DE4115328A1

DE4115328A1 - Elektrische widerstaende und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE4115328A1
Application number: DE4115328A
Authority: DE
Inventors: Michel Rochette; Paul Rene Simon
Original assignee: Sfernice S A
Current assignee: Sfernice S A
Priority date: 1990-05-09
Filing date: 1991-05-10
Publication date: 1991-11-14
Anticipated expiration: 2011-05-11
Also published as: DE4115328C2; US5206623A; GB2243956B; FR2662013A1; IL94340A; FR2662013B1; JPH07147202A; JP2945166B2; GB2243956A; GB9109614D0; IL94340A0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Widerstände und Wi derstandsnetzwerke, die auswählbare Widerstandswerte vorsehen und ferner bezieht sich die Erfindung auf Verfahren zur Her stellung derselben. Die Erfindung ist besonders geeignet zum Vorsehen von Widerständen in Dünnschicht- oder Folienform, die lasertrimmbar sind, um den Widerstandswert derselben einzu stellen oder auszuwählen.

Solche lasertrimmbare planare Widerstände und Widerstandsnetz werke sind bekannt und im Handel verfügbar, beispielsweise von der Firma Vishay Intertechnology, Inc. (deren Tochtergesell schaft Ohmtek in Niagara Falls, N.Y., USA, ansässig ist), und zwar in den unterschiedlichsten Konfigurationen. Verschiedene Patente beziehen sich allgemein auf derartige Widerstände und Widerstandsnetzwerke, wie beispielsweise die folgenden US-Pa tente: 48 59 981, 47 82 320, 47 85 277, 47 72 774, 45 82 976, 45 65 000, 45 63 564, 43 86 460, 43 75 056, 43 62 737, 42 98 856, 41 46 867, 39 83 528, 36 57 692 und 22 61 667.

Bei der Herstellung von Präzisionswiderständen sind die Mittel von Wichtigkeit, die zur Einstellung des Ohm′schen Wider standswerts dieser Widerstände dienen, und zwar auf eine be stimmte Zielzahl, wobei diese Einstellung mit Präzision und Konsistenz durchgeführt werden muß. Es ist erwünscht, dies über einen Bereich von Widerstandwerten hinweg vorzusehen, der so breit wie möglich ist. Diese Fähigkeit gestattet die Her stellung von ansonsten identischen Widerständen mit einem halbfertigen Zustand in großen Mengen, so daß sich eine wirt schaftliche Herstellung in großen Stückzahlen ergibt. Sodann können kleine Mengen dieser halbfertigen Widerstände auf einen endgültigen bestimmten Widerstandswert nach Bedarf eingestellt werden. Je größer der Bereich der Einstellbarkeit ist, um so kleiner muß die Zahl der halbfertigen Typen sein, die gelagert werden müssen, damit der gesamte Bereich von Widerstandswerten abgedeckt werden kann, der für sämtliche möglichen Situationen erforderlich sein wird.

Diese Notwendigkeit der Einstellbarkeit über einen großen Be reich hinweg ist besonders im Fall von Widerstandsnetzwerken wichtig. Diese bestehen aus einer Vielzahl von Widerstandsele menten im allgemeinen von unterschiedlichem Wert und werden üblicherweise als Spannungsteiler verwendet. In derartigen Fällen hängt die Effektivität des Netzwerkes stark von sämt lichen individuellen Elementen insofern ab, als diese nahezu identische Leistungseigenschaften besitzen müssen. Diese Lei stungs- oder Performanceeigenschaften beziehen sich allgemein auf das Ausmaß an Stabilität, welches der Widerstand dann zeigt, wenn er unterschiedlichen physikalischen oder chemi schen Beanspruchungen entweder extern oder intern erzeugt, ausgesetzt wird. Gleichförmigkeit kann in dieser Hinsicht sichergestellt werden, wenn die Widerstände in einem Netzwerk sämtlich in einer gemeinsamen Produktionscharge hergestellt sind. Sie können sodann allein durch den Widerstandswert beim Einstellvorgang unterschieden werden. Je größer der Bereich der Einstellbarkeit für eine gegebene Type ist, um so kleiner ist die Abhängigkeit von unterschiedlichen Herstellungschargen mit möglicherweise unterschiedlichen Perfomanceeigenschaften.

Ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ver besserte einstellbare oder auswählbare Widerstände und Wider standsnetzwerke vorzusehen, und zwar mit extrem hoher Präzi sion und einem sehr großen Widerstandsbereich, wobei ferner Verfahren angegeben werden sollen, die zur Herstellung solcher Widerstände und Netzwerke dienen.

Kurz gesagt sieht die Erfindung einen Planarwiderstand vor, der ein isolierendes Substrat aufweist mit ersten und zweiten elektrischen Anschlüssen am Substrat. Durch Dünnfilm- oder Dünnschicht- bzw. Folienabscheidung wird ein Muster von Spuren aus Widerstandsmaterial auf dem Substrat abgeschieden und bil det eine Vielzahl von Widerstandsbahnen, die in Serie verbun den sind durch erste Verbindungen, die aus dem gleichen Wider standsmaterial wie die Spuren sein können. Eine Vielzahl von selektiv entfernbaren Verbindungen (zweiten Verbindungen) ver binden die Spuren parallel zwischen den ersten und zweiten elektrischen Anschlüssen. Diese zweiten Verbindungen erstrec ken sich von den ersten Verbindungen, welche eines der entge gengesetzten Enden der Spuren in Serie verbinden, zu dem er sten Anschluß und von anderen zu den ersten Verbindungen, die das andere der entgegengesetzten Enden der Spuren mit dem zweiten Anschluß verbinden. Um einen präzisen Widerstandswert zwischen Rn und R/n zu erhalten, wobei R der Widerstand der Spuren und n die Zahl der Spuren ist, werden die zweiten Ver bindungen selektiv entfernt und auf diese Weise ausgewählte Parallelverbindungen entfernt, um einen gewünschten Widerstand zwischen den ersten und zweiten elektrischen Anschlüssen vor zusehen. Die Vielzahl der Widerstandsspuren ist im allgemeinen parallel mit gleichförmiger Breite und mit gegenseitiger Ab standsbeziehung angeordnet. Zudem ist gemäß einem Ausführungs beispiel der Erfindung die Vielzahl der Widerstände von im allgemeinen identischer Länge. Gemäß einem weiteren, derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Vielzahl der Widerstände im allgemeinen mit unterschiedlicher Länge ausgestattet. Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung sind die selektiv entfernbaren Verbindungen durch Laser entfernbar. Alternativ können Ver bindungen verwendet werden, die elektrisch oder chemisch oder mechanisch schmelzbar sind.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine Darstellung eines Widerstands, aufgebaut und be trieben gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 eine Darstellung eines Widerstands, aufgebaut und be trieben gemäß dem derzeit bevorzugten Ausführungsbei spiel der Erfindung; und

Fig. 3 eine Darstellung eines Widerstandsnetzwerkes von fünf unterschiedlichen Widerstandskonfigurationen, reali siert durch Schmelzen unterschiedlicher Verbindungen 22 der allgemeinen Konfiguration gemäß Fig. 2, wobei das Netzwerk typischerweise auf einem einzigen Substrat ausgeformt ist.

Fig. 1 zeigt einen Planarwiderstand 10. Ein isolierendes Sub strat wird verwendet. Es wird typischerweise aus Silicium, Glas, Keramik oder irgendwelchen anderen dielektrischem Ma terial geformt. Auf einer Oberfläche des Substrats sind erste und zweite elektrische Anschlüsse oder Klemmen 12 und 14 defi niert, die vorzugsweise aus einem stark leitenden Material, wie beispielsweise Aluminium, Gold, Nickel oder Platin, ge formt sind.

