DE1790082A1

DE1790082A1 - Metallschicht-Widerstandselement

Info

Publication number: DE1790082A1
Application number: DE19681790082
Authority: DE
Inventors: Yasuro Dipl-Ing Nishimura; Masao Dipl-Ing Tanaka
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1967-09-23
Filing date: 1968-09-10
Publication date: 1972-04-13
Also published as: US3578420A; GB1220964A; JPS503868B1; DE1790082B2; DE1790082C3; FR1581389A

Description

PATENTANWÄLTE

AIS 179Q082

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D--iS MÖNCHEN 60 BÄCXERSTRASSE3

1,IMIIEED
No. 1015 Kamikodanaka Kawasaki, Japan

Metallschicftt-Widerstandselement

Die Erfindung "betrifft ein Me tails cMcht-Widerstandselement mit aufgedampften dünnen Schichten mit geringem .. spezifischen Widerstand und Eemperaturkoeffizieaten äss Widerstandes«.

Im allgemeinen kann eine legierung mit großem spezifischen Widerstand ein Widerstandselement bilöen_f das elektrisch stabil ist und einen geringen Temperaturkoeffizienten hat« Deshalb i3t bisher ein niederohmiges Widerstandselement, das elektrisch stabil ist und einen geringen lemperaturkoeffizieaten aufweist, durch Auf dampf ung einer solchen Iiegierung hergestellt worden. Um jedoch, ein niederohmiges Widerstandselement durch eine legierung mit großem spezifischen Widerstand herzustellen, ist es notwendig, daß die Schicht dick gemacht wird, und demgemäß wird die für die Aufdampfuüg erforderliche Zeitdauer verlängert. Des weiteren wird das Verhältnis zwischen der Zusammensetzung durch, die 'Differenz zwischen dem Dampfdruck der Komponenten leicht ge-

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. ändert und die !temperatur neigt dazu, hoch zu werden;, um diesen Hachteil zu vermeiden, wird "bei einem bekannten Verfahren die Aufdampfung geatoppt, bevor das Verhältnis zwischen der Zusammensetzung des erzeugten aufgedampften Filmes stark verändert wird, und diese Aufdampfung wird mehrfach wiederholt, wodurch ein Metallschicht—Widerstands— element mit geringem Widerstand erhalten wird, das mehrfach, aufgedampfte Schichten enthält. Es ist jedoch sehr schwierig, ein Metallschicht-Widerstands element mit einer gleichförmigen Charakteristik zu erhalten, da das Verhältnis zwischen den Zusammensetzungen o.es aufgedampften 3?ilmes entsprechfind der Zeitdauer für die Aufdampfung stark geändert wird, und zwar aufgrund eier Differenz zwischen 'dem Dampfdruck der Metalle* welche die legierung bilden. Diese Schwierigkeit wird durch die Notwendigkeit einer Mehrschicht-Auf dampf ung erhöht. Es ist nämlich unmöglich, die Verdampfungsbedingung so wie das Material der Verdampfungsquelle und die !Temperatur der Erhitzung der Verdampfungsquelle über den Verdampfungsvorgang konstant zu machen, und deshalb wird der Mangel der Gleichförmigkeit der Eigenschaften der Schichten auf den Grundkörpern stark erhöht. Beim praktischen Verdampfungsverfahren ist es störend und unerwünscht, die Verdampfung mehrfach zu wiederholen.

Ein Zweck der Erfindung besteht deshalb darin, die Störungen und Schwierigkeiten bei bekannton Verdampfungsprozessen, zu vermeiden und ein elektrisch stabiles Metalls chicht-Wider-

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stanäselement mit geringem spezifischen Widerstand und Temperaturkoeffizienten des Widerstandes zu-schaffen* Um dies zu erreichen ,enthält das Metallschicht-Widerstandselement nach der Erfindung eine erste aufgedampfte dünne Schicht mit Nickel, Chrom, Gold oder anderen Zusatzmetallen und eine zweite.elektrisch.stabile aufgedampfte.dünne Schicht, die auf der ersten aufgedampften dünnen Schicht aufgebracht ist und eine Diffusion und Abscheidung des Goldes in der ersten aufgedampften dünnen Schicht verhindert und die erste aufgedampfte dünne Schicht schützt.

