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Elektrischer Widerstand Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen
Widerstand.
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Als Widerstandsmaterialien für hochohmige Widerstände werden dünne
Kohle bzw. Netall-Glas-Schichten verwendet.
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Diese Materialien haben jedoch den Nachteil, da sie sich wegen der
geringen Abriebfestigkqit des Kohlenstoffs bzw.
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der Glasphase bei Drehpotentiometern schnell abnützen. Eohleschichtwiderstände
haben einen weiteren Nachteil, der darin besteht, daß zur Erzielung hochohmiger
Widerstandswerte die Schichtdicke unter 10 nm liegen muß. Dies hat zur Folge, daB
die Schichten teilweise Inselstruktur aufweisen. Diese Schichten besitzen daher
eine geringe Konstanz und einen hohen Rauschfaktor. Außerdem ist der Temperaturkoeffizient
des elektrischen Widerstandes bei Kohle schichten stark negativ. Er liegt bei etwa
-1000 ppm/Grad. Man ist bestrebt einen Widerstand zu haben, der einen niedrigen
Widerstands-Ternperaturkoeffizienteii besitzt, d.h. der je Grad Temperaturänderung
seinen Widerstandswert nur wenig ändert.
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Bei der Herstellung von Widerständen aus Earbid-Kohlenstoff-Schichten
entstehen Schwierigkeiten beim Kontaktieren.
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Verfahren zur Herstellung solcher Karbid-Eohlenstoff-}tiderstände
sind in der DOS 1 802 900 angegeben.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Material zur Herstellung von
Widerständen anzugeben, bei dem die oben genannten Nachteile vermieden sind.
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Diese Aufgabe wird durch einen elektrischen Widerstand gelöst, der
erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß auf einem Substrat eine Schicht
-aus einem Material auf Hartstoffbasis aufgebracht ist.
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Vorteilhafterweise besteht dieses Material auf Hartstoffbasis aus
Vanadiumkarbid, Chromkarbid, Wolframkarbid oder Tantalkarbid und Nickel oder Kobalt.
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Unter einem Material auf Hartstoffbasis wird ein Material verstanden,
bei dem ein Metallkarbid oder eine M schung von Metallkarbiden in einer als Bindemittel
bezeichneten Matrix aus'Metall eingebaut ist.
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Die durch die Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere
darin, daß die erfindungsgemäßen Widerstände aus einem Material hoher mechanischer
Stabilität, großer Korrosionsbeständigkeit und großer Haft- und Abriebsfestigkeit
bestehen. Aus diesem Grund ist es unnötig die Schicht des erfindungsgemäßen Widerstandes
mit eir.er-Schutzsc'hicht zu versehen.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß der Temperaturkoeffizient
erfindungsgemäßer elektrischer Widerstände mit Widerstandsschichten aus einem Material
auf Hartsioffbasis sehr klein ist. Die.elektrischen Eigenschaften der Widerstände
können durch den zusätzlichen Einbau von amorphen Kohlenstoff in das Material auf
Hartstó-ffbasis beeinflußt werden.
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Vorteilhafterweise lassen sich die erfindungsgemäßen Widerstandsschichten
aus Materialien auf Hartstoffbasis, im Gegensatz zu den oben erwähnten Karbid-Eohlenstoff-Schichten-,
leicht kontaktieren.
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Weitere Einzelheiten er Erfind;ung gehen aus der Beschreibung und
den Figuren bevorzugter Ausführungsteispiele der Erfindung und ihrer Weiterbildungen
hervor.
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Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen
elektrischen Widerstand.
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Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung eine Kathodenzerstäubungsvorrichtung.
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Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Elektronenstrahlverdamp
fung.
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Die Figuren 4 und 5 zeigen in schematischer Darstellung den Temperaturko-effizienten
des elektrischen Widerstandes und den spezifischen Widerstand einer erfindungsgemäßen
Widerstandsschicht in Abhängigkeit von der Zersetzungstemperatur, wobei die-Widerstandsschicht
durch thermische Zersetzung von Nickel- und Vanadiumacetyl lacetonal bzw. von Nickel-und
Chromacetylacetonal hergestellt ist.
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Figur 1 zeigt einenerfindungsgemäßen-elektrischen Widerstand aus einer
Schicht 1 aus einem Material auf Hartstoffbasis, das auf einem Substrat 2 aufgebracht
ist. Erfindungsgemäß besteht dieses Material aus einem Karbid und einem metallischen
Bindemittel. Als Karbid wird erfindungsgemäß Vanadiumkarbid, Chromkarbid, Wolframkarbid
oder Tantalkarbid, als metallisches Bindemittel Nickel oder Kobalt angegeben. v
Vorzugsweise wird der erfindungsgemäße'Widerstand als verstellbarer Widerstand mit
gleitendem Abgriff 3 ausgestaltet.
