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Verfahren zur Herstellung von verteilten RC-Elementen
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in Dünnschichttechnik Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
von verteilten RC-Elementen in Dünnschichttechnik. Die erfindungsgemaß hergestellten
verteilten RO-Elemente eignen sich insbesonders zum Aufbau von hybrid integrierten
elektrischen Schaltkreisen in Dünnschichttechnik, wie z.B. für elektrische Filter
oder Oszillatoren.
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Hierbei kann die Verwendung von verteilten RG-Elementen anstelle
konzentrierter Widerstände und Kondensatoren bekanntlich den Vorteil eines geringeren
Substratflächenbedarfs bieten, da die von einem verteilten PC-Element belegte Substratflache
gleichzeitig als Widerstand und als Kondensator genutzt wird. Außerdem sind verteilte
RO-Netzwerke bekannt, die bei wesentlich einfacherer Struktur dasselbe leisten wie
aufwendigere 1ietzwerkemit konzentriertenWiderstanden und Kondensatoren, so daß
aus diesem Grunde ebenfalls eine Verkleinerung des Schaltungsaufbaus möglich ist.
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Es sind einfache Bauformen für verteilte RC-Elemente bekannt, die
in ihrem Aufbau einem elektrischen Plattenkondensator gleichen, wobei im Unterschied
zum Kondensator mindestens eine der Platten (=Elektroden) aus Widerstandsmaterial
besteht und an mindestens zwei räumlich getrennten Punkten mit elektrischen Anschlüssen
versehen ist. Eine Ausführung eines verteilten RO-Elements in Dünnschichttechnik,
welche durch eine geringfügige Abwandlung eines Dünnschichtkondensators entsteht,
ist aus der Literatur allgemein bekannt. In einer weiteren bekannten Dünnschicht-Ausfuhrung
(beschrieben im Tagungsbericht "Proceedings of Electronic Components Conference
1968, Washington, D.C." S.3EC)
ist die Widerstandselektrode als
Mc9ander ausgebildet.
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Pür den Einsatz der verteilten RC-Elemente in Schaltkreisen der vorgesehenen
Art, an welche üblicherweise hohe Anforderungen gestellt werden, ist es erforderlich,
daß die entscheidenden elektrischen Eigenschaften genau den vorgeschriebenen inerten
entsprechen. Darüber hinaus muß auch an den fertiggestellten Bauelementen noch ein
Feinabgleich dieser Werte möglich sein, damit die erst später wirksamen Streueinflüsse
ausgeglichen werden können.
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Diese von der Praxis gestellten Forderungen nach geringer Herstellungstoleranz
und einer Möglichkeit zum Feinabgleich werden von den bisher bekannten Herstellungsverfahren
und Ausführungsformen verteilter RC-Elemente nur unzureichend erfüllt. Es ist bekannt,
daß ein nachtraQliches Abtragen von Teilen einer Dünnschicht-Kondensatorelektrode
zum Zwecke des Abgleichs nur schwierig durchzuführen und mit Beschädigungsgefahr
für das Dielektrikum verbunden ist. Daher besteht eine bekannte Lösung des Abgleichproblems
für verteilte RO-Elemente (Tagungsbericht "Proceedings of Elec tronic Components
Conference 1968, Washington, D.0.11,S.152 ff.) darin, eine Widerstandselektrode
aus Ventilmetall (z.B. eine Tantalverbindung) als oberste Schicht eines Dünnschichtaufbaus
zu verwenden und zum Zwecke des Abgleichs ihren leitfähigen Querschnitt überall
gleichmäßig zu verringern. Der hierbei zugrunde liegende Schichtaufbau führte im
Zusammenwirken mit dem hierzu benötigten Kathodenzerstäubungsverfahren jedoch zu
einer schwerwiegenden Verschlechterung entweder der Widerstandsstabilität oder der
dielektrischen Durchschlagfestigkeit.
