白金电阻温度感测元件及其制造方法

摘要

一种白金电阻温度感测元件及其制造方法,该方法包括下列步骤:在基材表面形成图案状遮罩;利用遮罩对基材进行蚀刻,以形成图案状凹槽;在基材与凹槽的表面形成一层介电层;在介电层表面镀上白金薄膜;介电层及白金薄膜层分别形成凹陷区域与平滑区域;进行表面研磨,形成白金电路。感测元件包括硅基材、附着在硅基材上的介电层及附着在介电层上的白金电路;在硅基材及介电层附着有白金电路的表面形成V形凹槽,介电层为氮化硅或二氧化硅层。

说明书

本发明有关於一种电阻温度感测元件及其制造方法，尤其有关於一种白金电阻温度感测元件及其制造方法。

电阻温度感测元件是藉由导体的电阻会随温度变化而改变的物理现象来测量温度。对电阻温度感测元件所使用的导体材料而言，在一定的温度范围之内，其电阻值会随著温度的增加以线性的方式上升，此时其斜率(slope)即定义为其电阻温度系数(temperature coefficient of resistance,TCR)。一般导体的电阻温度系数愈高，则其对於温度变化的灵敏度愈高。若作为导体材料的金属或合金其中所含有的杂质越多，其电阻温度系数值则越低。

因为白金(platinum)本身的化学与物理性能都较稳定，长久以来白金被用来作为量测电阻与温度的基准材料。当用於制造电阻温度感测元件时，因为白金具有较高的电阻温度系数，使得白金电阻温度感测元件对於温度变化的灵敏度较一般金属更高。此外，白金的电阻温度系数在-200℃～1000℃的温度范围内是以非常近似线性的方式变化，因而白金电阻温度感测元件可适用於较广的温度范围内。因此，有关白金的各种特性被研究得非常透彻，且白金电阻温度感测元件被广泛使用。关於白金电阻温度感测元件的规格与标准，可分为欧规、美规及日规三种，目前则趋向使用欧规标准。欧规的白金电阻温度感测元件的电阻温度系数标准值为3850ppm(℃)-1。

另外，白金电路尚有一称为″bulk效应″的电学特性，即对薄膜结构与体状(bulk)结构的白金电路进行比较时，体状结构的白金电路的电阻温度系数值会较薄膜结构的白金电路为高，因此，一般而言，具有体状结构白金电路的白金电阻温度感测元件其灵敏度较佳。

目前市售的白金电阻温度感测元件价格十分昂贵，除因白金本身为贵重金属之外，其制造成本较高亦占有极大因素。在习知的白金电阻温度感测元件中，是在一介电质的表面上形成白金电阻温度感测元件的电路图案，以制造白金电阻温度感测元件。然而高纯度的白金与介电质之间的附著力(adhesion)通常很差，在形成电路图案时白金很容易从介电层表面剥离，而能够与白金有较高附著力的材料又各有其缺点。如氧化铝表面非常粗糙，不易形成细微图案，又因为氧化铝的高硬度，使切割不易且其表面抛光成本较高。蓝宝石(sapphire)价格过於昂贵，且不易切割成较小晶片。而硅基材会与白金形成合金，改变其特性。

为解决附著力的问题，在美国专利案号4129848的案件中提出一种白金电阻温度感测元件制造法。如图1A所示，首先在硅基材11上形成一层二氧化硅作为介电层12，并以高能量的溅射蚀刻(sputtering etch)处理介电层的表面，使介电层的表面出现蚀刻坑(etch pits)(图1B)，然後再溅镀上一层金属层13(如白金)。此时因为介电层12的表面较为粗糙，故金属层13与介电层之间的附著力增加(图1C)。在金属层13的表面形成一层具有所需电路的正片图案(positive pattern)的石英遮罩14(图1D)，然後进行溅射蚀刻，将金属层13未受到石英遮罩14保护的部分蚀刻掉，再将石英遮罩14除去，便能得到电阻温度感测元件的金属电路图案15(图1F)。但是因为溅射蚀刻的选择性不佳，无法只蚀刻金属层13而不侵犯到介电层12。此外，以溅射蚀刻方式处理金属层13，会导致来自介电层12与石英遮罩14的少量分子被沉积(deposit)到金属电路图案15内，然而对白金而言，为维持其电阻温度系数值，必须具有极高的纯度，此少量的杂质对白金电阻温度感测元件而言，会非常严重的影响其准确性。

