TWI612538B

TWI612538B - 薄膜電阻合金

Info

Publication number: TWI612538B
Application number: TW105124680A
Authority: TW
Inventors: 李英杰
Original assignee: 國立屏東科技大學
Priority date: 2016-08-03
Filing date: 2016-08-03
Publication date: 2018-01-21
Also published as: CN107686909A; US10121575B2; TW201810304A; US20180040396A1

Abstract

本發明提供一種薄膜電阻合金，係由以原子百分比計為38~60%的鎳、10~25%的鉻、3~10%的錳、4~18%的釔及1~36%的鑭系元素所組成。本發明薄膜電阻合金得以在低溫度電阻係數下，大幅提高其電阻率，以達到增加該薄膜電阻合金的應用性之功效。

Description

薄膜電阻合金

本發明係關於一種電阻合金，特別係關於一種薄膜電阻合金。

電阻為被動元件之一，根據其製程不同可大致區分為厚膜電阻組成物及薄膜電阻合金，厚膜電阻組成物通常被運用在對電阻值精準度容忍度較高的消費性電子產品中，而薄膜電阻合金的產生則隨著製備方法及材料上的改良，已具備相當高的精準度，而可進一步應用於醫療儀器、工業電腦及汽車等精密儀器上，經濟潛能極高。

通常薄膜電阻合金的成分對於其應用性有著決定性的影響，薄膜電阻合金之溫度電阻係數(Temperature coefficient of resistance，簡稱TCR)及電阻率更是應用性的指標，優良之薄膜電阻合金應具備有低溫度電阻係數，使薄膜電阻合金於組裝形成晶片電阻或電子裝置時，可使其體積薄型化，並且擁有高運作穩定性。

習知技術揭示了一種習知薄膜電阻合金，該習知薄膜電阻合金之成份為鎳鉻合金或鎳鉻錳合金，該習知薄膜電阻合金具有低溫度電阻係數，既使經溫度變化依然能維持良好的穩定性，使該習知薄膜電阻合金可靠度佳。然而，該習知薄膜電阻合金在維持低溫度電阻係數時，受限於該習知薄膜電阻合金的材料，其電阻率往往無法提高，在僅能具有低電阻率的情況下，限制了該習知薄膜電阻合金的應用性，無法適當地運用在需要高電阻的電子裝置或晶片上。

有鑑於此，有必要提供一種薄膜電阻合金，以解決該習知薄膜電阻合金無法同時達到低溫度電阻係數及高電阻率而產生的問題。

為解決上述問題，本發明提供一種薄膜電阻合金，係可在維持低溫度電阻係數的情況下，更進一步提高電阻率。

本發明的一種薄膜電阻合金，係由以原子百分比計為38~60%的鎳、10~25%的鉻、3~10%的錳、4~18%的釔及1~36%的鑭系元素所組成。

本發明薄膜電阻合金係藉由其組成成分(鎳、鉻、錳、釔及鑭系元素)及特定配比(以原子百分比計為38~60%的鎳、10~25%的鉻、3~10%的錳、4~18%的釔及1~36%的鑭系元素)，使該薄膜電阻合金得以在低溫度電阻係數下，提高其電阻率，以達到增加該薄膜電阻合金的應用性之功效。

其中，該薄膜電阻合金可以包含以原子百分比計為40.4~58.5%的鎳、12.5~21.6%的鉻、5.2~7.8%的錳、6.1~15.5%的釔及3.7~33.1%的鑭系元素，使該薄膜電阻合金得以在低溫度電阻係數下，具有高電阻率。

其中，該薄膜電阻合金可以包含以原子百分比計為58.5%的鎳、21.6%的鉻、7.5%的錳、8.7%的釔及3.7%的鏑；44.6%的鎳、16.2%的鉻、5.2%的錳、15.5%的釔及18.5%的鏑；42.9%的鎳、15.2%的鉻、6.2%的錳、9.5%的釔及26.2%的鏑；或41.0%的鎳、14.3%的鉻、5.5%的錳、6.1%的釔及33.1%的鏑。藉此，可以調整該薄膜電阻合金之組成，以因應各種電阻率之需求。

其中，該薄膜電阻合金可以包含以原子百分比計為54.8%的鎳、19.4%的鉻、7.8%的錳、12.9%的釔及5.1%的鋱；46.6%的鎳、16.9%的鉻、8.3%的錳、10.1%的釔及18.1%的鋱；42.9%的鎳、15.1%的鉻、6.1%的錳、10.8%的釔及25.1%的鋱；或40.4%的鎳、12.5%的鉻、5.4%的錳、9.2%的釔及32.5%的鋱。藉此，可以調整該薄膜電阻合金之組成，以因應各種電阻率之需求。

第1圖：係本發明薄膜電阻合金及習知薄膜電阻合金之鏑的含量對電阻率之作圖。

第2圖：係本發明薄膜電阻合金及習知薄膜電阻合金之鏑的含量對溫度電阻係數之作圖。

第3圖：係本發明薄膜電阻合金及習知薄膜電阻合金之鋱的含量對電阻率之作圖。

第4圖：係本發明薄膜電阻合金及習知薄膜電阻合金之鋱的含量對溫度電阻係數之作圖。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：本發明提供一種薄膜電阻合金，係包含鎳、鉻、錳、釔及鑭系元素。其中，該薄膜電阻合金之組成配比為以原子百分比(at.%)計為38~60%的鎳、10~25%的鉻、3~10%的錳、4~18%的釔及1~36%的鑭系元素。所述鑭系元素係指鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、鉕(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、鑥(Lu)，為所屬技術領域之通常知識者可以理解。詳言之，該薄膜電阻合金可以僅添加一種鑭系元素；或者，可以選擇混合數種鑭系元素，以共同達到1~36%之原子百分比。藉由適當比例之鎳、鉻、錳之添加，可以維持穩定的TCR值，並藉由釔及鑭系元素之添加，可以在維持穩定的TCR值之情況下，更進一步提高該薄膜電阻合金的電阻率。

該薄膜電阻合金係可藉由各種習知用以製備薄膜電阻的方法所形成，例如真空蒸發或濺鍍法(包含直流磁控濺射法或射頻磁控濺射法)等工藝方法，本發明係利用直流磁控濺射法，以符合該薄膜電阻合金的組成份之金屬作為靶材，並以一固定功率之直流電在真空中進行濺鍍，該固定功率之大小可以設定在10~75W之範圍內，濺鍍後經300℃退火4小時，以於一基板上沉積厚度小於300nm之薄膜電阻合金，薄膜電阻的厚度係可以根據濺鍍時間及濺鍍功率進行調整，本發明並不加以限制形成該薄膜電阻合金的方法及其厚度。

本發明之薄膜電阻合金係包含鎳、鉻、錳、釔及鑭系元素，且透過特定金屬元素組成配比，使該薄膜電阻合金能在維持低溫度電阻係數範圍(一般而言，低TCR的定義為+50~-50ppm/℃)的情況下，能具備有相較於鎳鉻錳合金之習知薄膜電阻合金更高之電阻率。

為證實本發明之薄膜電阻合金確實可以同時具有低溫度電阻係數及高電阻率，係進行以下試驗：

(A)本發明包含鎳、鉻、錳、釔及鏑之薄膜電阻合金

於本試驗中，係以鎳鉻錳合金之習知薄膜電阻合金作為對照組(第A0組)，並利用四點探針量測技術(four-point probe technique)量測對照組與本發明薄膜電阻合金之電阻率。本試驗中，代表本發明之該薄膜電阻合金依據其組成成分不同可分為第A1組、第A2組、第A3組及第A4組，其中，各組之成分配比請參照下附之第1表，其電阻率測量結果如第1圖所示。各組之原子百分比係對各組進行能量色散x-射線光譜(energy-dispersive x-ray spectroscopy，簡稱EDS)分析所獲得。

電阻率量測結果：第A0組之電阻率為369(μΩ×cm)，第A1組之電阻率為646(μΩ×cm)，第A2組之電阻率為1096(μΩ×cm)，第A3組之電阻率為1310(μΩ×cm)，A4組之電阻率為1590(μΩ×cm)，由第1圖亦可明顯觀察到第A1~A4組之電阻率皆顯著地高於第A0組，顯示本發明之薄膜電阻合金相較於成分為鎳鉻錳之習知薄膜電阻合金具備有較高的電阻率，且由第A1~A4組之電阻率量測結果進一步得知隨著鏑的原子百分比提升(由3.7%至33.1%)，電阻率亦隨之提高。

另分別量測上述第A0~A4各組之平均溫度電阻係數，係將各組固定於冶具上並同時量測獲得5個溫度電阻係數，並取平均值而得，鏑含量對溫度電阻係數之作圖係如第2圖所示。

溫度電阻係數量測結果：第A0組之TCR為57.5ppm/℃，第A1組之TCR為18.5ppm/℃，第A2組之TCR為8.3ppm/℃，第A3組之TCR為-6.2ppm/℃，而第A4組之TCR為-8.2ppm/℃，由本試驗結果可以得知本發明薄膜電阻合金(第A1~A4組)之溫度電阻係數皆維持在+50~-50ppm/℃，係皆落於低溫度電阻係數之範圍內。

(B)本發明包含鎳、鉻、錳、釔及鋱之薄膜電阻合金

於本試驗中，係以與上述第A0組相同之習知薄膜電阻合金作為對照組(第B0組)，並以與(A)實驗相同之方法量測電阻率及分析原子百分比。本試驗中，代表本發明之該薄膜電阻合金依據其組成成分不同可分為第B1組、第B2組、第B3組及第B4組，其中，各組之成分配比請參照下附之第2表，其電阻率測量結果如第3圖所示。

電阻率量測結果：第B0組之電阻率為369(μΩ×cm)，第B1組之電阻率為785(μΩ×cm)，第B2組之電阻率為1155(μΩ×cm)，第B3組之電阻率為1259(μΩ×cm)，B4組之電阻率為1754(μΩ×cm)，由第3圖亦可明顯觀察到第B1~B4組之電阻率皆顯著地高於第B0組，顯示本發明之薄膜電阻合金相較於成分為鎳鉻錳之習知薄膜電阻合金具備有較高的電阻率，且由第B1~B4組之電阻率量測結果進一步得知隨著鏑的原子百分比提升(由5.1%至32.5%)，電阻率亦隨之提高。

以同上(A)實驗之方法測量第B0~B4組之溫度電阻係數，並以鋱含量對溫度電阻係數之作圖係如第4圖所示。溫度電阻係數量測結果：第B0組之TCR為57.5ppm/℃，第B1組之TCR為19.4ppm/℃，第B2組之TCR為13.4ppm/℃，第B3組之TCR為5.0ppm/℃，而第B4組之TCR為-4.5ppm/℃，由本試驗結果可以得知本發明薄膜電阻合金(第B1~B4組)之溫度電阻係數皆維持在+50~-50ppm/℃，係皆落於低溫度電阻係數之範圍內。

綜合上述各試驗結果顯示，本發明薄膜電阻合金，無論所添加之鑭系元素選用鏑或鋱，皆可以在維持低溫度電阻係數的情況下，相對於習知薄膜電阻合金具有更高的電阻率。

綜上所述，本發明薄膜電阻合金係藉由其組成成分(鎳、鉻、錳、釔及鑭系元素)及特定配比(以原子百分比計為38~60%的鎳、10~25%的鉻、3~10%的錳、4~18%的釔及1~36%的鑭系元素)，使該薄膜電阻合金得以在低溫度電阻係數下，大幅提高其電阻率，以達到增加該薄膜電阻合金的應用性之功效。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims

一種薄膜電阻合金，係由以原子百分比計為38~60%的鎳、10~25%的鉻、3~10%的錳、4~18%的釔及1~36%的鑭系元素所組成。
如申請專利範圍第1項所述之薄膜電阻合金，其中，該薄膜電阻合金係包含以原子百分比計為40.4~58.5%的鎳、12.5~21.6%的鉻、5.2~7.8%的錳、6.1~15.5%的釔及3.7~33.1%的鑭系元素。
如申請專利範圍第1或2項所述之薄膜電阻合金，其中，該薄膜電阻合金係包含以原子百分比計為58.5%的鎳、21.6%的鉻、7.5%的錳、8.7%的釔及3.7%的鏑。
如申請專利範圍第1或2項所述之薄膜電阻合金，其中，該薄膜電阻合金係包含以原子百分比計為44.6%的鎳、16.2%的鉻、5.2%的錳、15.5%的釔及18.5%的鏑。
如申請專利範圍第1或2項所述之薄膜電阻合金，其中，該薄膜電阻合金係包含以原子百分比計為42.9%的鎳、15.2%的鉻、6.2%的錳、9.5%的釔及26.2%的鏑。
如申請專利範圍第1或2項所述之薄膜電阻合金，其中，該薄膜電阻合金係包含以原子百分比計為41.0%的鎳、14.3%的鉻、5.5%的錳、6.1%的釔及33.1%的鏑。
如申請專利範圍第1或2項所述之薄膜電阻合金，其中，該薄膜電阻合金係包含以原子百分比計為54.8%的鎳、19.4%的鉻、7.8%的錳、12.9%的釔及5.1%的鋱。
如申請專利範圍第1或2項所述之薄膜電阻合金，其中，該薄膜電阻合金係包含以原子百分比計為46.6%的鎳、16.9%的鉻、8.3%的錳、10.1%的釔及18.1%的鋱。
如申請專利範圍第1或2項所述之薄膜電阻合金，其中，該薄膜電阻合金係包含以原子百分比計為42.9%的鎳、15.1%的鉻、6.1%的錳、10.8%的釔及25.1%的鋱。
如申請專利範圍第1或2項所述之薄膜電阻合金，其中，該薄膜電阻合金係包含以原子百分比計為40.4%的鎳、12.5%的鉻、5.4%的錳、9.2%的釔及32.5%的鋱。