DE3200901A1

DE3200901A1 - Verfahren zum herstellen eines temperaturempfindslichen bauelements

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Publication number: DE3200901A1
Application number: DE19823200901
Authority: DE
Inventors: Joseph Alfred Drexel Hill Pa. Tentarelli; Richard Lee Churchville Pa. Wahlers; John Galloway Philadelphia Pa. Woods
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 1981-01-21
Filing date: 1982-01-14
Publication date: 1982-09-02
Also published as: GB2091487A; IT8183664A0; CA1187207A; FR2498323A1; FR2498323B1; GB2091487B; US4323875A; JPS57138108A; IT1147276B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines temperaturempfindlichen Bauelements, insbesondere eines Nickeldünnschicht-Bauelements,mit einem relativ hohen positiven Widerstands-Temperaturkoeffizienten (TCR), wobei eine Nickelschicht aus einer Quelle' aus massivem Nickel auf einem elektrisch isolierenden Substrat niedergeschlagen wird.

Temperaturempfindliche Dünnschichtbauelemente wurden durch Niederschlagen von Metallschichten auf einem isolierenden Substrat hergestellt. Zur Erzielung einer hohen Temperaturempfindlichkeit wurden Metalle verwendet, die sich durch hohe Widerstands-Temperaturkoeffizienten auszeichnen. Da massives. Nickel einen positiven Temperaturkoeffizienten (TCR) hat, wurde dieses Metall zur Erzielung einer starken Temperaturempfindlichkeit verwendet. " " ,

Es wurde jedoch gefunden, daß der hohe Temperaturkoeffizient, der sich bei massivem Nickel ergibt, dann reduziert wird, wenn die Schichtdicken unter etwa 5000 ft absinken. Wegen

des niedrigen spezifischen Widerstandes von massivem Nickel fanden Nickelschichten Verwendung, deren Dicke auf weniger als 5000 A* reduziert wurde, um den Flächenwiderstand bei der Herstellung kompakter bzw. gedrängter Bauelemente zu erhöhen. Als Folge davon ergaben sich bei herkömmlichen Dünnschichtbauelementen mit reduzierter Schichtstärke Widerstands-Temperaturkoeffizienten, die wesentlich kleiner als diejenigen des massiven Metalls waren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfach ausführbares Verfahren verfügbar zu machen, mit dem ein temperaturempfindliches Dünnschichtbauelement mit einem relativ hohen Widerstands-Temperaturkoeffizienten und gleichzeitig relativ hohem Flächenwiderstand hergestellt werden kann. Insbesondere soll das Bauelement eine Nickel-Schichtdicke von weniger als 5000 A bei einem relativ hohen Temperaturkoeffizienten sowie einem relativ hohen Schichtwiderstand haben. Der Widerstands-Temperaturkoeffizient soll dabei innerhalb eines Bereichs von 60 - 100% desjenigen von massivem Nickel liegen."

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art, schlägt die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe vor, daß eine Nickelschicht einer Stärke von weniger als 5000 Ä auf einem elektrisch isolierenden Substrat niedergeschlagen und das Bauelement durch Erhitzen auf eine Spitzentemperatur von wenigstens 550 C in einer reduzierenden Atmosphäre über einen Heizzyklus von wenigstens etwa 20 Minuten behandelt wird. Es entsteht ein Widerstandselement, dessen Flächenwiderstand wenigstens 1 Ohm.pro Quadrat beträgt und der einen einstellbaren Temperaturkoeffizienten im Bereich von 60 - 100% des Wertes des Temperaturkoeffizienten für das als Quelle für die Dünnschicht dienende Massivnickel hat. Der Widerstands-Temperaturkoef fizient und der Flächenwiderstand sind durch

die Wärmebehandlungstemperatur, die Behandlungsdauer bzw. Zykluszeit und die Dicke der Nickelschicht bestimmt. Das Widerstandselement kann durch Väkuum-Niederschlagen der Nickelschicht in der gewünschten Stärke auf das isolierende Substrat hergestellt werden. Durch die Erfindung wird also in zuverlässiger, wirksamer und ökonomischer Weise ein temper^turempfindliches Bauelement geschaffen, das hinsichtlich seines Widerstands-Temperaturkoeffizienten dem entsprechenden Wert des als Quelle dienenden massiven Nickels vergleichbar ist, andererseits aber einen größeren Flächenwiderstand als derjenige Von massivem Nickel besitzt. Der Hauptwärmeb'ehandlungsschritt dient zur Schaffung der gewünschten elektrischen Eigenschaften.des temperaturempfindlichen Bauelements; mit Hilfe eines der reduzierenden Wärmebehandlung vorausgehenden Wärmebehandlungsschritts, wobei das Widerstandselement in Luft bei einer Temperatur von 350° für eine Zeitspanne von etwa einer Stunde vorbehandelt wird, können die elektrischen Eigenschaften besonders eingestellt werden.

Zum Zwecke der Stabilisierung des temperaturempfindlichen Bauelements kann das bereits wärmebehandelte Widerstandselement in Luft auf eine Temperatur von etwa 250 C über eine Zeitspanne von etwa einer Stunde erwärmt werden» Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene schematische Ansicht eines erfindungsgemäß hergestellten temperaturempfindlichen Bauelements; und

Fig. 2 eine graphische Darstellung mit Kurven, welche den

Widerstands-Temperaturkoeffizienten und den Flächenwiderstand über verschiedenen Spitzentemperaturen bei einigen temperaturempfindlichen Bauelementen veranschaulichen.

