DE3818735A1 - Elektrisches bauelement und verfahren zu seiner trimmung mittels laser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Bauelemente und ein Verfahren zu deren Trimmung mittels Laser.

Widerstände, die aus Widerstandsmaterial auf einem Substrat hergestellt sind und Elektroden an den beiden Enden dieses Materials aufweisen, werden durch Laser getrimmt, um in präziser Weise Material zwischen den Elektroden wegzuneh­ men und dadurch den gewünschten Widerstandswert des Wider­ standes zu erhalten. Durch das Entfernen von Widerstands­ material wird das Fließen der Elektrizität erschwert und dadurch der Widerstandswert erhöht.

Bei Widerständen mit festem Widerstandswert (Festwider­ stände) bildet das Widerstandsmaterial typischerweise recht­ eckige Flecken oder Felder auf dem Substrat, und die Trimmung solcher rechteckiger Widerstände erfolgt typischerweise mit­ tels eines Stichschnittes (ein einziger Einschnitt, der sich von einer Seite her quer zur Richtung zwischen den Elektro­ den in das Material erstreckt), eines L-Schnittes (bestehend aus zwei Teilstücken, deren eines sich von einer Seite her quer zur Richtung zwischen den Elektroden erstreckt und deren anderes parallel zur besagten Richtung verläuft), ei­ nes U-Schnittes (drei Teilstücke, von denen sich zwei von einer Seite her und quer zur besagten Richtung erstrecken, während sich eines parallel zur besagten Richtung er­ streckt) oder eines flächenabtastenden Schnittes (wieder­ holte, sich überlappende Schnitte, die einen großen Teil des Materials wegnehmen).

Für Potentiometer verwendet man gekurvt verlaufende Felder aus Widerstandsmaterial, deren seitliche inneren und äuße­ ren Begrenzungen konzentrische Kreisbögen sind. Der elektri­ sche Anschluß des Widerstandsmaterials erfolgt durch eine feste Elektrode am einen Ende und durch einen drehbaren Kon­ takt, der so bewegt werden kann, daß er das Widerstandsma­ terial an verschiedenen Stellen entlang seiner gekurvten Länge berührt. Die Trimmung solcher gekurvten Widerstände erfolgte bisher typischerweise durch Einbringen einer Mehr­ zahl von Stichschnitten, die sich radial von der inneren gekurvten Grenze her erstrecken und in Abständen entlang dem gekurvten Feld des Widerstandsmaterials angeordnet sind.

Es wurde gefunden, daß elektrische Bauelemente, die in der vorstehend beschriebenen Weise zugeschnitten sind, zu Feh­ lern neigen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diese Fehler zu vermeiden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem elektrischen Bauelement nach Patentanspruch 1 bzw. durch ein Verfahren nach Patentanspruch 4 gelöst. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß elektrische Bauelemente, die aus Material auf einem Substrat bestehen und durch eine innere und eine äußere gekurvte Randbe­ grenzung definiert sind, in vorteilhafter Weise durch ei­ nen Schnitt getrimmt werden können, der an einer Randbe­ grenzung in das Material eindringt und dort ein erstes Teilstück bildet, sich dann in einem gekurvten zweiten Teilstück fortsetzt, das zwischen der inneren und der äußeren Randbegrenzung liegt und der Richtung dieser Be­ grenzungen folgt und schließlich in einem dritten Teil­ stück das Material an derselben Randbegrenzung wieder ver­ läßt. Mit einem solchen Schnitt werden Mikrorisse und Un­ terbrechungen des Elektronenflusses, wie sie an den Enden von Stichschnitten innerhalb des Materials entstehen können, vermieden.

In vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung sind die inneren und äußeren Randbegrenzungen des Widerstandsmate­ rials konzentrische (Kreis-)Bögen. Das zweite Teilstück des Schnittes kann sich im Radius ändern, so daß sich der gewünschte (z.B. lineare) Widerstandswert um das Material ergibt. In bevorzugter Ausführungsform wird der Widerstands­ wert des Materials vor dem Trimmen gemessen, und die Länge des ersten Teilstücks, die eine Funktion des Widerstands­ wertes ist, wird unter Bezugnahme auf eine Information be­ stimmt, die auf Schnitten von Teilstücken unterschiedlicher Länge in einem Bauelement beruht, das dieselbe Geometrie wie das zu trimmende Bauelement hat. Es wird ein zweiter Schnitt eingebracht, der den ersten Schnitt überlappt, und während des Schneidens des zweiten Teilstückes des zweiten Schnittes wird der Widerstandswert gemessen, um den zweiten Schnitt zu beenden, wenn der gewünschte Widerstandswert er­ reicht ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus nachstehender Beschreibung hervor, in der Ausführungsbei­ spiele eines erfindungsgemäßen Bauelementes und eines er­ findungsgemäßen Verfahrens anhand von Zeichnungen erläutert werden:

Fig. 1 zeigt schematisch in perspektivischer Darstel­ lung ein erfindungsgemäß arbeitendes Lasertrimmgerät;

Fig. 2 ist ein Blockschaltbild von Steuereinrichtungen des Lasertrimmgerätes nach Fig. 1;

Fig. 3 zeigt schematisch die Draufsicht auf einen ge­ mäß der Erfindung getrimmten Widerstand;

Fig. 3A veranschaulicht in einer schematischen Drauf­ sicht ein hochgenaues Verfahren zur Trimmung eines Wider­ standes gemäß der Erfindung.

Fig. 4 zeigt in graphischer Darstellung eine Funktion, welche die Beziehung zwischen der Schnittlänge (d 1) und der prozentualen Abweichung (PRETEST) des gemessenen vom ge­ wünschten Widerstandswert angibt und bei der Steuerung des Trimmgeräts nach Fig. 1 Anwendung findet;

Fig. 5 ist ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Ge­ winnung von Koeffizienten, welche die Funktion nach Fig. 4 beschreiben;

Fig. 6 ist ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Trim­ mung unter Verwendung des Gerätes nach Fig. 1;

Fig. 7 ist ein Flußdiagramm eines hochgenauen Trimmver­ fahrens unter Verwendung zweier Schnitte;

Fig. 8 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Widerstandswert und der Position entlang einem gekurvten Widerstand.

In der Fig. 1 ist ein Lasertrimmgerät 10 dargestellt, des­ sen Struktur und Arbeitsweise ausführlicher in einer US- Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 7 98 584 beschrieben ist, die am 15. November 1985 unter dem Titel "Light Beam Positioning Apparatus" eingereicht wurde und auf die hier­ mit verwiesen wird. Das Gerät 10 enthält eine Neodym-YAG- Laserquelle 12, die einen 1,06-µ-Strahl 14 liefert, ferner eine Strahlversetzungseinrichtung 16, ein strahlerweiterndes Teleskop 18, einen schwenkbaren Reflektor 20 für Ablenkungen in Richtung der X-Achse, einen schwenkbaren Reflektor 22 für Ablenkungen in Richtung der Y-Achse, eine telezentrische Abtastlinse 24 und einen beweglichen Support 25 für ein Sub­ strat 28, das Widerstände 28 (Fig. 3) trägt. Die Strahlver­ setzungseinrichtung 16 enthält ein optisch ebenes Brechungs­ element 30 (ein flaches Glasstück), das schwenkbar an einem Galvanometer 32 aufgehängt ist. Die Schwenkreflektoren 20, 22 enthalten Spiegel 34, 36, die an jeweils einem Galvano­ meter 42 bzw. 44 um jeweils eine Achse 38 bzw. 40 schwenk­ bar aufgehängt sind. Das Gerät 10 enthält ferner Sonden 66, 68, 70, 72, 74, die beweglich (durch nicht dargestellte Mittel) angeordnet sind, um zur Widerstandsmessung Elektro­ den 54 an drei beabstandeten Stellen entlang einem gekurvten Feld aus Widerstandsmaterial (Fig. 3) eines Widerstandes 28 zu kontaktieren.

