DE2605174A1 - Duennschichtwiderstand und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Duennschichtwiderstand und verfahren zu dessen herstellung

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DE2605174A1 DE19762605174 DE2605174A DE2605174A1 DE 2605174 A1 DE2605174 A1 DE 2605174A1 DE 19762605174 DE19762605174 DE 19762605174 DE 2605174 A DE2605174 A DE 2605174A DE 2605174 A1 DE2605174 A1 DE 2605174A1
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Description

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Dipl. lii!. i. Λ. .V-., .--ι.;·., .:■;;!. (.;-; ,τ,, b. Huber
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Resista Fabrik elektrischer Widerstände GmbH, 8300 Landshut/Bayern, Ludmillastraße 23/25
Dünnschichtwiderstand und Verfahren zu dessen Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dünnschichtwiderstand mit einem isolierenden Trägerkörper und einer auf dem Trägerkörper aufgebrachten Widerstandsschicht sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Widerstandes.
Es sind Widerstände der genannten Art in Form von Metalloxid-Schichtwiderständen bekannt, bei denen als Metalloxid Zinndioxid Verwendung findet. Die Herstellung derartiger Metalloxid-Schichtwiderstände erfolgt gewöhnlich in der Weise, daß mit Salzsäure· versetztes Zinntetrachlorid zusammen mit Wasser auf die auf etwa 8000C erhitzten isolierenden Trägerkörper, die im allgemeinen aus Glas oder Keramik bestehen, aufgesprüht wird. Die dabei ablaufenden chemischen Reaktionen führen unter Chlorwasserstoffentwicklung zur Bildung von Zinndioxid auf den Trägerkörpern. Zur Steuerung des Temperaturkoeffizienten der Widerstandsschicht kann der Zinnchlorid-Lösung auch Antimon-Chlorid zugesetzt werden.
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Das Verfahren wird dabei so durchgeführt, daS die isolierenden Trägerkörper in einen Nebel der genannten Atmosphäre eingebracht werden, wobei sie beispielsweise von oben nach unten durch eine Webelzone hindurchfallen.
Für die Qualität derartiger Dünnschichtwiderstände ist sowohl das Material der Widerstandssehicht als auch die Qualität der Widerstandsschicht von wesentlicher Bedeutung.
Beispielsweise ist für die Stabilität des Widerstandswertes die Gleichmäßigkeit der Widerstandsschicht sehr wichtig. Mit einem Sprühvorgang der oben genannten Art ist lediglich eine Gleichmäßigkeit der Widerstandsschicht bis zu einer gewissen Grenze erzielbar. Diese Beschränkung macht sich dadurch bemerkbar, daß bei einem Betrieb des Widerstandes von etwa 10 000 Stunden eine Änderung des Widerstandswertes von bis zu 4 % und darüber auftritt.
Weiterhin hat auch das Material und die Qualität der Widerstandsschicht einen wesentlichen Einfluß auf den Temperaturkoeffizienten des Widerstandes. Berücksichtigt man, daß der Temperaturkoeffizient seinerseits wiederum eine Funktion der Temperatur ist, so ergibt sich bei aufgesprühten Schichten der oben genannten Art im Bereich von -55°C bis +175°C eine Änderung des Temperaturkoeffizienten von bis zu 250 Einheiten.
Weitere wichtige elektrische Daten von Widerständen der in Rede stehenden Art sind der Widerstandsbereich, die Widerstandstoleranzen, die elektrische Belastung bei einer vorgegebenen Umgebungstemperatur, die maximale Betriebsspannung, die Wertänderung bei Feuchteeinwirkung sowie die Nichtlinearität.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Dünnschichtwiderstand sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, wobei die klimatische Stabilität und die innere Stabilität bei Belastung des Widerstandes gegenüber den oben genannten Widerständen mit einer Widerstandsschicht aus Zinndioxid verbessert sind.
