Способ изготовления высокотемпературного тонкопленочного резистора

Изобретение относится к электронной технике, в частности к технологии изготовления датчиков, и может быть использовано при создании малогабаритных металлопленочных датчиков механических величин, работоспособных в широком диапазоне рабочих температур (-196 - +150)°С.

Известен способ изготовления низкоомного тонкопленочного резистора, заключающийся в уменьшении температурного коэффициента сопротивления (ТКС) путем формирования двухслойной структуры - резистивного слоя на основе рения и защитной пленки, выполненной из молибдена.

Недостатками известного способа являются высокая трудоемкость и технологическая сложность изготовления.

Известен способ изготовления высокотемпературного тонкопленочного тензорезистора, заключающийся в поочередном нанесении монослоев резистивных материалов из двух испарителей с различными резистивными материалами, после чего осуществляют дополнительное последовательное нанесение резистивной пленки с отрицательным ТКС, а затем резистивной пленки с положительным ТКС. После напыления контактов и формирования рисунка тензорезисторов вакуумным напылением наносят пассивирующий слой двуокиси кремния (авт. свидетельство №1820416, H01С 17/00, заявл. 30.01.90 г., опубл. 07.06.93 г.).

Недостатками этого способа являются сложность и высокая трудоемкость процесса многослойного нанесения резистивных слоев, а также использование различных материалов для формирования тензорезистора, и дополнительных технологических операций, что увеличивает длительность изготовления тензорезистора и, в свою очередь, увеличивает себестоимость продукции.

Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления многослойного резистора из тонкопленочных материалов на основе никеля - хрома, заключающийся в напылении в вакууме тонкой пленки из соединения никель - хром с последующим окислением в воздушной среде, таким образом, формируется первый слой. Далее, посредством тех же операций на первый слой наносится в вакууме тонкая пленка из соединения никель - хром, которую впоследствии окисляют на воздухе, и в результате сформирован второй слой. Затем сформированный резистор, имеющий структуру многослойной пленки, вследствие повторения указанных операций, подвергают термической обработке в воздушной среде при высоких температурах, при которой достигается нулевой или близкий к нулю ТКС (Япония №57-25965/82, авт. свидетельство №54-172638, МКИ Н01С 17/06, 7/18, заявл. 31.12.79 г., опубл. 02.06.82 г.).

Недостатком этого способа является высокая трудоемкость изготовления тонкопленочного резистора за счет формирования многослойности его структуры в разных технологических циклах напыления в вакууме.

Целью изобретения является снижение трудоемкости изготовления тонкопленочного резистора и увеличение выхода годных.

Поставленная цель достигается тем, что в предложенном способе изготовления высокотемпературного тонкопленочного резистора из материала на основе никеля и хрома, заключающегося в формировании в вакууме резистивных монослоев с отрицательным и положительным ТКС, послойное формирование резистивных монослоев проводят в едином технологическом цикле, причем резистивный слой с отрицательным ТКС формируют электронно-лучевым испарением, а резистивный слой с положительным ТКС - термическим испарением, при этом сопротивление двухслойного тонкопленочного резистора определяется выражением

где R_s1 - поверхностное сопротивление первого слоя Х20Н75Ю с отрицательным ТКС;

R_s2 - поверхностное сопротивление второго слоя Х20Н75Ю с положительным ТКС;

N - число квадратов резистивной пленки;

n=R_s2/R_s1 - соотношение поверхностных сопротивлений двух слоев, а соотношение поверхностных сопротивлений второго и первого тонкопленочных слоев в зависимости от температуры определяется как

при ТКС двухслойного тонкопленочного резистора (α_R), близком к нулевому значению (α_R≈0), и при

где α₁ - ТКС Х20Н75Ю первого слоя двухслойной структуры;

α₂ - ТКС Х20Н75Ю второго слоя двухслойной структуры;

α_R - ТКС двухслойного тонкопленочного резистора;

ΔT - диапазон изменения температуры.

Представленное техническое решение позволяет сократить время и упростить структуру тонкопленочного резистора за счет формирования только двух резистивных слоев с разным по знаку ТКС, который, в свою очередь, позволит повысить стабильность выходных характеристик, так как изготовление резистивной структуры многослойной увеличивает внутреннее напряжение в структуре, что ведет к отслоению пленок друг от друга и, как следствие, к браку изделия.

Способ осуществляют следующим образом.

Первый резистивный слой формируют из материала Х20Н75Ю электронно-лучевым испарением в вакууме с отрицательным ТКС, затем подложку со сформированным первым резистивным слоем перемещают на позицию термического испарения и производят напыление второго слоя из материала Х20Н75Ю термическим испарением в вакууме с положительным ТКС. Формирование резисторов проводят в едином технологическом цикле посредством как электронно-лучевого испарения, так и термического испарения на модернизированной вакуумной установке УВН 71-П3. При применении этой технологии не требуется наносить пассивирующий слой на поверхность резисторов. Контроль толщины пленки осуществляется с применением кварцевых весов.

