DD294590A5 - Verfahren zur herstellung langzeitstabiler nicr-widerstandsschichten fuer erhoehte betriebstemperaturen - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung langzeitstabiler NiCr-Duennschichtwiderstandsschichten, bei denen neben der Einhaltung eines vorgegebenen Wertes vor dem Temperaturkoeffizienten eine hohe Langzeitstabilitaet bei Betriebstemperaturen bis 700 K gefordert wird. Die Aufgabe der Erfindung, derartige Schichten anzugeben, wird dadurch geloest, dasz bei Einhaltung eines spezifischen Widerstandes der NiCr-Schichten im Bereich von 800-1 000 mOhmcm das Ni/Cr-Verhaeltnis des eingesetzten Targets entsprechend der jeweils geforderten Betriebstemperatur angepaszt ist und die Schichten einer isothermen Temperung bei Temperaturen in Hoehe der vorgegebenen spaeteren Betriebstemperatur unterworfen werden.{Duennschichtwiderstandsschichten; NiCr-Widerstaende; Materialzusammensetzung; Temperung; Duennschichtthermodrucker; Thermodrucktechnik}
Description
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung langzeitstabiler NiCr-Widerstandsschichten in Dünnschichttechnik, bei denen neben der Einhaltung eines vorgegebenen Wertes für den Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes eine hohe Stabilität bei Betriebstemperaturen bis 70OK gefordert wird.
Die Langzeitstabilität des Widerstandswertes von Widorstandselementen stellt- unabhängig davon, ob es sich um diskrete Bauelemente oder integrierte Netzwerke handelt - einen der wichtigsten qualitätsbestimmenden Parameter dar. Entsprechend der unterschiedlichen Einsatzbedingungen, bei denen die Widerstcndsanordnungen betrieben werden sollen, unterscheiden sich die jeweiligen Anforderungen an das Stabilitätsverhalten. Während z. B. Präzisionsanwendungen mit Stabilitätsforderungen (zulässige relative Widerstandsänderung) von besser als 0,01 % auf Betriebstemperaturen bis max. 398K oder 428K beschränkt sind, treten andererseits Anwendungsfälle auf, bei denen Betriebstemperaturen bis 700K und mehr vorliegen und Stabilitätswerte im Prozent-Bereich gefordert werden. Ein typisches Beispiel für den letzteren Fall sind Heizelemente für die Thermodrucktechnik, die in Schichtform ausgeführt werden und die wiederholt kurzzeitig auf Spitzentemperaturen um 700 K aufgeheizt werden. Daneben gibt es Schaltungsanordnungen, bei denen die Widerstandselemente - in der Regel impulsförmig - bis zu Temperaturen von z. B. 600K belastet werden. Für den Hersteller derartiger Widerstandsanordnungen erwächst hieraus die Aufgabe, die Schichtsysteme und hier insbesondere die Widerstandsschichten, an die jeweiligen vorgesehenen Einsatzbedingungen anzupassen. So v/erden z.B. zur Realisierung von temperaturstabilen Dünnschicht-Heizelementen für die Thermodrucktechnik spezielle Werkstoffsysteme wie Nitride oder Boride von Metallen (vergl. z. B. US-PS 4.545.881 +?) oder amorphe kohlenstoffhaltige Schichten (DE-OS 3.609.691/DE-OS 3.609.975) entwickelt, die dann jedoch andererseits für Präzisionsanwendungen nicht oder nur begrenzt angewendet werden können.
Ziel der Erfindung
Es ist das Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung langzeitstabiler, reaktivgasenthaltender, gesputterter und mit einer , Passivierungsschicht versehener Ni/Cr-Widerstandsschichten anzugeben, das ohne aufwendige Temperbehandlungen neben der Einhaltung eines Wertes für den Temperaturkoeffizienten um Null eine hohe Langzeitstabilität bei Betriebstemperaturen im Bereich von 540-690 K zu erreichen gestattet.
-2- 294 590 Darlegung des Wesens der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für Dünnschichtwiderstandsschichten anzugeben, das es ermöglicht, auf der Basis reaktiv abgeschiedener NiCr-Widerstandsschichten ohne aufwendige zusätzliche Temperaturbehandlungen neben einen Wert für den Temperaturkoeffizienten um Null gleichzeitig für die jeweils vorgegebene Betriebstemperatur im Bereich von 540-690K eine hohe Langzeitstabilität zu erreichen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei Einhaltung (durch In-situ-Kontrolle) des spezifischen Widerstandes der NiCr-Dünnschichtwiderstandsschichten im Bereich von 800-1 ΟΟΟμΟΙιηηαπ das Ni/Cr-Verhältnis des eingesetzten Targets (das im Falle gesplitterter Schichten der Schichtzusammensetzung der Widerstandsschicht entspricht) entsprechend der jeweils geforderten Betriebstemperatui angepaßt ist, die erhaltenen Widerstandsschichten mit einer passivierenden Abdeckschicht versehen werden und anschließend bei Temperzeiten zwischen 50-100h eine isotherme Temperung der Widerstandsschichten in Höhe der vorgegebenen späteren Betriebstemperatur durchgeführt wird. Die speziell für einzelne Betriebstemperaturintervalle von 540-690K festzulegenden NiCr-Verhältnisse der Targetzusammensetzungen sind den entsprechenden Ansprüchon zu entnehmen.
