DE4115328C2

DE4115328C2 - Elektrische Widerstände und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE4115328C2
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: 2002-10-31
Anticipated expiration: 2011-05-11
Also published as: JP2945166B2; GB2243956A; IL94340A; GB9109614D0; FR2662013A1; DE4115328A1; US5206623A; FR2662013B1; IL94340A0; GB2243956B; JPH07147202A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Widerstände und Widerstandsnetz werke, die auswählbare Widerstandswerte vorsehen und ferner bezieht sich die Erfindung auf Verfahren zur Herstellung derselben. Die Erfindung ist besonders geeignet zum Vorsehen von Widerständen in Dünnschicht- oder Folienform, die lasertrimmbar sind, um den Widerstandswert derselben einzustellen oder auszuwählen.

Bei der Herstellung von Präzisionswiderständen sind die Mittel von Wichtigkeit, die zur Einstellung des Ohmschen Widerstandswerts dieser Widerstände dienen, und zwar auf eine bestimmte 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 Herstellung von ansonsten identischen Widerständen mit einem halbfertigen Zustand in großen Mengen, so daß sich eine wirtschaftliche Herstellung in großen Stückzahlen ergibt. Sodann können kleine Mengen dieser halbfertigen Widerstände auf einen endgültigen bestimmten Widerstandswert nach Bedarf eingestellt werden. Je größe 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 Bereich hinweg ist besonders im Fall von Widerstandsnetzwerken wichtig. Diese bestehen aus einer Vielzahl von Widerstandselementen im allgemeinen von unterschiedlichem Wert und werden üblicherweise als Spannungsteiler verwendet. In derartigen Fällen hängt die Effektivität des Netzwerkes stark von sämtlichen individuellen Elementen insoferne ab, als diese nahezu identische Leistungseigenschaften besitzen müssen. Diese Leistungs- oder Performanceeigenschaften beziehen sich allgemein auf das Ausmaß an Stabilität, welches der Widerstand dann zeigt, wenn er unterschiedlichen physikalischen oder chemischen Beanspruchungen, ent weder 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 Performanceeigenschaften.

US 4 782 320 zeigt ein Widerstandsnetzwerk zwischen Anschlüssen, das aus mehreren seriellen und parallelen Zweigen besteht, die zur Einstellung des Gesamtwiderstands aufgetrennt werden können.

Aus der CH 661 612 A5 ist eine mäanderförmige Widerstandsbahn bekannt, deren einzelne Mäander überbrückt sind, wobei zur Einstellung des Gesamtwiderstands diese Brücken selektiv aufgetrennt werden können.

DE 17 94 780 U zeigt eine Anordnung von parallelen Widerstandsbahnen zwischen Anschlüssen, die selektiv aufgetrennt werden können.

GB 1 566 151 zeigt eine Serienschaltung von unterschiedlich gestalteten Widerstandsbahnen, die über Verbindungen überbrückt sind, wobei zur Einstellung des Gesamtwiderstands diese Brücken selektiv aufgetrennt werden können.

Ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, verbesserte einstellbare oder auswählbare Widerstände und Widerstandsnetzwerke vorzusehen, und zwar mit extrem hoher Präzision und einem sehr großen Widerstandsbereich, wobei ferner Verfahren angegeben werden sollen, die zur Herstellung solcher Wider stände 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 bildet eine Vielzahl von Widerstandsbahnen, die in Serie verbunden sind durch erste Verbindungen, die aus dem gleichen Widerstandsmaterial wie die Spuren sein können. Eine Vielzahl von selektiv entfernbaren Verbindungen (zweiten Ver bindungen) verbinden die Spuren parallel zwischen den ersten und zweiten elektrischen Anschlüssen. Diese zweiten Verbindungen erstrecken sich von den ersten Verbindungen, welche eines der entgegengesetzten Enden der Spuren in Serie verbinden, zu dem ersten Anschluß sowie vom zweiten Anschluß zu den ersten Verbindungen, um 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 Verbindungen 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 Abstandsbeziehung angeordnet. Zudem ist gemäß einem Ausführungsbeispiel 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 Ausführungsbeispiel 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 betrieben gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 eine Darstellung eines Widerstands, aufgebaut und betrieben gemäß dem derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 3 eine Darstellung eines Widerstandsnetzwerkes von fünf unterschied lichen Widerstandskonfigurationen, realisiert durch Schmelzen unter schiedlicher 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 Substrat wird verwendet. Es wird typischerweise aus Silicium, Glas, Keramik oder irgendwelchem anderen dielektrischem Material geformt. Auf einer Oberfläche des Substrats sind erste und zweite elektrische Anschlüsse oder Klemmen 12 und 14 definiert, die vorzugs weise aus einem gut leitenden Material, wie beispielsweise Aluminium, Gold, Nickel oder Platin, gebildet sind.

