МАТЕРИАЛ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ РЕЗИСТОРОВ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РЕЗИСТИВНОЙ ПЛЕНКИ НА ЕГО БАЗЕ Российский патент 2008 года по МПК H01C7/00 

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано при изготовлении высокоомных тонкопленочных резисторов с прецизионными характеристиками.

Известен резистивный материал для изготовления тонкопленочных резисторов, содержащий хром, железо, алюминий, диоксид кремния и алунд при следующем количественном соотношении компонентов, мас.%: хром 10-80, железо 3-20, алюминий 8-25, диоксид кремния 8-50, алунд - остальное (а. св. СССР №834778, кл. Н01С 7/00, 1981).

Этот резистивный материал обеспечивает получение тонкопленочных резисторов с удельным поверхностным сопротивлением 1-10 кОм и ТКС±50×10^-61/°С. Однако на базе этого материала невозможно в серийном производстве получать резистивные пленки с удельным поверхностным сопротивлением 10-30 кОм и малыми значениями ТКС±50×10^-61/°С. Выход годных резисторов с ТКС±50×10^-61/°С составляет не более 20-30%, что является явно недостаточным для серийного выпуска прецизионных резисторов. Кроме того, при изготовлении материала получается большой брак по ЭДС шумов. Так выход годных резисторов с уровнем шумов до 1 мкВ/В составляет всего 30-40%, а до 5 мкВ/В 60-70%. Как известно, для высокоомных тонкопленочных резисторов с прецизионными характеристиками контроль по уровню шумов является одной из основных операций, так как существует корреляция между ЭДС шумов и стабильностью резисторов при их эксплуатации. Задача снижения уровня ЭДС шумов высокоомных тонкопленочных резисторов является актуальной в современном резисторостроении.

Известен материал для изготовления тонкопленочных резисторов, обеспечивающий получение высокоомных резистивных пленок сопротивлением 1-30 кОм с малым ТКС±50×10^-61/°С и достаточно высоким выходом годных резисторов с ЭДС шумов до 1 мкВ/В (патент РФ №2036521, кл. Н01С 7/00, 1993).

Этот материал для тонкопленочных резисторов, содержащий хром, железо, алюминий, диоксид кремния и алунд, дополнительно содержит титан при следующем количественном соотношении компонентов, мас.%: хром 3-28, железо 6-14, алюминий 9-13, диоксид кремния 30-52, титан 10-14 и алунд - остальное. Известный материал выбран за прототип по совокупности признаков, как наиболее близкий к заявляемому материалу.

Однако для резистивных пленок указанного материала не исключено изменение ТКС при незначительном изменении температуры термообработки. Процесс выбора оптимальной температуры термообработки для каждой партии заготовок трудоемок, а разброс по значениям ТКС значителен.

Известный способ получения резистивных пленок на базе известного материала при изготовлении тонкопленочных резисторов (по патенту РФ №2036521, кл. Н01С 7/00, 1993) заключается в следующем: порошки хрома и титана предварительно просеивают через набор сит и в дальнейшем используют только фракции с размером частиц ˜45 мкм. Просев порошка алюминия не производят. Также без просева используют порошок алунда. Порошок двуокиси кремния используют с размером частиц до 60 мкм. Взвешенные компоненты материала смешивают в среде этилового спирта. На 100 г смеси добавляют 70-80 г этилового спирта. После тщательного перемешивания в течение 20-30 мин и получения однородной густой массы материал высушивают в термостате при температуре 120°С в течение 1 ч. По окончании сушки приготовленную смесь материала тщательно растирают до полного удаления комков.

Получение пленок указанного материала проводят в установке вакуумного напыления УВН-61П-2М при вакууме 10^-4-10⁵ мм рт.ст.

В кассету камеры напыления вертикально помещают два вольфрамовых испарителя, один из которых чистый без материала, а другой с нанесенной на него смесью материала. На испаритель длиной 55 см наносят 770 мг смеси материала. Нанесение проводится из спиртовой суспензии вручную с помощью кисточки.

