DE2114972B2

DE2114972B2 - Verfahren zum abgleich von bauelementen in duennschichttechnik

Info

Publication number: DE2114972B2
Application number: DE19712114972
Authority: DE
Inventors: Ranendra Kumar Kendall Park N.J. Bhattacharyya (V.St.A.)
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1970-03-30
Filing date: 1971-03-27
Publication date: 1973-03-15
Also published as: NL7104169A; DE2114972A1; FR2087911A5; JPS5140622B1; US3723257A; BE764937A; SE363923B; GB1322996A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abgleich von Bauelementen in Dünnschichttechnik durch wiederholte Anodisierung und Widerstandsmessung so lange, bis der elektrische Widerstand einen vorbestimmten Wert erreicht. Die Erfindung umfaßt ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Durch die fortschreitende Miniaturisierung von elektronischen Ausrüstungen kommt der Verwendung von Bauelementen in Dünnschichttechnik, beispielsweise Dünnschichtwiderständen und Dünnschichtkondensaloren, ständig steigende Bedeutung zu. Neben ihren nur geringen Abmessungen weisen Bauelemente in Dünnschichttechnik hervorragende elektrische und mechanische Stabilität auf und werden deshalb stets dort verwendet, wo hohe Anforderungen an die Genauigkeit und Betriebssicherheit gestellt werden. Als typisches Verwendungsbeispiel solcher Anordnungen seien die Verstärkerschaltkreise genannt, die in transatlantischen Kabeln verwendet werden; diese Schaltkreise müssen ohne irgendwelche Ausfälle kontinuierlich 25 Jahre oder noch langer zufriedenstellend arbeiten.

Dünnschichtwiderstände weisen bekanntlich eine dünne Schicht aus einem filmbildenden Metall, beispielsweise aus Tantal, auf, welche durch Zerstäuben oder in anderer Weise auf ein isolierendes Substrat, beispielsweise Glas oder Keramik, niedergeschlagen wird. Nach dem Niederschlagen der dünnen metallischen Schicht auf das Substrat wird die gewünschte Widerstands-Koniigiiration durch selektive Abdekkung eines Teils der Metallschicht mit einem gegen Ätzung widerstandsfähigen Material erzeugt, wobei die nicht abgedeckten Teile der Schicht durch Ätzung entfernt werden. Die Abmessungen des auf diese V/eise gebildeten Widerstandes bestimmen dann seinen Widerstandswert.

Auf Grund moderner Aufstäubungsverfahren ist es zwar möglich, in gewissem Umfange die Dicke der bei dem Aufstäuben niedergeschlagenen metallischen Schicht zu steuern, jedoch nicht bis zu einem solchen Genauigkeitsgrad, der notwendig wäre, um auf diese Weise direkt Dünnschichtwiderstände und ähnliche Anordnungen innerhalb Toleranzgrenzen von 0,1% oder weniger des gewünschten Widerstandswertes

lerzustellen. Zur Erzielung derartiger Toleranzen ,vird daher bei einem allgemein bekannten Verfahren luf dem Substrat eine Metallschicht niedergeschlagen, welche etwas dicker als die tatsächlich gewünschte Schicht ist. Der Widerstandswert des Dünnschichtwiderstandes wird dann durch Erhitzen oder durch ein ^nodisierungsverfahren in der Weise eingestellt bzw. abgeglichen, daß auf der äußeren Oberfläche des Dünnschichtmaterials eine metallische Oxidschicht erzeugt wird. Da Oxide schichtbildender Metalle, beispielsweise Tantal, elektrisch nichi leitend sind und auf Kosten der darunterliegenden nichtoxydierten metallischen Schicht gebildet werden, verringert sich bei steigender Dicke der Oxidschicht das Volumen der unter der Schicht des metallischen Oxides liegenden Metallschicht. Auf diese Weise wird der elektrische Gesamtwiderstand der Anordnung so lange vergrößert, bis dieser schließlich den gewünschten Widerstandswert erreicht. Damit ist die Oxydation der Dünnschichtoberfläche beendet, und die Anordnung wird aus der Abgleichapparatur zur Verwendung herausgenommen.

Da es schwierig ist, die Oxydation einer dünnen metallischen Schicht durch Erhitzen der Schicht zu kontrollieren, wird die Anodisierung, d. h. die Herstellung einer Oxidschicht, auf elektrolytischem Weg gegenüber einer Erhitzung bevorzugt. Da indessen auch bei einer Anodisierung die Steuerung und Einstellung der Oxidschichtdicke, insbesondere von Präzisionswiderständen, Schwierigkeiten bereitet, müssen bei bekannten Verfahren (USA.-Patentschrift 3 261 082) die Widerstandswerte von anodisierten Dünnschichtanordnungen laufend überwacht werden, um sicherzustellen, daß die Anodisierung nicht Tür einen zu langen Zeitraum durchgeführt wird, wodurch man Ausschuß produzieren würde.