Wie durch das vereinfachte Blockschaltbild der Fig. 2 dar­ gestellt, wird die das Lasertrimmgerät 10 enthaltende Trimm­ anlage 48 durch einen äußeren Rechner 48 gesteuert und ent­ hält einen Mechanismus 50 zur Grobverschiebung des Substrats 26, um einzelne Widerstände 28 in eine Position zur Abtastung durch den fokussierten Laserstrahl 52 (Fig. 1) zu bewegen. Eine Galvanometer-Steuerschaltung 54 wandelt digitale Steuer­ signale in analoge Stellsignale für die Galvanometer 32, 42, 44 um.

Wie in Fig. 3 dargestellt, enthält ein Widerstand 28 Wider­ standsmaterial 52, das an seinen Enden mit Elektroden 54 verbunden ist und das eine innere und eine äußere Randbe­ grenzung 53 bzw. 54 hat. Die Randbegrenzungen 53 und 54 sind durch konzentrische Kreisbögen definiert. Das Widerstandsma­ terial 52 ist durch einen ersten Laserschnitt 56 eingeschnit­ ten, der gemäß der Erfindung eingebracht ist. Der erste Schnitt 56 hat ein radiales erstes Teilstück 58 (das an der äußeren Randbegrenzung 55 in das Material 52 eintritt), ein gebogenes zweites Teilstück 60 (das zwischen der inneren und der äußeren Randbegrenzung 53, 54 verläuft und in seiner Rich­ tung diesen Randbegrenzungen folgt), ein radiales drittes Teilstück 62 (welches das Material 52 an der äußeren Rand­ begrenzung 55 verläßt) und gekrümmte Übergänge oder Ecken 64 zwischen den besagten Teilstücken. Das erste Teilstück 58 hat eine Länge d 1. In der Fig. 3A ist ein überlappender zweiter Laserschnitt 76 eingezeichnet, der vor dem dritten Teilstück 62 des ersten Schnittes 56 endet.

Es sei nun der Ablauf des Trimmverfahrens beschrieben. All­ gemein werden nach einer anfänglichen Kennzeichnungsproze­ dur (Charakterisierung), bei welcher durch Trimmung von Wi­ derständen 28 und Messung resultierender Widerstandsänderun­ gen (wie weiter unten ausführlich erläutert) eine Datenbank hergestellt wird, einzelne Widerstände 28 getrimmt, indem jeweils der anfängliche Widerstandswert RRES gemessen und dann so getrimmt wird, daß der gewünschte Widerstandswert DRES erreicht wird, der höher ist als RRES.

Im Betrieb wird zunächst auf dem Support 25 ein Substrat 26 angeordnet, das Widerstände 28 trägt, die durch Belich­ tung mit einem fokussierten Laserstrahl 52 getrimmt werden sollen. Der Substratverschiebungsmechanismus 50 bewegt dann einzelne Widerstände 28 auf dem Support 25 so, daß sie in Ausrichtung mit der telezentrischen Abtastlinse 24 kommen. Mit Hilfe der Galvanometer 32, 42, 44 wird dann der fokus­ sierte Strahl 52 schnell und direkt auf den jeweils zu trim­ menden Widerstand 28 gerichtet.

Das Galvanometer 42 schwenkt den Spiegel 34 so, daß sich der fokussierte Strahl 52 in der X-Richtung des Substrats 26 bewegt, und das Galvanometer 44 schwenkt den Spiegel 36, um den fokussierten Strahl 52 in der Y-Richtung zu bewegen. Alle diese Bewegungen werden durch den Rechner 48 gesteuert. Je nach der Schwenkposition des Spiegels 34 verstellt das Galvanometer 32 das Brechungselement 30 zur seitlichen Ver­ setzung des Strahls 14 um dasjenige Maß, das notwendig ist, um den vom Spiegel 34 reflektierten Strahl an den Mittel­ punkt 56 der Pupille 45 zu bringen, wie es ausführlicher in der weiter oben erwähnten US-Patentanmeldung beschrieben ist.

