Тонкопленочные резисторы (стр. 2 из 6)
2)Катодное распыление. Этот метод приемлем для тугоплавких металлов (таких, как тантал) и сплавов (таких, как нихром), когда в процессе напыления требуется осуществлять точный контроль. Во время катодного распыления существует большая опасность попадания примесей, чем при напылении. Введение таких методов, как распыление со смещением и газопоглощающее распыление, значительно уменьшает эту опасность. Контроль сопротивления во время распыления затруднен из-за взаимодействия плазменного разряда. В то же время контроль толщины пленки по времени осаждения легче проводить при процессе катодного распыления. Одной из основных причин, мешающих применять этот метод, является то, что необходимый для распыления образец не всегда может иметь линейные размеры, достаточные для изготовления катода. В промышленных установках использование больших катодов не представляет больших трудностей. Метод катодного распыления очень удобен для применения в установках с непрерывным процессом осаждения, поскольку в этом случае проблемы восполнения вещества катода не существует. Использование контактных масок при катодном распылении затруднено. Температуры подложек сравнимы с температурами, которые необходимо поддерживать при методе напыления в вакууме, а контроль за температурами подложек в этом случае осуществлять значительно труднее чем при методе напыления в вакууме.
3) Пиролитическое разложение. Этот метод в основном применяется для получения углеродных пленок. Одним из принципиальных ограничений, затрудняющих реализацию этого метода, является поддержание относительно высокой температуры подложки. В дополнение к этому затрудняется контроль за толщиной пленки, отчасти из-за проблемы создания устройства управления и, отчасти, из-зa трудности получить хорошую равномерность толщины пленки на большой поверхности вследствие сильной зависимости скорости осаждения от температуры подложки. Получение пленок с высокой степенью равномерности толщины затруднено из-за различий газового состава в атмосфере камеры. Однако в промышленности широко используется метод эпитаксиального осаждения полупроводниковых пленок. Стремятся к тому, чтобы пленки, полученные этим методом, имели меньшую концентрацию примесей по сравнению с пленками, полученными методами напыления в вакууме и катодного распыления. При данном методе осаждения применять маски не представляется возможным из-за высокой температуры подложки и природы напыляемого материала.
4) Гидролиз. Этот метод получения пленочных резисторов ограничивается оловянными оксидными пленками и требует температуры подложки свыше 500° С или выше. Обычно стремятся получить пленки с высокой степенью шероховатости поверхности, и поэтому контроль за точной величиной сопротивления сложен. Гидролиз, так же как и метод пиролитического разложения, не позволяет применять маски. Пленки, полученные этим методом, имеют хорошую адгезию с подложкой. Этот метод хорошо использовать в промышленности.
5)Химическое осаждение. Тонкопленочные резисторы на основе химически осажденных пленок в настоящее время находятся еще в стадии разработки. Этот метод так же хорошо использовать в промышленности однако, к сожалению, он применим лишь для ограниченной номенклатуры металлов. По-видимому, контроль можно вести только по одному времени течения процесса, и вполне вероятно, что при этом могут возникнуть те же проблемы обеспечения равномерности, что и в случае метода пиролитического разложения.
Одним из аспектов получения резисторов с помощью любого из описанных методов является организация специальной металлургии проводников. Для многих резистивных материалов важно, чтобы проводящий слой осаждался в той же установке, что и резистивная пленка. Это особенно важно для материалов с низким поверхностным сопротивлением. Обычно осаждение пленок из двух различных материалов не представляет сложности при напылении в вакууме или пиролитическом разложении. Однако для метода катодного распыления необходимы специальные установки, в которых многокатодные системы обеспечивают быстрое последующее осаждение второго металла. Достоинства и недостатки различных методов осаждения представлены в табл. 1.