Im einzelnen besteht gemäß der Erfindung die erste aufgedampfte dünne Schicht grundsätzlich aus Nickel, Chrom und Gold und kann andere Zusatzmaterialien enthalten, z.B. Aluminium und Kupfer. Der Goldgehalt der ersten aufgedampften dünnen Schicht steht entsprechend der Erfindung in einer nicht so engen Beziehung zu dem Gewichtsverhältnis von Nickel und Chrom und wird mit 60 bis 95-Gew.$ ausgewählt. Demgemäß wird der Temperaturkoeffizient des Widerstandes der ersten aufgedampften dünnen Schicht gering und der spezifische Widerstand wird auch klein. Die für die Aufdampfung der ersten dünnen Schicht erforderliche Zeit kann deshalb gekürzt werden und der Einfluss des Verhältnisses zwischen den Zusammensetzungen während der Aufdampfung kann verringert werden. Wie oben beschrieben wurde, ist gemäß der Erfindung Gold der Hauptbestandteil der dünnen Schicht des

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Widerstandselementes. !Der Temperaturkoeffizient des Widerstandes kann jedoch durch die Erfindung stark geändert werden, da das Maß des KickeIs und des Chroms geregelt wird» !Der Existallzustand der ersten aufgedampften dünnen Schicht hat unmittelbar nach der Aufdampf ung viele Fehler und Mangel in der Stabilität und deshalb wird eine Wärmebehandlung ausgeführt. Es hat sich jedoch herausgestellt) daß als Folge der Wärmebehandlung das Gold» welches der Hauptbestandteil der ersten aufgedampften dünnen Schicht ist, diffundiert und auf der Fläche abgeschieden wird, und demgemäß bewirkt der große Temperaturkoeffizient des Widerstandes des Goldes, daß der Temperaturkoeffizient des Widerstandes der ersten aufgedampften dünnen Schicht relativ groß innerhalb des Bereiches des gewünschten spezifischen Widerstandes wird··

Im Hinblick darauf sieht die Erfindung des weiteren auf der ersten aufgedampften dünnen Schicht die zweite aufgedampfte dünne Schicht vor, um diese Diffusion und Abscheidung des Goldes zu verhindern oder zu verringern. Ein zusätzlicher Zweck der zweiten aufgedampften dünnen Schicht besteht darin, die erste aufgedampfte Schicht gegenüber der Luft zu schützen. Die zweite aufgedampfte dünne Schicht darf nicht die elektrische Eigenschaft der ersten aufgedampften dünnen Schicht stören. Die Dicke der Schicht soll deshalb oberhalb der

minimal möglichen Schicht liegen, die in der Lage 1st, diese Wirkung herbeizuführen. Um diesen Zweck zu erreichen, wird die

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zweite aufgedampfte dünne Schicht durch Metalle gebildet, welche auch die erste aufgedampfte Schicht mit Ausnahme des Goldes enthält. Dies vereinfacht auch die Herstellung des Metallschicht-Widerstandselementes gemäß der Erfindung, da die zweite Schicht durch Aufdampfung, lediglich der Moleküle der Mckel-Chrom-Legierung gebildet werden kann, indem die Verdampfung des Goldes gestoppt wird oder die Moleküle des aufgedampften Goldes durch eine Blende behindert werden, welche der Bildung des ersten Pilmes folgt. Dieses Verfahren ist einfacher als das Verfahren der Bildung der zweiten aufgedampften dünnen Schicht durch die Verwendung einer zusätzlichen Verdampfungsquelle· Unter Berücksichtigung der vorstehend erwähnten Wirkung, die durch die zweite dünne Schicht herbeigeführt werden muß, ergibt sich, daß nicht nur die Nickel-Chrom-iegierung sondern auch Metalle anderer Art als zweite dünne Schicht verwendet werden können.

