許曉青，李鎖印，劉 晨，趙新宇，趙革艷，吳愛華

(中國電子科技集團公司 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所的溫度測量[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)測半導(dǎo)體器件溫度，具有集成度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性強、精度好、經(jīng)濟耐用等特點[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)的研究團隊同時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，該研究團隊采用直接濺射法，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 ℃時其測量結(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量中處于明顯優(yōu)勢，因此，在半導(dǎo)體工藝中，該技術(shù)被用于實現(xiàn)更加精確的溫度測量。近年來，NIST研究團隊仍利用該技術(shù)在半導(dǎo)體器件工藝過程的溫度測量領(lǐng)域進行相關(guān)的技術(shù)研究[7～11]。

為了使在片薄膜溫度傳感器達到準(zhǔn)確測量溫度的目的，需對該傳感器在使用前進行校準(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，同時對其校準(zhǔn)技術(shù)進行介紹，通過組建校準(zhǔn)裝置，測量溫度傳感器在不同溫度下的電阻值，得到一個有關(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)體工藝進行制造，對于鉑薄膜不同的結(jié)構(gòu)尺寸，如線寬及薄膜厚度，會對阻值產(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，該電阻可稱之為方塊電阻(單位：Ω/square)。方塊電阻有一個特性，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)計示意圖如圖2所示，其長、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PAD壓點來保證電阻信號的輸出，PAD壓點大小為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 對基片進行清洗，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保護膜，即進行鈍化。

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)會降低鉑電阻測溫的性能，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》中對校準(zhǔn)裝置的具體要求，整個校準(zhǔn)裝置需要具備如下功能：

(1) 具備將電阻信號引出連接至電測儀器的功能。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，如圖4所示，每根直流探針分別連接測試引線，即采用四線制可將電阻信號引出連接至電測儀器進行讀取。

圖4 直流探針與PAD壓點接觸示意圖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，同時其上方的顯微鏡方便操作人員觀察，使直流探針與PAD壓點之間進行良好接觸。

(3) 具備讀取電阻信號的功能。選用八位半的數(shù)字多用表作為電測儀器[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，整個校準(zhǔn)裝置組成包括高低溫探針臺、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載物臺的中心位置，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兩者之間的良好接觸，又可防止其位置移動造成的PAD壓點與直流探針接觸不良情況的發(fā)生。

分別在0 ℃和100 ℃溫度點對被測件進行電阻測試，測量數(shù)據(jù)見表1，通過測試數(shù)據(jù)計算電阻溫度系數(shù)，進而計算制作溫度特性的溫度/電阻表，即分度表[16]。

本文僅對0～130 ℃的電阻-溫度關(guān)系進行了列舉。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量數(shù)據(jù)Tab.1 Measurement data of on-wafer thin film platinum resistance temperature sensor Ω

計算得：

(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)果驗證

將在片薄膜鉑電阻溫度傳感器在25 ℃和 125 ℃這2個溫度點進行校準(zhǔn)結(jié)果的驗證。采用比較法[17]進行驗證，驗證方法為：將在片薄膜鉑電阻溫度傳感器放置在高低溫探針臺載物臺上，分別測量25 ℃和125 ℃溫度下的電阻值，將測量電阻值與分度表中電阻值進行對應(yīng)計算后得到此時載物臺的溫度值θ；然后，使用自重式表面溫度傳感器對高低溫探針臺載物臺的25 ℃和125 ℃溫度點分別進行計量，得到實際溫度值θ0；最后，將θ和θ0進行比較，驗證數(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)程對在片薄膜鉑電阻溫度傳感器進行0 ℃和100 ℃溫度點的校準(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行溫度測量均達到了預(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，對在片的鉑電阻溫度傳感器進行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)結(jié)果驗證數(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，在計算時需要注意的是，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在片薄膜鉑電阻溫度傳感器的校準(zhǔn)屬于一個初步的研究階段，若能進一步擴大測量范圍，提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確度，則該校準(zhǔn)方法將會具有更加廣闊的應(yīng)用前景和實用價值。除此之外，可通過改變測量方式或計算方法來實現(xiàn)對其他類型在片溫度傳感器的校準(zhǔn)。