DE2425253A1

DE2425253A1 - Elektronische uhr

Info

Publication number: DE2425253A1
Application number: DE19742425253
Authority: DE
Inventors: Heihachiro Ebihara; Hiroyuki Fukayama; Shingo Hashimoto; Yasuhiko Nishikubo
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 1973-05-24
Filing date: 1974-05-24
Publication date: 1974-12-12
Also published as: GB1446497A; FR2231043B1; FR2231043A1; JPS5010168A; DE2425253B2; US3905188A

Description

PATENTANWÄLTE
DR. CLAUS REINLÄNDER DIPL.-ING. KLAUS BERNHARDT

D-8 München 60 . Orthstraße 12 · Telefon (089) 832024/5 Telex 5212744 · Telegramme Interpatent

267/18

Citizen Watch Co., Ltd. 2425253

Uo.1-9-18, Nishishinjuku Shinjuku-ku, Tokyo, Japan

Elektronische Uhr

Priorität: 24. Mai 1973 Japan 57208/73

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Uhr, wie eine durch eine Unruhspiralfeder gesteuerte elektronische Uhr, eine stimmgabel- oder tongesteuerte elektronische Uhr und eine elektronische Uhr mit Kristalloszillator und mit einer elektronischen Schaltung, die in einem monolithischen Plättchen gebildet ist, ohne irgendwelche anderen elektronischen Teile zu verwenden.

Bekannte elektronische Uhren enthalten eine elektronische Schaltung, die mit einer Vielzahl von elektronischen Teilen einschließlich eines Halbleiterplättchens versehen sein muß.

In Eig. 1 ist eine elektronische Schaltung einer bekannten elektronischen Uhr mit Unruhspiralfeder gezeigt·. Es bezeichnen Q einen Transistor, R einen Basisvorspannwiderstand, C einen Kondensator zur Bestimmung einer Zeitkonstante, Cx einen zur Verhinderung einer anormalen Schwingung dienenden Kondensator, Ls eine Detektorspule, LD eine Unruhspiralfedersteuerspule und VDD eine elektrische Stromquelle.

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In einem bipolaren Transistor beträgt im allgemeinen die Spannung in Vorwärtsrielrfcung zwischen Basis und Emitter 0,4 bis 0,5 Vf wenn ein geringer Strom fließt. Dieser bipolare Transistor ist so aufgebaut, daß eine notwendige, an seine Basis angelegte Vorspannung die Spannung in Vorwärtsrichtung veranlaßt, bis zu einem aktiven Bereich von einer sehr kleinen Amplitude anzusteigen. Dies wird durch den Widerstand R und den Kondensator C in der in Fig. 1 gezeigten elektronischen Schaltung erreicht. Wie aus Vorstehendem ersichtlich ist, erzeugt bei der bekannten elektronischen Schaltung eine aus dem Widerstand R und dem Kondensator C bestehende Zeitkonstantenschaltung die Basisvorspannung aufgrund der Amplitude der Unruhspiralfeder, um die Amplitude auf einem konstanten Wert zu halten. Der Kondensator Cx bildet einen Nebenweg zum Verhindern der anormalen Schwingung der elektrischen Schaltung.

Bei der in 3?ig. 1 gezeigten elektronischen Schaltung sind der tatsächliche Wert des Kondensators C = 0,47/uF und der tatsächliche Wert des Widerstands R = 10 M Ohm und Cx = 200 p]?. Diese tatsächlichen Werte des Kondensators C und des Widerstands R werden durch die Unruhspiralfedersteuerfrequenz von 5 bis 6 Hz (Periode 0,2 Sekunden) bestimmt. Zusätzlich ist die Zeitkonstante durch CR = 0,47 x 10 χ 10 χ 10 = 4,7 Sekunden gegeben, d.h. ungefähr das 25-Fache der Unruhspiralfedersteuerperiode.

Wenn der Kondensator in dem gleichen Halbleiterplättchen wie der Transistor gebildet wird, wird die benötigte Fläche so groß, daß in der Praxis die obere Kapazitätsgrenze des Kondensators bis zu einigen Hundert pi¹ reicht. Wenn es gewünscht wird, den Kapazitätswert des Kondensators C klein zu machen, wobei das Produkt des Kondensators C und des Widerstands R konstant gehalten wird, muß als Ergebnis der Widerstand R notwendigerweise einen großen Wert

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haben. Ein zu großer Widerstand R führt aber zu einer Begrenzung des Basistroms des Transistors. Als Ergebnis wird es schwierig, einen genügend großen Kollektorstrom zu erhalten, d.h. einen UnruhspiralfederSteuerstrom, selbst wenn ein Transistor mit einem großen Verstärkungsfaktor verwendet wird. Zusätzlich ist es schwierig, selbst wenn ein gewünschter Kondensator in einem Halbleiterplatt chen gebildet wird, den Wert des Widerstands R = 10 M Ohm zu erhalten, soweit ein allgemeiner Ausbreitungswiderstand verwendet wird, weil der Widerstandswert eines solchen Ausbreitungswiderstandes auf höchstens einige Zehn k Ohm bis 100 k Ohm wegen der Beschränkung seiner Fläche begrenzt ist. Als Ergebnis ist es unmöglich, alle Teile, nämlich den Transistor, den Kondensator und den Widerstand, der in Pig. 1 gezeigten unruhspiralfedergesteuerten elektronischen Uhr in einem monolithischen Plättchen zu bilden. Es müssen im Gegenteil eine Mehrzahl von elektronischen Teilen verwendet werden, um die elektronische Schaltung der Fig. 1 aufzubauen. In der Praxis werden deshalb der Transistor, der Kondensator und der Widerstand individuell mit einer gedruckten Verdrahtung verbunden, die auf einem Keramiksubstrat gebildet ist, um eine gemischte integrierte Schaltung zu bilden.