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In einer anderen Arbeit (Tagungsbericht ttProceeding of Electronic
Oomponents Oonference 1969 Washington, D .0.1?, 5.111 ff.) wurde das Abgleichproblem
dadurch umgangen, daß an zus4tzlich zu-diesem Zweck in das verteilte RO-Netzwerk
eingefügten diskreten Widerst-anden abgeglichen wurde. Hierbei müssen jedoch unerwünschte
Änderungen der elektrischen Schaltungseigenschaften in Kauf genommen werden.
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Die für den Einsatz in Schaltungen der vorgesehenen Art entscheidende
elektrische Kenngröße eines verteilten RC-Elements ist das
Produkt
aus Gesamtwiderstand und Gesamtkapazität, im folgenden kurz " RC-Produkt ?? genannt.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahrentür
verteilte RC-Elemente anzugeben, bei welchem ein vorgeschriebener Wert des RC-Produkts
durch Feinabgleich am fertigen Bauelement eingestellt werden kann.
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Die Aufgabe wird gemaß der Erfindung durch die Folge der nachstehend
beschriebenen Herstellschritte gelöst: Auf einem oder mehreren Substraten werden
zun-chst in üblicher Dünnschichttechnik die ,Ziderstandsbahnen.der herzustellenden
verteilten t?C-Elemente aus einem Ventilmetall in P anderform aufgebracht, Zur anschließenden
Herstellung des Kondensatordielektrikums werden diese in einem flüssigen Elektrolyten
mit einer anodisch erzeugten Oxidschicht überzogen, wobei erfindungsgemqB in regelm:5ßigen
Zeitabständen unter Benützung des Elektrolyten als Kondensatordeckelektrode die
jeweils erreichte Größe des RO-Produkts an einer oder mehreren dafür ausgewählten
und zu diesem Zweck an eine geeignete Meßanordnung angeschlossenen Widerstandsbahnen
im Elektrolyten gemessen wird. Die wirtschaftliche Herstellung einer größeren Zahl
von Elementen erfolgt in einem gemeinsamen Elektrolyten in der Weise, daß im Vertrauen
auf die Übereinstimmung de igenschaften gleichartig hergestellter dünner Ausgangsschichten
nur an einem oder wenigen Elementen stellvertretend gemessen wird. Nach Maßgabe
dieser Messungen wird der anodische Oxidationsprozess beendet bei einem Wert des
gemessenen RC-Produkts, welcher um einen geringen Prozentsatz (etwa 20ß) kleiner
ist als der für die fertiggestellten verteilten-P.C-Elemente geforderte Sollwert.
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Über jedem der solcherart mit einer dichten Oxidschicht bedeckten
Widerstandsmäander wird anschließend in üblicher Dünnschichttechnik (z.B. durch
Aufdampfen einer Nickel-Chrom-Gold-Schicht) eine im wesentlichen rechteckig geformte
hochleitende Deckelektrode aufgebracht, welche jedoch erfindungsgemä
B
den jeweils darunterliegenden Mäander nicht restlos bedeckt, sondern jeweils an
einer oder mehrerer ihrer Seiten bestimmte kleine. Teilt der U-förmigen Näanderbögen
überstehen loBt. Somit bleibt ein geringer Deil des gesamten Bahnwiderstands unbedeckt;
durch anodische Oxidation oder Laserbearbeitung dieser unbedeckten Widerstandsteile
kann nun zu jedem beliebigen Zeitpunkt der bis dahin erfindungsgem?.B um einen geringen
Prozentsatz zu kleinen Wert des RC-Produkts genau um den noch fehlenden Betrag erhöht
werden.
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Die erSindungsgemaße Ausführung des verteilten RO-Elements welche
durch die an einer oder mehreren Seiten unter der Deckelektrode herausragenden U-förmigen
Mianderbögen gekennzeichnet ist, hat bei geeigneter Dimensionierung praktisch dasselbe
elektrische Verhalten wie die bekannten verteilten RC-Elemente ohne unbedeckte Teile
der Vjiderstandsbahn. Dies ist auf die längs des Strompfades sich ergebende mehrmals
abwechselnde Aufeinanderfolge von bedeckten und unbedeckten Bahnwiderstandsteilen
zurückzuführen. Daher kann das elektrische Verhalten des erfindungsgemäßen Elements
in sehr guter Näherung durch die bereits bekannten mathematischen Ausdrücke beschrieben
werden, was von großer Bedeutung für dessen praktische Verwendbarkeit ist.
