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Verfahren zum Herstellen von elektrischen Widerstandsschichten Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von elektrischen Widerstandsschichten
aus TaCx mit 0,35 dz(0,8 durch Kathodenzerstäubung.
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Aus der DT-OS 1 802 900 ist es bekannt, Tantal-Carbid-Schichten der
Zusammensetzung TaCx mit 0,35 Cx t0,8 durch Aufkarburieren von Tantalfolien oder
von aufgestäubten Tantalschichten in einer Kohlenwasserstoffatmosphä.re bei- Temperaturen
zwischen 15000 und 25000 C herzustellen. Aus dieser Literaturstelle ist es auch
bekannt, derartige Tantal-Carbid-Schichten durch Zerstäuben einer Tantal-Carbid-Kathode,
die zuvor durch Aufkarburieren eines Taiftalbleches erhalten wurde, herzustellen.
Diese bekanntsn Carbid-Schichten und -Folien besitzen eine gute QxydationsbestAndigkeit
und einen niedrigen Temperaturkoeffizienten, so daß sie für den Einsatz als Widerstandsschichten
geeignet sind. Die in dieser Literaturstelle beschriebenen Herstellungsverfahren
sind jedoch insbesondere dann völlig ungeeignet, wenn es um die Herstellung von
dünnen Widerstandsschichten auf nichtleitenden Substraten geht. Bei den hohen Temperaturen,
die für das Aufkarburieren der Tantal-Schichten benötigt werden, kann sehr leicht
eine Beschädigung der Substrate eintreten. Auch das Herstellungsverfahren, das mit
der Zerstäubung einer Tantal-Carbid-Kathode arbeitet, ist wenig geeignet, da es
eine feine Dosierung der Kohlenstoffkonzentration nicht erlaubt.
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Aus der Zeitschrift "Bell Latoratories Record",Nov. 1964, Seiten 364
bis 369 ist es bekannt, Tantal-Carbid-Schichten
mit unterschiedlichen
Kohlenstoffkonzentrationen durch reaktive Kathodenzerstäubung mit entweder Methan
oder Kohlenmonoxyd als reaktivem Gas herzustellen. über die Eigenschaften der so
hergestellten Tantal-Carbid-Schichten und insbesondere über die Parameter bein Aufstäubungsprozeß
ist in dieser Literaturstelle jedoch praktisch nichts ausgesagt.
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Aus der DT-OS 1 901 891 ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Schichtwiderständen
durch Kathodenzerstäubung von Metallen, Metallverbindungen oder Metallegierungen
auf Trägerkörpern in einem fremderregten Plasma, insbesondere in einem HF-Ringentladungsplasma
bekannt, bei der die Trägerkörper aus einem Vorratsbehälter kontinuierlich in einen
rotierenden, zylindrischen, vorne und hinten offenen Metallisierungskäfig geschüttet
werden, in dem sie einen Metallisierungsabschnitt durchlaufen, wobei sie zur gleichmäßigen
Beschichtung fortlaufend umgelagert werden und nach dem Beschichtungsvorgang aus
dem Metallisierungskäfig in einen zweiten Vorratsbehälter fallen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Herstellung von elektrischen Widerstandsschichten aus Tantal-Carbid, wie sie
in der zuerst genannten Literaturstelle beschrieben sind, anzugeben, das wesentlich
einfacher ist.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Widerstandsschichten in
einer Kathode merstäubungssnlage mit Ringentladungsplasma mit einer Zerstäubungsatmosphäre
aus Argon mit einem Druck von ca. 1.10-1 N/m2 und einem Äthylenpartialdruck von
-5,5 bis 9.10-2 N/m2 von einer reinen Tantal-Kathode auf nichtleitende Substrate
reaktiv aufgestäubt werden.
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Damit ergeben sich die Vorteile, daß der Kohlenstoffanteil dosierbar
ist, daß die Wärmebelastung der Schichten und der Substrate verringert ist, und
daß bereits bekannte und bewährte
Kathodenzerstäubungsanlagen benutzt
werden.
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Vorzugsweise wird auf die Widerstandsschichten bei ca. 5500 C fünf
Minuten lang eine schützende Glasur aus Borosilikat aufgebracht. Hierdurch ergibt
sich eine deutliche Verringerung der Schichtoxydation bei hohen Temperaturen.