Eine solche gemischte integrierte Schaltung, die aus einer Mehrzahl von elektronischen Teilen besteht, hat jedoch den Nachteil, daß die Schaltung in der Abmessung groß wird, daß die Betriebssicherheit der gesamten Schaltung wegen des Anstiegs der Anzahl der elektronischen Teile verringert wird und daß die Herstellungskosten wegen des Anstiegs der Anzahl der Montageschritte sehr hoch werden.

Die Resonanzfrequenz eines Schwingungskörpers ist im allgemeinen eine Punktion der Schwingungsamplitude des Schwingungskörpers. Wenn der Schwingungskörper als Geschwindigkeitsregler verwendet wird, ist es erwünscht, den

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Schwingungßkörper immer mit einer konstanten Amplitude schwingen zu lassen. Die Schwingungsamplitude des Schwingungskörpers erreicht einen eingeschwungenen Zustand an einem Punkt, an dem die Antriebsenergie, die die Funktion der Schwingungsamplitude des Schwingungskörpers ist, mit der Verlustenergie des Schwingungskörpers ins

Gleichgewicht kommt. Unter einer solchen Bedingung wird ein großer Betrag elektrischer Leistung verbraucht, so daß es selten ist, daß ein solcher Schwingungskörper bei einer Uhr verwendet wird.

Die Funktionsbeziehung zwischen der Amplitude und der Antriebsenergie ändert sich im allgemeinen so, daß die Amplitude des Schwingungskörpers der eingeschwungene Zustand bei einer bestimmten Amplitude wird.

Wie oben mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde, macht das bekannte Verfahren ausschließlich von der Tatsache Gebrauch, daß die Diode in Vorwärtsrichtung zwischen Basis-Emitter und zwischen Basis-Kollektor des bipolaren Transistors in der Lage ist, ein Erkennungssignal zu halten, um eine direkte Stromkomponente zu erzeugen, damit der Kondensator mit der so erzeugten Gleichstromkomponente aufgeladen wird und damit die an den Eingangsteil des Transistors angelegte Vorspannung aufgrund des Anstiegs der Amplitude des Schwingungskörpers verringert wird, wodurch die Antriebsiinpulsbreite verringert wird. Dieses Verfahren ist jedoch erforderlich, um die Gleichstromladekomponente für eine längere Zeit als die Periode des Schwingungskörpers aufrechtzuerhalten, und als Ergebnis muß die Zeitkonstante im Fall der Entladung des Kondensators groß gemacht werden. Somit ist es notwendig, einen Widerstand mit einem großen Widerstandswert und einen Kondensator mit einer großen Kapazität zu verwenden. In der heutigen Halbleitertechnik ist es fast unmöglich, den oben beschriebenen hochohmigen Widerstand und den Kondensator mit großer Kapazität

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herzustellen. Als Ergebnis konnte eine elektronische Schaltung zur Verwendung in elektronischen Uhren mit einem solchen hochohmigen Widerstand und einem Kondensator mit großer Kapazität nicht verwirklicht werden.

Die Erfindung beseitigt die oben beschriebenen Nachteile der bekannten elektronischen Uhr, und zu diesem Zweck wird eine elektronische Schaltung in .einem monolithischen Plättchen gebildet.

Die- Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine elektronische Uhr zu schaffen, die eine in einem monolithischen Plättchen gebildete elektronische Schaltung enthält und welche die elektrische Schaltung in ihrer Abmessung klein machen und die Anzahl der darin enthaltenen Teile niedrig halten kann, wodurch die gesamte Betriebssicherheit der elektronischen Schaltung verbessert wird.

Des weiteren soll die Erfindung eine elektronische Uhr schaffen, die ein der Differenzierung eines Erkennungssignals entsprechendes Signal verwendet, um das an den Eingangsteil eines Verstärkers angelegte Vorspannungspotential zu steuern, und welche die Amplitude eines Schwingungskörpers steuern kann, unmittelbar bevor ein Antriebsimpuls erhalten wird, so daß die Zeitkonstante sehr klein wird, wodurch die Verwendung eines Kondensators mit großer Kapazität unnötig wird.

Des weiteren soll die Erfindung eine elektronische Uhr mit einer elektronischen Schaltung schaffen, die passive Elemente, deren Widerstandselement aus. MOS-R besteht und deren Kapazitätselement aus einem Halbleiter des MO'AOS-Aufbaus besteht, und ein aus einem bipolaren Transistor bestehendes aktives Element enthält und die eine Kombination eines hochohmigen Widerstandselements, eines Kapazitätselements mit einer ausgezeichneten Spannungs-Kapazität s-Kennlinie innerhalb eines Betriebsbereichs

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und eines bipolaren Transistors schaffen kann, was bisher durch bekannte Halbleiterherstellungstechnik schwierig zu erhalten w.ar.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben, in der sind

Pig 1 ein Schaltbild einer elektronischen Schaltung einer bekannten elektronischen Uhr mit Unruhspiralfedersteuerung,

Pig. 2 ein Blockschaltbild zur Erläuterung einer erfindungsgemäßen Anordnung,

Mg. 3 ein Signalwellenformdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der in Fig. 2 gezeigten Anordnung,

Pig. 4 ein Signalwellenformdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Pig. 5 ein Schaltbild einer elektronischen Schaltung einer Ausführungsform der Erfindung,

Pig. 6 eine perspektivische Ansicht eines teilweise geschnittenen MOS-Transistors, der in der in Pig. 5 gezeigten elektronischen Schaltung verwendet wird,

Pig. 7 ein Teillängsschnitt einer MO'AOS-Anordnung, die in der in Pig. 5 gezeigten elektronischen Schaltung verwendet wird,

.Fig. 8 eine graphische Darstellung einer Spannungs-Kapazitäts-Kennlinie eines Halbleiters und

Pig. 9(1) bis 9(11) Querschnitte eines Teils der elektronischen Schaltung gemäß der Erfindung zur Erläuterung aufeinanderfolgender Herstellungsschritte.