Eine Anordnung, die diese überwachung während der Anodisierung automatisch durchführt, kann beispielsweise der USA.-Patentschrift 3 341 444 (bzw. der französischen Patentschrift 1 445 399) entnommen werden. Dabei wird die auf einen bestimmten Wert abzugleichende Dünnschichtanordnung abwechselnden Zyklen von Anodüierung und Widerstandsmessung unterworfen. Da jedoch während des Anodisierungszyklus die elektrischen Ladungen die Neigung haben, sich an der abzugleichenden Dünnschichtanordnung anzulagern und anzuhäufen, muß der Widerstandsmeßzyklus von ausreichender Dauer sein, um ein Verschwinden dieser Ladungen zu ermöglichen. Wenn nur eine nicht ausreichende Zeitspanne vorliegt, verschwinden die Ladungen nicht vollständig, so daß jede Widerstandsmessung bei einem nachfolgenden Widerstandsmeßzyklus mit einem Fehler behaftet ist. Infolgedessen muß bei der erwähnten Anordnung die Dünnschichtanordnung einem abwechselnden Anodisierungszyklus von 50 ms und einem Widerstandsmeßzyklus von 125 ms Dauer unterworfen werden, so daß die zur Anodisierung einer vorgegebenen Anordnung auf einen bestimmten Wert benötigte Gesamtzeit in der Größenordnung von mehreren Minuten liegt. Damit nimmt die Anodisierung tatsächlich nur etwa 28% der gesamten Verfahrenszeit in Anspruch, so daß das bekannte Verfahren insbesondere für die Serienproduktion von Hunderten oder Tausenden derartiger Dünnschichtanordnungen zeitlich und wirtschaftlich zu aufwendig ist.

Es ist ferner ein Verfahren zur Regelung der Anodisierung eines Dünnschichtwiderstandes (USA.-Patentschrift 3 365 379) bekannt, bei dem der Anodisierungsstrom schrittweise von einem Anfangswert an verringert wird, und zwar mittels einer Brückenschaltung, welche einen motorgesteuerten, variablen Widerstand

enthält. Obwohl das bekannte Verfahren hinsichtlich der Genauigkeit der erzielbaren Widerstandswerte befriedigend arbeitet, ist die Gesamtdauer des Abgleichvorgangs ebenfalls zu groß, so daß eine Serienproduktion wirtschaftlich zu aufwendig ist.

ίο Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zu schaffen, mit dem der Abgleich von Bauelementen in Dünnschichttechnik auf einen bestimmten Wert mit Hilfe eines Anodisierungsvorganges in wesentlich kürzerer Zeit als bei den bekannten Verfahren möglich ist.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch folgende Verfahrensschritte gelöst:

a) Der Anfangswert ',R₀) des Widerstandes des Bauelements (10) wird gemessen;

b) die Anordnung wird zur Erhöhung des Widerstandes in Richtung auf den vorbestimmten Wert (R_d) bis zu einem ersten wählbaren Zeitpunkt (r,) elektrolytisch anodisiert;

c) nach Ablauf des ersten Zeitpunktes (r,) wird der Wert (R₁) des Widerstandes des Bauelements (5ö) erneut gemessen;

d) aus den Widerstandsmeßwerten (R₀, R₁) wird mit Hilfe eines Rechners (37) das zusätzliche ZeitintervallCT-f[) ermittelt, welches zur Fortsetzung der Anodisierung bis zur Erreichung des bestimmten Widerstandswertes [R₄) durch den Widerstand der Anordnung erforderlich ist, und

e) es wird eine erneute Anodisierung der Anordnung während des zusätzlichen Zeitintervalls (7 - f,)

durchgeführt, wodurch der Widerstand der Anordnung den bestimmten Wert (R_d) erreicht.
In Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der erneute Anodisierungsschritt vor Ablauf des zusätzlichen Zeitintervalls (T- r,) abgebrochen wird und daß die Widerst :ndsmes»ung, die Ermittlung des zusätzlichen Zeitintervalls und der Anodisierungsvorgang so lange wiederholt werden, bis der Widerstand der Anordnung innerhalb einer zulässigen Abweichung von ±f des bestimmten Widerstandswertes (R_d) gemessen wird.

In vorteilhafter Weise wird jeder Anodisierungsschritt durch den Rechner ermittelt, ob der Widerstand der Dünnschichtanordnung den vorbestimmten Widerstand innerhalb der zulässigen Abweichung ±e erreicht hat.

Eine Möglichkeit besteht darin, daß gemäß einem weiteren Verfahrensschritt die von dem Rechner verwendeten Parameter adaptiv beim Durchlaufen des Iterationsprozesses verändert werden, so daß der Widei stand der Anordnung schnell in Richtung auf den bestimmten Widerstandswert konvergiert.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß als zusätzlicher Verfahrensschriti vor jedem Anodisierungsschritt mittels des Rechners der gegenwärtige Widerstandsvert der Anordnung mit den oberen und unteren Grenzen der zulässigen Abweichung- verglichen wird, um festzustellen, ob der Abgleichvorgang beendet werden kann.

6; Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem eine elektrolytische Lösung enthaltenden Tank, einer innerhalb des Tankes in Kontakt mit der elektronischen Lösung ange-

ordneten Kathode, mit einer Anordnung zur Lagerung des Widerstandes innerhalb des Tanks in Berührung mit der elektrolytischen Lösung, wobei der Widerstand als Anode wirkt und zusammen mit der Kathode und der elektrolytischen Lösung eine elektrolytische Zelle bildet, sowie mit einer Anordnung zur Anodisierung der Dünnschichtanordnung mittels eines der Anode und Kathode zugeführten elektrischen Stroms ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Rechner zur Ermittlung der Anodisierungsdauer für die Dünnschichtanordnung aus den Ergebnissen von während bestimmter Zeitintervalle vorgenommenen Widerstandsmessungen sowie zur Beendigung der Anodisierung nach Ablauf der Anodisierungsdauer vorgesehen ist, daß der Rechner mit einem Zeitkreis, mit einem Widerstandsmeßkreis sowie mit Einrichtungen zur Verbindung der Dünnschichtanordnung mit dem Widerslandsmeßkreis und der Anodisierungsanordnung verbunden ist.

Es ist bereits an sich bekannt (USA.-Patentschrift 3 487 522), Rechner bzw. Rechenprogramme bei der Herstellung von Dünnschichtbauelementen zu verwenden.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 teilweise in schematischer und teilweise in Blockdarstellung einen Anodisierungsschaltkreis zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

F i g. 2 A einen idealisierten Dünnschichtwiderstand in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 B den in F i g. 2 A dargestellten Dünnschichtwiderstand nach einer anfänglichen Periode der Anodisierung in perspektivischer Darstellung,

F i g. 3 eine graphische Darstellung des Widerstandes einer in F i g. 2A dargestellten Dünnschichtanordnung in Abhängigkeit von der Zeit und

F i g. 4 das Schema für ein Rechenprogramm zur Steuerung der Anodisierung einer Dünnschichtanordnung.

In F i g. 1 ist eine Anodisierungsvorrichtung dargestellt, mittels welcher ein Dünnschichtwiderstand nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auf einen bestimmten Wert eingestellt bzw. abgeglichen werden kann. Der abzugleichende Dünnschichtwiderstand 10 ist in einem Elektrolytbad 11 untergetaucht, welches in einen elektrisch nicht leitenden Tank 12 eingefüllt ist. In dem Tank 12 befindet sich eine zylindrische Metallkathode 13, die zusammen mit dem Widerstand 10 und dem Elektrolytbad 11 eine elektrolytische Anodisierungszelle 14 bildet. In üblicher Weise bestehen sowohl Widerstand 10 als auch Kathode 13 aus Tantal, wobei bei dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel das Elektrolytbad 11 aus einer 0.1%igen Zitronensäurelösung besteht.

Wie vorstehend bereits erwähnt wurde, besteht der Widerstand 10 aus einem isolierenden Substrat 16. auf welchem ein Muster 17 eines dünnen, eine Schicht bildenden Metalls niedergeschlagen ist. Ferner ist jeweils ein ohmscher Koniakt 18 an jedem Ende des Musters 17 auf dem Substrat niedergeschlagen, welcher eine Verbindungsleitung für das Muster 17 nach außen darstellt, üblicherweise wird eine nicht dargestellte Schicht eines nichtleitenden Materials, beispielsweise Wachs, auf jedem Kontakt 18 aufgebracht, um einen direkten Durchtritt des Stromes von den Kontakten 18 in das Elektrolytbad 11 zu verhindern, weil dieser Strom die Anodisierung des metallischen Musters 17 behindern würde.

Die Kathode 13 ist über eine Verbindungsleitung 19 mit dem negativen Anschluß 21 einer Konstantstromquelle 22 verbunden. Weiterhin ist einer der beiden Kontakte 18 des Widerstandes 10 über eine isolierte Verbindungsleitung 23, einen Umschaltkontakt 24 eines Relais 26 und gegebenenfalls einen Strommesser 16 mit dem positiven Anschluß 28 der Stromquelle 22 verbunden. Der andere Kontakt 18 des Widerstandes 16 führt über die zweite Verbindungsleitung 23 an den zweiten Kontakt 24 des Relais 26.

