DE60201558T2

DE60201558T2 - Widerstandsmaterial

Info

Publication number: DE60201558T2
Application number: DE2002601558
Authority: DE
Inventors: Craig S. Shrewsbury Allen; John Marlborough Schemenaur; David D. Mission Viejo Senk; Marc Atlanta Langlois; Xiaodong Hu; Jan Tzyy-Jiuan Alpharetta Hwang; Jud Atlanta Ready; Trifon Duluth Tomav
Original assignee: Shipley Co Inc; Shipley Co LLC
Current assignee: Shipley Co Inc; Rohm and Haas Electronic Materials LLC
Priority date: 2001-07-06
Filing date: 2002-07-04
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2022-07-05
Also published as: EP1278215B1; US6846370B2; CN1419245A; US20030121883A1; US20040231757A1; JP2003051401A; EP1278215A3; US6994757B2; KR20030005033A; EP1278215A2; CN1257511C; DE60201558D1; TW594803B

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen das Gebiet von elektrischen Widerstandsmaterialien. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere elektrische Widerstandsmaterialien, die als Dünnfilme abgeschieden werden können und strukturiert werden können, um diskrete Widerstände zu bilden, die in Leiterplatten eingebettet werden können.
U.S.-Patent-Nr. 6,210,592 beschreibt Dünnfilm-Widerstandsmaterialien, die strukturiert werden können, um diskrete Widerstandselemente (Widerstände) zu bilden, die in Leiterplatten eingebettet werden können. Die Dünnfilme werden hauptsächlich aus Platin gebildet. Um den Widerstand zu erhöhen, werden zahlreiche Ebenen („level"), normalerweise von 0,1 bis 20 Gew.-%, insbesondere von 0,5 bis 5 Gew.-% des gesamten Materials, aus einem Metalloxid und/oder einem metallischen Oxid gebildet. Das in dieser Anmeldung am ausführlichsten diskutierte Oxid ist Siliciumdioxid, obwohl weitere, wie Aluminiumoxid und Ceroxid („ceria") ebenfalls bekannt sind. Die Dünnfilme, die in dieser Anmeldung beschrieben werden, sind vorzugsweise durch Verbrennungs-chemische Dampfphasenabscheidung („Combustion Chemical Vapor Deposition") („CCVD") gebildet, wie in U.S.-Patent-Nr-6,562,021 beschrieben oder durch kontrollierte Atmosphären-chemische Dampfphasenabscheidung („controlled atmosphere chemical vapor deposition") („CACVD"), wie in der europäischen Patentanmeldung EP 976 847 A2 beschrieben.
US-A-3,629,781 offenbart ein Widerstandsmaterial, das circa 69% Platin, 30% Iridium und 1% Rhodium umfasst.
Es ist zu bedenken, dass Geräte, die Leiterplatten (printed circuit boards, „PCBs") als Komponenten nutzen, Temperaturextrema ausgesetzt sein können und viele Industriespezifikationen eine Funktion über einen Temperaturbereich von –50°C bis 150°C erfordern. Über solche Temperaturbereiche muss die elektrische Funktion der Leiterplatte relativ konstant bleiben, damit das Gerät ordnungsgemäß funktioniert. Ein Problem, das bei Platin-basierten Dünnfilmwiderständen bekannt ist, wie die, die in dem oben beschriebenen U.S.-Patent-Nr. 6,210,592 beschrieben sind, ist, dass der Temperaturkoeffizient des Widerstands („thermal coefficient of resistivity", TCR) dazu neigt, größer zu sein, als es für viele Leiterplattenanwendungen erforderlich ist. Für eine gleichbleibende elektrische Funktion über den breiten Temperaturbereich ist es wünschenswert, dass der Temperaturkoeffizient des Widerstands des Materials so gering wie möglich ist.
Demnach ist es ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung, elektrische Widerstandsmaterialien mit einem niedrigen Temperaturkoeffizienten des Widerstands bereitzustellen, insbesondere solche Materialien, die als ein Dünnfilm abgeschieden werden können und strukturiert sind, um diskrete Widerstände zu bilden und in Leiterplatten eingebettet werden zu können.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung in ihren verschiedenen Aspekten wird in den beigefügten Ansprüchen beschrieben. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektrisches Widerstandsmaterial gemäß Anspruch 1 bereitzustellen. Sie kann ein elektrisches Widerstandsmaterial bereitstellen, das Platin und von circa 5 bis circa 70 Mol-Prozent Iridium, Ruthenium oder Mischungen derer umfasst, berechnet auf der Basis von Platin als 100%.
