Резистивный материал и мишень из резистивного материала
Владельцы патента RU 2323496:
Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "ЭРКОН" (ОАО "НПО "ЭРКОН") (RU)
Изобретение относится к электронной технике, в частности к резисторостроению. Резистивный материал для тонкопленочных резисторов включает хром, вольфрам, кремний, диоксид марганца и диоксид церия в следующем количественном соотношении, вес.%: вольфрам 8÷13; кремний 4÷18; диоксид марганца 2÷33; диоксид церия 6÷39; хром - остальное. Мишень из предлагаемого резистивного материала для ионно-плазменного напыления многокомпонентного проводящего слоя тонкопленочных резисторов выполнена в виде сборного круга, состоящего из секторов прессованного и спеченного вышеописанного резистивного материала для распыления, и содержит крепежную накладку - металлический диск. Накладка - металлический диск выполнена из нержавеющей стали диаметром 80÷150 мм, толщиной 2÷4 мм. Накладка - металлический диск выполнена из титана диаметром 60÷145 мм, толщиной 1,5÷3 мм. Накладка может быть выполнена в виде двух концентрично установленных один на другом металлических дисков, один - из нержавеющей стали диаметром 80÷150 мм, толщиной 2÷4 мм, а другой - из титана диаметром 60÷145 мм, толщиной 1,5÷3 мм. Техническим результатом является увеличение процента выхода годных резисторов с низким значением ТКС при снижении трудозатрат на производство. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 табл.
Изобретение относится к электронной технике, в частности к резисторостроению, и может быть использовано при производстве проводящего слоя тонкопленочных резисторов и элементов схем, полученных методом ионно-плазменного напыления.
Известны резистивные материалы на основе тугоплавких металлов и их соединений, применяемых для получения тонких пленок методом ионно-плазменного напыления, например Gr-Si, Gr-SiO2 (Авторское свидетельство СССР №894804, 1981).
Мишень для ионно-плазменного напыления резистивного материала представляет собой спеченную прессованную порошкообразную смесь, содержащую исходные компоненты в заданных количествах (вес.%).
Недостатком резистивных пленок, полученных из этих материалов, является высокий ТКС (температурный коэффициент сопротивления) и ограниченная возможность гарантированного воспроизведения необходимых параметров по величине удельного сопротивления и ТКС в высокоомной области.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является резистивный материал (Авт. св. СССР №1019500, 1983), представляющий собой сплав хрома, вольфрама, кремния, диоксида марганца и диоксида церия, взятых при следующем количественном соотношении компонентов, вес.%:
| Вольфрам | 10-20 |
| Кремний | 15-25 |
| Диоксид марганца | 15-30 |
| Диоксид церия | 8-36 |
| Хром | Остальное |
Мишени для ионно-плазменного напыления резистивного материала указанного состава получены прессованием порошковой шихты со связкой поливинилового спирта и дальнейшим спеканием спрессованных мишеней в водороде.
Известно, что присутствие в резистивном материале диоксида церия - оксида металла с большим атомным весом - позволяет расширить диапазон удельных сопротивлений резистивных пленок, получаемых ионно-плазменным напылением, до при низком (для высокоомного диапазоне) ТКС в пределах (±150-400)·10-6 1/°С и сохранять во всем диапазона высокую стабильность свойств во времени при температуре окружающей среды от -60 до +155°С.
Известно, что введение в резистивный материал диоксида марганца MnO2 позволяет снизить ТКС получаемых резистивных пленок, расширить диапазон их удельных сопротивлений, сохранять во всем диапазоне высокую стабильность их свойств во времени при температуре окружающей среды до +200°С.
Кроме того, введение MnO2 в резистивный материал способствует стеклообразованию, что позволяет получать из известного резистивного материала более прочные мишени для ионно-плазменного напыления. Однако введение в резистивный материал упомянутых компонентов в указанном количественном соотношении, вес.%, не обеспечивает воспроизводимое получение малых значений ТКС заготовок в каждой изготовленной партии резисторов.
Задачей изобретения было увеличение процента выхода годных резисторов с низким значением ТКС при снижении трудозатрат на производство методом ионно-плазменной металлизации постоянных непроволочных резисторов на основе цилиндрических керамических оснований с использованием мишеней РПМ (резистивный материал плазменный).
