１の層の上に、抵抗素子の電気的特性を変える汚染物質が通 過によって拡散するのを押え、逆に酸素が通過して拡散するのを許す選ばれた隔 壁材料で形成された第２の層を形成する工程とからなることを特徴とする製造方 法。

１９、前記誘電体材料は二酸化シリコンであることを特徴とする前記請求の範囲 第１８項記載の方法。

２０、前記抵抗素子を第１の層で覆うことは、化学的蒸着工程により、二酸化シ リコンを積層して形成することを特徴とする前記請求の範囲第１９項記載の方法 。

２１、前記化学的蒸着工程は、ＴＥＯＳ源を使用していることを特徴とする前記 請求の範囲第２０項記載の方法。

２２、前記選ばれた隔壁材料は二酸化チタンであることを特徴とする前記請求の 範囲第１８項記載の方法。

２３、前記第２の屠を形成する方法が、第１の層の上にチタンの層を積層する工 程と、酸素雰囲気中で該チタンの層を熱処理して二酸化チタンの第２の層を形成 する工程とがらなることを特徴とする前記請求の範囲第２２項記載の方法。

２４、前記温度センサが、さらに基板の上に、抵抗素子が接続される薄フィルム の白金接触パッドを有していることを特徴とする前記請求の範囲第１８項記載の 方法。

２５、前記接触パッドの一部を露出させるために、該接触パッドを覆っている第 １の層の一部を選択的に除去する工程を含むことを特徴とする前記請求の範囲第 ２４項記載の方法。

２６、前記第２の層を形成する前に、リフトオフ媒体で接触パッドの露出部分を 被覆する工程と、該接触パッドを露出するために、該リフトオフ媒体と該リフト オフ媒体を覆っている第２の層の一部を除去する工程とからなることを特徴とす る前記請求の範囲第２５項記載の方法。

明　細　書 高温拡散隔壁を有する薄いフィルム状の白金抵抗温度計（発明の背景） １、発明の分野 この発明は、改良された薄いフィルム状の白金抵抗温度計と、該改良された温度 計の製造方法に関する。特に、本発明は、該薄フイルム白金抵抗温度計が高い温 度において、温度計としての動作を果たすように、該白金抵抗温度計を改良した 点に特徴がある。

２、従来技術の説明 多くの年月の間、白金巻線抵抗体は温度の測定のために、広く使用されてきた。

近年、多くの関心が、巻線温度計より下記の優れた数々の独特の利点を提供する 薄フイルム白金抵抗温度計に向けられてきた。

第１に、該薄フイルム白金抵抗温度計（ＴＦＰＲＴｓ）は、半導体産業に使用さ れている技術と同様の技術を使用するバッチ製造（ｂａｔｃｈ　ｆａｂｒｉｃａ ｔｉｏｎ）に使用できる。第２に、該薄フイルム白金抵抗温度計は、その形状を 従来の温度計よりはるかに種々の形に変形して使用することができる。第３に、 該薄フイルム白金抵抗温度計は、今までのものよりもはるかに小さなサイズで作 ることができる。これに反して、巻線温度計においては、これをより小さな寸法 に作ろうとすると、より小さな径の線を使用するために、巻線抵抗体に巻かれた 白金線を使用することが必要になり、このような線を用いた抵抗体を扱ったり製 造することに対する困難性が増大する。

第４に、薄フイルム白金抵抗温度計の抵抗値を正確に作るためのトリミングのた めには、例えばレーザトリミングを用いることができる。

薄フイルム白金抵抗温度計の利点については、“正確かつ安定な温度センサとし ての薄フイルム印刷された白金薄フィルム抵抗体°メジャメント　アンド　コン トロール　ダブリュ、ディール著　第１５５−１５９頁（１９８２年１２月）に 、さらに記述されている。薄フイルム白金抵抗温度計を記述した特許および特許 出願としては、ライヘルドに対して付与された米国特許第４，０５０，０５２号 、ディール等に付与された米国特許第４．０７２，５９３号および米国特許第４ ．１０３，２７５号、フランク等に付与された米国特許第４．１２９．８４８号 、および１９８２年１０月２０日に公開された英国特許出願箱２，０９６，６４ ５号がある。

