DE1925194C

DE1925194C - Stabiler Metallfilm-Widerstand

Info

Publication number: DE1925194C
Application number: DE19691925194
Authority: DE
Inventors: Charles Archibald Allentown Pa. Steidel (V.StA.)
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1968-05-22
Filing date: 1969-05-17
Publication date: 1973-04-12

Description

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Die Erfindung betrifft einen stabilen Metallfilm- geometrische Aluminiumfläche dasselbe Verhältnis Widerstand, bestehend aus einer nichtleitenden zur geometrischen Tantalfläche aufweist wie das VerUnterlage und einem dünnen Metallfilm aus einer hältnis des Atomprozentwertes Aluminium zum Tantal-Aluminium-Legierung. Atomprozentwert Tantal im entstehenden Film be-

Die Miniaturisierung von Bauteilen und Schaltun- 5 trägt.

gen zusammen mit der wachsenden Kompliziertheit Wie dargestellt, ist zwischen die Kathode 11 und moderner elektronischer Systeme haben einen bei- die Anode 12 eine elektrische Potentialquelle 13 gespiellosen Bedarf an Zuverlässigkeit der Dünnfilm- schaltet. Die Plattform 14 wird als Halter für die Bauteile erzeugt. Weiterhin haben die außerordent- Unterlage 15 benutzt, auf die der zerstäubte Film liehen terrestrischen und interplanetarischen Umge- io aufgebracht werden soll. Auf die Unterlage 15 ist die bungen des Raumzeitalters die Schwierigkeit der Maske 16 angeordnet, um das Aufbringen auf das Probleme, die mit der Zuverlässigkeit der Bauteile gewünschte Gebiet zu beschränken,
zusammenhängen, weiter erhöht. Bisher wurden die Die Fig.2A bis 2E sind Aufsichten eines erfinmeisten Forderungen an die Stabilität, die Uenauig- dungsgemäßen Widerstandes. Die Fig. 2A zeigt die keit und die Miniaturisierung gleichzeitig durch die 15 Unterlage 21, auf der ein Film aus einer Tantal-Alu-Verwendung von Tantal-Bauteilen erfüllt, bei denen minium-Legierung 22 aufgebracht ist. Der Film 22 elementares Tantal oder eine Tantalverbindung in kann dabei durch ein Kondensierungsverfahren auf-Form eines dünnen Films benutzt wurden. gebracht werden, z. B. durch kathodisches Zerstäu-

Es ist bekannt (britische Patentschrift 1 067 831), ben oder durch Vakuumaufdampfung.

für Bauteile von mikrominiaturisierten Schaltkreisen 20 Die Tantal-Aluminium-Legierungsschicht 22 kann

Tantal-Aluminium-Legierungen mit einem niedrigen typischerweise mit einem Leiter 23, z. B. aus

Aluminiumgehalt von 3 bis etwa 20 Atomprozent als Nichrom-Gold überzogen werden, um den in F i g. 2 B

Diinnfilmmaterial zu verwenden. Bei dieser niedrigen dargestellten Körper herzustellen. Danach wird auf

Aluminiumkonzentration besitzen Tantal-Aluminium- der Anordnung durch Fotogravierungsverfahren eine

Legierungen die Form von ,j'-Tantalkristallen, welche 25 geeignete Leiterfigur 24 erzeugt, wie es in Fig. 2 C

unerwünscht hohe negative Temperaturkoeffizienten dargestellt ist. Danach wird die entstehende Anord-

ihrer elektrischen Widerstände aufweisen. Es hat sich nung weiter folograviert, so daß eine Widerstands-

fcnicr gezeigt, daß die Stabilität der bekannten Tan- figur 25 (F i g. 2 D) entsteht. Die Tantal-Aluminium-

tal-Aluminium-Lcgierung und damit deren Brauch- Legierungsschicht 22 wird dann in ein anodisch oxy-

barkeit für den geschilderten Zweck den in sie ge- 30 dierendes Elektrolytbad eingetaucht und gegenüber

setzton Erwartungen nur teilweise entspricht. einer weiteren, in das Elektrolytbad eingetauchten

