Матеріали плівкових резисторів

В ГПІС широке застосування знайшли резистори. Матеріал, що використовується для отримання резистивних плівок, має володіти:

• можливістю отримання широкого діапазону стабільних в часі опорів;

• низьким температурним коефіцієнтом;

• низьким рівнем шумів;

• малими значеннями паразитних параметрів;

• потрібною потужністю розсіювання;

• високою корозійною стійкістю;

• мінімальною площею.

При виборі матеріалу в процесі проектування ГПІС необхідно враховувати, що структура, а значить, і параметри плівки і об’ємного тіла (у вигляді монокристала або полікристалічного зразка) відрізняються. Структура плівки впливає на величину електричного опору зразка. Тому основний параметр – електроопір – характеризують не питомою величиною ρ в Омах на метр (Ом·м), як це прийнято для об’ємного тіла, а опором плівки ρ_s в Омах на квадрат (Ом·кв). Значення опору плівкового полоскового резистора визначається по формулі:

,

де ρ_υ – питомий об’ємний опір, R_K – перехідний опір областей контактів резистивної і провідникової плівок, δ – товщина резистивної плівки.

У високоомних резисторів опір областей контакту звичайно значно менший опору резистивної плівки, тому:

,

де ρ_S=ρ/δ – питомий поверхневий опір (опір квадрату плівки товщиною δ), К_Ф =l/b – коефіцієнт форми резистора (число квадратів плівки).

Забігаючи наперед, необхідно відзначити, що підгонка резистора здійснюється тільки в сторону збільшення його номіналу.

Питомий поверхневий опір тонких плівок для найбільш широко застосовуваних матеріалів лежить в межах від 100 до 10000 Ом/кв, а товстих плівок – в межах 10 Ом/кВ…1МОм/кВ.

Основні характеристики матеріалів, що застосовуються для резистивних плівок, наведені в таблиці 5. Значення поверхневих опорів і температурних коефіцієнтів опору (ТКО) являються орієнтувальними, так як вони сильно залежать від методу нанесення плівки і режиму її обробки. Питомий опір плівки залежить як від її складу, так і від структури, котра змінюється в процесі термообробки.

На рис. 2 показана залежність питомого опору плівки від її товщини. При малих товщинах плівки її властивості сильно залежать від характеру мікронерівностей поверхні підкладки; тут можуть спостерігатись порушення неперервності структури плівки, електропровідність здійснюється за рахунок тунельного ефекту і термоемісії між окремими кристалітами. Найбільш доцільно використовувати плівки такої товщини, при якій суттєвими є їх об’ємні властивості. Тому простіше регулювати товщину плівки, так як порушення поверхні вже не мають суттєвого значення.

Рис. 2. Залежність питомого опору плівки від її товщини

Таблиця 5. Основні характеристики резистивних плівок для тонко плівкових ГПІС

Матеріал	Питомий поверхневий опір плівки, ρs, Ом/кв	Температурний коефіцієнт опору, ТКО·105, 1/°С	Допустима питома потужність розсіювання на плівці, Вт/см3	δRНВ, %	δRЗБ, %	Коефіцієнт термічного розширення, КТР·106, 1/°С
Тантал	25-2000	(+20÷-40)	10	0,5-1,0	-	5
Нітрид танталу	10-300	-(50÷100)	-	0,05-1,0	-	-
Реній	250-10000	(0÷-10)		-	1	-
Хром	25-500	±20	2-4	±0,3	±0,2	-
Ніхром	3-600	±20	0,5-0,8	<0,1	-	-
Силіциди хрому	200-500	±20	5	-	-	-
Кермети	100-20000	(+25÷-50)	3-4	±(0,5÷2)	0,3	13,5
Титан	100-2000	(-110÷+300)	2-4	0,5-1,2	-	100
Окисли олова	80-5000	(+30÷-70)	2-4	1	-	4,6
Примітка. Символами δRНВ і δRЗБ позначені зміни опору резисторів відповідно при навантаженні і зберіганні

Металева плівка товщиною порядку 10 Å незалежно від природи металу має дуже великий питомий електричний опір, який експоненціально зменшується із збільшенням товщини. Плівки такої малої товщини мають вельми нестабільні характеристики і практично не застосовуються. Для того, щоб отримувати суцільну плівку при наявних на виробництві відхиленнях від вибраного технологічного режиму, вважають, що товщина плівки, що наноситься вакуумним випаровуванням, повинна бути порядку 1000 Å. Слід відмітити, що плівки тугоплавких металів можуть бути тоншими, так як вони володіють більш стабільними характеристиками.

Тонкоплівкові резистори можуть бути виготовлені із металів, сплавів (в тому числі багатокомпонентних), напівпровідників і керметів (сумішей металів з керамікою).

Широке використання знаходить хромонікелевий сплав (20% хрому і 80% нікелю). Поверхневий опір плівки з цього сплаву досягає 300 Ом/кв при малому ТКО. Температура випаровування у цього сплаву значна (1600°С). Із сплаву заліза з хромом (79% заліза, 21% хрому) і залізонікелевого сплаву (71,5% заліза, 21% хрому, 7,5% нікелю) отримують плівки, що мають поверхневий опір 150 Ом/кв з ТКО не більше 1×10^-4 °С^-1.

