CH493909A

CH493909A - Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Schichtwiderstandes

Info

Publication number: CH493909A
Application number: CH1639566A
Authority: CH
Inventors: E Lood Douglas; S Spriggs Rueben; L Rogers John
Original assignee: Trw Inc One Space Park
Priority date: 1965-11-15
Filing date: 1966-11-15
Publication date: 1970-07-15
Also published as: DE1590768C3; DE1590768A1; US3380156A; DE1590768B2

Description

Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Schichtwiderstandes
Die Erfindung befasst sich mit der Herstellung dünner Schichten und insbesondere mit Verbesserungen bei der Bildung dünner Widerstands-Schichten mit hohem Schicht-Widerstand.

Die Erfindung bezweckt, ein einfacheres Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Widerstandes zu schaffen.

Die Erfindung bezweckt weiterhin ein verbessertes Verfahren zur Herstellung dünner Schichten mit hohem Schichtwiderstand zu schaffen.

Zusätzlich bezweckt die Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtwiderständen zu schaffen, bei welchem der Schichtwiderstand während der Herstellung gemessen werden kann.

Ein anderer Zweck der Erfindung besteht darin, Dünnschichtwiderstände zu schaffen, deren Stabilität bei erhöhten Temperaturen verbessert ist.

Erfindungsgemäss wird auf einer isolierenden Unterlage eine Mehrzahl voneinander distanzierter Teile aus oxydierbarem Metall gebildet, deren Oberfläche durch Oxydation elektrisch isolierend gemacht und zwischen den oxydierten Teilen elektrisch leitendes Material auf die Unterlage gebracht, um eine netzförmige Schicht mit hohem elektrischen Widerstand zu bilden.

Da die Metallteile, deren Oberfläche oxydiert ist, selbst elektrisch isolieren, brauchen sie nicht entfernt zu werden, wodurch die Herstellung des Schichtwiderstandes vereinfacht wird. Aus dem gleichen Grunde kann der Widerstand der netzförmigen Schicht, während diese z. B. durch Niederschlagen im Vakuum aufgebracht wird, gemessen und der Verfahrensschritt des Aufbringens gesteuert werden, um einen gewünschten Widerstandswert des Schichtwiderstandes zu erzielen.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht.

Fig. 1 ist ein teilweiser, stark vergrösserter Grundriss einer Schicht-Struktur während einer Phase des erfin dungsgemässen Verfahrens.

Fig. 2 ist eine idealisierte Schnittansicht nach der Linie 2-2 in Fig. 1.

Fig. 3 ist eine idealisierte, stark vergrösserte Schnittansicht einer Schicht-Struktur während einer späteren Phase der Verfahrens.

Fig. 4 ist ein stark vergrösserter teilweiser Grundriss einer Schicht-Struktur während der letzten Phase des Verfahrens.

Fig. 5 ist eine idealisierte Schnittansicht nach der Linie 5-5 von Fig. 4.

Nach Fig. 1 und 2 wird zur Bildung einer dünnen netzartigen Schicht eine Schicht 10 aus einem ersten Metall im Vakuum auf eine Unterlage 12 niedergeschlagen bis zu einer derartigen Dicke, dass diese erste Schicht 10 die Form vieler kleiner Inseln mit unter einander verbundenen auf der Unterlage 12 unbedeckt zwischen den Inseln gebliebenen Stellen 14 hat. Die Schicht 10 wird bei einem Druck von weniger als 10 fi Torr niedergeschlagen. Quarzglas, oxydiertes Silizium oder ein anderes Material, auf welchem diese erste
Schicht 10 agglomeriert, kann für die Unterlage 12 verwendet werden. Die Dicke der ersten Schicht 10 kann zwischen einigen hundert Angström-Einheiten und einigen Mikron liegen.

Für die erste Schicht wird ein Metall verwendet, welches leicht oxydiert. Aluminium oder Blei werden für das erste Metall bevorzugt, weil sie eine genügend grobe Struktur zur Bildung der notwendigen Agglomerationen oder Inseln haben und thermisch oxydiert werden können. Blei bildet die gewünschten Metall- Inseln bei Raum-Temperatur. Alluminium andererseits neigt dazu, kontinuierliche Schichten bei Dicken unter 100 Angström-Einheiten zu bilden, wenn die Unterlage auf Raum Temperatur gehalten wird. Jedoch können agglomerierte Alunnnium-Schichten für die vorliegenden Zwecke gebildet werden, indem die Unterlage auf einer erhöhten Temperatur von beispielsweise 400 bis 500 OC gehalten wird.