特許出願と同一の譲り受入に譲渡されている二つの継続中の特許出願（通し番号 筒６３６，１４２号、１９８４年７月３１日出願、名称“白金抵抗温度形”、お よび通し番号第６３６１４１号、１９８４年７月３１日出願、名称“白金抵抗温 度計の形成方法°）において、薄フイルム白金抵抗温度計の改良された製造方法 が記述されている。この二つの継続中の出願の中で開示されている薄フイルム白 金抵抗温度計は、二酸化シリコンのような不活性材料がある基板の上に設けられ 、その後選択的にエツチングされて、白金薄フイルム抵抗体要素に負のパターン （すなわち、通路）を形成する製造工程によって作製される。該白金薄フィルム は、露出した基板表面と前記不活性材料の表面の両方の上に形成される。

該不活性材料は、それからその表面に形成されている白金を除去するために、エ ツチングによって取り除かれる。これによって、該不活性材料によって限定され た通路の中に、白金のみが残される。この結果得られた白金抵抗要素は、円柱状 のグレイン（ｇｒａｉｎ　）パターンとなっている。該抵抗要素の端部が鋭く切 られていること、円柱状のグレイン構造、および不純物を最少にしたことにより 、該抵抗要素の抵抗の温度係数をより精密に制御できるようになった。

前記二つの継続中の特許出願に開示されている薄フイルム白金抵抗温度計の製造 方法は、約４００℃以下の温度で優れた効果を示した。しかしながら、これより 高い温度では、電気特性の劣化が観察された。該薄フイルム白金抵抗温度計が苛 酷な環境と高い温度で使用することができるようにするために、薄フイルム白金 抵抗温度計の改良が必要とされている。

（本発明の概要） 本発明は、もし白金と相互作用するなら、検出素子の電気的特性を変える汚染物 質から、該温度検出素子を保護する多層保護被覆を有する、改良された薄フイル ム白金抵抗温度計に関するものである。本発明においては、薄フイルム白金抵抗 温度検出素子は、隔壁層によって覆われている良性の誘電体層により被覆されて いる。この隔壁層は、該誘電体層の上を覆い、該検出素子の方へ汚染物質が拡散 するのを押える。

該隔壁層は、また、酸素の拡散を許す。このため、白金層は豊かな酸素雰囲気の 中に包まれる。

本発明の好ましい実施例においては、良性の誘電体層は、テトラエチールオルソ シリケート（ＴＥ０１）源を使用して化学的蒸着法によって形成された二酸化シ リコン層である。

このため、白金に悪い影響を与える自由なシリコンは存在しなくなる。

好ましい実施例において、前記隔壁層は二酸化チタンである。この隔壁層は、好 ましくはチタンの積層がまず行われ、その後酸素雰囲気の中で熱処理を行うこと によって二酸化チタンに変えられることによって、作成される。

本発明は、苛酷な環境から薄フイルム白金抵抗温度計を保護するのに使用されて いた従来の保護被覆層は、高温では、汚染源となり、該薄フイルム白金抵抗温度 計を十分に保護するものではないという発見に基づいてなされた。典型的には、 該薄フイルム白金抵抗温度計は、従来、プローブの形であり、ガラス保護被覆層 で被覆されていた。該ガラスは、還元または酸化の条件下で、高温において不安 定な種々の金属酸化物を含んでいる。該酸化物は、破壊されると、（鉛またはア ルカリ金属のような）金属がガラスから拡散し、白金の中に拡散される。この結 果、白金薄フィルムのグレイン境界間にある金属がその導電構造を分裂され、該 フィルムの抵抗の温度係数を変えるものと、考えられている。

（図面の簡単な説明） 第１Ａ図および１８図は、それぞれ、本発明の白金抵抗温度計の平面図および断 面図である。

第２Ａ−２Ｇ図は、第１Ａ図および１８図の改良された薄フイルム白金抵抗温度 計の製造方法を示す。

第３図は、本発明の薄フイルム白金抵抗温度計の他の好ましい実施例を示す断面 図である。

（好ましい実施例の詳細な説明） 第１Ａ図および１８図に示されているような薄フイルム白金抵抗温度計１０は、 抵抗検出素子（センサ）１４が形成されている基板１２を有している。該検出素 子１４の他方の端部には、白金接触パッド１６と１８がある。線２０と２２は、 それぞれ、バッド１６と１８に固着されており、薄フイルム白金抵抗温度計１０ を、該薄フイルム白金抵抗温度計１０の抵抗を温度の値に変換する電気回路（図 示されていない）に電気的に接続する働きをしている。前記接触パッド１６と１ ８の上にある開口を除く薄フイルム白金抵抗温度計１０の表面の被覆は、誘電体 層２４と隔壁層２６によって形成された保護被覆である。