Für einen Thermodruckkopf soll eine Anordnung mehrerer mit einer isolierenden Abdeckschicht passivierter Heizelemente auf der Basis reaktiv abgeschiedener NiCr-Widerstandsschir.hten hergestellt werden. Der Temperaturkoeffizient im Temperaturintervall (300-400K) soll betragsmäßig 10ppm/K nicht überschreiten, die Langzeitstabilität darf bei Betriebstemperaturen bis 680K Werte in der Größenordnung von ±1 % annehmen. Gemäß beiliegender Tabelle wird entsprechend der vorgegebenen Betriebstemperatur für die NiCr-Schicht eine Targetzusammensetzung von Ni/Cr = 42/58 at% gewählt. Dei der Abscheidung der Schicht mittels reaktivem Hochratesputtern in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre auf glasierte AI2O3-Keramiksubstrate, die auf eine Temperatur von 570 K vorgeheizt wurden, werden der Reaktivgaspartialdruck und/oder die Kondensationsrate der Metallatome derart eingestellt, daß die Schicht einen spezifischen Widerstand von 10ΟΟμΟΙίΓΤΚΓη aufweist, was über eine an sich bekannte In-situ-Meßeinrichtung direkt monitoriert wird. Nach der Abdeckung der Widerstands3chicht mit einer reaktiv gesputterten SiO2-Schicht sowie weiteren üblichen Strukturierungs- und Beschichtungsprozessen, die zur Erzeugung der Widerstands-, Leitbahn- und Kontaktstrukturen erforderlich sind, erfolgt eine isotherme Temperaturbehandlung der Schichten bei 680K über 75h. Im Resultat dieses einfachen Temperprozesses der erfindungsgemäß hergestellten Schichten beträgt deren Langzeitstabilität über 1000 h bei 660-690 K nicht mehr als ±1 % bei einem Temperaturkoeffizienten von betragsmäßig kleiner 5ppm/K, bestimmt im Temperaturintervall von 300-400 K.
| T(K) | Ni/C.(ai%) |
| 550-570 | 55/45-52/48 |
| 570-600 | 53/47-49/51 |
| JOO-630 | 50/50-36/54 |
| 630-660 | 47/53-43/57 |
| 660-690 | 44/56-36/64 |
Claims (6)
1. Verfahren zur Herstellung langzeitstabiler Ni/Cr-Dünnschichtwiderstandsschichten für erhöhte Betriebstemperaturen im Bereich von 540-690 K, gekennzeichnet dadurch, daß bei Einhaltung (z. B. durch In-situ-Kontrolle) des spezifischen Widerstandes der NiCr-Dünnschichtwiderstandsschichten im Bereich von 800-1 ΟΟΟμΟηηηϋηΊ das Ni/Cr-Verhältnis des eingesetzten Targets (das im Falle gesputterter Schichten der Schichtzusammensetzung der Widerstandsschicht entspricht) entsprechend der jeweils geforderten Betriebstemperatur angepaßt ist, die erhaltenen Widerstandsschichten mit einer passivierenden Abdeckschicht versehen werden und anschließend bei Temperzeiten zwischen 50-10Oh eine isotherme Temperatur der Widerstandsschicht in Höhe der vorgegebenen späteren Betriebstemperatur durchgeführt wird.
2. Verfahren zur Herstellung langzeitstabiler NiCr-Dünnschichtwiderstandsschichten, gekennzeichnet dadurch, daß für ein Betriebstemperaturintervall von 540-570K das Ni/Cr-Verhältnis des Targets zwischen 55/45 b; 748 at% festgelegt wird.
3. Verfahren zur Herstellung langzeitstabiler NiCr-Dünnschichtwiderstandsschichten, gekennzeichnet dadurch, daß für ein Betriebstemperaturintervall von 570-600 K das Ni/Cr-Verhältnis des Targets zwischen 53/47 bis 49/51 at% festgelegt wird.
4. Verfahren zur Herstellung langzeitstabiler NiCr-Dünnschichtwiderstandsschichten, gekennzeichnet dadurch, daß für ein Betriebstemperaturintervall von 600-630K das Ni/Cr-Verhältnis des Targets zwischen 50/50 bis 46/54 at% festgelegt wird.
5. Verfahren zur Herstellung langzeitstabiler NiCr-Dünnschichtwiderstandsschichten, gekennzeichnet dadurch, daß für ein Betriebstemperaturintervall von 630-660 K das Ni/Cr-Verhältnis des Targets zwischen 47/53 bis 43/57 at% festgelegt wird.
6. Verfahren zur Herstellung langzeitstabiler NiCr-Dünnschichtwiderstandsschichten, gekennzeichnet dadurch, daß für ein Betriebstemperaturintervall von 660-690 K das Ni/Cr-Verhältnis des Targets zwischen 44/56 bis 36/64 at% festgelegt wird.
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