許曉青，李鎖印，劉 晨，趙新宇，趙革艷，吳愛華

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第十三研究所，河北 石家莊 050051)

1 引 言

薄膜溫度傳感器是隨著薄膜技術(shù)的成熟而發(fā)展起來的一種新型微傳感器，它可以替代傳統(tǒng)的溫度傳感器，更適用于物體表面快速和小間隙場(chǎng)所的溫度測(cè)量[1，2]。而在片薄膜溫度傳感器則直接將溫度傳感薄膜制作在晶圓片上，可有效地監(jiān)測(cè)半導(dǎo)體器件溫度，具有集成度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性強(qiáng)、精度好、經(jīng)濟(jì)耐用等特點(diǎn)[3～6]，在MEMS、集成電路、微納器件等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[5]。

美國(guó)NIST一直致力于在晶圓片上制作不同材料的薄膜溫度傳感器。2000年，NIST的Kreider K G等通過控制工藝參數(shù)制成了薄膜電阻率為0.001～0.1 Ω·cm的不同薄膜熱電偶；2004年，由Kreider K G帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)在硅晶圓片上安裝了嵌入式鉑電阻和表面薄膜熱電偶，研究了兩者在曝光后烘烤過程中的瞬態(tài)響應(yīng)問題；2009年，該研究團(tuán)隊(duì)采用直接濺射法，在硅襯底上制作了不同厚度的薄膜鉑電阻，采用管式爐作為恒溫設(shè)備，在溫度不大于600 ℃時(shí)其測(cè)量結(jié)果不確定度小于2 ℃(k=2)，該技術(shù)在半導(dǎo)體器件工藝過程的溫度測(cè)量中處于明顯優(yōu)勢(shì)，因此，在半導(dǎo)體工藝中，該技術(shù)被用于實(shí)現(xiàn)更加精確的溫度測(cè)量。近年來，NIST研究團(tuán)隊(duì)仍利用該技術(shù)在半導(dǎo)體器件工藝過程的溫度測(cè)量領(lǐng)域進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)研究[7～11]。

為了使在片薄膜溫度傳感器達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量溫度的目的，需對(duì)該傳感器在使用前進(jìn)行校準(zhǔn)。本文以鉑為感溫薄膜的在片薄膜溫度傳感器為例，介紹其工作原理和制作方法，同時(shí)對(duì)其校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行介紹，通過組建校準(zhǔn)裝置，測(cè)量溫度傳感器在不同溫度下的電阻值，得到一個(gè)有關(guān)電阻-溫度特性的分度表。

2 工作原理及制作方法

2.1 工作原理

在片薄膜鉑電阻溫度傳感器通常采用半導(dǎo)體工藝進(jìn)行制造，對(duì)于鉑薄膜不同的結(jié)構(gòu)尺寸，如線寬及薄膜厚度，會(huì)對(duì)阻值產(chǎn)生較大的影響[12]。薄膜電阻阻值基本公式為：

(1)

式中：ρ為電阻率；L為電阻的長(zhǎng)度；A為電阻的橫截面積；W為電阻的寬度；t為電阻的厚度。

如圖1所示，當(dāng)L=W時(shí)，該電阻可稱之為方塊電阻(單位：Ω/square)。方塊電阻有一個(gè)特性，即任意大小的正方形邊到邊的電阻均是一樣的，不管邊長(zhǎng)是1 m還是0.1 m，它們的方阻均是一樣，這樣方阻僅與導(dǎo)電膜的厚度等因素有關(guān)，即：

(2)

圖1 薄膜電阻結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of film resistance

在電阻的制作工藝中，通過控制方塊電阻的厚度來制作不同阻值的電阻，因此，方塊電阻阻值確定后，可通過連接組合的方式得到所需電阻值:

(3)

