Dünnschicht-Widerstand
Die Erfindung betrifft einen Dünnschicht-Widerstand mit einer nichtleitenden Unterlage, einem Paar räumlich getrennten Kontakten und einem Dünnschicht-Widerstandselement, das von der Unterlage getragen ist. Somit wird ein Widerstandsweg zwischen den Kontakten geschaffen dessen Eigenart und Besonderheit gegenüber normalem Tantal in der schweizerischen Patentschrift Nr.
471 902 erläutert sind.
In der Dünnschicht-Widerstandstechnik sind temperaturstabile Widerstandselemente mit hohem spezifischem Widerstand sehr erwünscht.
Die Temperaturstabilität bezieht sich auf den Wechsel im Widerstand, den ein Widerstandselement als Folge eines Temperaturwechsels erfährt. Wenn ein Widerstandselement einen geringen Temperaturkoeffizienten des Widerstands hat, so erfährt das Element keine grosse.
Schwankung des Widerstands beim Wechsel der Temperatur.
Der Widerstandswert eines Widerstandselements ist von seinen physikalischen Dimensionen und seinem spezifischen Widerstand bestimmt. Wenn ein Widerstandselement einen hohen spezifischen Widerstand hat, so sind für einen gegebenen Widerstandswert kleinere physikalische Dimensionen erforderlich. Dies gestattet eine stärkere Miniaturisierung von Dünnschicht-Schaltungen.
Forschungen haben ergeben, dass Tantal, nachstehend Beta-Tantal geschrieben, obwohl von gleicher Bruttozusammensetzung wie normales Tantal, einen unerwartet kleinen Temperaturkoeffizienten des Widerstands und einen hohen spezifischen Widerstand besitzt.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es daher einen verbesserten - Dünnschicht-Widerstand bereitzustellen, dessen Widerstandselement sehr temperaturstabil ist und einen hohen spezifischen Widerstand aufweist.
Der erfindungsgemässe Dünnschicht-Widerstand mit einer nichtleitenden Unterlage, einem Paar räumlich getrennten Kontakten und einem Dünnschicht-Widerstandselement, das von der Unterlage getragen und geformt wird um einen Widerstandsweg von vorbestimmtem Wert zwischen den Kontakten zu schaffen, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandselement aus Beta-Tantal besteht.
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Dünnschicht-Widerstands werden anhand der Zeichnung näher beschrieben.
Fig. list eine perspektivische Ansicht eines Dünnschicht-Widerstandselements.
Fig. 2 ist ein vergrössertes perspektivisches Schnittbild und aus Fig. 1 längs der Linien 2-2 herausgenommen.
Beta-Tantal wird von normalem Tantal leicht durch seine Kristallstruktur unterschieden, die beispielsweise durch Röntgenstrahlen-Beugungstechnik beobachtet werden kann.
Ein Röntgenstrahlen-Beugungsmuster für ein gegebenes Material wird nach üblicher Bezeichnung durch eine Aufstellung der d-Abstände des Materials nach abnehmender Grössenordnung wiedergegeben, die gewöhnlich in Ängström-Einheiten ausgedrückt werden.
Wie wohl bekannt ist, rührt der Ausdruck d-Abstand vom Bragg'schen Gesetz X = 2d sin 0 her, wobei X die Wellenlänge der von parallelen Netzebenen des Kristalls reflektierten Strahlung ist, (3 der Einfalls- (oder Reflexions-) Winkel der Strahlung und d die Distanz zwischen parallelen Netz-Ebenen des Kristalls.
Da jedes kristalline Material ein charakteristisches Röntgenstrahlen-Beugungsmuster besitzt, gestattet der Vergleich des Beugungsmusters eines unbekannten Materials mit dem Beugungsmuster bekannter Materialien, wie sie in veröffentlichten Pulver-Aufnahmen aufgeführt sind, die qualitative Identifizierung des unbekannten Materials.
Da Beta-Tantal ein eigenes Röntgenstrahlen-Beugungsmuster besitzt, gestattet die Anwendung dieser Technik die positive Identifizierung des Beta-Tantals. (Das Werk) Röntgenstrahlen Metallographie von A. Taylor, erschienen 1961 bei John Wiley and Sons, Inc., Seite 154 bis 158 und 160 bis 161 bespricht Röntgenstrahlen-Beugungsmuster und ihren Wert als einzigartigen Hinweis zur Material-Identifizierung.
Tabelle I führt alle d-Abstände auf, die für Tantal beobachtet worden sind.