本発明の好ましい実施例においては、誘電体層２４は二酸化シリコンである。該 誘電体層２４の目的は、白金検出素子１４の上に絶縁層を提供することである。

誘電体層２４は“良性“である。換言すれば、それは検出素子１４に対して“毒 性”であったり、該検出素子１４を汚染する成分を含んでいない。

テトラエチールオルソシリケート（ＴＥ０１）を用いて化学的蒸着により形成し た二酸化シリコンが優れた良性の誘電体層であることが見付けられた。この工程 の利点は、シリコンがいつも十分に酸化されていること、それ故、白金と作用す る又は該白金に毒になる自由なシリコン分子がなくなることである。誘電体層２ ４はまたシラン（ｓｉｌａｎｅ）と酸素から二酸化シリコンの低圧化学蒸着（Ｌ 　Ｐ　Ｇ　ＶＤ）法によって形成することができる。

隔壁層２６は好ましくは二酸化チタンである。該隔壁層２６の目的は、汚染物質 が該隔壁層２６と誘電体層２４を通って検出素子１４に拡散することを防止する ことにある。さらに、二酸化チタンは酸素を透過する。このため、その隔壁能力 は選択的である。酸素を透過できるということは、検出素子１４の近傍に酸素を 供給し続けられるから、有益である。

豊かな酸素のある環境は有益である。なぜなら、白金は関心のある温度範囲では 酸化されない。これに反し、他の汚染物質は該酸素によって酸化される傾向にあ る。隔壁層２６はまた酸化ジルコニウム、またはチタンとジルコニウムの合成物 から形成されてもよい。

隔壁層２６と誘電体層２４の結合の効果は、高い温度（例えば、４００℃〜６０ ０℃）において、検出素子１４の電気特性（特に抵抗の温度係数）に悪い影響を 与える汚染物質から検出素子１４を保護することにある。

基板１２は、広い温度範囲に亙ってかつ反応性のある大気または環境下において 、白金に対して実質的に不活性な非導電材料から作られている。該基板１２は、 検出素子１４の汚染が後面または底面から生ずるのを防止する保護隔壁の役割を 果たしている。また、該基板１２は、それ自身、検出素子１４に悪い影響を与え るいかなる汚染物質であってはならない。好ましい実施例においては、基板１２ は、約１３ミルまたは０．０１３インチのオーダの厚さを持つ高純度のサファイ アの基板である。

検出素子１４とそれに対する接触パッド１６と１８とを形成する約９６００−９ ８００オングストロームの厚さをもつ白金の薄フィルム、２０００〜４０００オ ングストロームの範囲好ましくは２０００オングストロームのオーダの厚さをも つ二酸化シリコンの誘電体壁層、６０００〜１２０００オングストロームの範囲 好ましくは約６０００オングストロームのオーダの厚さをもつ二酸化チタン隔壁 層２６を用いた本発明が、優れた効果を発揮した。第１Ａおよび１８図に示され ているように、接触バッド１６と１８が覆っている領域は開いているので、ワイ ヤ２０と２２を接続することができる。

しかし、バッド１６と１８が大気に露出しているという現実は、該バッド１６と １８の領域が大変大きいという理由で、薄フイルム白金抵抗温度計１０に悪い影 響を与えず、また薄フイルム白金抵抗温度計１０の合計抵抗に無視できない影響 を与えない。汚染による接触パッド１６または１８の抵抗の僅かな変化は、無視 できる程度のものである。該汚染がもし検出素子１４に達するとすれば、薄フイ ルム白金抵抗温度計１０の特性に非常に悪い影響を与えるであろう。

検出素子１４の特定の構成は、装置の特別な要請によって、変えることができる 。第１Ａおよび１８図に描かれた構成は、図解のためにのみ用いられる、簡略化 された構成である。なぜなら、検出素子１４の特定の形状が本発明の一部ではな いからである。

第２Ａ−２Ｆ図は本発明の薄フイルム白金抵抗温度計１０を形成するための好ま しい方法を図示している。第２Ａ図は、検出素子１４と接触パッド１６と１８が 基板１２の表面１２Ａ上に形成された後の薄フイルム白金抵抗温度計１０を示し ている。好ましい実施例においては、検出素子１４と接触パッド１６および１８ の限定は、前記二つの継続中の特許出願に開示されているリフトオフ（ｌｉｆｔ ｏｆｆ）工程によって行われる。この工程によって、白金の全ての層に亙って円 柱状のグレイン構造をもつ白金の薄フィルムを作ることができる。

２Ａ図は、この工程が使用された時の、前記継続している出願中に記載された最 終アンニール行程の後の工程を表している。さらに、所望の抵抗を作るために検 出素子１４のトリミングが行われた。その結果、該検出素子１４の上に、本発明 の多層保護層を形成することができる。