Wird das Relais 26 betätigt, so werden die Verbindungsleitungen 23 über ein entsprechendes weiteres Paar von Verbindungsleitungen 31 an einen Widerstandsmeßkreis 32 gelegt, über eine Verbindungsleitung 33 ist der Ausgang des Widerslandsmeßkreises 32 mit dem Eingang eines Analog/Digitalumwandlers 34 verbunden. Der Wandler 34 formt das den Widerstandswert des Widerstands 10 darstellende analoge Signal in ein digitales Signal um. Von dem Wandler 34 gelangen diese digitalen Signale über eine Leitung 36 in einen Digitalrechner 37. An den Rechner 37 ist ein Zeitkreis 38 bzw. ein Zeitintervallgeber angeschlossen, der dem Rechner 37 Zeitsignale zufuhrt. Schließlich ist noch mit dem Ausgang des Rechners 37 über eine Leitung 41 ein Regelkreis 39 verbunden, um dem Rechner über die Leitung 42 eine Einwirkungsmöglichkeit auf die Steuerwicklung 43 des Relais 26 zu geben. Der Regelkreis 39 ist weiterhin über eine Leitung 44 iiiii der Stromquelle 22 verbunden, um am Ende des Anodisierungsprozesses den von diesem herrührenden Stromfluß zu unterbrechen. Zur überwachung durch eine Bedienungsperson können der Stromquelle noch ein Amperemeter 46 und ein Voltmeter 47 zugeordnet sein.

F i g. 2 zeigt den Dünnschichtwiderstand 10 in vergrößerter Darstellung. Aus Gründen eines besseren Verständnisses ist diese Darstellung insofern vereinfacht, als die Kontaktanschlüsse 18 entfernt wurden und das Muster 17 der dünnen metallischen Schicht eine rechteckförmige und keine gezähnte bzw. meanderfbrmige Gestalt aufweist. Die für die rechteckförmige Schicht nachstehend abgeleiteten Gleichungen gelten auch für andere Konfigurationen des Musters 17, sofern diese sich einer rechteckförmigen Form annähern. Wie in Fig. 2A dargestellt ist, weist das Muster der dünnen Metallschicht 17 eine Länge L, eine Breite W und eine Anfangshöhe H₀ auf; damit errechnet sich der zwischen den Punkten α und b gemessene elektrische Widerstand des Musters 17 nach folgender Gleichung:

H₀W

Dabei stellt ρ den spezifischen Widerstand der Metallschicht dar, aus der das Muster 17 hergestellt ist. F i g. 2 B zeigt den Dünnschichtwiderstand 11 nach Durchführung der Anfangsperiode einer Anodisierung.

Wie dargestellt, überlagert nunmehr eine Schicht aus einem elektrisch nicht leitenden, anodischen Oxid 49 das Muster 17. Die letztgenannte Schicht weist eine Dicke X auf. Da sich jedoch die Gesamthöhe H₀ des Musters 17 durch die Anodisieruag nicht geändert hat,

ergibt sich die Höhe H₁ des verbliebenen, nicbtoxydierten Metalls durch folgende Gleichung:

H. = H_n - X .

Bei fortschreitender Anodisierung des Widerstandes 10 vergrößert sich die Dicke X der Oxidschicht 49, während sich die Höhe H₁ der verbliebenen, nichtoxydierten Metallschicht entsprechend verringert. Auf diese Weise vergrößert sich der zwischen den Punkten u und b gemessene Gesamtwidersiand des Dünnschichtwiderstandes.

Unter der Annahme, daß die Oxydation auf einer Oberfläche mit den Abmessungen VY und L gleichmäßig fortschreitet, und unter der weiteren Annahme, daß die Oxydierungsgeschwindigkeit konstant ist (was im wesentlichen dann der Fall ist, wenn die Stromquelle 22 eine Konstantstromquelle darstellt), kann die Höhe der zum bestimmten Zeitpunkt t verbliebenen, nichtoxydierten Metallschicht durch folgende Gleichungen angegeben werden:

H(i) = H₀(I - at).

(3)

wobei H₀ die Anfangshöhe des metallischen Musters 17 vor der Anodisierung und α ein konstanter Faktor ist. Verknüpft man Gleichung (3) mit Gleichung (1), so erhält man die folgenden Gleichungen (4) und (5):

R(O =

K(I) =

nL

H₀(I -nt)W

1 = Ut

(4)

(5)

Dabei stellt K eine Konstante für ein vorgegebenes leitendes Muster 17 aus einem bestimmten Material dar.

Wie in F i g. 3 dargestellt, weist der zeitliche Verlauf des Widerstandes des Musters 17 gemäß Gleichung (5) einer hyperbolische Form auf. Dabei ist die Zeit t = 0 willkürlich für einen bestimmten Zeitaugenblick gewählt worden, bevor der Widerstand des Musters 17 den gewünschten Widerstandswert R_d angeommen hat, d. h. den Widerstandswert, aufweichen der Widerstand 10 abgeglichen werden soll. In F i g. 3 stellt die Zeit t = T den Zeitpunkt dar, an welchem die Anodisierung des Widerstandes 10 abgeschlossen sein muß, wenn der Widerstand des Widerstandes 10 dem gewünschten Widerstandswert R₁, gleich sein soll. Die Form der in F 1 g. 3 dargestellten hyperbolischen Kurve ist abhängig von dem Wert der Konstanten K und α für ein bestimmtes Material und unterscheidet sich somit für jedes aus einem unterschiedlichen Material bestehendes leitendes Muster 17. Zusätzlich dazu sind auch noch die Konstanten K und α abhängig von der Anodisierungsgeschwindigkeit, d. h. von der Stromquelle 22.

