CH688169A5 - Elektrische Widerstandsschicht. - Google Patents

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CH688169A5 CH00099/94A CH9994A CH688169A5 CH 688169 A5 CH688169 A5 CH 688169A5 CH 00099/94 A CH00099/94 A CH 00099/94A CH 9994 A CH9994 A CH 9994A CH 688169 A5 CH688169 A5 CH 688169A5
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Description

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CH 688 169 A5
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Widerstandsschicht enthaltend die Elemente Nickel (Ni), Chrom (Cr), Aluminium (AI), Kupfer (Cu) und Silizium (Si).
Metallfilm- oder Schichtwiderstände sind heute in der Elektronik weit verbreitet. Die Widerstandsschichten bestehen häufig aus einer Nickel-Chrom-Legierung (Ni-Cr), welche im Vakuum, z.B. durch Aufdampfen oder in jüngerer Zeit vermehrt durch Kathodenzerstäubung, auf ein geeignetes Substrat aufgebracht und zusammen mit einer geeigneten Diffusionsbarriere und einer Kontaktierungsschicht versehen wird.
Widerstandsschichten aus Ni-Cr-Legierungen zeichnen sich aus durch einen kleinen Temperaturkoeffizienten (TK) und eine gute Langzeitstabilität. Der Temperaturkoeffizient wird üblicherweise in ppm/°C = 1/R*4R/aT *106 angegeben. Unter Langzeitstabilität wird die relative Widerstandsänderung (aR/R *100%) verstanden, die ein Widerstand nach der Lagerung während tausend oder zehntausend Stunden bei erhöhten Temperaturen von 125 oder 150°C erfährt. Typische Werte für den Temperaturkoeffizienten einer Ni-Cr-Widerstandsschicht sind kleiner als 50 ppm/°C, und die Stabilitätswerte liegen zwischen 0.1-0.25%.
Durch die breite Verwendung steigt aber der Bedarf an Widerstandsschichten mit noch besseren Eigenschaften. Es ist z.B. bekannt, dass die Langzeitstabilität vor allem durch die Oxidationsbeständigkeit der Widerstandsschichten bestimmt ist. Zur Verbesserung der Stabilität werden die Widerstandsschichten typischerweise einer Voralterung von 2 bis 12 Stunden bei 200—300°C unterworfen. Die dabei an der Oberfläche entstehende Oxidschicht schützt die Schicht im Betrieb weitgehend gegen eine weitere Oxidation und verbessert dadurch die Stabilität der so hergestellten Metallfilmwiderstände.
Um die Langzeitstabilität weiter zu verbessern, hat R. Kaneoya vorgeschlagen, der Ni-Cr-Legierung ein weiteres Metall, wie Al, Si, Be, zuzusetzen, welches bekanntermassen ein stabiles Oxid bildet (Electron, and Communications in Japan, Vol. 52-C, No. 11, 1969, pages 162 to 170). Kaneoya stellte ternäre NiCrLegierungen mit Be, Si oder Sn, und quaternäre NiCr-Legierungen mit BeAl oder SiAl her. Als die vorteilhafteste Legierung hat Kaneoya NiCrSi gefunden mit einem TK < 10 ppm/°C und eine Langzeitstabilität von 0.01% nach 1000 Stunden bei 100°C. Nachteilig bei den von Kaneoya gefundenen Widerstandsschichten ist jedoch, dass diese hermetisch gekapselt werden müssen, damit diese die vorerwähnte Langzeitstabilität erreichen. Dadurch wird das Herstellungsverfahren aufwendiger und die Widerstände verteuern sich. Ein weiterer Nachteil ist, dass die gleichzeitige Verdampfung von mehr als zwei Elementen in einer Verdampfungsanlage in der Praxis äusserst schwierig ist, sodass die Reproduzierbarkeit der Schichten schlecht ist.
