DE19700389C1

DE19700389C1 - Thin film polyimide-platinum type sensor structure

Info

Publication number: DE19700389C1
Application number: DE1997100389
Authority: DE
Inventors: Charles Robert Harrington; Michel Farid Sultan
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 1997-01-08
Filing date: 1997-01-08
Publication date: 1998-05-28
Anticipated expiration: 2017-01-09

Abstract

A thin film sensor structure (10) has a substrate (12) bearing a sequence of a thermally and electrically insulating polyimide layer (14), a tantalum oxide layer (16) and separate electrically conductive Pt metallisation elements (18, 20, 22), the tantalum oxide layer (16) extending into the region with the metallisation elements and forming both a barrier against Pt-catalysed thermal degradation of the polyimide layer (14) and an electrical insulation between the metallisation elements.

Description

Die Erfindung betrifft Dünnfilm-Meßfühleranordnungen wie sie z. B. in Meßfühlern für einen Luftmengenstrom verwendet werden können.The invention relates to thin film sensor arrangements such as they z. B. used in sensors for a flow of air can be.

Eine Messung der Luftmenge in dem Luftansaugsystem eines Verbrennungsmotors ist eine wesentliche Komponente einer Regel strategie, die einen Betrieb mit geringen Schadstoffemissionen, guter Kraftstoffeinsparung und einer besseren Motorleistung gestattet. Ein Typ eines Meßfühlers für einen Luftmengenstrom, der für Anwendungen bei Kraftfahrzeugen ausgelegt ist, umfaßt eine Siliziumscheibe oder einen Siliziumchip mit einer Ober fläche, die mit einer isolierenden Polyimidschicht beschichtet ist, die wiederum eine geradlinige, mit Stromimpulsen betriebe ne Widerstandsheizvorrichtung mit einem Platinfilm, um Wärme wellen auszusenden, und einen benachbarten Platinfilm-Thermi stor trägt, der stromabwärts der Heizvorrichtung angeordnet ist, um die Ankunft jeder Wärmewelle zu detektieren. Wo es erforderlich ist, einen bidirektionalen Strom zu detektieren und zu messen, wird auch ein Thermistor auf dem Chip stromauf wärts der Heizvorrichtung verwendet. Eine zugeordnete elektro nische Schaltung wird verwendet, um den Kühleffekt des auf den Thermistor strömenden Luftstroms zu detektieren und somit die Mengenstromrate des Luftstroms zu messen. Solche Vorrichtungen sind in den US-Patenten 5 086 650, 5 243 858 und 5 263 380 beschrieben.A measurement of the amount of air in the air intake system Internal combustion engines are an essential component of a rule strategy that operates with low pollutant emissions, good fuel economy and better engine performance allowed. A type of air flow sensor, which is designed for applications in motor vehicles a silicon wafer or a silicon chip with a top surface coated with an insulating polyimide layer which, in turn, operates in a straight line, with current pulses ne resistance heater with a platinum film to heat waves and an adjacent platinum film thermi stor carries, which is arranged downstream of the heater is to detect the arrival of each heat wave. Where it is required to detect a bidirectional current and to measure, there is also a thermistor on the chip upstream wards the heater used. An associated electro African circuit is used to the cooling effect of the Thermistor flowing air flow to detect and thus the Measure the flow rate of the air flow. Such devices are in U.S. Patents 5,086,650, 5,243,858 and 5,263,380 described.

Wie z. B. in US 5 263 380 beschrieben ist, weist ein reprä sentativer Meßfühler für einen Luftmengenstrom eine Silizium scheibe als eine Träger-Basisschicht mit einer planaren Ober fläche auf, eine dünne thermische und elektrische Isolier schicht aus Polyimid auf der Siliziumoberfläche und ein Platin film-Heizelement mit stromaufwärtigen und stromabwärtigen Platinfilm-Thermistorelementen, die auf der Polyimidschicht hergestellt sind. Wenn an das Heizelement eine sinusförmige Spannung angelegt wird, breiten sich oszillierende Wärmewellen vom Heizelement nach außen hin zu den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Detektoren aus. Die Ausbreitung der Wärmewellen wird durch die Richtung und den Betrag des Luftmengenstroms über den Meßfühler beeinflußt. Die Stromrate der Luft beein flußt die Temperatur der Thermistoren aus Platin und die Tempe ratur der Abfühlelemente beeinflußt den Widerstand des Elements, der durch die externe Schaltung detektiert wird. Man hat festgestellt, daß Meßfühler dieser Art zum Messen des Luftmengenstroms, wie z. B. des in einen Kraftfahrzeugmotor angesaugten Stroms, zweckmäßig sind.Such as B. is described in US 5 263 380, has a reprä sensitive sensor for an air flow a silicon slice as a carrier base layer with a planar top surface, a thin thermal and electrical insulation layer of polyimide on the silicon surface and a platinum film heating element with upstream and downstream Platinum film thermistor elements on the polyimide layer are manufactured. If at the heating element a sinusoidal When voltage is applied, oscillating heat waves spread from the heating element outwards to the upstream and downstream detectors. The propagation of the heat waves is determined by the direction and amount of the air flow influenced by the sensor. The flow rate of the air affects the temperature of the platinum thermistors and the temp rature of the sensing elements influences the resistance of the Element that is detected by the external circuit. Man has found that this type of probe is used to measure the Air flow rate, such as. B. in a motor vehicle engine sucked current, are appropriate.

Die Wirksamkeit solcher Meßfühler hängt offensichtlich von ihrer Zuverlässigkeit und Widerstandsfähigkeit über einen weiten Bereich statischer und dynamischer Motorbetriebsbedin gungen ab. Der Meßfühler muß imstande sein, die Temperatur einer Stelle innerhalb des Fluidstroms in wiederholbarer und repräsentativer Weise schnell und kontinuierlich zu übertragen. Elektrische Signale, die durch eine Hochleistungsvorrichtung zum Abfühlen der Temperatur erzeugt oder detektiert werden, müssen bei den Motorbetriebsbedingungen sehr gut reproduzierbar sind präzise sein.The effectiveness of such sensors obviously depends on their reliability and resilience over one wide range of static and dynamic engine operating conditions exceptions. The sensor must be able to measure the temperature a location within the fluid flow in repeatable and representative to transmit quickly and continuously. Electrical signals through a high performance device generated or detected for sensing the temperature, must be very reproducible under the engine operating conditions are precise.

Bei Meßfühlern des in den obigen Patenten beschriebenen Typs ist Silizium ein Material, das infolge seiner Verfügbar keit, geringen Kosten und Festigkeit, wenn es in Scheibenform verarbeitet wird, für das Substratmaterial grundsätzlich gut geeignet ist. Andere geeignete Trägermaterialien könnten ver wendet werden. Weil jedoch Silizium ein sehr guter Wärmeleiter ist, ist die Herstellung von Heizvorrichtungen und Vorrichtun gen zum Abfühlen der Temperatur direkt auf der Siliziumscheibe nicht wünschenswert. Aus diesem Grund wird ein polymerer Iso lierfilm auf der Abfühloberfläche der Siliziumscheibe abge lagert.For sensors described in the above patents Type silicon is a material that is available due to its speed, low cost and strength when in disc form is basically good for the substrate material suitable is. Other suitable substrates could be used be applied. However, because silicon is a very good heat conductor is the manufacture of heaters and fixtures to sense the temperature directly on the silicon wafer not desirable. For this reason, a polymeric iso lier film on the sensing surface of the silicon wafer stores.

Obwohl die meisten Polymere geeignete Eigenschaften zeigen, gehören Polyimidbeschichtungen zu den besten mit nahezu idealen Eigenschaften als Substrat zum Tragen von heizenden und eine Temperatur abfühlenden Thermistoren. Polyimide sind durch das Vorhandensein der Phthalimidgruppen im Polymerrückgrat ge kennzeichnet. Sie sind extrem korrosionsbeständig, weil sie organische Polymere sind. Polyimidharze haben einen elek trischen Widerstand und weisen eine sehr geringe thermische Leitfähigkeit und ein geringes thermisches Diffusionsvermögen auf. Sie sind daher gegen das Absorbieren von Wärme und gegen die Wärmeleitung innerhalb ihrer Filme beständig. Ferner können ohne weiteres mit guter Haftung Metalle auf Polyimidfilme ab gelagert werden.Although most polymers have suitable properties, polyimide coatings are among the best with almost ideal ones Properties as a substrate for wearing heating and a Temperature sensing thermistors. Polyimides are by that Presence of the phthalimide groups in the polymer backbone indicates. They are extremely corrosion resistant because of them are organic polymers. Polyimide resins have an elec trical resistance and have a very low thermal Conductivity and low thermal diffusivity on. They are therefore against the absorption of heat and against the heat conduction within their films is constant. Can also easily with good adhesion metals on polyimide films be stored.