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Vorzugsweise beträgt der Äthylenpartialdruck 6,7 bis 8,0.10 2, insbesondere
7,5 . 10 2 N/m2. In diesem Bereich besitzt der Temperaturkoefizient des Widerstandes
ein Plateau von etwa -25.10 6/K. Der spezifische Widerstand liegt in diesem Bereich
zwischen 200 und 300 µ# cm und die Langzeitkonstanz bei Heißlagerung ist sehr gut.
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Anhand eines Ausführungsbeispiels soll das erfindungsgemäße Verfahren
erläutert werden. In der eingangs beschriebenen Kathodenzerstäubungsdurchlauanlage
erfolgte die Zerstäubung des Tantals in einer Zerstäubungsatmosphäre von Argon mit
einem Anteil von Äthylen als reaktivem Gas. Es wurden folgende Zerstäubungsparameter
eingestellt: Äthylenpartialdruck = 7,5.10-2 Nim2 Anodenspannung = 500 Volt Anodenstrom
= 10 Ampere Bestäubungszeit = 15 Minuten Substrate aus zylindrischer Keramik Die
so hergestellten Tantal-Carbid-Schichten besitzen folgende Meßwerte: Struktur hexagonal
(Ta2C) Flächenwiderstand ungefähr 35 Ohm Widerstandswert ungefähr 3,5 k spezifischer
elektrischer Widerstand ungefähr 250 µ # cm uSLcm
Temperaturkoeffizient
ungefähr -25.10 6/K Strotnrauschen G 9, 35/uV/Volt Die so hergestel1ten ',iderstandsschichten
rvmrden einer Heißlagerung an Luft unterzogen. Dabei wurden folgende Brgebnisse
erhalten.
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a) Temperatur 3000 C, 125 Stunden, ungeschützt, Widerstandsänderung
ca. 15 % b) 1650 C, 2800 Stunden, ungeschützt, Widerstandsänderung ungefähr 4 %
c) 1650 C, 2800 Stunden, glasiert, Widerstandsänderung ungefähr 0,12 56 Anhand der
Zeichnung sollen die Eigenschaften der erfindungsgemäß hergestellten Tantal-Carbid-Schichten
gezeigt werden.
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Fig. 1 zeigt die Abhängigkeit des Temperaturkoeffizienten TKR vom
Äthylenpartialdruck PÄth in dem Bereich von 2 bis etwa 12.10 2 N/m2. Mit wachsendem
Äthylenpartialdruck nimmt der TKR zunächst kontinuierlich ab und erreicht zwischen
6 und 8.10-2 N/m² ein Plateau mit etwa 06/K. Im Bereich des Plateaus ergibt sich
ein hexagonales Tantal-Carbid mit der chemischen Formel Ta2C. Mit weiter zunehmendem
Kohlenstoffanteil nimmt der TKR zunächst zu, um dann wieder abzufallen. In diesem
Gebiet besitzt das entstehende Tantal-Carbid ein kubisches Gitter und hat die chemische
Formel TaC.
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Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit des Flächenwiderstandes RF, gemessen
in Ohm, vom Stickstoffpatialdruck PÄth. Der Meßbereich ist derselbe wie der in Fig.
1. Im Bereich des TKR-Plateaus ändert sich der Flächenwiderstand zwischen etwa 40
und 20 Ohm. Entsprechend ändert sich auch der spezifische Widerstand.
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Fig. 3 zeigt das Ergebnis der obengenannten Dauerversuche.
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In doppeltlogarithmischer Darstellung ist die Abhängigkeit
der
prozentualen Widrstandsänderung ,J R:R von der Zeit t in Stunden dargestellt. Die
ausgezogenen Kurven a1'b1'c1 stellen das Verhalten der erfindungsgenäß hergestellten
Ta2C-Schichten dar, die zur zusitzliche Unterscheidung mit dem Index 1 gekennzeIchnet
sind. Die gestrichelt gezeichneten Kurven a2, b2,c2 zigen das Langzeitverhalten
von gleichzeitig untersuchten Ta2N-Schichten, die zusätzlich mit dem Index 2 bezeichnet
sind. Die Versuchsbedingungen und die Ergebnisse sind oben vor der Figurenbeschreibung
aufgeführt.
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Aus den in Fig. 3 dargestellten Dauerversuchen ersieht man, daß die
erfindungsgemäß hergestellten Ta2C-Schichten mindestens ebenso oxidationsbeständig
sind wie die bekannten Ta2N-Schichten. Somit stehen durch das erfindungsgemäße Verfahren
hergestellte Schichten zur Verfügung, die immer dann einsetzbar sind, wenn die Ta2N-Schichten
nicht verwendbar sind.
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4 Patentansprüche 3 Figuren