DE1790082B2

DE1790082B2 - Metallschicht-widerstandselement und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE1790082B2
Application number: DE19681790082
Authority: DE
Inventors: Yasuro Dipl.-Ing. Machida; Tanaka Masao Dipl.-Ing. Tokio; Nishimura (Japan)
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1967-09-23
Filing date: 1968-09-10
Publication date: 1973-03-01
Also published as: FR1581389A; DE1790082C3; GB1220964A; DE1790082A1; JPS503868B1; US3578420A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Metallschicht-Widerstandselement mit einer ersten aufgedampften dünnen Schicht, die auf einem isolierenden Substrat gebildet ist und Nickel. Chrom und andere Zusatzmetalle enthält, und mit einer elektrisch stabilen, ebenfalls chromhaltigen zweiten aufgedampften dünnen Schicht, die auf der ersten Schicht vorgesehen ist und diese schützt.

Im allgemeinen kann eine Legierung mit großem spezifischen Widerstand ein Widerstandselement bilden, das elektrisch stabil ist und einen geringen Temperaturkoeffizienten hat. Deshalb ist bisher ein niederohmiges Widerstandselement, das elektrisch stabil ist und einen geringen Temperaturkoeffizienten aufweist, durch Aufdampfung einer solchen Legierung hergestellt worden (deutsche Auslegeschrift 861). 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 Aufdampfung erforderliche Zeitdauer verlängert. Des weiteren wird das Zusammensetzungsverhältnis durch die Differenz zwischen den Dampfdrücken der Komponenten leicht geändert und die Temperatur neigt dazu, hoch zu werden.

Es ist auch schwierig, ein Metallschicht-Widerstandselement mit einer gleichförmigen Charakteristik zu erhalten, da das Verhältnis zwischen den Zusammensetzungen des aufgedampften Filmes entsprechend der Zeitdauer für die Aufdampfung stark geändert wird, und zwar auf Grund der Differenz zwischen den Dampfdrücken der Metalle, welche die Legierung bilden. Diese Schwierigkeit wird durch dii Notwendigkeit einer Mehrschicht-Aufdampfung erhöht. Es ist nämlich unmöglich, die Verdampfungsbedingung so wie das Material der Verdampfungsquelle und die Temperatur der Erhitzung der Verdampfungsquelle während des gesamten Verdampfungsvorgangs konstant zu halten, 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.

Es ist auch bekannt, einen elektrischen Schichtwiderstand mit kleinem Widerstandswert herzustellen, indem eine kammförmige oder ähnliche Gegenelektrode gegenüber der auf einem Isolierträger gleichmäßig gebildeten Widerstandsschicht angebracht wird, wobei der Abstand zwischen beid·. ί Elektroden verkleinert wird und der effektive Teil der Widerstandsschicht wesentlich verringert wird (deutsche Patentschrift 927 278). Bei diesem Verfahren ist jedoch über eine bestimmte Bemessung des Widerstaridstemperaturkoeffizienten nichts ausgesagt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, das bekannte Metallschicht-Widerstandselement dahingehend zu verbessern, daß kleine spezifische Widerstände bei kleinem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandswertes ohne Schwierigkeiten erreichbar sind.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die erste Schicht zusätzlich zu Nickel, Chrom und gegebenenfalls anderen Zusatzmetallen als Hauptbestandteil 60 bis 95 Gewichtsprozent Gold enthält und daß die zweite Schicht außer Chrom noch Nikkei und andere Metalle enthält, wodurch eine Diffusion und Abscheidung von Gold in der ersten Schicht bei der zur Stabil isierung erforderlichen Wärmebehandlung verhindert wird.

Die Verwendung von Goldlegierungen für elektrische Geräte, insbesondere für niederohmige Draht-Potentiometer, ist zwar schon bekannt (deutsche Patentschrift 888 180), jedoch liegt dort eine völlig andere Aufgabe vor.