Ein Streifen eines Heizelements aus Platin sowie Ther mistorstreifen aus Platin können durch Sputtern oder andere Verfahren auf einem Polymerfilm abgelagert werden. Platin ist zur Verwendung bei Meßfühlern für einen Luftstrom und derglei chen wegen seiner chemischen Stabilität in solchen Umgebungen besonders geeignet. Die Verwendung von Platin als Temperatur detektor hängt jedoch von dem Wert und der Stabilisierung seines Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstands (TCR) ab. TCR ist hier als eine prozentuale Änderung des elek trischen Widerstands pro Grad Celsius einer Temperaturänderung bei 0°C definiert. Platin erweist sich als ein kostensparendes Material in Meßvorrichtungen für einen Luftmengenstrom, um die Temperatur abzuschätzen, wenn dessen TCR bei einem Pegel nahe seinen optimalen Werten stabil ist. Andere korrosionsbeständige Metalle mit geeigneten elektrischen Eigenschaften, beispiels weise andere Metalle der Platingruppe oder Edelmetalle, wie z. B. Palladium, können anstelle von Platin verwendet werden.A strip of a platinum heating element and ther Platinum mistor strips can be sputtered or otherwise Processes are deposited on a polymer film. Is platinum for use with sensors for air flow and the like Chen because of its chemical stability in such environments particularly suitable. The use of platinum as a temperature However, detector depends on the value and the stabilization its temperature coefficient of resistivity (TCR). TCR is here as a percentage change in elek resistance per degree Celsius of a change in temperature defined at 0 ° C. Platinum proves to be a cost-saving Material in measuring devices for a flow of air to the Estimate temperature when its TCR is close to a level its optimal values is stable. Other corrosion resistant Metals with suitable electrical properties, for example other platinum group metals or precious metals, such as e.g. B. palladium can be used instead of platinum.

Obwohl geringe Bedenken hinsichtlich der Widerstandsfähig keit und Stabilität für jedes der oben genannten einzelnen Materialien - Silizium, Polyimid und Platin - bestehen, beob achtet man nun, daß das Platin und Polyimid inkompatibel sind, wenn sie in Luft bei Temperaturen oberhalb etwa 215°C mitein ander in Kontakt stehen. Man hat beobachtet, daß eine physika lische Zersetzung in Luft von ausgehärteten Polyimidschichten durch einen Kontakt mit gesputterten Platinfilmen hoher Quali tät katalysiert wird. Wie bei anderen katalytischen Metallen, wie z. B. Pd, gibt es Anzeichen, daß atomarer Sauerstoff nahe oder innerhalb der Platinschicht erzeugt werden kann, der einen Polymerfilm zersetzen kann. Weil ein Meßfühler für einen Luft mengenstrom bei den hohen Temperaturen des Motorraums in einem Luftstrom arbeiten muß und der Meßfühler geheizt wird, beein flußt eine Zersetzung der Polyimidschicht die Zuverlässigkeit und Widerstandsfähigkeit des Meßfühlers.Though minor concerns about being resilient speed and stability for each of the above Materials - silicon, polyimide and platinum - exist, observe take care that the platinum and polyimide are incompatible, when in the air at temperatures above about 215 ° C others are in contact. It has been observed that a physika decomposition in air of hardened polyimide layers through contact with high quality sputtered platinum films is catalyzed. As with other catalytic metals, such as B. Pd, there is evidence that atomic oxygen is near or can be generated within the platinum layer that one Polymer film can decompose. Because a sensor for an air volume flow at the high temperatures of the engine compartment in one Air flow must work and the sensor is heated, affect decomposition of the polyimide layer affects reliability and resistance of the sensor.

Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung einen Meßfühler, der auf dem Polyimid/Platin-System basiert, das eine Grenzschicht enthält, die eine langfristige Zuverlässigkeit und optimale TCR-Eigenschaften der Platinfilme liefert, wenn der Meßfühler bei relativ hohen Umgebungs- oder Betriebstempera turen Wasser, Salz, organischen Lösungsmitteln oder dergleichen ausgesetzt ist.Accordingly, the present invention provides a sensor which is based on the polyimide / platinum system, the one Boundary layer that contains long-term reliability and provides optimal TCR properties of the platinum films if the Sensor at relatively high ambient or operating temperatures turen water, salt, organic solvents or the like is exposed.

Die vorliegende Erfindung schafft widerstandsfähige Meßfühlerstrukturen, mit den im Anspruch 1 spezifizierten Merkmalen.The present invention provides resilient Sensor structures with those specified in claim 1 Characteristics.

Die Erfindung schafft Meßfühlerstrukturen aus Pla tin/Polyimid, die widerstandsfähig sind und über einen weiten Bereich statischer und dynamischer Bedingungen reproduzierbare und präzise elektrische Signale erzeugen, durch Vorsehen einer Tantaloxidschicht zwischen den Platin-Metallisierungselementen und der Polyimidfilmschicht. Eine solche Metalloxidbarriere kann auch in anderen geschichteten Strukturen verwendet werden, bei denen eine Polymer-Isolierschicht durch eine ungewollte Aktivität einer darüberliegenden Metallschicht verschlechtert oder zersetzt werden kann.The invention creates sensor structures from Pla tin / polyimide, which are resistant and have a wide range Reproducible range of static and dynamic conditions and generate precise electrical signals by providing one Tantalum oxide layer between the platinum metallization elements and the polyimide film layer. Such a metal oxide barrier can also be used in other layered structures where a polymer insulating layer is caused by an unwanted Activity of an overlying metal layer deteriorates or can be decomposed.

Gemäß einem Beispiel der Erfindung wird eine Siliziumschei be (oder eine andere geeignete Trägerstruktur) geschaffen. Ein dünner Film aus einem geeigneten Polyimid(PI)-Harz wird auf die Oberfläche der Siliziumscheibe aufgebracht. Eine geeignete Dicke für den thermisch und elektrisch isolierenden Polyimid film liegt z. B. in der Größenordnung von 15 bis 20 Mikrometer. Eine geeignete Tantaloxidschicht wird dann gebildet, beispielsweise durch reaktives Sputtern von Ta₂O₅. Die Tantaloxidschicht ist geeigneterweise etwa 30 bis 50 Nanometer dick. Es wird bevorzugt, daß in der fertiggestellten Form des diskutierten Meßfühlers die Zusammensetzung des Grenzfilms aus Tantaloxid im wesentlichen Ta₂O₅ ist. Eine sich dazu ent sprechend erstreckende Platin-Metallisierschicht wird bis zu einer Dicke von etwa 100 bis 300 Nanometer auf die Metall oxidschicht geeignet abgelagert. Photolithographische Verfahren können dann verwendet werden, um das Heizelement und die Ther mistorelemente in der Platin-Metallisierung zu definieren, um die Herstellung des Meßfühlerchips abzuschließen. Die Kombina tion aus Polyimid(PI)/Ta₂O₅/Pt-Filmen veranschaulicht die Grundstruktur dieser Erfindung.According to an example of the invention, a silicon wafer (or another suitable carrier structure) is created. A thin film of a suitable polyimide (PI) resin is applied to the surface of the silicon wafer. A suitable thickness for the thermally and electrically insulating polyimide film is, for. B. in the order of 15 to 20 microns. A suitable tantalum oxide layer is then formed, for example by reactive sputtering of Ta ₂ O ₅ . The tantalum oxide layer is suitably about 30 to 50 nanometers thick. It is preferred that in the finished form of the probe under discussion, the composition of the tantalum oxide boundary film is essentially Ta ₂ O ₅ . A correspondingly extending platinum metallization layer is suitably deposited on the metal oxide layer up to a thickness of about 100 to 300 nanometers. Photolithographic methods can then be used to define the heating element and the thermistor elements in the platinum metallization to complete the manufacture of the sensor chip. The combination of polyimide (PI) / Ta ₂ O ₅ / Pt films illustrates the basic structure of this invention.

