Способ изготовления высокотемпературного тонкопленочного тензорезистора Советский патент 1993 года по МПК H01C17/00 

ные площадки к тензорезистору, б - пасси- вирующий слой.

На фиг. 2-4 представлена кинетика изменения сопротивления многослойногб тензорезистора при термостабилизации в вакууме, во время термоциклирования в вакууме и. в процессе испытаний на стабильность.

Общее сопротивление тензорезистора, представленного на фиг. 1, можно записать как

R hi( А/ 1 + ) + п2ф 1 +

+ пзД/02 М,(1)

где A/OI и Д/05 -удельныеповерхностные сопротивления тонких первого (3) и второго (4} слоев резистивных материалов;

ni. П2, пз количество циклов нанесения совместных слоев 3 и 4 резистивных материалов с противоположными по знаку ТКС, количество циклов нанесения слоев рези- стивного материала с отрицательным ТКС, количество циклов нанесения слоев рези- стивного материала с положительным ТКС соответственно;

N - число квадратов резистивного слоя тензорезистора.

Сопротивление тензорезистора в зависимости от температуры можно представить как

Ят ЯоО+ОобДТ),(2)

где RO сопротивление тензорезистора при нормальной температуре То 20°С;

вЪб - величина ТКС резистивного слоя тензорезистора;

Д Т - диапазон рабочих температур. Тогда из выражения (2) RT RO

#66 г- р-. дт

о Ко А I

(3)

Подставив в выражение (3) значений RT и RO, равные RT-((i +«1Дт)+Д/(1 -г-ойДт) +

+ п2Д/о(1 +«1 ,ДТ) +

+ пзД/Э2(1 +02ДТ)} -N;

Ro - ш( + Д/о } + п2 Др +

+ пз Д/# -N,

и приняв, что Д/о Др$ Др° , а пз

kn2. получим

г, - i(gi +оа ) + П2(«1 +ког) (м б2щ +П2(-1 +k) 1

где а и %- ТКС резистивных пленок из материалов с отрицательным и положительным его значением соответственно;

К - коэффициент, зависящий от отношения числа циклов нанесения слоев материа

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

пэ с положительным ТКС к числу циклов нанесения слоев материала с отрицательным ТКС.

Из выражения (4) при условии, что «об 0, получим

«1 + К %

Л1 п°б fls + Kai ;

Поб П1 + П2(И-К).(5)

Способ изготовления высокотемпературного тонкопленочного тензорезистора состоит из следующих операций. Очищенные металлические подложки 1, например, из нержавеющей стали марки 36НХТЮ помещали в вакуумную установку типа УРМЗ.279.047 и наносили изолирующий слой 2, например, из двуокиси кремния толщиной 1,5-2 мкм (фиг. 1). Затем подложки 1 с изолирующим слоем 2 помещали в вакуумную установку типа УВН71ПЗ, оборудованную двумя магнетронными источниками. В рабочей камере установки создавали остаточное давление Рост $ -6)10 мм рт. ст.. производили нагрев подложек 1 с изолирующим слоем 2 до температуры Тподл 350± ±10°С при вращающейся карусели (V 60 об/мин) и выдерживали их при этой температуре в течение 1выд 30± 5 мин. Затем в рабочую камеру установки подавали нейтральный газ, например аргон, и создавали остаточное давление Рост - 5 мм рт. ст. Включали магнетроны, содержащие каждый мишени из резистивных сплавов,, например из сплава Х20Н75Ю (20% хрома, 75% никеля, 5% алюминия) и из сплава молибден-рений МР47ВП (47% молибдена, остальное рений), при следующих режимах: ток напыления 1Х20Н75Ю 2,2 А, ток напыления 1мР47ВП «1,5 А. По предварительным исследованиям были определены значения ТКС резистивных пленок из материалов Х20Н75Ю и МР47ВП в диапазоне температур - 60 - 300°С; ах20Н75Ю 1,5-1р 41/°С,а МР47ВП- 5 10 /°С. Величина сопротивления тензорезистора выбрана равной R 500± ±50 Ом, удельное поверхностное сопротивление резистивного слоя ±4 Ом/кв. при числе квадратов резистивного слоя N ш 12,5. Исходя из полученных значений ТКС резистивных пленок из сплавов Х20Н75Ю и МР47ВП, по выражению (5) при значении коэффициента К 0,14 определяли щ « О,2п0б. Для получения заданной величины удельного поверхностного сопротивления реп число циклов нанесения тонких резистивных слоев Поб составляет 120. Отсюда число циклов нанесения резистивных слоев совместно наносимых пленок двух материалов составляет щ .