Задача решается резистивным материалом, включающим хром, кремний, вольфрам, диоксид марганца и диоксид церия, в котором исходные компоненты взяты при следующем соотношении, вес.%:
| Вольфрам | 8-13 |
| Кремний | 4-18 |
| Диоксид марганца | 2-33 |
| Диоксид церия | 6-39 |
| Хром | Остальное |
Введение в предлагаемый резистивный материал в указанных пределах легкоплавкого соединения марганца позволяет ускорить за счет его химической активности процесс получения резистивного материала, а введение указанного количества кремния (содержание кремния не превышает допустимый уровень) обеспечивает сохранение части чистого вольфрама и хрома в материале, уменьшая неметаллические включения, которые не оказывают существенного влияния на электрические характеристики материала.
Заданные пределы вводимого диоксида церия 6-39 вес.% приняты исходя из следующих соображений.
Нижние пределы обеспечивают достаточную концентрацию церия для защиты материала от окисления при его производстве, а отклонение состава материала от верхних пределов приводит к ухудшению электрофизических характеристик тонкопленочных резисторов, полученных ионно-плазменным напылением мишеней.
Более высокие концентрации других заявленных компонентов в резистивном материале нецелесообразны т.к. приводят к увеличению разброса ТКС заготовок резисторов каждой изготовленной партии. Также нецелесообразно и уменьшение концентрации заявляемых компонентов, что снижает вероятность получения в одной партии всех заготовок резисторов с одинаковыми требуемыми электрическими характеристиками, в том числе и ТКС, и удельным сопротивлением.
Мишень из РМП (резистивного материала плазменного), используемая для получения проводящих тонких пленок постоянных непроволочных резисторов (с нарезкой спиральной канавкой и без нарезки) на поверхности цилиндрических керамических оснований методом ионно-плазменной металлизации, выполненная из прессованного и спеченного состава РМП, представляет собой сборный круг, собранный из секторов прессованного и спеченного вышеописанного состава РМП, укрепленного к магнетрону установки ионно-плазменного напыления с помощью крепежной накладки в виде, по меньшей мере, одного металлического диска.
Крепежная накладка может быть выполнена в виде пары концентрических металлических дисков, установленных один на другом.
Накладка - металлический диск выполнена из нержавеющий стали.
Накладка - металлический диск выполнена из титана.
В крепежной металлической накладке, выполненной в виде пары дисков, один - из нержавеющей стали, а другой - из титана.
Накладка в виде металлического диска из нержавеющей стали выполнена диаметром 80-150 мм, толщиной 2-4 мм.
Накладка в виде металлического диска из титана выполнена диаметром 60-145 мм, толщиной 1,5-3 мм.
Введение в конструкцию мишени РМП накладок в виде диска из нержавеющей стали или из титана или из нержавеющей стали и титана позволяет корректировать значение ТКС до ±25÷100×10-6 1/°С для различных партий РМП, а также обеспечить необходимый теплоотвод при напылении резисторов.
При увеличении диаметра накладки-диска из нержавеющей стали увеличивается значение сопротивления получаемых резисторов, а ТКС сдвигается в минусовую область.
При уменьшении диаметра накладок-дисков повышается термостойкость резисторов и снижается зависимость ТКС от температуры термообработки резисторов. При производстве высокоомных резисторов на основе мишеней РМП ТКС резисторов отрицательный, а применение крепежной накладки-диска из нержавеющей стали компенсирует минусовой ТКС.
Выбранные оптимальные граничные значения компонентов резистивного материала, а также использование накладок-дисков для крепления мишеней обеспечивают воспроизводимое получение значений ТКС (±10÷25,0×10-6 1/°С-100÷250×10-6 1/°С) - не менее 70-90% и расширяют диапазон значений удельных сопротивлений 
- до 90% заготовок в каждой изготовленной партии резисторов, металлизированных заявляемым материалом.
Резисторы, полученные на основе низкоомных мишеней РМП, без диоксида церия, имеют положительный ТКС. Для получения влияния на положительное значение ТКС резисторов накладку выполняют из двух дисков - из нержавеющей стали и из титана, осуществляющего корректировку ТКС. При увеличении диаметра диска из титана значение ТКС резисторов сдвигается в положительную область, значение сопротивления не меняется.
Для изготовления тонкопленочных резисторов на основе предлагаемого резистивного материала методом ионно-плазменного напыления было приготовлено семь смесей с различным содержанием исходных компонентов, приведенным в таблице 1. Были изготовлены также смеси с содержанием исходных компонентов по патентам-аналогам: №№894804; 1019500. При приготовлении шихты для мишеней компоненты не просеивались (соответствовали сетке 0125 Н ГОСТ 6613-86). Загрузка шихты в смеситель УЛМЗ.190.028 не более 5 кг. Перемешивание шихты осуществлялось до 12 часов, что позволило получить более однородную шихту. Спекание производили в среде водорода в контейнере при температуре 1250-1270°С, в лодочке, заполненной стопами из секторов на 2/3 объема и закрытой крышкой.