Fig.1 zeigt ein als ganzes mit 10 bezeichnetes temperaturempfindliches Bauelement mit einem Widerstandselement 12, das ein Substrat 13 und eine dünne Nickel-Widerstandsschicht 14 auf der Außenseite des Substrats aufweist. Das Substrat 13 kann rohr- oder stabförmig ausgebildet sein und besteht aus einem elektrisch isolierenden Material, z. B. Glas, Keramik, Aluminiumoxyd oder Steatit-Materialien. Die dünne Nickel-Widerstandsschich.t 14, die vorzugsweise im Vakuum auf dem Substrat 13 niedergeschlagen wird, wird nach dem Niederschlagen wärmebehandelt, um die für das temperaturempfindliche Bauelement 10 angestrebten Eigenschaften zu schaffen. Die metallische Widerstandsschicht 14 wird vorzugsweise dadurch auf das Substrat 13 niedergeschlagen, daß das Substrat Nickeldämpfen ausgesetzt wird, die durch Verdampfen einer massiven Nickelquelle in einem Hochvakuum entwickelt werden, wie beispielsweise in US-PS 2847325 beschrieben ist. Eine Anschlußkappe 16 aus elektrisch leitendem Metall ist auf jedem der Enden des Substrats 12 unter elektrischem Kontakt mit der Widerstandsschicht 14 angebracht. Anschlußdrähte 18 aus elektrisch leitendem Metall sind an den Anschlußkappen 16 befestigt und stehen von diesen nach außen vor. Ein Schutzüberzug 20 ist vorzugsweise auf dem sonst freiliegenden Abschnitt der Widerstandsschicht 14 zwischen den Anschlußkappen 16 angeordnet.

Vorzugsweise wird bei der Herstellung des temperaturempfandlichen Bauelements 10 ein Widerstandselement 12 verwendet, bei dem eine Nickelschicht 14 im Vakuumdampfverfahren aus einer Nickelquelle hoher Reinheit, z. B. 99,97 Gew.% oder mehr in einem Hochvakuum zwischen 10~ bis 10~ Torr niedergeschlagen wird. Um einen gleichmäßigen Überzug auf der Außenfläche des Substrats 13 zu erzielen, ist es zweckmäßig — wenn auch nicht notwendig -, das Widerstandselement 12 während des Niederschiagens zu drehen, wobei beispielsweise das Gerät gemäß US-PS 2847325 Verwendung finden kann. Die Schicht

/Je?«

14 kann mit verschiedenen Niederschlagsgeschwindigkeiten gebildet werden,· und es hat sich gezeigt, daß Niederschlagsgeschwindigkeiten zwischen 3 A und 25 A pro Sekunde zum Aufbringen einer Nickelschicht in einer Stärke zwischen 1000 und 3000 A geeignet sind. Neben dem Beschichten des Substrats 13 durch Niederschlagen von Nickel aus der Dampfphase können aber auch andere Methoden, wie Aufsprühen, Elektronenbestrahlung o. dgl. verwendet werden; die erwünschten Eigenschaften sind von diesen'Auftragsmethoden, vom Anlegen von Vorspannungen und von der Verwendung beheizter Substrate nicht abhängig.

Durch Wärmebehandlung des Widerstandselements 12 können dessen elektrische Eigenschaften gesteuert geändert werden und die gewünschten relativ hohen Temperatur-Koeffizienten erzielt werden. Die Dauerbehandlung kann auch zur Erhöhung des Flächenwiderstandes des Bauelements 10 benutzt werden. Das Widerstandselement 12 wird in einer reduzierenden Atmosphäre wärmebehandelt, und zwar auf eine Spitzentemperatur von wenigstens 550 C über einen Heizzyklus von wenigstens zwanzig Minuten. Die Atmosphäre ist vorzugsweise leicht reduzierend, wobei ein Gemisch aus Stickstoff und Wasserstoff bei einem Wasserstoffvolumen von weniger als demjenigen des Stickstoffs verwendet werden kann. Ein verringerter Wasserstoffgehalt ist erwünscht, um den Wert des Widerstands-Temperaturkoeffizienten des wärmebehandelten Bauelements 10-zu verstärken und zu erhöhen. Anteile von 5 und 15 VoI»% Wasserstoff sowie 1 Vol.% und niedriger haben sich bei der Einstellung der gewünschten Eigenschaften des temperaturempfindlichen Bauelements 10 als brauchbar erwiesen.

Die Spitzentemperatur, auf die das Widerstandselement 12

erhitzt wird, und die Heizzykluszeit richten sich nach den angestrebten Werten des Widerstands-Temperaturkoeffizienten und des Flächenwiderstandes. Die Werte des Temperaturkoeffizienten

und des Flächenwiderstandes hängen auch von der Dicke . der Nickelschicht ab. Erwünscht hohe Temperaturkoeffizienten von wenigstens 60%, 80%, 90%, 95% und bis hinauf zu 100% des Wertes des Quellenmaterials aus massivem Nickel können durch Einstellung der Wärmebehandlungstemperatur, der Wärmebehandlungs-Zykluszeit und der Schichtdicke erreicht werden. Zur Erzielung solcher Ergebnisse können Wärmebehandlungstemperaturen von 550 C bis hinauf zu 950 C und darüber verwendet werden.· Um hohe Temperaturkoeffizienten bei verschiedenen Werten zu erzielen, sind Spitzentemperaturen im Streich zwischen 600⁰C bis 900⁰C erwünscht, wobei Spitzentemperaturen im Bereich zwischen 750⁰C und 850 C für hohe Temperaturkoeffizientenwerte bevorzugt sind. Ein Spitzenwert von etwa 800 C hat sich zur Erzielung hoher Werte des Widerstands-Temperaturkoeffizienten über einen Dickenbereich der Nickelschicht von 1100 °\ und dünner bis zu 2800 A und darüber als optimal erwiesen.