Diese Aufgabe wird bei einem Dünnschichtwiderstand der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Widerstandsschicht eine Chrom-Nickel-Schicht mit wenigstens einem Zusatz der Metalle, Gold, Aluminium, Kobalt und Zinn ist.
In Weiterbildung der Erfindung ist bei einem Verfahren zur Herstellung eines solchen Widerstandes vorgesehen, daß die Widerstandsschicht durch reaktives Zerstäuben der Metalle Chrom und Nickel mit wenigstens einem Zusatz der Metalle Gold, Aluminium, Kobalt und Zinn in Gegenwart von Sauerstoff auf den isolierenden Träger abgeschieden wird.
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen nach den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
Fig. 2 und 3 jeweils ein Diagramm, das die Änderung von Widerstandswerten bei elektrischer Belastung bzw. bei Wärmebelastung zeigt.
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Erfindungsgemäß werden Widerstandsschichten durch reaktives Zerstäuben (Kathodenzerstäubung) auf isolierende Trägerkörper aufgebracht. Bei der Kathodenzerstäubung werden im Vakuum mittels beschleunigten Argon-Ionen Metallatome aus einer Kathode (Target) herausgelöst, die dann auf den Trägerkörpern kondensieren. Enthält das Restgas Sauerstoff, so kann es zu einer Oxidation der Metallatome kommen. Diese Reaktion, wie auch der gesamte BeSchichtungsprozeß wird wesentlich durch die Zerstäubungs- und Aufstäubungsrate, die Partialdrücke, die Geometrie der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie die Trägerkörper- und Targettemperatur bestimmt. Weiterhin hängen die Eigenschaften der aufgestäubten Widerstandsschichten auch entscheidend von dem Mengenverhältnis der einzelnen Elemente zueinander und durch deren Eigenschaften im Kristallverband ab.
Die Oxidation der Metallatome kann dabei bereits auf dem Target, während der Transportphase im Plasmaraum und auch während der Kondensationsphase auf den Trägerkörpern erfolgen.
Da allgemein angenommen werden kann, daß die Zusammensetzung der Widerstandsschichten durch die Raten der auf die Trägerkörperoberflächen auftreffenden Teilchen bestimmt wird, wobei Kondensationskoeffizienten, Rückzerstäubung und Reaktionsfreudigkeit zu berücksichtigen sind, werden bei hohen Sauerstoffpartialdrücken und kleinen Metallzerstäubungsraten oxidische Phasen entstehen. Bei kleinen Sauerstoffpartialdrücken und großen Metallzerstäubungsraten sind Widerstandsschichten mit überwiegend metallischem Charakter zu erwarten.
Es ist daher in weiterer Ausgestaltung der Erfindung möglich, den Sauerstoffpartialdruck und die Metallzerstäu-
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bungsrate jeweils so einzustellen, daß entweder Metalloxid-Schichten oder Schichten mit metallischem Charakter als Widerstandsschichten erhalten werden.
Dazwischen "bilden sich Übergangsphasen bzw, Gemische aus Metall und Metalloxid.
Weiterhin hat auch die Temperatur der isolierenden Trägerkörper auf den Schichtaufbau einen Einfluß. Da die Haftung und das Rückzerstäuben temperaturabhängige Effekte sind, beeinflußt die Temperatur der Trägerkörper die Zusammensetzung der Schicht. Einen noch stärkeren Einfluß hat die Temperatur der Trägerkörper auf die Struktur der aufgestäubten Schichten. Bei gekühlten Trägerkörpern sind Strukturen zu erwarten, die lediglich den eingefrorenen kondensierten Zustand der auf den Trägerkörper auftreffenden Teilchen wiedergeben. Die Schichten sind dann eher amorph als kristallin. Bei hohen Temperaturen der Trägerkörper sind ausgeprägte Kristallstrukturen zu erwarten. Bei Schichtwiderständen äußert sich dies in erster Linie durch gute Nichtlinearitätswerte.
