DD285119A5 - METHOD FOR PRODUCING AN ELECTROTHERMICALLY HIGHLY DURABLE DENSITY RESISTANT ELEMENT - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrothermisch hochbelastbaren Duennschichtwiderstandselementes, das z. B. fuer Thermodrucker einsetzbar ist. Erfindungsgemaesz wird fuer die Herstellung der Widerstandsschicht auf das Substrat eine Doppelschicht gesputtert. Dabei ist von einem CrSiW-Target und von einem NiCr-Target mit definierter Zusammensetzung auszugehen. Die Sputterprozesse werden in einem Argon-Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch durchgefuehrt. Dabei werden die Sputterleistung, die Partialdruecke und die Sputterzeit so eingestellt, dasz das Verhaeltnis der Kondensationsraten von Targetmaterial und Reaktionskomponenten fuer CrSiW und fuer NiCr bei Stickstoff bzw. bei Sauerstoff bei bestimmten Werten liegt. Das Verhaeltnis der Flaechenwiderstaende der Teilschichten wird ebenfalls definiert eingestellt. Beim Strukturieren musz mindestens im Bereich der Kontakte die Doppelschicht erhalten bleiben. Abschlieszend wird das Schichtsystem einer Waermebehandlung bei einer Temperatur unterzogen, die unterhalb der Kristallisationstemperatur fuer CrSiWN (O) liegt.{Duennschichtwiderstandselement hochbelastbar; Sustrat; Doppelschicht; CrSiW-Target; NiCr-Target; Kondensationsraten; Argon-Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch; Teilschichten; Flaechenwiderstaende}The invention relates to a method for producing an electrothermally highly resilient Duennschichtwiderstandselementes z. B. can be used for thermal printer. According to the invention, a double layer is sputtered onto the substrate for the production of the resistance layer. It is assumed that a CrSiW target and a NiCr target with a defined composition. The sputtering processes are carried out in an argon-nitrogen-oxygen mixture. In this case, the sputtering power, the partial pressures and the sputtering time are adjusted so that the ratio of the condensation rates of target material and reaction components for CrSiW and for NiCr is at nitrogen or at oxygen at certain values. The ratio of the surface resistances of the partial layers is also set in a defined manner. During structuring, the double layer must be retained at least in the area of the contacts. Finally, the layer system is subjected to a heat treatment at a temperature which is below the crystallization temperature for CrSiWN (O). {Duennschichtwiderstandselement heavy duty; Sustrat; Double layer; CrSiW target; NiCr target; Condensation rates; Argon-nitrogen-oxygen-mixture; Sub-layers; Flaechenwiderstaende}
Description
Es gibt eine Vielzahl von thermischen Lösungen für die wärmeerzeugenden Widerstände in Thermodruckköpfen, IR-Strahlungssendern u. ä. Der allgemeine Entwicklungsstand geht zu thermisch höher belastbaren Widerstandsschichten. Für günstige Betriebseigenschaften sind zusätzlich ein kleiner Temperaturkoeffizient, eine hohe Oxidationsbeständigkeit der Schichten und eine positive Alterungsdrift notwendig. In der Fachwelt wird allgemein eingeschätzt, daß übliche Widerstandsschichtmaterialien wie z. B. CrSiO und TaN2 keine ausreichende Hochtemperaturstabilität, wie sie zum Betrieb mit sehr kurzen Heizimpulsen oder für sehr hohe Lebensdauerforderungen notwendig ist, erreichen (siehe z. B. K. Nunomura u. a. JEEE Trans. CHMT-6 [1983) 377). Deshalb wurden Alternatiwarianten entwickelt: Ta-SiC1Ta-Si, ZrN und BaRuO1. Hinsichtlich thermischer Belastbarkeit und elektrischer Parameter der Widerstandsschicht liegt der Mangel dieser bekannten Lösungen darin, daß nur spezielle Anforderungen, und diese meist auch noch unzureichend, erfüllt worden sind. Ta-SiC besitzt eine maximale Temperaturbelastbarkeit von 500 0C (K. Nunomura u.a. IEEE Trans. CHMT-6 [1983] 377). Ta-Si und ZrN besitzten eine niedrige Oxidationsbeständigkeit und damit entstehen hohe Anforderungen an die Deckschichtqualität (S. Sato u.a., Proc.33th Electronic Components Conf. 1983, S. 169ff. bzw. T. Nozewa u.a., Proc.35lh Electronic Components Conf. 1985, S. 304 ff.). Bei BaRuO3 ist wie auch bei sämtlichen anderen genannten Varianten der Temperaturkoeffizient mit 500 bis 900 ppm/K sehr groß (O.Takikawa u.a., Proz,36lh Electronic Components Conf. 1986, S.214ff.). Für die Sc.hichtherstellung sind reaktive Sputterprozesse u.a. auch im Reaktionsgasgemisch Argon und Stickstoff üblich.There are a variety of thermal solutions for the heat-generating resistors in thermal print heads, IR radiation transmitters u. Ä. The general state of development goes to thermally higher resilient resistance layers. For favorable operating properties, a small temperature coefficient, a high oxidation resistance of the layers and a positive aging drift are additionally necessary. In the art is generally estimated that conventional resistance layer materials such. B. CrSiO and TaN 2 not sufficient high temperature stability, as it is necessary for operation with very short heating pulses or for very high service life requirements, (see, for example, K. Nunomura et al., JEEE Trans. CHMT-6 [1983) 377). Therefore, alternative variants have been developed: Ta-SiC 1 Ta-Si, ZrN and BaRuO 1 . With regard to thermal resistance and electrical parameters of the resistive layer, the deficiency of these known solutions lies in the fact that only special requirements, and these in most cases also inadequate, have been met. Ta-SiC has a maximum temperature resistance of 500 0 C (K. Nunomura, inter alia, IEEE Trans. CHMT-6 [1983] 377). Ta-Si and ZrN have a low oxidation resistance and thus high demands are made on the topcoat quality (S. Sato et al., Proc.33 th Electronic Components Conf., 1983, pp. 169ff., And T. Nozewa et al., Proc.35 lh Electronic Components Conf. 1985, p. 304 ff.). As with all other variants mentioned, the temperature coefficient of BaRuO 3 is very high at 500 to 900 ppm / K (O.Takikawa et al., Proz, 36 lh Electronic Components Conf. 1986, p.214ff.). For the production of light reactive sputtering processes are also common in the reaction gas mixture argon and nitrogen.