Die erste und zweite aufgedampfte dünne Schicht werden auf einem Isolier-Grundkörper gebildet. Ein Material, das bei üblichen Auf dampf verfahren angewendet wird, z.B. Glas oder Keramik, kann als Grundkörper verwendet werden. Wie oben, beschrieben worden ist, kann das Metallschicht-Widerstandaelement nach der Erfindung unter Verwendung einer bekannten Vakuum-Auf dampf vorrichtung hergestellt werden. Verdampfungsquellen, wie Gold, eine Kickel-Chrom-Legierung, eine Niokel-Chrom-Gold-

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Legierung und andere Metalle zum Bilden der aufgedampften dünnen Schichten werden durch thermionische Strahlerhitzung und Widerstandserhitzung aufgedampft. Die Aufdampfung und Ansammlung kann auch, durch Ionenbesehuß ausgeführt werden.

Wie oben beschrieben, worden ist, Jcann gemäß der Erfindung eine Widerstandsschicht mit geringem Temperaturkoeffizienten α des Widerstandes und spezifischem Widerstand erhalten werden. Des weiteren kann die Zeit für die Aufdampfung gegenüber üblichen Herstellungsverfahren wesentlich verkürzt werden und deshalb wird das Verhältnis zwischen der Zusammensetzung der dünnen Widerstandsschicht nicht stark: geändert und ein Metallschicht-Widerstandselement mit gleichförmigen Eigenschaften kann erhalten werden.

Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung wird an Hand der Zeichnung erläutert, in der sind

m Fig. 1 die schematische Darstellung des Aufbaues des Widerstandselementes nach der Erfindung,

Fig. 2 die schematische Darstellung der Anordnung einer 7erdampfuugsquelle als Beispiel einer Vakuum-Aufdampfvorrichtung, die zur Herstellung einer dünnen Schicht verwendet wird, welche das Widerstandselement der Erfindung bildet,'

Fig. 3 die Darstellung der Beziehung zwischen dem Goldgehalt und dem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes bei einem Versuchsbeispiel nach der Erfindung,

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Pig. 4 die Darstellung der Beziehung zwischen Temperatur und Widerstand bei einem Versuchsbeispiel nach der Erfindung und

Pig. 5 eine Darstellung der Beziehung zwischen dem Goldgehalt der dünnen Schicht und dem spezifischen Schicht-Widerstand bei einem Yersuchsbeiepiel nach der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 (1) wurde die erste aufgedampfte dünne Schicht 2, die Ifickel, Chrom und Gold enthält, auf einem Grundkörper 1 gebildet, der aus Keramik besteht. Diese dünne Schicht 2 kann in folgender Weise gebildet werden. Gemäß Fig. 2 werden ein Tiegel, der einen liickel-Chrom-Legierungsblock 4- enthält, bei dem das Gewichtsverhältnis von nickel zu Chrom 80 zu 20, beträgt, und ein Tiegel, der Gold 5 enthält, in einer einzigen Vakuumkammer vorgesehen und die Temperaturen, d.h. der Dampfdruck der beiden Tiegel, werden unabhängig voneinander eingestellt. Bei dieser Ausführungsform wurde die Temperatur des Tiegels mit dem Nickel-Chrom-Legierungsblock durch Widerstandserhitzung auf etwa 1350° C gehalten und die Temperatur des Tiegels mit dem Gold wurde ebenfalls durch Widerstandserhitzung auf etwa 1350° C gehalten. Der Gewichtsprozentsatz von Gold in der ersten aufgedampften dünnen Schicht ist durch die Temperatur der Verdampfungsquelle, das Maß des von der Verdampf ungsquelle zugegebenen Metalls und den Abstand zwischen der Yerdampfungsquelle und dem Grundkörper bestimmt und deshalb wird es durch vorangehende Messung der Anlagerung durch Aufdampfung von Gold,

