Технологія виготовлення тонкоплівкових резисторів

ЗМІСТ 

 

ВСТУП 

    Тема  даної курсової роботи «Технологія  виготовлення тонкоплівкових резисторів». В ній детально розкривається дана тема.

    Резистор (англ. resistor, від латів. resisto — чиню опір), — пасивний елемент електричного кола, в ідеалі що характеризується тільки опором електричному струму, тобто для ідеального резистора у будь-який момент часу повинен виконуватися закон Ома: миттєве значення напруги на резисторі пропорційно струму що проходить через нього . На практиці ж резистори в тій чи іншій степені володіють також паразитною ємкістю, паразитною індуктивністю і нелінійністю вольтамперної характеристики.

    Резистор (resistor) — активний опір, на якому відбувається втрата енергії (Ом).

     Залежно від характеру зміни опору, резистори  розділяють на постійні – значення опору фіксоване; змінні – із значенням  опору, що змінюється.

    Залежно від призначення резистори діляться на загального призначення і спеціальні (прецизійні, надпрецизійні, високочастотні, високовольтні, високоме-гаомні).

    Резистори класифікуються на постійні резистори (опір яких не регулюється), змінні регульовані  резистори (потенціометри, реостати, підстроєчні резистори) і різні спеціальні резистори, наприклад: нелінійні (які, строго кажучи, не є звичайними резисторами через нелінійність ВАХ), терморезистори (з великою залежністю опору від температури), фоторезистори (опір залежить від освітленості), тензорезистори (опір залежить від деформації резистора), магніторезистори та ін.

 

1 ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ 

    За  використовуваним матеріалом резистори  класифікуються на: дротяні, плівкові металеві, металофольгові, вуглецеві, напівпровідникові.

    Дротяні — резистори, в яких резистивним елементом є високоомний дріт (виготовляється з високоомних сплавів: константан, ніхром, нікелін).

    Недротяні — резистори, в яких резистивним елементом є плівки або об'ємні композиції з високим питомим опором.

    Металофольгові — резистори, в яких резистивним елементом є фольга певної конфігурації.

    Недротяні резистори можна розділити на тонкоплівкових (товщина шаруючи  в нанометрах), товстоплівкових (товщина  в долях міліметра), об'ємних (товщина  в одиницях міліметра).

    Металоплівкові і металлоокисні резистори широко використовуються в електронній апаратурі. Об'єм їх виробництва в даний час складає 40 – 50% загального об'єму постійних резисторів. Основні типи металлоплівкових постійних резисторів розроблені Б. А. Бочкаревим. Значне збільшення випуску металлоплівкових і металлоокисних резисторів викликане підвищенням вимог до термостійкості, стабільності і надійності радіокомпонентів.

    Металоплівкові  і металлоокисні резистори володіють рядом позитивних властивостей: малим коефіцієнтом напруги і коефіцієнтом навантаження, невеликим рівнем власних шумів, хорошими частотними характеристиками. Використовуючи різні сплави і варіюючи товщину провідного елементу, отримують резистори з широким діапазоном номінальних опорів.

    Провідний елемент металлоплівкового або металлоокисного резистора є тонкою плівкою із сплаву, металу або оксидів металів, посаджену на ізоляційну основу.

    Як  ізоляційні основи в цьому випадку  використовують різні матеріали: кераміку, скло, ситали та ін. Розміри керамічних основ постійних металлоплівкових резисторів приблизно в два-три рази менші, а питомі навантаження, відповідно, більше в порівнянні з вуглецевими резисторами аналогічної потужності.

    Провідні  плівки різних сплавів, металів, оксидів  металів володіють високою адгезією до ізоляційних основ, тому їх можна використовувати як провідні елементи змінних резисторів. Проте високий ступінь адгезії плівки до ізоляційної основи обмежує можливості точної підгонки величини опору до номінального значення методом механічного зняття провідного шару.

    Одним з істотних недоліків металлоплівкових резисторів є їх порівняно мала стійкість до імпульсного навантаження унаслідок неоднорідності тонкої металевої плівки. У імпульсному режимі роботи резистора в місцях мікронеоднорідностей виникають локальні перегріви, які можуть привести до руйнування провідного шару.