Zwar kann ein Wärmebehandlungszyklus einer Dauer von nur zwanzig Minuten verwendet werden; jedoch kann der Wärmebehandlungszyklus über Perioden von 1/2 Stunden bis zu 2 und 3 Stunden und mehr ausgedehnt werden. Da die Variation der Zykluszeit und der Wärmebehandlungs- bzw. Heiztemperatur die Eigenschaften des temperaturempfindlichen Bauelements beeinflußt, wird auch die Zykluszeit zur Einstellung der gewünschten elektrischen Eigenschaften geeignet gewählt.

In Abhängigkeit von der Stärke der Nickelschicht bleibt der Flächenwiderstand der Nichelschicht bei Änderungen der Spitzentemperatur bis zum Erreichen einer kritischen Spitzentemperatur relativ konstant. Bei Überschreiten der kritischen Temperatur ergibt sich eine rasche Zunahme des Flächenwiderstandes. Generell übersteigen die Werte des Flächenwiderstandes bei der Erfindung den Wert des vergleichbaren Flächenwiderstandes der massiven Nickelquelle und betragen wenigstens 1 Ohm pro Quadrat. Die Wärmebehandlung kann auch zu einer gleichzeitigen

Zunahme sowohl des. Widerstands-Temperaturkoeffizienten als auch des Flächenwiderstandes, des Bauelements 10 gegenüber Werten des nicht wärmebehandelten Widerstandselements 12 führen. Die tatsächlichen Wertänderungen hängen jedoch von den Wärmebehandlungsbedingungen und der Stärke der Nickelschicht ab. Die Erfindung stellt daher ein Verfahren zur Verfügung, das in einfacher Weise in Verbindung mit einem Nickelschichtwiderstandselement ausgeführt werden kann, wobei das Nickelschichtwiderstandselement durch einfaches Vakuumniederschlagen bei Schichtdicken von weniger als 5000 A hergestellt werden kann. Eine Schichtdicke von 3000 8,1100 % und weniger kann zur Erzielung der gewünschten Ergebnisse benutzt werden. Bei'Verwendung von Nickelschichten von weniger als 1100 % Stärke sind jedoch niedrigere Spitzenerhitzungstemperatur.en und Zykluszeiten erforderlich, um eine Zerstörung der Nickelschichten zuverlässig zu verhindern.

Zusätzlich zu der reduzierenden Wärmebehandlung kann das Widerstandselement 12 auch Wärmebehandlungsschritten zur Modifizierung der Eigenschaften des temperaturempfindlichen Bauelements 10 unterzogen werden. So kann der reduzierenden Wärmebehandlung eine Wärmebehandlung in Luft bei etwa 350 C über eine Zeitspanne von etwa einer Stunde vorausgehen. Soweit erwünscht, kann der reduzierenden Wärmebehandlung eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von etwa 250⁰C über etwa 1 StcLin Luft zur Stabilisierung des temperaturempfindlichen Bauelements folgen.

Beispiel 1

Temperaturempfindliche Bauelemente 10 wurden unter Verwendung von Widerstandselementen 12 hergestellt, deren Nickeldünnschicht bei einer Stärke von etwa 1100 A* aus einer Quelle hochreinen massiven Nickels in einem Vakuum zwischen 10" und 10" Torr niedergeschlagen wurde. Der Widerstands-Ternperaturkoeffizient von massivem Nickel betrug etwa 5620 Teile pro Million (ppm) pro ⁰C. Der Widerstands-Temperaturkoeffizient der Nickelschicht 14 der Widerstandselemente 12 vor der Wärmebehandlung betrug 3327 ppm/°C und deren Flächenwiderstand 3,4 Ohm/Quadrat. Die Widerstandselemente 12 wurden in einer reduzierenden Atmosphäre von 95 Volumenteilen Stickstoff und 5 Volumenteilen Wasserstoff wärmebehandelt. Die Wärmebehandlung fand über eine Dauer von einer Stunde und bei verschiedenen Spitzentemperaturen von 600⁰C bis 950⁰C für die entsprechenden Widerstandselemente 12 statt. Die temperaturempfindlichen Bauelemente 10 wurden durch Anbringung von Kappen 16 und Leitungsanschlüssen 18 an den Enden der Widerstandselemente 12 fertiggestellt. Die Bauelemente 10 wurden getestet, um deren elektrische Eigenschaften zu bestimmen; die dabei gewonnenen Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.

	Tabelle	1	Änderung des TCR durch Wärmebehand lung (ppm/°C)
Wärmebehandlung Temp (⁰C)	TCR 25-100⁰C (ppm/°C)	Flächenwiderstand (Ohm/Quadrat)	-47
600	3280	5,02	+653
650	3980	5,99	+873
700	4200	7,61	+2013
750	5 340	8,26	+2173
800	5500	3,73	-
850	*	*
950	«	*

•Brennen bei 8S-O⁰C. und 950°C führt zu einer Leitungsunterbrechung.