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Im folgenden werden bevorzugte Verfahren - zur Herstellung eines erfindungsgemäßen
Widerstandes beschrieben.
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Bei einem ersten Verfahren werden die Ausgangsstoffe, das Karbid und
das metallische Bindemittel, aus denen das Material auf Hartstoffbasis besteht,
durch Eathodenzerstäubung zerstäubt und auf das Substrat 5 aufgebracht (Fig. 2).
Als Plasmagas wird zur Kathodenzerstäubung vorzugsweise Argon verwendet.
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Der Druck in der Zerstäubungskammer 6 während der Kathodenzerstäubung
beträgt vorzugsweise etwa 10 2Torr. Zwischen dem Target 4 und dem Substrat 5, auf
das das Targetmaterial (Karbid und metallisches Bindemittel) aufgebracht werden
soll, liegt eine Gleichspannung von etwa 5 kV.
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Die Kathodenzerstäubung kann auch mit fremderregten Plasmen erfolgen.
Hierbei wird das Plasma beispielsweise durch eine Spule erzeugt, die an einer Wechselspannung
liegt. Im Fall des fremd erregten Plasmas liegt zwischen dem Target und dem Substrat
eine Gleichspannung von etwa 500 V. Der Druck in der Zerstäubungskammer beträgt
vorzugsweise etwa 7.10 4 Torr, als Plasmagas dient vorzugsweise Argon.
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Die Ausgangsmaterialien Nickel oder Kobalt und Vanadiumiarbid, Chromkarbid,
Wolframkarbid oder Tantalkarbid können auch von einer Kathode aus, auf der sie sich
gemeinsam als Target befinden durch Kathodenzerstäubung zerstäubt werden.
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Das Material auf Hartstoffbasis kann auch durch ein Kathodenzerstäubungsverfahren
hergestellt werden, bei dem als Ausgangsstoffe Nickel oer Kobalt als metallisches
Bindemittel und Vanadium, Chrom, Wolfram oder Tantal dienen. Vorzugsweise wird das
metallische Bindemittel Nickel oder Kobalt auf einer Kathode und Vanadium, Tantal,
Wolfram oder Chrom auf einer weiteren Kathode angeordnet. Der Druck während der
Kathodenzerstäubung beträgt vorzugsweise 10 4 bis 10 2 Torr. Als Plasamgas dient
vorzugsweise Argon. Die Kathodenzerstäubung erfolgt in Anwesenheit eines Gases,
vorzugsweise in Anwesenheit eines Kohlenwasserstoffs.
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Als Gas kann jedoch auch Kohlenmonoxid verwendet werden. Bei der Zerstäubung
reagiert das Vanadium, Chrom, Wolfram oder Tantal mit dem Gas. Dabei entstehen Vanadiumkarbid
? Chromkarbid, lSolframkarbid oder Tanatalkarbid. Auf den Substrat entsteht eine
Schicht, die aus dem metallischen Bindemittel und einem Karbid besteht.
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Bei einem weiteren Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen
Widerstandes werden die Ausgangsstoffe im Vakuum durch * Elektronenstrahlverdampfung
verdampft und auf dem Substrat 5 niedergeschlagen. Vorzugsweise wird Vanadiumkarbid,
Chromkarbid, Wolframkarbid oder Tantalkarbid in einem Verdampfertiegel 7 und das
Bindemittel in einem weiteren Verdampfertiegel 8 angeordnet. Durch ein magnetisches
Feld wird der Elektronenstrahl 9 während des Aufdampfvorgangs von einem Verdampfertiegel
zum anderen gelenkt, so daß das Karbid und das Bindemittel abwechselnd aufeinander
folgend verdampft werden. Die jeweiligen Verdampfungsraten des Bindemittels und
des Karbids ergeben sich aus der Verweilzeit des Elektronenstrahls auf der Oberfläche
des in dem jeweiligen Verdampertiegels befindlichen Materials.
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Die Ausgangsst-offe, das Karbid und das Bindemittel können auch von
einem Verdampfertiegel aus verdampft werden. Dabei empfiehlt es sich, daß sich in
dem Verdampfertiegel eine Mischung der granulatförmigen Ausgangsstoffe befindet.
Die Aufdampfratv wird in diesem Fall durch das Mischungsverhältnis des Karbid und
des Bindemlttels bestimmt.