 

2 МЕТОДИ НАНЕСЕННЯ ТОНКИХ ПЛІВОК 

    У технології виробництва металоплівкових резисторів використовують різні методи отримання тонких провідних плівок: термічне випаровування у вакуумі, катодне, реактивне і іонно-плазмове розпилення, термічне розкладання, електрохімічне і хімічне осадження, випалення і тому подібне 

    2.1 Метод термічного випаровування 

    Провідні  плівки на керамічних основах для металоплівкових резисторів отримують в основному методом термічного випаровування металів або різних сплавів у вакуумних камерах при тиску 10-2 – 10-4 н/м2. Необхідний вакуум в робочій камері залежить від її розмірів, від відстані між випарником і ізоляційними основами резисторів.

    Для отримання високоякісних плівок необхідно, щоб частинки випаровуваного матеріалу на шляху від випарника до поверхні ізоляційної основи  не зазнавали зіткнень з молекулами залишкових газів. Ця умова виконується у тому випадку, коли середня довжина вільного пробігу випаровуваних частинок перевищує відстань від поверхні основи до випарника. Середня довжина вільного пробігу

         (1.1)  

    де n – концентрація частинок, прямо пропорціональна тиску газу;

       d – розмір частинки.

    Випаровуваний сплав або метал наноситься на спіраль або поміщається в човник з тугоплавкого металу (танталу, вольфраму, молібдену). Випаровування матеріалу відбувається при нагріванні спіралі або човника електричним струмом.

    

    Рисунок 2.1 – Схема установки для термічного випаровування металів і сплавів [1]:

                     1 – металічний ковпак;

                     2 – тримач основи;

                     3 – маска;

                     4 – заслонка

                     5 – вікно;

                     6 – іонний датчик швидкості нанесення плівки;

                     7 – випарювач;

                     8 – основний клапан;

                     9 – охолоджувана пастка;

                     10 – дифузійний насос;

                     11 – допоміжний насос;

                     12 – оснвний форвакуумний насос. 

    Коли  температура випаровування початкового  матеріалу нижча за температуру  плавлення, то випаровування можна  здійснити шляхом пропускання струму безпосередньо через випаровуваний  матеріал, виконаний у вигляді  стрічки або спіралі.

    Режим випаровування контролюється амперметром і вольтметром, підключеними до ланцюга живлення випарника, оскільки опір молібденових і вольфрамових випарників при нагріванні до 1300°С збільшується в 5 – 6 разів в порівнянні з опором при кімнатній температурі. При випаровуванні сплав або метал осідає на поверхні основи, утворюючи провідний шар. Товщина шару залежить від часу напилення, властивостей випаровуваного матеріалу і ступеня вакууму.

    Тонкі плівки з металів і сплавів  отримують також методом випаровування  в спеціальних камерах за допомогою електронного променя. При цьому можна випаровувати багато тугоплавких металів і сплави. Швидкість випаровування легко регулюється зміною потужності електронного променя або зміною розмірів ділянки, що нагрівається. Цей метод випаровування хороший тим, що дозволяє уникнути контакту випаровуваного матеріалу з матеріалом випаровувача, завдяки чому вдається отримати плівки, ідентичні по складу з випаровуваним матеріалом.

    Метод термічного випаровування характеризується наступними позитивними особливостями:

    а) можливістю отримання плівок складного складу шляхом одночасного випаровування різних матеріалів;

    б) можливістю отримання тонких шарів сплавів, металів, а також діелектриків і напівпровідників;

    в) високою чистотою проведення процесу;

    г) можливістю отримання провідних елементів складної конфігурації при використанні відповідних трафаретів.

    Недолік методу термічного випаровування полягає  в тому, що випаровуваний матеріал осідає по всій поверхні робочої камери, тобто мають місце непродуктивні втрати матеріалу. При напиленні цінних сплавів і металів в робочих камерах встановлюють спеціальні екрани, з яких після проведення процесу метали видаляють хімічним способом і виділяють їх в чистому вигляді з отриманих хімічних сполук. 

    2.2 Метод катодного розпилення 

    Метод катодного розпилення з'явився раніше, ніж метод термічного випаровування, і має в порівнянні з останнім ряд переваг:

    а) можливість отримання плівок при низькому вакуумі (1 – 10 н/м2), що дозволяє використовувати просту апаратуру;

    б) порівняльне легке отримання плівок ряду тугоплавких металів;

    в) хороше управління процесом.