Pig. 2 zeigt ein Blockschaltbild, das die erfindungsgemäße Anordnung erläutert. Mit 1 ist ein Verstärker bezeichnet. Das an dem Ausgang des Verstärkers 1 abgegebene Antriebssignal

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wird über einen elektromechanischen Wandler 2 an einen Scbwingungskörper 3 angelegt. Zusätzlich wird die Verschiebung oder Winkelgeschwindigkeitskomponente des Schwingungskörpers 3 als elektrisches Erkennungssignal über einen mechanisch-elektrischen Wandler 4 auf den Eingang des Verstärkers 1 rückgekoppelt. Das auf den Eingang des Verstärkers 1 rückgekoppelte Erkennungssignal wird auch als Steuersignal über die Steuereinrichtung 5, die sowohl eine Differenzierfunktion als auch eine Verstärkerfunktion hat, dem Eingangsvorspannungsteil des Verstärkers 1 zugeführt.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun mit Bezug auf das in Pig. 3 gezeigte und die Arbeitsweise der in Fig. gezeigten Anordnung erläuterende Signalwellenformdiagramm beschrieben.

In Pig. 3 l(a) ist die Ausführungsform zum Erzeugen des der Winkelgeschwindigkeit der Gesamtperiode des Schwingungskörpers 3 entsprechenden Erkennungssignals gezeigt. Es sei angenommen, daß das erhaltene Erkennungssignal f(A) sich in seinem eingeschwungenen Zustand befindet. Seine differenzierte Welle f^!(A) hat die in Pig. 3 I(b) gezeigte Form. Von dieser differenzierten Welle f'(A) wird ein Steuersignal für die Zeit ΐ-c erhalten, zu der die differenzierte Welle f'(A) den Schwellwertpegel The der Steuereinrichtung 5 überschreitet. Wenn das Steuersignal von der Steuereinrichtung 5 z.B. das Vorspannungspotential an dem Eingang des Verstärkers 1 veranlaßt, vollständig UuIl zu werden, hat dieses Vorspannungspotential während der Zeit X c einen niedrigen Pegel und wird dann auf den Anfangsvorspannungspegel mit der Zeitkonstante des Eingangs des Verstärkers 1 angehoben, wie es durch gestrichelte Linien. VB in Pig. 3 l(c) gezeigt ist. Zu dem Vorspannungspotential wird das Erkennungssignal addiert, das von dem mechanisch-elektrischen Wandler 4 als Wechselstrom abgegeben

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wird, um ein resultierendes Potential zu erzeugen, das durch eine ausgezogene Linie in Pig. 3 I(c) gezeigt ist. Von diesem resultierenden Potential wird ein Antriebssignalimpuls für die Zeit χ ρ erhalten, bei der das resultierende Potential den Schwellwertpegel Thp des Verstärkers 1 übersteigt, wie dies durch gestrichelte Linien in Pig. 3(c) gezeigt ist.

Wenn die Amplitude des Schwingungskörpers 3 kleiner wird, erhöht sich die Breite tp des Antriebsimpulses, wie dies in Pig. 3 II gezeigt ist, und als Ergebnis wird dem ■Schwingungskörper 3 eine größere Antriebsenergie zugeführt, wodurch die Amplitude des Schwingungskörpers 3 erhöht wird.

Wenn die Amplitude des Schwingungskörpers 3 zu groß wird, wird andererseits die Breite Tp des Antriebsimpulses •verringert, wie dies in Pig. 3 III gezeigt ist, oder wird eventuell zu Null, und als Ergebnis wird an den Schwingungskörper 3 eine geringere Antriebsenergie angelegt, wodurch die Amplitude des Schwingungskörpers 3 verringert wird.

Das Verhältnis der Änderung der Antriebsimpulsbreite £p

zur Änderung der Amplitude des Schwingungskörpers 3 in und um seinen eingeschwungenen Zustand kann durch die Zeitkonstante des Eingangs des Verstärkers 1 um den Pegel tO geändert werden, wie dies in Pig. 3 II gezeigt ist, bei dem das Steuersignal Null wird und bei dem der Gleichstromvorspannpegel durch die Größe des Erkennungssignals u.dgl. zu steigen beginnt. Auf diese Weise wird eine Auswahl von Veränderlichen der jeweiligen Teile der Anordnung nach der Erfindung möglich, um ein optimales Verhältnis der Änderung des Antriebsimpulses Tp zu der Änderung der Amplitude des Schwingungskörpers 3 zu erhalten. Wie sich aus Vorstehendem ergibt, kann gemäß der Erfindung der Antriebsimpuls gesteuert werden, wodurch der erstrebte Zweck mit Hilfe einer sehr kleinen Zeitkonstante erreicht wird.

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Eine weitere AusfUhrungsform der intermittierenden Erzeugung des Erkennungssignals wird unter Bezugnahme auf Pig. 4 beschrieben.

Bei dieser Ausführungsform wird das Antriebssignal bei denjenigen Teilen h1,' h.2 und h3 des intermittierenden Erkennungssignals f(A) erzeugt, die den Spitzen der Erkennungssignalwelle f(A), die in Pig. 4 (a) gezeigt ist, entsprechen. Das Steuersignal wird an denjenigen Teilen der intermittierenden differenzierten Welle f'(A) erhalten, die den durch h.7 und h8 in Pig. 4(b) gezeigten Lagen entsprechen. Als Ergebnis wird das Antriebssignal an wenigstens den beiden Punkten h2 und h]5 gesteuert, wodurch der Wirkungsgrad wesentlich verbessert wird.