Es gibt einige Meßfühleranwendungen, bei denen es wün schenswert sein kann, eine Passivierungsschicht aus Polyimid (oder einem anderen Polymer) über den Meßfühlerelementen aus Platin (einem katalytischen Metall) vorzusehen. Falls z. B. der Luftstrom feucht ist, könnte eine Kondensation von Wasser im Meßfühler einen elektrischen Kurzschluß verursachen. Der Zweck der Passivierungsschicht aus Polyimid ist folglich, die Platin filme vom Luftstrom chemisch, nicht aber thermisch zu isolie ren. Um diese (geeigneterweise etwa 1 µm dicke) Passivierungs schicht aus Polyimid zu schützen, bevorzugt man wieder, eine z. B. 10-30 nm dicke) Tantaloxidschicht über den Meßfühler elementen aus Platin vor Aufbringung der Passivierungsüber lagerungsschicht aus Polyimid zu bilden.There are some sensor applications where you want to a passivation layer made of polyimide may be worthwhile (or other polymer) over the sensor elements To provide platinum (a catalytic metal). If e.g. B. the Airflow is moist, could cause water to condense Sensor cause an electrical short circuit. The purpose The passivation layer is therefore made of polyimide, which is platinum films of the air flow chemically, but not thermally to isolie ren. Around this (suitably about 1 µm thick) passivation to protect layer of polyimide, one prefers again one e.g. B. 10-30 nm thick) tantalum oxide layer over the sensor Platinum elements before the passivation is applied to form storage layer of polyimide.

Demgemäß werden somit geeignete Polyimidfilme verwendet, um eine thermische Isolierung und einen Schutz für die Platinelektroden schaffen. Für jede Platinelektrode ist jedoch eine Tantaloxidschicht zwischen der Platinelektrode und jeder benachbarten Polyimidfilmschicht vorgesehen.Accordingly, suitable polyimide films are used to thermal insulation and protection for the Create platinum electrodes. For each platinum electrode, however a tantalum oxide layer between the platinum electrode and each adjacent polyimide film layer provided.

Die Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung eines Beispiels davon ersichtlicher werden. Es wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen:The advantages of the invention will be apparent from the following detailed description of an example thereof more clearly will. Reference is made to the drawings in which:

Fig. 1 eine vergrößerte isometrische Ansicht ist, teilweise weggebrochen und im Schnitt, die eine Struktur aus Silizium scheibe/Polyimidfilm/Tantaloxidfilm/Platinelement eines Meß fühlers für einen Luftmengenstrom darstellt; und Fig. 1 is an enlarged isometric view, partially broken away and in section, showing a structure of silicon wafer / polyimide film / tantalum oxide film / platinum element of a sensor for an air flow rate; and

Fig. 2 eine vergrößerte isometrische Ansicht, teilweise weggebrochen und im Querschnitt, eines Meßfühlers aus Silizium/ Polyimid/Tantaloxid/Platin mit Passivierungsüberlagerungs schichten aus Tantaloxid, Polyimid und Tantaloxid ist. Fig. 2 is an enlarged isometric view, partially broken away and in cross section, of a sensor made of silicon / polyimide / tantalum oxide / platinum with passivation overlay layers of tantalum oxide, polyimide and tantalum oxide.

Wie angegeben, sind die Bauelemente der veranschaulichten Meßfühler zur Betrachtung vergrößert, und die Dicken der Schichten sind nicht notwendigerweise im richtigen Maßstab dargestellt.As indicated, the components are those illustrated Probe enlarged for viewing, and the thicknesses of the Layers are not necessarily on the right scale shown.

Ein Anwendungsbeispiel einer Meßfühlerstruktur ist ein Meßfühler für einen Luftmengenstrom in einer Luftansaugleitung eines Kraftfahrzeugs. Ein Meßfühler für einen bidirektionalen Luftmengenstrom ist veranschaulicht, der angepaßt ist, um einen Luftstrom in sowohl einer stromaufwärtigen als auch stromabwärtigen Richtung im Ansaugdurchgang detektieren zu können. Solch ein Meßfühler verwendet ein Widerstands heizelement aus Platin in Form eines Filmstreifens, der bezüglich der voraussichtlichen Richtung des Luftstroms quer ausgerichtet ist. Eine Eingangsspannung wird an Anschlüsse des Heizstreifens angelegt. Vom Heizelement breitet sich Wärme nach außen hin zu stromaufwärtigen und stromabwärtigen Tempe raturdetektoren aus. Die bei diesen Detektoren abgefühlten Temperaturen hängen von der Richtung und Stromgeschwindigkeit des Luftstroms ab, der detektiert und gemessen werden soll. Elektrische Widerstände aus dünnen Filmstreifen, die eine lokale Temperatur abfühlen (Thermistoren), werden als die Detektoren in den Meßfühlern für einen Luftmengenstrom verwendet. Die Thermistor-Filmstreifen sind parallel zum Heiz streifen ausgerichtet. An jeden Thermistorstreifen wird ein Vorspannungsstrom angelegt, und die Spannung über jeden Thermistor wird durch Veränderungen der Umgebungstemperatur geändert.An application example of a sensor structure is a Sensor for an air flow in an air intake line a motor vehicle. A sensor for a bidirectional Air flow rate is illustrated, which is adapted to a Airflow in both an upstream as well Detect downstream direction in the intake passage can. Such a sensor uses a resistor heating element made of platinum in the form of a film strip, the with respect to the probable direction of the air flow across is aligned. An input voltage is applied to terminals of the Heating strip created. Heat spreads from the heating element outside towards upstream and downstream tempe temperature detectors. The sensed with these detectors Temperatures depend on the direction and current speed of the air flow that is to be detected and measured. Electrical resistors made of thin film strips, one local temperature sensing (thermistors) are considered the Detectors in the sensors for an air flow used. The thermistor film strips are parallel to the heater stripes aligned. There is a on each thermistor strip Bias current applied, and the voltage across each Thermistor is caused by changes in ambient temperature changed.

Eine Ausführungsform der diskutierten Meßfühlerausführung ist in Fig. 1 dargestellt. Der Meßfühler 10 nutzt einen Sili ziumchip oder eine Scheibe 12 als den Hauptstrukturträger für den Meßfühler. Eine sich dazu entsprechend erstreckende ther mische Isolierschicht 14 aus Polyimid liegt über dem Silizium substrat. Eine sich dazu entsprechend erstreckende Schicht 16 aus Tantaloxid (TaO_x) liegt über dem Polyimid, und ein Strei fenelement 18 der Heizvorrichtung aus Platin ist auf der Tantaloxidschicht mit parallelen stromaufwärtigen und strom abwärtigen Thermistorstreifen 20 und 22 aus Platin gebildet. Die Ausrichtung der Heizvorrichtung 18 aus Platin und Ther mistoren 20 und 22 aus Platin ist quer zu den beabsichtigten Richtungen eines Luftstroms im (nicht dargestellten) Ansaug kanal, die durch den Doppelpfeil über dem Meßfühler angezeigt sind. Kontaktflecke 24 aus Gold (oder einem anderen Überbrückungs- bzw. Nebenschluß-Metall, wie z. B. Aluminium) sind bei vergrößerten Endabschnitten sowohl des Heizstreifens 18 als auch der Thermistorstreifen 20 und 22 für Verbindungen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit mit einer nicht darge stellten externen Schaltung angebracht. (Man beachte, daß nur ein Ende der Streifen 18, 20 und 22 dargestellt ist).An embodiment of the sensor design discussed is shown in FIG. 1. The sensor 10 uses a silicon chip or a disk 12 as the main structure support for the sensor. A correspondingly extending thermal insulating layer 14 made of polyimide lies over the silicon substrate. A correspondingly extending layer 16 of tantalum oxide (TaO _x ) overlies the polyimide, and a strip element 18 of the platinum heater is formed on the tantalum oxide layer with parallel upstream and downstream thermistor strips 20 and 22 of platinum. The orientation of the heater 18 made of platinum and thermistors 20 and 22 made of platinum is transverse to the intended directions of an air flow in the suction channel (not shown), which are indicated by the double arrow above the sensor. Contact pads 24 of gold (or other bridging or shunt metal such., Aluminum) are introduced in the enlarged end portions of both of the heating strip 18 and the Thermistorstreifen 20 and 22 for compounds having high electrical conductivity with a non external Darge Circuit attached. (Note that only one end of strips 18 , 20 and 22 is shown).

Fig. 1 stellt einen Teil eines einzelnen Meßfühlers dar. Man erkennt jedoch, daß solche Meßfühlerstrukturen hergestellt werden könnten, wobei man mit einer Siliziumscheibe mit relativ großem Durchmesser beginnt, auf der mehrere Meßfühlerkörper hergestellt werden können und aus der einzelne Meßfühlerchips geschnitten werden. In einem bevorzugten Herstellungsverfahren für den diskutierten Meßfühler würde man folglich mit einer dünnen runden Scheibe aus Silizium (z. B. mit einem Durchmesser von 100 mm und einer Dicke von 0,5 mm) beginnen, ihre Ober fläche durch geeignete bekannte Reinigungsprozesse vorbereiten und dann einen sich dazu entsprechend erstreckenden Polyimid film auf der Oberfläche der Siliziumscheibe ablagern. Fig. 1 illustrates a portion of a single probe. However, it can be seen that such probe structures could be made starting with a relatively large diameter silicon wafer on which multiple probe bodies can be made and from which individual probe chips are cut. In a preferred manufacturing process for the sensor under discussion, one would consequently start with a thin round disk made of silicon (e.g. with a diameter of 100 mm and a thickness of 0.5 mm), prepare its surface by suitable known cleaning processes and then deposit a correspondingly extending polyimide film on the surface of the silicon wafer.

Bekannte aushärtbare flüssige Polyimidmaterialien sind handelsüblich verfügbar in Anwendungen für integrierte Schal tungen, d. h. um Polyimidfilme auf die Arbeitsoberfläche von Siliziumscheiben und dergleichen aufzubringen. Beispielsweise dispergiert man Polyimidflüssigkeiten DuPont^WZ 2574D bei der Mitte einer Siliziumscheibe, die z. B. bei einer geeigneten Geschwindigkeit von 1.400 Umdrehungen pro Minute (RPM) für die Dauer von 120 Sekunden gedreht wird. Die Scheibe wird dann bei von 70°C auf 300°C ansteigenden Temperaturen geheizt, um die Polyimidschicht zu trocknen und/oder auszuhärten. Nachfolgende Polyimidschichten werden nötigenfalls in gleicher Weise ge bildet, bis eine Polyimidschichtdicke erreicht ist. Eine geeig nete Dicke für die Schicht liegt z. B. im Bereich von etwa 15 bis 25 Mikrometer. Wie oben angegeben, ist der Zweck des Poly imid, daß es eine geeignete chemische Isolierung, einen ther mischen und elektrischen Widerstand zwischen den aktiven Platinelektroden und dem Siliziumsubstrat schafft. Das Polyimid bringt seine Eigenschaften ein und ist zur Verwendung bei Tem peraturen unterhalb etwa 400°C geeignet.Known curable liquid polyimide materials are commercially available in integrated circuit applications, that is, to apply polyimide films to the work surface of silicon wafers and the like. For example, DuPont ^WZ 2574D polyimide liquids are dispersed at the center of a silicon wafer, which, for. B. is rotated at a suitable speed of 1,400 revolutions per minute (RPM) for a period of 120 seconds. The pane is then heated at temperatures increasing from 70 ° C to 300 ° C to dry and / or cure the polyimide layer. Subsequent polyimide layers are formed in the same way if necessary until a polyimide layer thickness is reached. A suitable thickness for the layer is z. B. in the range of about 15 to 25 microns. As stated above, the purpose of the polyimide is to provide suitable chemical isolation, thermal and electrical resistance between the platinum active electrodes and the silicon substrate. The polyimide brings its properties and is suitable for use at temperatures below about 400 ° C.

In früheren Verfahren wären die Platinelektroden direkt auf das Polyimid aufgebracht worden. Man stellt jedoch fest, daß bei der Verarbeitung der Platinelektroden und/oder dem Betrieb der Vorrichtung die Oberfläche des Meßfühlers auf Temperaturen in der Luft von bis zu 200°C bis 220°C trifft. Bei diesen Tem peraturen stellt man nun fest, daß das Platin eine Verschlech terung der Polyimidschicht katalysiert. Diese Verschlechterung zerstört nicht nur die thermische Isolierschicht, sondern ver ursacht auch eine Änderung der Lage der Platinelektroden und beeinflußt ihre elektrischen Eigenschaften und die Signalabga be. Somit bleibt die Signalabgabe der Vorrichtung nicht stabil und genau.In previous processes, the platinum electrodes would be directly on the polyimide has been applied. However, it is found that when processing the platinum electrodes and / or during operation the device the surface of the sensor at temperatures in the air up to 200 ° C to 220 ° C. At these tem temperatures, it is now found that the platinum is a deterioration Catalyzing the polyimide layer. This deterioration not only destroys the thermal insulation layer, but ver also causes a change in the position of the platinum electrodes and affects their electrical properties and signal output be. The signal output of the device thus does not remain stable and exactly.

Deshalb wird eine Schicht aus Tantaloxid 16 auf der Isolierschicht 14 aus Polyimid abgelagert. Die Tantaloxid schicht wird geeigneterweise durch Sputtern von Tantal auf die Polyimidoberfläche in einem Argon-Sauerstoff-Plasma gebildet. Dieses Verfahren ist als reaktives Sputtern bekannt. Ein geeignetes Sputterverfahren für Tantaloxid geht folgendermaßen vor sich.Therefore, a layer of tantalum oxide 16 is deposited on the insulating layer 14 made of polyimide. The tantalum oxide layer is suitably formed by sputtering tantalum onto the polyimide surface in an argon-oxygen plasma. This process is known as reactive sputtering. A suitable sputtering process for tantalum oxide is as follows.

Die mit Polyimid beschichteten Proben werden in eine Sput terkammer eingebracht, die über einen sich drehenden Substrat halter verfügt. Die Kammer wird auf einen Druck unterhalb 10^-6 Torr evakuiert und dann 30 Minuten unter der Strahlung einer Quarzlampe auf eine Temperatur nahe 240°C geheizt. Man trifft eine Vorkehrung, um Argon und Sauerstoff in die Kammer konti nuierlich strömen zu lassen. Ein Drosselventil einer Vakuum pumpe wird für eine verringerte Pumpgeschwindigkeit aktiviert, und zwei Regeleinrichtungen für einen Mengenstrom werden ver wendet, um Kammerdrücke von Ar und O₂ genau aufrechtzuerhalten. Die Größe der Drosselöffnung muß auch eine Entnahme einer ange messenen Gasmenge zum Erreichen und Aufrechterhalten eines Drucks unterhalb etwa 25 mTorr gestatten. Ein Ar-Strom wird eingestellt, um einen Kammerdruck von etwa 7 mTorr zu errei chen. Ein O₂-Strom wird unabhängig eingestellt, um den kombi nierten Druck der Gase um etwa 0,7 mTorr zu erhöhen. Das Ver hältnis der Einstellungen der Regeleinrichtungen für einen Mengenstrom beträgt ebenfalls etwa 10. Eine Hochfrequenz energieversorgung liefert Leistung (700 W), um ein Plasma aus Argon- und Sauerstoffionen zu erzeugen, das den Sputterprozeß von einem Target aus reinem Ta-Metall beginnt.The samples coated with polyimide are placed in a sputtering chamber, which has a rotating substrate holder. The chamber is evacuated to a pressure below 10 ^-6 Torr and then heated to a temperature close to 240 ° C for 30 minutes under the radiation of a quartz lamp. A precaution is taken to continuously flow argon and oxygen into the chamber. A throttle valve of a vacuum pump is activated for a reduced pump speed, and two regulators for a mass flow are used to precisely maintain chamber pressures of Ar and O ₂ . The size of the throttle opening must also permit removal of an appropriate amount of gas to reach and maintain a pressure below about 25 mTorr. An Ar current is set to achieve a chamber pressure of approximately 7 mTorr. An O ₂ flow is set independently in order to increase the combined pressure of the gases by about 0.7 mTorr. The ratio of the settings of the control devices for a mass flow is also about 10. A high-frequency energy supply delivers power (700 W) in order to generate a plasma of argon and oxygen ions, which starts the sputtering process from a target made of pure Ta metal.