In einer Ausführungsform kann die vorliegende Erfindung ein elektrisches Widerstandsmaterial bereitstellen, das Platin und von circa 5 bis circa 70 Mol-Prozent Iridium, Ruthenium oder Mischungen davon umfasst, berechnet auf der Basis von Platin als 100%, wobei das elektrische Widerstandsmaterial ein Dünnfilm ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt eine Leiterplatte („printed wiring board„), gemäß der in Anspruch 1 definierten Merkmale bereit, das ein elektrisches Widerstandsmaterial bildet, das Platin und von circa 5 bis circa 70 Mol-Prozent Iridium, Ruthenium oder Mischungen davon umfasst, berechnet auf der Basis von Platin als 100%, wobei das elektrische Widerstandsmaterial mit einem dielektrischen Material beschichtet ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die folgenden Abkürzungen, wie in der ganzen Beschreibung benutzt, sollen die folgende Bedeutung haben: °C = Grad Celsius; ppm = parts per million, nach Gewicht; Hz = Herz; psi = Pfund pro Quadratzoll (1 psi = 6,89476 kPa); nm = Nanometer; cm = Zentimeter; Gew.-% = Gewichtsprozent; ml = Milliliter; min = Minute; g = Gramm; μg = Mikrogramm; und PCB = Leiterplatte („printed circuit board").
Wenn nicht anders gekennzeichnet, sind alle Mengen Gewichtsprozente und alle Verhältnisse Gewichtsverhältnisse. Alle numerischen Bereiche sind einschließlich und in jeglicher Reihenfolge kombinierbar, außer, wo es offensichtlich ist, dass solche numerischen Bereiche sich gezwungenermaßen zu 100% aufaddieren.
Die vorliegende Erfindung stellt ein elektrisches Widerstandsmaterial bereit, das Platin und von 2 bis 70, z. B. 5 bis 70, Mol-Prozent Iridium, Ruthenium oder Mischungen derer umfasst, berechnet auf der Basis von Platin als 100%. Solche Widerstandsmaterialien sind vorzugsweise Dünnfilm-Widerstände. Mit „Dünnfilm" ist gemeint, dass die Filme dünner als oder gleich 500 nm sind. Demzufolge stellt die vorliegende Erfindung weiterhin ein elektrisches Widerstandsmaterial bereit, das Platin und von 2 bis 70, z. B. 5–70, Mol-Prozent Iridium, Ruthenium oder Mischungen derer umfasst, berechnet auf der Basis von Platin als 100%, wobei das elektrische Widerstandsmaterial ein Dünnfilm ist.
Elektrische Widerstandsmaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung sind Platin-basiert, d. h., dass das Hauptmaterial Platin ist. Das Widerstandsmaterial enthält von circa 10 bis 70 Mol-Prozent Iridium, Ruthenium oder Mischungen derer, und vorzugsweise 2 Mol-Prozent bis 50 Mol-Prozent, berechnet relativ zu Platin als 100%. Wenn Ruthenium alleine genutzt wird (ohne Iridium), wird es vorzugsweise zwischen ca. 2 und ca. 10 Mol-Prozent verwendet, berechnet relativ zu Platin als 100%. Wenn Iridium alleine genutzt wird (ohne Ruthenium), wird es vorzugsweise zwischen ca. 20 und ca. 70 Mol-Prozent verwendet, berechnet relativ zu Platin als 100%. In den Widerstandsmaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung liegt das Iridium, Ruthenium oder Mischungen derer sowohl in elementarer Form als auch in Oxidform vor. Üblicherweise liegt das Iridium, Ruthenium oder Mischungen derer von circa 50 bis circa 90 Mol-Prozent als elementares Metall und von circa 10 bis circa 50 Mol-Prozent als Oxide) von Iridium, Ruthenium oder Mischungen derer vor.
Bei einem Widerstand von 100 Ohm pro Quadrat bei 25°C ist der absolute Wert des Temperaturkoeffizienten des Widerstands des Materials normalerweise gemäß der Erfindung circa 500 ppm/°C oder weniger, bevorzugt ungefähr 350 ppm/°C oder weniger, mehr bevorzugt ungefähr 350 ppm/°C oder weniger und noch mehr bevorzugt ungefähr 100 ppm/°C oder weniger ist.
Die Widerstandsmaterialien der vorliegenden Erfindung werden normalerweise durch eine Vielzahl von Methoden auf dem Substrat abgeschieden. Geeignete Methoden schließen CCVD oder CACVD, und bevorzugt CCVD, ein, sind aber nicht auf diese begrenzt.