Sowohl beim Niederschlagen von Blei bei Raum Temperatur als auch von Aluminium bei erhöhter Temperatur wird die erste Schicht 10 vorzugsweise bis zu einer Dicke von einigen hundert Angström-Einheiten bis zu einigen Mikron niedergeschlagen, je nach der Niederschlagsgeschwindigkeit. Eine geeignete Vorrichtung zum Verdampfen und zum Niederschlagen der Schichten ist in der USA-Patentschrift 3 177 025 beschrieben. Die Dicke der ersten Schicht 10 kann für eine gegebene Niederschlagsgeschwindigkeit vorzugsweise durch Bestimmung derjenigen Dicke einer Probe Schicht gesteuert werden, bei der sich zuerst elektrische Stetigkeit ergibt. Dann kann unter Verwendung derselben Niederschlagsgeschwindigkeit die Schicht 10 in einem Bruchteil der Zeit niedergeschlagen werden, welche bei der Probe-Schicht mindestens erforderlich war, um elektrische Leitfähigkeit zu erhalten.

Nach dem Niederschlagen der ersten Schicht 10 kann Sauerstoff oder Luft in das Vakuum-System geleitet und die Unterlage 12 auf ungefähr 200 OC erhitzt werden, um einen Metalloxyd-Oberzug 16 auf der Schicht 10 zu bilden, wie in Fig. 3 gezeigt. Der Metalloxyd-Überzug 16 besteht entweder aus Belioxyd oder Aluminiumoxyd, je nach dem Metall, welches für die erste Schicht 10 verwendet wurde. Die Luft oder der Sauerstoff kann bis zu einem Partialdruck von wenigen Mikron zugeleitet werden. Der Oxyd-Überzug 16 ist elektrisch isolierend. Nach Bildung des Oxyd-Überzuges
16 kann das Hochvakuum wieder hergestellt werden, indem die Luft oder der Sauerstoff heraus gepumpt wird.

Ein zweites Material wird verdampft und auf die erste Schicht 10 und den Oxyd-Überzug 16 niedergeschlagen, wie Fig. 4 zeigt. Die zweite Schicht hat isolierte Flächen 18, die nur mit Oxyd überzogenen Teile Ider Inseln der ersten Schicht 10 bedecken und fortlaufen de Teile 20, welche die nicht bedeckten Flächen der Unterlage 12 bedecken um diese ursprünglich leeren Stellen 14 bis zu einer Tiefe auszufüllen, die wesentlich kleiner als die Dicke der ersten Schicht 10 ist. Die Dicke der zweiten Schicht kann in der Grössenordnung einiger hundert Angström-Einheiten liegen. Die zweite Schicht wird vorzugsweise niedergeschlagen, während die Unter lage auf einer erhöhten Temperatur gehalten ist, um
Stabilität zu erzielen und die Adhäsion an der Unterlage zu verbessern. Die Temperatur der Unterlage ist durch den Schmelzpunkt des Metalls der ersten Schicht 10 begrenzt.

Im Falle von Blei beträgt die höchste
Temperatur der Unterlage ungefähr 300 OC, während für Aluminium eine höhere Temperatur der Unterlage, beispielsweise 500 "C, angewandt werden kann.

Wenn der Querschnitt der Agglomerationen der ersten Schicht 10 wie gezeigt ist, hat die zweite Schicht allgemein die gezeigte Dicken-Verteilung. Dies ist darauf zurück zu führen, dass die Dicke !des niedergeschlagenen Schicht-Maerials proportional dem Kosinus des Winkels zwischen der Richtung des auftreffenden Dampfes und der Normalen zu der Oberfläche, auf welche der Dampf auftrifft, ist. Wenn Dampf im wesentlichen normal zur
Oberfläche der Unterlage gerichtet wird, bleiben die steilen Seitenteile 22 der mit Oxyd überzogenen ersten
Schicht 10 daher im wesentlichen frei vom zweiten
Schicht-Material. Die Dicke der zweiten Schicht an den Teilen 22 wird kleiner als die für elektrische Leitfähigkeit erforderliche Dicke sein.