Tabelle I dA dA dA
5,38 2,15 1,37
4,75 2,06 1,332
2,80 1,96 1,29
2,67 1,77 1,240
2,62 1,59 1,210
2,49 1,56 1,172
2,36 1,53 1,10
2,32 1,46 1,03
2,25 1,442 1,01
2,21 1,405
Die d-Abstände in Tabelle I sind eine Zusammenstellung der nach verschiedenen Techniken beobachteten d-Abstände. Alle aufgeführten d-Abstände sind durch direkte Messungen an Filmen beobachtbar, die einer Röntgenstrahlung exponiert wurden, die an einem Muster Beta Tantal gestreut wurde. Es können verschiedene Techniken bei der Exposition der Filme benutzt werden, an denen die direkten Messungen gemacht werden. Beispielsweise kann das Muster stationär bleiben, während der Film exponiert wird oder das Muster kann schwingen. Eine grosse Anzahl der aufgeführten d-Abstände können durch die Diffraktometer-Technik erhalten werden.
Untersuchungen an Beta-Tantal durch Elektronen-Beugung bestätigen gleichfalls viele der in Tabelle I aufgeführten d-Abstände.
In Tabelle II sind d-Abstände aufgeführt, die als besonders genau angesehen werden. Diese besonderen d-Abstände werden von zwei oder mehreren Techniken bestätigt.
Tabelle II dA dA dÄ
5,38 2,15 1,240
4,75 2,06 1,210
2,67 1,77 1,172
2,49 1,442
2,36 1,405
2,32 1,332
In der schweizerischen Patentschrift Nr. 471 902 wird die Zusammensetzung von Beta-Tantal mit der von normalem Tantal verglichen. Die Ergebnisse dieses Vergleichs zeigen an, dass kein grosser zusammensetzungsmässiger Unterschied zwischen Beta-Tantal und normalem Tantal besteht. Die Forschung hat jedoch gezeigt, dass Beta-Tantal bestimmte sehr brauchbare Eigenschaften hat, die normalem Tantal nicht zukommen.
Beispielsweise ist der spezifische Widerstand von Beta Tantal, wie entdeckt wurde, beinahe eine Grössenordnung höher, als der spezifische Widerstand von normalem Tantal. Normales Tantal in Stückform hat einen spezifischen Widerstand von annähernd 12 Mikro-Ohm/cm. In Dünnschicht-Filmen von normalem Tantal ist der beobachtete spezifische Widerstand etwa grösser als der von Tantal in Stückform und variiert zwischen 24 bis 50 Mikro-Ohm/cm.
Dünnschicht-Filme aus Beta-Tantal haben jedoch einen spezifischen Widerstand von wenigstens 160 Mikro ohmlcm. Wenn die in der weiter oben erwähnten Patentschrift Nr. 471 902 dargelegten Zerstäubungsbedingungen benutzt werden, um einen Beta-Tantalfilm in einer Reihen Vakuummaschine niederzuschlagen, liegt der Widerstand des abgeschiedenen Beta-Tantals im Bereich von 160 bis 280 Mikro-ohm/cm. Es sind jedoch unter abweichenden Zerstäubungsbedingungen viel höhere Werte beobachtet worden.
Darüber hinaus wurde entdeckt, dass Beta-Tantal einen Temperaturkoeffizienten des Widerstands hat, der weit kleiner ist, als der des normalen Tantals. Normales Tantal in Stückform hat einen Widerstands-Temperaturkoeffizienten von +0,0037 bis +0,0038 je Grad Celsius Temperaturwechsel, oder, in anderer Bezeichnungsweise, der Temperaturkoeffizient ändert sich von +3700 bis +3800 Teile je Million je Grad Celsius (ppml"C). Benutzt man die letztere Bezeichnungsweise, so haben Dünnschichten aus normalem Tantal einen Widerstands-Temperaturkoeffizienten der von +500 bis +1000 ppml"C schwankt. Es sind jedoch Dünnschichten aus Beta-Tantal beobachtet worden, deren Widerstands-Temperaturkoeffizient von +100 ppm/ C bis -100 ppm/ C schwankt.