Anhand einer in der Fig.1 der Zeichnung dargestellten Kathodenzerstäubungsanordnung wird die Herstellung von erfindungsgemäßen Widerständen nun im einzelnen beschrieben.
Die Kathodenzerstäubungsanordnung gemäß der Fig.1 umfaßt eine Reaktionskammer 1, auf deren Oberseite eine Ionisationskammer 2 vorgesehen ist. An dieser Ionisationskammer 2 ist ein Dosierventil 3 vorgesehen, durch das ein zur Zündung und Aufrechterhaltung einer Bogenentladung in der Reaktionskammer notwendiges inertes Gas, beispielsweise Argon, eingeleitet wird. Durch ein an der Reaktionskammer 1 vorgesehenes Dosierventil 4 wird ein reaktives
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Gas, beispielsweise Luft, in die Reaktionskammer eingeleitet. Am Außenumfang der Reaktionskammer 1 ist weiterhin eine Magnetspule 5 vorgesehen. Innerhalb der Reaktionskammer befindet sich ein die zu zerstäubenden Metalle enthaltendes Target (Kathode) 6, das von einer Anode 7 umgeben ist.
Die zu beschichtenden Trägerkörper der Widerstände werden in eine nicht näher dargestellte Drehkorbvorrichtung eingebracht, bei der die Körbe sowohl eine Eigendrehung als auch eine Bahnbewegung um das Target 6 ausführen können. Ein derartiger Korb ist innerhalb der Reaktionskammer 1 schematisch dargestellt und mit 8 bezeichnet.
Vor dem eigentlichen Beschichtungsprozeß der isolierenden Widerstandsträgerkörper im erfindungsgemäßen Sinne mit Chrom-Nickel und mit wenigstens einem Zusatz der Metalle Gold, Aluminium, Kobalt und Zinn erfolgt eine ausreichende Evakuierung der Reaktionskammer 1 und eine Aufheizung der Widerstandsträgerkörper auf etwa 3000C.
Durch die oben genannte Doppelbewegung der Trägerkörper in einer Drehkorbvorrichtung wird eine gleichmäßigere Erwärmung und Bestäubung erreicht. Beide Parameter haben einen großen Einfluß auf die Schichteigenschaften.
Wählt man die Verhältnisse in der Reaktionskammer 1 so, daß die Abstäubrate vom Target 6 größer als die Aufstäubrate auf den Widerstandskörpern 1 ist, was durch relativ große Abstände der die Widerstandsträgerkörper enthaltenden Körbe 8 vom Target 6 erreichbar ist, so bleibt die Targetoberfläche stets sauber, und es sind reproduzierbare Zerstäubungsraten bei reaktivem Gas in der Reaktionskammer 1 gewährleistet. In einem praktischen Beispiel steht dann für die Oxidierung der aufzubringenden Schichten
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aufgrund der großen Differenz zwischen Aufstäubrate und Abstäubrate ein Sauerstoff-Partlaldruckbereich von
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1 χ 10 bis 1 χ 10 Torr zur Verfugung. Bei noch größeren Aufstäubraten kann sogar davon ausgegangen werden, daß dennoch bereits am Target 6 oxidierte Atome keinen entscheidenden Einfluß auf die Zusammensetzung der Widerstandsschicht haben.
Weiterhin ist auch zu erwähnen, daß das reaktive Gas direkt über das Dosierventil 4 in die Reaktionskammer eingeleitet wird, während das inerte Gas durch das Dosierventil 3 zunächst in die Ionisationskammer 2 eingeleitet wird. Durch diese Maßnahme 1st gewährleistet, daß der Ionisationsgrad des reaktiven Gases auch nach der Zündung der Bogenentladung relativ klein bleibt.
Wird unter diesen Voraussetzungen reaktiv zerstäubt, so laufen die für den Schichtaufbau bestimmenden chemischen Reaktionen in erster Linie direkt in den Schichten auf den Widerstandsträgerkörper ab.