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Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines erf-indungsgemäßen Widerstandes
mit einer Widerstandsschicht aus einem Material auf Martstoffbasis besteht in der
thermischen Zersetzung vonAcetylacetonaten in einer Wasserstoffatmosphäre, einer
Asmoniakatmosphäre oder einer Atmosphäre aus Wasserstoff und Argon. Als Ausgangsstoff,
aus dem während *(Fig. -- 3)
der thermischen Zersetzung das Bindemittel
entsteht, wird'' Nickel, Eisen, Kobalt-oder Kupfer-Acetylacetonat angegeben.
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Als Ausgangsstoff, aus dem während der thermischen Zersetzung das
Karbid entsteht, wird Chrom-Acetylacetonat oder Vanadium-Acetylacetonat verwendet.
Aus Vanadium-Acetylacetonat können während der thermischen Sersetzung die Karbide
der Form VC oder V2C entstehen, aus Chrom-Acetylacetonat die Carbide Cr7C3, Cr2C
oder Cr23C6. Bei der gleichzeitigen thermischen Zersetzung von Nickel-, Eisen-,
Eobalt- oder Eupfer-Acetylacetonat und Chrom oder Vanadium-Acetylacetonat entsteht
bei einer Substrattemperatur von etwa 5000C bis 8000C auf der Oberfläche des vorgesehenen
Substrates die aus den metallischen Bindemittel und dem Karbid bestehende Schicht
auf Hartstoffbasis. Bei der thermischen Zersetzung befinden sich-die Ausgangsstoffe,
das Nickel-, Eisen-, Kobalt- oder Kupfer-Acetylacetonat in einem und das Chrom-
oder Vanadium-Acetylacetonat in einem weiteren Vorratsgefäß, beispielsweise in einem
Keramikschiffchen. Das Schiffchen wird vorzugsweise indirekt auf eine Temperatur
von 1500C bis 2000C beheizt.
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In den Figuren 4 bzw 5 sind die Temperaturkoeffizienten des elektrischen
Widerstandes und die spezifischen Widerstände in Abhängigkeit von der Zersetzungstemperatur
dargestellt.
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Die Widerstandsschichten sind durch thermische Zersetzung von Acetylacetonaten
hergestellt. Das Mischungsverhältnis von Nickel- und Vanadiumacetylacetonat (Fig.
1) bzw. von Nickel-und Chromacetylacetonat betrug 1:1. Wie aus den Figuren ersichtlich
ist, läßt sich in Abhängigkeit von der Zersetzurgstemperatur ein vorgegebener Temperaturkoeffizient
des elektrischen Widerstandes und ein vorgegebener spezifischer Widerstand erreichen.
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Durch Variation des Mischungsverhältnisses kann die Steigung der Geraden
und somit die AbhängigRei-t des Temperäturkoeifl"ienten des elektrischen Widerstande$
und-des spezifIschen Widerstandes von der Zersetsungstemperatur beeinflußt werden.
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Ein Vorteil der oben genannten Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen
Widerstandes mit einer Schicht aus einem Ihlaterial auf Hartstoffbasis besteht darin,
daß sich nach ihnen sehr dünne Schichten, beispielsweise mit einer Dicke kleiner
als.l0-nm, herstellen lassen. Es ist somit möglich, extrem dünne Schichten herzustellen,
die auf Grund der geringen Kristallitgröße des abgeschiedenen Materials auf Hartstoffbasis
des erfindungsgemäßen Widerstandes dicht und zusammenhängend sind.
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Da die Schicht des erfindungsgemäßen Widerstandes auch bei einer Dicke
von 5 nm zusammenhängend ist, ist der Rauschfaktor kleiner und die Konstanz größer
als bei Kohleschichtwiderständen entsprechender Dicke, da diese Kohleschichten bereits
Inselstruktur aufweisen.
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Durch die Änderung des Mengenverhältnisses von metallischem Bindemittel
zu Karbid können die elektrischen Eigenschaften, der Temperaturkoeffizient des elektrischen
Widerstandes und der spezifische Widerstand der Schicht eines erfindungsgemäßen
Widerstandes beeinflußt werden. So wird beispielsweise der Temperaturkoeffizient
des elektrischen Widerstandes bei einem größeren Anteil von Karbid negativer. Dies
beruht auf den besonderen gefügemäßigen Eigenschaften des Karbid (Kristallitgröße
5 nm).
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Zur Einstellung eines vorgegebenen hohen spezifischen Widerstandswertes
bzw. eines sehr kleinen positiven oder negativen Temperaturkoeffizienten des elektrischen
Widerstandes (+50ppm/Grad) kann den Materialien auf Hartstoffbasis auch Kohlenstoff
oder ein Metall-Oxid in definierter Menge beigegeben werden.
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12 Patentansprüche 5 Figuren