Zur Abscheidung des Widerstandsmaterials der vorliegenden Erfindung wird normalerweise eine Vorläuferlösung hergestellt, die Vorläufer für beide, das Platin und den/die Vorläufer für das Iridium, Ruthenium oder Mischungen derer enthält. Geeignete Vorläufer für Platin schließen Platin-acetylacetonat („PtAcAc") und Diphenyl-(1,5-cyclooctadien)platin (II) („PtCOD") ein, sind aber nicht auf diese begrenzt. Geeignete Vorläufer für Iridium und Ruthenium schließen tris-(Norbornadien)-Iridium(III) Acetylacetonat („IrNBD") und bis-(Ethylcyclopentadienyl)-Ruthenium (II) ein, sind aber nicht auf diese begrenzt. Die Vorläufermoleküle werden in einem Ein-Lösungsmittel-System („single solvent system") gelöst, wie zum Beispiel Toluol oder Toluol/Propan bis zu einer Konzentration (Summe von Platin, Iridium und/oder Rutheniumvorläufern) von circa 0,15 Gew.-% bis circa 1,5 Gew.-%.
Diese Lösung wird dann üblicherweise durch einen Zerstäuber („atomizer") geleitet, um die Vorläuferlösung in ein feines Aerosol zu verteilen und das Aerosol wird in der Gegenwart eines Oxidationsmittels, bevorzugt Sauerstoff, entzündet, um Null-valente(s) Metalle) und Oxide) von Platin und Iridium, Ruthenium oder Mischungen derer herzustellen.
Das/die Null-valente(n) Metalle) und Oxide) werden auf einem Substrat abgeschieden, wie zum Beispiel (aber nicht begrenzt auf) einem leitenden Metall, wie zum Beispiel Kupfer oder Nickel oder einem Polymer, wie Polyimid oder Polyamidimid, bis zu der gewünschten Stärke. Das vorliegende Widerstandsmaterial schließt vorzugsweise von circa 50 bis circa 90 Mol-Prozent Iridium, Ruthenium oder Mischungen derer in metallischer Form und von circa 20 bis circa 10 Mol-Prozent Iridium, Ruthenium oder Mischungen derer in Oxidform ein.
Geeignete Stärken der Dünnfilme schließen von 5 bis 500 nm, bevorzugt von circa 5 bis circa 100 nm, mehr bevorzugt von circa 5 bis 20 nm ein, sind aber nicht auf diese begrenzt.
Das Dünnfilm-Widerstandsmaterial auf dem Substrat wird dann strukturiert, z. B. mit einem ablativen Ätzverfahren, wie es in dem zuvor erwähnten U.S.-Patent-Nr. 6,210,592 beschrieben ist, um eine Struktur von diskreten Widerständen zu bilden. Nachdem der Dünnfilm strukturiert ist, um Widerstände zu bilden, kann der Temperaturkoeffizient des Widerstands in vielen Fällen weiter durch Härten („aging") für mehrere Stunden bei leicht erhöhten Temperaturen, wie z. B. 80°C, verringert werden. Die Widerstandsstruktur kann dann in eine Leiterplatte eingebettet werden und auf konventionelle Weise in den Schaltkreis integriert werden.
Die vorliegenden Widerstandsmaterialien haben geringe Temperaturkoeffizienten des Widerstands. Solch geringe Temperaturkoeffizienten des Widerstands, die durch Kombination von Iridium, Ruthenium oder Mischungen derer mit Platin erreicht werden, sind überraschend in Anbetracht der Tatsache, dass alle drei Metalle hohe, positive Temperaturkoeffizienten des Widerstands aufweisen. Platin, Iridium und Ruthenium haben Temperaturkoeffizienten des Widerstands (ppm/°C), gemessen relativ zu 100 Ohm pro Quadrat bei 25°C, jeweils von 3900, 3920 und 4580. Die co-abgeschiedenen Elemente hingegen erzielen ein Material der vorliegenden Erfindung, das Temperaturkoeffizienten des Widerstands von 500 ppm/°C oder weniger aufweisen, vorzugsweise 350 ppm/°C oder weniger, mehr bevorzugt 200 ppm/°C oder weniger und noch mehr bevorzugt 100 ppm/°C oder weniger (absoluter Wert gemessen relativ zu 100 Ohm/Quadrat bei 25°C) aufweisen.
Die Erfindung wird nun anhand von spezifischen Beispielen ausführlicher beschrieben.