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Wie eine theoretische Betrachtung ergibt, ist.die Übereinstimmung
um so besser, je größer die Zahl der Mäanderbögen oder je kleiner der relative Anteil
des unbedeckten Widerstands bezogen auf den Gesamtwiderstand ist. Eine im Sinne
der Erfindung besonders geeignete Dimensionierung liegt demzufolge vor, wenn die
Zahl der Näanderbögen etwa größer als 10 und der Anteil des unbedeckten Widerstands
etwa kleiner als 2O ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Dimensionierung
beschränkt.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen einerseits darin,
daß für ein abgleichbares verteiltes RC-Element ein ebenso einfacher Dünnschichtaufbau
verwendet werden kannwie z.B. für die bekannten nicht abgleichbaren Ausführungen
oder
für die bekannten Tantal-Dünnschichtkondensatoren. Ein weiterer Vorteil - bedingt
durch die erfi.ndun.gsgem Pe Kontrolle des P-Produkts wöhrend der Erzeugung des
Dielektrikums - liegt in der Möglichkeit, hohe Werte des RC-Produkts pro Flächeneinheit
dadurch zu erzielen, daß ein möglichst großer Teil des Widerstandsmaterials zur
Bildung des Kondensatordielektrikums verbraucht wird, so daß die Dicke der verbleibenden
Materialschicht möglichst gering und ihr elektrischet Widerstand entsprechend hoch
ist. Hierbei wird bei gleichm:Rigen Fortschreiten der anodischen Oxidation der Verlauf
des Bahnwiderstandsanstiegs in Abhängigkeit von der Anodisationsspannung bzw. von
der Zeit immer steiler; reproduzierbare hohe Werte des RC-Produkts durch Erzeugung
hoher Bahnwiderstände werden daher vorteilhaft durch allmähliche gesteuerte Verringerung
des Anodisationsstromes bei gleichzeitiger Anwendung des erfindungsgemäßen Kontrollverfalirens
für das RC-Produkt erzielt.
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Zur Erzeugung eines großen RC-Produkts pro Fl^.cheneinheit verwendet
man als Ventilmetall zweckmßigefl:eise eine unter Zusatz von reaktiven Gasen (wie
z,B, Sauerstoff oder Stickstoff) aufgestäubte Schicht aus einer Tantalverbindung
oder einer Tantal-Aluminium-Legierung in einer Ausgangsschichtsdicke -gemessen vor
Beginn der anodischen Oxidation - von etwa 0,2 bis 0,4 ,zrn. Durch Anwendung des
erfindungsgemßen Verfahrens kann daraus pro cm Substrat-fl"che ein verteiltes RG-Proukt
bis zu einer Größenordnung von etwa 10 ms erzeugt werden, wobei für die Widerstandsbahnbreite
und die gegenseitigen Abstande eine praktische untere Grenze von etwa 50 >xm
angenornmen wurde.
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Im allgemeinen kann der Flächenwiderstand der unter dem Dielektrikum
verbliebenen Widerstandsschicht je nach Material und Ausgangsschichtdicke größenordnungsma
ig etwa zwischen 5 und 500 Q pro Widerstandsquadrat betragen. Damit die Streuung
dieses Widerstands innerhalb einer tolerierbaren Grenze von etwa+ 10 ß bleibt, sind
die Naterialwahl, das Layout und die Ausgangsschichtdicke so aufeinander abzustimmen,
daß der
nach der anodischen Oxidation gemessene erhöhte Bahnwiderstand
höchstens etwa das fünffache des Wertes vor der Oxikation beträgt. Die Wapazitgt
pro Flächeneinheit ist bei den genannten Ventilmetallen durch die üblicherweise
erforderllche Anodisationsspannung von etwa 200 V auf etwa 30 bis 60 nF pro cm2
festgelegt.
