§4.5. Пленкалы резисторлар

Гибридті ИМС-терде подложкасына жоғары өткізгіштігі бар контактты площадкамен аяқталатын тар жолақты жұқа пленкалы резисторларды пайдаланады (4.15 сурет). Резистивті пленкалардың сапасы меншікті беттік кедергімен ρ_s бағаланады. ρ_s мәні материалдың меншікті кедергісіне және пленканың қалыңдығына тәуелді және пленкалы резисторлар үшін кез келген өлшемдердің тұрақты квадратты формасында болады. Егер пленка квадраты бетінің меншікті ρ кедергісі а-ға тең болса, ал қалыңдығы d болса, кедергі мынағын тең:

(4.1)

Мұндағы R-дің өлшемі Ом/кадрат.

Резистивті линияның енін әдетте 0,2 мм-ден кем болмайды, себебі өте тар линия масканың немесе подложканың дефектісінен, сондай-ақ кездейсоқ шаң-тозаңның бар болуынан да үзілуге әкеледі. Сонымен қатар, линия тар болған са йын керекті кедергіні алуға шаңдану зонасы немесе маска саңылауындағы көлеңке күшті әсер ете бастайды. Тәжірибе жүзінде дәлелденгендей, тікбұрышты формалы резисторларды дайындаған дұрыс. Бір қалыңдықтағы резистивті пленкадан номиналы бойынша бір-бірінен ерекшеленетін әртүрлі кедергілерді алуға болады. Бұл үшін пленка ұзындығының оның еніне қатынасын өзгертіп отыру керек. Резисторда таралатын максималды қуат оның мүмкін болатын температурасымен шектелген және подложканың жылуөткізгіштігігнен, материалынан, аудан қатынасына, подложканың бүкіл ауданына және орта температурасын салқындауын таңдап алуына тәуелді.

Резистивті пленкаларды дайындауға арналған материал уақыт бойынша тұрақты кедергілердің кең диапазонын алуды қамтамасыз ету керек, кедергінің төмен температуралық коэффициенті және жоғары коррозионды беріктілігі бар болуы керек.

4.15 Сурет. Жұқа пленкалы резисторлардың конструкциялары:

1-резистивті пленка, 2-ауданның пленкалық контактілері

4.16 Сурет. Пленканың салыстырмалы кедергісінің оның еніне тәуелділігі: і-тунельді эффекттің облысы, іі-бұзылған беттің облысы, ііі-көлемдік қасиеттерінің облысы

Тозаңдану кезінде ол үлгіден үлгіге өтетін жақсы өткізгіштігі бар жұқа, анық линияларды құрау керекжұқа пленкалы резисторларды дайындау кезінде қолданылатын бірнеше материалдардың сипаттамасы 4. 2-кестеде көрсетілген. Ескере кететін жайт, кестеде көрсетілген мәндер пленкаға жағу әдісіне және пленканың өңделі режиміне тәуелді болғандықтан болжамды болады. Пленканың салыстырмалы кедергісі құрамымен анықталғандай, термоөңделі кезінде өзгеретін құрылымымен де анықталады. 4.16-суретте пленканың салыстырмалы кедергісі оның еніне тәуелді екені көрсетілген. Қалыңдық аз болған кезде пленканың қасиеттері подложканың бетіндегі микронеровностьтердің сипаттамасына тәуелді. Бұл аймақта пленка құрылымының уздіксіздігінің бұзылулары байқалады.

Мұндағы өткізгіштік тунельдік эффектпен және бөлек кристалдар арасындағы термоэлектронды эмиссиямен шартталған. Пленканың көлемдік қасиеттері анық болатындай қалыңдықты алған жөн. Бұл жағдайда пленканың қалыңдығын бақылап отыру оңай, ал беттің бұзылуының маңызы жоқ.

1 нм қалыңдығы бар металды пленканың металл табиғатынан тәуелсіз қалыңдық өскен сайын кішірейетін үлкен салыстырмалы электрлік кедергісі бар. Мұндай аз қалыңдығы бар пленкалар тұрақты емес және мүлдем қолданылмайды. Тұтас пленканы алу үшін пленканың вакуумды буланумен жағылатын қалыңдығы 100 нм болу керек. Айта кету керек, баяу балқитын металдардың пленкалары тұрақты сипаттамасы болғандықтан өте жұқа болуы мүмкін.

Жұқа пленкалы резисторларды металдардан, қорытпалардан, шалаөткізгіштерден және керметтерден (металл мен керамиканың қоспасы) жасауға болады.

Хромоникельді қорытпа (20% хром мен 80% никель)кең қолданысқа ие. Бұл қорытпадан жасалған пленканың беттік кедергісі кедергінің аз температуралық коэффициентінде 300 Ом/квадратқа жетеді. Қорытпаның булану температурасы бірмәнді (1600°С), жоғары сапалы пленкалы резисторларды алу үшін подложка 300-350°С-қа дейін жылу керек. Темір мен хромның (79% темір, 21% хром) және темір-никельді қорытпадан (71,5% темір, 21% хром, 7,5% никель) 150 Ом/квадрат кедергісі бар пленкаларды дайындайды. Үлкен беттік кедергі (400 Ом/кв-қа дейін) 74% никельден, 20% хромнан, 3% темірден және 3% алюминийден тұратын көп компонентті қорытпадан тұрады. Металды пленкалардың тұрақтылығы металды еріту температурасына, тығыздығына және тұрақты қышқылды беттік қабатты құру мүмкіндігіне тәуелді. Ережеге сәйкес, еріту температурасы жоғары болған сайын пленканың тұрақтылығы соғұрлым жақсы болады. Вольфрам вакуумде тұрақтылығы жоғары пленкаларды құрай алады, бірақ олар ауада тұрақты емес. Тұрақтылығы жоғары пленкаларды құруды қамтамасыз ететін қасиеттері бар рений – пленкалы резисторларды алу үшін кең қолданысқа ие баяу балқитын металл.

