DE2204420C3 - Elektrischer Schichtwiderstand auf der Basis einer aluminiumhaltigen Ni-Cr-Legierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schichtwiderstand auf der Basis einer aluminiumhaltigen Nickel-Chrom-Legierung mit niedrigem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes und hoher Stabilität.

Metallschichtwiderstände auf der Basis von Nickel-Chrom-Legierungen sind bereits aus der Arbeit »Studies of High-Accuracy Ni-Cr Thin-Film Resistors« von Ryoichi Kaneoya in »Electronics and Communications in Japan«, 52-C (1969), Nr. 11, Seiten 162 bis 170, bekannt. Dort werden derartige Widerstände beschrieben, die durch Aufdampfen im Vakuum erhalten sind. Dabei wird angegeben, daß der Temperaturkoeffizient des Schichtwiderstandes durch Zusatz von Aluminium, Beryllium, Silicium oder Zinn zu den Nickel-Chrom-Legierungen beeinflußt wird und daß bei Zusatz gewisser Mengen dieser Elemente Schichtwiderstände mit einem niedrigen Temperaturkoeffizienten -,-, erhalten werden können. Es handelt sich hier um Schichtwiderstände auf der Basis von Nickel-Chrom-Legierungen, deren Chromgehalt zwischen 18 und 35 Gew.-% liegt. Dabei ist angegeben, daß für Si-AI-haltige und Be-AI-haltige Ni-Cr-Schiehtwiderstände der Zu- _h() sammensetzungsbereich, für den der Temperaturkoeffizient annähernd gleich 0 ist, mit zunehmendem Chromgehalt abnimmt und daß sich bei einem Verhältnis zwischen Nickel- und Chromgehalt von 2 : I eine Zusammensetzung mit einem Temperaturkoeffi- b-> zienten gleich 0 schwer erzielen läßt.

Ferner wurde darauf hingewiesen, daß von den bekannten Ni-Cr-Schichtwiderständen die Si-haltigen Widerstände die größte Stabilität aufweisen, daß die Stabilität der Be-haltigen Widerstände etwas geringer, aber doch sehr hoch ist, und daß die Stabilität dieser Ni-Cr-Schichtwiderstände mit zunehmendem Al-Gehalt abnimmt Die bekannten AI-hakigen Ni-Cr-Schichtwiderstände enthalten weniger als 20 Gew.-% Cr.

Ferner wurde für die obenerwähnten bekannten Schichtwiderstände angegeben, daß verschiedene Faktoren, wie die Bedingungen, unter denen die Verdampfung stattfindet, die Verdampfungsgeschwindigkeit und die Substrattemperatur, einen großen Einfluß auf die elektrischen Eigenschaften der erhaltenen Schiehtwiderstände ausüben. Es stellt sich heraus, daß namentlich der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes eines solchen bekannten Schichtwiderstandes sehr stark von der Temperatur des Substrats während des Anbringens der Widerstandsschicht auf diesem Substrat abhängig ist Bei der Herstellung von Schichtwiderständen aus Ni-Cr-Si und Ni-Cr-Be soll daher das Substrat während des Aufdampfvorganges auf einer bestimmten Temperatur und im betreffenden Fall auf 300 ± 10° C gehalten werden.

Bei der serienmäßigen Herstellung von Schichtwiderständen ist die Substrattemperatur von etwa 300⁰C innerhalb enger Grenzen zu halten. Dies ist bei einer Großserienfertiguifg, bei der z. B. Widerstandsschichten auf in einer sich drehenden Trommel befindlichen losen keramischen Gegenständen, z. B. Stäben, angebracht v/erden müssen, praktisch nicht möglich.