    Осадження провідних плівок методом катодного  розпилення засноване на явищі перенесення частинок металу з катода на анод при тліючому розряді в газах.

    Катодне розпилення матеріалів проводиться у вакуумних камерах, в яких можна створювати тиск порядка 1, — 10 н/м2. Катод виконують з матеріалу, предмета розпилення, анод – з алюмінію або заліза. Ізоляційну основу, на яку наноситься провідна плівка, поміщають біля анода поблизу темного катодного простору.

    Осадження відбувається найінтенсивніше, коли темний катодний простір займає від 1/2 до 1/3 відстані між катодом і поверхнею ізоляційної основи. Розмір темного простору поблизу катода регулюється ступенем розрядки. Різниця потенціалів між анодом і катодом залежить від відстані між ними, степені розрядки і зазвичай знаходиться в межах від 1 до 5 кв.

    Розпилення матеріалу катода здійснюється унаслідок термічного випаровування його частинок при бомбардуванні поверхні катода іонами газу, що утворюються в тліючому розряді під дією великого падіння напруги в темному катодному просторі.

    Допустима величина струму між анодом і катодом  обмежується через нагрів катода, внаслідок чого може мати місце інтенсивне газовиділення.

    

    Рисунок 2.2 - Схема установки для катодного розпилення [1]:

                         1 – анод;

                         2 – изоляционное  основание;

                         3 – екран;

                         4 – катод;

                         5 – ізолюючий  кожух;

                         6 – ковпак;

                         7 – гумовий ущільнювач;

                         8 – металічна  плита;

                         9 – ізолятор. 

    Спосіб  катодного розпилення зручний тим, що швидкість процесу можна легко регулювати, змінюючи величину струму. Крім того, за допомогою тліючого розряду при невеликій розрядці до процесу розпилення можна здійснити очищення поверхні, на яку проводиться осадження.

<
p align="justify">    Необхідність  ретельного попереднього знегажування всіх деталей системи, наявність спеціальної системи охолоджування катода, робота з високою напругою дещо обмежують застосування цього методу. 
 

    2.3 Метод реактивного розпилення 

    Метод реактивного розпилення для отримання провідних плівок резисторів полягає в тому, що, проводячи катодне розпилення, додають реактивний газ (азот, кисень, оксид вуглецю). Додавання до основного газу навіть невеликої кількості реактивного газу в значній мірі змінює властивості отримуваних плівок.

    Залежності  питомого опору і ТКρ плівок, отриманих при катодному розпиленні танталу в атмосфері аргону, від парціального тиску реактивних газів, введених в робочу камеру. Таким чином, склад і властивості плівок змінюють, регулюючи зміст оксидів, нітриду і карбідів, що утворюються при проведенні процесу катодного розпилення у відповідному середовищу. 

    2.4 Метод іонно-плазмового розпилення 

    Нанесення тонких плівок здійснюють також за допомогою іонно-плазмової технології. У верхній частині вакуумної  камери розташований анод, в нижній частині – вольфрамовий катод. Як джерело матеріалу, що розпилюється, служить третій електрод (мішень). Матеріал, що розпилюється, конденсується на поверхні ізоляційної підкладки, розташованою напроти третього електроду (мішені).

    Для підігріва підкладки слугує нагрівач; перед підкладкою встановлений рухомий екран. Поряд з третім електродом встановлений нерухомий екран.

    У робочій камері створюється тиск до 10-4 – 10-5 н/м2, після чого включається нагрівач і подається струм напруження на катод. Температуру катода доводять до значення, достатнього, щоб отримати термоелектронний струм в декілька ампер на квадратний сантиметр площі і між катодом та анодом прикладають напругу. Далі в камеру подається інертний газ при тиску 0,01—0,1 н/м2.

    Розряд  отримують за допомогою високочастотного трансформатора, проте при достатньо великій щільності термоелектронного струму розряд може виникнути сам або при невеликому підвищенні анодної напруги. З появою розряду струм досягає декілька ампер, а напруга на аноді падає до 40 – 60 В.

    Позитивні іони, що виникають в розряді, бомбардують  підкладку, видаляючи з її поверхні забруднення. Після цього на джерело матеріалу, що розпилюється, (мішень) подається негативний потенціал. При бомбардуванні іонами матеріалу, що розпилюється, вибиті атоми рухаються переважно перпендикулярно до поверхні електроду і конденсуються на ізоляційній підкладці, розташованій поблизу електроду.