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Elektrode auf positives Potential gelegt, so daß ein

Tantal-Aluminium-Legierung mit verbesserten Eigen- Oxydfilm 26 entsteht, wie es in Fig. 2E dargestellt

schalten anzugeben, insbesondere mit einem außer- ist. Die so erhaltenen Einrichtungen können dann

gewöhnlich hohen Grad an Stabilität. 35 durch anodische Oxydation in der Weise abgeglichen

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- werden, wie sie in der USA.-Patentschrift 3 148 12^l) löst, daß die Tantal-Aluminium-Lcgiciung 25 bis beschrieben ist imd'oder sie können thermisch in der 60 Atomprozent Aluminium enthält. Weise vorgealtert weiden, wie sie in der USA.-Patent-In vorteilhafter Weise enthält der dünne Metallfilm schrift 3 159 556 beschrieben ist.

eine anodische Oxydschicht der Tantal-Aluminium- 40 Wie bereits erwähnt wurde, ist erfindungsgemäß

Legierung. eine nichtleitende Unterlage vorgesehen, auf der der

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Widerstand ausgebildet wird. Geeignete Materialien

Zeichnungen beschrieben; es zeigt für Unterlagen sind solche Materialien, die den For-

Fig. 1 eine schematische Vorderansicht eines Ge- derungen entsprechen, welche die verschiedenen Stu-

rätes, das sich zur Verwendung bei der Herstellung 45 fen des Verfahrens stellen. Vorzugsweise besitzt die

eines Films aus einer Tantal-Aluminium-Legierung Unterlage eine glatte Oberfläche, die vollständig frei

durch kathodisches Zerstäuben gemäß der Erfindung von scharfen Änderungen der Begrenzungslinien ist.

eignet, und Es soll ein Material sein, das in der Lage ist, Tempe-

Fig. 2A bis 2E Aufsichten eines Widerstandes, raturen bis zu 300 bis 400' C zu widerstehen, da es

der erfindungsgemüß in aufeinanderfolgenden Her- 50 während des Aufbringcns auf Temperaturen in

stellungsstufen erzeugt wird. diesem Bereich erhitzt werden kann. Alle Arten von

In Fig. 1 ist ein geeignetes Gerat dargestellt, das feuerfestem Material wie Glas, Keramik und bei

beim Aufbringen eines Tantal-Aluminiiim-Films hoher Temperatur schmelzenden Materialien erfüllen

durch kathodisches Zerstäuben geeignet ist. In der diese Forderungen. Die Verwendung von äußeren

Figur ist eine Vakuumkammer 10 dargestellt, in der 55 Kühlmitteln erlaubt jedoch auch die Verwendung

die Kathode 11 und die Anode 12 angeordnet sind. von anderen Materialien. Die Herstellung des erfin-

Die Kathode 11 kann aus einer Tantal-Aluminium- dungsgemäßen Widerstandes soll an Hand eines

Legierung bestehen, ferner aus einer Tantalscheibe, Beispiels eingehend beschrieben werden, bei demeine

die teilweise mit Aluminium bedeckt ist, oder schließ- Tantal-Aluminium-Lcgierung auf eine Unterlage

lieh aus einer Tantalscheibe, die eingearbeitete Strei- 60 durch kathodisches Zerstäuben in einem Gerät auf-

fen aus Aluminium enthält. In jedem Fall ist die gebracht wird, das dem in Fig. 1 dargestellten

Kathode so ausgebaut, daß sie einen Tanlal-Alumi- gleicht.

