JPH08130102A - 電子工学用途のためダイヤモンド上に設置された密着性のニッケル及びクロム含有合金被膜 - Google Patents

電子工学用途のためダイヤモンド上に設置された密着性のニッケル及びクロム含有合金被膜

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JPH08130102A
JPH08130102A JP7145038A JP14503895A JPH08130102A JP H08130102 A JPH08130102 A JP H08130102A JP 7145038 A JP7145038 A JP 7145038A JP 14503895 A JP14503895 A JP 14503895A JP H08130102 A JPH08130102 A JP H08130102A
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JP
Japan
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diamond
chromium
nickel
substrate
diamond substrate
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP7145038A
Other languages
English (en)
Inventor
Charles Dominic Iacovangelo
チャールズ・ドミニク・イァコヴァンゲロ
Elihu Calvin Jerabek
エリュー・カルヴァン・ジェラベク
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01CRESISTORS
    • H01C7/00Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/006Thin film resistors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01CRESISTORS
    • H01C7/00Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • Non-Adjustable Resistors (AREA)
  • Parts Printed On Printed Circuit Boards (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ダイヤモンド基板上に設置されて強い密着性
及び小さいTCRを示すようなニッケル及びクロム含有
合金被膜。 【構成】 ダイヤモンド基板上に薄膜抵抗層が設置され
る。その際には、ダイヤモンド基板に対する付着力の向
上及び抵抗の温度係数の低下を示すニッケル−クロム−
炭素合金が生成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の背景】本発明は電子工学用途のための金属被覆
ダイヤモンド基板に関するものであって、更に詳しく言
えば、薄膜電気抵抗体として使用するためダイヤモンド
基板上に設置された密着性のニッケル−クロム−炭素合
金被膜に関する。ダイヤモンドは、集積回路及びマルチ
チップモジュール用の基板材料として大いに注目を集め
ている。中でも、化学蒸着法(すなわち、水素及び炭化
水素を含有する低圧の混合ガスを活性化することによっ
て基体表面上にダイヤモンドを析出させる方法)によっ
て製造された合成ダイヤモンド(以後は「CVDダイヤ
モンド」と呼ぶ)が重要である。導電率及び誘電率が低
く、かつヒートシンク材料として使用し得るほどに熱伝
導率が高いため、ダイヤモンドは回路素子が互いに密接
して配置されている結果として熱の放散が不可欠である
ような高密度相互接続モジュール及びレーザダイオード
含有回路において特に有用である。
【0002】かかるモジュールを製造するためには、一
般に、導電性及び(又は)抵抗性の接続用金属パターン
をダイヤモンド表面上に設置することが必要である。特
に、制御された抵抗を有する金属パターンを形成するた
めにはニッケル−クロム合金が有用である。その主な理
由は、この合金が安定であると共に、両方の成分金属が
比較的安価であることにある。
【0003】パターン化されたニッケル−クロム合金の
薄膜をセラミック基板上に設置して成る抵抗体は、多年
にわたって使用されてきた。このような抵抗体に関して
認識されかつ解決されてきた問題の1つは、かかる合金
の抵抗の温度係数(以後は「TCR」と呼ぶことがあ
る)が大きいことである。すなわち、かかる合金の抵抗
は温度の変化に伴って実質的に変化するのである。特定
の抵抗レベルを有する抵抗体は既知抵抗率の導電性パタ
ーンの寸法を変化させることによって形成されるのが通
例であるから、ニッケル−クロム合金のTCRを通例は
約5ppm/°K以下の値にまで低下させることが必要
であった。セラミック基板を使用する材料の場合、これ
は酸素又はアルミニウムのごとき元素を金属被膜中に混
入することによって達成されるのが通例である。
【0004】ダイヤモンド上に設置されたニッケル−ク
ロム合金被膜に関するもう1つの問題は、基板に対する
付着力が一般に小さいことである。電子工学用途に対し
ては一般に約140〜350kg/cm2 の付着力が必
要とされる。かかる付着力はまた、集積回路などの製造
に際して実施される高温加工操作に耐えることも必要で
ある。
【0005】容易に炭化物を生成する各種の金属の場
合、ダイヤモンドに対するそれらの付着力を向上させる
ためには、通例は還元雰囲気中において900〜100
0℃の温度下で熱処理を施せばよい。かかる熱処理条件
が炭化物結合被膜の生成をもたらすことは明らかであ
る。クロムは炭化物を生成する。実際、それは3種の炭
化物を生成することができる。とは言え、上記のごとき
熱処理条件下で優先的に生成される炭化物は脆く、従っ
て適切な結合被膜を生成し得ないことがある。その上、
高率の鉄族金属(たとえばニッケル)の存在下で上記の
ごとき条件を使用しながら加熱を行った場合、ダイヤモ
ンドの黒鉛化が起こると共に、TCRを制御するために
導入された酸素又はアルミニウムの損失が生じることも
ある。それ故、ダイヤモンド基板と組合わせてかかる合
金を使用することはこれまで成功しなかった。
【0006】窒化タンタルもまた、薄膜抵抗体として常
用されている。窒化タンタルは適切に制御されたTCR
を有するように生成させることができるが、そのために
は空気中において300〜400℃の範囲内の温度下で
不動態化を施す必要がある。しかるに、ダイヤモンド基
板と組合わせて窒化タンタルを使用しようとした場合、
不動態化操作が窒化タンタル(又はダイヤモンドに接触
した炭化タンタル結合層)を酸化タンタルに転化させ、
そのためダイヤモンドに対する付着力が低下することが
ある。
【0007】
【発明の概要】それ故、ダイヤモンド基板上に設置され
て強い密着性及び小さいTCRを示すようなニッケル及
びクロム含有合金被膜が得られれば望ましいのである。
また、薄膜抵抗体を形成するために適した導電性の金属