Nach Evakuierung und Aufheizung der Reaktionskammer 1 wird der erforderliche Partlaldruck des reaktiven Gases - Im vorliegenden Ausführungsbeispiel Luft - durch das Dosierventil 4 eingestellt. Zur Messung dieses Partialdruckes kann ein Massenspektrometer verwendet werden. Über das Dosierventil wird sodann der zur Zündung und Äufrechterhaltung der Bogenentladung notwendige Druck . des inerten Gases - im vorliegenden Ausführungsbeispiel Argon - mit einem Druck von etwa 7 x 10" Torr eingestellt.
Nach Einstellung der Partialdrücke und Zündung der Bogenentladung wird über die Targetspannung und den Targetstrom die Metallzerstäubungsrate so eingestellt und konstant gehalten, daß sich für einen vorgegebenen Abstand der Wider-
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standsträgerkörper in den Körben 8 eine vorgegebene Kondensationsrate ergibt. Der Anteil der oben angegebenen metallischen Zusätze der Elemente Gold, Aluminiuni, Kobalt oder Zinn läßt sich u.a. über das Maß der Bündelung einstellen.
Sobald sich das System im Gleichgewicht befindet, d.h. sobald vorhandene Oxidschichten auf dem Target 6 zerstäubt sind und das Abtragen mit konstanter Geschwindigkeit erfolgt, werden die Widerstandsträgerkörper zur Beschichtung freigegeben. Nach einer vorgegebenen Zeit, die im wesentlichen eine Funktion des geforderten Flächenwiderstandes ist, wird die Beschichtung abgeschaltet,oder es wird auf ein anderes Target umgeschaltet« Für höherohmige Schichten hat es sich als notwendig erwiesen, den Modus der Zerstäubung für einzelne Schichtbereiche zu ändern. Dies betrifft sowohl den Sauerstoff partialdruck als auch das Verhältnis der einzelnen Metalle zueinander.
Im Anschluß an den Beschichtungsvorgang wird eine Temperung bei etwa 300 C für mehrere Stunden durchgeführt. Die weiteren Fertigungsschritte sind im wesentlichen solche,. wie sie bei Widerständen in gekappter und lackierter Ausführung zur Anwendung kommen, wobei insbesondere ein tiberziehen der ¥iderstandsschicht mit Silikon-Lack oder eine Umpressung mit einem geeigneten Kunststoff in Frage kommt.
Im folgenden sollen nun noch einige wichtige elektrische Daten von erfindungsgeinäßen Widerständen diskutiert werden.
Eine wesentliche Größe ist die Stabilität des Widerstandswertes bei thermischer und elektrischer Belastung. Werden Schichtwiderstände längere Zeit einer elektrischen oder
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thermischen Belastung ausgesetzt, so treten Widerstandsänderungen auf. Ihre Größe hängt von der Umgebungstemperatur, der Höhe und der Dauer der Belastung sowie vom Flächenwiderstand ab. Im Gegensatz zu Metallschichtwiderständen, die im allgemeinen mit der Zeit größere Widerstandswerte annehmen, neigen Oxidschichtwiderstände häufig dazu, mit der Zeit kleinere Widerstandswerte anzunehmen. Dieses so charakteristische Verhalten tritt bereits bei Temperaturen von > 1500C auf.
Wie die Fig. 2 und 3 zeigen, ist dieses Verhalten an erfindungsgemäß hergestellten Metalloxid-Widerstandsschichten ebenfalls zu beobachten. Fig. 2 zeigt dabei die Änderung des Widerstandswertes Δ R/R in % als Funktion der Zeit t in Stunden (h) bei elektrischer Belastung (Py0 = 1 Watt) für verschiedene eingetragene Widerstandswerte. Fig. 3 zeigt die Änderung des Widerstandswertes Δ R/R in % als Funktion der Zeit t in Stunden (h) bei Wärmelagerung auf 200°C für verschiedene eingetragene Widerstandswerte .