Тұрақтылығы жоғары үлкен беттік кедергісі және кедергінің аз температуралық коэффициенті бар пленкаларды алу үшін тантал қолданылады. Сондай-ақ, танталдың беті қышқыл пленкасымен жабылады және металдың өзі активті болса да активтілігі аз металдарға жатады; қышқылдың жұқа жылтыр беттік қабаты танталмен жақсы байланысқан, жоғары кедергіге және әртүрлі атмосфералық жағдайлардағы коррозияға ие және көптеген қышқылдар әсер етпейді; танталдың қышқылдану реакциясы оңай басқарылады және пленканың қалыңдығы мен кедергісін басқару үшін қолданылу мүмкін.

24% хромнан және 76% кремнийден тұратын ерітпе қоспасының пленкалары үлкен беттік кедергіге ие. Бұл жағдайда пленканың тозаңдануы ерітпе қоспасының ұнтағы немесе кішкене тіліктері жоғары температураға дейін қызған вольфрамды буландырғышқа түсетін «жарқыл» әдісімен іске асады. Осыдан пайда болған пар бұлты 200-500°С-қа дейін қызған подложкада конденсацияланады.осындай жолмен алынған пленкалар кедергінің аз температуралық коэффициентімен және жоғары тұрақтылығымен ерекшеленеді(2000 сағаттық жұмыстан кейін кедергінің өзгерісі 0,2%-дан аспайды, ал 5000 сағ.кейін-3%).

Беттік кедергісі үлкен болатын тағы бір пленка керметтен жасалады. Типті кереметтер дегеніміз – палладий-күмісті жылтырақтан немесе тантал-хромды шыныдан жасалған пленкалар. Осы пленкалардың негізінде жасалған резисторларды кедергінің жоғары коэффициценті рұқсат етілген схемаларда қолданады. Көбінесе сәтті шығатын кремний мен хромның моноқышқылынан жасалған пленкалар. Ол бір типті, тұрақты, жоғары адгезионды, жылуға төзімді және жақсы механикалық қасиетері бар. Пленканың кедергісі қоспаның құрамына тәуелді өзгеріп отырады. 70% хромнан және 30% кремний моноқышқылынан тұратын пленкалардың сипаттамасы жақсы болады. Қоспаның булануы өзінің температурасы 1300-1600°С болатын 200-250°С-қа дейін қызған подложкаға вольфрамды спиральмен бірге енгізіледі. Пленка тозаңдануынан кейін параметрлердің тұрақтануы үшін 400-450°С температурасы бар бақыланатын ортада қыздырады.

Резистивті пленкаларды тұндыруды реттеу үшін тозаңданатын подложкаға жақын жұмысшы көлемді вакуумды құрылғыға күміс контактілері бар негізгі подложканы орнатады. Негізгі подложканың контактілерінің арасындағы кедергі белгілі бір шамаға жеткенде булану жапқыштың айналуымен тоқтайды. Тәжірибе көрсеткендей, подложка вакуумдық жүйеден алынған кезде немесе оның ары қарай жылуөңделуі кезінде кедергі әдетте кішірейеді. Бұл газ атомдары немесе басқа да атом қоспалары пленканық тозаңдануы кезінде жиналады, кейін қыздырған кезде олармен бірге химиялық реакцияға түсетінімен түсіндіріледі. Басқа себеп босаңдату кезінде өзгеретін пленка материалында пайда болатын кернеу болып табылады.

Резисторларды жасау кезінде пленканы химиялық жолмен тұндыру әдісін де пайдалануға болады. Бұл үшін пленканың керек конфигурациясын алмалы-салмалы маска көмегімен алады.

Қалайының екі қышқылынан тұратын станатты резистивті пленкалар кең қолданысқа ие. Бұл пленкаларда қалайының таза күйінде жартылай өткізгіштер класына жататын қышқылдағы стехиометриялық құрамға қатысты қалайының артылғандары электронды электрөткізгіштікке ие. Станатты пленканың салыстырмалы беттік кедергісі жоғары емес – 20 Ом/кв-қа дейін. Станатты пленканың негізгі артықшылықтары жоғары жылуға төзімділігі, жоғары механикалық және химиялық төзімділігі, ылғалға төзімді.

Ескере кету керек, қалайының екі қышқылды таза пленкасы ток өткенге төзімді емес, сондықтан оған үнемі үстеме қосып отырады. Сурьма қышқылының енгізілуі ток өткенде пленкалардың төзімділігін жоғарылатады және үлкен шекараларда кедергінің температура коэффициентін басқаруға мүмкіндік береді. Пленкаға титанның екі қышқылының енгізілуі оның салыстырмалы беттік кедергеісін жоғарылатады.