Zwischen den Anschlüssen 12 und 14 ist eine Widerstandsanord nung 16 angeordnet, und zwar hergestellt aus einer Dünnschicht oder Folie aus einem geeigneten Material mit präzise bekanntem Widerstand, wie beispielsweise Nichrom oder Tantalnitrid oder irgendeinem anderen geeigneten Material mit guter Stabilität über die Bereiche der Temperatur und der Zeit hinweg. Die Wi derstandsanordnung 16 ist, wenn sie in der Form eines dünnen Films oder einer dünnen Schicht realisiert ist, vorzugsweise durch bekannte Verfahren der Vakuumabscheidung gebildet, wie beispielsweise die Joule-Effektverdampfung oder das Kathoden sprühen und photolithographische Gravierverfahren. Wenn eine Folie verwendet wird, so können konventionelle Verfahren zur Folienmusterung verwendet werden.

Die Widerstandsanordnung 16 besitzt eine Vielzahl von paralle len Widerstandseinheiten (Spuren oder Bahnen), deren jede in der Form eines Streifens 18 vorliegt und deren jede gleichför mig und von identischer Breite, Dicke, Länge und Trennung ge genüber seinen Nachbarn ist.

Die Streifen 18 sind miteinander zwischen den Klemmen 12 und 14 in Serie geschaltet, und zwar mittels Serienverbindungen oder Verbindungsteilen 20, die typischerweise Fortsetzungen der Streifen 18 sind und sich von abwechselnden Streifen aus zwischen entgegengesetzten Enden derselben erstrecken. Die Streifen 18 sind auch jeweils parallel geschaltet zwischen die Anschlüsse 12 und 14 mittels selektiv schmelzbarer paralleler Verbindungen (zweite Verbindungen) 22, die ebenfalls typi scherweise als Fortsetzungen der Streifen 18 definiert sind und sich von den Verbindungen 20 aus erstrecken. Die Verbin dungen 22 sind vorzugsweise laserschmelzbar entsprechend kon ventionellen Laserschmelzverfahren, beschrieben im oben ge nannten Stand der Technik, wobei dieser Stand der Technik zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht wird, und fer ner unter Verwendung einer Vorrichtung, wie sie allgemein kom merziell verfügbar ist von der Firma Chicago Laser and ESI Corporation in Portland, Oregon, USA.

Erfindungsgemäß erzeugt das selektive Schmelzen oder Ver schmelzen einer oder mehrerer entsprechender paralleler Ver bindungen 22 dort einen offenen Kreis oder eine offene Schal tung, was es gestattet, den Widerstand der Anordnung stufen weise zu erhöhen, während andere Eigenschaften des Widerstands beibehalten werden. Zudem ist gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein zusätzliches oberes Hutwiderstandselement 24 vorgesehen als ein Teil des Widerstandsmusters, wobei dieses durch konventionelle Lasertrimmverfahren in der Weise ge schnitten werden kann, daß eine kontinuierliche und dadurch genauere Einstellung des Widerstands vorgesehen wird. Der Schnitt kann entlang der Länge des Elements 24 durch das Ver bindungsstück 22 erfolgen, und zwar beginnend am Ende des Ele ments 24 an der linken Seite der Fig. 1.

Für die Konfiguration der Fig. 1 einschließlich n Widerstands streifen des individuellen Widerstandswertes R, ergibt es eine große Anzahl unterschiedlicher Kombinationen von Verschmel zungsmustern, die eine Vielzahl von diskreten unterschiedli chen Widerstandswerten vorsehen können. Wenn keine der paral lelen Verbindungen (zweite Verbindungen) geschnitten werden, ist der gesamte Widerstand minimal, R min = R/n. Wenn sämtli che der parallelen Verbindungen 22 geschnitten werden, so ist dieser Widerstand maximal bei R max = nR. Es gibt 2²ⁿ unter schiedliche Serien und Parallelkombinationen, die theoretisch 2²ⁿ unterschiedliche Widerstandswerte zwischen R max und R min vorsehen können. In der Praxis werden weniger als 2²ⁿ unter schiedliche Widerstandswerte wegen der Redundanz oder wegen der Nicht-Praktikabilität vorgesehen. Typischerweise ist die Anzahl der Streifen oder Widerstandselemente n zwischen 5 und 30, obwohl n zwischen 2 und der Anzahl der Widerstandselemente (Streifen) sein kann, die auf einem Substrat untergebracht werden können. Um Zwischenwerte zwischen den diskreten Werten, erhalten durch die Verschmelzung von Verbindungen zu erhalten, können zusätzliche Variationen im Widerstand durch Trimmen des oberen Hut- oder Kopfelements 24 erhalten werden. Dies erfolgt dadurch, daß man einen Schnitt in Längsrichtung dahindurch ausführt und verlängert, um so einen kontinuierlichen Anstieg des Widerstandswertes vorzusehen.