nium-Film liefert, der 25 bis 60 Atomprozent Alu- Zunächst wird eine Unterlage 15 mit herkömm-

minium enthält. Dieses Ziel kann dadurch erreicht liehen Reinigungsmitteln kräftig gereinigt, wobei die

werden, daß eine Tantal-Alutnium-Kathode benutzt 65 Wahl des Mittels von der Zusammensetzung der

wird, die 25 bis 60 Atomprozent Aluminium enthält Unterlage selbst abhängt. Die Unterlage 15 wird auf

oder in den beiden letzten oben genannten Fällen da- die Plattform 14 gebracht, wie es in Fig. 1 darge-

durch, daß die Scheibe so aufgebaut wird, daß die stellt ist, und dann die Maske 16 in geeigneter Weise

aufgesetzt. Die Plattform 14 und die Maske 16 können aus irgendeinem festen feuerfesten Material hergestellt sein. Jedoch kann die Verwendung eines Metalls zweckmäßig sein, um die Herstellung der Maske 16 zu erleichtern. Die verwendete Kathode kann eine Tantal-Aluminium-Legierung sein, die 25 bis 60 Atomprozent Aluminium enthält, oder eine zusammengesetzte Tantal-Aluminium-Katru.de, die so aufgebaut ist, daß das gewünschte geometrische Verhältnr, des Aluminiums zum Tantal auf der ganzen Fläche von 25 bis 60 »A« reicht. Es wurde festgestellt, daß die geometrische Aluminiumfläche schlechterer Qualität. Eine Anordnung der Unterlage 15 weiter von der Kathode Il entfernt ergibt das Auftreffen eines kleineren Teils des gesamten zerstäubten Materials auf der Unterlage, so daß_ die AM vergrößert wird, die zur Erzeugung einer Schicht gegebener Dicke notwendig ist.

Die Form und die Dicke des aufgebrachten Ulms sind durch den gewünschten endgültigen Wert des Widerstands bestimmt. Die anfängliche Dicke des aufgebrachten Films beträgt vorzugsweise mehr als 400A. Dieser Wert beruht auf zwei Faktoren, erstens ist die Dicke der Legierung nach der anodischen Oxydierung vorzugsweise größer als 300 Λ, um die Stetigkeit sicherzustellen, und zweitens ist vom Stand-

in der zusammengesetzten Anordnung etwa dem Atomprozentwert des Aluminiums im aufgebrachten _....„.....

Film entspricht. Aufgebrachte Filme, die weniger als 15 punkt des Betriebs eine Umwandlung von wenigstens -5 Atomprozent Aluminium enthalten, weisen eine 100 A in die Oxydform vorzuziehen. Durch das beschlechte Stabilität auf, während aufgebrachte Filme. schriebene Verfahren ist keine obere Grenze für die die mehr als 60 Atomprozent Aluminum enthalten, . anfängliche Filmdicke vorgeschrieben, wobei jede bei hoher Feuchtigkeit eine galvanische Korrosion Filmdicke, die dem gewünschten endgültigen Widerzcigen können. Dementsprechend reicht der interes- 20 standswert entspricht, geeignet ist. Für praktische

Zwecke wurde festgestellt, daß 4000 Λ geeignet sind, wenn auch Dicken bis zu 25 000 Λ möglich sind.

Nach dem Aufstäuben kann die TantalAluminium-Legierungsschicht in einem geeigneten Elektrolyt anodisch oxydiert werden, wobei das Oxydierverfahren durch alle Faktoren bestimmt ist, die allgemein bei herkömmlichen Oxydierverfahren zu beachten sind. Irgendein üblicher Elektrolyt, wie verdünnte Salpetersäure, Borsäure, Essigsäure. Zitronensäure, Weinsteinsäure usw. kann gewählt werden, solange er sich mit der oxydierten Legierung verträgt, hängt von der letztlichen Verwendung der Anordnung ab. Das benutzte übliche Verfahren gleicht herkömmlichen Oxydierungsverfahrcn, bei denen zunächst eine niedrige Spannung angelegt wird und die Spannung vergrößert wird, um einen konstanten Oxydationsstrom aufrechtzuerhalten.

Die Oxydation kann fortgesetzt werden, bis ein gewünschter Widerstandswert erreicht ist. der durch ein Überwachungsmittel angezeigt wird; die entstandene Anordnung kann dann thermisch in der Weise vorgcaltcrt werden, wie sie in der USA.-Patentschrift 3 15') 556 beschrieben ist oder sie kann entsprechend der letztlichen Verwendung in irgendeiner Weise behandelt werden.