Der Kammerdruck nimmt etwa 0,3 mTorr ab, während die ge sputterten freien Ta-Atome mit der Polyimid(PI)-Oberfläche und O⁻ im Plasma reagieren, um eine Unterschicht aus Tantaloxid, Ta₂O₅, zu erzeugen. Freies Ta auf der Oberfläche des PI kann mit Sauerstoff im PI-Substrat oder mit freiem Sauerstoff im Plasma reagieren. Zu Anfang ist es wahrscheinlicher, daß eine Ta-reiche Schicht als eine stöchiometrische oder eine sauer stoffreiche Schicht mit der PI-Oberfläche in Kontakt steht, weil die Menge an freiem Ta im Plasma größer als der verfügbare O⁻ zwischen dem Ziel und dem Substrat ist. Dies reduziert an fangs den O₂-Druck in der Kammer. Ein langsamer Anstieg des Gesamtdrucks findet während des Ta-Sputterprozesses statt, da sich eine dünne Schicht aus Ta₂O₅ auf dem Ziel aus Tantal bilden kann, was die Ta-Sputterrate verringert. Nach zwei bis drei Minuten wird auf der PI-Oberfläche eine Ablagerung von weniger als 0,1 µm mit einem wahrscheinlichen Gradienten in der Zusammensetzung vorhanden sein. Nahe der PI-Oberfläche kann mehr metallisches Ta als nahe der Oberseite der abgelagerten Schicht vorhanden sein. Die Oberseite kann O-reich sein, weil der Anstieg des Kammerdrucks innerhalb 0,1 mTorr unterhalb des anfänglichen Kammerdrucks stoppt.The chamber pressure decreases about 0.3 mTorr, while the sputtered free Ta atoms react with the polyimide (PI) surface and O⁻ in the plasma to produce an underlayer of tantalum oxide, Ta ₂ O ₅ . Free Ta on the surface of the PI can react with oxygen in the PI substrate or with free oxygen in the plasma. Initially, a Ta-rich layer is more likely to be in contact with the PI surface than a stoichiometric or an acid-rich layer because the amount of free Ta in the plasma is greater than the available O Ziel between the target and the substrate . This initially reduces the O ₂ pressure in the chamber. A slow increase in total pressure occurs during the Ta sputtering process because a thin layer of Ta ₂ O _{5 can form} on the tantalum target, reducing the Ta sputtering rate. After two to three minutes there will be less than 0.1 µm of deposit on the PI surface with a likely gradient in the composition. There may be more metallic Ta near the PI surface than near the top of the deposited layer. The top can be O-rich because the increase in chamber pressure stops within 0.1 mTorr below the initial chamber pressure.

Im allgemeinen nimmt der Kammerdruck aufgrund von zuviel freiem Metall ab und steigt später aufgrund von zuviel O⁻ auf annähernd den Anfangsdruck an. Es ist dieser vorübergehende Abfall des Gesamtkammerdrucks, der mit einer guten Haftung zwischen der PI- und der Metalloxidschicht korreliert wurde, während die nachfolgende Druckzunahme außergewöhnlich stabile elektrische Eigenschaften in der anschließend abgelagerten Platinschicht erzeugt hat. Der angenommene Gradient einer Zu sammensetzung in der Unterschicht aus Metalloxid erreicht gleichzeitig beide Ziele einer Haftung und Stabilität. Falls die Substrattemperatur zu hoch ist, wird der ionisierte Sauer stoff beginnen, die PI-Oberfläche vor der Ablagerung zu zer setzen, und wird Metallfilme mit schlechter Haftung ergeben.Generally the chamber pressure increases due to too much free metal and later rises due to too much O⁻ approximately the initial pressure. It is this temporary Decrease in total chamber pressure with good adhesion was correlated between the PI and metal oxide layers, while the subsequent increase in pressure is exceptionally stable electrical properties in the subsequently deposited Platinum layer has created. The assumed gradient of a zu composition reached in the lower layer of metal oxide at the same time both goals of liability and stability. If the substrate temperature is too high, the ionized acid begin to disrupt the PI surface prior to deposition set, and will result in metal films with poor adhesion.

Ein Gasstrom in die Kammer wird gestoppt, nachdem die Ener gie für das Ta-Target abgeschaltet ist. Die Substrate werden dann vor der Platinablagerung für die Dauer von 15 bis 20 Minuten auf nahe 400°C geheizt.A gas flow into the chamber is stopped after the ener is switched off for the Ta target. The substrates are then before platinum deposition for a period of 15 to 20 Heated to near 400 ° C for minutes.

Die Dicke der Tantaloxidschicht liegt geeigneterweise im Bereich von 30 bis 50 Nanometer.The thickness of the tantalum oxide layer is suitably in Range from 30 to 50 nanometers.

Eine sich dazu entsprechend erstreckende Platin-Metal lisierschicht wird auf die Tantaloxidschicht gesputtert, wäh rend die Proben noch in der Sputterkammer sind. Ein Ar-Gasstrom wird gesteuert, um einen Kammerdruck von 7 mTorr aufrechtzuer halten. In acht Minuten wird bei einer Leistung von 1000 W mit einem Gleichstrommagnetron einer Energieversorgung und einer Zielkonfiguration etwa 0,2 µm Pt abgelagert. Die Substrate werden während und nach dem Sputterprozeß geheizt. Der Ar- Gasstrom wird gestoppt, um die Kammer zu evakuieren. Die Dicke der Platin-Metallisierung beträgt geeigneterweise etwa 100 bis 300 Nanometer.A correspondingly extending platinum metal The coating is sputtered onto the tantalum oxide layer, while The samples are still in the sputter chamber. An Ar gas stream is controlled to maintain a chamber pressure of 7 mTorr hold. In eight minutes with a power of 1000 W with a DC magnetron of a power supply and one Target configuration deposited about 0.2 µm Pt. The substrates are heated during and after the sputtering process. The Ar- Gas flow is stopped to evacuate the chamber. The fat the platinum metallization is suitably about 100 to 300 nanometers.

Es wird bevorzugt, daß das Platinmetall auf ein geheiztes Tantaloxid/Polyimid/Silizium-Substrat gesputtert wird. Dieses Verfahren verbessert den spezifischen elektrischen Widerstand der endgültigen Platinelektroden. Das Substrat wird demgemäß bei einer Temperatur oberhalb etwa 250°C in einem Argongas mit niedrigem Druck geheizt und der Platinfilm bei dieser Tempera tur auf die Oberfläche gesputtert. Solche Filme zeigen einen spezifischen Widerstand, der nur das 1,3- bis 1,5-fache des spezifischen Widerstands von massivem Platin (10 Mikroohm . cm) beträgt, ohne ein Glühen bzw. Tempern in Luft bei 750°C zu benötigen, wie es bei anderen Verarbeitungsverfahren für Platinfilme typisch ist. Der so abgelagerte Platinfilm, der sich aus diesem Verfahren mit geheiztem Substrat ergibt, hat ebenfalls einen TCR von etwa 0,30%/°C.It is preferred that the platinum metal be heated Tantalum oxide / polyimide / silicon substrate is sputtered. This Process improves specific electrical resistance the final platinum electrodes. The substrate becomes accordingly at a temperature above about 250 ° C in an argon gas heated to low pressure and the platinum film at this tempera sputtered onto the surface. Such films show you resistivity that is only 1.3 to 1.5 times that of specific resistance of solid platinum (10 microohm. cm) without annealing or annealing in air at 750 ° C need, as with other processing methods for Platinum films is typical. The platinum film so deposited, the results from this process with a heated substrate also a TCR of about 0.30% / ° C.

Die Haftung des Platins an der Tantaloxidschicht und die Haftung der Tantaloxidschicht an der Polyimidschicht sind aus gezeichnet. In diesem Verarbeitungsstadium weist die Silizium scheibe aufeinanderfolgende, sich dazu entsprechend erstrec kende Beschichtungen aus Polyimid, Tantaloxid und Platin auf.The adhesion of the platinum to the tantalum oxide layer and the The tantalum oxide layer adheres to the polyimide layer drawn. At this stage of processing, the silicon slice consecutive, first accordingly coating made of polyimide, tantalum oxide and platinum.