Offenbart wurden auch schon NiCr-Widerstandsschichten mit einem hohen AI-Gehalt (z.B. DE-OS 2 204 420 und E. Schippet, Kristall und Technik 11 [1973] 1983). Allerdings haben diese Schichten, vermutlich wegen Herstellungsproblemen, im Markt bisher keine Bedeutung erlangt.
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstig herzustellende, verbesserte Widerstandsschicht zur Verfügung zu stellen, welche einen kleinen Temperaturkoeffizienten und eine hohe Langzeitstabilität aufweist.
Erfindungsgemäss wurde eine elektrische Widerstandsschicht gefunden, enthaltend die Elemente Nikkei (Ni), Chrom (Cr), Aluminium (AI), Kupfer (Cu) und Silizium (Si), wobei bezogen auf Aluminium der Kupfergehalt 1 bis 5.5 Gewichtsprozente und der Siliziumgehalt 0.5 bis 1.6 Gewichtsprozente beträgt und das Verhältnis von Ni:C:AISiCu in einem Bereich liegt, welcher durch ein Sechseck ABCDEF definiert ist, dessen Eckpunkte durch die folgenden Zusammensetzungen in Gewichtsprozenten gegeben sind (einzige Figur):
Widerstandsschichten dieser Zusammensetzungen zeichnen sich durch eine hohe Langzeitstabilität und einen niedrigen Temperaturkoeffizienten aus. Im Gegensatz zu den von R. Kaneoya hergestellten ternären und quaternären Widerstandsschichten brauchen die erfindungsgemässen Widerstandsschichten nicht mehr gekapselt werden. Dadurch können die Produktionskosten wesentlich gesenkt werden.
Vorteilhaft liegt das Verhältnis von Ni:Cr:AISiCu in einem Bereich, welcher durch das Viereck DEFG definiert ist (G = Ni:Cr:AISiCu = 38:60:2). Widerstandsschichten dieser Zusammensetzungen können mit Hilfe von bereits im Handel erhältlichen, vorlegierten Targets hergestellt werden.
Die Herstellung der erfindungsgemässen Widerstandsschichten kann mit den bekannten Beschich-tungsverfahren erfolgen. Grundsätzlich ist es denkbar, die Elemente zur Erzeugung der quinären Legie-
A 58 Ni
B 52 Ni
C 32 Ni
D 13 Ni
E 13 Ni
F 18 Ni
40 Cr 33 Cr 33 Cr 52 Cr 75 Cr 80 Cr
2 AlSiCu 15 AlSiCu 35 AlSiCu 35 AlSiCU 12 AlSiCu 2 AlSiCu
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rung in einer entsprechenden Anlage simultan zu verdampfen. Dies erforderte jedoch eine aufwendige Steuerung zur Erreichung einer ausreichenden Reproduzierbarkeit. Solch eine Anlage ist zur Zeit auf dem Markt nicht erhältlich. Es werden deshalb vorteilhafterweise wenigstens zwei Elemente zu einer Vorlegierung zusammengefasst. Ais äusserst vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn Ni und Cr einerseits und Al, Si und Cu andererseits vorlegiert werden. Solche Vorlegierungen sind in bestimmten Zusammensetzungen auf dem Markt bereits erhältlich. Die Verwendung von anderen Vorlegierungen ist jedoch ebenso denkbar. Durch die Verwendung von Vorlegierungen können die erfindungsgemässen Widerstandsschichten in herkömmlichen Anlagen, wie z.B. der LLS 900 von der Balzers Aktiengesellschaft, 9496 Balzers, Fürstentum Liechtenstein, hergestellt werden. Die erwähnte LLS 900 ist eine Kathoden-Zerstäubungsanlage und kann mit insgesamt 5 Planar Magnetrons ausgerüstet werden, wobei jeweils 2 Planar Magnetron Kathoden gleichzeitig betrieben werden können. Die Planar Magnetrons sind in der Prozesskammerwand senkrecht angeordnet. Die in den planaren Magnetrons befindlichen Targets bestehen dabei aus dem Material, das zur Schichtherstellung dient. Zur Beschichtung werden die Substrate senkrecht in eine Trommel der LLS 900 eingelegt, welche sich während des Beschichtungsvorgan-ges an den Planar Magnetrons vorbeibewegt. Die Umdrehungsgeschwindigkeit beträgt üblicherweise ungefähr 50 Umdrehungen pro Minute. Die Technik der Kathoden-Zerstäubung ist z.B. in «Dünnschichttechnologie» (Düsseldorf 1987, § 4.7) von H. Frey und G. Kienel, eingehend beschrieben.
