一种在片薄膜铂电阻温度传感器的校准方法

许晓青，李锁印，刘 晨，赵新宇，赵革艳，吴爱华

(中国电子科技集团公司 第十三研究所，河北 石家庄 050051)

1 引 言

薄膜温度传感器是随着薄膜技术的成熟而发展起来的一种新型微传感器，它可以替代传统的温度传感器，更适用于物体表面快速和小间隙场所的温度测量[1，2]。而在片薄膜温度传感器则直接将温度传感薄膜制作在晶圆片上，可有效地监测半导体器件温度，具有集成度高、响应快、稳定性强、精度好、经济耐用等特点[3～6]，在MEMS、集成电路、微纳器件等领域具有广阔的应用前景[5]。

美国NIST一直致力于在晶圆片上制作不同材料的薄膜温度传感器。2000年，NIST的Kreider K G等通过控制工艺参数制成了薄膜电阻率为0.001～0.1 Ω·cm的不同薄膜热电偶；2004年，由Kreider K G带领的研究团队同时在硅晶圆片上安装了嵌入式铂电阻和表面薄膜热电偶，研究了两者在曝光后烘烤过程中的瞬态响应问题；2009年，该研究团队采用直接溅射法，在硅衬底上制作了不同厚度的薄膜铂电阻，采用管式炉作为恒温设备，在温度不大于600 ℃时其测量结果不确定度小于2 ℃(k=2)，该技术在半导体器件工艺过程的温度测量中处于明显优势，因此，在半导体工艺中，该技术被用于实现更加精确的温度测量。近年来，NIST研究团队仍利用该技术在半导体器件工艺过程的温度测量领域进行相关的技术研究[7～11]。

为了使在片薄膜温度传感器达到准确测量温度的目的，需对该传感器在使用前进行校准。本文以铂为感温薄膜的在片薄膜温度传感器为例，介绍其工作原理和制作方法，同时对其校准技术进行介绍，通过组建校准装置，测量温度传感器在不同温度下的电阻值，得到一个有关电阻-温度特性的分度表。

2 工作原理及制作方法

2.1 工作原理

在片薄膜铂电阻温度传感器通常采用半导体工艺进行制造，对于铂薄膜不同的结构尺寸，如线宽及薄膜厚度，会对阻值产生较大的影响[12]。薄膜电阻阻值基本公式为：

(1)

式中：ρ为电阻率；L为电阻的长度；A为电阻的横截面积；W为电阻的宽度；t为电阻的厚度。

如图1所示，当L=W时，该电阻可称之为方块电阻(单位：Ω/square)。方块电阻有一个特性，即任意大小的正方形边到边的电阻均是一样的，不管边长是1 m还是0.1 m，它们的方阻均是一样，这样方阻仅与导电膜的厚度等因素有关，即：

(2)

图1 薄膜电阻结构示意图Fig.1 Schematic diagram of film resistance

在电阻的制作工艺中，通过控制方块电阻的厚度来制作不同阻值的电阻，因此，方块电阻阻值确定后，可通过连接组合的方式得到所需电阻值:

(3)

即:在片薄膜温度传感器的总电阻值为方块电阻与长宽比的乘积。

2.2 制作方法

在片薄膜铂电阻温度传感器的设计示意图如图2所示，其长、宽、厚度与薄膜电阻的目标电阻值和方块电阻控制值相关。结合实际应用及工艺要求，本文制作的在片薄膜铂电阻目标电阻值R0为1 400 Ω，方块电阻控制值为1 Ω，方块电阻的长度和宽度以及电阻条之间的间距均不小于0.6 μm，由此可以得出在片薄膜铂电阻的结构要求为：条宽及条间距均不小于0.6 μm，厚度为0.981 μm;此外，制作出在片薄膜铂电阻需要连接2个PAD压点来保证电阻信号的输出，PAD压点大小为50 mm×50 mm。

图2 在片薄膜铂电阻温度传感器的设计示意图Fig.2 Design diagram of on-wafer thin film platinum resistance temperature sensor

在片薄膜铂电阻温度传感器的加工流程图如图3所示，主要包括：

① 对基片进行清洗，去除基片表面的其他杂质；

② 在Si晶圆衬底上淀积一层绝缘介质层；

③ 通过光刻技术转移铂电阻图形，并使用钛或铬等材料制作连接层；

④ 将金属铂利用溅射技术制作薄膜铂电阻；

⑤ 为了防止在片薄膜铂电阻被划伤影响电阻值，制作完成后的在片薄膜铂电阻需要在表面镀一层SiN保护膜，即进行钝化。

图3 在片薄膜铂电阻温度传感器的加工流程图Fig.3 Flow process chart of on-wafer thin film platinum resistance temperature sensor