白金層を形成する好ましい方法は継続中の出願中に明らかにされているけれど、 薄フイルム白金抵抗温度計を作製する他の工程もまた本発明に適用できる。

白金検出素子１４と接触パッド１６および１８の形状が完成した後、第２Ｂ図に 示されているように、誘電体層２４が積層される。前述したように、該誘電体層 ２４を作る好ましい方法はＴＥＯＳ源からの化学蒸着法である。誘電体層２４は 基板１２の露出した表面１２Ａを覆い、検出要素１４と接触パッド１６および１ ８をも覆う。二酸化シリコンの積層工程はまた基板１２の底面１２Ｂ上に二酸化 シリコン層を形成する。

次に、第２Ｃ図に示されているように、接触パッド１６および１８上の窓または 開口３０は、標準的なホトリソグラフィック工程によって、誘電体層２４の中に 形成される。ホトレジスト層（図示されていない）は二酸化シリコン誘電体層２ ４の上に積層され、接触パッド１６と１８の上に開口３０を限定するために露光 される。二酸化シリコンはそれからホトレジストによって限定された開口を作製 するために、エツチングされる。同じエツチング工程において、基板１２の底面 １２Ｂ上に形成されていた二酸化シリコン層２８は除去される。

次に、正のホトレジストが接触パッド１６と１８の上にリフトオフ層として使用 される。ホトレジストは最初に装置の表面上に積層され、パッド１６と１８のう えを覆っているホトレジストリフトオフ層のみを残すために露光される。このよ うにして得られたリフトオフ層３２は第２Ｄ図に示されている。

第２Ｅ図において、チタン層３４は誘電体層２４とリフトオフ層３２の上に積層 される。リフトオフ層３２の厚さのために、リフトオフ層３２の上に置かれたチ タン層３４の部分３４′はチタン層３４の残りと全熱接続されないか、あるいは 大変薄く多孔のフィルムによってのみ接続される。

次に、ホトレジスト層３２は溶解され、その結果接触パッド１６と１８を覆って いるチタン層の部分３４−がリフトオフされた。その結果が第２Ｆ図に示されて いる。

最後に、チタン層３２は純粋の酸素雰囲気中で、８００℃の温度に加熱すること によって、酸化される。このようにして得られた隔壁層２６が二酸化チタンであ り、該隔壁層２６はチタン層３４の約２倍の厚さをもっている。第２Ｇ図はチタ ン層を酸化して隔壁層２６を形成した後の装置を示している。

その工程の最後のステップは、個々の薄フイルム白金抵抗温度計１０に切断し、 ワイヤリード２０および２２を接着することである。この切断は半導体産業で使 用されている通常のチップ切断技術を用いてなされる。また、前記接着は通常の ワイヤ溶接技術を用いてなされる。この結果得られた装置は第１Ａおよび１８図 に示されている。

第１Ａおよび１８図に示されている２層保護被覆は非常に大きな効果を発揮する ように改善されたけれども、隔壁層２６の上に別の層をさらに形成することもま た可能である。

第３図は本発明の他の実施例を示す。この実施例は第１Ａおよび１８図に示され た装置に一般的には類似している。このため、類似の要素が類似の特徴によって 示されている。しかしながら、第３図に示された装置において、付加の誘電体層 ４０（好ましくは、二酸化シリコン）は二酸化チタン隔壁層２６の上を覆ってい る。該二酸化シリコン層４０はさらに機械的な保護を提供し、またガラスや他の 保護層が薄フイルム白金抵抗温度計１０上に形成されることができるように濡ら す目的のために用いられる。

本発明は好ましい実施例を参照して説明されたが、当業者が発明の精神から逸脱 することなしに、容易に変更できるものは、本発明の範囲に入ることは明らかで ある。

国際調査報告

Claims (26)