Ein Parameter, der sowohl zur Bildung der Datenbank als auch beim Trimmvorgang benutzt wird, ist der prozentuale Unter­ schied zwischen dem gemessenen Widerstandswert RRES und dem gewünschten Wert DRES. Diese Vorprüfungsgröße, im folgenden mit PRETEST bezeichnet, ist durch folgende Formel gegeben:

(Die Größe PRETEST ist also für Lasertrimmung stets nega­ tiv).

Beim ersten Schritt wird die Formel erzeugt, welche die in Fig. 4 dargestellte Funktion beschreibt, nämlich die Bezie­ hung zwischen der Schnittlänge d 1 und der Größe PRETEST. Im einzelnen werden hierzu diejenigen d 1-Werte bestimmt, die zu den folgenden PRETEST-Werten α führen:-3%, -8%,
-13%, -18%, -23%, -28%, -33% und -38%.

Gemäß dem Flußdiagramm der Fig. 5 wird für jeden Wert von α ein anderer Widerstand benutzt. Die Sonden 66 und 74 werden in Kontakt mit den Elektroden 54 eines zu trimmenden Widerstandes 28 gebracht, und dessen Widerstandswert RRES wird gemessen. Der gewünschte Wert DRES ist durch die folgende Formel bestimmt:

Dieser DRES-Wert gibt den endgültigen Widerstandswert (nach dem Schneiden eines aus drei Teilstücken bestehenden Schnit­ tes) an, der dem Wert α zugeordnet ist, bei gegebenen RRES. Der Widerstand 28 wird zunächst unter Verwendung des kleinsten Schritts für d 1 getrimmt, den das Trimmgerät durchführen kann; dann wird der resultierende Widerstand RRES gemessen und mit DRES verglichen. Bei diesem Schnitt tritt der Laserstrahl an der Randbegrenzung 55 in das Widerstandsmaterial 52 ein und schneidet die drei Teilstücke 58, 60, 62 des Schnittes 56, wie in Fig. 3 dargestellt, wobei das erste und das dritte Teilstück 58 und 62 jeweils die Länge d 1 haben und das zweite Teilstück 60 mit konstantem Radius der inneren und äußeren Randbegrenzung 53, 55 folgt. Dieser Vorgang wird wiederholt, wobei d 1 bei jedem der aufeinanderfolgenden Schnitte um je­ weils einen Schritt vergrößert wird, bis RRES größer ist als DRES. Der d 1-Wert des vorletzten dieser Schnitte ist das größtmögliche Maß, mit dem der Widerstandswert noch unterhalb des erwarteten Wertes gehalten werden kann. Dieser d 1-Wert liefert mit dem betreffenden α-Wert ein erstes Wertepaar für die d 1/PRETEST-Funktion der Fig. 4.

Anschließend wird ein neuer Widerstand 28 (mit derselben Geometrie) für den nächsten α-Wert verwendet, usw., bis alle α an der Reihe waren. Die damit erhaltene 8-Daten-Bank, welche die d 1-Werte für alle α enthält, wird dann dazu be­ nutzt, Koeffizienten A und B für die folgenden Polgnom-An­ näherung der d 1/PRETEST-Funktion zu erzeugen:

d 1 = A | PRETEST | ^B .

Im einzelnen wird, um A und B zu erhalten, eine lineare Regression von log d1 als Funktion von log A plus B mal log | PRETEST) mit den acht Werten der Datenbank benutzt.

Die so errechneten Koeffizienten A und B sind Konstanten, die im Verlauf einer Serie von Widerständen gleicher Geo­ metrie des Widerstandsmaterials 52 und gleichen DRES-Wertes nicht geändert werden.