In bezug auf die Fertigungsmöglichkeiten für die bekannten Ni-Cr-Si-Schichtwiderstände mit sehr hoher Stabilität ist anzumerken, daß hier die Reproduzierbarkeit gering ist

Die Anwendung des Kathodenzerstäubungsverfahrens zur Herstellung von elektrischen Schichtwiderständen auf der Basis von Ni-Cr-Legierungen ist aus der DE-OS 20 19 091 und der DE-OS 17 65 091 bekannt. Dadurch wird zwar die Herstellung besser reproduzierbarer Schiehtwiderstände ermöglicht, das Kathodenzerstäubungsverfahren gemäß der DE-OS 17 65 091 ist jedoch dadurch, daß es mit zwei Bearbeitungsstufen arbeitet, verhältnismäßig aufwendig, was sich besonders in Massenproduktionen auswirkt, die so kostengünstig wie möglich und so effektiv wie möglich arbeiten müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Schichtwiderstände der eingangs genannten Art anzugeben, bei deren Herstellung die Substrattemperatur nicht auf einen Wert von etwa 300⁰C innerhalb enger Grenzen gehalten zu werden braucht, bei denen die Reproduzierbarkeit deutlich verbessert ist und die auf einfache Weise herstellbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Schichtwiderstand aus einer Legierung besteht, deren Zusammensetzung in einem Zusammensetzungsbereich liegt, der in dem ternären System Ni-Cr-Al ein Sechseck ABCDEF\s\, dessen Eckpunkte durch die nachstehenden Zusammensetzungen (in Gew.-°/o) gegeben sind:

A: 15Ni, 25Cr, 60Al

B: 30Ni, 10 Cr, 60Al

C: 55Ni, 10 Cr, 35 Al

D: 55 Ni, 43 Cr, 2 Al

E: 30 Ni, 68 Cr₁ 2 Al

F: 15Ni, 68 Cr, 17 Al

In der Figur ist der erwähnte Zusammensetzungsbereich in dem ternären System Ni-Cr-Al durch das

Sechseck ABCDEFdwgesteWU

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß auf einfache und rationelle Weise Schichtwiderstände mit sehr hoher Stabilität und sehr guter Reproduzierbarkeit hergestellt werden können.

Die Herstellung von Schichtwiderständen nach der Erfindung kann auf an sich bekannte Weiss erfolgen. Dabei wird .ein Verfahren verwendet, bei dem ein Schichtwiderstand erhalten wird, der eine Zusammensetzung aufweist, die der der Legierung, von der ausgegangen wird, völlig oder nahezu völlig entspricht Bei einem Beispiel eines solchen Verfahrens wird die Widerstandsschicht mit Hilfe einer sehr schnellen und vollständigen Verdampfung der Ausgangslegierung aufgebracht Dies läßt sich dadurch erreichen, daß jeweils geringe Mengen der Legierung auf eine heiße Verdampfungsquelle gebracht werden (»flash-evaporation«). Dieses Verfahren ist z. B. in I.E.EE. Transactions on Parts, Materials and Packaging, Heft PMP-5, Nr. 3, September 1969, S. 139 und folgende, beschrieben.

Bei einem besonders geeigneten Verfahren zur Herstellung von Schichtwiderständen nach der Erfindung wird Kathodenzerstäubung angewandt Dieses an sich bekannte Verfahren ist z. B. in Proceedings of the LEEE₁ Heft 52, S. 1451 bis 1452 (1964), beschrieben.

Es ist von besonderer Bedeutung, daß die Erfindung die Möglichkeit schafft, auf einfache und reproduzierbare Weise Schichtwiderstände mit einem niedrigen Temperaturkoeffizienten und hoher Stabilität serienmäßig herzustellen. Dies ist u. a. dadurch erreichbar, dari die Substratkörper die z. B. aus zylindrischen Porzellanstäben bestehen, nicht während des Anbringens der Widerstandsschichten auf eine erhöhte Temperatur gebracht zu werden brauchen, und insbesondere auch dadurch, daß die Temperatur der Substratkörper nicht innerhalb enger Grenzen gehalten zu werden braucht Es hat sich nämlich herausgestellt daß, wenn die Substratktfrper eine Temperatur zwischen etwa 20 und etwa 100° C während der Herstellung der Schichtwiderstände aufweisen, die Eigenschaften dieser Widerstände nicht oder praktisch nicht von der Temperatur der Substratkörper während der Anbringung der Widerstandsschichten abhängig sind.