Es sei nunmehr auf die Fig. 2 Bezug genommen, die einen Wider stand 30 darstellt, und zwar aufgebaut und arbeitend entspre chend dem derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfin dung. Die Herstellung kann in einer Art und Weise ähnlich der des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 erfolgen. Zwischen den Anschlüssen 32 und 34 ist eine Widerstandsanordnung 36 ange ordnet, und zwar mit Serienverbindungen (erste Verbindungen) 40 und Parallelverbindungen (zweite Verbindungen) 42 zu den Anschlüssen 32 und 34. Die Anordnung 36 besteht aus einer Vielzahl von parallelen Widerstandseinheiten (Pfad oder Spu ren), und zwar jede in der Form eines Streifens 38 und jede mit präzis gleichförmiger und identischer Breite, Dicke und Trennung vom Nachbar, aber unterschiedlicher Länge. Die Se rienverbindungen 40 besitzen Verbindungen 42 zu den Anschlüs sen 32 und 34, die selektiv verschmolzen (geschnitten) sind, um in inkrementaler Weise den Widerstdandswert zu ändern. Der obere Kopf oder Hut 44 dient der gleichen Funktion wie der obere Hut 24 in Fig. 1. Der obere Hut 44 ist in Längsrichtung geschnitten, und zwar von der rechten Endverbindung, um eine Analogeinstellung im Inkrementalwert, ausgewählt durch Schnei den der Verbindungen 42, vorzunehmen.

Verglichen mit dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sieht das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2, bei dem die Längen der Wi derstandselemente 38 sich voneinander unterscheiden, eine größere Redundanzmenge für jeden gegebenen, eingestellten Widerstandswert vor. Diese erhöhte Redundanz ermöglicht die Auswahl von Verbindungsschmelzmustern mit relativ hohen Ver hältnissen von Wärmeverteilungsoberfläche zu Substratoberflä che, wohingegen die Temperaturgradienten zwischen Teilen der Widerstandsanordnung begrenzt werden.

Es sei nunmehr auf die Fig. 3 Bezug genommen, die ein Wider standsnetzwerk veranschaulicht mit fünf im ganzen identischen Widerständen der Art gemäß Fig. 2, wobei n=21 und der Wider standswert der Streifen nominal 2000 Ohm beträgt. Jeder der Widerstände ist ausgeformt, jeder mit einem unterschiedlichen geschmolzenen Verbindungsmuster, um so fünf unterschiedliche Endwiderstandswerte zu besitzen. Man erkennt in diesem Bei spiel, daß der realisierte Widerstand im Bereich von 95 Ohm bis 42 000 Ohm liegt, wobei der Fall von 95 Ohm vorliegt, wenn sämtliche Verbindungen 42 intakt gelassen werden, während der Fall von 42 000 Ohm vorliegt, wenn sämtliche Verbindungen 42 geschmolzen werden mit Ausnahme der Verbindungen an jedem Ende der Kette. In Fig. 3 sind die fünf Widerstände verbunden dargestellt und sie besitzen Ausgangsklemmen oder Anschlüsse 46.