Beispiel 1
Es wurde eine Vorläuferlösung hergestellt, die 23,06 g PtCOD, 17,00 g IrNBD, 7,070 g Toluol, 3,404 g Propan und 7,2 g Dodecylamin enthält. Ein Beschichter mit kontinuierlicher Zufuhr ist beschrieben in den verwandten U.S.-Patentanmeldungs-Seriennummern 60/233,022, eingereicht am 15. September 2000 und 60/249,979, eingereicht am 20. November 2000. In diesem Beschichter mit kontinuierlicher Zufuhr werden zwei Foliengewebe, z. B. Kupferfolie, hauptsächlich in einer nach oben gerichteten Richtung kontinuierlich zugeführt, einschließlich durch einen Zwischenbereich, wo die Folien nahe aneinander vorbeigeführt werden, um eine schmale Engstelle zu definieren. Unterhalb der Engstelle ist eine Flamme aufgestellt, die die Vorläuferlösung verbrennt, wodurch die Chemikalien erzeugt werden, die sich auf dem Foliengewebe ablagern, um das elektrische Widerstandsmaterial zu umfassen.
Zwei kontinuierlich zugeführte Kupferfolien wurden mit einem Platin/Iridiumoxid unter Nutzung eines Beschichters unter kontinuierlicher Zufuhr, durch Verbrennen der Vorläuferlösung und dem Aussetzen der Kupferfolie des durch die Verbrennung produzierten Dampfes beschichtet, der durch den Luftfluss unter den folgenden Bedingungen umgeleitet wurde:
Verbrennungsaufbau („Torch Setup")
Einstellung des Beschichters mit kontinuierlicher Zufuhr (Temperaturen in °C)
Eine Platin/Iridiumschicht wurde abgeschieden, die 49 Mol-Prozent Iridium bei einem Platin-Iridiumgehalt von 20 μg/cm² enthält, die äquivalente Stärke beträgt 10 nm (100% theoretische Dichte vorausgesetzt – tatsächliche Stärke mindestens 4–5 mal größer). Der Widerstand wurde mit 300 Ohm/Quadrat bei 25°C gemessen. Der Temperaturkoeffizient des Widerstands wurde mit 360 ppm/°C gemessen.
Beispiel 2
Unter ähnlichen Bedingungen wie Beispiel 1 wurde der iridiumvorläufer durch einen Rutheniumvorläufer ersetzt, eine Platin/Rutheniumschicht wurde abgeschieden, die 5,3 Mol-Prozent Ruthenium mit einem Pt-Ru-Gehalt von 10,6 μg/cm² enthält, die äquivalente Stärke beträgt 5 nm (100% theoretische Dichte vorausgesetzt – tatsächliche Stärke mindestens 4–5 mal größer). Der Widerstand wurde mit 662 Ohm/Quadrat bei 25°C gemessen. Der Temperaturkoeffizient des Widerstands wurde mit 303 ppm/°C gemessen.

Claims

Elektrisches Widerstandsmaterial, das Platin und zwischen 2 und 70 Mol-Prozent Iridium, Ruthenium oder Mischungen derer umfasst, berechnet auf der Basis von Platin als 100%; worin zwischen 50 und 90 Mol-Prozent des besagten Iridiums, Rutheniums oder Mischungen davon das Element/die Elemente in metallischer Form enthält und zwischen 50 bis 10 Mol-Prozent des besagten Iridiums, Rutheniums oder Mischungen davon als Oxid vorliegt.
Das elektrische Wiederstandsmaterial gemäß Anspruch 1, in dem das elektrische Widerstandsmaterial ein Dünnfilm ist.
Das elektrische Widerstandsmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, das zwischen 20 bis 70 Mol-Prozent Iridium umfasst, berechnet auf der Basis von Platin als 100%.
Das elektrische Widerstandsmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, das zwischen 2 und 10 Mol-Prozent Ruthenium umfasst, berechnet auf der Basis von Platin als 100%.
Das elektrische Widerstandsmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, das eine Dicke zwischen 5 und 500 nm aufweist.
Das elektrische Widerstandsmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, das eine Dicke zwischen 5 und 100 nm aufweist.
Das elektrische Widerstandsmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, das einen Temperaturkoeffizienten des Widerstands von 500 ppm/°C oder weniger aufweist, gemessen bei 100 Ohm pro Quadrat bei 25°C.
Das elektrische Widerstandsmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, das einen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes von 350 ppm/°C oder weniger aufweist, gemessen bei 100 Ohm pro Quadrat bei 25°C.
Das elektrische Widerstandsmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, das einen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes von 200 ppm/°C oder weniger aufweist, gemessen bei 100 Ohm pro Quadrat bei 25°C.
Eine Leiterplatte, die einen eingebetteten Widerstand umfasst, der einen dünnen elektrischen Widerstandsfilm umfasst, der das elektrische Widerstandsmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 umfasst.