Der Ausdruck »Kondensation« wird hier verwendet, um das Verfahren zu beschreiben, mit dem die Tantal-Aluminium-Legierungsschicht auf der Unterlage ausgebildet wird. In dem Sinn, daß »Kondensation'· die Ausbildung einer kompakteren Masse beschreibt, soll dieses Wort auch die Ausbildung der Metallschicht durch kathodisches Zerstäuben oder dutch Vakuumaufdampfverfahren umfassen.

T-in Beispiel für das Herstellungsverfahren des erlindungsgemäßen Widerstandes wird nachstehend angegeben. Es dient, ebenso wie die obige Erläuterung, lediglich zum Verständnis der Erfindung. Für das Herstellungsverfahren selbst wird ein Schutz nicht begehrt

Beispiel

Das Beispiel beschreibt die Herstellung eines Widerstands entsprechend der Erfindung.

Es wurde ein Gerät zum kathodischen Zerstäuben

15 unmittelbar außerhalb des Crookc'schen Dunkel- 65 ähnlich dem in F i g. 1 dargestellten verwendet, um ilct Anode 12 zugewandten Seile an- einen Tantal-Aluminium-Film hervorzubringen Bei

dem tatsächlich benutzten Gerät war die Anode erdfrei, wobei die PotenliaklilTerenz dadurch erhalten

sierende Bereich von 11, bis 60 Atomprozent Aluminium, wobei ein bevorzugter Bereich von 30 bis 50 Atomprozent Aluminium reicht. Es hat sich gezeigt, daß eine Zusammensetzung von 30 Atomprozent Aluminium optimal ist.

Die Bedingungen für das kalhodische Zerstäuben sind bekannt (s.' vacuum deposition of thin films. L. Holland, J. Willey & Sons, New York 1956). Nach diesem Verfahren wird die Vakuumkammer zunächst evakuiert, mit einem inerten Gas gespült, /. B. mit einem Edelgas wie Helium, Argon oder Neon, und die Kammer wieder evakuiert. Der Grad des erforderlichen Vakuums hängt von mehreren Faktoren ab. Durch das Erhöhen des Drucks des inerten Gases und das hierdurch entstehende Herabsetzen des Vakuums in der Kammer 10 wird die Geschwindigkeit vergrößert, mit der das zerstäubte Metall von der Kathode entfernt wird und damit die Aufbringimgsgeschwindigkeit. Der maximale Druck wird gewöhnlich durch Begrenzung der Stromversorgung bestimmt, da durch eine Erhöhung des Drucks auch der Strom zwischen der Anode 12 und der Kathode 11 erhöht wird. Eine praktische obere Grenze ist in dieser Beziehung ein Druck \on 150 Mikrometer Quecksilbersäule für eine Verstärkungsspantuing in der Größenordnung von 5000 Voll. Nachdem der erforderliche Druck erreicht ist, wird die Kathode Il gegenüber der Anode 12 auf negatives Potential gelegt.

Die Spannung, die notwendig ist, um eine aufgestäubte Schicht aus einer für die Zwecke der HiImcking geeigneten Tantal-Aluminium-Legierung zu erzeugen, kann von 1000 bis 6500 Volt Gleichspannung reichen. Eine Erhöhung der Potenüaldilfercnz /wischen der Anode 12 und der Kathode 11 hat den gleichen Effekt wie eine Vergrößerung des Drucks, wobei ein zweites Mal die Aufbringungsgeschwindigkeit und der Strom vergrößert wird. Dementsprechend ist die maximale Spannung durch die gleichen Faktoren bestimmt, die den maximalen Druck kon- t>o trollieren.

Der Abstand zwischen der Anode und der Kathode ist nicht kritisch. Um während des Aufstäubens den besten Wirkungsgrad /u erzielen, soll die Unterlage

raums auf der
geordnet werden I
näher zur Kathode

im·
Il

Anordnung tier Unterlage ergibt eine Metallaulbiingiing

wurde, daß die Kathode negativ zur Erde gemacht wurde.