| Метод | Достоинства | Недостатки |
| Напыление в вакууме | Маскирование в процессе напыления. Легкий контроль. Почти полная универсальность. | Проблема тугоплавких материалов. Газовые примеси. |
| Катодное распыление | Доступность распыления тугоплавких материалов. Большой строк службы испарителя. Малая плотность упаковки. | Наличие катода. Проблема управления. Газовые примеси. |
| Пиролитическое разложение | Большая скорость процесса. Высокая чистота. Хороший отжиг. | Высокая температура подложки. Неравномерность толщины пленки. |
| Гидролиз | Хорошее сцепление пленки с подложкой. | Высокая температура подложки. Неравномерность толщины пленки. Шероховатость. |
| Химическое восстановление | Дешевизна, использование гибкой подложки | Сложность управления |
2. Материалы тонкопленочных резисторов
1) Удельное сопротивление сплавов. Сплавы металлов даже в массивном образце редко имеют удельное сопротивление больше 20—30 мкОм*см. Исключение составляют лишь гафний (30,6 мкОм*см), цирконий(42,4 мкОм* см), титан(43,1 мкОм* см)и марганец (139 мкОм*см), для которых приведенные величины сопротивления получены при 22°С. Некоторые виды сплавов имеют удельное сопротивление порядка 160 мкОм*см; они-то и используются в производстве дискретных резисторов. Одним из их параметров является весьма низкнй ТКС, правда в ограниченном, но в рабочем для радиоэлектронной аппаратуры температурном диапазоне. Результаты исследований в этом направлении были обобщены Джексоном и др. В табл. 2 приводятся свойства некоторых сплавов.
Можно заметить, что каждая комбинация включает, по крайней мере, один переходный металл, наличие которого и определяет специальные свойства этих сплавов. Это объясняется тем фактом, что ближайший заполненный d-уровень перекрывает s-уровень. При уровне Ферми d-уровень имеет большую плотность состояний относительно s-уровня и существует большая вероятность того, что электроны проводимости будут перемещены с s-уровня на d-уровень, где они уже почти не влияют на проводимость.
В результате в подобных сплавах количество свободных носителей оказывается меньше, чем в металлах. Низкий температурный коэффициент сопротивления объясняется тем, что при повышении температуры плотность состояний на d-уровне (при уровне Ферми) уменьшается (некоторое количество электронов переходит на s-уровень). В соответствии с этим увеличивается количество электронов проводимости. Увеличение числа свободных носителей в узком температурном интервале компенсируется рассеиванием фононов, в результате температурный коэффициент сопротивления становится очень низким. Такие особенности этих сплавов при производстве дискретных резисторов с заранее заданными свойствами требуют тщательно контролируемой тепловой обработки.
2) Пленки нихрома. Как только были выявлены преимущества металлических пленок как основы резисторов, большинство исследователей стало считать, что для получения тонких пленок необходимо применять те материалы, которые, как было доказано, имеют наилучшие свойства в массивном образце. Это случилось потому, что дополнительные источники удельного сопротивления, которые имеются в материале, находящемся в виде тонкой пленки, не были полностью оценены. Для изготовления резисторов одним из лучших сплавов считался нихром, состоящий либо из 80% никеля и 20% хрома, либо имеющий некоторые добавки из других металлов. Поэтому ранние исследования в области создания тонкопленочных резисторов проводились на осажденных пленках нихрома. Вскоре было обнаружено, что большинство нихромовых пленок имеют более высокое удельное сопротивление по сравнению со сплавом; этим и объясняется то, что до настоящего времени пленки нихрома продолжают широко использоваться в промышленности. Наиболее широко используемый метод осаждения пленок нихрома — напыление в вакууме. Основные трудности, возникающие при реализации этого метода (кроме проблем, связанных с загрязнением фоновыми газами) — это весьма значительная разность в давлении паров никеля и хрома и высокая химическая активность нихрома по отношению ко многим материалам тиглей. Пытаясь решить последнюю из перечисленных проблем, некоторые исследователи возгоняли сплав из проволочного испарителя, а не испаряли его из расплава. К сожалению, чем ниже температура, тем больше разность в давлении паров компонентов. Например, при 1000°С хром испаряется в 300 раз быстрее никеля, в то время как при 1300°С это отношение падает до 8. Однако, как сообщается в литературе, некоторые исследователи нашли метод эффективного управления процессом возгонки. Например, Монье в качестве испарителя использовал широкую пластинку из нихрома, нагревая ее до температуры 1170° С. Скорость осаждения была всего лишь 13 А/мин-1*мм-2, но равномерность была такой, что контроль за величиной сопротивления оказался не нужен и значение поверхностного сопротивления могло контролироваться только по одному времени напыления. Как и предполагалось, содержание хрома в пленке было почти на 40% больше, чем в испарителе.