Wenn das Antriebssignal z.B. jeweils an den Punkten h4, b.5 und h6 gesteuert wird, wird das Antriebssignal an dem Punkt b.2 derart übersteuert, daß eine ausreichend große Antriebsenergie an den Schwingungskörper 3 zu dessen Startzeit nichtangelegt werden kann. Wenn das Antriebssignal nur an dem Punkt b.4 gesteuert wird, kann selbstverständlich eine ausreichende Steuerung für das Antriebssignal am Punkt h3 nicht ausgeführt werden. An anderen Punkten wird das Antriebssignal in einer Weise gesteuert, die der oben beschriebenen gleichartig ist.

In Pig. 5 ist eine elektronische Schaltung zum .Steuern des Antriebssignals gezeigt.

In Pig. 5 bezeichnen Q1, Q2 und Q3 Transistoren zum Bilden einer Amplitudensteuerschaltung, Q4 bis Q11 Transistoren zum Bilden von Verstärker- und Antriebsschaltungen und Ls eine Detektorspule. Die sehr kleine·, von der Detektorspule Ls erhaltene Erkennungsspannung wird über einen Kondensator C2 an die Verstärkerschaltung angelegt. Eine Spannungsverstärkung dieser sehr kleinen Erkennungsspannung wird durch die Transistoren Q4 bis Q9 ausgeführt

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und eine Stromverstärkung wird durch, die Transistoren Q10 und Q11 ausgeführt, wodurch eine Antriebaspule LD betätigt wird. Die Spannung zum Antreiben der Antriebsspule LD wird über einen Widerstand R9 zum Eingang der Verstärkerschaltung rückgekoppelt. Der Widerstand R9 und der Kondensator 02 bilden eine ZeitkonBtantenschaltung, die in der Lage ist, eine Vorspannung an die Basis des Transistors Q4 anzulegen.

Die sehr kleine, von der Detektorspule Ls erhaltene Erkennungsspannung wird über einen Kondensator 01 an die Basis eines Transistors Q1 der Amplitudensteuerschaltung angelegt, deren Transistor Q2 dazu dient, diese Erkennungsspannung zu verstärken. Wenn die auf diese Weise verstärkte Erkennungsspannung einen gegebenen Wert übersteigt, wird der Transistor Q3 leitend, wodurch die der Basis" des Transistors Q4 zugeführte Vorspannung geändert wird. Die Anwendung der obenen beschriebenen Maßnahmen stellt eine bessere Steuerung der Amplitude der Unruhspiralfeder der Uhr als die Basisvorspannsteuerschaltung sicher, die nur aus dem Kondensator C2 und dem Widerstand R9 besteht, und ergibt des weiteren den wesentlichen Vorteil, daß der Stromverbrauch gering wird.

Bei der in Pig. 5 gezeigten elektronischen Schaltung kann die maximale Kapazität des Kondensators 02 zu 200 pE¹ gemacht werden. Als Ergebnis kann eine solche maximale Kapazität durch die Kapazität eines Halbleiters erhalten werden. Der Widerstandswert des Widerstandes R9 muß in der Größenordnung von 1000 M Ohm liegen, was in der Praxis mit üblichen diffundierten Widerständen nicht erreicht werden kann. Die Erfindung verwendet eine MOS-R-Technik, um den Widerstand R9 zu erhalten, dessen Widerstandswert in der Größenordnung von 1000 MOhm liegt.

Unter Bezugnahme auf die Pig. 6 bis 9 werden eine elektronische Schaltung, die in der Lage ist, die Unruhspiralfeder anzutreiben und die in einem monolithischen

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Plättchen auf der Basis der MOS-R-Technik gebildet ist, und ein Verfahren zu deren Herstellung beschrieben.

Im Prinzip verwendet die MOS-R-Technik eine nichtlineare Spaiinungs-Stroin-Charakteristik, die zwischen zwei Anschlüssen eines Verarmungs-MOS-Transistors (nachfolgend mit MOST abgekürzt) auftritt, der ein Gate einer P-Kanal-MO' AOS-Anordnung und einen hochohmigen Widerstand aufweist, dessen Widerstandswert in der Größenordnung von 1000 MOhm ist, wobei einer der beiden Anschlüsse ein Drain-Bereich ist und der andere Anschluß ein Source-Bereich ist, der mit einem Substrat eines Halbleitermaterials und einem Gate kurzgeschlossen ist.

Die Erfindung verwendet ein Verfahren zum Herstellen eines MOST mit einem Schritt des Einsetzens eines hochohmigen Widerstands in ein Siliziumplättchen, das dem in Pig. 6 gezeigten bipolaren Transistor entspricht.

In Pig. 6 bezeichnen 6 eine Source, 7 ein Gate, 8 ein Drain, 9 eine Oxidschicht und 10 ein N-Substrat.

Um einen MOS-R als hochohmigen Widerstand zu verwenden, muß ein MOST mit einem Gate einer P-Kanal-MO'AOS-Anordnung vorgesehen werden, wie dies beschrieben wird.

In Pig. 7 ist ein MO'AOS-Gate gezeigt, das aus fünf Schichten besteht, die eine Aluminiumelektrode M, eine Schutzoxidschicht 0', eine Aluminiumoxidschicht A, eine erste Oxidschicht 0 und ein Siliziumsubstrat S, von oben gesehen, aufweisen. Das Siliziumsubstrat S ist N-leitfähig und die erste Oxidschicht 0 ist eine SiO^-Schicht, die thermisch auf dem Siliziumsubstrat S oxidiert ist. Die Dicke dieser thermisch oxidierten Schicht 0 ist in der Lage, den Widerstandswert des MOS-R zu steuern.