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 ist im Verhältnis zu dem Gewichtsverhältnis von Nickel und Chrom relativ unkritisch und wird mit 60 bis 95 Gewichtsprozent angegeben. Dann wird der Temperaturkoeffizient des Widerstandes der ersten aufgedampften dünnen Schicht gering und der spezifische Widerstand 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 ersten dünnen Schicht des Widerstandselementes. Der Temperaturkoeffizient des Widerstandes kann jedoch durch die Erfindung stark geändert werden, da das Maß des Gehalts an Nickel u.id Chrom entsprechend gewählt

werden kann. Der Kristallzustand der ersten aufgedampften dünnen Schicht hat unmittelbar nach der Aufdampfung viele Fehler und Mängel mit Auswirkungen auf die Stabilität und deshalb wird eine Wärmebehandlung ausgeführt. E^r> hat sich jedoch herausgestellt, daß als Folge der Wärmebehandlung das Gold, welches der Hauptbestandteil der ersten aufgedampften dünnen Schicht ist, diffundiert und auf der Oberfläche 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 auf der ersten aufgedampften dünnen Schicht eine 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 tu schützen. Die zweite aufgedampfte dünne Schicht darf nicht die elektrischen Eigenschaften der ersten aufgedampften dünnen Schicht stören. Die Dicke der Schicht soll deshalb oberhalb der minimal möglichen Schicht liegen, die in der Lage ist, diese Wirkung herbeizuführen. Um diesen Zweck zu erreichen, wird die zweite aufgedampfte dünne Schicht durch Metalle gebildet, welche auch die erste aufgedampfte Schicht enthält, mit Ausnahme von Gold. Dies vereinfacht auch die Herstellung des Metallschicht-Widerstandselemcntes gemäß der Erfindung, da die zweite Schicht durch Aufdampfung lediglich der Moleküle der Nickel-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 der ersten Schicht folgt. Dieses Verfahren ist einfacher als das Verfahien 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-Legierung, sondern puch Metalle anderer Art als zweite dünne Schicht verwendet werden können.

Die erste und zweite aufgedampfte dünne Schicht werden auf einem isolierenden Substrat gebildet. Ein Material, das bei üblichen Aufdarrpfverfahren angewendet wird, z. B. Glas oder Keramik, kann als Grundkörper verwendet weiden. Wie oben beschrieben worden ist, kann das Metallschicht-Widerstandselement nach der Erfindung unter Verwendung einer bekannten Vakuum-Aufdampfvorrichtung hergestellt werden. Verdampfungsquellen, wie Gold, eine Nickel-Chrom-Legierung, eine Nickel-Chiom-Gold-Legierung und andere Metalle zum Bilden der aufgedampften dünnen Schichten werden durch thermionische Stahlerhitzung und Widerstandserhitzung aufgedampft. Die Aufdampfung und Ansammlung kann auch durch Ionenbcschuß ausgeführt werden.

Wie oben beschrieben worden ist, kann gemäß der Erfindung eine Widerstandsschicht mit geringem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes und niedrigem spezifischen 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 ist

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

ίο F i g. 2 die schematische Darstellung der Anordnung einer Verdampfungsquelle als Beispiel einer Vakuum-Aufdampfvorrichtung, die zur Herstellung einer dünnen Schicht verwendet wird, welche das Widerstandselement der Erfindung bildet,

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

F i g. 4 die Darstellung der Beziehung zwischen

so Temperatur und Widerstand bei einem Versuchsbeispiel nach der Erfindung und

F i g. 5 eine Darstellung der Beziehung zwischen dem Goldgehalt der dünnen Schicht und dem spezifischen Schicht-Widerstand bei einem Versuchsbeispiel nach der Erfindung.

Gem.iß Fig. 1 (1) wurde die erste aufgedampfte dünne Schicht 2, die Nickel, Chrom und Gold enthält, auf einem isolierenden Substrat gebildet, das aus Keramik besteht. Diese dünne Schicht 2 kann in folgender Weise gebildet werden. Gemäß F i g. 2 werden ein Tiegel, der einen Nickel-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 Vakuum-