Ebenso wie die bekannten N'wkel-Chrom-Schichtwiderstände sollen die Schichtwiderstände nach der Erfindung durch Erhitzung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, z. B. Luft, gealtert, d. h. stabilisiert werden. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, daß sie 4 Stunden lang auf 300 oder 350° C in Luft erhitzt werden. Dabei ändern sich der elektrische Widerstand und der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes. Der elektrische Widerstand nimmt zu. Der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes eines nicht gealterten Schichtwiderstandes ist negativ. Bei der Alterung wird dieser Koeffizient weniger negativ, gleich Null oder positiv. Bei Alterung bei einer bestimmten Temperatur nähen sich der Temperaturkoeffizient bei fortgesetzter Erhitzung asymptotisch einem bestimmten Wert. Dieser Wert wird in großem Maße durch die Temperatur bestimmt, bei der die Alterung stattfindet Durch passende Wahl dieser Temperatur und der Dauer der Alterung können Schichtwiderstände mit dem gewünschten Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes erhalten werden. Auf diese Weise lassen sich Schichtwiderstände mit einem Temperaturkoeffizienten praktisch gleich Null herstellen. Zum Beispiel wurde ein Schichtwiderstand mit einem Temperaturkoeffizienten gleich Null und einem Flächenwiderstand von 350 Ω dadurch hergestellt daß eine Widerstandsschicht die unter Anwendung von Kathodenzerstäubung im Vakuum angebracht war und aus einer Legierung aus 33 Gew.-% Ni, 62 Gew.-% Cr und 5 Gew.-% Al bestand (siebe Nr. 1 in der Figur), und deren Flächenwiderstand sofort nach dem Aufbringen 300 Ω und deren Temperaturkoeffizient —60 ppm/" C betrug, 4 Stunden lang auf 300°C erhitzt wurde. Auf gleiche Weise wiirde ein Schichtwiderstand mit einem Temperaturkoeffizienten des elektrische. Widerstandes von + 3 ppm/" C und einem Flächenwidemand von 550 Ω auf der Basis einer Legierung aus 47,8 Gew.-% Ni₁ 19,9 Gew.-% Cr und 323 Gew.-% Al hergestellt (siehe Nr. 2 in der Figur). Sofort nach dem Aufbringen der Widerstandsschicht betrug der Flächenwiderstand 500 Ω und der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes -140 ppm/°C.

Ein durch Anwendung von Kathodenzerstäubung hergestellter Schichtwiderstand auf der Basis einer Legierung aus 33,6 Gew.-% Ni, 55,4 Gew.-°/o Cr und 11,0 Gew.-% Al (siehe Nr. 3 in der Figur), der sofort nach dem Anbringen einen Flächenwiderstand von 50 Ω und einen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes von -40 ppm/°C aufwies, wies nach 4stündiger Erhitzung in Luft bei 300⁰C einen Flächenwiderstand von 50,5 Ω und einen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes von —33 ppm/⁰ C auf. Ein gleicher Schichtwiderstand wies nach 4stündigiτ Erhitzung auf 350° C einen Flächen widerstand von 51 Ω und einen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widers < indes von - 5 ppm/" C auf.

In der nachstehenden Tabelle werden Daten über andere Beispiele gegeben.

In der Tabelle ist in den einzelnen Spalten folgendes eingetragen:

Spalte 1: Zusammensetzung der Cr-Ni-Al-Ausgangslegierungen in Gew.-%;

Spalte 2: Flächenwiderstandswerte in Ohm für die durch Kathodenzerstäubung hergestellten Widerstandsschichten;

Spalte 3: Temperaturkoeffizient der Widerstandsschichten in ppm/⁰C;

Spalte 4: Dauer der Alterung in Stunden;

Spalte 5: Alterungstemperatur in ⁰C;

Spalte 6: Flächenwiderstandswerte in Ohm nach der Alterung;

Spalte 7: Temperaturkoeffizient in ppm/°C nach der Alterung.