Вокруг испарителей размещают цилиндрические керамические основания резисторов, нанизанные на металлические спицы, которые вращаются вокруг своей оси и одновременно вокруг испарителей, чтобы достичь равномерного процесса формирования пленок.

Процесс напыления резистивных пленок каждой партии резисторов из подготовленной смеси материала проводят следующим образом.

Первоначально обезгаживают испаритель с нанесенным составом, для чего через него пропускают ток 30 А в течение 5 мин. Затем проводят подогрев подложек керамических оснований за счет подогрева чистого вольфрамового испарителя без состава. Через испаритель пропускают ток 30 А в течение 10 мин. После этого на подогретые керамические подложки осуществляют осаждение материала пленки, для чего на 60 с ток на испарителе с составом поднимают до 64 А, делают выдержку 30 с.

Отжиг полученных заготовок резисторов проводят на воздухе в установках СНОЛ-М при выбранной предварительно температуре отжига 500-600°С. Выход годных резисторов составляет в среднем 70-80% как по ТКС±50×10^-61/°С, так и по ЭДС шумов.

Недостатками прототипа являются сложность реализации технологического процесса при изготовлении прецизионных тонкопленочных резисторов и недостаточный выход годных изделий в серийном производстве.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, это создание высокоомного керметного проводящего материала для прецизионных резисторов, обеспечивающего повышение процента выхода годных резисторов с ТКС±25÷50×10^-61/°С и уровнем ЭДС шумов 1 мкВ/В, получаемых при упрощении технологического процесса.

Задача решается оптимальным объемным соотношением проводящей и диэлектрической фазы высокоомного керметного материала для металлизации резистивной пленки прецизионных резисторов и способом получения резистивных пленок на базе указанного материала при изготовлении тонкопленочных резисторов.

Предлагаемый материал для изготовления тонкопленочных резисторов, содержащий хром, железо, алюминий, титан, диоксид кремния и алунд, характеризуется тем, что исходные компоненты взяты при следующем количественном соотношении, мас.%:

Хром10-24Железо2-8Алюминий11-17Диоксид кремния41-57Титан2-8Алунд7-13.

Предлагаемый способ получения резистивных пленок на базе описанного выше материала при изготовлении тонкопленочных резисторов включает приготовление смеси из компонентов материала на основе хрома, железа, алюминия, диоксида кремния, титана и алунда, осаждение пленки в вакууме на поверхности керамических оснований возгонкой из смеси с использованием вольфрамового испарителя и последующей термообработкой согласно предложению характеризуется тем, что осаждение пленки проводят в два этапа, на первом из которых осуществляют за 10 с подъем тока на испарителе до 45 А, выдержку 30 с, затем на втором этапе осуществляют за 60 с подъем тока до 64 А, выдержку 30 с, после чего заготовки с осажденной пленкой подвергают вакуумной прокалке при подъеме тока за 60 с на испарителе до 52 А и выдержке 60 с и осуществляют термостабилизацию при температуре 190-260°С в течение одного-двух часов, выдерживают в течение суток на воздухе, а последующую термообработку проводят при 400-620°С.

Увеличение процентного содержания алюминия, как ингредиента, обладающего способностью размягчать и образовывать стеклообразные легкоплавкие вещества с другими осаждаемыми на подложку компонентами, повышает удельное сопротивление пленки при меньшем объеме проводящей фазы, но не ухудшает ТКС.

Значительное уменьшение проводящей фазы пленки за счет уменьшения процентного содержания железа и титана перемещает ТКС в сторону положительных значений, отрицательные значения ТКС компенсируются с помощью термообработки токопроводящей пленки при определенных заявляемых температурах.

Уменьшение процентного содержания титана, относящегося к материалам-геттерам, позволяет получить резистивные пленки определенной структуры с небольшим содержанием окислов, что обеспечивает низкие значения ТКС и уровня шумов.