Beispiel 2

Temperaturempfindliche Bauelemente 10 wurden entsprechend der Beschreibung des Beispiels 1 hergestellt mit der Ausnahme, daß die Widerstandselemente 10 mit einer Nickelschicht einer Stärke von etwa 1400 °v versehen wurden. Der Widerstands-Temperaturkoeffizient (TcR) der Nickelschicht der Widerstandselemente 12 vor deren Wärmebehandlung betrug 3305 ppm/°C und deren Flächenwiderstand 2,1 Ohm/Quadrat. Die temperaturejnpfindlichen Bauelemente 10 wurden danach zur Bestimmung ihrer elektrischen Eigenschaften getestet, und die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.

Tabelle 2

Wärmebe handlung Temp (⁰C)	TCR 25-100⁰C (ppm/⁰C)	Flächehwider- (Ohm/Quadrat)	Änderung des TCR durch Wärmebehandlung (ppm/⁰C)
600	3500	, 2,75	+ 195
650	4120	3 ,24.	+ 815
700 ·	4600	1,94	+ 1295
750	5230	1,94'	+ 1925
800	5550:	3,07;	+2245
850	5340	8,26;	+ 2035
950	4980	34,99	+ 1675
		Beispiel 3

Temperaturempfindliche Bauelemente 10 wurden entsprechend Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, daß die Massivnickel-

/ιέ*

quelle einen Widerstands-Temperaturkoeffizienten (TCR) von etwa 5550 hatte und die Widerstandselemente 10 mit einer Nickel schicht einer Stärke von etwa 1800 °\ versehen wurden. Der Temperaturkoeffizient der Nickelschicht der Widerstandselemente 12 vor deren Wärmebehandlung betrug 3560 ppm/ C und ihr Flächenwiderstand 1,8 Ohm/Quadrat. Die temperaturempfindlichen Bauelemente 10 wurden danach zur Bestimmung ihrer elektrischen Eigenschaften getestet, und die dabei gewonnenen Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.

	TCR 25-100⁰C (ppm/°C)	Tabelle 3	Änderung des TCR durch Wärmebehandlung (ppm/°C)
Wärmebe handlung Temp (⁰C)	3450	Flächenwider stand (Ohm/Quadrat)	-110
600	4310	2,11	+ 750
650	4750	1,78	+ 1190
700	5220	1,30	+ 1660
750	5540	1,78	+ 1980
800	5220	2,75	+ 1660
850	5210	2,11	+ 1650
950	' 21,55

Die Beeinflussungen der Eigenschaften des temperaturempfindlichen Bauelements 10 durch Variation derSpitzentemperatur bei der Wärmebehandlung und der Nickelschichtstärke ergeben sich aus den in den Tabellen 1, 2 und 3 angegebenen Daten. Diese Eigenschaften sind auch in Fig. 2 grafisch dargestellt, welche den Widerstands-Temperaturkoeffizienten (TCR) und den Flächenwiderstand über der Wärmebehandlungstemperatur bei verschiedenen Spitzentemperaturen während der Herstellung der temperaturempfindlichen Bauelemente 10 veranschaulicht. Die Kurve A zeigt den Widerstands-Temperaturkoeffizienten für Bauelemente nach dem Beispiel 1, bei denen eine Nickelschichtstärke von etwa 1100 °\ vorgesehen war. Entsprechend zeigen die Kurven B. und C die Bauelemente 10 nach den Beispielen 2

und 3, die eine Nickelschichtstärke von 1400 °\ bzw. 1800 °\ haben. Die Kurven A, B und C zeigen zunehmende Werte des Temperaturkoeffizienten bei zunehmender Spitzentemperatur während der Wärmebehandlung. Daher kann der Widerstands^ Temperaturkoeffizient für die Bauelemente 10 durch geeignete Wahl der Spitzentemperatur während der Wärmebehandlung des Widerstandselements 12 eingestellt·werden. Spitzenwerte für Temperaturkoeffizienten, die dem Wert des zugehörigen Massivnickelmaterials nahekommen oder gleich sind, werden bei etwa 800⁰C und einer Wärmebehandlungsdauer von einer Stunde erzielt und nehmen bei Spitzentemperaturen oberhalb von 800°C .bei Schichtstärken von 1400 °v und 1800 ?\ ab. Die Schichtstärke hat nur einen geringen Einfluß auf die erzielten Temperaturkoeffizienten. Die dünnere 1100 A Schicht gemäß Kurve A konnte jedoch Spitzenerhitzungstemperaturen von mehr als 800 C bei einem einstündigen Zyklus nicht standhalten, so daß sich eine Leitungsunterbrechung für solche Bauelemente 10 bei diesen Behandlungsparametern ergab.

Die Kurven A¹, B' und C· zeigen die Flächenwiderstände für entsprechende Bauelemente 10 nach den Kurven A, B und C bei Schichtstärken von 1100 Ä, 1400 °\ und 1800 ft. Die Kurven A· und B' sind begrenzt und zeigen nur ansteigende Flächenwiderstandscharakteristiken bei Spitzentemperaturen oberhalb von' 800 C. Aus den Tabellen 1, 2 und 3 ist zu sehen, daß bei Temperaturen unterhalb von 800⁰C die Flächenwiderstände relativ konstant für die jeweiligen Dicken sind und Werte von mehr als 1 Ohm/Quadrat haben. Der Flächenwiderstandswert folgt jedoch einer· Umkehrfunktion und nimmt mit abnehmender Schichtstärke zu.

