DD226992A1

DD226992A1 - METAL-COATING RESISTANT WITH EXPRESSED MULTICOMPONENT ALLOY LAYER

Info

Publication number: DD226992A1
Application number: DD26719584A
Authority: DD
Inventors: Erhard Schippel
Original assignee: Wismar Ing Hochschule
Priority date: 1984-09-11
Filing date: 1984-09-11
Publication date: 1985-09-04

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Metallschichtwiderstand, dessen Widerstandsschicht aus einer ternaeren Legierung der Bestandteile Chrom, Silizium und Nickel besteht. Ziel der Erfindung ist es, qualitativ hochwertige Metallschichtwiderstaende mit einem Temperaturkoeffizienten um Null und einer hohen Stabilitaet herzustellen unter Nutzung einer neuen Schichtzusammensetzung, verbunden mit der Erkenntnis, dass die Moeglichkeit zur Ausbildung mehrerer Phasen im Ansatz in der Legierungsschicht die amorphe Atomordnung und damit das Bauelement stabilisiert. Das wesentliche der Erfindung besteht darin, dass durch Aufdampfen von ternaeren Legierungsschichten der Zusammensetzung im erfindungsgemaessen Bereich von 20% bis 40% Cr, 50% bis 65% Si und 5% bis 20% Ni Metallschichtwiderstaende mit einem Temperaturkoeffizienten um Null und einer hohen Stabilitaet hergestellt werden koennen. Die Erfindung kann zur Herstellung von Praezisionswiderstaenden genutzt werden. Fig. 1The invention relates to a metal film resistor whose resistance layer consists of a ternary alloy of the components chromium, silicon and nickel. The aim of the invention is to produce high-quality Metallschichtwiderstaende with a temperature coefficient around zero and high stability using a new layer composition, combined with the realization that the possibility to form multiple phases in the approach in the alloy layer stabilizes the amorphous atom order and thus the device , The essence of the invention is that produced by vapor deposition of ternary alloy layers of the composition in the inventive range of 20% to 40% Cr, 50% to 65% Si and 5% to 20% Ni Metallschichtwiderstaende with a temperature coefficient around zero and a high stability can be. The invention can be used for the production of precision resistors. Fig. 1

Description

Metallschichtwiderstand mit aufgedampfter MehrComponenten-Jjegiernngs schichtMetal film resistor with vapor-deposited multi-component alloy layer

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft einen Metallschichtwiderstand mit einer im Yakuten, aufgedampften Mehrkomponenten-legierungsschicht aus den Bestandteilen Chrom, Silizium und Uiekel.The invention relates to a metal film resistor having a multi-component alloy layer vapor-deposited in yakut from the constituents chromium, silicon and nickel.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Metallschichtwiderstände in diskreter oder integrierter Ausführung sind Sauelemente der Elektrotechnik/Elektronik, die aus einem nichtleitenden S-ubstratmaterial, wie beispielsweise Glas oder Keramik, einer darauf im Yakuum aufgedampften leitenden metallischen Widerstandsschicht bestehen und zum Schütze dieser Widerstandsschicht mit einer entsprechenden Umhüllung versehen werden.Discrete or integrated metal film resistors are electrical / electronic discrete elements made of a nonconductive substrate material such as glass or ceramic, a conductive metallic resist layer deposited thereon in a vacuum, and provided with a corresponding cladding to protect this resistive layer.

Metallschichtwiderstände- sind gegenüber den Kohle-,· Metalloxid- oder Cermetschichtwiderständen qualitativ hochwertige Bauelemente, die mit dem Ziel hergestellt werden, daß ihr Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands sehr klein und ihre Stabilität und Zuverlässigkeit sehr hoch ist.Metal film resistors are high-quality devices, as compared to the carbon, metal oxide or cermet layer resistors, which are manufactured with the aim of making their temperature coefficient of electrical resistance very small and their stability and reliability very high.

Die Eigenschaften des Metallschichtwiderstands werden von dem Ordnungszustand der Atome in der Schicht bestimmt, die sich aufgrund der Schichtzusammensetzung und der Beschichtungsbedingungen, wie Aufdampfrate, Substrattemperatur,The properties of the metal film resistance are determined by the order state of the atoms in the layer, which due to the layer composition and the coating conditions, such as vapor deposition rate, substrate temperature,

Höhe des Vakuums, Hestgaszusammensetzung, Oberflächenbesehaffenheit der Substrate und weiterer Bedingungen ausbilden kann. Angestrebt wird eine stabil geordnete Schicht mit amorpher Struktur.Level of vacuum, Hestgaszusammensetzung, surface condition of the substrates and other conditions can form. The aim is a stably ordered layer with amorphous structure.

Sie stabile Atomordnung in der amorphen Schicht ist deshalb wichtig, da jede Atomumordnung zu Änderungen des Widerstandswertes und des Temperaturkoeffizienten und damit zur Bauelementeinstabilität führt. Die amorphe Schientstruktur ist Voraussetzung, daS der Temperaturkoeffizient 'der aufgedampften legierungsschicht kleiner ist als der Temperaturkoeffizient der kompakten legierung gleicher Zusammensetzung mit kristalliner Struktur.Stable atomic ordering in the amorphous layer is important because any rearrangement of the atom leads to changes in resistance and temperature coefficient, and thus component instability. The amorphous track structure is a prerequisite that the temperature coefficient of the deposited alloy layer is smaller than the temperature coefficient of the compact alloy of the same composition having a crystalline structure.

Wie Untersuchungen ergeben haben, liegt in der amorphen Iiegierungsschicht nur dann eine stabile Atomordnung vor, wenn sich dort bereits im Ansatz die Phrasen andeuten, die sich bei der vorliegenden Legierungszusammensetzung entsprechend dem Zustandediagramm bilden wurden. Dabei bestimmt eine derartige Atomordnung in der amorphen Schicht, die nahe der kristallinen Ordnung liegt, vorrangig die Stabilität des Widerstandsbauelementes, während der Temperaturkoeffizient von der Anzahl, den Anteilen und der Verteilung der sich im Ansatz in der Iiegierungsschicht andeutenden Phasen abhängig ist.As investigations have shown, the amorphous layer of ions has a stable atomic order only if the phrases that were formed according to the state diagram in the present alloy composition are already there in the beginning. In this case, such an atomic order in the amorphous layer, which is close to the crystalline order, primarily determines the stability of the resistance component, while the temperature coefficient is dependent on the number, the proportions and the distribution of the phases suggesting in the starting layer in the alignment layer.

Anzahl, Anteil und zum Teil auch die Verteilung der Phasen in der Legierungssehieht sind jedoch abhängig von der Anzahl, dem Anteil und den Eigenschaften der legierungspartner. Somit wird der Temperaturkoeffizient von den Legierungsbestandteilen und die Stabilität der Aufdampfschicht von den Beschiehtungsbedingungen beeinflußt.However, the number, proportion and, in part, the distribution of the phases in the alloying process are dependent on the number, the proportion and the properties of the alloying partners. Thus, the temperature coefficient of the alloying ingredients and the stability of the vapor deposition layer are affected by the conditions of the coating.

Metallschiohtwiderstände als Präzisionsbauelemente werden auch gegenwärtig noch mit einer aufgedampften Uiekel/Chrom-Legierungsschicht bevorzugt hergestellt, wobei eine Schichtzusammensetung von etwa 40 $ lickel und 60 γ> Chrom angestrebt wird. Mit dieser Zusammensetzung erfüllt dieses Schichtsystem in einem begrenzten Widerstandswertespektrum die vorgenannten Bedingungen für den Temperaturkoeffizienten und die Stabilität. In diesem binären Legierungssystem könnenMetallic shunts as precision components are also still being produced with a vapor-deposited Uiekel / chromium alloy layer, wherein a layer composition of about 40 $ and 60 γ> chromium is desired. With this composition, this layer system in a limited resistance value spectrum satisfies the aforementioned conditions for the temperature coefficient and the stability. In this binary alloy system can

sich nur die cC -Phase (Cr) und die 1) -Phase (ITi-,Gr) bilden, Lies hat den ITachteil, daß bei der Produktion dieser Bauelemente die Seproduzierbarkeit der geforderten Bauelementequalität nur begrenzt und unter genauester Einhaltung einer Vielzahl von Prozeßparametern während der Beschichtung möglich ist.Only the cC phase (Cr) and the 1) phase (ITi, Gr) are formed. It has the disadvantage that in the production of these components the segregation of the required component quality is limited and under the most exacting observance of a large number of process parameters the coating is possible.

Ss ist bereits bekannt, daß durch Susatz ganz bestimmter Anteile von Aluminium zur ITi/Cr-Schicht verbesserte Me tallschichtwiderstände hergestellt werden können« Entsprechend dem Zustandsdiagramm ist in derartigen legierungsschichten die Bildung von drei bis vier Phasen möglich, die auch einzeln oder als Mischphasen nachgewiesen werden konnten.It is already known that improved Me tallschichtwiderstände can be made by Susatz very specific proportions of aluminum to ITi / Cr layer. "According to the state diagram in such alloy layers, the formation of three to four phases possible, which are also detected individually or as mixed phases could.