Структуру двухслойного тонкопленочного резистора можно представить эквивалентной схемой в виде параллельно соединенных двух резисторов R1 и R2. С учетом этого сопротивление двухслойного резистора равно

где R_s1 - поверхностное сопротивление первого слоя Х20Н75Ю с отрицательным ТКС;

R_s2 - поверхностное сопротивление второго слоя Х20Н75Ю с положительным ТКС;

N - число квадратов резистивной пленки;

n=R_s2/R_s1 - соотношение поверхностных сопротивлений двух слоев.

При этом зависимость сопротивления двухслойного тонкопленочного резистора от температуры обеспечивается известным математическим выражением R(T)=R₀×(1+α_R×ΔТ), как

где α₁ - ТКС Х20Н75Ю первого слоя двухслойной структуры;

α₂ - ТКС Х20Н75Ю второго слоя двухслойной структуры;

α_R - ТКС двухслойного тонкопленочного резистора;

ΔТ - диапазон изменения температуры.

После соответствующих преобразований последнего выражения ТКС (α_R) двухслойного тонкопленочного резистора выглядит следующим образом

Если учитывать, что такая двухслойная тонкопленочная структура резистивной пленки должна иметь ТКС (α_R), близкий к нулевому значению (т.е. α_R≈0), то соотношение поверхностных сопротивлений второго и первого слоев (а соответственно соотношения толщин этих слоев) будет определяться как

Таким образом, зная фактические значения ТКС резистивных пленок из Х20Н75Ю, на основе которого сформирована двухслойная структура резистивного слоя, возможно рассчитать толщины этих слоев (через величину поверхностного сопротивления R_s) и тем самым управлять величиной ТКС тонкопленочного резистора, в том числе приближая значение ТКС к нулевому.

На чертеже показана структура тонкопленочного тензорезистора, 1 - изолирующий слой, 2 - первая резистивная пленка (слой) с отрицательным ТКС, 3 - вторая резистивная пленка (слой) с положительным ТКС, 4 - контактные площадки к резистору.

Пример. Подложки из коррозионностойкой стали после очистки помещают в вакуумную камеру и производят напыление диэлектрического слоя, затем подложку со сформированным диэлектрическим слоем перемещают в установку для напыления резистивного материала и формируют резистивный слой из материала Х20Н75Ю электронно-лучевым испарением с отрицательным ТКС, после чего подложку со сформированным первым тензорезистивным слоем перемещают на позицию термического испарения в той же камере и производят напыление второго слоя из материала Х20Н75Ю термическим испарением с положительным ТКС. Напыление контактного слоя проводят в отдельной установке вакуумного напыления. Формирование резисторов и контактов проводят с применением методов прямой фотолитографии.

Небольшой технологический цикл и простота управления процессом являются несомненным преимуществом данного способа.

Данный способ внедрен в производство тензорезистивных датчиков давления.

В таблице приведены значения ТКС и ΔТКС двухслойных тензорезисторов, сформированные по вышеописанной технологии на УЭ ДД.

Таким образом, данное техническое решение позволяет упростить структуру тонкопленочного резистора за счет формирования его двухслойным и сократить время его изготовления.

Источники информации

1. Авторское свидетельство №3597608, Н01C 7/00, заявлено, опубликовано 31.05.83.

2. Авторское свидетельство №4879488, H01С 17/00, заявлено 30.01.90, опубликовано 07.06.93.

3. Япония №57-25965/82, Авторское свидетельство №54-172638, МКИ Н01С 17/06, 7/18, заявлено 31.12.79, опубликовано 02.06.82.

Способ изготовления высокотемпературного тонкопленочного резистора из материала на основе никеля и хрома, заключающийся в формировании в вакууме резистивных монослоев с отрицательным и положительным ТКС, отличающийся тем, что послойное формирование резистивных монослоев проводят в едином технологическом цикле, причем резистивный слой с отрицательным ТКС формируют электронно-лучевым испарением, а резистивный слой с положительным ТКС - термическим испарением, при этом сопротивление двухслойного тонкопленочного резистора определяется выражением

где R_s1 - поверхностное сопротивление первого слоя Х20Н75Ю с отрицательным ТКС;

R_s2 - поверхностное сопротивление второго слоя Х20Н75Ю с положительным ТКС;

N - число квадратов резистивной пленки;

n=R_s2/R_s1 - соотношение поверхностных сопротивлений двух слоев,

а соотношение поверхностных сопротивлений второго и первого тонкопленочных слоев в зависимости от температуры определяется как

при ТКС двухслойного тонкопленочного резистора (α_R) близким к нулевому значению (α_r≈0) и при

где α₁ - ТКС Х20Н75Ю первого слоя двухслойной структуры;

α₂ - ТКС Х20Н75Ю второго слоя двухслойной структуры;

α_R - ТКС двухслойного тонкопленочного резистора;

ΔT - диапазон изменения температуры.