Die fortlaufenden Teile 20 der zweiten Schicht bilden, wie Fig. 5 zeigt, ein Netz auf der Unterlage 12, das von den isolierten Teilen 18 durch die Zwischenräume zwischen diesen isoliert ist und durch die isolierende Oxyd-Schicht 16 auch von der ersten Schicht 10 isoliert ist. Daher ist es nicht nötig, die Inseln der ersten Schicht 10 zu entfernen, um Wirkungen zwischen diesen zu verhindern, wie das früher nötig war.

Der Schichtwiderstand der zweiten Schicht, d. h. des Netzes 20, kann während des Niederschlagens fortlaufend durch Messung eines durch das Netz 20 fliessenden Stromes überwacht werden. Beispielsweise kann eine Spannungsquelle 24 verwendet werden, um einen Messstrom nacheinander durch das Netz 20, einen Schutzwiderstand 26 und einen Strommesser 28 zu erzeugen, wie Fig. 5 zeigt.

Bevorzugte Materialien für die zweite Schicht sind Chrom oder Metallkeramik, das ist eine Mischung aus Chrom und Siliziummonoxyd. Andere elektrisch leitende Materialien können für die zweite Schicht verwendet werden, vorausgesetzt dass das Material gut an der Unterlage haftet und in sehr dünnen Schichten von einigen hundert Angström-Einheiten Dicke elektrisch stabil ist.

Ein augenscheinlicher Vorteil des beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass der ganze Niederschlags Prozess in derselben Vakuum-Einrichtung durchgeführt werden kann, da es nicht nötig ist, die erste Schicht 10 zu entfernen. Zusätzlich kann der Schichtwiderstand des Netzes während dem Niederschlagen bis zum Erreichen des gewünschten Wertes elektrisch überwacht werden.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines Metalls mit verhältnismässig hohem Schmelzpunkt, wie Aluminium für die erste Schicht 10, und des Oxydierens desselben, {besteht darin, dass eine hohe Temperatur der Unterlage während des Niederschlagens der Widerstands-Schicht aufrecht erhalten werden kann. Hohe Temperaturen der Unterlage, beispielsweise 500 C, sind bei manchen Anwendungen notwendig, um das Widerstands-Netz bei Temperaturen zu stabilisieren, denen es bei nachfolgenden Herstellugsprozessen und beim Gebrauch in einem elektrischen Stromkreis unterworfen wird. Die Höchsttemperatur der Unterlage ist durch den Schmelzpunkt des Metalls der ersten Schicht 10 begrenzt. Wenn dieser Schmelzpunkt überschritten wird, vereinigen sich die Inseln und bilden eine kontinuierliche Schicht.

Wenn daher eine Stabilisation der Widerstands-Schicht 18 nötig ist, wie für Dünn schichtwiderstände in einer integrierten Schaltung auf Siliziumtbasis, ist für die erste Schicht 10 ein Metall mit hohem Schmelzpunkt, z. B. Aluminium zu verwen den.

PATENTANSPRUCH I
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Schichtwiderstandes, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer isolierenden Unterlage eine Mehrzahl voneinander di stanzierter Teile aus oxydierbarem Metall gebildet, dass deren Oberfläche durch Oxydation elektrisch isolierend gemacht und zwischen den oxydierten Teilen elektrisch leitendes Material auf die Unterlage gebracht wird, um eine netzförmige Schicht mit hohem elektrischen Wider stand zu bilden.

**WARNUNG** Ende DESC Feld konnte Anfang CLMS uberlappen**.

Claims

**WARNUNG** Anfang CLMS Feld konnte Ende DESC uberlappen **. Alunnnium-Schichten für die vorliegenden Zwecke gebildet werden, indem die Unterlage auf einer erhöhten Temperatur von beispielsweise 400 bis 500 OC gehalten wird.

Sowohl beim Niederschlagen von Blei bei Raum Temperatur als auch von Aluminium bei erhöhter Temperatur wird die erste Schicht 10 vorzugsweise bis zu einer Dicke von einigen hundert Angström-Einheiten bis zu einigen Mikron niedergeschlagen, je nach der Niederschlagsgeschwindigkeit. Eine geeignete Vorrichtung zum Verdampfen und zum Niederschlagen der Schichten ist in der USA-Patentschrift 3 177 025 beschrieben. Die Dicke der ersten Schicht 10 kann für eine gegebene Niederschlagsgeschwindigkeit vorzugsweise durch Bestimmung derjenigen Dicke einer Probe Schicht gesteuert werden, bei der sich zuerst elektrische Stetigkeit ergibt. Dann kann unter Verwendung derselben Niederschlagsgeschwindigkeit die Schicht 10 in einem Bruchteil der Zeit niedergeschlagen werden, welche bei der Probe-Schicht mindestens erforderlich war, um elektrische Leitfähigkeit zu erhalten.