Охлаждение контейнера осуществляли в среде аргона, что позволило избежать окислительных процессов по всему объему секторов и в процессе металлизации исключило возникновение сажистой пленки. Затем осуществляли отжиг мишеней при t отжига до 700°С.
Пленки из заявляемого резистивного материала получали в установке плазменного напыления (УПН - УЛМ1.432.005, разработки организации-заявителя) бомбардировкой пучком ионов поверхности предлагаемой мишени из предлагаемого резистивного материала, на которую подается минус постоянного напряжения от 1 до 4 кВ. В результате из мишени выбивались микрочастицы материала, которые оседали на подогретые заготовки резисторов. В качестве источника ионов использовалась газоразрядная плазма низкого давления, которая зажигается в вакуумной камере в скрещенном магнитном поле (при температуре в камере до 300°С) в результате взаимодействия магнитного поля от системы магнитов, установленных в электроде и электрического поля, направленного перпендикулярно к поверхности электрода. Рабочим газом служил аргон, при напуске аргона в камеру от 1,33×10-2 до 1,33×10-1 (1×10-4 мм рт.ст. до 1×10-3 мм рт.ст.). Необходимое давление, при котором горит разряд, находилось в пределах от 4,0×10-2 до 1,1×10-1 (3×10-1 мм рт.ст. до 8,5×10-4 мм рт.ст.). Работоспособность вакуумной системы установки обеспечивалась вакуумной системой. Для осуществления процесса напыления материалов с высоким содержанием диэлектрика на мишень одновременно с постоянным напряжением может быть подано высокочастотное.
Распыляемый материал в виде мишени, представляющей собой сборный круг из n секторов (например, n=16-20), крепился с помощью металлических накладок, пружин и винтов на электрод установки. Напыление материала осуществлялось способом «навал» на чаше вибратора электромагнитного типа. Во время напыления заготовки резисторов перемешивались, двигаясь по направляющим чаши в виде спирали. Расстояние между мишенью, установленной на электроде, и чашей вибратора 120-200 мм. Загрузка заготовок резисторов в камеру и их выгрузка из камеры производились через вакуумную систему шлюзов.
При магнетронном распылении мишени распылялись и накладки - крепежные диски, выполненные или из нержавеющей стали, или из титана, или из нержавеющей стали и титана, следовательно, материал диска (дисков) входит в состав получаемой резистивной пленки, что экспериментально подтвердилось: «следы» материала дисков присутствовали во всех проконтролированных заготовках (до 100 шт.).
Введение в процесс ионно-плазменного напыления РМП накладок-дисков на мишени или из нержавеющей стали диаметром от 80 до 150 мм, или из титана диаметром от 60 до 145 мм, или из нержавеющей стали диаметром от 80 до 150 мм и титана диаметром от 60 до 145 мм позволяет корректировать значения ТКС получаемых резисторов.
Характеристики многокомпонентных проводящих пленок, полученных напылением предлагаемых мишеней из предлагаемого резистивного материала в вакууме с последующим отжигом при температуре от 400 до 700°С, представлены в таблице 2.
Как видно из таблиц, полученные из предлагаемого резистивного материала резистивные пленки имеют более высокие значения удельного сопротивления по сравнению с пленками из известного материала, т.е. получены резистивные пленки с низким ТКС в высокоомном диапазоне значений удельного сопротивления.
| Таблица 1 Сравнительная таблица процентного содержания компонентов составов мишеней из предлагаемого резистивного материала (РМП) и аналогов. | ||||
| Резистивный материал (РМП) | РМП 1, 2, 3 | Авт. св. №894804 Аналог РМП 1, 2, 3 | ТУ на РМП (предприятия-заявителя) | Авт. св. 1019500 Аналог РМП 4, 5, 6, 7 |
| Вольфрам | 9,5-10 | 2-15 | 8-13 | 10-20 |
| Диоксид марганца | 6,5-30 | 2-30 | 2-33 | 15-30 |
| Кремний | 3-15 | 2-15 | 4-18 | 15-25 |
| Диоксид церия | - | - | 6-39 | 8-36 |
| Хром | 81-45 | Остальное | Остальное | Остальное |
| Значение ТКС, 1/°С | ±50×10-6 (90-70)% до ±25× 10-6 | ±300×10-6 | ±250×10-6 | ±400×10-6 |
| Таблица 2 Значения удельных сопротивлений и ТКС резисторов, полученных с применением накладок-дисков. | ||
| № РМП | Удельное сопротивление, Ом/ | Значение ТКС, ×106 1°/C |
| 1 | 0,8-50 | 90% 25, ост. до ±50 |
| 2 | 2-140 | 90% 25, ост. до ±50 |
| 3 | 10-1500 | 70% 25, ост. до ±50 |
| 4 | 30-2300 | 90% 100, ост. до ±250 |
| 5 | 100-25000 | 90% 100, ост. до ±250 |
| 6 | 300-25000 | 90% 100, ост. до ±250 |
| 7 | 800-35000 | 50% 100, ост. до ±250 |
Зависимость R и ТКС резисторов от диаметра дисков показана в таблицах 3 и 4.