目前市面上所使用的白金电阻温度感测元件，一般是将白金的电路图案形成在对白金具有较佳附著力的基材上，如氧化铝、氧化镁等等。在美国专利案号4805296的案件中，是在硅基材的表面沉积一层氧化铝，将白金溅镀在氧化铝的表面之後，再以溅射蚀刻法形成所需图案。此方法仍然具有上述的两种缺点。从前文中的描述可知，对白金的溅射蚀刻不易适当的进行，且容易导致杂质的渗入；而因为白金的化学稳定性，亦无法以湿式蚀刻法(wet etch)形成白金的图案。因此，在有关白金电阻温度感测元件的专利案件中，大多数案件(如美国专利案号4050052、4103275、4469717、4627902、以及4649365等专利案)仅对白金层与介电层之间的处理条件进行描述，而无法说明其白金电路图案的形成过程或详细步骤。

因此，在美国专利案号5089293的案件中，提出了一种不需要对白金进行溅射蚀刻的白金电阻温度感测元件制造方法，所采用的基材为对白金具有良好附著力的氧化铝基材21。如图2A所示，首先在氧化铝基材21的表面上形成一层二氧化硅层22，并在二氧化硅层22上以光阻(photoresist)形成具有所需电路图案的负极片图案(negative pattern)的光阻图案24(图2B)，然後将二氧化硅层22蚀刻成所需电路图案的负极片图案(图2C)。此时部分氧化铝基材21的表面露出，形成所需的电路图案。将光阻图案24完全移除(图2D)，并溅镀一层白金层23。此时白金层23有一部份位於二氧化硅图案22的表面，其馀沉积在未被二氧化硅图案22覆盖的氧化铝基材21的表面上(图2E)。白金的溅镀被小心的控制，使得附著於二氧化硅图案22侧表面上的白金层23A非常薄，且具有多孔状结构，如图2F所示。二氧化硅图案22的高度约为白金层23厚度的1.3到1.5倍，以确保白金层23A的存在。白金层23溅镀完成之後，以特定蚀刻液进行蚀刻，此蚀刻液仅会对二氧化硅图案22进行蚀刻，而不会与氧化铝基材21或白金层23反应，如氢氟酸。此时蚀刻液可穿透过白金层23A的多孔状结构，进入白金层23与氧化铝基材21之间，将二氧化硅图案22蚀刻掉。当二氧化硅图案22被完全除去时，原位於二氧化硅图案22的表面上的部分仅受到白金层23A的支撑；因为白金层23A非常薄，且具有多孔状结构，故能够以机械处理的方式将此位於二氧化硅图案22的表面上的部分除去。所残留的位於氧化铝基材21表面的白金便形成白金电阻温度感测元件所需的白金电路图案25(图2G)。在此习知制造方法中，所使用的步骤与材质均需经过选择，避免杂质与白金的混合，以维持白金的高纯度。

前述美国专利案号5089293案件所提出的白金电阻温度感测元件制造方法中，的确详细说明了白金电路图案形成的方法，且有效的维持白金的高纯度。但是其采用氧化铝作为基材，因为氧化铝基材的使用量少，且由於氧化铝的硬度较高，对於後序加工及其馀处理步骤较不易进行。而所使用的蚀刻液需穿透多孔白金层结构，以对二氧化硅层进行蚀刻的处理步骤，亦需要开发特殊的制程，甚或需要特别设计的制造设备，因而会大幅度提高制造成本。

从前述习知技术可知，若能够经过特殊设计，以利用一般半导体产业所经常使用的材料及制程来制造白金电阻温度感测元件，并有效的维持白金的高纯度，因能够以批量(batch)方式大量生产，使生产品质具有一致性，则必能大量减低白金电阻温度感测元件的制造成本，进而降低白金电阻温度感测元件的价格。又因为本发明系使用硅晶片作为基材，故能够在一片硅晶片上同时制作出白金电阻温度感测元件与其馀的积体电路。