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Nickel und Chrom auf den Grundkörper getrennt voneinander unter einer bestimmten Aufdarapfungsbedingung möglich, direkt das Gewichtsverhältnis von Gold unter dieser Aufdampfbedingung zu erfahren. Bei der vorliegenden Ausführungsform wurde die Aufdampfbedingung geändert» um das Verhältnis zwischen dem Goldgehalt und dem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes zu erfahren· Per Takuumraum der Vakuum-Aufdampf ungs vorrichtung wurde auf einem Vakuum von 5 χ 10"*' Tor gehalten und die dünne Schicht wurde auf dem Grundkörper 1 aus den beiden Verdampfungs<iuellen bis zu einer Dicke von 200 2. während 40 bis 150 Sekunden aufgedampft. Die Temperatur des Grundkörpers wurde dabei auf Raumtemperatur gehalten· Die so erhaltene dünne Schicht wurde durch ein übliches Verfahren zu dem besonderen Zwecke der Stabilisierung der elektrischen Eigenschaften erhitzt. Die Temperatur der Erhitzung wird in Korrelation zu der Zeitdauer der Hitzebehandlung bestimmt und kann zwischen 150° und 350° 0 liegen.

nachdem die erste aufgedampfte dünne Schicht, deren Hauptbestandteil Gold ist, 10 Stunden lang bei 250° C erhitzt worden ist, hat sich der Temperaturkoeffizient des Widerstandes so geändert, wie dies durch die Kurve a in Pig. 3 gezeigt Safe. In Pig. 3 zeigt die horizontale Achse R den Goldgehalt (Gew.-der dünnen Schicht an und die vertikale Achse C zeigt den Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (ppm/°C) an. Damit der Temperaturkoeffizient des Widerstandes der dünnen Schicht auf einen für ein übliches Widerstandselement erforderlichen Wert, z.B. einen Wert innerhalb von + 50 ppm/°o eingestellt

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werden kann, muß der Goldgehalt» wie die Zeichnung zeigt, etwa 60 Gew.-$ betragen und dieser Wert muß direkt gesteuert werden. Ealls der Goldgehalt auf etwa 60 Gew«-5S eingestellt wird, wird der spezifische Widerstand der dünnen Schicht so geändert, wie dies in Pig. 5 gezeigt ist* 3?ig. 5 zeigt die Beziehung zwischen dem Goldgehalt R (Gew.-5») und dem Pläehenwiderstand Ks (Ohm/Plächeneinheit), wenn die Dicke der dünnen Schicht 300 Ä beträgt. Unter der Bedingung, daß die Dicke 300 A beträgt, ist der spezifische Schicht-Widerstand 57. (Ohm/Plächeneinheit) · Dies bedeutet, daß ein. Widerstands element, das den Zweck der Erfindung erfüllt, d.h. ein Metallschicht-Widerstandselement, dessen Temperaturkoeffizient des Widerstandes und des spezifischen Schichtwiderstand es und demgemäß des spezifischen Widerstandes gering sind, erhalten werden kann, .

Der Nachteil der Erhöhung des lemperaturkoeffizienten des Widerstandes wird jedoch durch die Erfindung dadurch ausgeschaltet, daß die zweite aufgedampfte dünne Schicht 3 auf der ersten aufgedampften dünnen Schicht 2 gebildet wird, wie dies in Pig. 1 (2) gezeigt ist. Hierdurch kann die Möglichkeit, daß eine leitfähige Goldschicht auf der Fläche durch Diffusion und Abscheidung bei der Hitzebehandlung gebildet wird, vermieden werden und eine günstige elektrische Eigenschaft, welche die erste aufgedampfte dünne Schicht aufweist, kann aufrechterhalten werden. Eine Nickel-Chromlegierung oder ein Ketall, dessen Temperaturkoeffizient