Zwischen den Anschlüssen 12 und 14 ist eine Widerstandsanordnung 16 ange ordnet, und zwar hergestellt aus einer Dünnschicht oder Folie aus einem ge eigneten 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 Widerstandsanord nung 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-Effekt-Verdampfung 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 parallelen Widerstands einheiten (Spuren oder Bahnen), deren jede in der Form eines Streifens 18 vorliegt und deren jede gleichförmig und von identischer Breite, Dicke, Länge und Entfernung von 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 typischerweise als Fortsetzungen der Streifen 18 definiert sind und sich von den Verbindungen 20 aus erstrecken. Die Verbindungen 22 sind vorzugsweise laserschmelzbar entsprechend konventionellen Laserschmelz verfahren, wie es beschrieben ist im oben genannten Stand der Technik.

Erfindungsgemäß erzeugt das selektive Schmelzen oder Verschmelzen einer oder mehrerer entsprechender paralleler Verbindungen 22 dort einen offenen Kreis oder eine offene Schaltung, was es gestattet, den Widerstand der Anordnung stufenweise zu erhöhen, während andere Eigenschaften des Widerstands beibe halten werden. Zudem ist gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein zusätzliches Zylinderhut-förmiges Widerstandselement 24 vorgesehen als ein Teil des Widerstandsmusters, wobei dieses durch konventionelle Lasertrimmverfahren in der Weise geschnitten werden kann, daß eine kontinuierliche und dadurch genauere Einstellung des Widerstands vorgesehen wird. Der Schnitt kann entlang der Länge des Elements 24 durch das Verbindungsstück 22 erfolgen, und zwar beginnend am Ende des Elements 24 an der linken Seite der Fig. 1.

Für die Konfiguration der Fig. 1 einschließlich n Widerstandsstreifen des indivi duellen Widerstandswertes R, ergibt es eine große Anzahl unterschiedlicher Kombinationen von Verschmelzungsmustern, die eine Vielzahl von diskreten unterschiedlichen Widerstandswerten vorsehen können. Wenn keine der paral lelen Verbindungen (zweite Verbindungen) geschnitten werden, ist der gesamte Widerstand minimal, Rmin = R/n. Wenn sämtliche der parallelen Verbindungen 22 geschnitten werden, so ist dieser Widerstand maximal bei Rmax = nR. Es gibt 2²ⁿ unterschiedliche Serien und Parallelkombinationen, die theoretisch 2²ⁿ unter schiedliche Widerstandswerte zwischen Rmax und Rmin vorsehen können. In der Praxis werden weniger als 2²ⁿ unterschiedliche 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 das Schmelzen von Verbindungen, zu erhalten, können zusätzliche Variationen im Widerstand durch Trimmen des Zylinderhut förmigen Widerstandselements 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 Widerstand 30 darstellt, und zwar aufgebaut und arbeitend entsprechend dem derzeit bevor zugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. 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 angeordnet, 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 gleich förmiger und identischer Breite, Dicke und Trennung vom Nachbar, aber unter schiedlicher Länge. Die Serienverbindungen 40 besitzen Verbindungen 42 zu den Anschlüssen 32 und 34, die selektiv verschmolzen (geschnitten) sind, um in inkrementaler Weise den Widerstandswert zu ändern. Das Zylinderhut-förmige Widerstandselement 44 dient der gleichen Funktion wie das Zylinderhut-förmige Widerstandselement 24 in Fig. 1. Das Zylinderhut-förmige Widerstandselement 44 ist in Längsrichtung geschnitten, und zwar vom rechten Endanschluß aus, um eine Analogeinstellung im Inkrementalwert, ausgewählt durch Schneiden der Verbin dungen 42, vorzunehmen.