Bei den in Fig. 2 veranschaulichten Beispielen ermöglicht

bis ο die Verwendung einer Temperatur/zu 800 C die Auswahl eines Widerstands-Temperaturkoeffizienten über einen weiten Bereich, während der Einfluß auf die Flächenwiderstände nur gerirg ist,

d, h. die Flächenwiderstände bei Änderung der Behandlungstemperaturen relativ konstant bleiben. In ähnlicher Weise kann bei Temperaturen von 800⁰C und mehr ein hoher Widerstands-Temperaturkoeffizient gewonnen werden und der Flächenwiderstandswert mit zunehmender Wärmebehandlungs-Spitzentemperatur stark gesteigert werden. In den Fällen, wo die Bauelemente 10 mit in engen Toleranzen eingestellten elektrischenEigenschaften versehen werden sollen, ergibt die Spitzentemperatur von etwa 800⁰C einen maximalen Widerstands-Temperaturkoeffizienten, der bei begrenzten Änderungen der Spitzenbetriebstemperatur nur geringfügig schwankt. Die Verwendung von Schichten unterschiedlicher Stärke, z. B. diejenigen bei den Bauelementen 10 nach den Beispielen 1, 2 und 3, dargestellt durch die Kurven A·, B' und C, ermöglicht auch die Auswahl eines gewünschten Flächenwiderstandes. Daher können bei den erfindungsgemäß hergestellten Bauelementen 10 die beiden elektrischen Eigenschaften, nämlich der Widerstands-Temperaturko.effizient und der Flächenwider-· stand, innerhalb enger Toleranzen eingestellt werden. Soweit höhere Werte des Flächenwiderstandes wesentlich sind, können diese durch Verwendung von Nickelschichten geeigneter Schichtstärken und höheren Wärmebehandlungs-Spitzentemperaturen gewonnen werden.

Da sich die grafische Darstellung gemäß Fig. 2 auf das er- ■ findungsgemäße Verfahren bezieht, bei dem ein einstündiger Heizzyklus und die besondere·Atmosphäre gemäß Beispiel 1. verwendet werden, können anderen Variationen der elektrischen Eigenschaften des temperaturempfindlichen Bauelements 10 durch Verwendung anderer Zykluszeiten und Reduzieren der Atmosphären gewonnen werden.

Tabelle 4 zeigt eine Zusammenfassung von gewähltenDaten, wie sie in Verbindung mit den Beispielen 1, 2 und 3 angegeben wurden, für temperaturempfindliche Bauelemente 10 bei Schichtstärken von 1100 °v, 1400 °v und 1800 8. Zusätzlich enthält

Tabelle ·4 Daten für temperaturempfindliche Bauelemente 10, die entsprechend der Beschreibung des Beispiels 3 hergestellt wurden, mit der Ausnahme, daß die Widerstandselemente 12 eine·Schichtstärke von etwa 2800 Ä hatten. Die in Tabelle 4 angegebenen Daten beinhalten auch die berechneten Werte für die Änderungen der Widerstands-Temperaturkoeffizienten und der Flächenwiderstände aufgrund der Wärmebehandlung der Widerstandselemente 12.

Vor Wärmebehandlunq
Schicht- TCR Flächenstärke 25-100 C wider-

(£) (ppm/°C) stand (R)

(Ohm/
• Quadrat)

3327

3305

3560

3770

3,4

2,1

1,8

1,7

	Tabelle 4	' Nach	Wärmebehandlunq	Flächen wider stand (R) (Ohm/ Quadrat)	Flächen- wid.-Ver hältnis ^(R/Rmass>
		TCR Änderung	TCR % des Werts des Massiv materials	6,0	8,9
Wärmebe handlung Temp.(⁰C)	TCR 25-100⁰C (ppm/°C)	20	71	8,3	12,3
650	3980	61	95	3,7	5,5
7.50	5340	65	98	2,8	5,5
800	5500.	6	62	3yi	6,1
600	3500	63	99	35	68,8
800	5550	51	89	1,8	4,4
950	4980	21	78	2,8	6,9
650	4310	56	100	21,6	53,2
800	5540	46	94	1,5	5,9
950	5210	25	85	1,6	6,3
700	4710	50	100	8,9	35,0
800	5550	42	95
950	5240

•R ist der spezifische Flächenwiderstand in Ohm/Quadrat basierend auf einem spezifischen

mass ^r , ^

Widerstand des massiven Nickels von 7,2 Mikroohm-Zentimeter

K) CD CD GD

Bei den Daten gemäß Tabelle 4 ändern sich die Temperaturkoeffizienten von einem Minimalwert von 6 % zu einem Maximalwert von 65 % gegenüber den Werten vor der Wärmebehandlung. Tabelle 4 zeigt auch die erzielten Widerstands-Temperaturkoeff izienten als Prozentsatz des Werts der Massivnickelquelle. Es ist dabei zu sehen, daß die erzielbaren Widerstands-Temperaturkoeffizienten im Bereich von etwa 60 bis 100 % der Temperaturkoeffizientenwerte des massiven Nickels liegen. Der .Flächenwiderstand in Ohm/Quadrat ändert sich bei den gezeigten Daten zwischen unterhalb 2 Ohm/ Quadrat und über 21 Ohm/Quadrat. Bei den verschiedenen Nickelschichtstärken ist das Verhältnis der erzielten Werte des Flächenwiderstandes zum Wert des massiven Nickels für dieselben Dicken auf der Grundlage des spezifischen Widerstandes der Massivnickelquelle von 7,2 Mikroohm-Zentimeter angegeben. Dieses Verhältnis zeigt, daß die erzielten Flächenwiderstände um angenähert 4 bis 70 mal größer als diejenigen der Massivnickelquelle sind.,