Nach dem Niederschlagen der ersten Schicht 10 kann Sauerstoff oder Luft in das Vakuum-System geleitet und die Unterlage 12 auf ungefähr 200 OC erhitzt werden, um einen Metalloxyd-Oberzug 16 auf der Schicht 10 zu bilden, wie in Fig. 3 gezeigt. Der Metalloxyd-Überzug 16 besteht entweder aus Belioxyd oder Aluminiumoxyd, je nach dem Metall, welches für die erste Schicht 10 verwendet wurde. Die Luft oder der Sauerstoff kann bis zu einem Partialdruck von wenigen Mikron zugeleitet werden. Der Oxyd-Überzug 16 ist elektrisch isolierend. Nach Bildung des Oxyd-Überzuges 16 kann das Hochvakuum wieder hergestellt werden, indem die Luft oder der Sauerstoff heraus gepumpt wird.

Ein zweites Material wird verdampft und auf die erste Schicht 10 und den Oxyd-Überzug 16 niedergeschlagen, wie Fig. 4 zeigt. Die zweite Schicht hat isolierte Flächen 18, die nur mit Oxyd überzogenen Teile Ider Inseln der ersten Schicht 10 bedecken und fortlaufen de Teile 20, welche die nicht bedeckten Flächen der Unterlage 12 bedecken um diese ursprünglich leeren Stellen 14 bis zu einer Tiefe auszufüllen, die wesentlich kleiner als die Dicke der ersten Schicht 10 ist. Die Dicke der zweiten Schicht kann in der Grössenordnung einiger hundert Angström-Einheiten liegen. Die zweite Schicht wird vorzugsweise niedergeschlagen, während die Unter lage auf einer erhöhten Temperatur gehalten ist, um Stabilität zu erzielen und die Adhäsion an der Unterlage zu verbessern. Die Temperatur der Unterlage ist durch den Schmelzpunkt des Metalls der ersten Schicht 10 begrenzt.

Im Falle von Blei beträgt die höchste Temperatur der Unterlage ungefähr 300 OC, während für Aluminium eine höhere Temperatur der Unterlage, beispielsweise 500 "C, angewandt werden kann.

Wenn der Querschnitt der Agglomerationen der ersten Schicht 10 wie gezeigt ist, hat die zweite Schicht allgemein die gezeigte Dicken-Verteilung. Dies ist darauf zurück zu führen, dass die Dicke !des niedergeschlagenen Schicht-Maerials proportional dem Kosinus des Winkels zwischen der Richtung des auftreffenden Dampfes und der Normalen zu der Oberfläche, auf welche der Dampf auftrifft, ist. Wenn Dampf im wesentlichen normal zur Oberfläche der Unterlage gerichtet wird, bleiben die steilen Seitenteile 22 der mit Oxyd überzogenen ersten Schicht 10 daher im wesentlichen frei vom zweiten Schicht-Material. Die Dicke der zweiten Schicht an den Teilen 22 wird kleiner als die für elektrische Leitfähigkeit erforderliche Dicke sein.

Die fortlaufenden Teile 20 der zweiten Schicht bilden, wie Fig. 5 zeigt, ein Netz auf der Unterlage 12, das von den isolierten Teilen 18 durch die Zwischenräume zwischen diesen isoliert ist und durch die isolierende Oxyd-Schicht 16 auch von der ersten Schicht 10 isoliert ist. Daher ist es nicht nötig, die Inseln der ersten Schicht 10 zu entfernen, um Wirkungen zwischen diesen zu verhindern, wie das früher nötig war.

Der Schichtwiderstand der zweiten Schicht, d. h. des Netzes 20, kann während des Niederschlagens fortlaufend durch Messung eines durch das Netz 20 fliessenden Stromes überwacht werden. Beispielsweise kann eine Spannungsquelle 24 verwendet werden, um einen Messstrom nacheinander durch das Netz 20, einen Schutzwiderstand 26 und einen Strommesser 28 zu erzeugen, wie Fig. 5 zeigt.

