DE1615051A1

DE1615051A1 - ss-Tantal-Widerstaende

Info

Publication number: DE1615051A1
Application number: DE19661615051
Authority: DE
Inventors: Carl Altman
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1965-07-12
Filing date: 1966-07-05
Publication date: 1970-05-27
Also published as: AT263942B; SE341422B; FR1484134A; US3391373A; NL6609533A; GB1153485A; BE683045A; ES328726A1; CH511501A

Description

ß-Tantal-Widerstande

Die Erfindimg befaßt sich mit Dünnschicht-Widerstandselementen, insbesondere solchen aus ß-Tanta]^' dessen Eigenart und Besonderheit gegenüber normalem Tantal in der älteren Anmeldung W. 41 2 12 erläutert sind.

In der Dünnschicht-Widerstandstechnik sind temperatürstabile Widerstands elemente mit hohem spezifischem Widerstand sehr erwünscht.

Die Temperaturstabilität bezieht sich auf den Wechsel im Widerstand, den ein Widerstandselement als Folge eines Temperaturwechsels erfährt. Wenn ein Widerstandselement einen geringen Temperaturkoeffizienten des Widerstands hat, so erfährt das Element keine große Schwankung des Widerstands beim Wechsel der Temperatur*

Der Widerstandswert eines Widerstandselements ist von seinen physikalie sehen Dimensionen und seinem spezifischen Widerstand bestimmt. Wenn ein Widerstandselement einen hohen spezifischen Widerstand hat, so sind für einen gegebenen Widerständswert kleinere physikalische Dimensionen erforderlich. Dies gestattet eine stärkere Mlniaturisierung von Dünnschicht·'Schaltungen,

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Forschungen haben entdeckt, daß ß-Tantal, obwohl von gleicher Bruttozusammensetzung wie normales Tantal, einen unerwartet kleinen Temperaturkoeffizienten des Widerstands und einen hohen spezifischen Widerstand besitzt.

Gegenstand vorliegender Erfindung ist daher die Bereitstellung eines verbesserten Dünnschicht- Widerstands elemente s.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Bereitstellung eines temperatur stabilen Dünnschicht-Widerstandselementes.

Ein anderer Gegenstand der Erfindung ist die Bereitstellung eines Dünnschicht-Widerstandselementes mit hohem spezifischen Widerstand.

Im Hinblick auf diese und andere Ziele, befaßt sich die Erfindung mit einem Dünnschicht-Widerstandselement auf einer nichtleitenden Unterlage und einer dünnen Schicht von ß-Tantal, die von der Unterläge getragen wird, wobei die dünne Schicht eine Form erhält, die einen Widerstandsweg mit vorbestimmtem Widerstandswert zwischen den Enden bereitstellt.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung und in Verbindung mit den Abbildungen leichter verständlich sein.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Dünnschicht-Widerstandeelements gemäß Erfindung.

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Fig. 2 ist ein Vergrößertes perspektivisches Schnittbild und aus Fig. 1 längs der Linien 2-2 herausgenommen. -

ß~ Tantal wird von normalem Tantal leicht durch seine Kristallstruktur unterschieden, die beispielsweise durch Röntgenstrahlen-Beugungstechnik beobachtet werden kann.

Ein Röntgenstrahlen-Beugungsmuster für ein gegebenes Material wird nach üblicher Bezeichnung durch eine Aufstellung der d-Abstände des Materials nach abnehmender Größenordnung wieder-

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gegeben, .die gewöhnlich in Angström-Einheiten ausgedrückt werden.

Wie wohl bekannt ist, rührt der Ausdruck "d-Abstand" vom Bragg'schen Gesetz Λ ~ 2d sin θ her, wobei f\ die Wellenlänge der von parallelen Netzebenen des Kristalls reflektierten Strahlung ist, θ der Einfalls- (oder Reflexions-) Winkel der Strahlung und d die Distanz zwischen parallelen Netz-Ebenen des Kristalls.

Da jedes kristalline Material ein charakteristisches Röntgenstrahlen-Beugungsmuster besitzt, gestattet der Vergleich des Beugungsmusters eines unbekannten Materials mit dem Beugungsmuster be- kannter Materialien, wie sie in veröffentlichten Pulver-Aufnahmen aufgeführt sind, die qualitative Identifizierung des unbekannten Materials. Da ß-Tantal ein eigenes Röntgenstrahlen-Beugungsmuster besitzt, gestattet die Anwendung dieser Technik die positive Identifizierung des ß-Tantals. (Das Werk) Röntgenstrahlen-

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Metallographie von A. Taylor, erschienen 1961 bei John Wiley
and Sons, Inc., Seite 154-158 und 160-161 bespricht Röntgenstrahlen-Beugungsmuster und ihren Wert als einzigartigen Hinweis zur Material-Identifizierung.