I	i-Al	11,2	2	3	—	70	4	5	6	7
Cr - N	28,3 -	14.5			—	63
64,5-	53,3 -	260		4	350	290	_ ς
32,2 -		405		4	325	58?

I ortsel/iiMii	2	22 04	420	5	b	7
I Cr-Ni-Al	277 456 130	.1	4	350 350 325		-5 -7 -6
5O.7-3I.8-I7.5 46.7 - 28,4 - 24,9 55,3-33,6-11,0	-67 - 125 -44	4 4 4	333 630 134

Zur Bestimmung der Stabilität von Schichtwiderständen nach der Erfindung wurden diese Widerstände während 1000 Stunden in Luft auf 150⁰C erhitzt. Dabei stellte sich heraus, daß die Widerstandswerte sich praktisch nicht oder nur in derart geringem Maße änderten, daß die praktische Anwendbarkeit im Re^slfsü nicht bssinträchti"! wird.

Es wurde gefunden, daß insbesondere mit Legierungen, deren Zusammensetzungen in einem Zusammensetzungsbereich liegen, der in dem ternären System Ni-Cr-Al ein Viereck CDEG ist, dessen Eckpunkte durch die nachstehenden Zusammensetzungen (in Gew.-%) gegeben sind

C: 55 Ni, 10Cr und 35 Al; D: 55 Ni, 43Cr und 2Al; E: 30 Ni, 68 Cr und 2 Al; G: 30 Ni, 35 Cr und 35 Al,

Schichtwiderstände erhalten werden können, die nach Stabilisierung, z. B. durch -istündige Erhitzung in Luft auf 300 bis 35O°C, einen sehr niedrigen Temperaturko-20 effizienten des elektrischen Widerstandes und eine sehr hohe Stabilität aufweisen.

In der Figur sind einige weitere Zusammensetzungen angegeben, aus denen Schichtwiderstände nach der Erfindung hergestellt sind, und zwar:

Nr. 4:	36,6 Gew.
Nr. 5:	31,8 Gew.
Nr. 6:	28,3 Gew.
Nr. 7:	28,4 Gew.
Nr. 8:	53,3 Gew.
Nr. 9:	35,0 Gew.

-% Ni, 60,9 Gew.-% Cr und 2,5 Gew.-% Al; -% Ni, 50,7 Gew.-% Cr und '7,5 Gew.-% AI; -% Ni, 60,5 Gew.-% Cr und 11,2 Gew.-% Al; -% Ni, 46,7 Gew.-% Cr und 24,9 Gew.-% Al; -% Ni, 32,2 Gew.-% Cr und 14,5 Gew.-% Al, und -% Ni, 24,8 Gew.-% Cr und 40,2 Gew.-% Al.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Elektrischer Schichtwiderstand auf der Basis einer aluminiumhaltigen Nickel-Chrom-Legierung mit niedrigem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes und hoher Stabilität, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtwiderstand aus einer Legierung besteht, deren Zusammensetzung in einem Zusammensetzungsbereich liegt, der in dem ternären System Ni-Cr-Al ein Sechseck ABCDEF ist, dessen Eckpunkte durch die nachstehenden Zusammensetzungen (in Gew.-%) gegeben sind:

A: 15 Ni, 25 Cr, 60 Al

B: 30 Ni, 10 Cr, 60 Al

C: 55 Ni, 10 Cr, 35 Al

D-. 55 Ni, 43 Cr, 2 AI

E: 50 Ni, 68 Cr, 2 Al

F: 15 Ni, 68Cr, 17 A!

Z Elektrischer Schichtwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Schichtwiderstand aus einer Legierung besteht deren Zusammensetzung in einem Zusammensetzungsbereich liegt der in dem als ternär betrachteten System Ni-Cr-Al ein Viereck CDEG ist dessen Eckpunkte durch die nachstehenden Zusammensetzungen (in Gew.-%) gegeben sind:

C: 5CNi, 10 Cr und 35 Al; ^Jo

D-. 55 Ni, 43 Cr und 2 Al;

E: 30 Ni, 68 Cr und 2 AI;

G: 30 Ni, 35 Cr uml 35 Al.

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