Während der eigentlichen Trimmung, wenn also einzelne Wider­ stände 28 zugeschnitten werden, mißt gemäß der Fig. 6 die Anlage 48 den Anfangswiderstand RRES, verwendet A und B zur Bestimmung von d 1 und schneidet den Schnitt 56 kontinuierlich ohne anzuhalten. Das erste Teilstück 58 wird bis auf eine Entfernung d 1 geschnitten. Dann wird das zweite Teilstück 60 koaxial mit den inneren und äußeren Randbegrenzungen 53, 54 und mit konstantem Radius für die gewünschte Entfernung geschnitten, und schließlich folgt das Schneiden des dritten Teilstückes 62 über die gleiche Entfernung wie d 1.

Die vorstehend beschriebene Trimmung mittels eines einzigen Schnittes führt zu einer Genauigkeit von ±1,5%.

Ein Trimmverfahren unter Verwendung zweier Schnitte ist in der Fig. 3A dargestellt und sei anhand der Fig. 7 beschrieben. Mit diesem Verfahren läßt sich eine Genauigkeit von ±0,3% erzielen. Zunächst wird ein erster Schnitt 56 genauso wie in Fig. 6 eingebracht, nur daß der zur Bestimmung von d 1 verwendete DRES-Wert um etwa 2% vermindert wird, um zu ga­ rantieren, daß der nach dem ersten Schnitt erzielte Wider­ standswert nicht größer ist als DRES. Anschließend wird ein zweiter Schnitt 76 begonnen, der den Schnitt 56 überlappt, und während des zweiten Teilstückes dieses Schnittes wird der Widerstandswert RRES ständig gemessen und mit DRES ver­ glichen. Wenn RRES den Wert von DRES erreicht, wird das zweite Teilstück beendet, womit ein endgültiger Widerstands­ wert von DRES ±0,3% erreicht wird. Der Strahldurchmesser und damit die resultierende Schnittbreite betragen etwa 50µ, und das Maß der Überlappung durch den zweiten Schnitt 76 beträgt z.B. etwa 5 bis 10 µ.

In der Fig. 8 ist ein Trimmverfahren veranschaulicht, bei welchem sich der Radius des zweiten Teilstücks ändert, um Änderungen im Widerstandswert entlang dem Widerstandsma­ terial auszujustieren. In der Fig. 8 ist der Widerstands­ wert zwischen der Elektrode 66 und der Elektrode 68 als erster Datenpunkt eingezeichnet, der Widerstandswert zwi­ schen der Elektrode 66 und der Elektrode 70 ist als zweiter Datenpunkt eingezeichnet, usw.. Die Datenpunkte sind durch eine ausgezogene Linie 78 miteinander verbunden. Der letzte Datenpunkt (Widerstandswert zwischen den Elektroden 66 und 74) ist mit dem Ursprung der Koordinatensystems durch eine gestrichelte Linie 80 verbunden. Vor dem Trimmen wird der Widerstandswert in vier Teilen des Materials 52 unter Ver­ wendung von Sonden 66, 68, 70, 72, 74 gemessen, wie es in Fig. 8 dargestellt ist. Beim Schneiden des zweiten Teilstückes 60 wird der Radius so verändert, daß Differenzen im Wider­ standswert ausjustiert werden. So erfolgt z.B. eine Ver­ größerung des Radius an Stellen, die denjenigen Orten ent­ sprechen, wo die ausgezogene Linie 78 oberhalb der Linie 80 verläuft, und der Radius wird vermindert, wo die ausgezogene Linie der Fig. 8 unterhalb der Linie 80 verläuft.