Obwohl fünf Widerstände gezeigt sind, kann eine größere oder kleinere Anzahl von Widerständen in irgendeiner geeigneten Konfiguration und Verbindungsschmelzmuster in ein Widerstands netzwerk kombiniert werden, entweder durch integrales Formen auf einem einzigen Substrat, wie beispielsweise einem Wafer, oder durch Drahtverbindung zwischen körperlich unabhängigen Elementen. Ohne die Verfügbarkeit eines einzigen Wider standmusters, welches über einen sehr breiten Widerstandsbe reich einstellbar ist, müßten individuelle Widerstände aus unterschiedlichen Produktionschargen, konventionell herge stellt mit individuellen Mustern eines sehr begrenzten Wi derstandsbereichs ausgewählt werden. Dies würde die Wirtschaft lichkeit des Netzwerkherstellungsverfahrens und die Betriebs performance des Netzwerks nachteilig beeinflussen. In vielen Anwendungen hängt die Schaltungsfunktion von der präzisen Festlegung und Beibehaltung des Verhältnisses verschiedener Widerstandswerte zueinander ab. Um dies zu erreichen, ist es wichtig, daß jedwede Änderungen des Widerstandswertes, die darauffolgend auf die anfängliche Festlegung eintreten, so gleichförmig wie möglich unter sämtlichen Elementen sind. Dies kann am leichtesten dadurch erreicht werden, daß sämtliche Wi derstände in einem gegebenen Netzwerk aus der gleichen Produk tionscharge stammen.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:
Ein elektrischer Widerstand wird aus Spuren von Widerstandsma terial auf einem Substrat aus Isoliermaterial hergestellt. Die Spuren werden elektrisch in Serie durch erste Verbindungen und in parallel durch zweite alternierende Verbindungen verbunden, die mit unterschiedlichen Anschlüssen am Substrat verbunden sind. Die zweiten Verbindungen werden geschnitten, und zwar vorzugsweise durch Lasertrimming, um so den Widerstandswert des Widerstands auszuwählen, und zwar durch Verminderung der Anzahl der parallel verbundenen Spuren und durch die Erhöhung der Anzahl der in Serie geschalteten Spuren. Wenn der Wider stand jeder Spur "R" ist, so ist der Widerstandswert durch Trennen der zweiten Verbindungen von R/n bis nR einstellbar, wobei n die Zahl der Spuren ist.

Die Erfindung sieht also parallele "shunts" vor, die zur Ver änderung des Widerstandes sozusagen in einem fünften Schritt (vgl. Anspruch 1) geschnitten werden können. Der auf S. 6 in Zeile 7 zum ersten mal verwendete Begriff "Oberes Hutwider standselement" wird in Anlehnung an den Ausdruck "top hat" (oberer Hut) benützt, wie er in US-PS-43 86 460 verwendet wird. Es sei ferner bemerkt, daß der "obere Hut" von einem Ende her geschnitten wird, um diesen so in eine "U"-förmige Struktur unterschiedlicher Länge zu schneiden. Vgl. dazu auch US-PS-36 57 692. Spezieller Stand der Technik zum Laser schmelzverfahren (zum Zwecke der Trennung) wie dies im letzten Absatz der S. 5 erwähnt wird, ist in US-PS-47 72 744 sowie 43 86 460 und 41 46 867 beschrieben.

Claims

1. Ein Widerstand, der folgendes aufweist: ein isolierendes Substrat,
erste und zweite leitende Anschlüsse am Substrat, eine Vielzahl (n) von Widerstandseinheiten (18, 38), verbunden in Serie durch Verbindung erster Verbindungen (20, 40), die alternative Einheiten an entgegengesetzten Seiten verbinden,
zweite Verbindungen (22, 42) zum Vorsehen selektiv ent fernbarer Verbindungen, die kürzer sind als die Einheiten und die die ersten Verbindungen (20, 40) mit den ersten und zweiten Anschlüssen alternativ derart verbinden, daß dann, wenn alle zweiten Verbindungen (22, 42) intakt sind, der gesamte Widerstand der Einheiten die Summe sämtlicher parallel geschalteter Einheiten (R/n) ist und
wobei dann, wenn sämtliche zweite Verbindungen (22, 42) entfernt sind, nur die ersten Verbindungen (20, 40) ver bleiben und der gesamte Widerstand die Summe sämtlicher Längen in Serie (nR) ist, wobei dieser gesamte Widerstand in Stufen einstellbar ist.