Увеличение в проводящем материале диэлектрической составляющей - диоксида кремния и алунда повышает удельное сопротивление резистивной проводящей пленки и позволяет получить резисторы значением сопротивления до 15-40 кОм.

Введение вакуумной прокалки и термостабилизации заготовок после напыления пленки на поверхности оснований перед армированием обеспечивает стабильность пленки, а также позволяет исключить трудоемкий процесс подбора режима термообработки при трех температурах для нескольких выборок из партии (для определения R и ТКС, что требовалось проводить в способе-прототипе).

Сущность изобретения выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата. В заявляемом изобретении отличительными от прототипа признаками являются конкретные выбранные концентрации компонентов хрома, железа, алюминия, титана, диоксида кремния и алунда, а также предлагаемый режим металлизации, что позволяет получать высокоомные резистивные пленки сопротивлением 15÷40 кОм с выходом годных по ТКС±25×10^-61/°С не менее 70-80% и с выходом годных по уровню ЭДС шумов 1 мкВ/В не менее 70÷80%.

Ниже приводятся конкретные примеры, подтверждающие возможность осуществления изобретения и доказывающие возможность получения указанного технического результата. Для изготовления тонкопленочных резисторов на основе предлагаемого материала было приготовлено 4 смеси с различным содержанием исходных компонентов, например, таких как в прототипе (см. таблицу 1). Для приготовления этих смесей порошки хрома (например, марка ПХ1С), железа (например, марка ПЖ4М) и титана (например, марка ПТОМ) предварительно просеивались через набор сит и в дальнейшем использовались только фракции с размером частиц ˜40 мкм. Просев порошка алюминия, например, марки АСД-4 не проводился. Также без просева использовался порошок алунда. Порошок двуокиси кремния (например, марка ЧДА) использовался с размерами частиц до 40 мкм. Взвешенные в соответствии с указанными в таблице процентными соотношениями компоненты резистивного материала (по 100 г каждой смеси) ссыпались в фарфоровые ступки. Смешивание компонентов проводилось в среде этилового спирта. На 100 г смеси добавлялось 100 г этилового спирта. После тщательного перемешивания в течение 1,5-2,0 часов и получения однородной густой массы материал отстаивался в течение 18 часов, а затем осуществлялось его высушивание в термостате при температуре 110°С в течение 2 часов. По окончании сушки приготовленные смеси материала тщательно растирались до полного удаления комков и пересыпались в стеклянные бюксы.

Получение пленок из предлагаемого материала проводилось в установке вакуумного напыления при вакууме 10^-4-10^-5 мм рт.ст. В кассету камеры напыления вертикально помещались два вольфрамовых испарителя, один из которых с нанесенным на него материалом, а другой без резистивного материала (чистый).

Вокруг испарителей размещали цилиндрические керамические основания резисторов, нанизанные на металлические спицы, которые вращались вокруг своей оси и одновременно вокруг испарителей для обеспечения равномерного процесса формирования пленки на всей поверхности основания резистора и одинаковых условий осаждения пленок. Процесс получения пленки осуществлялось на известном оборудовании, например, как описано в патенте №2036521.

Процесс напыления каждой из подготовленной смеси предлагаемого материала проводился следующим образом. Через испаритель пропускался ток 30 А в течение 5 мин. Затем на подогретые керамические подложки проводилось осаждение резистивного материала, для чего на первом этапе осуществляли за 10 с подъем тока на испарителе до 45 А, выдержку 30 с, затем на втором этапе осуществляли за 60 с подъем тока до 64 А, выдержку 30 с, после чего заготовки с осажденной пленкой подвергали вакуумной прокалке при подъеме тока за 60 с на испарителе до 52 А и выдержке 60 с. Далее осуществляли термостабилизацию при температуре 190-260°С в течение одного-двух часов, выдерживали в течение суток на воздухе, а последующую термообработку проводили при 400-620°С.

Изготавливались резисторы в диапазоне 1-10 МОм.