kammer 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 135O⁰C 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 Verdampfungsquelle zugegebenen Metalls und den Abstand zwischen der Verdampfungsquelle und dem Gnindkörper bestimmt und deshalb wird es durch vorangehende Messung der Anlagerung durch Aufdampfung von Gold, Nickel und Chrom auf das Substrat getrennt voneinander unter einer bestimmten Aufdampfungsbedingung 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. Der Vakuumraum der Vakuum-Aufd;impfungsvorrichtung wurde auf einem Vakuum von 5 · 10"⁵ Torr gehalten und die dünne Schicht wurde auf dem Substrat 1 aus den beiden Verdampfungsquellen bis zu einer Dicke von 300 A 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 Zweck 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° C 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 je nach Goldgehalt so geändert, wie dies durch die Kurve α in F i g. 3 gezeigt ist. In F i g. 3 zeigt die horizontale Achse R den Goldgehalt (Gewichtsprozent) der dünnen Schicht an und die vertikale Achse C zeigt den Tem- ίο peraturkoeffizienten des Widerstandes lO'Vgrd an. Damit der Temperaturkoeffizient des Widerstandes der dünnen Schicht auf einen für ein übliches Widerstandselement erforderlichen Wert, z. B. einen Wert innerhalb von ± 50 -10~⁶/grd eingestellt werden kann, muß der Goldgehalt, wie die Zeichnung zeigt, etwa 60 Gewichtsprozent betragen und dieser Wert muß direkt gesteuert werden. Falls der Goldgehalt auf etwa 60 Gewichtspiozent eingestellt wird, wird der Flächenwiderstand der dünnen Schicht so geändert, ao wie dies in F i g. 5 gezeigt ist. F i g. 5 zeigt die Beziehung zwischen dem Goldgehalt R (Gewichtsprozent) und dem Flächenwiderstand R₀ (Ohm), wenn die Stärke der dünnen Schicht 300 Ä beträgt. Unter der Bedingung, daß die Stärke 300 A beträgt, ist der Flächenwiderstand 57 Ohm. Dies bedeutet, daß ein Widerstandselement, das den Zweck der Erfindung erfüllt, d. h. ein Metallschicht-Widerstandselement, dessen Temperaturkoeffizient des Widerstandes und des Flächenviderstandes und demgemäß des spezifischen Widerstandes gering sind, erhalten werden kann.

Eine Erhöhung des Temperaturkoeffizienten des Widerstandes wird erfindungsgemäß dadurch ausgeschaltet, daß die zweite aufgedampfte dünne Schicht 3 auf der ersten aufgedampften dünnen Schicht 2 gebildet wird, wie dies in F i g. 1 (2) gezeigt ist. Hierdurch kann die Möglichkeit, daß eine leitfähige Goldschicht auf der Oberfläche durch Diffusion und Abscheidung bei der Hitzebehandlung gebildet wird, vermieden werden und die günstigen elektrischen Eigenschaften, welche die erste aufgedampfte dünne Schicht aufweisen, kann aufrechterhalten werden. Eine Nickel-Chrom-Legierung oder ein Metall, dessen Temperaturkoeffizient des Widerstandes nicht sehr groß ist, kann als Metall zum Bilden der zweiten dünnen Schicht verwendet werden. Es kann auch nur ein einziges Metall unter Chrom. Titan oder Nickel verwendet werden. Nachdem die erste und zweite aufgedampfte dünne Schicht gebildet worden sind, werden diese beiden Schichten zu dem Zweck erhitzt, die Eigenschaften zu stabilisieren, jedoch muß hier die Dicke der zweiten dünnen Schicht in Abhängigkeit von dem Material ausgewählt werden, damit 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 hundert A kann die Erhitzungstemperatur zwischen 200 und 300° C ausgewählt werden und die Erhitzung kann für eine Zeitdauer von 10 und mehr Stunden fortgesetzt werden. Falls die Zeitdauer der Erhitzung willkürlich geändert werden kf»nn, kann der Temperaturbereich der Erhitzung von 150 bis 350° C erweitert werden. Die zweite aufgedampfte dünne Schicht 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 F i g. 3 zeigt den Temperaturkoeffizienten des Widerstandes einer Metallschicht, die durch Aufdampfen der zweiten aufgedampften dünnen Schicht mit Nickel und Chrom bis 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 bei einer Temperatur von 250° C 10 Stunden lang erhitzt.

Die Kurven c, d, e und /in F i g. 4 zeigen das Verhältnis zwischen der Temperatur T (⁰C) und der Widerstandsänderung Λ R/R (⁰O), wenn die Goldmengen jeweils 62, /5, 83 und 90% 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" 0 beträgt, der Temperaturkoeffizient des Widerstandes etwa Null ist und die Änderung des Widerstandes im Verhältnis zur Temperatur minimal ist, wenn die Temperatur nahe der Raumtemperatur liegt. Hierbei ist zu bemerken, daß der Goldgehalt der ersten aufgedampften dünnen Schicht des Widerstandselementes, deren Temperaturkoeffizient des Widerstandes ungefähr Null beträgt, um etwa 20% höher als der Goldgehalt des Widerstandselementes ist. das durch Erhitzung nur der ersten aufgedampften dünnen Schicht erhalten wird und dessen Temperaturkoeffizient des Widerstandes ungefähr Null ist. und daß die Neigung der Kurve schwach ist. Wenn der Goldgehalt etwa 80% beträgt, ist der Temperaturkoeffizient des Widerstandes sehr gering und der Flächenwiderstand beträgt 30 Ohm. Diese beiden Werte erfüllen vollständig den Zweck der Erfindung.