In Fig. 1 und 2 ist ein Widerstandselement, allgemein mit Ziffer 11 bezeichnet, dargestellt. Das Widerstandselement 11 umfasst eine nichtleitende Unterlage 13, welche die geformten Widerstandswege 13 bis 15 trägt. Die nichtleitende Unterlage 12 kann aus Glas, aus keramischem Material oder jedem anderen geeigneten Material bestehen. Die Widerstandswege 13 bis 15 können jede geeignete Form haben. Beispielsweise stellt der Widerstandsweg 13 eine gerade Linie dar, während die Widerstandswege 14 und 15 gewundene Formen besitzen.
Wie bekannt, ist der Widerstandswert eines gegebenen Elements eine Funktion seiner physikalischen Abmessungen und des spezifischen Widerstands seines Widerstandsweges. Diese Beziehung kann durch die Formel R = p llwt ausgedrückt werden, in der R den Widerstandswert, p den spezifischen Widerstand, 1 die Länge, t die Dicke und w die Breite des Widerstandswegs darstellt.
Beispielsweise ist der Widerstandswert R eines Widerstandselements aus normalem Tantal mit einem spezifischen Widerstand p von 50 Mikro-Ohm/cm, einer Länge 1 von 9 cm, einer Dicke t von 2000 AE (2,0 x 105 cm) und einer Breite W von 0,015 cm gleich 1500 Ohm. Im Gegensatz hierzu ist der Widerstandswert eines Widerstandselements aus Beta-Tantal mit den gleichen Abmessungen 6000 Ohm, wenn der spezifische Widerstand p 200 Mikro Ohm/cm ist. Demgemäss ist ein Beta-Tantal-Dünnschicht Widerstands element mit dem gleichen Widerstandswert wie ein Dünnschicht-Widerstandselement aus normalem Tantal in seinem physikalischen Umfang bedeutend kleiner.
Darüber hinaus haben Widerstandselemente aus Beta Tantal eine geringere Änderung des Widerstandswertes bei Schwankungen der Temperatur. Der Wechsel im Widerstandswert AR wird durch die Formel AR = aRAT ausgedrückt, in der a der Temperatur-Koeffizient des Widerstandes, R der Widerstand bei einer willkürlichen Basis-Temperatur und AT die Temperaturänderung dieser Basis-Temperatur ist. Wo die Basis-Temperatur zu 0 "C gewählt wird, ist AT einfach die Temperatur des Widerstandselements.
Beispielsweise ist der Wechsel des Widerstandswertes AR eines Widerstandselements von 5000 Ohm aus normalem Tantal mit einem Temperatur-Koeffizienten des Widerstandes a von +500 ppm/ C gleich 250 Ohm für eine Temperaturänderung AT von 100 "C. Im Gegensatz hierzu ist die Änderung des Widerstandswertes AR eines Widerstandselements von 5000 Ohm aus Beta-Tantal mit einem Widerstands-Temperatur-Koeffizienten a von +100 ppm/ C nur 50 Ohm für einen Temperaturwechsel AT von 100 0C. Dementsprechend sind Dünnschicht-Widerstandselemente aus Beta-Tantal wesentlich temperaturstabiler, als die aus normalem Tantal.
Da der Widerstandswert von Widerstandselementen eine Funktion ihrer physikalischen Abmessung ist, ist es notwendig, dem Widerstandsweg eine geeignete Form zu geben, um einen gewünschten Widerstandswert zu erreichen. Eine sehr gut geeignete Technik zur Formung eines Widerstandsweges aus Beta-Tantal besteht in der Abscheidung eines kontinuierlichen Films aus Beta-Tantal auf einer nichtleitenden Unterlage. Die Zerstäubungsbedingungen sind in der oben erwähnten Patentschrift Nr.
471 902 zur Abscheidung eines solchen kontinuierlichen Films aus Beta-Tantal auf einer Unterlage in einer Reihen Vakuumvorrichtung dargelegt. Der abgeschiedene Beta Tantal-Film ist ein anhaftender, gleichmässiger Film, der für die Herstellung von Widerstandselementen geeignet ist.
Die Dicke des kontinuierlichen Films kann durch die Zeitspanne kontrolliert werden, während der die Unterlage einer Zerstäubung ausgesetzt wird. Um einen Widerstandsweg aus einem kontinuierlichen Film mit der gewünschten Dicke zu bilden, ist es lediglich notwendig, den Widerstandsweg zur gewünschten Länge und Breite aus dem kontinuierlichen Film zu bilden. Dies kann leicht mit der üblichen Fotoätz-Technik durchgeführt werden.