本发明的目的之一在于提供一种利用一般半导体材料作为基材的白金电阻温度感测器及其制作方法。

本发明的目的之二在于提供一种利用硅晶片作为基材的白金电阻温度感测器及其制作方法。

本发明的目的之三在于提供一种电阻温度系数值高的白金电阻温度感测器及其制作方法。

本发明的目的之四在于提供一种具有近似体状的白金电路，且具有较高灵敏度的白金电阻温度感测器及其制作方法。

为达到上述目的，本发明采取如下方案：

本发明的较佳实施例使用硅晶片作为基材的材料。首先以二氧化硅图案作为遮罩(mask)，在硅基材表面蚀刻出具有白金电路所需的图案的蚀刻槽，将遮罩移除之後，再将硅基材的表面氧化，以形成一层二氧化硅的介电层。因为蚀刻槽是以蚀刻方式形成，其凹陷的表面较为粗糙，而未经蚀刻的硅基材表面则保持光滑。故氧化後的二氧化硅表层可区分成从蚀刻槽表面长出的粗糙的凹陷表面，及由未经蚀刻的光滑硅基材表面长出的平滑表面。此时将白金溅镀於二氧化硅层的表面上，位於平滑表面上的白金形成一平坦的白金薄膜，而位於凹陷表面上的白金则会沿蚀刻槽的表面形成一白金溅镀层。之後进行表面研磨处理，移除溅镀於平滑表面上的白金薄膜。而位於凹陷表面上的白金溅镀层因为不会直接受到研磨，且对粗糙的凹陷表面的附著力较高，因此仍然能够存在於蚀刻槽内。於是在硅基材上形成一与蚀刻槽相同形状的白金电路，再经过後续的热处理与接线等步骤，便能完成白金电阻温度感测器的制造。

另外，若於蚀刻时使用特殊的蚀刻液，将蚀刻槽蚀刻成V型凹槽，则溅镀於蚀刻槽中的白金会聚集在V型蚀刻槽的底部，因而所形成的白金电路结构具有类似体状的特性。如此则可增加白金电路的电阻温度系数值，亦即可提高白金电阻温度感测元件的灵敏度。

本发明的制造方法的具体步骤及结构如下：

本发明的一种白金电阻温度感测元件的制造方法，包括下列步骤：

在基材表面上形成遮罩，遮罩的图案相当於所欲形成的白金电阻温度感测元件的白金电路的负极片图案；

利用遮罩的窗口对基材进行蚀刻，以在基材上形成凹槽，凹槽的图案相当於白金电阻温度感测元件的白金电路的正极片图案；

将遮罩完全移除；

在蚀刻完成的基材与凹槽的表面上形成一层介电层，介电层分成位於凹槽内的表面粗糙的凹陷区域与位於基材表面的平滑区域；

在介电层的表面镀上一层白金薄膜，白金薄膜区分为位於凹槽内的凹陷区域上的第一白金层与位於基材表面的平滑区域上的第二白金层；及

对镀有白金薄膜的基材及介电层进行表面研磨，将位於介电层的平滑区域上的第二白金层移除，而位於凹槽内的第一白金层仍然附著在凹槽内，藉以形成白金电阻温度感测元件的白金电路。

所述的白金电阻温度感测元件的制造方法，其特征在于，所述基材为硅基材。

所述的白金电阻温度感测元件的制造方法，其特征在于，所述介电层为将所述硅基材的表面氧化所形成的二氧化硅层或将所述硅基材的表面氮化所形成的氮化硅层。

所述的白金电阻温度感测元件的制造方法，其特征在于，所述凹槽为一V形凹槽。

本发明的另一种白金电阻温度感测元件的制造方法，包括下列步骤：

在一介电质基材表面上形成遮罩，遮罩的图案相当於所欲形成的白金电阻温度感测元件的白金电路的负极片图案；

利用遮罩的窗口对介电质基材进行蚀刻，以在介电质基材上形成凹槽，凹槽的图案相当於白金电阻温度感测元件的白金电路图案，介电质基材因而可分成位於凹槽的表面粗糙的凹陷区域与位於介电质基材表面的平滑区域；