Tabelle I führt alle d- Abstände auf, die für ß-Tantal
beobachtet worden sind.

Tabelle I
dA dR dR

5,38	2,15	1, 37
4,75	2, 06	1,332
2, 80	1,96	1,29
2,67	1,77.,,	1,240
2,62	1,59	1,210
2,49	1, 56	1,172
2, 36	1, 53	1,10
2, 32	1,46	1,03
2,25	1,442	1,01
2,21	1, 405

Die d-Abstände in Tabelle I sind eine Zusammenstellung der nach
verschiedenen Techniken beobachteten d-Abstände. Alle aufgeführten d -Abstände sind durch direkte Messungen an Filmen beobachtbar, die einer Röntgenstrahlung exponiert wurden, die an einem Muster ß-Tantal gestreut wurde. Es können verschiedene Techniken bei der Exposition der Filme benutzt werden, an denen die direkten Messungen gemacht werden. Beispielsweise kann das Muster

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stationär bleiben, während der Film exponiert wird oder das Muster kann schwingen. Eine große Anzahl der'aufgeführten d- Abstände können durch die Diffraktometer-Technik erhalten werden. Untersuchungen an ß- Tantal durch Elektrpnen-Beugmig bestätigen gleichfalls viele der in Tabelle I aufgeführten d-Abstände.

In Tabelle II sind d - Abstände aufgeführt, die als besonders genau angesehen werden. Diese besonderen d-Abstände werden von zwei oder mehreren Techniken bestätigt.

Tabelle II
dR dR

5,38	2,15	1,240
4,75	2,06	1, 210
2> 67	1V77	Ii 172
2,49	1,442
2, 36	1,405
2, 32	1,332

Die ältere Anmeldung Nr. W 41 212 vergleicht die Zusammensetzung von ß-Tantal mit der von normalem Tantal. Die Ergebnisse dieses Vergleichs zeigen an, daß kein großer zusammensetzungsmäßiger Unterschied zwischen ß->Tantal und normalem Tantal besteht« Die Forschung hat jedoch gezeigt, daß ß-Tantal bestimmte sehr brauchbare Eigenschaften hat, die normalem Tantal nicht zukommen.

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Beispielsweise ist der spezifische Widerstand von ß-Tantal, wie entdeckt wurde, beinahe eine Größenordnung höher, als der spezifische Widerstand von normalem Tantal. Normales Tantal in Stückform hat einen spezifischen Widerstand von annähernd 12 Mikro-Ohm/cm. In

Dünnschicht-Filmen von normalem Tantal ist der beobachtete spezifische Widerstand etwa größer als der von Tantal in Stückform und variiert zwischen 24 - 50 Mikro-Ohm/cm. Dünnschicht-Filme aus ß-Tantal haben jedoch einen spezifischen Widerstand von wenigstens 160 Mikro-Ohm/cm. Wenn die in der oben erwähnten Anmeldung Nr. W 41 212 dargelegten Zerstäubungsbedingungen benutzt werden, um einen ß-Tantalfüm in einer Reihen-Vakuummas chine niederzuschlagen^ liegt der Widerstand des abgeschiedenen ß-Tantals im Bereich von 160 bis 280 Mikro-Ohm/cm. Es sind jedoch unter abweichenden Zerstäubüngsbedingungen viel höhere Werte beobachtet worden.

Darüberhinaus wurde entdeckt, daß ß-Tantal einen Temperaturkoeffizienten des Widerstands hat, der weit kleiner ist, als der des normalen Tantals. Normales Tantal in Stückform hat einen Widerstands Temperaturkoeffizienten von + 0, 0037 bis + 0,0038 je Grad Celsius Temperaturwechsel, oder, in anderer Bezeichnungsweise, der Temperaturkoeffizient ändert sich von + 3700 bis + 3800 Teile je Million je Grad Celsius (ppm/ C). Benutzt man die letztere Bezeichnungsweise, so haben Dünnschichten aus normalem Tantal einen Widerstands-Temperaturkoeffizienten der von+ 500 bis+1000 ppm/ C

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ORIGINAL INSPECTED

schwankt. Es sind jedoch Dünnschichten aus ß-Tantal beobachtet worden, deren Widerstands-Temperaturkoeffizient von+100 ppm/ C bis -100 ppm/ C schwankt.