Neben den vorstehend beschriebenen und dargestellten Aus­ führungsbeispielen sind auch andere Ausführungsformen der Erfindung möglich. So kann die Erfindung z.B. auch bei anderen elektrischen Bauelementen als Widerständen ange­ wandt werden, und die Trimmung kann auch zur Erzielung an­ derer elektrischer Eigenschaften als Widerstandsgrößen durchgeführt werden (z.B. einer Spannung, einer Frequenz oder irgendeiner anderen Größe, die von der Trimmung ab­ hängt). Außerdem kann anstelle des oben beschriebenen Systems, das drei Galvanometer und eine telezentrische Abstastlinse enthält, auch ein nicht-telezentrisch abtastendes System mit zwei Galvanometern verwendet werden.

Claims (11)

1. Elektrisches Bauelement mit einem Substrat und einem darauf befindlichen Material, das zwei Enden und einen dazwi­ schenliegenden gebogenen Bereich hat, der durch eine inne­ re und eine äußere gebogene Randbegrenzung definiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Material (52) ein Schnitt (56) befindet, der an einer der Randbegrenzungen (55) unter Bildung eines ersten Teilstücks (58) in das Material eintritt, sich dann in einem gebogenen zweiten Teilstück (60) fortsetzt, das zwischen den inneren und äußeren Randbegrenzungen (53, 55) liegt und ihnen folgt, und der das Material an der­ selben Randbegrenzung (55) unter Bildung eines dritten Teilstückes (62) verläßt.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Widerstand ist und daß die innere Randbegrenzung (53) und die äußere Randbegrenzung (55) konzentrische Bögen sind.

3. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Radius des gebogenen zweiten Teilstückes (60) ändert, um einen gewünschten Widerstandsverlauf entlang dem Bogen des Materials zu erzielen.

4. Verfahren zur Lasertrimmung eines elektrischen Bauele­ mentes, das ein Substrat und ein darauf befindliches Material aufweist, welches zwei Enden und einen dazwi­ schenliegenden gebogenen Bereich hat, der durch eine innere und eine äußere gebogene Randbegrenzung definiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß in das Material (52) ein Schnitt (56) eingebracht wird, der an einer der Randbegrenzungen (55) unter Bildung ei­ nes ersten Teilstückes (58) in das Material (52) ein­ tritt, sich dann in einem gebogenen zweiten Teilstück (60) fortsetzt, das zwischen den beiden Randbegrenzun­ gen (53, 55) verläuft und ihnen folgt, und der das Ma­ terial an derselben Randbegrenzung (55) unter Bildung eines dritten Teilstückes (62) verläßt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnitt (56) durch kontinuierliches Schneiden ein­ gebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement ein Widerstand ist und daß vor dem Schnei­ den der Widerstandswert des Materials gemessen wird und daß die Länge des ersten Teilstückes (58) als Funktion des gemessenen Widerstandswertes zur Erzielung eines gewünschten Widerstandswertes gewählt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des ersten Teilstückes (58) des Schnittes (56) unter Bezugnahme auf eine Information bestimmt wird, die auf Schnitten von Teilstücken unterschiedlicher Län­ gen an einem Bauelement beruht, das dieselbe Geometrie wie das zu trimmende Bauelement hat.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Information die Länge des Teilstückes als eine Funk­ tion von PRETEST-Werten (prozentuale Abweichung zwischen gemessenem Widerstandswert und gewünschtem Widerstands­ wert) ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Information als Längeninformation gleich A | PRETEST | ^B ist, wobei A und B Konstanten sind, welche durch Schnit­ te bestimmt werden, die gewählten PRETEST-Werten und auf­ gezwungenen DRES-Werten (gewünschte Widerstandswerte) zugeordnet sind.

10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Randbegrenzung (53) und die äußere Randbe­ grenzung (55) konzentrische Bögen sind.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Schnitt (76) eingebracht wird, der den ersten Schnitt (56) überlappt, und daß während des Schneidens eines zweiten Teilstücks des zweiten Schnittes eine Wi­ derstandsmessung erfolgt und daß das zweite Teilstück des zweiten Schnittes beendet wird, nachdem der ge­ wünschte Widerstandswert erreicht ist.