即:在片薄膜溫度傳感器的總電阻值為方塊電阻與長(zhǎng)寬比的乘積。

2.2 制作方法

在片薄膜鉑電阻溫度傳感器的設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示，其長(zhǎng)、寬、厚度與薄膜電阻的目標(biāo)電阻值和方塊電阻控制值相關(guān)。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用及工藝要求，本文制作的在片薄膜鉑電阻目標(biāo)電阻值R0為1 400 Ω，方塊電阻控制值為1 Ω，方塊電阻的長(zhǎng)度和寬度以及電阻條之間的間距均不小于0.6 μm，由此可以得出在片薄膜鉑電阻的結(jié)構(gòu)要求為：條寬及條間距均不小于0.6 μm，厚度為0.981 μm;此外，制作出在片薄膜鉑電阻需要連接2個(gè)PAD壓點(diǎn)來保證電阻信號(hào)的輸出，PAD壓點(diǎn)大小為50 mm×50 mm。

圖2 在片薄膜鉑電阻溫度傳感器的設(shè)計(jì)示意圖Fig.2 Design diagram of on-wafer thin film platinum resistance temperature sensor

在片薄膜鉑電阻溫度傳感器的加工流程圖如圖3所示，主要包括：

① 對(duì)基片進(jìn)行清洗，去除基片表面的其他雜質(zhì)；

② 在Si晶圓襯底上淀積一層絕緣介質(zhì)層；

③ 通過光刻技術(shù)轉(zhuǎn)移鉑電阻圖形，并使用鈦或鉻等材料制作連接層；

④ 將金屬鉑利用濺射技術(shù)制作薄膜鉑電阻；

⑤ 為了防止在片薄膜鉑電阻被劃傷影響電阻值，制作完成后的在片薄膜鉑電阻需要在表面鍍一層SiN保護(hù)膜，即進(jìn)行鈍化。

圖3 在片薄膜鉑電阻溫度傳感器的加工流程圖Fig.3 Flow process chart of on-wafer thin film platinum resistance temperature sensor

3 校準(zhǔn)裝置的組建

在片薄膜鉑電阻溫度傳感器雖然在熱物性上與傳統(tǒng)線繞鉑絲熱電阻基本相同，但由于它的生產(chǎn)工藝和結(jié)構(gòu)，在使用上還有不同之處。如果使用不當(dāng)會(huì)降低鉑電阻測(cè)溫的性能，甚至造成電阻元件的永久損壞[13]。參考JJG 229-2010《工業(yè)鉑、銅熱電阻檢定規(guī)程》中對(duì)校準(zhǔn)裝置的具體要求，整個(gè)校準(zhǔn)裝置需要具備如下功能：

(1) 具備將電阻信號(hào)引出連接至電測(cè)儀器的功能。由于在片薄膜鉑電阻溫度傳感器直接制作在晶圓片上，因此，選用直流探針接觸薄膜鉑電阻的PAD壓點(diǎn)，如圖4所示，每根直流探針分別連接測(cè)試引線，即采用四線制可將電阻信號(hào)引出連接至電測(cè)儀器進(jìn)行讀取。

圖4 直流探針與PAD壓點(diǎn)接觸示意圖Fig.4 Contact diagram of direct current probe and PAD pressure point

(2) 具備提供不同溫度環(huán)境的功能。檢定規(guī)程中選用的恒溫槽或高溫爐無法提供直流探針的操作環(huán)境，因此，本文選用高低溫探針臺(tái)作為提供標(biāo)準(zhǔn)溫度的設(shè)備[14]，將設(shè)備顯示值作為標(biāo)準(zhǔn)溫度值。該設(shè)備既能為在片溫度傳感器提供不同溫度下的環(huán)境，又能支撐固定探針座和探針，同時(shí)其上方的顯微鏡方便操作人員觀察，使直流探針與PAD壓點(diǎn)之間進(jìn)行良好接觸。

(3) 具備讀取電阻信號(hào)的功能。選用八位半的數(shù)字多用表作為電測(cè)儀器[15]，通過數(shù)字多用表讀取在片薄膜鉑電阻溫度傳感器在各不同溫度下的電阻值。

由上述分析可知，整個(gè)校準(zhǔn)裝置組成包括高低溫探針臺(tái)、數(shù)字多用表以及直流探針和相關(guān)引線等。

4 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)及校準(zhǔn)結(jié)果驗(yàn)證

4.1 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

將在片薄膜鉑電阻溫度傳感器放置在高低溫探針臺(tái)載物臺(tái)的中心位置，該中心位置處有一些微小孔洞可將在片溫度傳感器真空吸附，這樣即可保證在片溫度傳感器與控溫平臺(tái)兩者之間的良好接觸，又可防止其位置移動(dòng)造成的PAD壓點(diǎn)與直流探針接觸不良情況的發(fā)生。