3 校准装置的组建

在片薄膜铂电阻温度传感器虽然在热物性上与传统线绕铂丝热电阻基本相同，但由于它的生产工艺和结构，在使用上还有不同之处。如果使用不当会降低铂电阻测温的性能，甚至造成电阻元件的永久损坏[13]。参考JJG 229-2010《工业铂、铜热电阻检定规程》中对校准装置的具体要求，整个校准装置需要具备如下功能：

(1) 具备将电阻信号引出连接至电测仪器的功能。由于在片薄膜铂电阻温度传感器直接制作在晶圆片上，因此，选用直流探针接触薄膜铂电阻的PAD压点，如图4所示，每根直流探针分别连接测试引线，即采用四线制可将电阻信号引出连接至电测仪器进行读取。

图4 直流探针与PAD压点接触示意图Fig.4 Contact diagram of direct current probe and PAD pressure point

(2) 具备提供不同温度环境的功能。检定规程中选用的恒温槽或高温炉无法提供直流探针的操作环境，因此，本文选用高低温探针台作为提供标准温度的设备[14]，将设备显示值作为标准温度值。该设备既能为在片温度传感器提供不同温度下的环境，又能支撑固定探针座和探针，同时其上方的显微镜方便操作人员观察，使直流探针与PAD压点之间进行良好接触。

(3) 具备读取电阻信号的功能。选用八位半的数字多用表作为电测仪器[15]，通过数字多用表读取在片薄膜铂电阻温度传感器在各不同温度下的电阻值。

由上述分析可知，整个校准装置组成包括高低温探针台、数字多用表以及直流探针和相关引线等。

4 校准数据及校准结果验证

4.1 校准数据

将在片薄膜铂电阻温度传感器放置在高低温探针台载物台的中心位置，该中心位置处有一些微小孔洞可将在片温度传感器真空吸附，这样即可保证在片温度传感器与控温平台两者之间的良好接触，又可防止其位置移动造成的PAD压点与直流探针接触不良情况的发生。

分别在0 ℃和100 ℃温度点对被测件进行电阻测试，测量数据见表1，通过测试数据计算电阻温度系数，进而计算制作温度特性的温度/电阻表，即分度表[16]。

本文仅对0～130 ℃的电阻-温度关系进行了列举。在片薄膜铂电阻温度传感器在0～130 ℃温度范围的分度表如表2所示。

表1 在片薄膜铂电阻温度传感器测量数据Tab.1 Measurement data of on-wafer thin film platinum resistance temperature sensor Ω

计算得：

(1)R0=1 381.61 Ω；

(2) 电阻温度系数α=0.003 166 5 ℃-1；

4.2 校准结果验证

将在片薄膜铂电阻温度传感器在25 ℃和 125 ℃这2个温度点进行校准结果的验证。采用比较法[17]进行验证，验证方法为：将在片薄膜铂电阻温度传感器放置在高低温探针台载物台上，分别测量25 ℃和125 ℃温度下的电阻值，将测量电阻值与分度表中电阻值进行对应计算后得到此时载物台的温度值θ；然后，使用自重式表面温度传感器对高低温探针台载物台的25 ℃和125 ℃温度点分别进行计量，得到实际温度值θ0；最后，将θ和θ0进行比较，验证数据见表3所示。

由表3中数据可以看出，参照检定规程对在片薄膜铂电阻温度传感器进行0 ℃和100 ℃温度点的校准后，依据校准数据所得到的电阻-温度关系具有一定的应用价值，无论是0 ℃和100 ℃之间内插得到的25 ℃的电阻值还是外延得到的125 ℃的电阻值，利用校准后的在片薄膜铂电阻温度传感器进行温度测量均达到了预期使用要求。

表2 在片薄膜铂电阻温度传感器的分度表Tab.2 Indexing table of on-wafer thin film platinum resistance temperature sensor Ω

表3 校准结果验证数据Tab.3 Calibration result verification data

5 结 论

本文利用高低温探针台作为标准温度的提供设备，八位半的数字多用表3458A作为电测仪器，配合使用直流探针以及相关引线组建校准装置，对在片的铂电阻温度传感器进行校准。校准结果验证数据表明，通过该校准装置可解决无连接引线的在片薄膜铂电阻温度传感器的校准问题。但是，相比于工业铂电阻的检定来说[18]，该方法只适用于对温度误差要求不高的在片薄膜铂电阻温度传感器；此外，在计算时需要注意的是，受制作工艺的影响，在片薄膜铂电阻温度传感器的电阻温度系数以及电阻值对温度的变化率与工业铂电阻均不同。

本文所使用的方法对在片薄膜铂电阻温度传感器的校准属于一个初步的研究阶段，若能进一步扩大测量范围，提高测量结果的准确度，则该校准方法将会具有更加广阔的应用前景和实用价值。除此之外，可通过改变测量方式或计算方法来实现对其他类型在片温度传感器的校准。