Die elektrischen Eigenschaften des Platinfilms können nun genau bestimmt werden, indem man lange schmale Streifen von dem sich dazu entsprechend erstreckenden Film definiert, um so das Heizelement 18 bzw. die Thermistorelemente 20 und 22 aus Platin zu bilden. Der Platinfilm soll so gemustert werden, daß das Heizelement 18 eine Länge von etwa einem Millimeter und eine Breite von etwa 50 Mikrometer aufweist. Die Thermistorelemente 20 und 22 sind typischerweise etwa 850 Mikrometer lang und 9 Mikrometer breit. Ein Beispiel einer geeigneten Lücke zwischen der Heizvorrichtung 18 und den Thermistorstreifen 20, 22 ist etwa 50 Mikrometer. Das photolithographische Mustern von Platinfilmen wird unter Verwendung einer geeigneten Positiv- Photolackmaske erreicht, um die Heizstreifen und die Ther mistorstreifen wie beschrieben zu definieren. Ein Ätzmittel, das so zusammengesetzt ist, daß es drei Teile konzentrierte Salzsäure und einen Teil konzentrierte Salpetersäure aufweist, wird Platin ätzen, ohne den Photolack anzugreifen. Die Säuremischung wird auf eine Temperatur im Bereich von etwa 90°C bis 95°C geheizt. Die Farbe der Mischung ändert sich von Tiefrot zu Gelb, und die Mischung wird durch 0,20 Mikrometer Platin in 30 bis 40 Sekunden ätzen. Hochauflösungsmuster mit einer Linienbreite von weniger als 5 Mikrometer können unter Verwendung eines herkömmlichen Positiv-Photolacks ohne Schwierigkeit definiert werden.The electrical properties of the platinum film can now be determined precisely by defining long narrow strips of the correspondingly extending film so as to form the heating element 18 or the thermistor elements 20 and 22 from platinum. The platinum film is to be patterned such that the heating element 18 has a length of approximately one millimeter and a width of approximately 50 micrometers. The thermistor elements 20 and 22 are typically about 850 microns long and 9 microns wide. An example of a suitable gap between heater 18 and thermistor strips 20 , 22 is about 50 microns. The photolithographic patterning of platinum films is accomplished using an appropriate positive resist mask to define the heating strips and the thermistor strips as described. An etchant composed of three parts concentrated hydrochloric acid and one part concentrated nitric acid will etch platinum without attacking the photoresist. The acid mixture is heated to a temperature in the range of about 90 ° C to 95 ° C. The color of the mixture changes from deep red to yellow, and the mixture will etch through 0.20 microns of platinum in 30 to 40 seconds. High resolution patterns with a line width of less than 5 microns can be defined using a conventional positive resist without difficulty.

Sind die Platinstreifen einmal gebildet, wird die Leitfä higkeit der verbleibenden Tantaloxidschicht 16 ein Problem, weil das Platinätzmittel die Unterschicht 16 nicht entfernt. Die Unterschicht aus Tantaloxid kann oxidiert werden, um eine isolierende Stöchiometrie zu erhalten oder sicherzustellen. Dies wird erreicht oder verbessert durch Glühen oder Tempern der geätzten Scheibe in Luft bei etwa 240°C, um die Unterschicht zu einem elektrischen Isolator thermisch zu oxidieren. Dieses Glühen in Luft wird einzelne Schaltungen isolieren, falls die Stöchiometrie der Unterschicht leitfähig ist. Der TCR des so abgelagerten Pt wird jedoch durch eine Ta reiche Unterschicht verringert werden.Once the platinum strips are formed, the conductivity of the remaining tantalum oxide layer 16 becomes a problem because the platinum etchant does not remove the underlayer 16 . The tantalum oxide underlayer can be oxidized to maintain or ensure insulating stoichiometry. This is accomplished or improved by annealing or annealing the etched wafer in air at about 240 ° C to thermally oxidize the underlayer to an electrical insulator. This glow in air will isolate individual circuits if the stoichiometry of the underlayer is conductive. However, the TCR of the Pt thus deposited will be reduced by a Ta-rich underlayer.

Die Aufbringung eines zweiten Metalls (z. B. Gold) auf die Oberfläche der nicht kritischen Flächen, um den Widerstand der Gesamtschaltung zu verringern, ist wünschenswert. Druck- oder verdrahtete Kontakte bis zu einer Gesamtdicke, die gerade größer als die der Platinstreifen (18, 20 und 22) ist, sind zuverlässiger. Folglich werden Kontaktflecken aus Gold (24 in Fig. 1) gebildet. Au kann typischerweise durch Elektroplattie ren, Verdampfen oder Sputtern einer bis zu 2 µm dicken Schicht und anschließendes Wegätzen von unerwünschtem Au unter Verwen dung einer Standardmaske und einer Goldätze verarbeitet werden.The application of a second metal (e.g. gold) to the surface of the non-critical areas in order to reduce the resistance of the overall circuit is desirable. Pressure or wired contacts up to a total thickness just larger than that of the platinum strips ( 18 , 20 and 22 ) are more reliable. As a result, gold pads ( 24 in FIG. 1) are formed. Au can typically be processed by electroplating, evaporation or sputtering a layer up to 2 µm thick and then etching away unwanted Au using a standard mask and gold etching.

Man stellt fest, daß der Schichtaufbau aus Polyimid/Tantal oxid/Platin des in Fig. 1 veranschaulichten Meßfühlers eine Vorrichtung schafft, die in Luft bis zu Temperaturen von an nähernd 350°C stabil ist. Somit schafft die Grenzschicht aus Tantaloxid eine Abfühlvorrichtung, die zur Verwendung in Kraft fahrzeugumgebungen und anderen Umgebungen mit möglicherweise hohen Temperaturen geeignet ist. Diese Basisausführungsform eines Meßfühlers ist eine robuste und stabile Ausführung, die ausgedehnte, genaue und reproduzierbare Messungen eines Luft stroms oder andere wünschenswerte Meßfühlerfunktionen liefern kann.It is found that the layer structure of polyimide / tantalum oxide / platinum of the sensor illustrated in FIG. 1 creates a device which is stable in air up to temperatures of approximately 350 ° C. Thus, the tantalum oxide boundary layer provides a sensing device that is suitable for use in automotive and other high temperature environments. This basic embodiment of a sensor is a robust and stable design that can provide extensive, accurate and reproducible measurements of an air stream or other desirable sensor functions.

In einigen Anwendungen ist eine Isolierung der Meßfühler struktur gegenüber der Umgebung erforderlich, um die Schaltung gegen einen möglichen elektrischen Kurzschluß der Platinstrei fen durch Oberflächenschmutzstoffe, wie z. B. Wasser, zu schützen. Eine Möglichkeit ist das Einkapseln der katalytischen Metallstreifen unter einer dünnen Polymerschicht. Es ist jedoch vorzuziehen, die dünne polymere Passivierungsschicht von den katalytischen Metallstreifen aus den oben dargelegten Gründen zu isolieren. In some applications, insulation is the sensor structure relative to the environment required to complete the circuit against a possible electrical short circuit of the platinum streak fen by surface pollutants such. B. water too protect. One possibility is to encapsulate the catalytic Metal strips under a thin layer of polymer. However, it is prefer the thin polymeric passivation layer from the catalytic metal strips for the reasons set out above isolate.

Es folgt eine Beschreibung eines passivierten Meßfühlers gemäß der Erfindung und eines Verfahrens zu dessen Herstellung. Es wird auf Fig. 2 verwiesen, in der ein passivierter Meßfühler 110 teilweise weggebrochen und im Querschnitt veranschaulicht ist, wobei einige Schichten teilweise mit strichpunktierter Kontur dargestellt sind.The following is a description of a passivated sensor according to the invention and a method for its production. Reference is made to FIG. 2, in which a passivated sensor 110 is partially broken away and illustrated in cross-section, some layers being partially shown with a dash-dotted contour.

Zu Veranschaulichungszwecken kann der Aufbau des passivier ten Meßfühlers mit einer Trägerschicht 112 aus einer Silizium scheibe beginnen, die im wesentlichen die gleiche wie die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform eines nicht passivierten Meßfühlers ist. Die Polyimidschicht 114 wird wie oben beschrie ben auf die Oberfläche der Siliziumscheibe aufgebracht, und eine Tantaloxidschicht 116 wird ebenfalls wie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben durch reaktives Sputtern gebildet.For illustration purposes, the construction of the passivated sensor can begin with a carrier layer 112 made of a silicon wafer, which is essentially the same as the embodiment of a non-passivated sensor shown in FIG. 1. The polyimide layer 114 is applied to the surface of the silicon wafer as described above, and a tantalum oxide layer 116 is also formed by reactive sputtering as described in connection with FIG. 1.