При скорости вращения карусели V 60 °6/мин время совместного напыления рези- стивных пленок (3, 4) из материалов Х20Н75Ю и МР47ВП составило 24 с. После совместного напыления магнетронный ис- 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 /эьярезистивного слоя. После завершения напыления материала Х20Н75Ю его магнетронный источник отключен, подачу аргона прекращали, а в рабочей камере восстанавливали давление до Рост (5-6)-10 6ммрт. ст., затем производили термостабилизацию напыленнного резистивного слоя при рабочем вакууме Рост (5 - б) мм рт. ст. и температуре подложек Тподл 350 ± 10°С в течение 5,5 - б ч. после чего подложки охлаждали до температуры 180°С и производили напуск воздуха в объем рабочей камеры.

Кинетика изменения сопротивления многослойного тензорезистора при термо- стабилизации в вакууме представлена на фиг. 2 и оценивалась по величине изменения сопротивления свидетеля. Через 5,5 - 6 ч величина сопротивления свидетеля стабилизировалась. Подложки 1 с напыленным 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 контак- тные площадки 5 к тензореэисторам. После этого производили формирование рисунка тензорезистивного слоя (3,4) стандартными методами фотолитографии и травили незащищенные фоторезистом участки резистив- ного слоя ионным пучком в среде газа аргона при следующих режимах: остаточное давление Рост (1 - 2) мм рт. ст, ток ионного пучка 0,08 - 0,1 А, напряжение ано-, да Ua 5,0 - 5,5 кВ, время травления пр. 42 - 44 мин. Затем подложки со сформированными тензорезисторами помещали в ва- куумкую камеру и производили термоциклировакие при следующих режимах: давление Рост (5 - 6) мм рт. ст., подъем температуры до ТПОдл 300 ±10°С с градиентом 2-3 град/мин, выдержка при этой температуре в течение 1 - 1,5 ч, снижение температуры до Тподл ЮО ±10°С с градиентом 1,0 - 1.5 град/мин и повторяли циклы еще 4-5 раз.

Кинетика изменения сопротивления многослойного тензорезистора 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 перД R вых четырех циклов m ( -5- 1.3 - 1,5%).

по истечении пятого-шестого цикла термоциклирования изменения сопротивления тензорезистора не превышает 0,015%.

На сформированные тензорезисторы вакуумным напылением наносили пассиви- рующий слой 6, например, двуокиси кремния толщиной 0,8 - 1 мкм. Процесс заканчивали проведением стабилизирующего отжига тензорезисторов на воздухе при температуре ТСтаб 250°С в течение 10 ч.

Изготовленные предложенным способом многослойные тензорезисторы 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 1/град.

Результаты временных испытаний при температуре ТИсп 300°С в течение 500 ч показали, что изменения сопротивлений

тензорезисторов (

ДЯ R

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

Предлагаемый высокотемпературный тонкопленочный тенэорезистор и способ его изготовления по сравнению с прототипом обеспечивают следующие преимущества: существенно расширяется в область положительных диапазон рабочих температур (до +300°С), ТКС многослойного тензорезистора в диапазоне рабочих температур - 60 - +300°С составляет не более 2 х 1/град, повышается стабильность сопротивления тензорезисторов, которая при 300°С составляет не более 0,0020, упрощается технология изготовления многослойного тензорезистора за 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 тензорезистора, включающий формирование резистивного слоя путем послойного нанесения резистив- ных материалов с равным сопротивлением на единицу площади и противоположными

по знаку температурными коэффициентами сопротивления (ТКС) до достижения требуемой величины сопротивления, нанесение слоя контактного материала, формирование рисунка резистивного элемента и контактных площадок тонкопленочного тензорези- стора и создание, пассивированного слоя на нем, отличающийся тем, что, с целью повышения температурной стабильности параметров и технологичности изготовления, послойное нанесение резистивных материалов осуществляют поочередным нанесением монослоев резистивных материалов из двух испарителей с различными резистивными материалами, после чего осуществляют дополнительное последовательное нанесение реэистивной пленки с отрицательным ТКС, а затем резистивной пленки с положительным ТКС до получения требуемой величины сопротивления, а после 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,

0

после формирования контактных площадок и тензорезистора его дополнительно термо- циклируют 4-5 раз в вакууме путем подъема 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 °С/мин, причем время ti нанесения последовательных монослоев двух материалов и время t2 нанесения монослоя материала с отрицательной величиной ТКС выбирают из выражения

ti t06

at -f К ац OSL + K«i

Ht2

to6-ti 1 +K

где to6 - общее время нанесения последовательных монослоев, «1 и аг - величины ТКС тонкопленочных слоев первого и второго резистивных материалов;

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

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 рези- стивного 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 рези- стивную 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 совме- стного напыления, затем охлаждают резистивный слой до температуры 180 - 200°С и производят напуск воздуха, а после создания контактных площадок и формирования тензорезистора его дополнительно тер- моциклируют 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

Ом

Фаг./.

Фи. 2.

AR

Он

О/.О 2,0 3.0 4,0 5,0 е.О

Фиг.З.

1DD2ОО 300 1,00

Фиг.4.

т, цикл.

&R+о,5Ом

5ОО