-
-
Verfahren zum Herstellen von stabilen elektrischen Dünnschicht-Widerständen
aus Ventilmetall Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von stabilen
elektrischen Dünnschicht-Widerständen aus Ventilmetall; außerdem betrifft sie eine
Dünnschichtbaugruppe mit nach diesem Verfahren hergestellten Widerständen.
-
Es ist bekannt, daß sich Ventilmetall anodisch oxydieren läßt. Die
Dicke der gebildeten Oxidschicht ist z.B. bei potentiostatischen Formierbedingungen
abhängig von der Anodenspannung und der Zeitdauer, während der diese Spannung angelegt
wird.
-
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. Der Widerstandswert
beispielsweise ist dann durch die Länge und Breite der im allgemeinen mä anderförmigen
Bahn sowie durcli deren Dicke vorgegeben.
-
Ist der Widerstandswert zu niedrig, so besteht die bekannte Moglichkeit,
mittels anodischer Oxydation (Formierung) in einem geeigneten Elektrolytbad einen
Teil des metallischen Tantals in elektrisch nichtleitendes Oxid umzuwandeln. Damix
nimmt die Dicke des stromführenden Metallquerschnitts \ifld der Widerstandswert
nähert sich dem gewünschten bndwert.
-
@@eugte Oxidschicht bringt we@tere Vorte@le @@t ch;
sie
bildet einen Schutz gegen mechanische Einwirkungen und sie verhindert weitgehend
ein weiteres Oxydieren beim Lagern und Betrieb der Widerstände.
-
Für den Anodisierungsprozeß geeignete Elektrolytflüssigkeiten sind
allgemein bekannt. Gebräuchlich sind stark verdünnte Phosphor- oder Zitronensäure.
-
Es ist auch bekannt, dafX die Widerstände, die eine verbes serte Langzeitkonstanz
erhalten sollen, im Anschluß an den Formierprozeß getempert werden müssen, d.h.
'sie werden durch mehrständiges Erhitzen an Luft auf ca. 2500 C künstlich gealtert.
Diese so behandelten Widerstände zeigen wesentlich verringerte Toleranzabweichungen
als die nur anodisch oxydierten.
-
Um den gewünschten Widerstandswert noch besser erreichen zu können,
z.B. bei Präzisionswiderständen, ist es nötig, die Widerstände nach dem Tempern
nochmals anodisch zu oxydieren, d .h. einen Feinabgleich durchzuführen Es hat sich
jedoch gezeigt, daß die Langzeitkonstanz der nach den bekannten Verfahren hergestellten,
anodisch oxydierten Widerstände, insbesondere bei Betrieb in erhöhter @mgebungstemperatur,
nicht den gestellten Präzisïonsanfordexungen genügt.
-
Besonders stark ausgeprägt ist dies, wenn für den Feinabgleich relativ
hohe AnodensPannungen erforderlich sind. Wie Untersuchungen gezeigt haben, ist dies
darauf zurückzufüh ren, daß Sauerstoffionen des Oxids aufgrund der bekannten Getterwirkung
von Tantal im Tantalmetall gelöst werden. Dadurch bleiben in der Grenzschicht zwischen
Metall und Oxid mit Elektronen besetzte Sauerstoffleerstellen zurück, die @@@@ @albleite@de
Parallelschicht zur Metalloberfläche bilden.
-
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren anzugeben,
das diese Nachteile vermeidet, und das die Herstellung extrem stabiler elektrischer
Widerstände, besonders für den Betricb bei erhöhter Ungebungstemperatur, erlaubt.
-
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der erste Formierschritt in
stark konzentrierter Phosphorsäure durchgeführt wird.
-
Dadurch ergeben sich die Vorteile, daß die Widerstände eine gegenüber
dem bisher Erreichten nochmals gesteigerte Langzeitkonstanz, insbesondere bei Lagerung
und Betrieb unter erhöhten Umgebungstemperaturen'besitzen. Auch ist kein zusätzlicher
Fertigungsschritt nötig, so daß die Herstellungskosten nicht steigen.
-
Durch die erhöhte Phosphorsiiurekonzentration werden anstelle von
Sauerstoffioner vermehrt Phosphationen in das anodische Oxid eingebaut, die das
Herauslösen von Sauerstoffionen aus dem Oxidverband fast völlig verhindern.
-
Besonders vorteilhaft hat sich die Ver:iendung einer 85%igen Ehosphorsrure
erwiesen, bei einer Anodenspannung von ca. 30 V für diesen ersten Formierschritt.
-
Weiter ist es vorteilhaft, nach dem ersten Formierschritt eine Temperung
einzuschieben. Die Vorteile dieses Temperschrittes sind allgemein bekannt.