Bei der Erzeugung von Schaltschemen oder in diesem Zusammenhang bei der Formung von Widerstandswegen durch Fotoätzung wird eine lichtempfindliche Emulsion oder Widerstandsschicht auf den kontinuierlichen Film aufgetragen. Die Widerstandsschicht wird dann im Ofen getrocknet, um die Widerstandsschicht in geeigneter Weise zu härten. Die Widerstandsschicht wird anschliessend einer Quelle für ultraviolettes Licht durch eine Maske hindurch ausgesetzt, die ein Negativ des gewünschten Schaltschemas ist. Die exponierten Flächen der Widerstandsschicht werden durch das ultraviolette Licht polymerisiert, um sie gegen den Angriff durch Lösungsmittel und Säuren widerstandsfähig zu machen. Die Widerstandsschicht wird dann in einem Lösungsmittel gespült, welches die nichtexponierte Widerstandsschicht entfernt.
Die Widerstandsschicht wird wieder im Ofen getrocknet, um jegliches Lösungsmittel zu entfernen und die Widerstandsschicht zu härten. Durch Auftragen einer geeigneten Säure auf den kontinuierlichen Film werden diejenigen Gebiete des Films, die von der polymerisierten Widerstandsschicht geschützt sind, auf der Unterlage belassen, während die ungeschützten Schichten von der Säure entfernt werden. Auf diese Art werden Schaltschemen oder wie in diesem Fall geformte Widerstandswege aus einem kontinuierlichen Film gebildet.
Es kann jedes geeignete Schutzmittel verwendet werden, wie etwa KMER (Kodakt Metal Etch Resist) und KPR (Kodak Photo Resist). Eine Mischung von Silan und Toluol ist als Lösungsmittel in Verbindung mit KMER und KPR geeignet. Beta-Tantal wird leicht von einer Mischung aus Salpetersäure und Flusssäure in der gleichen Weise geätzt, in der normales Tantal geätzt wird.
Die wirksamen Abmessungen eines Widerstandselements können anschliessend an die Formgebung eines gewünschten Widerstandsweges noch verringert werden, indem man einen Teil des Widerstandsweges in Oxyd verwandelt. Ein geeignetes Anodisierungs-Verfahren zur Durchführung ist im US-Patent 3 148 129 beschrieben.
Dies Verfahren ist zur Anodisierung von Widerstandselementen aus Beta-Tantal geeignet und gestattet die Herstellung von Widerstandselementen hoher Präzision.
Anschliessend an die Formung der gewünschten Widerstandswege aus dem kontinuierlichen Film werden Metalle auf der Unterlage niedergeschlagen, um die Schaltung fertigzustellen und um Kontaktflächen zum Anheften von Zuleitungen vorzusehen. Die Metalle sollten eine Kombination guter Haftung, hoher Leitfähigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen atmosphärische Oxydation zeigen. Typischerweise wird eine Chromnickel-Legierung direkt auf der Unterlage zwecks guter Haftung niedergeschlagen, gefolgt von einer Kupferschicht für hohe Leitfähigkeit und Lötbarkeit. Schliesslich wird eine Goldschicht aufgetragen, um Widerstand gegen Oxydation vorzusehen.
Diese Metalle können nacheinander durch Aufdampfen durch eine geeignet vorbereitete mechanische Maske hindurch abgeschieden werden.
Die Kontaktkissen 17 bis 19 zeigen, wo diese Metallflächen benutzt werden können. Das Kontaktkissen 17 beendet beispielsweise den Widerstandsweg 13 und schafft eine Fläche, an die die Zuführung 21 angelötet wird. Die Kontaktkissen 18 und 19 beenden die Widerstandswege, um geeignete Flächen für die Anheftung von Zuführungen 21 zu schaffen und die Widerstandswege untereinander zu verbinden. Wie dem Fachmann klar sein wird, kann jede gewünschte Gruppierung von Widerstandswegen vorgesehen werden.
Es kann ferner jede geeignete Technik zur Erzeugung geformter Widerstandswege aus normalem Tantal bei der Formung von Widerstandswegen aus Beta-Tantal benutzt werden. Zum Beispiel kann Beta-Tantal auf einer Unterlage durch eine Maske hindurch abgeschieden werden, die das gewünschte Muster enthält. Dies beseitigt die Notwendigkeit, unerwünschte Teile eines kontinuierlichen Films durch Fotoätz-Technik zu entfernen. Darüber hinaus können Kontakt-Kissen und innere Schaltverbindungen in einem kontinuierlichen Film abgeschieden werden, dem die Entfernung unerwünschter Teile durch die Foto ätztechnik folgt.