    Рухомий екран дозволяє послідовно або одночасно проводити очищення поверхні підкладки і мішені.

    Важливою  позитивною особливістю іонно-плазмового розпилення є його універсальність. Цим методом розпилюють різні по своїх властивостях матеріали, наприклад, золото і вольфрам. Розпиленню можуть бути піддані напівпровідникові матеріали (кремній, германій), напівпровідникові з'єднання (сульфід кадмію і ін.) і діелектрики.

    Особливістю іонно-плазмового методу в порівнянні з іншими методами є його безінерційність  — після вимикання напруги  розпилення матеріалу відразу ж припиняється. При термічному випаровуванні у вакуумі процес конденсації плівки на підкладці відбувається після вимикання нагріву випарника.

    Щільність іонного пучка легко регулюється  шляхом зміни струму емісії вольфрамового  катода і тиску інертного газу. Інтенсивність осадження матеріалу  можна змінювати в дуже широких межах — від декількох одиниць до декількох тисяч ангстрем за хвилину.

    Товщина плівки, що наноситься, при постійному режимі розряду визначається співвідношенням  між струмом мішені і напругою на ній і часом розпилення. Для отримання дуже тонких плівок на мішень подається невелика напруга (200—250 В), при цьому швидкість осадження мала і добре регульована.

    При іонно-плазмовому розпиленні рівномірність товщини плівки на підкладці складає 1-5%, що значно краще, ніж при розпиленні в тліючому розряді.

    

    Рисунок 2.3 - Схема установки для іонно-плазмового розпилення [1]:

                      1 – анод;

                      2 – катод;

                      3 – мішень;

                      4 – ізоляційна  підкладка;

                      5 – нагрівач;

                      6 – рухомий екран;

                      7 – нерухомий  екран. 

    Плівки, нанесені іонно-плазмовим методом, мають дуже високу адгезію до підкладок, що обумовлене великою енергією атомів, що потрапляють на підкладку. Їх енергія приблизно в 20—25 разів більше енергії атомів, що потрапляють на підкладку в процесі термічного випаровування. Висока адгезія плівки до підкладки пояснюється ще тим, що поверхня підкладки до іонно-плазмового розпилення добре очищається в тліючому розряді. При катодному розпиленні, яке починається майже відразу після появи розряду, таке очищення здійснити важче. 
 
 
 

    2.5 Метод термічного розкладання 

    Провідні  плівки з малим питомим опором можна отримати методом термічного розкладання металоорганічних сполук при порівняно низькому вакуумі (10 – 30 н/м2) і невисоких температурах. Плівки, отримані цим методом, володіють достатньою міцністю, стабільністю і стійкістю до корозії.

    Установка є циліндровою вакуумною камерою, усередині якої є касета з керамічними підкладками. Ніхромові спиці, на яких укріплені підкладки є елементами електричного ланцюга, сполученого з блоком живлення БП, Касета приводитися в обертання електродвигуном. У нижній частині робочої камери є прямокутний канал, пов'язаний з штуцером, через який металоорганічна сполука подається в камеру.

    Корпус  робочої камери нагрівається спеціальними підігрівачами, щоб виключити конденсацію пари на стінках. На штуцері, сполученому з вакуумним насосом, розташований холодильник, на стінках якого пара конденсується і з'єднання в рідкому вигляді повертається в камеру. Стикаючись з гарячими керамічними підкладками, металоорганічна сполука розкладається з утворенням на поверхні підкладки плівки металу. Продукти розкладу видаляються з робочої камери через штуцер відкачки.

    Технологічній процес розкладання металоорганічних сполук може бути автоматизований; розроблені установки для безперервної металізації  керамічних підкладок. При безперервній металізації керамічні підкладки поступають в робочу камеру через спеціальну шлюзову систему, сполучену з вакуумними агрегатами.

    Технологічній процес розкладання металоорганічних сполук може бути автоматизований; розроблені установки для безперервної металізації керамічних підкладок. При безперервній металізації керамічні підкладки поступають в робочу камеру через спеціальну шлюзову систему, сполучену з вакуумними агрегатами. 