-
Der zweite Formierschritt, d.h. der Feinabgleich der Widerstande auf
ihren Sollwert, kann wie bisher in stark verdünnter, vorzugsweise 0,1C/,iger Phosphors.ure
durchgeführt werden. Wie aus den unten angegebenen Dauerversuchsergebnissen hervorgeht,
wird die Anodensp@@nnung whrend des Feinabgleichs vorteilhaft nicht er ca. 43 V
gesteigert. Es hat
sich gezeigt, daß die Widerstandsänderung dadurch
besonders gering bleibt.
-
Es ist aber auch möglich, den zweiten Formierschritt ebenfalls in
hochkonzentrierter Phospho@süure durchzuführen. Dies führt zu einer weiteren Konstanzverbesserung.
-
Anhand der Fig. 1 soll das verbesserte Verhalten von nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellten Tantal Dünnschicht-Widerständen erläutert werden.
-
Als Ordinate ist die Widerstandsänderung4ÄR/R in Prozent aufgetragen,
als Abszisse die Formierspannung U2 für den zweiten Formierschritt bzw. den Peinabgleich.
-
Die Kurven a und b zeigen die Widerstandsänderung in Abhängigkeit
von der Nachformierspannung U2 nach einer 2500stündigen Lagerung der Widerstände
in Luft von 85° C; Kurve a zeigt das Verhalten der nach dem bekannten, Kurve b das
Verhalten der nach dem erfindungsgem;ißen Verfahren hergestellten Widerstände.
-
Die Tantal schichten waren in einer Zerstäubungsanlage bei einer Zersti,ubungsspannung
von 3,4 kV in einer Dicke von ca. 500 Å auf Glassubstrate aufgestäubt worden. Solche
Schichten sind besonders für niederohmige Widerstände geeignet. Anschließend wurden
die Widerstände nach einem der bekannten Verfahren geätzt. Die geitzten Platten
wurden dann bei einem Strom von 10 mA einem ersten Formierschritt unterworfen, wobei
die Spannung auf 30 V begrenzt wurde. Eine Hälfte der Widerstände wurde in 0, 1%iger
(Kurve a), die andere Hälfte dagegen in 85%iger (Kurve b) Phosphorsäure formiert.
Anschließend wurden die Schichten 16 Stunden bei 2500 C in Luft getempert. Nach
dieser Temperbehandlung wurde ein individueller Feinabgleich mit Spannungen U2 zwi-
schen
20 V und 60 V vorgenommen, wobei als Elektrolyt einheitlich 0,1ige Phosphorseiure
verwendet wurde.
-
Man' erkennt auf den ersten Blick, daß bis zu einer Spannung U2 von
ca. 43 V die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren (Kurve b) hergestellten Widerstände
eine wesentlich verbesserte Langzeitkonstanz besitzen. Bei Spannung größer als 43
V stellt sich bei den hier betrachteten Schichten ein ähnliches Dauerverhalten ein
wie bei den in 0, 1%iger Lösung vorformierten Tantalschichten, da jetzt die Konzentration
der bei der Vorformierung eingebauten Phosphationen nicht mehr ausreicht, um die
Grenzschicht zwischen Tantalmetall und -oxid zu stabilisieren; die Kurven a und
b verlaufen jetzt parallel.
-
Es zeigt sich jedoch, daß auch unter diesen Bedingungen eine bleibende
Erhöhung der Langzeitkonstanz erreicht werden kann.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur auf die nach dem Ausführungsbeispiel
hergestellten Tantalschichten beschränkt.
-
berall, wo die Getterwirkung des reinen Tantalmetalles stört, kann
durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Verbesserung der Verhltnisse erreicht
werden.
-
Eine nach dem erfindungsgemäf3en Verfahren hergestellte Dünnschichtbaugruppe,
auf der sich solche Widerstände befinden, soll anhand der Fig. 2 erläutert werden.
Aufu@ie@ Substrat 1 befindet sich eine Tantalschicht 2, die teilweise in eine elektrisch
nichtleitende Oxidschicht 3 ungewandelt ist. Bedingt durch die Verwendung konzcntrierter
Phosphoreäure als Formierelektrolyt werden Phosphationen anstelle von Sauerstoffionen
in das Oxid eingelagsrt. In Fig. 3 ist dargestellt, wie die Konzentration K in Abhängigkeit
von der Hntfernung s von der Oberfläche (e=o) des O.ids bis hin zur Grenzschicht
Oxid-Metall (s=1) abnimmt, Konzentration K und Entfernung 8 sind dabei in Fig, 3
auf 1 normiert dargestellt.
-
9. Patentansprüche 3. Figuren