2. Widerstand nach Anspruch 1, wobei jede der Einheiten (18, 38) einen Pfad aus Widerstandsmaterial aufweist und sämt liche Einheiten Pfade aus Widerstandsmaterial von im ganzen identischer Länge sind.

3. Widerstand nach Anspruch 1 und wobei jede der Einheiten einen Pfad aus Widerstandsmaterial ist und die Einheiten Pfade aus Widerstandsmaterial mit im ganzen unterschied licher Länge sind.

4. Widerstand nach Anspruch 1, wobei die Einheiten Pfade aus Widerstandsmaterial sind, wobei einer der Pfade viel brei ter ist als die anderen und trennbar ist entlang der Länge desselben, um die Einstellung des Widerstandswerts des Widerstands zwischen den Stufen kontinuierlich zu ge statten.

5. Widerstand nach Anspruch 1, wobei n von 5 bis 30 ist, was einen Widerstandsgesamtbereich (Verhältnis der maximal zu minimal erhältlichen Werte) von n zum Quadrat vorsieht, was gleich 400 ist, wenn n=20 ist.

6. Widerstandsnetzwerk mit einer Gruppe identischer Wider stände nach Anspruch 1, geeignet zur Verbindung zwischen ihren Anschlüssen zur Bildung eines Netzwerks und wobei jeder Widerstand in der Gruppe anfangs den minimalen Widerstandswert R/n besitzt und einstellbar ist auf einen gewünschten Wert bis zum Maximalwert von nR, und zwar durch selektives Trennen der zweiten Verbindungen der selben; wobei die Widerstände ferner auf einer Oberfläche eines gemeinsamen Substrats angeordnet sind, und wobei die Widerstände ferner identische Eigenschaften besitzen mit Ausnahme ihres Widerstandswertes, erhalten durch die Tren nung der zweiten Verbindungen, wodurch sämtliche Wider stände anfangs den minimalen Widerstandswert besitzen können und das Netzwerk der Widerstände vorsehen können und wobei jeder auf einen unterschiedlichen Widerstands wert eingestellt werden kann.

7. Widerstand nach Anspruch 1, wobei die Einheiten entweder ein dünner Film (Schicht), abgeschieden auf dem Substrat oder eine Folie, abgeschieden auf dem Substrat sind.

8. Widerstandsnetzwerk nach Anspruch 6, wobei die Einheiten jedes Widerstands des Netzwerks ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus dünnem Film (Schicht), abgeschieden auf und Folienspuren angebracht an dem Substrat.

9. Verfahren zum Vorsehen eines Widerstands mit einem präzisen Widerstandswert einer auswählbaren Größe, wobei folgende Schritte vorgesehen sind:
Vorsehen eines isolierenden Substrats,
Formen erster und zweiter elektrischer Anschlüsse auf dem Substrat,
Formen einer Vielzahl von Widerständen auf dem Substrat, die in Serie miteinander verbunden sind,
Formen einer Vielzahl von auswählbar entfernbaren Verbindungen, die benachbarte der Vielzahl von Widerständen verbinden, und zwar parallel zwischen den ersten und zweiten elektrischen Anschlüssen, und
selektives Entfernen ausgewählter Verbindungen zum Vorsehen eines gewünschten Widerstandes zwischen den ersten und zweiten elektrischen Anschlüssen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des selektiven Entfernens den Schritt des Laserschmelzens umfaßt.

11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Widerstandsformungs schritt ausgeführt wird, um im wesentlichen sämtliche Widerstände der Vielzahl von Widerständen mit im ganzen identischer Breite und Dicke zu bilden.

12. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Widerstandsformungs schritt ausgeführt wird zur Bildung oder Formung der Viel zahl von Widerständen von im ganzen identischer Länge.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Widerstandsformungsschritt ausgeführt wird zur Bildung der Vielzahl von Widerständen mit im ganzen unterschiedlichen Längen.

14. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Schritte ausgeführt werden zur Bildung einer Vielzahl der Widerstände integral auf dem Substrat und zur Verbindung der Anschlüsse der selben zum Vorsehen eines Netzwerks aus der Vielzahl von Widerständen.