Da die Anodisierung durch die beiden Konstanten K und α charakterisiert werden kann, sind mindestens zwei Widerstandsmessungen notwendig, um diese Konstanten zu ermitteln. Vorteilhafterweise werden diese Messungen durchgeführt, bevor die Anodisierung zu weit fortgeschritten ist. Dabei stellt der Punkt r = 0 einen geeigneten Punkt zur Vornahme der Messung dar, wobei der entsprechende Widerstandswert zu diesem Zeitpunkt als R₀ definiert werden soll. Erfahrungsgemäß kann der Oxydationsprozeß nicht vor einer Zeit r = r vollständig durchgeführt sein, so daß man den zweiten benötigten Punkt für eine Messung zum Zeitpunkt t = I₁ auswählen kann, wobei f, = r · τ ist und r einen Faktor kleiner oder gleich 1 darstellt.

Wird der zum Zeitpunkt t = f, gemessene Widerstand als R₁ definiert, so ergibt sich aus Gleichung (5):

R₀ =

1 -

(0)

und

1 — η/,

Löst man die Gleichungen (6) und (7) für K und «, erhält man die Gleichungen

= R₀

und

Ri ti

Vorstehend wurde der Widerstand R₁, als der Widerstandswert definiert, den die Dünnschichtanordnung erreichen soll. Es muß deshalb der Wert t = T ermittelt werden, d. h. der Zeitraum, nach welchem die Dünnschichtanordnung den Widerstandswert R,, erreicht hat. Hierfür gilt die Gleichung:

R,=

1 - uT

(10)

Setzt man die Werte für K und α nach Gleichungen (8) und (9) in die Gleichung (10) ein, so erhält man die Gleichung:

R,=

1 _ (Ki -Rq)T '

(H)

K₁T₁

Löst man die Gleichung (11) nach T auf, so erhält man

T =

- K₀)

■ (R, - R₀) "

(12)

Infolgedessen erhält man mit lediglich zwei Messungen, nämlich mit R₀ zum Zeitpunkt t = 0 und mit R, zum Zeitpunkt t = f-, die Gleichung (12), welche den Zeitpunkt Γ voraussagt, zu welchem der Dünnschichtwiderstand 10 den gewünschten Widerstandswert R, annehmen wird.

Dabei würde bei einem idealen, rauschfreien Zu stand die Fortsetzung des Anodisierungsprozesses bi zu dem Zeitpunkt T sicherstellen, daß die Dünn Schichtanordnung auf den gewünschten Widerstands wert R_d abgeglichen ist. Demgegenüber sind jedocl bei jeder Vorrichtung stets ein gewisses Rauschen so wie geringfügige Fehler bei den Messungen von R₀ uni R₁ vorhanden. Deshalb ergibt im allgemeinen ein Anodisierung bis zu dem Zeitpunkt T in Wirklichke nicht den gewünschten Widerstand R_, sondern e wird im allgemeinen ein gewisses Unterschreiten bz\ überschreiten des gewünschten WiderstandswerU auftreten. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildun der Erfindung wird deshalb ein Iterationsverfahren ai gewandt, bei dem mindestens eine, meistens jedoc mehrere Widerstandsmessungen während d<*s Anod sierungsverlaufes vorgenommen werden.

Erfindungsgemäß wird im allgemeinen die nächs Widerstandsmessung zum Zeitpunkt! — I₁ + r(T - 1

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vorgenommen, wobei r ein Faktor kleiner oder gleich I ist.

Wird also dementsprechend die nächste Messung zum Zeitpunkt t₂ = t\ + r(T — J₁) durchgeführt, wobei der zu diesem Zeitpunkt gemessene Widerstand als A₂ definier' wird und rechnet man dann K und η von den Messungen R, und R₂, die zu den Zeiten ι = /, undf = f₂ durchgeführt worden sind, zurück, so erhält man zunächst die Gleichungen:

R₁ =

R₂ =

1 - af,

1 - (Ii₂

(13)

Löst man die Gleichungen (13) und (14) für K und η auf, so erhält man die Gleichungen:

R₁R₂(I₂ -t|) R₂J₂- R₁ f,

R₂I₂-R₁I₁

(15)

(16)

Setzt man diese neuen Werte für K und « in die Gleichung (10) ein, so erhält man die Gleichung:

-h

, _ (R₂ - Ri)T

(17)

R₂Z₂-R₁ i,

Löst man die Gleichung (17) nach T auf. so erhält man schließlich die Gleichung:

T =

RAR₂ - R-.)

(18)

Dieser neue Wert von T ist somit die revidierte Schätzung des Zeitpunktes, zu welchem der Anodisieruiigsprozeß beendet sein muß, wenn die Dünnschichtanordnung den gewünschten Widerstandswert R₆ exakt erreichen soll. Auf Grvnd des bereits erwähnten Rauschens in der Anlage und der Ungenauigkeiten bei der Messung von Rj und R₂ muß jedoch der ganze Prozeß vorteilhafterweise mindestens ein- oder zweimal öfter wiederhclt werden. Dieses Iterationsverfahren kann wie folgt beschrieben werden: Die Zeit für die Widerstandsmessung ist durch folgende Gleichung gegeben:

_t| = ί,_, +r(T-_i;__t), (19)

wobei die geschätzten Werte für K und α sich aus den Gleichungen

K =

ereeben.