Im Patent 30 39 927 (BED H0ic 7/06) werden Ni/Cr-Schichten vorgeschlagen, die in einem sehr schmalen Bereich der Zusammensetzung nur 5 ⁰P bis 9 i> Silizium enthalten sollen.In the patent 30 39 927 (BED H0ic 7/06) Ni / Cr layers are proposed, which should contain only 5 ⁰ P to 9 i> silicon in a very narrow range of the composition.

Bs ist weiterhin bekannt, Metallsehichtwiderstände für hohe Widerstandswerte ab etwa 300 Sl/O durch Aufdampfen von Cr/Sl-Schichten herzustellen. Die Anteile sind so zu wählen, daß die Phase CrSip bei der Tempering entstehen kann. Ein kleiner Temperaturkoeffizient und eine hohe Stabilität werden bei dieser Schicht erst durch eine nachträgliche Temperung bei Temperaturen über 300 ⁰C erreicht. Temperatur und Temperzeit sind abhängig von den Beschichtungsbedingungen und sind jeweils für die einzelnen Chargen zu ermitteln und genau einzuhalten. Daraus ergeben sich neben dem höheren Energieaufwand für die Temperung mehrere ITachteile, die darin bestehen, daß der: Temperaturkoeffizient und der Widerstandswert erst nach der Temperung ermittelt werden können und davon stark abhängig sind. Auch eine Korrektur der Besehichtungsbedingungen kann somit erst relativ spät erfolgen.Bs is also known to produce metal vision resistors for high resistance values from about 300 Sl / O by vapor deposition of Cr / Sl layers. The proportions are to be chosen so that the phase CrSip can arise during the tempering. A small temperature coefficient and high stability are achieved in this layer only by a subsequent annealing at temperatures above 300 ⁰ C. Temperature and annealing time depend on the coating conditions and must be determined for the individual batches and must be strictly adhered to. This results in addition to the higher energy consumption for the tempering several ITachteile, which consist in the fact that the: temperature coefficient and the resistance value can be determined only after the annealing and are highly dependent on it. A correction of the Besehichtungsbedingungen can thus be done relatively late.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, die aufgezeigten Nachteile zu beseitigen, um qualitativ hochwertige Metallschichtwiderstände mit einem Temperaturkoeffizienten um Full und hoher Stabilität herzustellen unter Nutzung einer neuen Sqhichtsusammensetzung und der Erkenntnis, daß die Ausbildung von mehreren Phasen inThe aim of the invention is to eliminate the disadvantages mentioned to produce high-quality metal film resistors with a temperature coefficient of full and high stability using a new composition Sqhichtsusammensetzung and the realization that the formation of several phases in

der Legierungsschicht zu stabilen Atomordnungen führt.the alloy layer leads to stable atomic orders.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Die technische Aufgabe der Erfindung besteht darin, auf der Basis einer Hehrkomponenten-legierungsschicht Metallschichtwiderstände in einem weiten Widerstandswertespektrum herzustellen, deren Schichtzusammensetzung die Ausbildung mehrerer Phasen zwischen den Legierungspartnern ermöglicht, so daß die Bauelemente einen kleinen Temperg;turkoeffizienten und eine hohe Stabilität besitzen, ohne daß dazu besondere zusätzliche Maßnahmen erforderlich sind.The technical object of the invention is to produce on the basis of a Hehrenkomponenten alloy layer metal film resistors in a wide range of resistance whose layer composition allows the formation of multiple phases between the alloying partners, so that the components have a small Temperg turkoeffizienten and high stability, without special additional measures are required.

Erfindungsgeinäß sind dazu Schichten geeignet, die überwiegend 'aus Chrom und Silizium bestehen und einen ETickel-Anteil von 5 fo bis 20 $ enthalten. Bei der Untersuchung von aufgedampften ternären legierungsschichten Cr-Si-Ni verschiedener Zusammensetzungen wurde ein Berich gefunden, in dem die Schichten einen Temperaturkoeffizienten um EuIl haben. Die Schichten in diesem Bereich haben die Zusammensetzung:Layers are adapted Erfindungsgeinäß which consist predominantly 'of chromium and silicon and containing a ETickel content of 5 to 20 $ fo. In the investigation of evaporated ternary alloy layers Cr-Si-Ni of various compositions, a report was found in which the layers have a temperature coefficient around EuIl. The layers in this area have the composition:

20 # bis 40 io Cr, 50 $> bis 65 $> Si, 5 i> bis 20 $> Έ1. 20 # to 40 io Cr, $ 50 > to $ 65 > Si, 5 i> to $ 20 > Έ1.

Dieser Bereich wird im Dreistoffsystem Cr-Si-Ii der 'lig. 1 von den Strecken A-B, B-C, C -D, D-E, B-F und 1 - A begrenzt.This area is in the ternary Cr-Si-Ii the 'lig. 1 of the routes A-B, B-C, C-D, D-E, B-F and 1 - A limited.