| Таблица 3 | ||||||
| Номер РМП | Без диска из титана | Диск из титана диаметром 60 мм | Диск из титана диаметром 145 мм | |||
| R, Ом | ТКС | R, Ом | ТКС | R, Ом | ТКС | |
| 1 | 0,8-2,0 | +250 | 0,8-2,0 | +30 | 0,9-2,0 | Минус 70 |
| 1 | 7-35 | +240 | 8-35 | +30 | 10-35 | Минус 70 |
| 2 | 1-18 | +255 | 1,5-18 | +50 | 2-18 | Минус 150 |
| 2 | 31-120 | +160 | 40-120 | +30 | 40-120 | Минус 145 |
| 3 | 6-70 | +190 | 12-70 | +70 | 15-70 | Минус 120 |
| 3 | 150-910 | +200 | 200-910 | +50 | 220-910 | Минус 170 |
| 4 | 17-190 | +220 | 28-190 | +45 | 30-190 | Минус 200 |
| 4 | 190-1300 | +250 | 250-1300 | +30 | 220-1300 | Минус 70 |
| Таблица 4 | ||||||
| Номер РМП | Диск из стали диаметром 60 мм | Диск из стали диаметром 80 мм | Диск из стали диаметром 150 мм | |||
| R, Ом | ТКС | R, Ом | ТКС | R, Ом | ТКС | |
| 5 | 50-235 | Минус 2000 | 45-230 | Минус 170 | 50-227 | +50 |
| 5 | 310-2040 | Минус 2000 | 300-2034 | Минус 130 | 215-2200 | +60 |
| 6 | 150-306 | Минус 2020 | 140-300 | Минус 385 | 145-294 | 70 |
| 6 | 280-2410 | Минус 2090 | 260-2360 | Минус 410 | 250-2344 | 90 |
| 7 | 190-3180 | Минус 2300 | 190-3160 | Минус 250 | 195-3130 | 95 |
| 7 | 205-5270 | Минус 2600 | 200-5230 | Минус 278 | 220-5215 | 87 |
Введение в процесс ионно-плазменного напыления РМП крепежных накладок на мишень в виде дисков из нержавеющей стали диаметром от 80 до 150 мм для всех РМП и дополнительных дисков из титана диаметром от 60 до 145 мм для РМП №№1, 2, 3, 4 позволяет корректировать значения ТКС, предлагаемых токопроводящих материалов в виде мишеней РМП с целью получения заготовок резисторов с ТКС до ±25×10-6 1/°С - (РМП 1, 2, 3) и с ТКС до ±100×10-6 1/°С - (РМП 4, 5, 6, 7) и увеличивает процент выхода годных изделий до 90%.
1. Резистивный материал для тонкопленочных резисторов, включающий хром, вольфрам, кремний, диоксид марганца и диоксид церия, отличающийся тем, что он содержит исходные компоненты в следующем количественном соотношении, вес.%:
| Вольфрам | 8-13 |
| Кремний | 4-18 |
| Диоксид марганца | 2-33 |
| Диоксид церия | 6-39 |
| Хром | остальное |
2. Мишень из резистивного материала по п.1 для ионно-плазменного напыления многокомпонентного проводящего слоя тонкопленочных резисторов, выполненная в виде сборного круга, состоящего из секторов прессованного и спеченного резистивного материала для распыления, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит крепежную накладку в виде, по меньшей мере, одного металлического диска.
3. Мишень по п.2, отличающаяся тем, что крепежная накладка выполнена в виде пары концентрично установленных один на другом металлических дисков.
4. Мишень по п.2, отличающаяся тем, что накладка - металлический диск выполнена из нержавеющей стали диаметром 80÷150 мм, толщиной 2÷4 мм.
5. Мишень по п.2, отличающаяся тем, что накладка - металлический диск выполнена из титана диаметром 60÷145 мм, толщиной 1,5÷3 мм.
6. Мишень по п.3, отличающаяся тем, что металлические диски в паре выполнены один из нержавеющей стали диаметром 80÷150 мм, толщиной 2÷4 мм, а другой - из титана диаметром 60÷145 мм, толщиной 1,5÷3 мм.