Bekannte Thermodruckköpfe nach US-PS4 343986 mit CrSi als Widerstandsmaterial, sind auf Grund der Verwendung von nicht reaktiv hergestelltem CrSi nur bis maximal 5000C belastbar. Bei Verwendung von Sauerstoff als Reaktivgas gibt es einen sehr großen Schwankungsbereich des Temperaturkoeffizienten des Widerstandes im Bereich von -310 bis +500 ppm/K. Diese Schichten sind auch nur bis maximal 5000C belastbar, da die Widerstandsänderung sonst unzulässig groß wird (EP0079585). Als Verbindungsschicht zur Al-Leitbahnschicht wird bei beiden bekannten Thermodruckköpfen auf der Basis von CrSI eine Cr-Schicht verwendet. Das Schutzschichtsystem muß in beiden Fällen auf Grund der schlechten Stabilität aus einer aufwendigen Kombinationsschicht SiO2ATa2O5 bestehen.Known thermal printheads according to US-PS 4 343 886 with CrSi as a resistor material, due to the use of non-reactive CrSi only up to 500 0 C can be loaded. When oxygen is used as the reactive gas, there is a very large fluctuation range of the temperature coefficient of resistance in the range of -310 to +500 ppm / K. These layers can be loaded only up to 500 0 C, as the resistance change is otherwise prohibitively large (EP0079585). As a bonding layer to the Al wiring layer, a Cr layer is used in both known thermal printing heads based on CrSI. The protective layer system must in both cases due to the poor stability of a complex combination layer SiO 2 ATa 2 O 5 exist.
Zur reproduzierbaren Beherrschung des Kontaktes wird CrSi mit der Leitbahnschicht Al gemeinsam wärmebehandelt (z. B. bei 400°C bis 5000C an Luft in EP0079585). Ohne Leitbahn oxidiert CrSi oberflächlich so stark, daß beträchtliche und zudem stark schwankende Kontaktwiderstandsbeiträge auftreten. Die negativen Einflüsse werden dadurch noch verstärkt, daß beim unmittelbaren Stromübergang zwischen CrSi und Kontaktschicht, die Zone des Stromdurchbruchs ungünstig klein und damit auch elektrothermisch ungünstig ist.For the reproducible control of the contact with the conductive line layer is CrSi Al jointly heat-treated (for. Example, at 400 ° C to 500 0 C in air in EP0079585). Without a conductive track CrSi oxidizes superficially so strongly that considerable and also strongly fluctuating contact resistance contributions occur. The negative influences are exacerbated by the fact that in the direct current transition between CrSi and contact layer, the zone of the current breakthrough is unfavorably small and thus also electrothermally unfavorable.
Die Grenze der Wärmebehandlungstemperatur eines Schichtsystems mit Al ist auf Grund des niedrigen Schmelzpunktes von Al bei etwa 5500C erreicht, so daß eventuell für Widerstandsschichten vorteilhafte höhere Wärmebehandlungen so nicht ausgeführt werden können.The limit of the heat treatment temperature of a layer system with Al is reached because of the low melting point of Al at about 550 0 C, so that any for heat resistive advantageous higher heat treatments can not be carried out so.
Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtwiderstandselementen für thermische Anwendungen zu finden, bei dem diese eine hohe Lebensdauer auch bei kurzen Heizimpulsen erreichen, die Kontaktierung bei Vermeidung hoher Stromdichten beim Stromübergang von der Widerstands- in die Kontaktschicht reproduzierbar ist und die Notwendigkeit einerThe aim of the invention is to find a method for the production of thin-film resistor elements for thermal applications, in which they achieve a long service life even with short heating pulses, the contact while avoiding high current densities in the current transition from the resistance to the contact layer is reproducible and the need one
Deckschicht nicht besteht bzw. bei Handling- oder Verschleißschichten nur geringe Dichtheitsanforderungen gestellt werden müssen.Cover layer does not exist or have to be made in handling or wearing layers only low tightness requirements.
aufweisen und die Widerstandsänderungon bei Alterung positiv sind und bei dem im Kontaktbereich die Zone desand the resistance change in aging are positive and in the contact area, the zone of
spezielle Doppelschicht gesputtert wird. Dabei ist von einem CrSiW-Target, bei dem der Si-Gehalt zwischen 70 und 80 At.-% undder W-Gehalt zwischen 0,5 und 5 At.-% liegt, und von einem NiCr-Target, bei dem der Ni-Gehalt 50 At.-% beträgt, auszugehen. Diespecial double layer is sputtered. In this case, a CrSiW target in which the Si content is between 70 and 80 at.% And the W content is between 0.5 and 5 at.%, And a NiCr target in which the Ni Content 50 at.% Is to be assumed. The
entsprechende Wahl der Sputterleistung und des Partialdruckes zu erfolgen hat. Das Verhältnis der Kondonsationsraten vonappropriate choice of the sputtering power and the partial pressure has to be made. The ratio of Kondonsationsraten of
liegen. Dadurch erhält man eine Schicht, die etwa 30At.-% Stickstoff und weniger als 9% Sauerstoff enthält.lie. This gives a layer containing about 30 at.% Nitrogen and less than 9% oxygen.
man den geforderten spezifischen Widerstand und die geforderte Temperaturstabilität nicht. Bei zu großem Reaktivitätsgradsteigt der spezifische Widerstand sprunghaft an. Das Verhältnis der Kondensationsraten von Targetmaterial undnot the demanded resistivity and required temperature stability. If the degree of reactivity is too high, the resistivity increases abruptly. The ratio of the condensation rates of target material and
hohe thermische Belastbarkeit und eine günstige Stromverteilung durch eine breite Zone des Stromdurchbruchs im Kontakterreicht.high thermal capacity and a favorable current distribution through a wide zone of Stromdurchbruch in Kontakterreicht.
muß die Strukturierung so erfolgen, daß mindestens im Bereich der Kontakte die Doppelschicht erhalten bleibt. Abschließend istdie Doppelschicht einer Wärmebehandlung zu unterziehen, die unterhalb der Kristallisationstemperatur des CrSiWN liegt. DieThe structuring must be carried out so that at least in the region of the contacts, the double layer is maintained. Finally, the bilayer is subjected to a heat treatment which is below the crystallization temperature of the CrSiWN. The
üblicher Weise erfolgen. Vorteilhaft ist eine Regelung des Reaktivgaspartialdruckes durch ein Gaseinlaßsystem.usually done. Advantageous is a regulation of the reactive gas partial pressure by a gas inlet system.
einer Stromstärke, die zu einer Aufheizung der Widerstände auf 6000C führt, Widerstands} nderungen von kleiner als 10%aufweisen, der Betrag des Temperaturkoeffizienten des Widerstandes unter 200ppm/K liegt und die Widerstandsänderungender Heizelemente bei der Alterung positiv sind.a current intensity, which leads to a heating of the resistors to 600 0 C, resistor} changes of less than 10% have, the magnitude of the temperature coefficient of resistance below 200ppm / K is and the resistance changes of the heating elements are positive in aging.
können geringe Anforderungen an eine Handlungs- oder Verschleißschutzschicht gestellt werden.Low requirements can be placed on an action or wear protection layer.
eine Sputterleistungsdichte von 2,2 W/cm2 und einen Reaktivgaspartialdruck von 1,2 10"3mbar ein Verhältnis dera sputtering power density of 2.2 W / cm 2 and a reactive gas partial pressure of 1.2 10 " 3 mbar a ratio of
wird nicht zugeführt. Beim Sputtern des CrNi-Targets wird Luft als Reaktionsgas in den Plasmaraum eingelassen, derenis not fed. When sputtering the CrNi target air is introduced as a reaction gas in the plasma chamber, whose
und das Verhältnis von Stickstoff zu Sauerstoff 2:1 ist.and the ratio of nitrogen to oxygen is 2: 1.
bewegtem Substrat mit einem Verhältnis von Beschichtungszeit/Dunkeltakt von 1:7) wird ein Verhältnis der Flächenwiderständeder Teilschichten des CrSiW zu NiCrvon5:1 (1000/0:200/0) erreicht.moved substrate with a ratio of coating time / dark cycle of 1: 7), a ratio of the surface resistances of the sub-layers of CrSiW to NiCr5: 1 (1000/0: 200/0) is achieved.
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DD32996389A DD285119A5 (en) | 1989-06-26 | 1989-06-26 | METHOD FOR PRODUCING AN ELECTROTHERMICALLY HIGHLY DURABLE DENSITY RESISTANT ELEMENT |
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DD32996389A DD285119A5 (en) | 1989-06-26 | 1989-06-26 | METHOD FOR PRODUCING AN ELECTROTHERMICALLY HIGHLY DURABLE DENSITY RESISTANT ELEMENT |
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