Для определения процента выхода годных резисторов с ТКС±25÷50×10^-61/°С проводилась раскалибровка резисторов на автоматической системе "ТКС-72". Результаты полученного выхода годных резисторов, изготовленных на базе различных процентных соотношений компонентов предлагаемого резистивного материала, приведены в таблице 1. Затем резисторы контролировались по уровню ЭДС шумов на шумомере типа АШ-2. Результаты по выходу годных резисторов приведены в таблице 1.

Таблица 1ИнгредиентМатериал 1Материал 2Материал 3Материал 4Материал по прототипуХром151024173-28Железо87256-14Алюминий111715159-13Титан287510-14Диоксид кремния5745414830-52Алунд7131110остальноеУдельное поверхностное сопротивление, 20-3015-2020-2520-4010-30Выход годных резисторов по ТКС:     ±2572717075-±5095-10095-10095-10095-10070-80Выход годных резисторов по ЭДС шумов     До 1 мкв/В7872768060-70До 5 мкв/В90909310080-100

За счет предлагаемого оптимального объемного соотношения проводящей и диэлектрической фазы материала, подобранного опытным путем, резистивная токопроводящая пленка прецизионных резисторов, нанесенная предлагаемым способом возгонки в вакууме указанной смеси ингредиентов (проводящего материала) на керамические основания, достигнуто увеличение выхода годных резисторов.

Простота получения предлагаемого материала и процесса его напыления на керамические основания при заданных режимах дают возможность его использования без дополнительных затрат в любом серийном производстве тонкопленочных резисторов.

Оптимальные соотношения компонентов материалов представлены в таблице 2.

Таблица 2Ингредиент, %Предлагаемый материалМатериал по патенту 2036521Хром1715Железо513Алюминий1511Титан513Диоксид кремния4845Алунд103

Постоянные непроволочные резисторы на основе предлагаемого материала изготовлены предлагаемым способом и испытаны на соответствие требованиям ТУ на поставку, результаты испытаний положительные и оформлены Актами №№31/2005, 32/2005, 33/2005, 628/2006.

Выход годных при изготовлении резисторов С2-29В - 0,125 с ТКС±25×10^-61/°С составил 75%, С2-29В - 0,25 с ТКС±25×10^-61/°С - 70%, выход годных резисторов с уровнем шума до 1 мкВ/В - 80% и 70% соответственно.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при изготовлении высокоомных тонкопленочных резисторов с прецизионными характеристиками. Материал для изготовления тонкопленочных резисторов содержит хром, железо, алюминий, диоксид кремния, титан и алунд при следующем количественном соотношении, мас.%: хром 10-24; железо 2-8; алюминий 11-17; диоксид кремния 41-57; титан 2-8; алунд 7-13. Способ получения резистивной пленки, включающий приготовление смеси из компонентов материала, нанесение пленки на керамические основания возгонкой из смеси в вакууме с использованием испарителя с последующей термообработкой, отличается тем, что осаждение пленки проводят в два этапа, на первом из которых осуществляют за 10 с подъем тока на испарителе до 45 А, выдержку 30 с, затем на втором этапе осуществляют за 60 с подъем тока до 64 А, выдержку 30 с, после чего заготовки с осажденной пленкой подвергают вакуумной прокалке при подъеме тока за 60 с на испарителе до 52 А и выдержке 60 с и осуществляют термостабилизацию при температуре 190-260°С в течение одного-двух часов, выдерживают в течение суток на воздухе, а последующую термообработку проводят при 400-620°С. Изобретение обеспечивает получение высокоомных пленок сопротивлением 15-17 кОм с выходом годных по TKC±25÷50×10^-61/°С не менее 70-80%. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

1. Материал для изготовления тонкопленочных резисторов, содержащий хром, железо, алюминий, титан, диоксид кремния и алунд, отличающийся тем, что он содержит исходные компоненты при следующем количественном соотношении, мас.%:

Хром10-24Железо2-8Алюминий11-17Диоксид кремния41-57Титан2-8Алунд7-13