Ein Beispiel der Beziehung zwischen der Dicke der thermisch oxidierten Schicht 0 und dem Widerstandswert des MOS-R ist in der folgenden Tabelle gezeigt.

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Tabelle

Dicke der thermisch Widerstandswert

oxidierten Schicht ' (Klemmenspannung 1,5 V)

OA 1 χ 10⁶ Ohm

100 A 5 x 10⁶ Obm

200 I 2 x 10⁷ Ohm

300 1 5 x 10⁷ Ohm

400 1 1,5 x 10⁶ Ohm

500 1 ■ " co

Gemäß der vorstehenden Tabelle betragen der spezifische Widerstand des N-Siliziumsubstrats 5 Ohm·cm, die Dicke der Aluminiumoxidschicht 2000 1, die Dicke der SiO₂-Schutzschicht 1000 t und W/L des MOS-R 1/200, wobei W die Breite des G-ate 7 und L dessen Länge sind, wie in Fig. 6 gezeigt ist.

Im allgemeinen hat die Dicke der Aluminiumschicht A einen geringen Einfluß auf den Widerstandswert des MOS-R. Es ist bevorzugt, die Aluminiumoxidschicht A bei einer niedrigen Temperatur zu behandeln, da eine Behandlung bei hoher Temperatur dazu führen würde, daß die Aluminiumoxidschicht gehärtet wird, was im Falle einer Ätzbehandlung vermieden werden muß. Die SiO₂-Schutzschicht 0^f wird aus der Dampfphase auf der Aluminumoxidschicht A niedergeschlagen. Wie oben beschrieben wurde, wird die Aluminiumoxidschicht A einer Behandlung bei niedriger Temperatur ausgesetzt, so daß leicht eine Ätzbehandlung ausgeführt werden kann. Im Gegensatz dazu neigt eine Aluminiumoxidschicht A, die einer Behandlung bei niedriger Temperatur unterzogen wird, dazu, nach den Behandlungen sehr empfindlich zu sein.

Wenn die Aluminiumoxidschicht A durch thermischen Niederschlag von Aluminium-Isopropylat oder Aluminium-A'thylat bei einer Temperatur unter 800⁰C gebildet wird, besteht

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z.B. die Gefahr, daß die so gebildete Aluminiumoxidachicht A leicht durch ein Ätzbad beeinflußt wird, das bei der Ätzbehandlung zum Bilden von Kontaktlöchern oder zum Ätzen von Aluminium verwendet wird, Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird gemäß der Erfindung die Aluminiumoxidschicht A mit einer SiOp-Schutzschicht O¹ bedeckt, die darauf aus der Dampfphase niedergeschlagen wird.

Der P-Kanal-MOST mit dem MO'AOS-G-ate, der in der oben beschriebenen Weise aufgebaut ist, ist ein Verarmungs-Transistor. Wie sich aus der obigen Tabelle ergibt, wird, wenn die Dicke der ersten SiÖp-Schicht größer als 500 Ä* ist, der Widerstandswert unendlich groß, so daß der MOST ein Anreicherungs-Transistor, in dem kein Strom fließt, wird. Als Ergebnis kann ein MO'AOS-Gate mit einem Widerstandsteil auf der vollständig freigelegten Siliziumfläche und anderen Teilen mit Überschußoxid in einer Dicke von wenigstens 500 Ä vorgesehen werden, wobei kein Strom in dem MO¹AOS fließt. Zusätzlich kann der Gate-Teil des MOS-R als Kondensator verwendet werden.

Gemäß der Erfindung wird eine N-Kanal-Halbleiter-Kapazitäts-Kennlinie verwendet, indem die Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie (C-V-Kennlinie) berücksichtigt wird. Das bedeutet, daß die N-Kanal-Halbleiterkapazität, die bei der Herstellung des MOST-R eingebracht wird, vom Anreicherungstyp ist, die eine gute 0-V-Kennlinie in dem in Pig. 8 gezeigten Betriebsspannungsbereich hat.

Ein Verfahren zum Herstellung der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung nach Pig. 5 wird nun beschrieben.

Die wesentlichen Elemente, die in einem monolithischen Plättchen (in einem Siliziumplättchen bei der vorliegenden Ausführungsform) gebildet sind, sind ein bipolarer NPN-Transistors, ein seitlicher bipolarer PNP-Transistor, ein MOS-R einer P-Kanal-MO'AOS-Anordnung und ein Kondensator einer N-Kanal-MO'AOS-Anordnung. Die Herstellungsschritte

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dieser wesentlichen Elemente werden nun unter Bezugnahme auf Pig. 9 beschrieben.

Wie in Pig. 9 (1) gezeigt ist, wird P-Silizium thermisch oxidiert, um eine Oxidschicht zu bilden, und die auf diese Weise gebildete Oxidschicht wird geätzt, um eine gegebene Zahl von Löchern zu bilden. Dann wird eine Donor-Element-Zusammensetzung mit einer kleinen thermischen Diffusionskontante, wie Antimon u.dgl.,· in das P-Silizium diffundiert. 31 bezeichnet eine if⁺-Schicht, die auf diese Weise in das P-Silizium diffundiert ist und üblicherweise als vertiefte Schicht bezeichnet wird. Diese ET -Schicht 31 ist in der Lage, die gesättigte Kollektor-Emitter-Spannung Yces des ΝΡΪΓ-Transistors zu verringern und einen parasitären Transistor im Falle der Verwendung des seitlichen PHP-Transistors zu vermeiden.