Beispiel 4

Entsprechende temperaturempfindliche Bauelemente 10 wurden gemäß Beispielen .1, 2 und 3 hergestellt, mit der Ausnahme, daß die'Widerstandselemente 10 einer Spitzenerhitzungstemperatur von 750⁰C und entsprechenden Heizzyklen von einer halben Stunde, einer Stunden·und zwei Stunden unterzogen wurden. Die Widerstandselemente 12 wurden in einer reduzierenden Atmosphäre von 95 Volumenteilen Stickstoff und 5 Volumen— teilen Wasserstoff wärmebehandelt. Die temperaturempfindlichen Bauelemente 10 wurden zur Bestimmung ihrer elektrischen Eigenschaften getestet, und die dabei gewonnenen Ergebnisse sind in Tabelle 5 gezeigt.

	Zeit des Heizzyklus 750°C (Stunden)	Tabelle	5	Flächen wider stand (Ohm/ Quadrat)	5	TCR- Änderung durch Be handlung (ppm/°C)
Schicht stärke S)	0,5	TCR 25-100⁰C (ppm/°C)	5,99		1143
1100	1,0	4470	8,26	2013
	2,0	5340	39,53	1923
	0,5	5250	2,92	1155
1400	1,0	4460	1,94	1925
	2,0	5230	2,43	2025
	0,5	5330	1,46	1058
1800	1,0	4618	1,78	1660
	2,0	5220	1,.46	1840
		5400
	Beispiel

Temperaturempfindliche Bauelemente wurden in ähnlicher Weise wie diejenigen gemäß Beispiel 1 hergestellt, wobei Widerstandselemente 12 verwendet wurden, deren dünne Nickelschicht aus einer.Quelle aus hochreinem massiven Nickel im Vakuum niedergeschlagen wurde. Die Quelle aus massivem Nickel hatte einen Widerstands-Temperaturkoeffi— zienten von etwa 5620 ppm/ C. Der Widerstands-Temperaturkoeffizient des Nickelfilms bzw. der Nickelschicht einer ersten Gruppe von Widerstandselementen 12 betrug vor der Wärmebehandlung 3000 ppm/°C und sein Flächenwiderstand war 6,1 Ohm/Quadrat. Der Temperaturkoeffizient einer zweiten Gruppe von Widerstandselementen betrug ebenfalls vor der Wärmebehandlung 3380 ppm/°C und deren Flächenwiderstand war 3,4 Ohm/Quadrat. Die reduzierende Wärmebehandlung der Widerstandselemente 12 wurde in einer Atmosphäre aus 95

3 2 u u-y u ι

Volumenteilen Stickstoff und 5 Volumenteilen Wasserstoff oder in einer reduzierenden Atmosphäre aus 90 Volumenteilen Stickstoff und 1 Volumenteil Wasserstoff durchgeführt. Fünf Chargen der ersten Gruppe von Widerstandselementen 12 wurden jeweils nach den ersten fünf Wärmebehandlungen gemäß Tabelle 6 behandelt, während die zweite Gruppe von Widerstandselementen 12 nach der letzten Wärmebehandlungsangabe dieser Tabelle wärmebehandelt wurde. Die temperaturempfindlichen Bauelemente 10 wurden danach zur Bestimmung ihrer elektrischen Eigenschaften getestet, und die erzielten Ergebnisse sind in Tabelle 6 angegeben.

3200801

Tabelle 6

Vor der Wärmebehandlung	Wärmebehandlung	Nach der	Wärmebehandlung
TCR Flächen<-	Spitzentempe	TCR	Flächen
25-10O⁰C widerstand	ratur—Zyk 1uszei t	25-100⁰C	widerstand
(ppm/°C) (Ohm/Quadrat)	und Atmosphäre	(ppm/°C)	(Ohm/Quadrat)
3000 ' 6,1	350⁰C -lh	4080	6,0
	in Luft
	600⁰C - 1,5 h	.4380	7,3
	in 95 NpAH₂
	350⁰C - 1 h	4825	42
	in Luft,
	danach
	600⁰C - 1,5 h
	in 95N₂/5H₂
	550⁰C -3h	4875	5,2
	in 99N₂/1H_?, danach
	halten bei
	55O°C über.
	0,25 h und
	abkühlen im
	Ofen auf
	25°C.
	700⁰C -3h	5105 ..	24
	in 99N₂ZlH₂,
	danach
	halten bei
	700⁰C über
	0,25 h und
	abkühlen mit
	Ofen auf
	25°C.
3380 3,4	350°C -lh	4875	2,9
	in Luft,
	danach
	675°C - 1,5 h
	in 95N„/5H_p,
	danach
	25O°C -lh
	bei Temperatur
	in Luft.