Als Unterlage wurde ein Mikroskopschieber aus Glas verwendet. Der Schieber wurde in Königswasser gekocht, in destilliertem Wasser gespült und in der Flamme getrocknet, um eine reine Oberfläche zu erhalten. Das Tantal, das eine kommerzielle Güte aufwies, wurde in Form einer Scheibe verwendet mit einem Durchmesser von 10 cm, an der ein ringförmiges Stück aus Aluminiumblech (99,5°/o Reinheit) in solcher Weise befestigt war, daß das Aluminium 25°/o der geometrischen Fläche der Tanlalscheibe bedeckte.

Zunächst wurde die Vakuumkammer auf einen Druck von etwa 1 · 10"¹¹TOiT evakuiert und Argon mjt einem Druck von 25 Mikrometer Quecksilber hinzugefügt. Die Anode und die Kathode hatten einen Abstand von etwa 6,3 cm, wobei die maskierte Unterlage an einer Stelle unmittelbar außerhalb des Crooke'schen Dunkelraums zwischen sie angeordnet wurde. Zwischen der Kathode und der Anode wurde eine Gleichspannung von etwa 4000 Volt aufgedrückt und das Zerstäuben 8 Minuten lang durchgeführt, so daß eine Schicht aus einer Tanlal-AIuminium-Lcgierung (etwa 25 Atomprozent Aluminium enthaltend) mit einer Dicke von 1000 Λ entstand.

Die aufgestaubte Tantal-Aluminium-Legierung wurde dann mil einer 200 A dicken Schicht aus Nichrom und einer 4000 Λ dicken Schicht aus Gold durch herkömmliche Vakuumaufdampfverfahren bedeckt. Danach wurde in der Nichrom-Gold-Schicht durch herkömmliche Fotogravicrungsverfahrcn unter Benutzung eines Jod-Jodit-Alzmittels eine Leiterfigur erzeugt. Das Nichrom wurde mit Salzsäure entfernt. Danach wurde eine Mcandcrfigur aus 13 Widerständen durch herkömmliche Fotogravicrungsverfahrcn in der Anordnung ausgebildet, wobei ein Ätzmittel benutzt wurde, das aus einer Mischung 1:1::

aus Wasser, Flußsäurc und Salpetersäure bestand Danach wurde eine Fettmaske durch normale Ver

fahren auf das Leitergebiet aufgebracht und die ent slandene Anordnung in ein O,Ol°/oiges Zitronensäure Elektrolyt getaucht und 30 Minuten lang mit 40 VoI anodisch oxydiert. Dann wurde das Fett von der oxy diertcn Anordnung entfernt und die Anordnung 5 Stunden lang in Luft auf 250" erhitzt. Schließlicl

ίο wurden die Widerstände durch normale Abgleich oxydierungsverfahren abgeglichen.

Die entstandene Widerstandsanordnung wurd< dann in einzelne Widerstände geteilt und durcl Tauchlol-Verfahrcn Klemmen angebracht. Danacl wurden sie mit einer Belastung von 1,3 Watt geprüft Nach einer Woche stellte sich heraus, daß der mittlcn Widerstand sich um etwa 0,1 %> ändert. Für Vcrgleichszweckc wurde eine Gruppe von Tantalnilrid Widerständen gemessen, die nach dem in der USA.· Patentschrift 3 242 006 (entspricht der deutscher Patentanmeldung W 32-921 von Gerstenberg II, von 9.8.1962) beschriebenen Verfahren hergestcll waren. Nach der Prüfung mit einer Belastung vor 1,3 Watt stellte sich heraus, daß der Widerstand dci Tantalnitrid-Widcrstände sich um 2 bis 3°/« ändert

Claims

Patentansprüche:

1. Stabiler Metallfilm-Widerstand, bcslchent aus einer nichtleitenden Unterlage und einen dünnen Metallfilm aus einer Tantal-Aluminium Legierung, dadurch gekennzeichnet daß die Tantal-Aluminium-Legierung 25 bi; 60 Atomprozent Aluminium enthält.

2. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne Mctallfilm eine anodischc Oxydschicht der Tantal-Aluminium-Legierung enthält.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen