RU2818204C1 - Способ изготовления тонкопленочного прецизионного резистора - Google Patents

Способ изготовления тонкопленочного прецизионного резистора Download PDF

Info

Publication number
RU2818204C1
RU2818204C1 RU2022134871A RU2022134871A RU2818204C1 RU 2818204 C1 RU2818204 C1 RU 2818204C1 RU 2022134871 A RU2022134871 A RU 2022134871A RU 2022134871 A RU2022134871 A RU 2022134871A RU 2818204 C1 RU2818204 C1 RU 2818204C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layer
tcr
vacuum
thin
film
Prior art date
Application number
RU2022134871A
Other languages
English (en)
Inventor
Сергей Александрович Гурин
Екатерина Анатольевна Печерская
Максим Дмитриевич Новичков
Елена Александровна Кузнецова
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов"
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов" filed Critical Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов"
Application granted granted Critical
Publication of RU2818204C1 publication Critical patent/RU2818204C1/ru

Links

Abstract

Изобретение относится к области электротехники, а именно, к способу изготовления прецизионных резисторов методом тонкопленочной технологии, работоспособных в диапазоне температур от минус 60 до 150°С, путем вакуумного напыления нано- и микроразмерных пленок с формированием слоев с отрицательным и положительным температурными коэффициентами (ТКС) в едином технологическом цикле. Улучшение эксплуатационных характеристик резисторов за счет минимизации ТКС и стабилизации параметров является техническим результатом, который обеспечивается тем, что формирование нижнего резистивного слоя проводят методом термической вакуумной возгонки исходных компонент сплава никеля Ni и хрома Сr при разряжении от 5⋅10-7 до 5⋅10-5 мм рт.ст. и вакуумного напыления первого слоя с помощью испарителя, на который подают ток величиной от 300 до 400 А, с предварительным распылением материала на заслонку в течение 30-90 сек, и регулированием величины тока до значений, обеспечивающих равномерное кипение сплава, что обеспечивает напыление слоя с положительным знаком ТКС, после чего формирование верхнего слоя проводят методом взрывного испарения с ленточного вольфрамового испарителя керметов К-20С, К-30С и К-50С, представляющих собой резистивный сплав РС-4800 / стекло С44-1 в виде диспергированного порошка, при разряжении от 5⋅10-7 до 5⋅10-5 мм рт ст., и токах в диапазоне 420…550 А, что обеспечивает формирование второго слоя с отрицательным знаком ТКС. Для стабилизации выходных параметров полученных двухслойных тонкопленочных резисторов дополнительно проводят термоциклирование в вакууме, термический отжиг в атмосфере воздуха и старение. 4 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл., 1 пр.

Description

Изобретение относится к области электронной техники, а именно к производству прецизионных резисторов, изготовленных с использованием тонкопленочной технологии, работоспособных в широком диапазоне температур (минус 60…150)°С.
Известны многочисленные способы создания многослойных резистивных элементов, которые обеспечивают улучшение эксплуатационных характеристик резисторов за счет взаимной компенсации ТКС и режимов термостабилизации. Например, в патенте RU 2326460 [1] описан способ изготовления высокотемпературного тонкопленочного резистора из материалов на основе никеля и хрома, заключающийся в формировании в вакууме резистивных монослоев с отрицательным и положительным ТКС, который включает послойное формирование резистивных слоев в едином технологическом цикле, где резистивный слой с отрицательным ТКС формируют электронно-лучевым испарением, а резистивный слой с положительным ТКС - термическим испарением. Зная фактические значения ТКС сплава Х20Н75Ю получаемой двухслойной структуры, возможно, рассчитать толщины этих слоев через величину удельного поверхностного сопротивления ρs и управлять значением ТКС, приближая его к нулю. Предлагаемый способ обеспечивает компенсацию ТКС. Недостаток способа состоит в высокой стоимости технологического оборудования вследствие использования установки, реализующей, как электронно-лучевое, так и термическое испарение, снижение временной стабильности резистора за счет фракционирования состава при испарении электронно-лучевым методом, при котором преимущественно испаряется хром, окислы которого имеют полупроводниковые свойства и в результате отрицательный ТКС, но более низкие показатели стабильности.
Также известен способ изготовления многослойной тонкопленочной гетероструктуры с заданной величиной удельного поверхностного сопротивления RU 2750503 [2]. Заданный положительный температурный коэффициент сопротивления (ТКС) получается в результате того, что резистивный слой формируют методом магнетронного распыления в вакуумной камере, одновременно из двух раздельных источников, где магнетронное распыление проводят с использованием одного из элементов группы металлов: железо (Fe), никель (Ni), кобальт (Со) с одной мишени и одного из металлических лигандов: ванадий (V), хром (Сr), титан (Ti) с другой мишени. Изменением соотношения компонентов в гетероструктуре по процентному содержанию от 10% до 90% формируют требуемую величину удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки. Процесс напыления контролируют по сопротивлению «свидетеля», расположенного на карусели подложек. Количество циклов напыления слоев и ТКС определяются согласно математическим выражениям.
К недостаткам способа относятся: сложность и дороговизна реализации метода получения слоев, низкое качество контроля удельного поверхностного сопротивления получаемых слоев по сопротивлению «свидетеля» в связи с искажением его показаний в плазме высокого разряда при магнетронном распылении, что особенно проявляется при нанометровых размерах пленок.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является способ изготовления тонкопленочного резистора по патенту RU 2700592 [3]. Он заключается в том, что перед напылением резистивного слоя и контактных площадок предварительно наносят дополнительный слой (пленку) из полупроводникового материала на основе окислов переходных металлов, где величина удельного поверхностного сопротивления дополнительного слоя определяется по критерию минимизации ТКС двухслойной структуры и обеспечения защиты от локальных перегревов. Технический результат направлен на улучшение эксплуатационных характеристик по нагрузочной способности, ТКС, термостабильности. Недостаток такого технического решения заключатся в ограниченной области применения, связанной с возможностью компенсации только изначально положительного ТКС резистивной пленки, а как известно одни из самых распространенных керметных (К-20С, К-30С) резисторов имеют отрицательные ТКС [4], сложность управления сопротивлением резистора, вследствие невозможности качественного контроля по образцу «свидетеля» с учетом распыления дополнительного слоя методом реактивного магнетронного распыления с возбуждением плазмы в ВЧ-разряде, а также с учетом того, что подгонка и стабилизации сопротивления резисторов осуществляется при высоких температурах вплоть до 550°С, возможны диффузия в дополнительный слой, изменение характеристик дополнительного слоя и ухудшение операции лазерной подгонки резистора вследствие дополнительного рассеяния.
Техническим результатом заявленного изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик за счет минимизации ТКС и технологии стабилизации параметров.
Технический результат достигается тем, что на планарной стороне твердотельной диэлектрической подложки методами вакуумного распыления образуют многослойную структуру из нано- и микроразмерных пленок материалов с отрицательным ТКС 1 и положительным ТКС 2, содержащую тонкопленочные резистивные и контактные слои, после чего с использованием фотолитографии и травления формируют резистивные элементы и контактные площадки 3 к ним (фиг. 1).
Резистивный слой получают в виде двухслойной структуры в едином технологическом цикле в вакууме из двух высокостабильных материалов с положительным и отрицательным ТКС, где сопротивление двухслойного тонкопленочного резистора определяется выражением;
где ρS1 - поверхностное сопротивление нижнего слоя;
ρS2 - поверхностное сопротивление верхнего слоя;
N - число квадратов резистивного слоя;
- соотношение поверхностных сопротивлений слоев.
Соотношение поверхностных сопротивлений нижнего (положительного) и верхнего (отрицательного) слоев в зависимости от температуры при условии, что такая двухслойная структура должна иметь ТКС близкий к нулю (cir~0), определяется как:
где α1 - ТКС Х20Н75Ю нижнего слоя двухслойной структуры;
α2 - ТКС К20-С, К-30С, К-50С верхнего слоя двухслойной структуры;
d1 - толщина Х20Н75Ю нижнего слоя двухслойной структуры;
d2 - толщина К20-С, К-30С, К-50С верхнего слоя двухслойной структуры.
Исходя из представленных условий, в наиболее благоприятном варианте компенсация ТКС наступит в случае равенства ТКС верхнего и нижнего слоев по модулю и равенства удельных поверхностных сопротивлений слоев двухслойной структуры. При этом толщины слоев будут разными, т.к. пленки на основе Х20Н75Ю и керметов К-20С и К-30С имеют отличные электрофизические характеристики.
Способ осуществляется следующим образом.
На первом этапе производится предварительный расчет требуемого сопротивления двухслойного тонкопленочного резистора. Приведем пример расчета параметров для получения сопротивления такого резистора с сопротивлением 100 Ом и рассмотрим технологию его изготовления. Общее сопротивление двухслойного тонкопленочного резистора находится исходя из выражения для параллельного соединения резисторов:
Для тонкопленочной технологии, при изготовлении резисторов методами термического испарения в вакууме, где контроль удельного поверхностного сопротивления осуществляется по «образцу-свидетелю» для расчета получения заданного сопротивления наиболее удобно использовать выражение (1). Топологический рисунок двухслойного тонкопленочного резистора с сопротивлением 100 Ом имеет простую форму в виде полоскового резистора, где длина больше ширины и длина составляет два квадрата с коэффициентом формы Кф=1 (фиг. 2). Для получения сопротивления 100 Ом сопротивление квадрата двухслойной резистивной структуры должно составлять порядка 50 «Свидетель» для контроля удельного поверхностного сопротивления пленки представляет собой диэлектрическую полоску из ситалла с напыленными контактами из алюминия А1. Длина между контактами составляет 12 квадратов, и поэтому для получения сопротивления двухслойной структуры 50 сопротивление «образца-свидетеля» после напыления должно быть порядка 600 Ом.
Формирование нижнего резистивного слоя производилось методом термической вакуумной возгонки исходных компонент сплава никеля Ni и хрома Сr при разряжении от 5⋅10-7 до 5⋅10-5 мм рт.ст., при этом вакуумное напыление первого слоя производили с помощью испарителя, на который подавали ток величиной от 300 до 400 А, с предварительным распылением материала на заслонку в течение 30-90 сек и регулировали величину тока до значений, обеспечивающих равномерное кипение сплава, что обеспечивало после напыления положительный знак ТКС и сопротивление не более 330 , что согласно теоретическим и экспериментальным данным для сплавов никеля Ni и хрома Сr обеспечивает наиболее лучшие электрофизические параметры по стабильности. Средние значения ТКС тонкопленочной структуры на основе никеля Ni и хрома Сr, согласно полученным экспериментальным данным в 95% случаях лежат в диапазоне от (5…50)⋅10-6 1/°С.
Верхний слой формировали методом взрывного испарения с ленточного вольфрамового испарителя керметов К-20С, К-30С и К-50С представляющих собой резистивный сплав РС-4800 / стекло С44-1 в виде диспергированного порошка, при разряжении от 5⋅10-7 до 5⋅10-5 мм рт.ст. и токах в диапазоне 420…550 А и имеющего после напыления отрицательный знак ТКС. При этом с целью исключения диффузии материалов контактных площадок в «тело» тонкопленочного многослойного резистора и последующего его «подтрава» на этапе фотолитографии при травлении материала контактных площадок термостабилизацию в вакууме непосредственно после напыления пленок не проводили. Средние значения ТКС тонкопленочной структуры на основе керметов К-20С, К-30С и К-50С, согласно полученным экспериментальным данным в 95% случаях лежат в диапазоне от минус (15…80)⋅10-6 1/°С.
Из полученных данных видно, что добиться примерного равенства ТКС нижнего и верхнего слоев по модулю не получится. Однако в связи с обязательными длительными высокотемпературными операциями по стабилизации, подгонке и старению тонкопленочных резисторов, что влечет неизбежное смещение ТКС в положительную сторону, как у Х20Н75Ю, так и керметов К-20С, К-30С и К-50С было решено получать пленки с равными удельными поверхностными сопротивлениями. Это позволяет получить ТКС двухслойного тонкопленочного резистора до проведения всех операций по подгонке и старению порядка минус (30…15)⋅10-6 ррm.
Для обеспечения равенства значений удельного поверхностного сопротивления нижнего и верхнего слоев, сопротивление нижнего слоя из сплава никеля Ni и хрома Сr по показаниям «образца-свидетеля» должно составлять 1200 После напыления верхнего слоя из керметов К-20С, К-30С и К-50С сопротивление двухслойной структуры по «образцу-свидетелю» должно быть порядка 600
С учетом этого полученное сопротивление верхнего слоя можно выразить из формулы (1), подставив в нее полученные значения. В результате получим:
где 50 - это общее сопротивление 1-го квадрата двухслойной структуры;
100 - это сопротивление 1-го квадрата нижнего слоя на основе сплава никеля Ni и хрома Сr
X - это искомое сопротивление верхнего слоя из керметов К-20С, К-30С и К-50С.
Выполнив алгебраические преобразования получим:
Следовательно, сопротивление х верхнего слоя также будет равняться 100 Ом.
Эксперимент.
Для получения образцов резисторов и апробирования заявленных результатов были запущены 2 партии по 3 подложки. В качестве диэлектрической основы использовались пластины из ситалла СТ50-1. Перед напылением, для обеспечения необходимой адгезии подложки обезжиривались в хромовой смеси и парах изопропилового спирта с последующим отжигом в муфтельной печи в течение 3 часов.
Нижний слой с положительным знаком ТКС формировали методом термовакуумного напыления навесок из Х20Н80. Разряжение в камере перед напылением составляло порядка 5⋅10-6 мм рт.ст., ток на испарителе регулировали в пределах 300…400 А, добиваясь равномерного расплавления и отсутствия брызг испаряемого материала. Распыление на заслонку перед ее открытием проводили в течение 65-75 сек. Сопротивления на «образце свидетеля» после завершения нанесения составило 1,174 кОм.
Верхний слой с отрицательным знаком ТКС формировали методом «взрывного» испарения в вакууме с ленточного вольфрамового испарителя керметов К-20С, К-30С и К-50С представляющих собой резистивный сплав РС-4800 / стекло С44-1 в виде диспергированного порошка. Разряжение в камере перед напылением составляло порядка 5 ⋅ 10-6 мм рт.ст., ток на испарителе регулировали в пределах 400…550 А. Напыление заканчивали при достижении сопротивления на образце-свидетеле в пределах 0,63-0,67 кОм.
На следующем этапе методами фотолитографии получали рисунок тонкопленочного резистора и формировали схему (фиг. 2).
После формирования схемы выборочно проводили измерение сопротивлений полученных тонкопленочных резисторов при нормальных климатических условиях и при температуре 150°С с целью определения ТКС на каждой из подложек в трех точках по диагонали. Измеренные значения сопротивлений тонкопленочных резисторов приведены в таблице 1.
Из полученных данных видно, что рассчитанные значения сопротивлений и ТКС до высокотемпературных операций термостабилизации, подгонки и старения верны. Предварительные значения ТКС тонкопленочных резисторов лежат в диапазоне минус (30…15)⋅10-6 ррm.
Для стабилизации выходных параметров полученных тонкопленочных резисторов провели следующие технологические операции:
1. Термоциклирование в вакууме (2 цикла) с поднятием температуры до 350…450°С.
2. Термический отжиг в воздухе при температуре 220…360°С в течение 4…12 ч.
3. Высокотемпературная подгонка сопротивлений резисторов в воздухе при температурах 380…550°С.
4. Старение тонкопленочных резисторов в течение не менее 24 ч в воздухе при температурах 140…260°С.
Высокотемпературная подгонка тонкопленочных резисторов в воздухе проводится с целью получения необходимых «номиналов» резисторов и возможности дальнейшей лазерной подгонки. При этом сопротивление тонкопленочных резисторов должно быть не хуже -15% от требуемого в сторону уменьшения.
В таблице 2 приведены измерения сопротивлений тонкопленочных резисторов при нормальных климатических условиях и при температуре 150°С, определены ТКС после проведенных операций.
Из таблицы видно, что значения сопротивлений резисторов не превышают 15% от требуемого (100 Ом), а их ТКС в своей основной массе не хуже ±1,5 ррm. В результате проведенного эксперимента видно, что полученные результаты подтверждают заявленное изобретение по возможности самокомпенсации ТКС слоями из высокостабильных материалов резисторов с разными знаками ТКС.
Источники информации
1. Патент на изобретение №2326460 «Способ изготовления высокотемпературного тонкопленочного резистора», заявлено 23.01.2007, опубликовано 10.06.2008.
2. Патент на изобретение №2750503 «Способ изготовления многослойной тонкопленочной гетероструктуры с заданной величиной удельного поверхностного сопротивления», заявлено 07.12.2020, опубликовано 29.06.2021.
3. Патент на изобретение №2700592 «Способ изготовления тонкопленочного резистора». Заявлено 02.10.2018, опубликовано 18.09.2019.
4. Лугин А.Н. Конструкторско-технологические основы проектирования тонкопленочных прецизионных резисторов // Монография. - 2009. - 287 С.

Claims (7)

1. Способ изготовления тонкопленочного резистора с заданным низким значением температурного коэффициента сопротивления (ТКС), включающий напыление многослойной структуры из нано- и микроразмерных пленок материалов на планарной стороне твердотельной диэлектрической подложки, содержащей тонкопленочные резистивные и контактные слои, отличающийся тем, что резистивный слой получают в виде двухслойной структуры в едином технологическом цикле в вакууме из двух высокостабильных материалов с положительным и отрицательным ТКС, где формирование нижнего резистивного слоя производится методом термической вакуумной возгонки исходных компонент сплава никеля Ni и хрома Сr при разряжении от 5⋅10-7 до 5⋅10-5 мм рт.ст., при этом вакуумное напыление первого слоя производят с помощью испарителя, на который подают ток величиной от 300 до 400 А, с предварительным распылением материала на заслонку в течение 30-90 сек и регулируют величину тока до значений, обеспечивающих равномерное кипение сплава, что обеспечивает после напыления положительный знак ТКС, а верхний слой формируют методом взрывного испарения с ленточного вольфрамового испарителя керметов К-20С, К-30С и К-50С, представляющих собой резистивный сплав РС-4800 / стекло С44-1 в виде диспергированного порошка, при разряжении от 5⋅10-7 до 5⋅10-5 мм рт.ст. и токах в диапазоне 420…550 А, и имеющего после напыления отрицательный знак ТКС.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что с целью исключения диффузии материалов контактных площадок в «тело» тонкопленочного многослойного резистора и последующего его «подтрава», на этапе фотолитографии при травлении материала контактных площадок термостабилизацию в вакууме непосредственно после напыления пленок не проводят.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что величины удельного поверхностного сопротивления верхнего и нижнего слоев определяются из условия компенсации ТКС согласно, математического выражения, требуемого «номинала» и исходя из экспериментальных данных
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что величины удельного поверхностного сопротивления верхнего и нижнего слоев не равны по модулю, но принимаются и изготавливаются с равными значениями, с целью получения ТКС двухслойных тонкопленочных резисторов порядка минус (30…15)⋅10-6 ррm до операций термостабилизации, подгонки и «старения»;
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после операций термостабилизации, подгонки и «старения» происходит «уход» сопротивлений резисторов в сторону уменьшения для возможности лазерной подгонки и компенсации ТКС, приближающей его к нулю.
RU2022134871A 2022-12-27 Способ изготовления тонкопленочного прецизионного резистора RU2818204C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2818204C1 true RU2818204C1 (ru) 2024-04-25

Family

ID=

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19780905C2 (de) * 1996-08-27 2003-03-20 Kamaya Electric Co Widerstand und Verfahren zu seiner Herstellung
RU2326460C1 (ru) * 2007-01-23 2008-06-10 ФГУП "НИИ физических измерений" Способ изготовления высокотемпературного тонкопленочного резистора
EA201600585A1 (ru) * 2014-09-30 2016-12-30 Общество С Ограниченной Ответственностью "Изовак Технологии" Прецизионный чип-резистор и способ его изготовления
RU2700592C1 (ru) * 2018-10-02 2019-09-18 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" Способ изготовления тонкопленочного резистора
JP2020522612A (ja) * 2017-05-22 2020-07-30 ヴィシャイ エレクトロニック ゲーエムベーハー Ntcrセンサの製造方法
EP2715745B1 (en) * 2011-06-03 2020-08-05 Cree, Inc. Thin film resistor and method for its production
RU2750503C1 (ru) * 2020-12-07 2021-06-29 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" Способ изготовления многослойной тонкопленочной гетероструктуры с заданной величиной удельного поверхностного сопротивления

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19780905C2 (de) * 1996-08-27 2003-03-20 Kamaya Electric Co Widerstand und Verfahren zu seiner Herstellung
RU2326460C1 (ru) * 2007-01-23 2008-06-10 ФГУП "НИИ физических измерений" Способ изготовления высокотемпературного тонкопленочного резистора
EP2715745B1 (en) * 2011-06-03 2020-08-05 Cree, Inc. Thin film resistor and method for its production
EA201600585A1 (ru) * 2014-09-30 2016-12-30 Общество С Ограниченной Ответственностью "Изовак Технологии" Прецизионный чип-резистор и способ его изготовления
JP2020522612A (ja) * 2017-05-22 2020-07-30 ヴィシャイ エレクトロニック ゲーエムベーハー Ntcrセンサの製造方法
RU2700592C1 (ru) * 2018-10-02 2019-09-18 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" Способ изготовления тонкопленочного резистора
RU2750503C1 (ru) * 2020-12-07 2021-06-29 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" Способ изготовления многослойной тонкопленочной гетероструктуры с заданной величиной удельного поверхностного сопротивления

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR830001873B1 (ko) 저항체 조성물
KR970005081B1 (ko) 고저항 및 고안정성 금속 필름 저항기 및 그 제조방법
US4454495A (en) Layered ultra-thin coherent structures used as electrical resistors having low temperature coefficient of resistivity
US4063211A (en) Method for manufacturing stable metal thin film resistors comprising sputtered alloy of tantalum and silicon and product resulting therefrom
RU2818204C1 (ru) Способ изготовления тонкопленочного прецизионного резистора
US5306873A (en) Load cell with strain gauges having low temperature dependent coefficient of resistance
US8482375B2 (en) Sputter deposition of cermet resistor films with low temperature coefficient of resistance
US4338145A (en) Chrome-tantalum alloy thin film resistor and method of producing the same
JPH0553865B2 (ru)
US3585073A (en) Electric film resistors
Reddy et al. Ta Al N thin film resistors with improved electrical properties
Nahar et al. Electrical properties of RF sputtered NiCr thin film resistors with Cu contacts
RU2700592C1 (ru) Способ изготовления тонкопленочного резистора
TWI830547B (zh) 雙層結構薄膜電阻
TWI708856B (zh) 薄膜電阻的製造方法
US20210305031A1 (en) Method for manufacturing thin film resistive layer
JPH09503627A (ja) 電気的抵抗構造体
JP4042714B2 (ja) 金属抵抗体材料、スパッタリングターゲットおよび抵抗薄膜
JP4752075B2 (ja) 抵抗器、その製造方法
JP4238689B2 (ja) 金属抵抗体およびその製造方法
Reddy et al. Temperature-compensated RC networks developed using Ta Al N thin films
US7609144B2 (en) High resistivity thin film composition and fabrication method
RU2330342C1 (ru) Резистивный материал
JPS6024561B2 (ja) 抵抗膜薄
JPS6024562B2 (ja) 抵抗薄膜