(21)

BenutiV man diese beiden Gleichungen, um den Zeitpunkt T zu errechnen, so erhält man die Gleichung:

_ (Rd

j-I t,-i

Dieser wiederholte Vorgang wird erst dann abgebrochen, wenn der gemessene Wert von R₁- innerhalb ίο der Toleranzgrenzen für R_d liegt.

Wie im Zusammenhang mit Gleichung (19) bereits erwähnt wurde, gilt:

wobei r ein Faktor kleiner oder gleich 1 ist. Wird der Faktor r zu klein gemacht, so ist die Konvergenz des Wiederholungsverfahrens zu langsam. Wählt man demgegenüber den Wert für den Faktor r zu groß, so besteht die Gefahr, den gewünschten Widerstandswert zu überschreiten. Allgemein gilt, daß der Faktor r um so größer gewählt werden kann, je weniger Rauschen und je weniger Ungenauigkeiten in den Widerstandsmessungen vorliegen. Bei fortschreitender Iteration des Verfahrens ist eine Anpassung von r möglich, wobei man wach mehrere Widerstandsmessungen den Wert von r sogar zu 1 wählen kann, um auf diese Weise eine schnelle Konvergenz des Iterationsverfahrens zu erreichen. Beispielsweise liegt bei Beginn des Verfahrens der Wert von. r in der Größenordnung von 0.5 und wird schrittweise um jeweils 0.1 erhöht, so daß bei der letzten Widerstandsmessung ein Wert von 0,8 bzw. 0.9 erreicht wird. Der genaue Wert von r hängt jedoch selbstverständlich von den für eine bestimmte Anodisierungsvorrichtung vorgegebenen Variablen ab.

F i g. 4 zeigt ein Schema für ein Rechenprogramm zur Verwirklichung des obigen Algorithmus. Im folgenden soll dieses Rechenprograr^m genauer erläutert werden, wobei ausgehend von oben in logischer Folge nach unten gearbeitet wird. Wie dargestellt, besteht der erste Schritt darin, den der Anodisierungsvorrichtung zugeordneten Zeitschaltkreis auf Null einzustellen. Der nächste Schritt besteht darin, den anfänglichen Widerstandswert R₀ der Dünnschichtanordnung zu messen. Der Rechner ermittelt dann, ob der gemessene Widerstandswert R₀ bereits innerhalb der oberen Toleranzgrenze R_d = R_d + f oder innerhalb dei unteren Toleranzgrenze RJ = R_d — r des gewünschten Widerstandswertes R_d fällt. Befindet sich R₀ inner

50. halb der Toleranzgrenzen, dann beendet das Rechen programm die Anodisierung. üblicherweise befinde sich der Wert R₀ außerhalb der Toleranzgrenzen, se daß der Wert T₁ ermittelt wird, welcher den um dei Faktor r{r < 1) multiplizierten Teil der insgesam geschätzten Zeit darstellt, die notwendig ist, um der Widerstand auf den gewünschten Widerstandswert R zu anodisieren. Der Widerstand wird dann bis zu den Zeitpunkt f, anodisiert und anschließend nach Ab schalten des anodisierenden Stromes der neue Wider standswert R₁ gemessen. Es erfolgt wiederum eiw Berechnung, um festzustellen, ob R₁ sich innerhalb de Toleranzgrenzen von R_d befindet. Falls dies der FaI ist, ist der Prozeß beendet. Trifft dies nicht zu, wird ein weitere Berechnung gemacht, und zwar unter Verwen dung der Werte R₀, R₁ und r,, um die Parameter K um α aus der den Anodisierungsprozeß charakterisierer den Gleichung abzuleiten. Sodann wird der Zeil punkt T errechnet, zu dem der Widerstand den exakte

Wt-rt R_d besitzt. Ferner wird ein Zähler auf den Wert i = 2 eingestellt.

Anschließend wird der Zeitpunkt t_; errechnet, nach welchem der Widerstand der Dünnschichtanordnung den Wert R₁- besitzt, welcher geringer als R_d, jedoch größer als R₁ ist. Analog dazu ist der Wert für t, kleiner als T, jedoch größer als I₁. Der Anodisierungsprozeß wird dann wieder aufgenommen, bis der Zeitpunkt f, erreicht ist, wonach der Widerstand auf den Wert R₁ gebracht ist. Dieser Wert wird gemessen und wiederum eine Berechnung vorgenommen, ob R, innerhalb der Toleianzgrenzen von R_d liegt. Ist dies der Fall, ist der Prozeß beendet. Im anderen Falle werden die Parameter K und α erneut aus den Werten R₁, R, und t, errechnet; aus der sich neu ergebenden Gleichung wird dann ein anderer Wert für den Zeitpunkt T bestimmt. In Anpassung daran kann, falls erwünscht, der Faktor r nu.. größer gemacht werden, während der Wert von i um den Faktor 1 vergrößert in dem Zähler gespeichert wird. An dieser Stelle wiederholt sich das Rechenprogramm, wobei der neue Wert für f, berechnet wird. Die Schritte in dieser Schleife werden so oft wie notwendig mit kontinuierlichen adaptiven Änderungen hinsichtlich des Faktors r wiederholt, bis sich R₁ innerhalb der gewünschten Toleranzgrenzen für R_d befindet.

