Lasergeschnittene und sputtergeätzte Platindünnschichtmeßwiderstände

Allgemeines

Bis vor einigen Jahren wurde die Platinwiderstandsthermometrie ausschließlich von Temperaturmeßwiderständen beherrscht, die in Drahtwickeltechnik hergestellt waren, d.h. die temperaturempfindlichen Teile der Meßwiderstände waren gewendelte dünne Platindrähte.

Diese Art der Herstellung besteht hauptsächlich aus manueller Fertigung, eine automatisierte Produktion mit drastischer Herstellkostenreduktion, die zu einer Erweiterung der Anwendungen hätte führen können, war dadurch unmöglich.

Zusätzlich forderte der Markt immer kleinere Abmessungen und höhere Widerstandswerte, bei denen Meßdrähte mit immer kleineren Durchmessern erforderlich wurden. Die Verarbeitbarkeit und die Verfügbarkeit setzte der Weiterentwicklung des Platin-Drahtmeßwiderstandes Grenzen.

Vor ca. 25 Jahren wurde eine neue Fertigungstechnologie eingeführt, bei der anstelle von Meßdrähten dünne Platinschichten zur Temperaturmessung benutzt werden. Diese dünnen Platinfilme werden in einer Schichtdicke von 1 bis 2µm auf (ebene) Al²O³-Substrate aufgebracht. Als Beschichtungsverfahren hat sich die Kathodenzerstäubung (Sputtern) als besonders geeignet erwiesen.

Für dieses Verfahren mußte allerdings noch beträchtliche Forschungsarbeit aufgewendet werden, bis schließlich Platinschichten erzeugt werden konnten, die der internationalen Industrienorm DIN EN 60751 genügen, d. h. unter anderem einen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes a 0°C, 100°C von 3,85 x 10-3 K-1 aufweisen.

Um auf einer kleinen Fläche der dünnen Platinschicht einen definierten Widerstandswert zu erhalten, führt man eine Strukturierung der Schicht durch, die in einem nachträglichen, gezielten Entfernen von Platin besteht. Dadurch entsteht eine mäanderförmige Leiterbahnstruktur.

Laserschneiden oder Sputterätzen?

Das Sputterätzen ermöglicht die simultane Strukturierung aller Widerstände auf einem größeren Substrat. Dadurch wird die Verarbeitungszeit unabhängig von der Komplexität und Ausdehnung der Einzelstruktur. Im Gegensatz hierzu werden beim Laserverfahren die Widerstände auf einem entsprechenden Substrat nacheinander erzeugt.

Konsequenterweise wird das Sputterätzen zur Fertigung hochohmiger Meßwiderstände bevorzugt, z.B. 500Ω und 1000Ω. Bei diesen Typen beansprucht das Laserschneiden wegen der großen Leiterbahnlängen pro Meßwiderstand zuviel Maschinenlaufzeit. Auf der andern Seite kann man mit der Lasertechnologie über eine Programmänderung schnellstmöglich vorhandene Strukturen modifizieren.

Die Entwicklung neuer Strukturen und kundenspezifischer Ausführungen stellen deshalb ein wichtiges Aufgabengebiet der Lasertechnologie dar. Kleinserien können über eine derartige Fertigungsmethode oftmals kostengünstiger hergestellt werden.

Beschreibung des Laserschneidverfahrens

Mit einem Festkörperlaser wird ein Lichtstrahl hoher Energiedichte erzeugt. Die Leistung wird in kurzzeitigen Impulsen (Schüssen) abgegeben. Mit einer vorgeschalteten Optik wird der Laserstrahl auf eine Fläche von etwa 20µm Durchmesser fokussiert.

Die zeitliche und örtliche Konzentration der Leistung im Brennpunkt ist extrem hoch. Deshalb verdampft (sublimiert) der größte Teil des Platins im Auftreffpunkt eines Laserschusses explosionsartig ohne Umweg über die flüssige Phase.

Lasergeschnittene und sputtergeätzte Platindünnschichtmeßwiderstände

Ein zusammenhängender Isolierschnitt in der Platinschicht ergibt sich, wenn man durch eine präzise laterale Bewegung des Laserstrahl-Brennpunktes mit vorgegebener Geschwindigkeit für eine definierte Überlappung der Lasereinschüsse sorgt. Abbildung A zeigt ein solches System von Isolierschnitten und die entstandenen Leiterbahnen einer Leiterbahnbreite von 15 µm.

Die Erzeugung eines mäanderförmigen Widerstandsmusters mit definiertem Widerstandswert, mit Begrenzungsschnitten gegen die Nachbarwiderstände sowie das Ausschneiden der Anschlußflächen für die elektrischen Kontakte verlangen einen komplizierten Weg des Laserstrahls, der durch ein aufwendiges Bewegungssystems mit programmierbarem Prozeßrechner gesteuert wird.

Beschreibung des Fotolithografie-Sputterätzens

Eine Alternative für das Laserschneiden kann eine Ätzmethode sein, d. h. man entfernt das Platin beim Strukturieren nicht durch Laserschneiden, sondern durch einen selektiven Ätzprozeß.

Im einzelnen besteht der Sputterätzprozeß aus folgenden vier Hauptschritten:

a) Auftragen einer Schicht aus fotoempfindlichem Lack von einigen µm Dicke auf das mit Platin beschichtete Substrat.

b) Belichtung der Fotolackschicht durch eine aufgelegte Glasmaske hindurch, die in einer auf dem Glas aufgebrachten Metallschicht bereits die Mäanderstruktur aufweist, die dann anschließend in der Platinschicht erzeugt werden soll.

c) Entwicklung und Entfernung der belichteten Zonen des Fotolacks mit einem prozeßspezifischem Sprühentwickler. Aushärten der verbliebenen Lackstruktur durch einen Temperschritt. Diese Lackstruktur ist geometrisch bereits ein getreues Abbild der in der Platinschicht zu erzeugenden Widerstände.

d) Sputterätzen in einer Vakuumanlage, d. h. Abtrag durch Ionenbeschuß. Dabei wird das freiliegende Platin bis auf das Substrat weggeätzt. Gleichzeitig wird auch der größte Teil des auf dem Platin verbliebenen, ausgehärteten Lacks mit etwa gleicher Rate wie das Platin abgetragen. Auf dem Substrat bleiben damit nur noch die Platinstrukturen unter der Lackschicht stehen. Nach dem Entfernen dieser Lackschicht, dem Lackstrippen, ist die Strukturierung des (noch ungetrimmten) Widerstandes abgeschlossen.

Vergleich zwischen laserstrukturierten und sputtergeätzten
Meßwiderständen des gleichen Typs

Abbildung A zeigt ein durch Laserschneiden erzeugtes Leiterbahnsystem in 500-facher Vergrößerung, Abbildung B ein entsprechendes, durch Sputterätzen entstandenes System.

Man erkennt, daß die Randbereiche der Leiterbahnen, die durch Laserschneiden entstanden sind, im Vergleich zu den geätzten Leiterbahnen wellig und wenig definiert und durch aufgeschmolzene und erhöhte Ränder gekennzeichnet sind (Übergang zwischen verdampftem und nur erwärmtem Platinbereich). Dies mindert jedoch die Qualität der lasergeschnittenen Widerstände in keiner Weise: es sind weder Einflüsse auf die Langzeitstabilität der Widerstandswerte noch auf den Isolationswiderstand zwischen den benachbarten Leiterbahnen festzustellen.

In Abbildung C und D sind strukturierte Muster dargestellt, die nach den beiden unterschiedlichen Verfahren der Strukturerzeugung gefertigt wurden. Die Muster haben noch keine Anschlußdrähte und keine Schutzglasur.

Die lasergeschnittene Ausführung zeigt Abbildung C. Man erkennt im unteren Drittel des Bildes den Mäander mit einem kurzen Feintrimmschnitt an seinem linken oberen Ende.

Ein großer Teil der Gesamtfläche wird durch die beiden Kontaktflächen eingenommen, auf die später Anschlußdrähte aufgeschweißt werden. Die Kontaktflächen reichen oben, links und rechts bis an den Chiprand, wo sie durch einen Laserschnitt abgeschlossen sind. Die beiden Kontaktflächen sind voneinander durch einen Laserdoppelschnitt isoliert.

In Abbildung D sieht man die sputtergeätzte Ausführung des Meßwiderstands. Im unteren Drittel der Aufnahme erkennt man das Widerstandsmuster. Es besteht aus einem senkrecht zur Widerstandslängsachse verlaufenden Hauptmäander und sieben zusätzlichen "Trimmschleifen", die durch Auftrennen mit dem Laser aktiviert werden können.

In der Abbildung E erkennt man neben dieser stufenweisen digitalen Trimmöglichkeit - Schleife 1, 5 und 7 (von rechts her gesehen) - noch einen kontinuierlichen Feintrimm durch einen Laserschnitt in einen zusammenhängenden Bereich der Platinschicht hinein (Bildmitte, linke Hälfte).

Ansonsten fällt an dem Widerstandsmuster auf, daß alle überflüssigen Platinbereiche entfernt wurden, insbesondere zwischen den Kontaktflächen und dem Chiprand. Dadurch wird die elektrische Durchschlagfestigkeit im Randbereich verbessert, allerdings ist auch die für das Anschweißen der Anschlußdrähte zur Verfügung stehende Platinfläche nicht unerheblich reduziert.

Zur Verbesserung der Haftfestigkeit der Schweißung werden die Kontaktflächen mit einer zusätzlichen Bondpaste versehen. Außerdem sind auch die Lateral-Abmessungen der rechteckförmigen glaskeramischen Isolierschicht, mit der der Mäander im Siebdruckverfahren überzogen wird, so weit wie möglich verringert worden: die Randbereiche des Chips bleiben frei.

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