パターンとしてかかる被膜を設置することも望ましい。
これらの目的は本発明によって達成される。
【0008】本発明に従えば、(a) ダイヤモンド基板及
び(b) 前記ダイヤモンド基板上に設置された密着性の金
属層から成りかつ前記金属層中に拡散した炭素を含有す
る抵抗層を含み、前記抵抗層が10ppm/°Kより小
さい抵抗の温度係数及び前記ダイヤモンド基板に対して
700kg/cm2 より大きい付着力を示すことを特徴
とする抵抗素子が提供される。
【0009】
【好適な実施の態様の詳細な説明】単結晶ダイヤモンド
又は多結晶質ダイヤモンドのいずれであるかを問わず、
任意のダイヤモンド表面を本発明の抵抗層によって被覆
することができる。とは言え、本発明の抵抗層は多結晶
質ダイヤモンドとりわけCVDダイヤモンドと共に使用
すれば最も有用である。CVDダイヤモンドは蒸着用の
基体上にそのまま保持されることもあるが、薄板として
基体から分離される場合が多い。かかる薄板は、集積回
路において使用するため、所望の寸法及び形状を持った
断片に切断されることがある。
【0010】通例、汚染されていないダイヤモンドの表
面抵抗は15MΩ/mmより高く、またそれの抵抗率は
1013Ω・cm程度である。しかるに、ダイヤモンドが
その他の物質で汚染されると、表面抵抗は実質的に低下
することがある。更にまた、ダイヤモンドの表面上に黒
鉛状の炭素が存在すると、ダイヤモンドに対する金属パ
ターンの付着力が小さくなることもある。それ故、本発
明の金属層を設置するのに先立ち、黒鉛及びその他の汚
染物を完全に除去することが望ましい。そのためには、
比較的低い温度下でダイヤモンドを各種の強酸混合物に
接触させればよい。通例、痕跡量の金属を除去するため
には沸騰する塩酸−フッ化水素酸−硝酸混合物が使用さ
れ、また黒鉛を除去するためには沸騰する硫酸−硝酸混
合物が使用される。清浄処理の後、ダイヤモンド表面に
は金属層の付着力を向上させるための処理を施すことが
できる。そのためには、たとえば、スパッタエッチング
又はその他のプラズマ清浄処理技術を使用すればよい。
【0011】本発明の金属層を形成するために使用され
るニッケル−クロム合金は、一般に約60〜90重量%
のニッケル及び残部のクロムから成っている。なお、約
75〜85重量%のニッケルを含有する合金が好適であ
り、また80重量%のニッケルを含有する合金が最も好
適である。かかるニッケル−クロム合金は通常の技術に
よって設置することができる。多くの場合、スパッタリ
ングが好適である。こうして得られた合金被膜の厚さは
通例約100〜5000オングストロームであり、また
好ましくは約1000〜5000オングストロームであ
る。
【0012】かかる合金被膜については、被覆操作と同
時又はその後においてパターン化を施すことが一般に好
ましい。通例、単純なマスキングによる同時パターン化
が採用される。合金被膜の設置及び(随意の)パターン
化の後、かかる合金被膜を有する基板が窒化物を生成さ
せない非酸化性雰囲気中において加熱される。かかる雰
囲気は、全ガス量を基準として通例約10重量%までの
量で少なくとも1種の還元ガス(最も普通には水素)を
含有することが好ましい。なお、不活性ガスを単独で使
用してもよいし、あるいは上記の還元ガスと組合わせて
使用してもよい。不活性ガスの実例としてはヘリウム、
アルゴン、ネオン及びキセノンのごとき希ガスが挙げら
れるが、比較的安価に入手可能であるという点で一般に
アルゴンが好適である。窒素は、熱処理条件下で1種以
上の金属と容易に窒化物を生成するから避ける必要があ
る。
【0013】熱処理の温度もまた重要である。かかる温
度は約750〜900℃の範囲内になければならない
が、約750〜850℃の範囲内にあることが好まし
く、また約800℃であることが最も好ましい。約75
0℃より低い温度の使用は無効である。他方、約900
℃より高い温度下では、合金中のニッケルがダイヤモン
ド表面の黒鉛化を促進して部分的に導電性を付与し、そ
のために誘電体としての有効性が損なわれることがあ
る。
【0014】本発明の条件下における熱処理が有効であ
る理由は、明確には知られていない。とは言え、かかる
熱処理は基板から合金被膜中への炭素の拡散及び基板に
向かってのクロムの拡散を引起こし、それによって基板
にしっかりと結合したニッケル−クロム−炭素層を形成
することが判明している。また、炭化クロムの生成及び
ニッケル中への炭素の溶解はTCRの小さい物質を生み
出すものと考えられている。
【0015】本発明を一層詳しく説明するため、以下に
実施例を示す。詳しく述べれば、約12ミリ平方の大き
さ及び250ミクロンの厚さを有する複数の高度に研磨
されたCVDダイヤモンド試験片を等容の塩酸、フッ化
水素酸及び硝酸の沸騰混合物中で12時間にわたり処理
することによって金属汚染物を表面から除去し、次いで
4容の硫酸と1容の硝酸との沸騰混合物中で4時間にわ
たり処理することによって黒鉛状炭素及びその他の物質
を表面から除去した。清浄処理後に各々の試験片の表面
抵抗を測定したところ、使用した抵抗計の上限である1
5MΩ/mmより高かった。
【0016】試験片の表面に対して6分間にわたりスパ
ッタエッチングを施した後、100ワットの直流磁電管
及び8ミリトルのアルゴン圧を使用したスパッタリング
により、(80%のニッケル及び20%のクロムから成
る)ニッケル−クロム合金の層を(重量の増加及び表面
のプロフィル測定結果から求めて)3000オングスト
ロームの厚さに設置した。その際には、マイラー(Myla
r) ポリエステルマスクを用いてパターン化スパッタリ
ングを実施することにより、約3.2mmの幅を有する
金属ストリップを形成した。設置されたままのニッケル
−クロム合金層は、約7〜約175kg/cm2 の範囲
内の付着力及び約1.2×10-4Ω・cmの抵抗率を有
していた。多くの場合、150〜200℃に加熱すると
合金層は表面から剥落した。
【0017】金属被覆された基板を5重量%の水素と9
5重量%のアルゴンとから成る混合ガスに接触させなが
ら800℃で1時間にわたり熱処理したところ、付着力
が700kg/cm2 以上に増大した。それと同時に、
抵抗率は6.6×10-5Ω・cmに低下した。試験片の
オージェ電子分光分析を行ったところ、ニッケル−クロ
ム合金中に炭素が拡散すると共に金属−ダイヤモンド界
面に向かってクロムが拡散し、それによって炭化クロム
結合層の生成をもたらす条件が生み出されたことが判明
した。
【0018】合金層の熱安定性を評価するため、空気中
において試験片を200〜500℃で様々な時間にわた
り加熱した。各々の試験片が高温にある間にそれの抵抗
を測定した。熱処理を施したものは、4時間までの時間
にわたって450℃の温度に暴露した後にも付着力の低
下及び抵抗率の変化を示さなかった。500℃では1時
間後に抵抗率の増大が認められたが、オージェ電子分光
分析によれば、これは酸化及び合金層からの炭素の喪失
に原因することが判明した。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H05K 1/16 C 7726−4E (72)発明者 エリュー・カルヴァン・ジェラベク アメリカ合衆国、ニューヨーク州、グレン モント、フューラ・ブッシュ・ロード、 504番