Bei der ersten Wärmebehandlung gemäß Tabelle 6 wurden die Widerstandselemente 12 einer Spitzentemperatur von 350⁰C über eine Zykluszeit von einer Stunde in Luft ausgesetzt. Der Widerstands-Temperaturkoeffizient stieg auf 4080, während der Flächenwiderstand im wesentlichen konstant blieb. Im Gegensatz zur ersten Wärmebehandlung fand die zweite Wärmebehandlung bei einer Spitzentemperatur von 600 C über 1,5 Stunden in- einer Atmosphäre aus 95 Volumenteilen Stickstoff und 5 Volumenteilen Wasserstoff statt, was zu einem erhöhten Widerstands-Temperaturkoef fizienten und Flächenwiderstand führte. Die dritte Wärmebehandlung, bei der die ersten und zweiten Wärmebehandlungen kombiniert wurden, führte zu einem stärkeren Anwachsen des Widerstands-Temperaturkoeffizienten und einem wesentlich höheren Flächenwiderstand. Bei der vierten Wärmebehandlung wurden die Widerstandselemente 12 bei einer Temperatur von 550⁰C über drei Stunden in einer sehr leicht reduzierenden Atmosphäre wärmebehandelt, wobei die Spitzen— temperatur über eine Viertelstunde gehalten wurde und die Elemente danach mit dem Ofen auf 25°C abgekühlt wurden. Diese Behandlung führte .auch zu einem erhöhten Widerstands-Temperaturkoef fizienten, jedoch bei einem verringerten Flächenwiderstand, der bezüglich demjenigen der unbehandelten Widerstandselemente verringert war. Die fünf te Wärmebehandlung gemäß Tabelle 6 war ähnlich der vierten Wärmebehandlung, mit der Ausnahme, daß die Spitzentemperatur auf 700⁰C erhöht wurde und zu einem erhöhten Widerstands-Temperatorkoeffizienten sowie einem weitaus höheren Flächenwiderstand führte.

Die sechste Wärmebehandlung gemäß Tabelle 6 wurde an den Widerstandselementen 12 der zweiten Gruppe durchgeführt, die unbehandelt einen Widerstands-Temperaturkoeffizienten von 3380 ppm/°C hatten. Diese Wärmebehandlung war ähnlich der dritten Wärmebehandlung, mit der Ausnahme, daß die Spitzentemperatur bei dem reduzierenden Wärmebehandlungsschritt auf 675 C erhöht wurde und eine stabilisierende

Wärmebehandlung der reduzierenden Wärmebehandlung folgte. Dies führte zu einem erhöhten Widerstands-Temperaturkoeffizienten und einem verringerten Flächenwiderstand der temperaturempfindl.ichen Bauelemente.

Aus den obigen Beispielen sind die Einflüsse von Variationen der Wärmebehandlung und der Nickelschichtstärken auf die elektrischen Eigenschaften des. temperaturempfindlichen Bauelements nach der vorliegenden Erfindung zu sehen. Die Beispiele 1, 2 und 3 zeigen die Einflüsse der Änderung der Spitzentemperatur bei der Wärmebehandlung auf Bauelemente mit verschiedenen Schichtstärken. Beispiel 4 zeigt den Einfluß der Änderung der Wärmebehandlungszykluszeit bei gleicher Wärmebehandlungspitzentemperatur. Die Einflüsse auf die temperaturempfindlichen Bauelemente von Einzel- und Mehrfach-Wärmebehandlungsschritten mit verschiedenen Behandlungsatmos— phären, Temperaturen undZykluszeiten sind im Beispiel 5 gezeigt. Die Fig. 2 und andere angegebene Daten zeigen die Einflüsse des Verfahrens und die zugehörigen Ergebnisse.

Die beschriebene Wärmebehandlung ermöglicht die Einstellung eines gewünschten Widerstands-Temperaturkoeffizienten bei einem temperaturempfindlichen Bauelement mit einer Nickel— dünnschicht durch Verwendung einer reduzierenden Atmosphäre und Steuerung der Wärmebehandlungs-Spitzentemperatur und der Zykluszeit. Die Widerstands-Temperaturkoeffizienten können über einen weiten Bereich zwischen 60 und 100 % des· entsprechenden Wertes der Massivnickelquelle ohne wesentliche Beschränkungen aufgrund der Nickelschichtstärke eingestellt werden. ■ Ein maximaler Widerstands-Temperaturkoeffizient wird bei einer kritischen Wärmebehandlungs-Spitzentemperatur von etwa 800⁰C für die beschriebenen Bedingungen erzielt. .Der Flächenwiderstand der Bauelemente kann auf Werte eingestellt werden, die kleiner oder größer als der Flächenwiderstand des nichtwärmebehandelten Nickelschicht-Widorstandelernentes oder auch diesem gleich sind. Die gewünschten Eigenschaften eines hohen

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Widerstands-Temperaturkoeffizienten lassen sich ebenso wie hohe Flächenwiderstände bei Schichtdicken unterhalb von 5000 ft erreichen. Das beschriebene Verfahren ermöglicht die Steuerung bzw.. Einstellung sowohl des Widerstands-Temperaturkoef f izienten als auch des Flächenwiderstandes über einen weiten Bereich durch geeignete Auswahl der Wärmebehandlungsbedingungen und der Nickelschichtstärken.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen eines temperaturempfindlichen Nickeldünnschicht-Bauelements mit einem relativ hohen positiven Widerstands-Temperaturkoeffizienten, wobei eine Nickelschicht aus einer Quelle aus massivem Nickel auf einem elektrisch isolierenden Substrat niedergeschlagen wird, dadurch gekennzeichnet , daß ein Widerstandselement, das eine auf einem elektrisch isolierenden Substrat niedergeschlagene Nickeldünnschicht aufweist, durch Erhitzen in einer reduzierenden Atmosphäre auf eine Spitzentemperatur von wenigstens 550⁰C über einen Heizzyklus von wenigstens etwa 20 Minuten wärmebehandelt wird und die Behandlungstemperatur, die Zykluszeit und die Nickelschichtstärke so eingestellt werden, daß die Nickelschicht des wärmebehandelten Widerstandelements einen wählbaren Widerstands-Temperaturkoef f izienten von wenigstens 60 % des Wertes dieses Koeffizienten für das massive Nickel und einen Flächenwiderstand von wenigstens 1 Ohm pro Quadrat erhält. '