Das in F i g. 4 da; gestellte Rechenprogramm kann in einer beliebigen Programmierungssprache verwirklicht werden, beispielsweise in FORTRAN oder COBOL. Ein in dieser Weise hergestelltes Programm kann in einem beliebigen Digitalrechner oder in einen für diesen speziellen Zweck konstruierten Digital- oder Analogrechner eingegeben werden, um die in F i g. 1 dargestellte Anodisierungsvorrichtung zu steuern.

Im folgenden wird nochmals auf die Vorrichtung nach F i g. 1 eingegangen und deren Wirkungsweise beschrieben. Zunächst wird der abzugleichende Dünnschichtwiderstand 10 in den Tank 12 eingeführt, so daß er mit dem Elektrolytbad 11 in Berührung kommt. Anschließend wird der Rechner 37 eingeschaltet, welcher über die Leitung 41 auf den Regelkreis 39 einwirkt. Letzterer betätigt über die Leitung 42 das Relais 26, welches die von dem Widerstand 10 kommenden Leitungen 23 mit den Anschlußleitungen 31 des Widerstandsmeßkreises 32 verbindet. Der Widerstandsmeßkreis 32 ermittelt dann den Anfangswert R₀ des Widerstandes 10. Anschließend formt der Analog-Digital-Wandler 34 den gemessenen analogen Widerstandswert in digitale Signale um, die über die Leitung 36 in den Speicher des Rechners 37 eingegeben werden, wo diese bis zur Verwendung gespeichert werden. Der Rechner 37 führt dann die notwendigen Berechnungen aus, um festzustellen, ob sich R₀ innerhalb der Toleranzgrenzen von R_d befindet. Falls R₀ sich außerhalb der vorgeschriebenen Toleranzgrenzen befindet, so gibt der Rechner 37 dem Regelkreis 39 den Befehl, das Relais 26 abzuschalten und den ersten Anodisierungszyklus durch Anschluß an die Konstantstromquelle 22 zu beginnen.

Sobald der Zeitschaltkreis 38 dem Rechner den Ablauf des Zeitpunktes t = t, angezeigt hat, befiehlt der Rechner 37 wiederum dem Regelkreis 39, das Relais 26 zu betätigen und den Anodisierungsprozeß zu unterbrechen. In entsprechender Weise wird wie bei der Messung des Anfangswe^rtes R₀, der neue Widorstandswert R₁ des Dünnschichtwiderstandes 10 zu diesem Zeitpunkt gemessen und in den Rechner eingegeben, der wiederum die notwendigen Berechnungen durchführt, um festzustellen, ob dieser veränderte Widerstand R₁ sich innerhalb der Toleranzgrenzen

ίο von dem gewünschten Widerstand R_d befindet. Falls sich, wie das üblicherweise der Fall sein dürfte, der Wert R₁ immer noch nicht außerhalb der Toleranzgrenzea für R_d befindet, ermittelt der Rechner aus den oben angegebenen Gleichungen die Parameter K und α der hyperbolischen Gleichung, die den Anodisierungsprozeß charakterisiert. Wie schließlich dem Rechenprogramm gemäß F i g. 4 entnommen werden kann, wird dieses gesamte Verfahren so viele Male wiederholt, bis der von dem Meßkreis 32 gemessene Widerstandswert des Widerstandes 10 tatsächlich innerhalb der Toleranzgrenzen von dem gewünschten Widerstand R_d liegt.

Da der Faktor rangepaßt werden kann, konvergiert Iteration schnell, so daß nach nur wenigen Wider-Standsmessungen der exakte Zeitpunkt T, zu dem der Anodisierungsprozeß beendet sein muß. bekannt ist. Sobald der Zeitschaltkreis 38 den Ablauf des Zeitpunktes T angezeigt hat, befiehlt der Rechner 37 dem Regelkreis 39, das Relais 26 zu betätigen, wodurch die Stromquelle 22 abgeschaltci und der Anodisierungsprozeß beendet.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist in vorteilhafter Weise eine außerordentlich schnelle Annäherung da den gewünschten Widerstandswert R_ä in einem Minimum notwendiger Zeit möglich, wobei üblicherwei. e weniger als fünf Widerstandsmessungen benötigt werden. Dies stellt eine beträchtliche Verbesserung der bekannten Verfahren dar.