Die Herstellung der Widerstandsschichten kann aber auch mittels Flash-Verdampfung im Hochvakuum erfolgen, indem die Elemente oder geeignete Vorlegierungen dieser Elemente eingesetzt werden (LI. Maissei, R. Glang «Handbook of Thin Film Technology», N.Y. 1970, § 1). Die Verdampfung kann aber ebenso durch Elektronenstrahl-Verdampfung erfolgen (H. Frey, G. Kienel, Dünnschichttechnologie, § 3.3).
Verfahren
Zur Herstellung eines Schichtwiderstandes mit einer erfindungsgemässen Widerstandsschicht, einer Diffusionsbarriere aus TiW und einer Kontaktierungsschicht aus Pd und Au, wurde eine Kathoden-Zer-stäubungsanlage vom Typ LLS 900 (siehe oben) eingesetzt. Als Trägermaterial wurde ein Aluminiumoxid-Substrat der Firma Coors, ADS 996 (Reinheit ca. 99.6%) eingesetzt. Andere bekannte Trägermaterialien, wie z.B. AbOa-Keramik, Glas, oxidierte Silizium-Wafer oder dergleichen, können jedoch auch eingesetzt werden. Es ist jedoch zu beachten, dass je nach verwendetem Substratmaterial oder Substratzusammensetzung die Prozessparameter entsprechend angepasst werden müssen.
Insgesamt wurden zur Herstellung des Schichtwiderstands 5 verschiedene Targets eingesetzt (erhältlich z.B. bei Balzers Aktiengesellschaft, Liechtenstein):
Target
Zusammensetzung
Reinheit
1.
NiCr
30/70
99.9
2.
AlSiCu
94/1/5
99.9
3.
TiW
10/90
99.99
4.
Pd
99.95
5.
Au
99.99
Die einzelnen Prozessschritte zur Herstellung des Schichtwiderstandes sind wie folgt:
1. Beladen der Prozesskammer und anschliessendes Abpumpen derselben, bis ein Vakuum von ca. 2* 10-6 mbar erreicht ist.
2. Einstellen eines Prozessdruckes von ungefähr 2* 10-3 mbar durch Einlassen von Argon einer Reinheit von 99.998% in die Prozesskammer. Einschalten des Drehantriebs für die Substrathalterung.
3. Gleichzeitiges Abstäuben (= Sputtern) des NiCr und des AlSiCu Targets. Die eingestellte Leistung beträgt dabei in der Regel zwischen ungefähr 0.5 und 2 kW, sodass Wachstumsraten zwischen ungefähr 0.03 und ungefähr 0.1 Nanometer oder 1 Angstroem pro Sekunde resultieren. Die Sputterzeit hängt dabei von der gewünschten Schichtdickenstärke ab und bewegt sich üblicherweise zwischen 4 und 10 Minuten. Die Substrattemperatur kann zwischen 150°C und 250°C betragen.
4. Abstäuben des TiW-Targets zum Aufbringen der Diffusionsbarriere. Dieser Prozessschritt ist weniger kritisch, sodass eine höhere Sputterleistung resp. Wachstumsrate eingestellt werden kann.
5. Abstäuben des Palladium-Targets.
6. Abstäuben des Gold-Targets.
7. Zustrom von Argon unterbrechen, Drehantrieb ausschalten, Fluten der Prozesskammer und Entnahme der Substrate.
8. Erzeugen der Strukturen in bekannter Weise und anschliessendes Tempern (annealing) der Substrate bei ungefähr 350°C während ca. 2 Stunden.
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Die NiCrAISiCu-Legierung ist für die Herstellung von Schichtwiderständen mit einem Widerstandswert zwischen ungefähr 20 Ohm/Sq. bis 300 Ohm/Sq., besonders vorteilhaft für solche mit einem Widerstandswerte zwischen ungefähr 50 Ohm/Sq. bis 200 Ohm/Sq. geeignet (Square = Flächeneinheit). Der Temperaturkoeffizient kann durch Variieren der aufgetragenen AISiCu-Menge auf den gewünschten Wert angepasst werden. Die Alterungstemperatur (annealing) für die Schichtwiderstände kann bei allen Substrattypen zwischen 300 und 350°C betragen.
Nachfolgend werden die Prozessdaten für die Herstellung eines Schichtwiderstandes mit einem Flächenwiderstand von 100 Ohm/Sq. beschrieben (Schritte 3 bis 6; s.o.):
Target
Leistung (kW)
Rate (nm/s)
Sputterzeit (s)
NiCr
1.5
0.07
320
AlSiCu
0.9
0.045
320
TiW
3.0
0.2
260
Pd
3.0
0.6
180
Au
2.5
0.6
180
Der mit den obigen Prozessparametern hergestellte Schichtwiderstand weist folgende Spezifikationen auf:
Temperaturkoeffizient: +/- 5 ppm/°C (zwischen -55 und 150°C)
Langzeitstabilität: < 300 ppm (Lagerung bei 150°C
während 1000 Stunden)

Claims (11)

Patentansprüche
1. Elektrische Widerstandsschicht enthaltend die Elemente Nickel (Ni), Chrom (Cr), Aluminium (AI), Kupfer (Cu) und Silizium (Si), wobei bezogen auf Aluminium der Kupfergehalt 1 bis 5.5 Gewichtsprozente und der Siliziumgehalt 0.5 bis 1.6 Gewichtsprozente beträgt und das Verhältnis von Ni:Cr:AISiCu in einem Bereich liegt, welcher durch ein Sechseck ABCDEF definiert ist, dessen Eckpunkte durch die folgenden Zusammensetzungen in Gewichtsprozenten gegeben sind:
A
58 Ni
40 Cr
2 AlSiCu
B
52 Ni
33 Cr
15 AlSiCu
C
32 Ni
33 Cr
35 AlSiCu
D
13 Ni
52 Cr
35 AlSiCu
E
13 Ni
75 Cr
12 AlSiCu
F
18 Ni
80 Cr
2 AlSiCu
2. Elektrische Widerstandsschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Ni Cr:AISiCu in einem Bereich liegt, welcher durch das Viereck DEFG definiert ist, wobei G durch die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozenten gegeben ist:
G 38 N 60 Cr 2 AlSiCu
3. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Widerstandsschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsschicht im Vakuum mittels flash-Verdampfung der Elemente aufgebracht wird.
4. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Widerstandsschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsschicht im Vakuum durch Kathoden-Zerstäubung der Elemente aufgebracht wird.
5. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Widerstandsschicht nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass planare Magnetrons verwendet werden.
6. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Widerstandsschicht einer Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsschicht im Vakuum durch Elektronenstrahl-Verdampfung der Elemente aufgebracht wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Vorlegierungen von wenigstens zwei der aufzubringenden Elemente verwendet werden.
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8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorlegierung von Nickel und Chrom einerseits, und eine Vorlegierung von Aluminium, Silizium und Kupfer andererseits verwendet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass Vorlegierungen der Zusammensetzungen NiCr 30/70 und AlSiCu 94/1/5 verwendet werden.
10. Elektrischer Schichtwiderstand mit einer elektrischen Widerstandsschicht nach Anspruch 1 oder 2, einer Diffusionsbarriere und einer Kontaktierungsschicht.
11. Elektrischer Schichtwiderstand nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbarriere aus TiW, Ti oder Mo und die Kontaktierungsschicht aus wenigstem einem der Elemente Pd, Au, Al, Ni oder Cu gebildet ist.
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