Wie in Pig. 9(2) gezeigt ist, wird SiO₂, das in dem in Pig. 9(1) gezeigten Schritt wächst, vollständig entfernt und dann wächst eine epitaxiale N-Siliziumschicht 32 auf dem P-Silizium und auf den diffundierten N⁺-Schichten. Die Dicke der epitaxialen N-Siliziumschicht 32 ist größer als etwa 10 Mikron. Es ist notwendig, den spezifischen Widerstand der epitaxialen N-Siliziumsicht 32 1 bis 5 Ohm»cm unter Berücksichtigung der Kennlinie des Transistors und des MOS-R zu machen.

Bei dem in Pig. 9(3) gezeigten Schritt wird eine thermische Oxidation ausgeführt, um eine Oxidschicht zu bilden, und dann wird die auf diese Weise erzeugte Oxidschicht geätzt, um eine gegebene Zahl von Löchern 33 zu bilden. Eine Zusammensetzung eines Akzeptorelements, wie Bor u.dgl., wird thermisch in die epitaxiale IT-Siliziumschicht 32 diffundiert, bis die thermisch diffundierten Bereiche bis zu der Pläche des Anfangs-P-Siliziumsubstrats reichen. Dieser Schritt ist eine sogenannte Isolationsdiffusion und ist in der Lage, die F-Zonen als Inseln zu isolieren, die von diesen diffundierten Zonen umgeben sind.

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Bei dem in Pig. 9(4) gezeigten Schritt wird die SiO₂-Sohicht 35, die durch, den in Pig. 9(3) gezeigten Schritt gebildet ist, oder eine SiOp-Schicht, die neuerlich gewachsen ist, einem Photoätzvorgang unterworfen, um eine gegebene Zahl von Löchern zu bilden. Durch diese Löcher wird eine Zusammensetzung eines Akzeptorelementes, wie Bor u.dgl., diffundiert,-um einen PN-Übergang oder Übergänge in den jeweiligen Inseln zu bilden, bis der PN-Übergang oder die Übergänge 36 bis zu einer gegebenen Tiefe, üblicherweise 2 bis 3/u, reichen. Diese diffundierten P-Zonen bilden eine Basisschicht des NPN-Transistors, eine Kollektorschicht und eine Emitterschicht eines PNP-Transistors, zwei Anschlüsse des MOS-R und eine untere Elektrode des MOS-G, wobei N-Kanal-C die C-Y-Kennlinie verbessert.

Bei dem in Pig. 9(5) gezeigten Schritt wird .ein Photoätzvorgang bei der SiOp-Schicht 38, die während des in Pig. 9(4) gezeigten Schrittes gebildet ist, oder bei einer neuerlich gewachsenen SiOp-Schicht ausgeführt, um eine gegebene Zahl von Löchern zu bilden. Durch diese Löcher wird thermisch eine Zusammensetzung eines Donorelements diffundiert, um einen PN-Übergang 38 zu bilden, bis der PN-Übergang 38 bis zu einer gegebenen Tiefe, üblicherweise 2 bis 3/U, reicht. Diese diffundierten N-Zonen bilden eine Emitterschicht und einen Kollektorkontakt des NPN-Transistors, einen Basiskontakt des PNP-Transistors und einen Substratkontakt des MOS-R. Die in den Pig. 9(4) und 9(5) gezeigten Schritte dienen insbesondere dazu, die elektrischen Eigenschaften, wie hPE (Stromverstärkung des geerdeten Emitters) u.dgl. des NPN-Transistors zu bestimmen, so daß die thermische Diffusion dieser Schritte mit besonderer Sorgfalt ausgeführt werden muß.

Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, die vorstehend beschriebenen Schritte der gleichzeitigen Bildung eines PNP-Transistors, von zwei Anschlüssen des MOS-R und zwei Anschlüssen des MOS-C mit einem NPN-Transistor in dem N-SiIiζium vorzusehen.

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Bei dem in Fig. 9(6) erläuterten Schritt wird die SiO₂-Schicht, die durch den in Mg. 9(5) gezeigten Schritt gebildet wird, oder eine neuerlich gewachsene SiOp-Schicht einem Photoätzvorgang unterworfen, um eine gegebene Zahl von löchern zum Zwecke der Bildung eines MOS-R und MOS-C zu erzeugen. Der Schritt des Bildens der Löcher muß in einer solchen Weise ausgeführt werden, daß restliches SiO₂ nicht mehr vorhanden ist. Zusätzlich ist es bevorzugt, die löcher an denjenigen Teilen der SiO₂-Schicht herzustellen, die den Kontaktlöchern entsprechen, um die auszuführenden Herstellungsschritte zu vereinfachen.

Bei dem in Pig. 9(7) erläuterten Schritt wird das Wachstum der ersten SiO₂-Schicht ausgeführt. Die erste ^Si02~ Schicht, deren Dicke etwa 200 S. beträgt, wächst durch e ine Oxidat
20 Minuten.

eine Oxidation bei einer Temperatur von 700⁰C während

Bei dem in Pig. 9(8) gezeigten Schritt wird die Aluminiumoxidschicht gebildet und auf dieser eine Wärmebehandlung ausgeführt. Torzugsweise wird ein organisches Aluminium als Aluminiumoxidquelle verwendet, thermisch zersetzt und aus der Gasphase .niedergeschlagen. Z.B. Aluminiumisopropylat oder Aluminiumäthylat wird mit dem Siliziumsubstrat verdampft, das bei einer Temperatur von etwa 420 C erhitzt wird, um die Aluminiumoxidschicht mit etwa 2000 K niederzuschlagen, und dann wird die derart niedergeschlagene Aluminiumoxidschicht bei einer Temperatur von 750 C in einer Kp-Atmosphäre etwa 30 Minuten lang behandelt,