Ein weiteres Charakteristikum von Oxidschichten ist auch, daß sie thermisch relativ hoch belastbar sind. So sind beispielsweise bei Oxidschichten noch Schichttemperaturen bis zu 2000C zulässig.
Während nun bei herkömmlichen Metalloxidwiderständen etwa bei einer thermischen Belastung bei 2000C über 10 Stunden eine Wertänderung von bis zu 4 % und zum Teil sogar darüber gerechnet werden muß, tritt bei erfindungsgemäßen Widerständen bei entsprechender thermischer Belastung lediglich eine Wertänderung von bis zu 1,5 % auf.
Diese Vorteile ergeben sich aus dem relativ langsamen und gleichmäßigen Aufbringen der Schichten, da sich der Schicht
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aufbau beim reaktiven Aufstäuben durch Anlagerung von Ato men oder Molekülen vollzieht. Bei dem eingangs genannten bekannten Sprühvorgang kann sich insbesondere beim Aufbringen von sehr dünnen Schichten eine solche Gleichmäßigkeit nicht ergeben, weil die Beschichtung in Quanten von Atom- bzw. Molekülverbänden abläuft. Bei aufgesprühten Schichten ergibt sich daher eine kristalline Struktur über größere Bereiche erst durch einen längeren Alterungs prozeß.
Bei den erfindungsgemäß hergestellten Widerständen ergeben sich entsprechend günstige Verhältnisse auch als Funk tion der Zeit bei elektrischer Belastung und vorgegebener Temperatur. Das Ergebnis ist im wesentlichen ebenso günstig wie bei der vorgenannten thermischen Belastung.
Eine weitere wichtige Eigenschaft von Widerständen ist ihre Unempfindlichkeit gegen Feuchte-Einflüsse. Diese Eigenschaft wird nicht so sehr durch die Schichtqualität, sondern vielmehr durch Umhüllung, die am Widerstand auftretenden elektrischen Feldstärken und insbesondere durch die Größe des Flächenwiderstandes bestimmt. Berücksichtigt man die am Widerstand auftretenden elektrischen Feldstärken und die Größe des Flächenwiderstandes durch Wendelung der Widerstandsschicht und umhüllt die so gewendelte Widerstandsschicht mit einer feuchtebeständigen Schutzschicht, beispielsweise einem Silikon-Lack, so ist die Feuchtebeständigkeit im Vergleich zu bisher bekannten Widerständen mindestens gleichwertig.
Bei elektrischer und thermischer Belastung von Widerständen ist nicht nur mit irreversiblen, sondern auch mit reversiblen Änderungen des Widerstandswertes zu rechnen. Ein Maß für die wichtigste reversible Wertänderung ist der Temperaturkoeffizient.
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Bei erfindungsgemäßen Widerständen ergeben sich Werte des Temperaturkoeffizienten von < + 200 χ 10 pro 0C. Typisehe Werte liegen bei < 125 χ 10 pro C. Die Abhängigkeit des Temperaturkoeffizienten von der Temperatur im Bereich von -55°C bis 1750C ist < 50 Einheiten. Im Vergleich dazu ergeben sich auch bei aufgesprühten Oxidschichten im gleichen Temperaturbereich Werte von bis zu 250 Einheiten.
Ein weiteres Qualitätsmerkmal für Schichtwiderstände ist die Nichtlinearität. Diese Größe äußert sich z.B. darin, daß bei einer Beanspruchung des Widerstandes mit einem rein sinusförmigen Strom der Grundfrequenz Anteile mit ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz auftreten, wel che Spannungen der ganzzahligen/der Grundfrequenz erzeugen. Als Maß für die Nichtlinearität ist das Verhältnis der angelegten Spannung zu der Spannung mit der dreifachen Frequenz festgelegt nach der Formel
U
- 20 Ig ^
Darin bedeuten V^ die angelegte Spannung, E, die Spannung mit der dreifachen Frequenz und Ig den Logarithmus mit der Basis 10 und A^ das Maß für die Nichtlinearität. Die Nichtlinearität ist also hoch, wenn der A .,-Wert klein ist und umgekehrt. In den Widerstandsnormen sind für die einzelnen Schichtarten, Widerstandsgrößen und Widerstandsnennwerte maximal zulässige Werte dieses Verhältnisses angegeben, die von mindestens 95 % einer Widerstandsgruppe nicht überschritten werden dürfen. Auch hier zeigt sich, daß die erfindungsgemäßen Widerstände den zulässigen Bereich bei weitem nicht ausschöpfen.