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Insgesamt ergeben die beschriebenen Vorteile der Erfindung zusammen
ein wirtschaftliches Herstellverfahren für miniaturisierte, hybrid integrierte Dünnschicht-RC-Schaltungen,
insbesonders für den Einsatz im Niederfrequenzgebiet.
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In Fig. 1 bis 4 wird anschließend die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert, wobei zur Vereinfachung jeweils nur ein einzelnes verteiltes RC-Element
dargestellt ist. Die Erfindung ist nicht auf die Figuren beschränkt.
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An Hand von Fig. 1 und 2 werden verschzedene Ausgestaltungen des erfindungsgem
ßen Verfahrens zur Kontrolle des P-Produkts während der Erzeugung des Kondensatordielektrikums
beschrieben.
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In Fig. 3 ist die erSindungsgem:iße Anordnung von oxidbedecktem tSiderstandsm-ander
und hochleitender Deckelektrode verdeutlicht.
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Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch das Element von Fig. 3, geschnitten
entlang der Linie A-A.
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In Fig. 1 und 2 befindet sich in einer Glasschale ein flüssiger Elektrolyt
(1), in welchen ein Substrat (2) zum größeren Teil eingetaucht ist. Auf dem Substrat
ist die maanderförmige Widerstandsbahn (3) aus Ventilmetall aufgebracht; an den
Stellen (4) und (5) befinden sich die aus dem Elektrolyten herausgeführten Widerstandsanschlüsse.
Durch die Umschalter (6) und (7) wird das Element abwechselnd an die Anodisations-Stromquelle
(8) und an die verschiedenen links gezeichneten Neßanordnungnen angeschlossen. Der
von der Stromquelle (8) erzeugte Anodisationsstrom wird in Abhängigkeit des Meßergebnisses
gesteuert.
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In einer ersten Ausgestaltung (Fig. 1) wird das durch die ausgewählte
oxidbedeckte Widerstandsbahn (3) und den Elektrolyten (1) gebildete verteilte RC-Element
als elektrischer Zweipol betrachtet, dessen zwei Anschlüsse (4) und (5) die beiden
Endanschlüsse der Widerstandsbahn sind. Das RC-Produkt des solcherart gebildeten
zweipoligen verteilten K>C-Elements wird erfindungsgemäß bestimmt, indem durch
das Element aus der Quelle (9) ein elektrischer 'lechselstrom geschickt wird, und
indem aus der mit dem Gerät (10) gemessenen Phab senverschiebung zwischen diesem
Strom und der von ihm am Element hervorgerufenen Wechselspannun (13) mittels bekannter
Methoden aus der elektrischen Leitungstheoriqdas RG-Prociiikt des Elements berechnet
wird. Die Phasenlage des Stroms wird gemessen an der von ihm am Widerstand (all)
hervorgerufenen Spannung (14).
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Zur Anwendung der elektrischen Leitungstheorie wird vorausgesetzt,
daß der elektrische Widerstand des Elektrolyten sehr klein ist im Vergleich zum
kapazitiven Scheinwiderstand zwischen dem Elektrolyten und der angeschlossenen Widerstandsbahn;
unter dieser Voraussetzung sind die bekannten Ausdrücke der idealen RC-Leitung anwendbar,
und der dem erfindungsgemaßen Verfahren zugrunde gelegte Zusammenhang zwischen dem
RC-Produkt und der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung ist unabhangig
vom augenblicklichen Wert des Bahnwiderstands bzw. der Kapazität. Zur Erfüllung
dieser Bedin gung Ist eine möglichst niedere Frequenz des von der Quelle (9) gelieferten
Wechselstroms zweckmäßig, z.B. 50 Hz. Wird der Elektrolyt (1) ebenfalls mit einem
elektrischen Anschluß versehen - hierfür bietet sich zunächst die als Kathode dienende
Elektrode (12) an -, so gibt es drei weitere Nöglichkeiten, aus der durch die ausgewählte
Widerstandsbahn (3) und dem Elektrolyten (1) samt Anschluß (12) bestehenden Anordnung
einen elektrischen Zweipol zu bilden. Durch sinngern.iP.e Abwandlung des vorstehend
Beschriebenen ergeben sich
hieraus drei weitere Ausgestaltungen
der .-,rfindung, welche nicht weiter erläutert zu werden brauchen.