Bei dem in Fig. 9(9) dargestellten Schritt wird eine SiO₂-Schutzschicht aus der Dampfphase niedergeschlagen. Diese Wärmebehandlung wird üblicherweise aus Sicherheitsgründen bei einer Temperatur in der Größenordnung von 900⁰C ausgeführt. Wie oben beschrieben wurde, wird die bei hoher Temperatur behandelte Aluminiumoxidschicht veranlaßt zu

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härten, was dazu führt, daß die Ätzbehandlung schwierig ausgeführt werden kann. Als Ergebnis wird die SiOp-Schutzschicht bei einer Temperatur in der Größenordnung von 75O⁰C 30 Minuten lang in einer O^-Atmosphäre behandelt. Die so gebildete SiOp-Schutzschicht kann die Aluminiumoxidschicht ausreichend dagegen schützen, daß sie durch das Ätzbad beeinflußt wird. Vorzugsweise wird die SiOp-Schutzschicht mit einer Dicke in der Größenordnung von 1000 Ϊ hergestellt, da die SiO^Schutzschicht nicht die Aluminiumschicht dagegen schützen kann, daß sie durch das Ätzbad beeinflußt wird, wemi die Dicke der SiOp-Schutzschicht zu gering ist. Bei dem in Pig. 9(10) gezeigten Schritt wird der Ätzvorgang so ausgeführt, daß Kontaktlöcher gebildet werden, durch die Aluminiumelektroden bei dem nächsten Schritt geführt werden. Beim Stand der Technik sind mehrere Schichten vorgesehen, die mit den Kontaktlöchern gebildet werden, und zwar eine SiOg-Schutzschicht, eine Aluminiumoxidschicht, eine erste SiOp-Schicht und übereinandergelegte SiOp-Schichten, die bei den in den Pig, 9(1) bis 9(5) dargestellten Schritten gebildet werden, wobei die SiOp-Schichten an dem MOS-R-Teil nicht vorhanden sind. Als Ergebnis muß die Ätzlösung häufig aufbereitet werden.

Im Gegensatz dazu sieht die Erfindung löcher für diejenigen Teile vor, die den Kontaktlöchern bei dem in Pig. 9(6) dargestellten Schritt zum Bilden des MOS-R und des MOS-O entsprechen. Als Ergebnis sind drei Schichten der Teile entsprechend den Kontaktlöchern vorgesehen, die eine SiOp-Schutzschicht, eine Aluminiumoxidschicht und eine erste SiOp-Schicht sind.

Beim Ausführen .des Ätzvorganges wird zuerst die SiO₂-Schutzschicht mit einem Deckmittel überzogen und dann werden die Kontaktlöcher in der SiO-p-Schutzschieht durch eine saure Ammoniumfluoridlösung gebildet. Dann wird das Deckmittel durch eine H₂SO, + HgOg-Lösung entfernt. Vorzugsweise wird KPR (Kodak Photo Resist) als Deckmittel

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verwendet. Wenn das Deckmittel entfernt wird, wird gleichzeitig die Aluminiumoxidschicht entfernt und als Ergebnis bleibt eine SiOp-Schicht mit einer extrem geringen Dicke in der Größenordnung von 100 bis 200 Ä* übrig. Dann wird eine P-Ätzlösung verwendet, die eine geringe A'tzwirkung auf die SiO₂-Schicht hat. Die auf der gesamten Fläche verbleibende SiO₂-Schicht wird dünn, so daß vorzugsweise eine SiO₂-Schicht hergestellt wird, bei der die Kontaktlöcher vorher nicht ausreichend dick gebildet sind.

Bei dem in I¹Ig. 9(11) gezeigten Schritt wird Aluminium niedergeschlagen und dann einem Ätzprozeß unterworfen, um Elektroden 41 zu bilden.

Die bisher vorgeschlagene bipolare Technik bestimmt die Temperatur und die Zeit, die für die Wärmebehandlung oder eine sogenannte Sinterbehandlung notwendig sind, um eine ausreichende legierung zwischen Aluminium und Silizium zu berücksichtigen, und daher wird die Wärmebehandlung bei 400⁰C 30 Minuten lang ausgeführt.

Im Gegensatz dazu muß *bei der Erfindung der Gate-Teil des MOS-R ausreichend gesintert werden, andernfalls der Widerstandswert des MOS-R unstabil wird. Versuche haben ausreichend gute Ergebnisse ergeben, wenn der Gate-Teil bei 475⁰C 90 Minuten lang gesintert wird. Zusätzlich hat eine solche Sinterbehandlung keinen großen Einfluß auf die Eigenschaften des bipolaren Elements.

In JIg. 9(11) bezeichnen 51 und 52 Elektrodenanschlüsse des MOS-R, 53 einen Elektrodenanschluß des P-Siliziumsubstrats, 54 einen Elektrodenanschluß der NPN-Trans is tor-Basis, 55 einen Elektrodenanschluß des NPIT-Tr ans is tor-Emitters, 56 einen Elektrbdenanschluß des NPN-Transistor-Kollektors, 57 einen Elektrodenanschluß der PNP-Transistor-Basis, 58 einen Elektrodenanschluß des PHP-Transistor-Emitters, 59 einen Elektrodenanschluß des PNP-Transistor-Kollektors und 60 und 61 Elektrodenanschlüsse des MOS-C.