Bevorzugte Materialien für die zweite Schicht sind Chrom oder Metallkeramik, das ist eine Mischung aus Chrom und Siliziummonoxyd. Andere elektrisch leitende Materialien können für die zweite Schicht verwendet werden, vorausgesetzt dass das Material gut an der Unterlage haftet und in sehr dünnen Schichten von einigen hundert Angström-Einheiten Dicke elektrisch stabil ist.

Ein augenscheinlicher Vorteil des beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass der ganze Niederschlags Prozess in derselben Vakuum-Einrichtung durchgeführt werden kann, da es nicht nötig ist, die erste Schicht 10 zu entfernen. Zusätzlich kann der Schichtwiderstand des Netzes während dem Niederschlagen bis zum Erreichen des gewünschten Wertes elektrisch überwacht werden.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines Metalls mit verhältnismässig hohem Schmelzpunkt, wie Aluminium für die erste Schicht 10, und des Oxydierens desselben, {besteht darin, dass eine hohe Temperatur der Unterlage während des Niederschlagens der Widerstands-Schicht aufrecht erhalten werden kann. Hohe Temperaturen der Unterlage, beispielsweise 500 C, sind bei manchen Anwendungen notwendig, um das Widerstands-Netz bei Temperaturen zu stabilisieren, denen es bei nachfolgenden Herstellugsprozessen und beim Gebrauch in einem elektrischen Stromkreis unterworfen wird. Die Höchsttemperatur der Unterlage ist durch den Schmelzpunkt des Metalls der ersten Schicht 10 begrenzt. Wenn dieser Schmelzpunkt überschritten wird, vereinigen sich die Inseln und bilden eine kontinuierliche Schicht.

Wenn daher eine Stabilisation der Widerstands-Schicht 18 nötig ist, wie für Dünn schichtwiderstände in einer integrierten Schaltung auf Siliziumtbasis, ist für die erste Schicht 10 ein Metall mit hohem Schmelzpunkt, z. B. Aluminium zu verwen den.

PATENTANSPRUCH I Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Schichtwiderstandes, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer isolierenden Unterlage eine Mehrzahl voneinander di stanzierter Teile aus oxydierbarem Metall gebildet, dass deren Oberfläche durch Oxydation elektrisch isolierend gemacht und zwischen den oxydierten Teilen elektrisch leitendes Material auf die Unterlage gebracht wird, um eine netzförmige Schicht mit hohem elektrischen Wider stand zu bilden.

UNTERANSPRÜCHE

1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Material in einer Dicke, die kleiner als die Dicke der Teile aus oxydierbarem Material ist, aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile aus oxydierbarem Metall durch Niederschlagen im Vakuum gebildet werden.

3. Verfahren nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeiclmet, dass zur Bildung der Teile aus oxydierbarem Metall Blei oder Aluminium auf die Unterlage niedergeschlagen wird.

4. Verfahren nach Unteranspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterlage mit den auf ihr gebildeten Teilen aus oxydierbarem Metall zur Oxydation der Oberfläche der Teile erhitzt wird, während die Teile Sauerstoff ausgesetzt sind.

5. Verfahren nach Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterlage auf ca. 200 0C erhitzt wird.

6. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung Teile aus oxydier hartem Metall und zum Aufbringen des elektrisch leitenden Materials Schichten im Vakuum auf die Unterlage niedergeschlagen werden.

7. Verfahren nach Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Material niedergeschlagen wird, während die Unterlage auf eine Temperatur erhitzt ist, die oberhalb der Raumtemperatur jedoch unterhalb des Schmelzpunktes des oxydierten Metalls liegt.

8. Verfahren nach den Unteransprüchen 3 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der Teile aus oxydierbarem Metall Blei niedergeschlagen und dass das elektrisch leitende Material niedergeschlagen wird, während die Unterlage auf ungefähr 300 0C erhitzt ist.

9. Verfahren nach den Unteransprüchen 3 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der Teile aus oxydierbarem Metall Aluminium niedergeschlagen und dass das elektrisch leitende Material niedergeschlagen wird, während die Unterlage auf ungefähr 500 OC erhitzt ist.

10. Verfahren nach Unteranspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbringen des elektrisch leitenden Materials Chrom oder eine Mischung aus Chrom und Siliziummonoxyd niedergeschlagen wird.

PATENTANSPRUCH II Elektrischer Schichtwiderstand, hergestellt nach dem Verfahren gemäss Patentanspruch I.