分別在0 ℃和100 ℃溫度點(diǎn)對(duì)被測(cè)件進(jìn)行電阻測(cè)試，測(cè)量數(shù)據(jù)見表1，通過測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算電阻溫度系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算制作溫度特性的溫度/電阻表，即分度表[16]。

本文僅對(duì)0～130 ℃的電阻-溫度關(guān)系進(jìn)行了列舉。在片薄膜鉑電阻溫度傳感器在0～130 ℃溫度范圍的分度表如表2所示。

表1 在片薄膜鉑電阻溫度傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.1 Measurement data of on-wafer thin film platinum resistance temperature sensor Ω

計(jì)算得：

(1)R0=1 381.61 Ω；

(2) 電阻溫度系數(shù)α=0.003 166 5 ℃-1；

4.2 校準(zhǔn)結(jié)果驗(yàn)證

將在片薄膜鉑電阻溫度傳感器在25 ℃和 125 ℃這2個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)結(jié)果的驗(yàn)證。采用比較法[17]進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證方法為：將在片薄膜鉑電阻溫度傳感器放置在高低溫探針臺(tái)載物臺(tái)上，分別測(cè)量25 ℃和125 ℃溫度下的電阻值，將測(cè)量電阻值與分度表中電阻值進(jìn)行對(duì)應(yīng)計(jì)算后得到此時(shí)載物臺(tái)的溫度值θ；然后，使用自重式表面溫度傳感器對(duì)高低溫探針臺(tái)載物臺(tái)的25 ℃和125 ℃溫度點(diǎn)分別進(jìn)行計(jì)量，得到實(shí)際溫度值θ0；最后，將θ和θ0進(jìn)行比較，驗(yàn)證數(shù)據(jù)見表3所示。

由表3中數(shù)據(jù)可以看出，參照檢定規(guī)程對(duì)在片薄膜鉑電阻溫度傳感器進(jìn)行0 ℃和100 ℃溫度點(diǎn)的校準(zhǔn)后，依據(jù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)所得到的電阻-溫度關(guān)系具有一定的應(yīng)用價(jià)值，無論是0 ℃和100 ℃之間內(nèi)插得到的25 ℃的電阻值還是外延得到的125 ℃的電阻值，利用校準(zhǔn)后的在片薄膜鉑電阻溫度傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量均達(dá)到了預(yù)期使用要求。

表2 在片薄膜鉑電阻溫度傳感器的分度表Tab.2 Indexing table of on-wafer thin film platinum resistance temperature sensor Ω

表3 校準(zhǔn)結(jié)果驗(yàn)證數(shù)據(jù)Tab.3 Calibration result verification data

5 結(jié) 論

本文利用高低溫探針臺(tái)作為標(biāo)準(zhǔn)溫度的提供設(shè)備，八位半的數(shù)字多用表3458A作為電測(cè)儀器，配合使用直流探針以及相關(guān)引線組建校準(zhǔn)裝置，對(duì)在片的鉑電阻溫度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)結(jié)果驗(yàn)證數(shù)據(jù)表明，通過該校準(zhǔn)裝置可解決無連接引線的在片薄膜鉑電阻溫度傳感器的校準(zhǔn)問題。但是，相比于工業(yè)鉑電阻的檢定來說[18]，該方法只適用于對(duì)溫度誤差要求不高的在片薄膜鉑電阻溫度傳感器；此外，在計(jì)算時(shí)需要注意的是，受制作工藝的影響，在片薄膜鉑電阻溫度傳感器的電阻溫度系數(shù)以及電阻值對(duì)溫度的變化率與工業(yè)鉑電阻均不同。

本文所使用的方法對(duì)在片薄膜鉑電阻溫度傳感器的校準(zhǔn)屬于一個(gè)初步的研究階段，若能進(jìn)一步擴(kuò)大測(cè)量范圍，提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度，則該校準(zhǔn)方法將會(huì)具有更加廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。除此之外，可通過改變測(cè)量方式或計(jì)算方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)其他類型在片溫度傳感器的校準(zhǔn)。