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des Widerstandes nicht sehr groß ist, kann als Metall zum Bilden der zweiten dünnen Schicht verwendet werden. Ein einziges Metall unter Chrom» !Titan oder Nickel kann z.B. verwendet werden. Nachdem die erste und zweite aufgedampfte dünne Schicht gebildet worden sind, werden diese beiden Schichten zu dem Zwecke erhitzt» die Eigenschaften zu stabilisieren» jedoch muß hier die Sicke der zweiten dünnen Schicht in Abhängigkeit von dem Material ausgewählt werden, so daß deshalb die Diffusion von Gold während der Wärmebehandlung behindert oder verhindert werden kann. Beim Aufdampfen einer Nickel-Chrom-Legierung als zweite dünne Schicht bis zu einer Dicke von etwa einigen hunderd A ν»ηη die Erhitzungstemperatur zwischen 200 und 300 ° 0 ausgewählt werden und die Erhitzung kann für eine Zeitdauer von 10 und mehr Stunden fortgesetzt werden. Falls die Zeitdauer der Erhitzung willkürlich geändert werden kann, kann der Temperaturbereich der Erhitzung weiterhin von 150 bis 250° C erweitert werden. Die zweite aufgedampfte dünne Schiebt muß bis zu einer Dicke aufgedampft werden» die nicht die elektrischen Eigenschaften der ersten aufgedampften dünnen Schicht stört» und diese Dicke kann in Abhängigkeit von den verschiedenen verwendeten Materialien geändert werden.

Die Kurve b der Fig. 2 zeigt den Tempraaturkoeffizienten des Widerstandes einer Metallschicht, die durch Aufdampfen der zweiten aufgedampften dünnen Schicht mit Nickel und Chrom bis

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ο
zu einer Dicke von 200 A auf der ersten aufgedampften dünnen Schicht mit Nickel, Chrom und Gold erhalten wird, wobei der Goldgehalt der ersten Schicht veränderbar ist. Dann werden die beiden dünnen Schichten hei einer !Temperatur von 250° C 10 Stunden lang erhitzt.

Die Kurven c, d, e und' £ in Fig. 4 zeigen das Verhältnis zwischen der Zeit I (⁰C) und der Widerstandsänderung AR/R(#), wenn die Goldmengen jeweils 62, 75» 83 und 90 ^e/j betragen. Diese Widerstandsänderungen werden auf der Grundlage der Widerstandswerte errechnet, die erhältlich sind, wenn die umgebungstemperatur 30° C beträgt. Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, daß in einer dünnen Schicht, deren Goldgehalt etwa 80 # beträgt, der Temperaturkoeffizient des Widerstandes etwa KuU ist und die Änderung des Widerstandes im Verhältnis zur Temperatur minimal ist, wenn die temperatur nahe der Kaumtemperatur liegt. Hierbei 1st zu bemerken, daß der Goldgehalt der ersten aufgedampften dünnen Schicht des Wid erstände element es, deren Temperaturkoeffizient des Widerstandes ungefähr Hull beträgt, um etwa 20 £ höher als der Goldgehalt des Widerstandselementes ist, das durch Erhitzung nur der ersten aufgedampften dünnen. Schicht erhalten wird und dessen Temperaturkoeffizeint des Widerstandes ungefähr UuIl ist, und

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daß die Neigung der Kurve schwach, ist · Wenn der Goldgehalt etwa 80 ^cj> beträgt, 1st der Temperaturkoeffizient des Widerstandes sehr gering und der spezifische Schichtwiderstand beträgt 30 (Ohm/Elächeneinheit). Diese beiden Werte erfüllen vollständig den Zweck der Erfindung.