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In einer breiteren Ausgestaltun des Verfahrens (Fig. 2) wird die aus
der ausgewählten Widerstandsbahn (3) und dem mit einem elektrischen Anschluß (12)
versehenen Elektrolyten (1) bestehende Anordnung als elektrischer Dreipol betrieben.
Zwischen einem Anschluß (z.B, 4) der Widerstandsbahn (3) und dem Elektrolytanschluß
(12) wird zur Messung eine von der Quelle (9) erzeugte Wechselspannung (13) angelegt
welche eine zwischen dein anderen Bahnanschluß (5) und dein Elektrolytanschluß (12)
zu messende Spannung (14) hervorruft.
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Mit den zuvor genannten Methoden der elektrischen Leitungstheorie
wird entweder aus den mit dem Gerbt (10) gemessenen Amplitudenverhältnis oder der
Phasenvenschiebung der beiden Spannungen (13) und (14) das RC-Produkt der Anordnung
berechnet Die folgende Ausgestaltung des Vorfahrons ist zweckmäßig, wenn die Leitf5higkeit
des Elektrolyten zu klein ist, um die zuvor genannte Bedingun zu erfüllen. In diesem
Fall wird die wirksame Leitfähigkeit in unmittelbarer Umgebung der ausgewählten
Widerstandsbahn (3) erhöht, indem parallel zum Substrat (2) in möglichst kleinem
Abstand zu der Widerstandsbahn ein hochleitendes engmaschiges Metallgitter (15)
angebracht wird. Die Maschengröße ist gerade so klein zu wählen, daß noch keine
Behinderung des anoå.i.schen Oxidationsprozesses eintritt. In den Verfahrensausgestaltungen
mit Viessung bei angeschlossenem Elektrolyten ist dieser Anschluß zweckmäßigerweise
über den Schalter (16) an das Metallgitter (15) zu legen (gestrichelte Ergänzung
in Fig.2).
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E.ne besondere Ausgestaltung des Verfahrens ist zweckmiP.ig, wenn
später zur erfindungsgemäßen Vergrößerung des Widerstands der unbedeckten l-inanderteile
(19 in Fig. 3) die anodische Oxidation verwendet werden soll. Die erfindungsgemäße
Ausg,estatunpc ist dadurch gekennzeichnet, daß während der anodischen Erzeugung
des Kondensatordielektrikums
diejenigen Stellen der Mäanderflächen
(19), die sp:ter unbedeckt bleiben sollen, durch eine isolierende Maskierung (17)
gegen die Oxidation geschützt sind. Dadurch behalten die unbedeckten sI¢.anderteile
(19) den kleinstmöglichen Widerstand, was zu einem größtmöglichen Spielraum bei
der erfindungsgemäßen Widerstands erhöhung zum Zwecke des RC-Produkt-Abgleichs führt.
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In Fig. 3 befindet sich auf dem Substrat (2) ein erfindungsgemäß hergestelltes
verteiltes RC-Element , dessen Kondensatorelektrode (18) die Näanderbögen (19) freiläßt.
Wie der in Fig. 4 dargestellte Querschnitt zeigt, bedeckt die Elektrode (18) die
vollständig mit einer Oxidschicht (2C) überzogenen geraden Vjittelstücke des Widerstandsmëanders
(3).
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Die Fig. 3 zeigt eine Ausführung, weiche für einen Abgleich durch
anodische Oxidation vorgesehen ist; deshalb sind die Mäanderbögen (19) nicht mit
dem Oxid (20) bedeckt.
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Bei einer für Laserabgleich vorgesehenen Ausführung sind die Mäanderbögen
(19) ebenfalls mit dem Oxid (20) bedeckt1 dadurch daß bei der anodischen Erzeugung
des Kondensatordielektrikums (20) die isolierenden Maskierung (17) nicht angebracht
ist.
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4 Figuren 8 Patentansprüche