    

Рисунок 2.4 - Схема установки для розкладу металоорганічного з’єднання [1]:

               1 – касета;

               2 – керамічна  основа;

               3 – кожух;

               4 – кришка;

               5 – холодильник;

               6 – елементи підігріву;

               БЖ – блок живлення 

    2.6 Метод електрохімічного осадження 

    Вельми цікавим методом створення провідних плівок з малим питомим опором є метод електрохімічного осадження — перенесення і осадження заряджених частинок в електричному полі коронного розряду, що виникає між двома електродами при подаванні високої напруги.

    У зоні коронного розряду у негативного вістря в повітрі відбуваються наступні процеси. Коли поле негативного вістря стає настільки сильним, що додатній іон може вибити вторинний електрон при ударі про поверхні катоду, то цей електрон починає віддалятися від вістря, іонізуючи газ на своєму шляху і створюючи електронну лавину. Поблізу вістря в сильному полі електрон проводить посилену іонізацію. У міру того як лавина віддаляється, поле, що примушує електрони іонізувати газ, слабшає унаслідок зменшення напруженості електричного поля, а також тому, що електрони, віддаляючись, залишають позитивні малорухливі іони, створюючи просторовий заряд. 

    

    Рисунок 2.5 - Схематичне зображення руху потоку частинок між коронуючою точкою та анодом [1]:

                        1 – коронуюча  точка;

                        2 – підкладка;

                        3 – анод. 

    У результаті впливу просторового заряду рух електронів сповільнюється; вони взаємодіють з молекулами кисню, утворюючи негативні іони, які дрейфують до позитивно зарядженої пластини; виникає так званий електричний вітер. Позитивні іони досягають катода і, вибиваючи електрони, створюють нову електронну лавину.

    Частінки  твердого або рідкого матеріалу, що вносяться до зони коронного розряду, набувають, як і молекули кисню, негативний заряд і переміщаються до позитивно зарядженого електроду.

    Збільшення  розміру частинок приводити до збільшення їх маси, тому необхідно використовувати матеріал з певним ступенем дисперсності для задовільного перенесення від коронуючого електроду до ізоляційної підкладки.

    Процес  осадження провідних шарів в електричному полі коронного розряду може бути легко автоматизований. Здійснюючи за допомогою приводу переміщення ізоляційних підкладок або шаруватого пластика біля анода, можна забезпечити безперервний процес нанесення провідного шару з високою продуктивністю. 

3 ПРОЦЕС ВИГОТОВЛЕННЯ ТОНКОПЛІВКОВИХ РЕЗИСТОРІВ 

    3.1 Обробка основ резисторів 

    Як  основи в конструкціях постійних металоплівкових резисторів найширше застосовують керамічні матеріали. Це обумовлено їх високою нагрівостійкістю і механічною міцністю, хорошою стабільністю властивостей при температурних діях, змінах вологості і тиск, а також завдяки малому температурному коефіцієнту лінійного розширення і незначним діелектричним втратам при високій частоті.

    Керамічні основи більшості постійних металоплівкових резисторів мають форму циліндричної трубки з скрізьним отвором, який необхідний зважаючи на технологічні особливості нанесення провідної плівки.

    У кераміці, що містить велику кількість  оксидів лужних металів, можуть інтенсивно розвиватися електрохімічні процеси. Наявність оксидів лужних металів в керамічній основі при тривалій експлуатації приводить до необоротної зміни опору резистора. При навантаженні резисторів постійним струмом відбувається процес дифузії іонів лужних металів. Процес накопичення лужних металів супроводжується їх окисленням; об'єм продуктів електролізу під провідною плівкою збільшується, що може привести до руйнування її окремих ділянок.

    Старіння  резисторів, викликане наявністю  в керамічній основі оксидів лужних металів, можна значно зменшити, якщо на основу нанести шар оксиду (який не має іонної електропровідності в області робочих температур резистора) завтовшки в декілька мікрон.

    Сучасна технологія виробництва забезпечує отримання керамічних основ з високою механічною міцністю і хорошими ізоляційними властивостями; значно понижений відсоток оксидів лужних металів. Початкові компоненти кераміки піддають помелу протягом 20—25 год. Отриману масу зливають в басейн при постійному перемішуванні, потім фільтрують і піддають двократному вакуумуванню.

    

    Рисунок 3.1 - Конструкція металоплівкового резистора  МЛТ [1]:

                                   1 – ізоляційна  основа;

                                   2 – провідна плівка;

                                   3 – контактний  вузол;

                                   4 – захисне покриття;