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Wie vorstehend festgestellt worden ist, stellt die Verwendung der beschriebenen elektronischen Schaltung eine Verringerung der Kapazität dee Kondensators bis zu einer Größenordnung von 200 pF und eine Herstellung eines hochohmigen Widerstandes sicher und ergibt einen wesentlichen Vorteil dadurch, daß eine elektronische Schaltung zur Verwendung in einer elektronischen Uhr mit Unruhspiralfedersteuerung in einem monolithischen Plättchen, d.h. in demselben einzigen Plättchen, gebildet werden kann. Die mit dem monolithischen Plättchen gebildete elektronische Uhr ist bezüglich der Massenherstellung, der Zuverlässigkeit, des Raumbedarfes, der Kosten u.dgl. weit vorteilhafter als eine bekannte elektronische Uhr, die mit einer Mehrzahl von elektronischen Teilen, versehen ist. Die erstere Uhr ist in ihrer Punktion auch wesentlich verbessert im Vergleich mit der letzteren Uhr.

Das monolithische Plättchen, in dem die elektronische Schaltung zur Verwendung in einer elektronischen Uhr mit Unruhspiralfedersteuerung gemäß Fig. 5 eingesetzt ist, wie oben beschrieben wurde, kann auch bei einer elektronischen Schaltung zur Verwendung in einer elektronischen Uhr mit Stimmgabelsteuerung angewendet werden. Zusätzlich kann mit der oben erwähnten MOS-R-Technik eine elektronische Schaltung zur Verwendung in einer elektronischen Uhr mit Kristalloszillator hergestellt werden. Das monolithische Plättchen ermöglicht deshalb, alle Typen von elektronischen Uhren zu erhalten.

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Claims

Patentansprüche

Elektronische Uhr, gekennzeichnet durch einen elektromechanischen Wandler zum Umsetzen eines elektrischen Signals ■ in mechanische Energie, durch einen Schwingungskörper, der durch die mechanische Energie bis zu einer gegebenen Amplitude angetrieben wird und der Zeiten anzeigt, durch einen mechanisch-elektrischen Wandler zum Erkennen eines elektrischen Rückkopplungssignals entsprechend dem Betrag der Verschiebung des Schwingungskörpers, durch einen Rückkopplungsverstärker zum Verstärken des elektrischen Rückkopplungssignals und zum Zuführen des derart verstärkten elektrischen Rückkopplungssignals an den elektro-mechanischen Wandler als dessen Eingangssignal, durch eine Differenziersteuereinrichtung mit Differenziermöglichkeit und zum Steuern des Rückkopplungsverstärkers, die mit dem elektrischen Rückkopplungssignal gespeist wird, und durch einen elektronischen Schaltungsteil, der die Differenziersteuereinrichtung und den Rückkopplungsverstärker enthält und in einem monolithischen Plättchen gebildet ist.
2. Elektronische Uhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Teil als passives Element ein Widerstandselement aus einem Halbleiterelement der MOS-R-Anordnung und ein kapazitives Element aus einem Halbleiterelement einer MO'AOS-Anordnung enthält.
3. Elektronische Uhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Teil als passives Element ein Widerstandselement aus einer MOS-R-Anordnung und als aktives Element einen bipolaren Transistor enthält.
4. Elektronische Uhr nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine elektronische Schaltung, bei der das elektrische Erkennungssignal entsprechend dem Betrag der Verschiebung oder Winkelgeschwindigkeitskomponente des

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SchwingungskörperB 'als¹' Wechselstrom zum «-Eiögang des vorzuspannenden Verstärkers rückgekoppelt wird, wobei das Ausgangssignal .v.on dem Verstärker in mechanische Energie unigesetzt wird, durch die der Schwingung^körper angetrieben wird, und wobei die Amplitude des Schwingungskörpers durch das Signal entsprechend der Differention des elektrischen Erkennungssignals mittels der Differenziersteuereinrichtung gesteuert wird.
5. Elektronische Uhr nach Anspruch 4> dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltung eine Amplitudensteuers chaltung mit Transistoren (Q1, Q2, Q3)> eine Spannungsverstärkerschaltung mit Transistoren (Q4 bis Q9) und eine Stromverstärkerschaltung mit Transistoren (Q10, Q11) enthält, wodurch eine kleine Spannung, die von einer Detektorspule (Ls) abgegeben wird, die zwischen die positive Seite einer Gleichstromquelle (VDD) und einen Kondensator (01) geschaltet ist, über einen Kopplungskondensator (02) an die Spannungsverstärkerschaltung gegeben wird, wobei der durch die Stromverstärkerschaltung verstärkte Strom den Betrieb einer Antriebsspule (LD) verursacht, die zwischen den Kollektor eines Transistors (Q11) einerseits und die positive Seite der Gleichstromquelle (VDD) und die Detektorspule (Ls) andererseits geschaltet ist, wobei die Antriebsspannung über einen Widerstand (R9) der Basisvorspannsteuerschaltung mit einem Kondensator (02) und dem Widerstand (R9) zu-dem Eingang der Spannungsverstärkerschaltung rückgekoppelt wird, wobei der Widerstand (R9) und der Kondensator (G2) eine Zeitkonstantenschaltung bilden, um eine Spannung zum Vorspannen der Basis eines Transistors (Q4) zu bestimmen und wobei die Amplitudensteuerschaltung eine Schaltung über einen Kondensator (01) zu einem Transistor (QI) abgibt, um einen weiteren Transistor (Q3) leitfähig zu machen, wodurch der Basisvorspannwert eines Transistors (Q4) geändert wird.

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6. Elektronische Uhr, gekennzeichnet durch eine elektronische Schaltung mit einem Verstärker, einer Differenziersteuereinrichtung und einem Widerstandselement aus einem Halbleiterelement einer MOS-R-Anordnung und einem Kapazitätselement aus einem Halbleiterelement einer MO'AOS-Anordnung als passives Element.
7. Elektronische Uhr, gekennzeichnet durch eine elektronische Schaltung mit einem Verstärker, einer Differenziersteuereinrichtung, einem Widerstandselement aus einem Halbleiter einer MOS-R-Anordnung als passives Element und einem bipolaren Transistor als aktives Element.

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