Die passivierte Struktur ist soweit die gleiche wie die der in Fig. 1 veranschaulichten, nicht passivierten Struktur. Auf der Oberseite der Tantaloxidschicht 116 werden ein Platinfilm- Heizelement 118 und Platinfilm-Thermistorelemente 120 und 122 getragen. Die Abmessungen dieser jeweiligen Platinelemente sind geeigneterweise die gleichen wie diejenigen, die in Verbindung mit der nicht passivierten Struktur von Fig. 1 beschrieben wurden. Über den Platinfilmelementen liegen sich dazu entspre chend erstreckende Schichten aus Tantaloxid 126. Die Platin- Metallisierschicht und die jeweiligen darüberliegenden Tantal oxidschichten bedeckt eine Polyimidschicht 128, die im wesent lichen die gesamte Oberfläche der Vorrichtung bedeckt. Die Dicke dieser Polyimidschicht ist vorzugsweise geringer als ein Mikrometer, weil ihr Zweck ist, die Thermistoren 120 und 122 aus Platin chemisch, nicht aber thermisch zu isolieren. Schließlich und wahlweise kann eine dünne Beschichtung aus Tantaloxid 130 über der Polyimidschicht 128 aufgebracht werden, um sie während einer Verarbeitung und vor oxidierenden Atmos phären zu schützen. In der Tantaloxidschicht 130 und der Poly imidschicht 128 werden Löcher 132 geöffnet, um die Bildung von über den Endabschnitten der Heizvorrichtung 118 aus Platin und Thermistoren 120 und 122 aus Platin liegenden Goldkontakt körpern 124 zu gestatten.The passivated structure is so far the same as that of the non-passivated structure illustrated in FIG. 1. A platinum film heating element 118 and platinum film thermistor elements 120 and 122 are carried on top of the tantalum oxide layer 116 . The dimensions of these respective platinum elements are suitably the same as those described in connection with the non-passivated structure of FIG. 1. There are accordingly corresponding layers of tantalum oxide 126 above the platinum film elements. The platinum metallization layer and the respective overlying tantalum oxide layers cover a polyimide layer 128 which essentially covers the entire surface of the device. The thickness of this polyimide layer is preferably less than one micrometer because its purpose is to chemically, but not thermally, isolate the platinum thermistors 120 and 122 . Finally, and optionally, a thin coating of tantalum oxide 130 can be applied over the polyimide layer 128 to protect it during processing and from oxidizing atmospheres. Holes 132 are opened in the tantalum oxide layer 130 and the polyimide layer 128 in order to allow the formation of gold contact bodies 124 lying over the end sections of the heating device 118 made of platinum and thermistors 120 and 122 made of platinum.

Wie oben festgestellt wurde, beginnt die Herstellung der passivierten Vorrichtung geeigneterweise mit einer Silizium scheibe und umfaßt die Aufbringung der Polyimidschicht und Tantaloxidschichten, wie oben in Verbindung mit der Herstellung der nicht passivierten Vorrichtung beschrieben wurde. Ein Platinfilm mit einer Dicke in der Größenordnung von 100 bis 300 Nanometer wird dann wie oben beschrieben gebildet. Bevor der Platinfilm in das Heizelement 118 und die Thermistorelemente 120, 122 gemustert wird, wird jedoch ein Tantaloxidfilm gänz lich über der Platin-Metallisierung gebildet. Die Dicke dieses Tantaloxidfilms beträgt geeigneterweise etwa 100 Nanometer oder weniger. Im Gegensatz zur Unterschicht aus Tantaloxid (d. h. unter den Meßfühlerstreifen 118, 120 und 122 aus Platin ge legen) soll der darüberliegende Tantaloxidfilm 126 so gemustert werden, daß er mit den Platinstreifen 118, 120, 122 überein stimmt. Das Ätzen des Tantaloxidfilms geht am besten vonstat ten, falls er noch nicht in Luft zur endgültigen Umwandlung in einen elektrischen Isolator geglüht oder getempert worden ist.As stated above, the manufacture of the passivated device suitably begins with a silicon wafer and includes the application of the polyimide layer and tantalum oxide layers, as described above in connection with the manufacture of the non-passivated device. A platinum film with a thickness on the order of 100 to 300 nanometers is then formed as described above. Before the platinum film is patterned into the heating element 118 and the thermistor elements 120 , 122 , however, a tantalum oxide film is formed entirely over the platinum metallization. The thickness of this tantalum oxide film is suitably about 100 nanometers or less. In contrast to the lower layer made of tantalum oxide (ie ge under the sensor strips 118 , 120 and 122 made of platinum), the overlying tantalum oxide film 126 should be patterned so that it matches the platinum strips 118 , 120 , 122 . The tantalum oxide film is best etched if it has not yet been annealed or annealed in air for final conversion to an electrical insulator.

Das Verfahren zum Herstellen einer Tantaloxidschicht, die einfach geätzt und gemustert werden kann, ist von dem zum Her stellen der Unterschicht aus Tantaloxid 116 verschieden. Ein niedrigerer Sauerstoffpartialdruck (geeigneterweise etwa 0,5 mTorr) wird am Beginn des Schritts für das reaktive Sputtern verwendet. Während des Sputterns beobachtet man einen Abfall des Gesamtkammerdrucks wie während der oben beschriebenen Bil dung einer Unterschicht aus Ta₂O₅, aber der Druck nimmt nicht wieder wie in dem Augenblick zu, als der höhere O₂-Druck ver wendet wurde. Der niedrigere Sauerstoffdruck erzeugt Tantal oxid, das auf der tantalreichen Seite der Ta₂O₅-Stöchiometrie erscheint und zum Mustern leichter zu ätzen ist.The process of making a tantalum oxide layer that is easy to etch and pattern is different from that of making the tantalum oxide 116 underlayer. A lower partial pressure of oxygen (suitably about 0.5 mTorr) is used for the reactive sputtering step. A drop in the total chamber pressure is observed during sputtering as during the formation of a Ta ₂ O ₅ underlayer described above, but the pressure does not increase again as at the moment when the higher O ₂ pressure was used. The lower oxygen pressure produces tantalum oxide, which appears on the tantalum-rich side of the Ta ₂ O ₅ stoichiometry and is easier to etch for patterning.

Das Mustern des Tantaloxids wird unter Verwendung einer normalen Positiv-Photolackmaske mit einer Ätzmittellösung aus einem Teil Salzsäure, drei Teilen Salpetersäure und fünf Teilen vollentsalztes Wasser erreicht. Dieses Ätzmittel wird geeig neterweise das Tantaloxid mit der richtigen Stöchiometrie, das aber nicht oxidiert ist, ohne einen übermäßigen Angriff auf den Maskenphotolack ätzen. Wie angegeben, stimmt das Muster der Überlagerungsschichten aus Tantaloxid mit dem Muster des an schließend definierten (geätzten) Heizelements 118 aus Platin und der Thermistorelemente 120 und 122 aus Platin überein, wobei das Ta₂O₅ als eine Pt-Ätzmaske verwendet wird. Wie in Fig. 2 veranschaulicht ist, stimmt die Konfiguration der dar überliegenden Tantaloxidschichten 126 genau mit der darunter liegenden Platin-Metallisierung überein. In diesem Prozeßstadi um wird dann das Tantaloxid in Luft nahe 240°C geglüht, um eine Ta₂O₅-Zusammensetzung und Umwandlung in ein geeignetes elek trisches Isolatormaterial sicherzustellen. Gold kann dann gleichmäßig auf die gesamte Scheibe abgelagert und gemustert werden, um nur das freigelegte Platinmetall mit dieser Neben schluß- und Bond-Metallisierschicht zu bedecken.Patterning of tantalum oxide is accomplished using a normal positive resist mask with an etchant solution of one part hydrochloric acid, three parts nitric acid, and five parts deionized water. This etchant will suitably etch the tantalum oxide with the correct stoichiometry, but which is not oxidized, without excessive attack on the mask photoresist. As indicated, the pattern of the tantalum oxide overlay layers matches the pattern of the subsequently defined (etched) platinum heating element 118 and the platinum thermistor elements 120 and 122 , using the Ta ₂ O ₅ as a Pt etch mask. As illustrated in FIG. 2, the configuration of the overlying tantalum oxide layers 126 exactly matches the underlying platinum metallization. In this process stage, the tantalum oxide is then annealed in air near 240 ° C to ensure a Ta ₂ O ₅ composition and conversion to a suitable electrical insulator material. Gold can then be deposited evenly on the entire disc and patterned to cover only the exposed platinum metal with this shunt and bond metallization layer.

