DE1790139A1

DE1790139A1 - Verfahren zum Herstellen von stabilen elektrischen Metallfilmwiderstaenden

Info

Publication number: DE1790139A1
Application number: DE19681790139
Authority: DE
Inventors: Walter Schellnast
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1968-09-17
Filing date: 1968-09-17
Publication date: 1972-01-20
Also published as: BE738989A; NL6913655A; FR2018251A1

Description

Verfahren zum Herstellen von stabilen elektrischen Metallfilmwi der stand en -

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von stabilen elektrischen Metallfilmwiderständen, insbesondere von Tantal-Dünnschicht-Widerständen.

Es ist bekannt, daß sich Ventilmetalle anodisch oxydieren lassen. Die Dicke der Oxidschicht ist dabei abhängig von der Anodisierungsspannung und der Zeitdauer, während der diese Spannung angewendet wird.

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Diese Tatsache hat man u.a. beim Herstellen von elektrischen Dünnschicht-Schaltungen und -widerständen ausgenützt, bei welchen auf ein nichtleitendes Substrat eine Ventilmetallschicht, insbesondere. Tantal, in geeigneter Konfiguration aufgebracht ist. Zum Abgleich z.B. des Widerstandswortes von Tantal-Y/iderstünden wird die Tantalschicht an den positiven Pol einer Gleichspannungsquelle gelegt und in eine geeignete Elektrolytflüssigkeit getaucht, in die ebenfalls der negative Pol der Spannungsquelle eintaucht. Unter abwechselndem Anodisieren und Messen wird der Abgleichvorgang so lange fortgesetzt, d.h. die Tantalschicht so tief in z.B. Tantalpentoxid übergeführt, bis der gewünschte Widerstandswert erreicht ist.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß sich die elektrischen Daten solcher durch anodischen Abgleich eingestellter Widerstände während der Lagerzeit und vor allem während des Betriebes ändern können, was insbesondere für Präzisionswiderstände nicht erwünscht ist.

Es wurde deshalb anschließend an den Anodisierungsproseß ein- Temperprozeß eingeführt, der z.B. bei 250 G während einer Dauer von 2,5 Stunden eine künstliche Alterung hervorruft.

Diese künstlich gealterten Widerstände zeigen zwar eine ausreichende Langzeitkonstanz, jedoch wird das Herstellungsverfahren beträchtlich verlängert. Der anodische Abgleich nimmt eine Zeit von wenigen Sekunden bis höchstens Minuten in Anspruch, während die Nachbehandlung mehrere Stunden dauert.

Die Erfindung hat sich deshalb die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zum Herstollen von stabilen elektrischen Metall-

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filmv/iderstünden z.B. innerhalb von Bünnschicht-Schaltimgon, das wesentlich weniger Zeit beansprucht als die bisher bekannten Verfahren,anzugeben; Außerdem soll der Gebrauch der gegebenenfalls ätzenden Elektrolytflüssigkeit eingeschränkt oder ganz vermieden v/erden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemUß dadurch gelöst, daß die Oberfläche der Metallschicht durch thermische Behandlung in reaktiver Atmosphäre in eine elektrisch nichtleitende Verbindung übergeführt xtXrü.

Damit werden die Vorteile erzielt, daß die Widerstände ohne künstliche Alterung die gewünschte Langzeitkonstanz zeigen, daß keine gegebenenfalls ätzenden Flüssigkeiten verwendet werden und daß keine Abdeckmasken erforderlich sind, υπ s.D. die Kontaktschichten aus CrHi und/oder Gold vor dem Zutritt des Elektrolyten zu schützen.

Vorzugsweise arbeitet das erfindungsgemäßo Verfahren bei Temperaturen zwischen 350° und 800° C. Je nach Ausgangswert und Temperatur bildet sieh die nötige elektrisch nichtleitende Metallverbindung in der kurzen Zeit von fünf Sekunden bis fünf Minuten.

Zur Bildung von Oxidschichten wird die thermische Behandlung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre vorgenommen, z.B. in Luft. Zur Bildung von Metallnitriden dagegen wird die thermische Behandlung in einer sauorstofffreien, stickstoffhaltigen Atmosphäre vorgenommen.

Will man die Vorteile der Oxidschicht mit den Vorteilen der •Nitridschicht vereinen, so wird man die sauerstoffhaltige Atmosphäre mit der stickstoffhaltigen in geeigneter Weise kombinieren. Die günstigste Kombination laßt sich dabei durch einfache Versuche ermitteln.

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Sollte die durch die einmalige thermische Behandlung erreichte Zielgenauigkeit beim Erreichen dos Endv/ertes nicht genügen, so wird anschließend ein Fcinabgleich vorgenommen. Hierzu eignet sich daa herkömmliche Anodisieren.. Es sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt oder vorgeschlagen, die ohne schützende Oberflächenmasken arbeiten und die befriedigende Ergebnisse liefern, zumal es sich nur um einen Feinabgloich in der Größe von maximal 1 bis 2$ handelt.

Vorzugsweise wird aber auch zum Feinabgloich die erfindungsgenüße thermische Behandlung angewendet. Um jedoch zu vermeiden, daß beim Erhitzen der ganzen Schaltung infolge der Wärmeträgheit des Substrates der Widerstandswert über den gewünschten Wert ansteigt, wird vorteilhaft der Feinabgloich durch lokales Erhitzen der Metallschicht vorge- ; nommen. Um zu große Spannungen im Substrat zu vermeiden,

^f kann man hierbei den Schichtträger zuvor leicht anwärmen.

