CN104120323B - 一种薄膜电阻、溅射靶材及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种薄膜电阻，其包括Zn、Al、O三种元素，其中（Zn，Al）和O的原子个数比值为：0.95～1.05，Al和Zn的原子个数比值为：0～0.15。本发明采用较常见的Zn、Al、O三种元素作为薄膜电阻的原材料，并通过控制三种元素的原子个数使得制得的薄膜电阻的电阻率覆盖范围广。相对于现有技术，本发明的薄膜电阻材料成本更低、对环境影响更小且本发明的薄膜电阻不包含任何铁磁性元素，在薄膜电阻通电使用过程中噪声小、寄生电感也小。本发明还公开一种溅射靶材和制备上述薄膜电阻的方法。

Description

一种薄膜电阻、溅射靶材及制备方法
技术领域
本发明涉及一种电阻，尤其涉及一种薄膜电阻、溅射靶材及制备方法。
背景技术
薄膜电阻是指采用真空蒸镀、直流或交流溅射、化学沉积等方法制成的厚度一般在0.5～11μm的膜式电阻。薄膜电阻多用于形成印刷电路板中的嵌入式电阻。
现有的薄膜电阻，例如公开号为CN1989453的中国专利“整体镀覆电阻器以及含有整体镀覆电阻器的印刷电路板的制造方法”，其电阻原材料为含有镍和磷的合金并通过电镀法获得薄膜形态；又如公开号为CN1614059的中国专利“金属电阻材料、溅射靶材、电阻薄膜及其制造方法”，其电阻原材料为镍、铬、铝、硅，还含有少量的稀土元素并通过磁控溅射获得薄膜形态；还如公开号为CN1830042的中国专利“制造具有零电阻率温度系统的薄膜电阻器的方法”，其电阻原材料为钽、氮化钽、鈦、氮化钛、钨、氮化钨中的一种或多种。
上述现有的薄膜电阻都包含有镍、钽或稀土等贵金属，某些薄膜电阻甚至还包含有铬等毒重金属材料使得现有的薄膜电阻成本较高且对环境不友好。另外，镍、钽、铬等金属都属于比较耐腐蚀的金属，在进行图形蚀刻加工时会有一定难度，并且镍具有铁磁性，制备过程中会带来铁磁共振噪声和寄生电感。由于上述选材的限制使得现有的薄膜电阻的电阻率覆盖范围有限，特别是不容易获得较大阻值的电阻。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提出一种成本低廉，且可以实现从中等电阻率到高电阻率范围覆盖的薄膜电阻。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种薄膜电阻，其包括Zn、Al、O三种元素，其中（Zn，Al）和O的原子个数比值为：0.95～1.05，Al和Zn的原子个数比值为：0～0.15。
进一步地，（Zn，Al）和O的原子个数比值为：0.95～1.02，Al和Zn的原子个数比值为：0～0.06。
进一步地，所述薄膜电阻厚度为0.05μm至5μm。
进一步地，所述薄膜电阻厚度为1.05μm至1.12μm。
进一步地，所述薄膜电阻电阻率为8.26e-5Ω.cm至5.35e6Ω.cm。
本发明还提供一种溅射靶材，所述溅射靶材上Zn、Al、O三种元素的原子个数比值为：（Zn，Al）和O的原子个数比值为：0.95～1.05，Al和Zn的原子个数比值为：0～0.15。
本发明还提供一种制造薄膜电阻的方法，其包括步骤：
S1：制备溅射靶材，所述溅射靶材上Zn、Al、O三种元素的原子个数比值为：（Zn，Al）和O的原子个数比值为：0.95～1.05，Al和Zn的原子个数比值为：0～0.15；
S2：将薄膜电阻所需附着的基材放入镀膜腔内，而后对镀膜腔抽真空使得镀膜腔的气压低于3乘10-3Pa；
S3：在镀膜腔内充入氧气和氩气的混合气体使得镀膜腔内的气压稳定在0.1-3.0Pa；
S4：沉积薄膜，使得薄膜电阻的厚度在0.05-5μm范围内。
进一步地，步骤S3中氧气分压和氩气分压的比例为（0-0.1）：6。
进一步地，步骤S4中，通过控制沉积时间和沉积功率来控制薄膜电阻的厚度。
进一步地，所述基材为玻璃、陶瓷、塑料、金属或高分子材料。
本发明采用Zn、Al、O三种元素作为薄膜电阻的原材料，并通过控制三种元素的原子个数使得制得的薄膜电阻的电阻率覆盖范围广。相对于现有技术，本发明的薄膜电阻材料成本更低、对环境影响更小且本发明的薄膜电阻不包含任何铁磁性元素，在薄膜电阻通电使用过程中噪声小、寄生电感也小。
附图说明
图1为制造薄膜电阻的方法流程框图。
具体实施方式
本发明提供一种薄膜电阻，其包括Zn、Al、O三种元素，其中（Zn，Al）和O的原子个数比值为：0.95～1.05，Al和Zn的原子个数比值为：0～0.15。（Zn，Al）是指Zn原子与Al原子的总和。
氧化锌是一种宽禁带半导体，常规形态的氧化锌的电阻率约为10e5Ω*cm，而薄膜形态的氧化锌的电阻率则较低，约为0.1-1Ω*cm。正是由于氧化锌随着形态的变化，电阻率的变化范围跨度较大，因此可以利用氧化锌作为基本材料，通过往氧化锌内添加铝元素使得三者混合后的产物的薄膜电阻率也能够具有跨度较大的变化范围。