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung in einer leicht reduzierenden Atmosphäre stattfindet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, .daß bei der Wärmebehandlung ein Gemisch aus Stickstoff und Wasserstoff als Atmosphäre verwendet wird.

Z/bu.

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4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenanteil des Wasserstoffs in der bei der Wärmebehandlung verwendeten Atmosphäre geringer als derjenige des Stickstoffs ist. . ·

5. Verfahren n.ach Anspruch. 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoff in der iHeizatmosphäre einen Volumenanteil von nicht mehr als 15 % hat.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenanteil des Wasserstoffs in der Heizatmosphäre nicht größer als 5 % ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der 'Volumenanteil des Wasserstoffs an der Heizatmosphäre nicht größer als 1 % ist.

8'. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement über einen Heizzyklus zwischen etwa 1/2 Stunde und etwa 4 Stunden wärmebehandelt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement auf eine Spitzentempej
erhitzt wird!

Spitzentemperatur zwischen etwa 600⁰C und etwa 950 C

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement im Zuge der Wärmebehandlung auf eine Spitzentemperatur zwischen etwa 750 und 850⁰C gebracht und der Wärmebehandlungszyklus eine Dauer zwischen 1/2 Stunde und zwei Stunden hat.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement auf eine Spitzentemperatur von etwa 800⁰C wärmebehandelt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement bei einer Spitzentemperatur von wenigstens 600⁰C über 1 1/2 Stunden in einer Atmosphäre wärmebehandelt wird, in der der Stickstof fanteil etwa 95 Vol.% ist.

13. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement durch Erhitzen in einem Ofen auf eine Spitzentemperatur zwischen 550⁰C und 700°C über eine Dauer von etwa 3 Stunden in einer Atmosphäre aus etwa 99 Vol.% Stickstoff und etwa 1 Vol.% Wasserstoff wärmebehandelt, bei der Spitzentemperatur über etwa 1/4 Stunde gehalten und danach mit dem Ofen auf eine Temperatur von etwa 25 C abkühlen gelassen wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem reduzierenden Wärmebehandlungsschritt das Widerstandselement einem zusätzlichen Wärmebehandlungsschritt in Luft bei einer Temperatur von etwa

350°C wird.

350 C für eine Zykluszeit von etwa 1 Stunde unterworfen

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement vor dem reduzierenden Wärmebehandlunqsschritt einer zusätzlichen Wärmebehandlung in Luft bei einer Temperatur von etwa 350 -C für eine Zykluszeit von etwa 1 Stunde und nach dem reduzierenden Wärmebehandlungsschritt einer stabilisierenden Wärmebehandlung in Luft bei einer Temperatur von etwa 250 C für eine Dauer von etwa 1 Stunde unterworfen wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlungsparameter so eingestellt werden, daß der Widerstands—Temperaturkoeffizient des Bauelements wenigstens 80 % des Wertes des massiven Nickels beträgt.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlungsparameter so eingestellt werden, daß der Widerstands-Temperaturkoeffizient des Bauelements wenigstens 90 % des Werts des massiven Nickels beträgt.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlungsparameter so eingestellt werden, daß der Widerstands-Temperaturkoeffizient des Bauelements wenigstens 95 % des Werts des massiven Nickels erreicht. .

19. Verfahren nach einem der' Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement durch Vakuumniederschlagen der Nickelschicht in der gewünschten Dicke auf dem elektrisch isolierenden Substrat hergestellt wird, daß danach'Anschlüsse an die Enden des Widerstandselements angebracht werden ,und daß nach der Wärmebehandlung des Widerstandselements eine äußere Schutzschicht auf die Nickelschicht aufgebracht wird.

20. Temperaturempfindliches elektrisches Bauelement, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Widerstands-Temperaturkoef fizienten von wenigstens 80 % des Werts des massiven Nickels besitzt.

'21. Temperaturempfiridliches Bauelement nach Anspruch

20, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstands-Temperaturkoef f izient des· Bauelements (10) wenigstens 90 % des Werts

von massivem Nickel ist.

22. Temperaturempfindliches Bauelement nach Anspruch

21, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstands-Temperaturkoef f izient des Bauelements (10) wenigstens 95 % des Werts des massiven Nickels ist.

23. Temperaturempfindliches Bauelement, hergestellt nach einem der- Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet j daß es ein Widerstandselement (12) mit einer auf einem elektrisch isolierenden Substrat (13) niedergeschlagenen Nickeldünn- = schicht. (14) aufweist, daß an den Enden des Widerstandselements (12). Anschlüsse .(16, 18) angebracht sind und daß die Außenseite der Nickeldünnschicht (14) mit einer Schutzschicht (20) überzogen ist.