; Besonders einfach und handlich gestaltet sich der Feinf abgleich, wenn als Wärmequelle eine fokussierte elektrof magnetische Strahlung verwendet wird. Als Quelle kommt ein Laser in Betracht, aber auch Glühlampen oder Gasentladungslampen mit geeignetem Spektrum sind brauchbar, eben- : so die bekannte HF-Erwiirmung mit Mikrowellen. Die in Brenn-, flock konzentrierte Iiichtenergio muß dabei so geregelt werden, daß sich die obenerwähnten Temperaturen auf der : Metallschicht einstellen. Das Metall soll dabei nicht wegdampfen, sondern in eine thermisch ..%·:ν..: : r stabile und elektrisch nichtleitende Verbindung übergeführt werden.

Besonders vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Verfahren laufend messend verfolgt. Die Verfahrensparameter, wie Temperatur, Zeit und Konzentration und Art der reaktiven

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Atmosphäre, lassen sich danach in günstiger Weise verändern und einstellen.

Bei einem Ausführungsbeispiol war auf einen G-lastruger ein mäanderfürmiger Widerstand mit einem Ausgangswert von 150 Kiloohm "bis auf ca, 2^c/o angenähert erreicht worden. Beim folgenden Peinabgleich v/urde das Licht einer Halogenlampe auf die V/iderstandsschicht fokussiert und so lange unter laufendem Messen des Widerstandsanstieges über der Schicht bewegt, bis der'Endwert erreicht war. Während des Feinabgleichs war das Substrat auf ca. 4-00 C erwärmt worden. Der so erhaltene Widerstand änderte wahrend einer Beobachtungszeit von ca. 1000 Stunden seinen elektrischen Wert nur um 2 Promille.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich nicht nur stabile Widerstände herstellen und abgleichen; bei Dünnschicht-Kondonsatoren kann das Dielektrikum so erzeugt werden. Hierbei macht sich ebenfalls die vorbesserte Langzeitkonstanz vorteilhaft bemerkbar.

Da das erfindungsgemäßo Verfahren ohne Abdeckschablonen arbeitet, reicht die oxidbedeckte Widerstandsschicht bis unmittelbar an die Kontaktflächen heran. Beim Anodiöierungsverfahren dagegen müssen die Kontaktflächen abgedeckt werden. Dabei wird aus Sicherheitsgründen die Abdeckschablone größer gehalten als die'eigentliche Kontaktfläche, so daß zwischen der Kontaktfläche und der nichtleitenden Oberfläche der Widerstandsschicht ein nicht oder nur schwach mit an Luft gebildetem Oxid bedeckter Streifen des Widerstandsmaterials sichtbar ist.

Bei Tantalcchichten worden die Kontaktflächen z.B. aus Gold hergestellt, unter dem sich als Haftschicht eine Ghrom-

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Nickel-Schicht befindet* Unter der Kontaktflache wird die Tantalschicht nicht oxidiert oder nitriert, so daß der elektrische Kontakt nicht beeinträchtigt wird, Beim thermischen Abgleichen kann es vorkommen, daß einzelne Nickolatome in die Goldschicht eindiffundieren und an der Oberfläche z.B. oxydieren, insbesondere vienn der erfindungsgemäße Abgleich an der oberen Temperaturgrenze vorgenommen wird. Diese dünne Oxidschicht wird dann durch ein entsprechendes !lötmittel wieder völlig beseitigt. Die Nickolatome bleiben zwar in der Goldschicht; sie beeinträchtigen deren Lötbarkeit jedoch nicht und bilden ein weiteres Unterscheidungsmerkmal der erfindungsgemäß hergestellten Bauelemente. ""■

Die Zeichnung zeigt einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Widerstand. Auf ein Glassubstrat 1 ist eine Tantal-Schicht 2 aufgestäubt. An den Schichtenden befinden sich die Kontaktflächen 3,4, die aus einer Chrom-Nickel-Haftzwischenschicht 3 und einer darüber aufgebrachten Goldcchicht 4 bestehen. Die freiliegende Oberfläche der Tantal-Widerstandsschicht ist mit einer durch thermische Oxydation an luft gebildeten Oxidschicht 5 bedeckt. Durch die Bildung dieser Oxidschicht wird der stromführende Widerstandsquerschnitt bis auf den gewünschten Wert verringert.

9 Patentansprüche
1 Figur

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Claims

P a t c η ΐ a η s ρ r ü c h e

1, Verfahren zum Herstellen von stabilen elektrischen Metal Ifiliriv/iderstUnden, wobei auf einen isolierenden Träger eine dünne Schicht eines Metalls, insbesondere Tantal, in einer solchen Form, Länge und Dicke aufgebracht wird, daß der elektrische Widerstand zunächst unter den gewünschten Endwert liegt, und wobei der Endwert durch Verringern des stromführenden Querschnitts der Metallschicht zunächst angenähert, in einem zweiten Schritt bei Bedarf auch fein eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Metallschicht durch thermische Behandlung in reaktiver Atmosphäre in eine elektrisch nichtleitende Verbindung übergeführt wird»
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Behandlung bei Temperaturen zwischen 35O⁰O und 80Q⁰C erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als reaktive Atmosphäre eine sauerstoffhaltige Atmosphäreangewendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als reaktive Atmosphäre eine stickstoffhaltige Atmosphäre angewendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine sauerstoff- und stickstoffhaltige Atmosphäre angewendet wird. '

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6. Verfahren nach einen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Feinabgleich durch herkömmliche anodische Oxydation vorgenommen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Peinabgleich dec Widerstandswertec durch lokales Erhitzen der Metallschicht vorgenommen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß fokussierto elektromagnetische Energie verwendet wird.
9. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgleich messend verfolgt und gesteuert wird.

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