In Fig. 1 und 2 ist ein Widerstandselement, allgemein mit Ziffer bezeichnet, dargestellt. Das Widerstandselement 11 umfaßt eine nichtleitende Unterlage 13, welche die geformten Widerstandswege 13 - 15 trägt. Die nichtleitende Unterlage 12 kann aus Glas, aus keramischem Material ader jedem anderen geeigneten Material bestehen. Die Widerstandswege 13 - 15 können jede geeignete Form haben. Beispielsweise stellt der Widerstandsweg 13 eine gerade Linie dar, während die Widerstandswege 14 und 15 gewundene Formen besitzen.

Wie bekannt, is/t der Widerstandswert eines gegebenen Elements eine Funktion seiner physikalischen Abmessungen und des spezifischen Widerstands seines Widerstandsweges. Diese Beziehung kann durch die Formel R = ^ * ^* /w t ausgedrückt werden, in der R den Widerstandswert, ^ den spezifischen Widerstand, JL die Länge, t die Dicke und w die Breite des Widerstandswegs darstellt.

Beispielsweise ist der Widerstandswert R eines Widerstandselements aus normalem Tantal mit einem spezifischen Widerstand ^ von 50 Mikro-Ohm/cm, einer Länge *» von 9 cm, einer TDicke t-von 2000 ΑΈ (2; 0 χ 10" cm) und einer Breite W von 0, 015 cm gleich 1500 Ohm. Im Gegensatz hierzu ist der Widerstandswert eines

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IDI

Widerstandselements aus ß-Tantal mit den gleichen Abmessungen 6000 Ohm, wenn der spezifische Widerstand C^ 200 Mikro-Ohm/cm ist. Demgemäß ist ein ß-Tantal-Dünnschicht-Widerstandselement mit dem gleichen Widerstandswert wie ein Dünnschicht-Widerstandselement aus normalem Tantal in seinem physikalischen Umfang bedeutend kleiner.

Darüberhinaus haben Widerstandselemente aus ß-Tantal eine geringere Änderung des Widerstandswertes bei Schwankungen der Temperatur. Der Wechsel im Wider stands wert Δ R wird durch die Formel Δ R = <*> R A T ausgedrückt, in der ^t der Temperatur-Koeffizient des Widerstandes, R der Widerstand bei einer willkürlichen Basis-Temperatur und Δ T die Temperaturänderung dieser Basis-Temperatur ist. Wo die Basis-Temperatur zu 0 C gewählt wird, ist A T einfach die Temperatur des Widerstands elements.

Beispielsweise ist der Wechsel des Widerstandswertes Δ R eines Widerstandselements von 5000 Ohm aus normalem Tantal mit einem Temperatur-Koeffizienten des Widerstandes cL von + 500 ppm/°C gleich 250 Ohm für eine Temperaturänderung A T von 100 C« Im Gegensatz hierzu ist die Änderung des Widerstandswertes <6r eines Widerstandselements von 5000 Ohm aus ß-Tantal mit einem Widerstands-Temperatur-Koeffizienten Ά von + 100 ppm/ C

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nur 50 Ohm für einen Temperaturwechsel Λ T von IOO⁰C, Dementsprechend sind Dünnschicht--Widerstandselemente aus ß-Tantal wesentlich temperaturstabileri als die aus normalem Tantal.

Da der Widerstandswert von Widerstandselementen eine Funktion ihrer physikalischen Abmessung ist, ist es notwendig, dem Widerstandsweg eine geeignete Form zu geben, um einen gewünschten Widerstandswert zu erreichen. Eine sehr gut geeignete Technik zur Formung eines Widerstandsweges aus ß-Tantal besteht in der Abscheidung eines kontinuierlichen Films aus ß-Tantal auf einer nichtleitenden Unterlage. Die Zerstäubungsbedingungen sind in der oben erwähnten Anmeldung W 41 212 zur Abscheidung eines solchen kontinuierlichen Films aus ß·*Tantal auf einer Unterlage in einer Reihen-Vakuumvorrichtung dargelegt. Der abgeschiedene ß-Tantal-Film ist eiÄ anhaftender, gleichmäßiger Film, der für die Herstellung von Widerstandselementen geeignet ist.

Die Dicke des kontinuierlichen Films kann durch die Zeitspanne kontrolliert werden, während der die Unterlage einer Zerstäubung ausgesetzt wird. Um einen Widerstandsweg aus einem kontinuierlichen Film mit der gewünschten Dicke zu bilden, ist es lediglich notwendig, den Widerstandsweg zur gewünschten Länge und Breite aus dem kontinuierlichen Film zu bilden. Dies kann leichl mit der üblichen Fotoätz-Technik durchgeführt werden. ;