Vorstehend ist die Erfindung mit Bezug auf die Einstellung bzw. den Abgleich .'es Widerstandswertes eines Dünnschichtwiderstandes beschrieben worden: es versteht sich jedoch, daß die Grundsätze der vorliegenden Erfindung auch bei Verwendung anderer Anodisierungsprozesse zweckvoll angewendet werden

können, beispielsweise bei der Bildung einer nichtleitenden dielektrischen Schicht für die ",atten eines Dünnschichtkondensators. Da die Dicke der ursprünglichen, nichtoxydierten Metallschicht (angenähert) aus den Parametern des Aufstäubungsverfahrens errechnet

werden kann, erlaubt der Widerstand der verbliebenen nichtoxydierten Metallschicht einen Hinweis auf die Dicke der erzeugten Oxidschicht. Die Dicke diesel Oxidschicht ist nämlich im Falle eines Dünnschicht kondensators wichtiger als der Widerstand der daran

terliegenden Metallschicht. Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung im Prinzip auch dort angewen det werden, wo die anodische Schicht aus Schmuck bzw. Dekorationsgründen erwünscht ist, beispielsweise bei der Herstellung dekorativer Metallschilder um Schmuck.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Abgleich von Bauelementen in Dünnschichttechnik durch wiederholte Anodisierung und Widerstandsmessung so lange, bis der elektrische Widerstand einen bestimmten Wert erreicht, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Der Anfangswert (R₀) des Widerstandes des Bauelements (10) wird gemessen;

b) die Anordnung wird zur Erhöhung des Widerstandes in Richtung auf den vorbestimmten Wert (R_äj bis zu einem ersten wählbaren Zeitpunkt (ij) elektrolytisch anodisiert;

c) nach Ablauf des ersten Zeitpunktes («,) wird der Wert (R₁) des Widerstandes des Bauelements (10) erneut gemessen;

d) aus den Widerstandsmeßwerten (R₀, R₁) wird mit Hilfe eines Rechners (37) das zusätzliche Zeitintervall (T- i,) ermittelt, welches zur Fortsetzung der Anodisierung bis zur Erreichung des bestimmten W iderstandswertes (R_d) durch den Widerstand der Anordnung erforderlich ist, und

e) es wird eine erneute Anodisierung der Anordnung während des zusätzlichen Zeitintervalls [T- I₁) durchgeführt, wodurch der Widerstand der Anordnung den bestimmten Wert {R_d) erreicht.

2. Verfahrer, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erneute Anodisierungsschritt vor Ablauf des zusätzlichen Zeitintervalls (T- Z₁) abgebrochen wird und daß die Widerstandsmessung, die Ermittlung des zusätzlichen Zeitintervalls und der Anodisierungsvorgang so lange wiederholt werden, bis der Widerstand des Bauelements innerhalb einer zulässigen Abweichung von ± > des bestimmten Widerstandswertes (R_d) gemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor jedem Anodisierungsschritt durch den Rechner ermittelt wird, ob der Widerstand des Dünnschichtbauelements den vorbestimmten Widerstand innerhalb der zulässigen Abweichung von ± f erreicht hat.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß gemäß einem weiteren Verfahrensschritt die von dem Rechner verwendeten Parameter adaptiv beim Durchlaufen des Iterationsprozesses verändert werden, so daß der Widerstand der Anordnung schnell in Richtung auf den bestimmten Widerstandswert konvergiert.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzlicher Verfahrensschritt vor jedem Anodisierungsschritt mittels des Rechners der gegenwärtige Widerstandswert der Anordnung mit den oberen und unteren Grenzen der zulässigen Abweichung verglichen wird, um festzustellen, ob der Abgleichvorgang beendet werden kann.

6. Vorrichtung ζι\τ Anodisisrung eines Dünnschichtwiderstandeiä auf einen bestimmten Widerstandswert nach dem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 mil einem eine elektrolytische Lösung enthaltenden Tank, einer innerhalb des Tankes in Kontakt mit der elektalytischen Lörung angeordneten Kathode, mit einer Anordnung zur Lagerung des Widerstandes innerhalb des Tanks in Berührung mit der elektrolytischen Lösung, wobei der Widerstand als Anode wirkt und zusammen mit der Kathode und der elektrolytischen Lösung eine elektrolytische Zelle bildet, sowie mit einer Anordnung zur Ajiodisierung des Dünnschichtbauelements mittels eines der Anode und Kathode zugeführten elektrischen Stroms, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rechner (37) zur Ermittlung der Anodisierungsdauer füi das 'jüiins'-hichtbauelement (10) aus den Ergebnissen von während bestimmter Zeitintervalle vorgenommenen Wderstandsmessungen sowie zur Beendigung der Anodisierung nach Ablauf der Anodisierungsdauer vorgesehen ist, daß der Rechner (37) mit einem Zeitkreis (38), mit einem Widerstandsmeßkreis (32) sowie a:it Einrichtungen (39, 26) zur Verbindung des Dünnschichtbauelements mit dem Widerstandsmeßkreis und der Anodisierungsanordnung verbunden ist.