In diesem erfindungsgemäßen Bereich der Zusammensetzung der Mehrkomponenten-legierungsschicht Cr-Si-Ii ist die Bildung zahlreicher Phasen zwischen den Iiegierungspartnern möglich. Heben der oC -Phase (Cr), der 3^-Phase (Hi,Cr) und der Phase CrSi₀ sind noch mindestens drei Phasen zwischen Silizium und liickel möglich. Ss sind dies vorrangig die ζ -Phase (ITiSi₂), die 42 -Piiase (ITiSi) und die £ -Phase (27i-,Si₂). Die Möglichkeit zur Bildung dieser zahlreichen Phasen hemmt die allgemeine und auch bevorzugte Ausbildung einer Phase, wodurch die Atomordnung nach dem Aufdampfen in der amorphen Schicht sehr stabil ist und damit auch das Bauelement einen kleinen Temperaturkoeffizienten und eine hohe Stabilität des Widerstandswertes besitzt. Aufgrund des nickel-AnteilsIn this inventive range of composition of the multi-component alloy layer Cr-Si-Ii, the formation of numerous phases between the Iiegierungspartnern is possible. Raise the oC phase (Cr), the 3 ^ phase (Hi, Cr) and the phase CrSi ₀ are still at least three phases between silicon and Liickel possible. These are predominantly the ζ- phase (ITiSi ₂ ), the 42-phase (ITiSi) and the £ -phase (27i, Si ₂ ). The ability to form these numerous phases inhibits the general and also preferred formation of a phase, whereby the atomic order after vapor deposition in the amorphous layer is very stable and thus also the device has a small temperature coefficient and a high stability of the resistance value. Due to the nickel content

ist diese ternäre .begieruagsschicht auch zur Herstellung niederohmiger Widerstände geeignet.This ternary .begieruagsschicht is also suitable for the production of low-resistance resistors.

Ausführungsb e i sp i elEmbodiment of the invention

Auf Substrate für diskrete oder integrierte Bauelemente werden durch geeignete Beschichtungsverfahren im Vakuum, vorzugsweise mittels der Sputter-Technik, dünne Hehrkomponenten-Legierungsschichten aus Gr-Si-JTi für elektrische Ketallschichtwiderstände aufgedampft, deren Zusammensetzung im angegebenen Bereich der Pig. 1 liegt. Unter Hutzung der bekannten und üblichen Verfahren für den Widerstandswerteabgleich, der zusätzlichen Stabilisierung, der Anschlußtechnik und der Umhüllung können die mit der Kehrkomponentenlegierungsschicht Gr-Si-ITi beschichteten Substrate entsprechend der Ausführungsform komplettiert werden.On substrates for discrete or integrated components are coated by suitable coating methods in a vacuum, preferably by means of the sputtering technique, thin Hehrkomponenten alloy layers of Gr-Si-JTi for electrical Ketallschichtwiderstände whose composition in the specified range of Pig. 1 lies. Using the known and conventional methods for resistance compensation, additional stabilization, connection technology and cladding, the substrates coated with the Kehrkomponentenlegierungsschicht Gr-Si-ITi according to the embodiment can be completed.

In Pig. 2 ist als Beispiel der Einfluß des Si-Anteils auf den Temperaturkoeffizienten dieser ternären legierungsschicht dargestellt, wie er bei den Untersuchungen in der Versuchsreihe mit einem konstanten Cr-Anteil von 30 Atom °ß> erhalten wurde. Die Schichtzusammensetzungen dieser dargestellten Versuchsreihe liegen in Pig. 1 auf der Verbindungslinie der Punkte B - Ξ. Die Darstellung in Pig. 2 zeigt, daß der Temperaturkoeffizient im erfindungsgemäßen Bereich kleiner als 50 · 10"⁶/Σ ist.In Pig. 2 is shown as an example of the influence of Si content on the temperature coefficient of this ternary alloy layer, as ß in the tests in the test series with a constant Cr content of 30 atomic ° was obtained>. The layer compositions of this illustrated series of experiments are in Pig. 1 on the connecting line of points B - Ξ. The representation in Pig. 2 shows that the temperature coefficient in the inventive range is less than 50 x 10 ^"6 / Σ.

Claims

claim

Metal film resistor, comprising a multicomponent alloy layer vapor-deposited in a vacuum, characterized in that this layer consists of a ternary alloy of the constituents chromium, silicon and nickel, the composition of which is in the range of

20 $> to 40 io Gr, 50 $ to 65 $ 1 = Si and 5 to 20 $ ITi

and whose atomic order in the amorphous layer is stabilized by the possibility of forming several phases' between the alloying partners.

"For this 2 pages drawings"