Значно більшим питомим опором (до 400 Ом/кв) володіє багатокомпонентний сплав, що складається з 74% нікелю, 20% хрому, 3% заліза і 3% алюмінію.

Стабільність металевих плівок залежить до деякої степені від температури плавлення металу, його щільності і можливості утворення стійкого окисного поверхневого шару. Як правило, чим вище температура плавлення, тим вище стабільність характеристик плівки. Вольфрам дає дуже стабільні характеристики плівок у вакуумі, але ці плівки мають вельми нестабільні характеристики на повітрі.

Реній – тугоплавкий метал, що має такі властивості, які забезпечують утворення плівок з дуже стабільними характеристиками. Тому він знаходить все більше застосування при виготовленні плівкових резисторів. Резистори з ренію володіють високим питомим поверхневим опором (звичайно порядку декількох тисяч Ом/кв) і стабільні у вакуумі при температурах до 500°С. Стабільність не у вакуумі залежить від типу захисту поверхні і методу її термообробки. Захисним поверхневим шаром для резисторів з ренію звичайно слугує окис кремнію.

В тому випадку, коли необхідно отримати високо стабільні плівки з великим поверхневим опором (декілька тисяч Ом/кв) і малим ТКО, використовують тантал. Застосування танталу для плівкових резисторів пояснюється також наступними причинами:

• Поверхня танталу легко вкривається плівкою окису і стає малоактивною, хоча тантал і відноситься до активних металів;

• тонкий прозорий поверхневий шар окису добре зв’язаний з танталом, володіє високим опором до корозії в різноманітних атмосферних умовах і не піддається впливу багатьох кислот;

• реакція окислення танталу легко управляється і може бути використана для регулювання товщини плівки і її опору;

• п’ятиокис танталу являється гарним діелектриком, що дозволяє використовувати тантал для виготовлення не тільки плівкових резисторів, але і плівкових конденсаторів.

Великим поверхневим опором (до 10000 Ом/кв) володіє плівка із сплаву 24% хрому і 76% кремнію. Напилення такої плівки проводять по методу “вибуху”. Отримання таким шляхом плівки відрізняється малим ТКО (5×10^-5 °С^-1) і високою стабільністю (після 2000 год. роботи зміна опору не перевищує 0,2%, а після 5000 год. – не більше 3%).

Великим поверхневим опором (до 50000 Ом/кв) володіють також плівки з керметів, що представляють собою суміші металів з діелектриками; наприклад, плівки паладієво-срібної глазурі із тантало-хромового скла. Резистори на основі цих плівок використовують у мікросхемах, де допустиме високе значення ТКО.

Найбільш вдалою плівкою із кермету являється тонка плівка із суміші моно окису кремнію і хрому. Ці плівки мають гарні адгезійні властивості, однорідні, стабільні, мають високу температурну стійкість і гарні механічні властивості. Опір плівки можна змінювати в широких межах в залежності від складу суміші. Найкращі характеристики плівок отримують при 70% хрому і 30% моноокису кремнію.

Велике розповсюдження при хімічних методах осаджування плівок отримали станатні резистивні плівки, що складаються в основному з двоокису олова. В цих плівках наявний надлишок олова по відношенню до стехіометричного складу, завдяки чому в цьому окису, котрий у чистому вигляді відноситься до класу напівпровідників, переважає електронна електропровідність, що забезпечує значну власну електропровідність. Питомий опір станатної плівки без домішок невисокий, до 20 Ом/кв.

Основними позитивними властивостями станатних плівок являється висока теплостійкість (до 250°С), високий рівень хімічної і механічної стійкості, вологостійкість, що при гарній технологічності сприяє їх широкому застосуванню.

Однак чиста плівка двоокису олова нестійка при протіканні струму, тому в її склад завжди вводять домішки. Наприклад введення окису сурми (до 50%) дозволяє підвищити стійкість плівки при протіканні струму і керувати ТКО у вельми широких межах, навіть до зміни його знаку. Додавання в плівку двоокису титану підвищує її питомий опір.

Для виготовлення товсто плівкових резисторів застосовують пасти, що складаються з основного функціонального матеріалу (наповнювача), порошку скла (фриту), для гарної адгезії частинок основного матеріалу між собою і з підкладкою, і органічної зв’язки. У якості наповнювача резистивних паст застосовують срібло, паладій і їх сплави, окиси рутенію, індію, олова, а також нітридтанталові пасти. В якості зв’язуючої речовини звичайно застосовують свинцево-боросилікатне скло або похідні боросилікатів цинку. Електричні властивості паст залежать в більшій мірі від їх складу і температури відпалу. Паста повинна забезпечувати можливість нанесення її через трафарет, можливість вжигання, сумісність з матеріалом підкладки і матеріалом провідникової плівки, а також відтворення властивостей.

Питомий поверхневий опір ρS і температурній коефіцієнт резистивної склоемалі, що утворюється після термообробки пасти, залежать від процентного вмісту наповнювача і скла у вихідній пасті. Підвищеною температурою і часовою стабільністю характеризуються скло емалі, в склад яких входить сплав паладій-срібло.