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Λ+
Abschließend werden in einer Tabelle elektrische Daten eines erfindungsgemäßen Widerstandes mit Keramikzylinder als Trägerkörper, Metalloxidschicht, Kappen, an die Kappen angeschweißte bleiverzinnte Anschlußdrähte und Silikonlackumhüllung mit Grenzwerten nach DIN 44063 verglichen, woraus sich die Vorteile von erfindungsgemäß hergestellten Widerständen besonders sinnfällig ergeben. Die Werte resultieren aus einem Versuch mit Widerständen der DIN-Baugröße O414.
Typische Werte
Widerstandsbereich Widerstandstoleranzen
el. Belastung bei einer Umgebungstemp. von 700C
max. Betriebsspannung Temperaturkoeffizient
Widerstandsveränderung nach 1000 Std. bei 700C und 1 Watt el. Belastung
Widerstandsänderung nach 10000 Std. bei 70°C und 1 Watt el. Belastung
Wertänderung bei Feuchteeinwirkung
Nichtlinearität (100 kOhm)
Grenzwerte
nach DIN 44063
und 5 % des
gem.
erfindungs-
. Widerstandes
106 Ohm
10 Ohm - 100 kOhm Watt 1 Ohm bis *
2 % V
400 χ 10"6/°C
2 % und 5
0,5 1 Watt i<r6/°c
350 350 V
< 200 χ
+ 4 %
1,5 % > 85
< + 1,5 9Ä > 110 dB
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Claims (14)

260517A - mit - Patentansprüche
1. Dünnschichtwiderstand mit einem isolierenden Trägerkörper und einer auf den Trägerkörper aufgebrachten Widerstands schicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht eine Chrom-Nickel-Schicht mit wenigstens einem Zusatz der Metalle Gold, Aluminium, Kobalt und
Zinn ist.
2. Dünnschichtwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht eine Metalloxidschicht ist.
3. Dünnschichtwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht metallischen Charakter besitzt.
4. Dünnschichtwiderstand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als metallischer Zusatz Gold vorgesehen ist.
5. Verfahren zur Herstellung eines DünnSchichtwiderstandes nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht durch reaktives Zerstäuben der Metalle Chrom und Nickel mit wenigstens einem Zusatz der Metalle Gold, Kobalt, Aluminium und Zinn in Gegenwart von Sauerstoff auf den isolierenden Trägerkörper abgeschieden wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung der Widerstandsschicht in einem sauerstoff enthaltenden reaktiven Gas durchgeführt wird.
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7. Verfahren nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß als reaktives Gas Luft verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff einem die zu zerstäubenden Metalle enthaltenden Target beigegeben wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffpartialdruck und die Metallzerstäubungsrate so eingestellt werden, daß die aufgebrachte Widerstandsschicht eine Metalloxid-Schicht ist
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffpartialdruck und die Metallzerstäubungsrate so eingestellt werden, daß die aufgebrachte Widerstandsschicht metallischen Charakter besitzt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzmetall Gold verwendet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht zur Einstellung des Widerstandssollwerts gewendelt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht mit einer Lackschicht, vorzugsweise mit einem Silikon-Lack überzogen wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper und die darauf befindliche Widerstandsschicht mit Kunststoff umpreßt werden.
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