Verglichen mit dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sieht das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2, bei dem die Längen der Widerstandselemente 38 sich voneinander unterscheiden, eine größere Redundanzmenge für jeden gegebenen, eingestellten Widerstandswert vor. Diese erhöhte Redundanz ermöglicht die Auswahl von Ver bindungsschmelzmustern mit relativ hohen Verhältnissen von Wärmeverteilungs oberfläche zu Substratoberfläche, wohingegen die Temperaturgradienten zwischen Teilen der Widerstandsanordnung begrenzt werden.

Es sei nunmehr auf die Fig. 3 Bezug genommen, die ein Widerstandsnetzwerk veranschaulicht mit fünf im ganzen identischen Widerständen der Art gemäß Fig. 2, wobei n = 21 und der Widerstandswert der Streifen nominal 2000 Ohm beträgt. Jeder der Widerstände ist mit einem unterschiedlichen geschmolzenen Verbin dungsmuster ausgebildet, so dass fünf unterschiedliche Endwiderstandswerte vorgesehen sind. Man erkennt in diesem Beispiel, daß der realisierte Widerstand im Bereich von 95 Ohm bis 42000 Ohm liegt, wobei der Fall von 95 Ohm vorliegt, wenn sämtliche Verbindungen 42 intakt gelassen werden, während der Fall von 42000 Ohm vorliegt, wenn sämtliche Verbindungen 42 geschmolzen sind 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 jeglicher geeigneten Konfiguration und mit jeglichem geeigneten Verbindungsschmelzmuster in ein Widerstandsnetzwerk 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 Widerstands musters, welches über einen sehr breiten Widerstandsbereich einstellbar ist, müßten individuelle Widerstände aus unterschiedlichen Produktionschargen, konventionell hergestellt mit individuellen Mustern eines sehr begrenzten Wi dertandsbereichs, ausgewählt werden. Dies würde die Wirtschaftlichkeit des Netzwerkherstellungsverfahrens und die Betriebsperformance 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 anfäng liche Festlegung eintreten, so gleichförmig wie möglich unter sämtlichen Elemen ten sind. Dies kann am leichtesten dadurch erreicht werden, daß sämtliche Wi derstände in einem gegebenen Netzwerk aus der gleichen Produktionscharge stammen.

Claims

1. Elektrischer Widerstand, der folgendes aufweist:
ein isolierendes Substrat,
erste und zweite leitende Anschlüsse (12, 14, 32, 34) am Substrat, eine Vielzahl n von Widerstandseinheiten (18, 38) mit jeweils einem Wider stand R und verbunden in Serie durch erste Verbindungen (20, 40), die die Widerstandseinheiten (18, 38) abwechselnd an entgegengesetzten Enden verbinden,
zweite Verbindungen (22, 42), die kürzer sind als die Widerstandseinheiten und die die ersten Verbindungen (20, 40) abwechselnd mit den ersten und zweiten Anschlüssen (12, 14, 32, 34) verbinden und die derart selektiv entfernbar sind, daß dann, wenn alle zweiten Verbindungen (22, 42) intakt sind, der Gesamtwiderstand sämtlicher parallel geschalteter Widerstands einheiten (18, 38) R/n beträgt und daß dann, wenn sämtliche zweiten Verbindungen (22, 42) entfernt sind, der Gesamtwiderstand die Summe sämtlicher Widerstandseinheiten (18, 38) in Serie nR beträgt, wobei dieser Gesamtwiderstand in Stufen einstellbar ist.