Gemäß der Erfindung wird der Goldgehalt der ersten aufgedampften dünnen Schicht zwischen 60 und 95% ausgewählt. Als Folge wird der Temperaturkoeffizient des Widerstandes ungefähr zwischen -50 ■ 10-⁽ⁱ/grd ui.d · 100 ■ 10 «/grd geändert. Auch wird der Flächenwiderstand niedriger als 60 Ohm. Verschiedene abgewandelte Auslührungsformen der Erfindung können auf der Grundlage de« oben beschriebenen Versuchsbeispiels erhalten werden, indem der Goldgehalt der ersten aufgedampften dünnen Schicht innerhalb eines Bereiches von 60 bis 95% geändert wird, indem die Metalle zuir Bilden der zweiten aufgedampften dünnen Schich innerhalb der vorstehend beschriebenen Metalle ge ändert werden und indem weiterhin die Dicken dei Schichten geändert werden.

Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Er findung beschrieben, bei der jede der aufgedampftei dünnen Schicht eine Mischung aus Nickel, Chron und anderen Zugabemetallen, z. B. Aluminium um Kupfer, enthalten. Die erste aufgedampfte dünn. Schicht, die Nickel, Chrom, Aluminium, Kupfer um Goid enthält, und deren Goldgehalt 33 Gewichts prozent beträgt, wurde auf einem isolierenden Sub strat gebildet, das aus Keramik bestand, indem GoIi und eine Nickel-Chrom-Legierung, in der das Ge wichtsverhältnis von Nickel zu Chrom, Aluminiur und Kupfer 75-20-2,5-2,5 beträgt, aufgedampft wui den. Die zweite aufgedampfte dünne Schicht, di

Nickel, Chrom, Aluminium und Kupfer enthält, wurde dann auf der ersten aufgedampften dünnen Schicht gebildet, indem eine Legierung, bei der das Gewichtsverhältnis von Nickel zu Chrom, Aluminium und Kupfer 75-2()-2,'5-2,5 beträgt, aufgedampft wurde. Die erste aufgedampfte dünne Schicht des Mctallschicht-Widerslandsclemcntes wurde bis zu einer Dicke von 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 Schichten für K) Stunden bei 250 C erhitzt. Dieses Metall- ^hicht-Widcrstandselcmcnt hat einen Widerstand von etwa 30 Ohm und einen sehr geringen Tcmpcraturkoeflizienlen des Widerstandes. Die Widerstandsänderung dieses Widcrstandselemcntes im Verhältnis zur Temperatur ist als Kurve e in Fig. 4 gezeigt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Metallschicht-Widerstandselement mit einer ersten aufgedampften dünnen Schicht, die auf einem isolierenden Substrat gebildet ist uud Nickel, Chrom und andere Zusatzmetalle enthält, und mit einer elektrisch stabilen, ebenfalls chromhaltigen zweiten aufgedampften dünnen Schicht, die auf der ersten Schicht vorgesehen ist und diese schützt, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (2) zusätzlich zu Nickel, Chrom und gegebenenfalls anderen Zusatzmetallen als Hauptbestandteil 60 bis 95 Gewichtsprozent Gold enthält und daß die zweite Schicht (3) außer Chrom noch Nickel und andere Metalle enthält, wodurch eine Diffusion und Abscheidung von Gold in der ersten Schicht (2) bei der zur Stabilisierung erforderlichen Wärmebehandlung verhindert wird.

2. Verfahren zum Herstellen eines Metallschicht-Widerstandselements nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (2), deren Goldgehalt 60 bis 95 Gewichtsprozent beträgt, auf dem Substrat (1) aus einer Ausdampfungsquelle aus einer Nickel-Chrom-Legierung (4) und einer weiteren Aufdampfungsquelle aus Gold (S) aufgedampft wird, wobei die Aufdampfungsquellen voneinander unabhängig sind oder eine einzige Aufdampfungsquelle bilden, und daß die Aufdampfung aus den beiden Aufdampfungsqucllen gleichzeitig ausgeführt wird.