将遮罩完全移除；

在介电质基材的表面形成一层白金薄膜，白金薄膜可区分为位於凹槽表面的凹陷区域上的第一白金层，与位於介电质基材表面的平滑区域上的第二白金层；及

对镀有白金薄膜的介电质基材进行表面研磨，将位於介电质基材表面的平滑区域上的第二白金层移除，而位於凹槽内的第一白金层仍然附著在凹槽内，藉以形成白金电阻温度感测元件的白金电路。

所述的白金电阻温度感测元件的制造方法，其特征在于，所述凹槽为一V形凹槽。

本发明的一种白金电阻温度感测元件，包括一基材、一附着在基材上的介电层及一附着在介电层上的白金电路；

其特征在于，所述基材为硅基材；在硅基材及介电层附着有白金电路的表面形成凹槽。

所述的白金电阻温度感测元件，

其特征在于，所述凹槽为V形凹槽。

所述的白金电阻温度感测元件，

其特征在于，所述介电层为将所述硅基材的表面氮化所形成的氮化硅或将所述硅基材的表面氧化所形成的二氧化硅层。

本发明具有如下效果：

首先，本发明所使用的基材为硅基材，为半导体工业最常使用的材料，供应稳定、极易大量生产，其次，本发明所使用的步骤均为一般半导体工业中所经常使用的制程，不必经过复杂的加工方式，不但简化白金电阻温度感测元件的制程，节省研发新制程所需的时间、人力与金钱，同时能够使用半导体业界一般使用的机械设备，进而以批量方式大量生产，生产质量具有一致性，也因而降低制造成本。另外，本发明所使用的步骤均不会使杂质进入白金中，所制造的白金电阻温度感测元件精确度较高。若使用特殊形状的蚀刻槽，尚能够使电路倾向体状结构，增加其电阻温度系数值，而提高白金电阻温度感测元件的灵敏度。而最重要的差异在於本发明的白金电阻温度感测元件结构中是将白金电路隐藏於基材表面下凹陷的蚀刻槽内，与习知技术将白金电路直接暴露在基材表面上不同，能够以机械处理的方式轻易的形成所需的电路图案。

附图简单说明

图1A至1E：为习知白金电阻温度感测元件制造方法中电阻温度感测元件於各阶段的剖面图。

图2A至2G：为另一习知白金电阻温度感测元件制造方法中电阻温度感测元件於各阶段的剖面图。

图3A至3H：为本发明较佳实施例的白金电阻温度感测元件制造方法中，电阻温度感测元件於各阶段的剖面图。

图4为图3E：为V型蚀刻槽粗糙表面的局部放大图。

图5为图3G：白金薄膜、二氧化硅层及基材的局部放大图。

图6为图3H：为制造完成後白金电阻温度感测元件的横切面局部放大图。

图7：为本发明较佳实施例所制造的白金电阻温度感测元件的立体图。

结合附图及较佳实施例对本发明的方法及特征详细说明如下：

如图3A及3B所示，本发明的白金电阻温度感测元件是采用半导体产业所经常使用的硅晶片作为基材。首先在硅基材31的表面上形成一层二氧化硅层32，并在二氧化硅层32上方形成一层光阻33，其中光阻33的图案相当於所欲形成白金电路图案的负极片图案(negative pattern)。利用光阻33作为遮罩对二氧化硅层32进行蚀刻，移除未受到光阻33保护的部分，以在二氧化硅层32上形成窗口(window)，使得硅基材31的部分表面暴露出来，如图3C所示。在蚀刻完成之後，从窗口暴露出来的硅基材31部分表面所形成的图案相当於所欲形成的白金电路图案。