【特許請求の範囲】
1. １．電気的絶縁基板、該基板の第１の面の上に白金によって形成された抵抗温度 検出素子、該温度検出素子を覆う良性の誘電体層、および該誘電体層の上を覆う 隔壁層からなり、該隔壁層は、該白金が該汚染物質から保護されるように、汚染 物質が前記白金の中に拡散するのを押え、かつ酸素が該隔壁層を通って拡散する ようにするものであることを特徴とする温度センサ。
2. ２．前記隔壁層は、二酸化チタンであることを特徴とする前記請求の範囲第１項 記載の温度センサ。
3. ３．前記隔壁層は、チタンの積層を形成した後、酸素雰囲気中で熱処理をして形 成された二酸化チタンによって構成されていることを特徴とする前記請求の範囲 第２項記載の温度センサ。
4. ４．前記隔壁層は、約６０００〜１２０００オングストロームの厚さを有してい ることを特徴とする前記請求の範囲第２項記載の温度センサ。
5. ５．前記誘電体層は、二酸化シリコンであることを特徴とする前記請求の範囲第 １項記載の温度センサ。
6. ６．前記誘電体層は、化学的蒸着工程によって形成されることを特徴とする前記 請求の範囲第５項記載の温度センサ。
7. ７．前記化学的蒸着工程は、ＴＥＯＳ源を使用していることを特徴とする前記請 求の範囲第６項記載の温度センサ。
8. ８．前記誘電体層は、２０００〜４０００オングストロームの厚さをもつことを 特徴とする前記請求の範囲第５項記載の温度センサ。
9. ９．前記基板はサファイアであることを特徴とする前記請求の範囲第１項記載の 温度センサ。
10. １０．白金で作られた抵抗温度検出素子の高温における電気特性の劣化を防止す るための保養被覆層であって、該保護被覆層が、該検出索子の表面を覆う良性の 誘電体層と、該誘電体層を覆う隔壁層とからなり、該隔壁層は、高温で、白金の 電気的特性を変える汚染物質が該白金の中に拡散するのを押える材料で形成され ていることを特徴とする保護被覆層。
11. １１．前記隔壁層が二酸化チタンであることを特徴とする前記請求の範囲第１０ 項記載の発明。
12. １２．前記隔壁層が、チタンの積層工程と、その後の酸素雰囲気中での熱処理工 程によって作成された二酸化チタンで形成されていることを特徴とする前記請求 の範囲第１１項記載の発明。
13. １３．前記隔壁層は、約６０００オングストロームの厚さを有していることを特 徴とする前記請求の範囲第１１項記載の発明。
14. １４．前記誘電体層は二酸化シリコンであることを特徴とする前記請求の範囲第 １０項記載の発明。
15. １５．前記誘電体層は化学的蒸着工程によって形成されることを特徴とする前記 請求の範囲第１４項記載の発明。
16. １６．前記化学的蒸着工程はＴＥＯＳ工程であることを特徴とする前記請求の範 囲第１５項記載の発明。
17. １７．前記誘電体層は約２０００オングストロームの厚さをもつことを特徴とす る前記請求の範囲第１４項記載の発明。
18. １８．薄フイルム抵抗温度センサの製造方法であって、該方法が基板上に薄フイ ルムの白金抵抗素子を形成する工程と、良性の誘電体材料の第１の層で抵抗素子 を覆う工程と、該第１の層の上に、抵抗素子の電気的特性を変える汚染物質が通 過によって拡散するのを押え、逆に酸素が通過して拡散するのを許す選ばれた隔 壁材料で形成された第２の層を形成する工程とからなることを特徴とする製造方 法。
19. １９．前記誘電体材料は二酸化シリコンであることを特徴とする前記請求の範囲 第１８項記載の方法。
20. ２０．前記抵抗素子を第１の層で覆うことは、化学的蒸着工程により、二酸化シ リコンを積層して形成することを特徴とする前記請求の範囲第１９項記載の方法 。
21. ２１．前記化学的蒸着工程は、ＴＥＯＳ源を使用していることを特徴とする前記 請求の範囲第２０項記載の方法。
22. ２２．前記選ばれた隔壁材料は二酸化チタンであることを特徴とする前記請求の 範囲第１８項記載の方法。
23. ２３．前記第２の層を形成する方法が、第１の層の上にチタンの層を積層する工 程と、酸素雰囲気中で該チタンの層を熱処理して二酸化チタンの第２の層を形成 する工程とからなることを特徴とする前記請求の範囲第２２項記載の方法。
24. ２４．前記温度センサが、さらに基板の上に、抵抗素子が接続される薄フイルム の白金接触パッドを有していることを特徴とする前記請求の範囲第１８項記載の 方法。
25. ２５．前記接触パッドの一部を露出させるために、該接触パッドを覆っている第 １の層の一部を選択的に除去する工程を含むことを特徴とする前記請求の範囲第 ２４項記載の方法。
26. ２６．前記第２の層を形成する前に、リフトオフ媒体で接触パッドの露出部分を 被覆する工程と、該接触パッドを露出するために、該リフトオフ媒体と該リフト オフ媒体を覆っている第２の層の一部を除去する工程とからなることを特徴とす る前記請求の範囲第２５項記載の方法。