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 (a) ダイヤモンド基板及び(b) 前記ダイ
    ヤモンド基板上に設置された密着性の金属層から成りか
    つ前記金属層中に拡散した炭素を含有する抵抗層を含
    み、前記抵抗層が10ppm/°Kより小さい抵抗の温
    度係数及び前記ダイヤモンド基板に対して700kg/
    cm2 より大きい付着力を示すことを特徴とする抵抗素
    子。
  2. 【請求項2】 前記金属層が約60〜90重量%のニッ
    ケル及び残部のクロムから成る請求項1記載の抵抗素
    子。
  3. 【請求項3】 前記金属層がパターン化されている請求
    項1記載の抵抗素子。
  4. 【請求項4】 前記ダイヤモンド基板が多結晶質ダイヤ
    モンドから成る請求項1記載の抵抗素子。
  5. 【請求項5】 前記ダイヤモンド基板が化学蒸着ダイヤ
    モンドから成る請求項1記載の抵抗素子。
JP7145038A 1994-06-17 1995-06-13 電子工学用途のためダイヤモンド上に設置された密着性のニッケル及びクロム含有合金被膜 Withdrawn JPH08130102A (ja)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US26210794A 1994-06-17 1994-06-17
US262107 1994-06-17
US34765994A 1994-12-01 1994-12-01
US347659 1994-12-01

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH08130102A true JPH08130102A (ja) 1996-05-21

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ID=26949027

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EP (1) EP0688026A1 (ja)
JP (1) JPH08130102A (ja)
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EP0688026A1 (en) 1995-12-20

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