接下来以光阻33与二氧化硅层32作为蚀刻遮罩，对硅基材31进行蚀刻。此处采用特殊的蚀刻溶液(例如含有KOH的蚀刻液)进行依取向(orientation-dependent)蚀刻，因为此等蚀刻溶液对(100)面的硅的蚀刻速率远较对(111)面的硅的蚀刻速率快，故会在硅基材31的表面形成V型蚀刻槽，如图3D所示。本实施例采用依取向蚀刻以形成V型蚀刻槽的目的将於下文中说明，然而，其他形状的蚀刻槽亦可适用於本发明。将蚀刻完成的硅基材31表面上的光阻33及二氧化硅层32除去，便能够得到如图3E所示的具有V型蚀刻槽34的硅基材31。参考图4，此时硅基材31会出现两种不同的表面，即位於原来硅基材表面的光滑的平滑表面31A，及位於V型蚀刻槽34内表面上的粗糙的凹陷表面31B。此处因为硅基材31原已具有光滑的表面，而蚀刻槽内的表面则因为蚀刻作用而变得较为粗糙。

蚀刻过的硅基材31接著被送入高温炉管内与高温的氧气接触以在硅基材31表面形成一层硅的热氧化物，亦即二氧化硅层35，作为介电层之用(图3F)。虽然本实施例中采用二氧化硅作为介电层，但介电层亦可由其他介电物质构成，例如氮化硅(Si3N4)。在进行下一步骤之前，硅基材31与二氧化硅层35被仔细的处理过，将二氧化硅层35上的杂质全部移除，避免此等杂质进入白金中而影响其特性。参照图5的局部放大图，从硅基材31的平滑表面31A所长出的二氧化硅层会形成光滑的平滑表面35A(如图5所示)，而从硅基材31的凹陷表面31B所长出的二氧化硅层则会形成粗糙的凹陷表面35B。此时蚀刻槽34仍然维持V型的剖面结构。接下来在二氧化硅层35的上方溅镀一层白金薄膜36，如图3G所示。此时，白金薄膜36位於平滑表面35A的部分会以薄膜的型态存在，落入蚀刻槽34内的白金则会朝向V型蚀刻槽34的底部聚集，而形成如图5所示的结构，亦即以非薄膜型的附著在V形蚀刻槽34内的凹陷表面35B上。靠近V形蚀刻槽34顶端部分的白金薄膜36较薄，而在V形蚀刻槽34底部的白金会出现体状的结构。

接下来将此镀上白金的基板进行表面研磨(polishing)，此表面研磨步骤在十分温和的条件下进行，所使用的研磨浆(slurry)与研磨垫(polishing pad)均经过筛选，不会影响到白金的纯度。此时白金薄膜36位於平滑表面35A上的部分会直接受到研磨浆与研磨垫的作用而被研磨掉，或从平滑表面35A上剥离。至於白金薄膜36附著在V形蚀刻槽34内凹陷表面35B上的部分，因为位於蚀刻槽之内，受到蚀刻槽34的空间屏障的作用，位於其内的白金薄膜36不会直接受到研磨浆与研磨垫的作用力；此外，凹陷表面35B较为粗糙，对白金会有较佳的附著力，因而白金能够附著在V形蚀刻槽34内的凹陷表面35B上。另外，因为靠近V形蚀刻槽34顶端部分的白金薄膜36极薄，白金薄膜36可从此部分断裂。至此，位於平滑表面35A上的一部分白金薄膜36会从二氧化硅层35上脱离，而附著在V形蚀刻槽34内凹陷表面35B上的部分则留下形成白金电路37，如图6及图7所示。此白金电路37具有体状结构，因此，本发明所制造的白金电阻温度感测元件的灵敏度较一般薄膜白金电阻温度感测元件更高。

以上述方法形成的白金电路37的两端具有打线结38(bonding pad)，可以用来与外部的电路进行连接。

除上述的优点的外，藉由将白金电路成功的设置在硅基材上，可利用一般积体电路的制造程序进行制造，可提高白金电阻温度感测元件的密度，使其小型化。又因为本发明是使用硅晶片作为基材，故能够在一片硅晶片上同时作出白金电阻温度感测元件与其它集成电路。另外，因为白金电路的线宽缩小，对线路进行修整(trimming)的步骤可以更容易进行。

此外，图7所示的本实施例的白金电路37是隐藏在蚀刻槽34之内，受到蚀刻槽34的屏障。在接下来的热处理与接线等後续的处理步骤中可被妥善保护，较不易造成白金电路的毁损。