Gemäß der Erfindung wird der Goldgehalt der ersten aufgedampften dünnen Schicht zwischen 60 i» und 50 i» ausgewählt. Als Folge wird der !!temperaturkoeffizient des Widerstandes ungefähr zwischen -50 (ppm/°ö) und + 100 (ppm/⁰ 0) geändert· Auch wird der spezifische Schichtwiderstand niedriger ale 60 (Ohm/Flächeneinheit). "Verschiedene abgewandelte Ausführungsformen der Erfindung können auf der Grundlage des oben beschriebenen Versuchsbeispiels erhalten werden» indem der Goldgehalt der ersten aufgedampften dünnen Schicht innerhalb eines Bereiches von 60 bis 95 i* geändert wird, indem die Metalle zum Bilden der zweiten aufgedampften dünnen Schicht innerhalb der vorstehend beschriebenen Metalle geändert werden und indem weiterhin die Dicken der Schichten geändert werden. . . >

Nachfolgend wird eine Ausführungsforin der Erfindung beschrieben, bei der 3ede der aufgedampften dünnen Schichten eine Mischung aus Nickel, Chrom und anderen Zugabemetallen, z.B. Aluminium und Zupfer, enthalten. Die erste aufgedampfte dünne Schicht, die Nickel, Chrom, Aluminium, Kupfer und Gold ent-

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hält * und derenGoldgehalt 25 Öew.*-5£ beträgt, wurde auf einem

Srundkörper gebildet, der aus Keramik bestand * indem eine Yerdampfungsquelle aus Gold und eine andere Verdampf ungsquelle aus einer tficköl-Chrom-Xegierungi in der das Gewichtsverhältnis von flicke! zu Chrom, Aluminium und Kupfer 75-20-2,5-2,5

wurden,
beträgt, aufgedampft und, die zweite aufgedampfte dünne Schicht, die ttiökel, Chrom, Aluminium und Kupfer enthält, wurde des weiteren auf der ersten aufgedampften dünnen Schicht gebildet, indem eine Aufdampfungsquelle aus einer legierung, bei der das Gewlchtsverliältnia von Mckel zu Chrom, Aluminium und Kupfer 75-2O**2,5*-2,5 beträgt, aufgedampft wurde» Me erste auf gedampfte dünne Schicht.des Metallschicht-Widerstandöelementes wurde bis zu einer Dicke τ on etwa 300 A aufgedampft und der Bildung dieser ersten Schicht folgend wurde die zweite aufgedampfte dünne Schicht bis zu einer Dicke von 150 A aufgedampft. Nachdem die Aufdampfung beendet war, wurden die beiden Pilme für 1Ö Stunden bei 250° C erhitzt. Dieses Metallfilm-Widerstandselement hat einen Wide?:stand von etwa 30 (Ohm) und einen. Temperaturkoeffizienten des Widerstandes innerhalb von !Punkten (ppm/⁰ C). Die Widerstandsänderung dieses Widerstandselementes im Verhältnis zur Temperatur ist als Kurve e¹ in Pig. 4- gezeigt.

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Claims

j >ri nicht cüändsit ":'-" *λ η η η ηρο 6/66 Patentansprüche

1. Metallschicht-Widerstandsölement, gekennzeichnetdurch eine erste aufgedampfte dünne Schicht, die nickel, Chrom und UoId und gegebenenfalls andere Zusatzmetalle enthält, und durch eine elektrisch stabile zweite aufgedampfte dünne Schicht, die auf der ersten aufgedampften dünnen Schicht vorgesehen ist und welche eine Diffusion und Abscheidung von Gold in der ersten aufgedampften dünnen Schicht verhindert und die erste aufgedampfte dünne Schicht schützt*

2. Metallschicht-Widerstandselement, gekennzeichnet durch eine erste aufgedampfte dünne Schicht, deren Goldgehalt 60 bis 95 Gew.-^ beträgt und die auf einem Grundkörper aus einer Aufdampfungsquelle aus einer Nickel-CThrom-Legierung und einer anderen Aufdampfungsquelle aus Gold aufgedampft ist, wobei die beiden Aufdampfungsquellen voneinander unab-. hängig sind oder eine einzige Aufdampfungsquelle bilden und die Aufdampfung aus den beiden Aufdampfungsquellen gleichzeitig ausgeführt wird, und durch eine zweite aufgedampfte dünne Schicht,die der eine Nlckel-Chrom-Iegierung enthält.

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