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Bei der Erzeugung von Schaltschemen oder in diesem Zusammenhang bei der Formung von Widerstandswegen durch Fotoätzung wird eine lichtempfindliche Emulsion oder Widerstands schicht auf den kontinuierlichen Film aufgetragen. Die Widerstandsschicht wird dann im Ofen getrocknet, um die Wider stands schicht in geeigneter Weise zu härten. Die Widerstandsschicht wird anschließend einer Quelle für ultraviolettes Licht durch eine Maske hindurch ausgesetzt, die ein Negativ des gewünschten Schaltschemas ist. Die exponierten'Flächen der Widerstands schicht werden durch das ultraviolette Licht polymerisiert, um sie gegen den Angriff durch Lösungsmittel und Säuren widerstandsfähig zumachen. Die Widerstands schicht wird dann in einem Lösungsmittel gespült, welches die-nichtexponierte Wider Standsschicht entfernt. Die Widerstandsschicht wird wieder im Ofen getrocknet, um jegliches Lösungsmittel zu entfernen und die Widerstands schicht zu härten. Durch Auftragen einer geeigneten Säure auf den kontinuierlichen Film werden diejenigen Gebiete des Films, die von der polymerisierten Widerstandsschicht geschützt sind, auf der Unterlage belassen, während die ungeschützten Schichten von der Säure entfernt werden» Auf diese Art werden Schaltschemen oder wie in diesem Fall geformte Widerstandswege aus einem kontinuierlichen Film gebildet.

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Es kann jedes geeignete Schutzmittel verwendet werden, wie etwa KMEE (Kodak Metal Etch Resist) und KPR (Kodak Photo Resist). Eine Mischung von Silan und Toluol ist als Lösungsmittel in Verbindung mit KMER und KPR geeignet, ß-Tantal' wird leicht von einer Mischung aus Salpetersäure und Flußsäure in der gleichen Weise geätzt, in der normales Tantal geätzt wird. ..

Die wirksamen Abmessungen eines Widerstandselements können anschließend an die Formgebung eines gewünschten Widerstands» w eges noch verringert werden, indem man einen Teil des Widerstandsweges in Oxyd verwandelt. Ein geeignetes Anodisierungs Verfahren zur Durchführung ist im US Patent 3148 129 beschrieben. Dies Verfahren ist zur Anodisierung von Widerstands elementen aus ß-Tantal geeignet und gestattet die Herstellung von Widerstandselementen höher Präzision,

Anschließend an die Formung der gewünschten Wider Stands we ge aus dem kontinuierlichen Film werden Metalle auf der Unterlage niedergeschlagen, um die Schaltung fertig zustellen und um Kontaktflächen zum Anheften von Zuleitungen vorzusehen. Die Metalle sollten eine Kombination guter Haftung, hoher Leitfähigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen atmosphärische Oxydation zeigen. Typischerweise wird eine Chromnickel-Legierung direkt auf der Unterlage zwecks guter Haftung niederschlagen, gefolgt von einer Kupferschicht für hohe Leitfähigkeit und Lötbarkeit. Schließlich

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wird eine Goldschicht aufgetragen, um Widerstand gegen Oxydation vorzusehen. Diese Metalle können nacheinander durch Aufdampfen durch eine geeignet vorbereitete mechanische Maske hindurch abgeschieden werden.

Die Kontaktkissen 17 - 19 zeigen, wo diese Metallflächen benutzt werden können. Das Kontaktkissen 17 beendet beispielsweise den Wider stands weg 13 und schafft eine Fläche, an die die Zuführung 21 angelötet wird. Die Kontaktkissen 18 und 19 beenden die Widerstandswege, um geeignete Flächen für die Anheftung von Zuführungen 21 zu schaffen und die Widerstandswege untereinander zu verbinden. Wie dem Fachmann klar sein wird, kann jede gewünschte Gruppierung von Widerstandswegen vorgesehen werden.

Es kann ferner jede geeignete Technik zur Erzeugung geformter Widerstandswege aus normalem Tantal bei der Formung von Widerstandswegen aus O-Tantal benutzt werden. Zum Beispiel kann ß-Tantal auf einer Unterlage durch eine Maske hindurch abgeschieden werden, die das gewünschte Muster enthält. Dies beseitigt die Notwendigkeit, unerwünschte Teile eines kontinuierlichen Films durch Fotoätz-Technik zu entfernen. Darüberhinaus können Kontakt-Kissen und innere Schaltverbindungen in einem kontinuierlichen Film abgeschie den werden, dem die Entfernung unerwünschter Teile durch die Fotoätztechnik folgt.

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Claims

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Dünnschicht-Wider stand bestehend aus einer nichtleitenden Unterlage, einem Paar räumlich getrennter Kontakte und einem DÜnnschicht-Wider Standselement, das von der Unterlage getragen wird und geformt wird, um einen Widerstandsweg von vorbestimmtem Wert zwischen den Kontakten zu schaffen, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement aus ß-Tantal besteht.

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Le β rs e i t e