Eine dünne Polyimidschicht 128 (< 1 µm) wird dann über den Meßfühlerstreifen aus Tantaloxid/Platin gebildet, und wahlweise wird über der Polyimidschicht 128 eine letzte, sehr dünne Schicht (< 30 Nanometer) aus Tantaloxid 130 durch reaktives Sputtern wie beschrieben für die darüberliegende Schicht gebildet, um ein Mustern zu gestatten. In das Tantaloxid und darunterliegende Polyimid werden dann Löcher 132 geätzt, um die Goldkontaktflecke 124 freizulegen. Diese Goldkontaktschichten werden, wie oben beschrieben ist, zu einer Schicht mit einer Dicke von einem bis zwei Mikrometer gebildet.A thin polyimide layer 128 (<1 µm) is then formed over the tantalum oxide / platinum sensor strip, and optionally a last, very thin layer (<30 nanometers) of tantalum oxide 130 is formed over the polyimide layer 128 by reactive sputtering as described for the overlying layer formed to allow patterning. Holes 132 are then etched into the tantalum oxide and underlying polyimide to expose the gold pads 124 . As described above, these gold contact layers are formed into a layer with a thickness of one to two micrometers.

Man stellt fest, daß eine Aufbringung einer Polyimidbe schichtung direkt auf die Oberseite der Heiz- oder Thermistor streifen aus Platin die Zersetzung dieser Passivierungsschicht aus Polyimid ohne die zwischengelegte Überlagerungsschicht aus Tantaloxid nicht geeignet verhindert.It is found that application of a polyimide layering directly on top of the heating or thermistor strip the decomposition of this passivation layer from platinum made of polyimide without the interposed overlay layer Tantalum oxide not adequately prevented.

Die strukturelle und elektrische Integrität der bevorzugten Ausführungsform, wie in Fig. 2 beschrieben, ist ausgezeichnet. Solch eine (von oben nach unten definierte) Struktur aus Tantaloxid/Polyimid/Tantaloxid/Platin/Tantaloxid/Polyimid und Silizium ist für die Dauer von 16 Stunden bei 300°C und zu sätzlichen zwei Stunden bei 350°C geglüht worden. Trotz dieses strengen Test war keine signifikante Änderung in der Breite oder Höhe der Platinstreifen oder irgendeines anderen Elements der Struktur sichtbar. Man stellt fest, daß die Struktur in Luft bis zu 300°C elektrisch stabil ist. Weil sie bei den meisten kraftfahrzeugtechnischen Anwendungen keinen Tempera turen ausgesetzt sind, die höher als etwa 275°C sind, betrach tet man die passivierte Struktur für solch schwierige Umge bungen als geeignet.The structural and electrical integrity of the preferred embodiment as described in Figure 2 is excellent. Such a structure (defined from top to bottom) of tantalum oxide / polyimide / tantalum oxide / platinum / tantalum oxide / polyimide and silicon has been annealed for 16 hours at 300 ° C and for an additional two hours at 350 ° C. Despite this rigorous test, no significant change in the width or height of the platinum strips or any other element of the structure was visible. It is found that the structure is electrically stable in air up to 300 ° C. Because they are not exposed to temperatures higher than about 275 ° C in most automotive applications, the passivated structure is considered suitable for such difficult environments.

Zusammenfassend stellt man fest, daß die oben beschriebene Kombination einer getragenen Polyimidschicht, die von Meß fühlerelementen aus Platin durch eine zwischengelegte Schicht aus Tantaloxid getrennt ist, eine strukturell stabile und elektrisch stabile Abfühlvorrichtung schafft. In Situationen, in denen der Meßfühler wahrscheinlich auf elektrisch leitfähige Fluide trifft, wie z. B. Wasser, was einen elektrischen Kurz schluß verursachen kann, wird bevorzugt, dünne Passivierungs schichten aus Tantaloxid und Polyimid über den Meßfühlerelemen ten aus Platin aufzubringen.In summary, it is found that the one described above Combination of a worn polyimide layer, made by Mess Platinum sensor elements through an interposed layer is separated from tantalum oxide, a structurally stable and creates electrically stable sensing device. In situations in which the probe is likely to be electrically conductive Fluids, such as B. water, which is an electrical short In conclusion, thin passivation is preferred layers of tantalum oxide and polyimide over the sensor elements platinum.

Wie oben beschrieben ist, wird bevorzugt, das Tantaloxid und das Platin durch eine Sputterablagerung auf eine geheizte Polyimidoberfläche aufzubringen. Dieses Verfahren erzeugt Platinfilme mit besseren und stabileren TCR-Eigenschaften. Weil die Platinablagerung nur in Argon stattfindet, wird das Poly imid/Tantaloxid-Substrat für die Platinablagerung auf Tempera turen oberhalb 250°C geeignet geheizt. Schließlich ist es wün schenswert, wie auch oben gelehrt wurde, die Überlagerungs schichten aus Tantaloxid in Luft bei einer Temperatur nahe etwa 240°C zu glühen, um eine vollständige Oxidation und Ta₂O₅- Stöchiometrie zu bestätigen oder sicherzustellen.As described above, it is preferred to sputter deposit the tantalum oxide and platinum onto a heated polyimide surface. This process creates platinum films with better and more stable TCR properties. Because the platinum deposit only takes place in argon, the polyimide / tantalum oxide substrate is suitably heated to temperatures above 250 ° C for the platinum deposit. Finally, as also taught above, it is desirable to anneal the overlay layers of tantalum oxide in air at a temperature close to about 240 ° C to confirm or ensure complete oxidation and Ta ₂ O ₅ stoichiometry.

Die Erfindung ist somit auf eine Meßfühlervorrichtung aus Trägerschicht/Polyimidschicht/Tantaloxidschicht/Platinstreifen gerichtet. Es gibt jedoch auch andere geschichtete Strukturen mit einer getragenen polymeren thermischen (oder elektrischen) Isolierschicht und einer Metallschicht (die gewöhnlich nach elektrischem Widerstand, magnetischen Eigenschaften oder der gleichen ausgewählt wird), in der die Metallschicht in be stimmten Betriebsbedingungen und Umgebungen eine Verschlech terung der Polymerschicht verursacht. Solche Metalle werden gewöhnlich die Edelmetalle, z. B. Pt oder Pd, oder Metalle, wie z. B. Cr, Ni oder Fe, sein, die unter gewissen Bedingungen als ein Polymer verschlechternde Katalysatoren wirken können. In diesen Situationen läßt sich auch eine geeignete Metalloxid schicht, z. B. Ta₂O₅, Al₂O₃ oder Cr₂O₃, zwischen die Polymer- und Metallschichten legen. Solch eine Oxidschicht schafft eine Barriere gegen eine durch Metall katalysierte Verschlechterung oder Zersetzung des Polymers und eine elektrischen Isolierung, wo nötig.The invention is thus directed to a sensor device comprising a carrier layer / polyimide layer / tantalum oxide layer / platinum strip. However, there are other layered structures with a supported polymeric thermal (or electrical) insulating layer and a metal layer (usually selected for electrical resistance, magnetic properties, or the like) in which the metal layer deteriorates in certain operating conditions and environments Polymer layer caused. Such metals are usually the precious metals, e.g. B. Pt or Pd, or metals, such as. B. Cr, Ni or Fe, which can act as a polymer deteriorating catalysts under certain conditions. In these situations, a suitable metal oxide layer, e.g. B. Ta ₂ O ₅ , Al ₂ O ₃ or Cr ₂ O ₃ , between the polymer and metal layers. Such an oxide layer creates a barrier against metal-catalyzed deterioration or decomposition of the polymer and electrical insulation where necessary.

Claims

1. Thin-film sensor arrangement ( 10 ) with a thermally and electrically insulating polyimide layer ( 14 ) carried by a substrate ( 12 ), a tantalum oxide layer ( 16 ) on the polyimide layer ( 14 ) and electrically conductive platinum metallization elements ( 18 , 20 , 22) on the tantalum oxide layer (16), wherein the tantalum oxide layer (16) extends in the region with the platinum Metallisierungselementen (18, 20, 22) and a barrier against a platinum-catalyzed thermal degradation of the polyimide layer (14) and an electrical Insulation between the platinum metallization elements ( 18 , 20 , 22 ) creates.

2. Thin film sensor arrangement ( 10 ) according to claim 1, characterized in that during the application of the platinum for the platinum metallization elements ( 18 , 20 , 22 ) the tantalum oxide layer ( 16 ) and the polyimide layer ( 14 ) at a temperature above 250 ° C were held.

3. Thin film sensor arrangement ( 10 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the tantalum oxide layer ( 16 ) consists essentially of Ta ₂ O ₅ .

4. Thin-film sensor arrangement ( 110 ) according to one of claims 1 to 3, with a tantalum oxide top layer ( 126 ) on the platinum metallization elements ( 118 , 120 , 122 ), which extends over these, their shape accordingly.

5. Thin-film sensor arrangement according to claim 4, with a polyimide layer ( 128 ) on the tantalum oxide top layer ( 126 ).