其主要原因是，在氧化锌内添加铝元素后，三价的铝元素替代了部分的二价锌元素，形成施主掺杂。而不同的铝元素的掺入量使得掺杂后材料具有不同的电阻率。总的来说，随着铝元素掺杂量的增加，掺杂后的材料的电阻率会呈现一个先增加后减小的变化趋势，并且掺杂后材料的的氧元素的空位浓度也会影响最终产品的电阻率，因此需要精确设定锌元素、氧元素和铝元素的原子个数比使得材料制得的薄膜电阻的电阻率符合需求。
上述薄膜电阻可以通过真空磁控溅射镀膜、化学气相沉积、超声喷雾热解、溶胶凝胶等方法实现大面积、大批量的工业化制备。其中真空磁控溅射镀膜的成膜质量高、工艺复现性好，成为较优选的制备方法。
请参照图1，图1为本发明采用真空磁控溅射法制备薄膜电阻的步骤流程框图。图1中，薄膜电阻的制备方法包括：
步骤S1：制备溅射靶材，所述溅射靶材上Zn、Al、O三种元素的原子个数比值为：（Zn，Al）和O的原子个数比值为：0.95～1.05，Al和Zn的原子个数比值为：0～0.15；
在利用真空磁控溅射法制备薄膜电阻时，需先制备溅射靶材。溅射靶材的Zn、Al、O三种元素的原子个数比例需与最终制备的薄膜电阻的原子个数比例相同，也即，溅射靶材的Zn、Al、O三种元素的原子个数比值为：（Zn，Al）和O的原子个数比值为：0.95～1.05，Al和Zn的原子个数比值为：0～0.15。溅射靶材的铝和锌元素可来自于ZnAl合金靶材或数个纯铝靶材和纯锌靶材，氧元素来自于溅射过程中充入的氧气和空气中的氧元素。溅射靶材的三种元素还可均来自于原始靶材，例如采用氧化铝、氧化锌靶材等。
步骤S2：将薄膜电阻所需附着的基材放入镀膜腔内，而后对镀膜腔抽真空使得镀膜腔的气压低于3乘10-3Pa；
基材根据需要进行选取，可采用已知的各种基材，例如金属材料、陶瓷材料、塑料、高分子材料，例如纤维增强树脂等。
步骤S3：在镀膜腔内充入氧气和氩气的混合气体使得镀膜腔内的气压稳定在0.1-3.0Pa；
优选地，步骤S3中氧气分压和氩气分压的比例为（0-0.1）：6。
步骤S4：沉积薄膜，使得薄膜电阻的厚度在0.05-5μm范围内。
在步骤S3后打开溅射电源开始沉积薄膜，优选地，可通过调节溅射装置的沉积时间和沉积功率来控制薄膜电阻的厚度。
依照上述方法，本发明通过在步骤S1范围内调节三种元素的原子个数比例并通过调整步骤S3中氧气分压和氩气分压比例，共制得9种薄膜电阻，通过在室温下测试该9种薄膜电阻的方块电阻值，结果如表1所示。其中，薄膜电阻厚度由台阶仪测得，方块电阻值由四探针台测得。
表1
实施例1～9的测试结果表明，薄膜电阻厚度越厚，薄膜电阻的方块电阻越小；薄膜电阻中Al、Zn原子比例和氧的相对含量对薄膜的电阻率有显著影响。因此，本发明涉及的电阻材料，可以通过调节薄膜电阻的厚度和所含各元素的比例得到很宽范围的电阻率覆盖，其中实施例7、8、9是获取小电阻率的较优方案，而实施例1-4是获取大电阻率的较优方案。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种薄膜电阻，其特征在于，包括Zn、Al、O三种元素，其中(Zn，Al)和O的原子个数比值为：0.95～1.05，Al和Zn的原子个数比值为：0～0.15，其中，所述薄膜电阻的电阻率随着Al元素掺杂量的增加呈现先增加后减小的变化趋势。
2.根据权利要求1所述的薄膜电阻，其特征在于，(Zn，Al)和O的原子个数比值为：0.95～1.02，Al和Zn的原子个数比值为：0～0.06。
3.根据权利要求1或2所述的薄膜电阻，其特征在于，所述薄膜电阻厚度为0.05μm至5μm。
4.根据权利要求3所述的薄膜电阻，其特征在于，所述薄膜电阻厚度为1.05μm至1.12μm。
5.根据权利要求1或2所述的薄膜电阻，其特征在于，所述薄膜电阻电阻率为8.26e‐5Ω.cm至5.35e6Ω.cm。
6.一种制造薄膜电阻的方法，其特征在于，包括步骤：
S1：制备溅射靶材，所述溅射靶材上Zn、Al、O三种元素的原子个数比值为：(Zn，Al)和O的原子个数比值为：0.95～1.05，Al和Zn的原子个数比值为：0～0.15；
S2：将薄膜电阻所需附着的基材放入镀膜腔内，而后对镀膜腔抽真空使得镀膜腔的气压低于3×10‐3Pa；
S3：在镀膜腔内充入氧气和氩气的混合气体使得镀膜腔内的气压稳定在0.1‐3.0Pa；
S4：沉积薄膜，使得薄膜电阻的厚度在0.05‐5μm范围内；
其中，所述薄膜电阻的电阻率随着Al元素掺杂量的增加呈现先增加后减小的变化趋势。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S3中氧气分压和氩气分压的比例为(0‐0.1)：6。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S4中，通过控制沉积时间和沉积功率来控制薄膜电阻的厚度。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基材为玻璃、陶瓷、金属或高分子材料。
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