2. Widerstand nach Anspruch 1, wobei jede der Widerstandseinheiten (18, 38) einen Pfad aus Widerstandsmaterial aufweist und wobei sämtliche Wider standseinheiten (18, 38) Pfade aus Widerstandsmaterial von identischer Länge sind.

3. Widerstand nach Anspruch 1, wobei jede der Widerstandseinheiten (18, 38) einen Pfad aus Widerstandsmaterial aufweist und wobei die Widerstands einheiten (18, 38) Pfade aus Widerstandsmaterial mit unterschiedlicher Länge sind.

4. Widerstand nach Anspruch 1, wobei die Widerstandseinheiten (18, 38) Pfade aus Widerstandsmaterial sind, wobei einer der Pfade breiter ist als die anderen und trennbar ist entlang der Länge desselben, um eine kontinuierliche Einstellung des Widerstandswerts des Widerstands zwischen den Stufen zu gestatten.

5. Widerstand nach Anspruch 1, wobei n von 5 bis 30 ist.

6. Widerstand nach Anspruch 1, wobei die Einheiten entweder ein dünner Film, abgeschieden auf dem Substrat, oder eine Folie, befestigt auf dem Substrat, sind.

7. Widerstandsnetzwerk mit einer Gruppe identischer Widerstände nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, 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 gemein samen Substrats angeordnet sind, und wobei die Widerstände ferner iden tische Eigenschaften besitzen mit Ausnahme ihres Widerstandswertes, welcher erhalten wird durch die selektive Trennung der zweiten Verbindungen.

8. Verfahren zum Vorsehen eines elektrischen Widerstands, dessen präziser Widerstandswert auswählbar ist, wobei folgende Schritte vorgesehen sind:
Vorsehen eines isolierenden Substrats,
Bilden erster und zweiter elektrischer Anschlüsse (12, 14, 32, 34) auf dem Substrat,
Bilden einer Vielzahl n von Widerstandseinheiten (18, 38) mit jeweils einem Widerstand R auf dem Substrat,
Verbinden der Widerstandseinheiten (18, 38) in Serie durch erste Verbin dungen (20, 40), die die Widerstandseinheiten (18, 38) abwechselnd an entgegengesetzten Enden verbinden,
Verbinden der ersten Verbindungen (20, 40) abwechselnd mit den ersten und zweiten Anschlüssen (12, 14, 32, 34) anhand zweiter Verbindungen (22, 42), die kürzer sind als die Widerstandseinheiten (18, 38), derart, daß dann, wenn alle zweiten Verbindungen (22, 42) intakt sind, der Gesamtwiderstand sämtlicher parallel geschalteter Widerstandseinheiten (18, 38) R/n beträgt und daß dann, wenn sämtliche zweiten Verbindungen (22, 42) entfernt sind, der Gesamtwiderstand die Summe sämtlicher Widerstandseinheiten (18, 38) in Serie nR beträgt, und
selektives Entfernen einiger, aller oder keiner der zweiten Verbindungen (22, 42), um den Gesamtwiderstand stufenweise einzustellen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des selektiven Entfernens den Schritt des Laserschmelzens umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Bildens einer Vielzahl von Widerstandseinheiten ausgeführt wird, um im wesentlichen sämtliche Wider standseinheiten mit identischer Breite und Dicke zu bilden.

11. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Bildens einer Vielzahl von Widerstandseinheiten ausgeführt wird zur Bildung der Vielzahl von Wider standseinheiten mit identischer Länge.

12. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Bildens einer Vielzahl von Widerstandseinheiten ausgeführt wird zur Bildung der Vielzahl von Wider standseinheiten mit unterschiedlichen Längen.

13. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Schritte ausgeführt werden zur Bildung einer Vielzahl der Widerstände integral auf dem Substrat und zur Verbindung der Anschlüsse derselben zum Vorsehen eines Netzwerks aus der Vielzahl von Widerständen.