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.

<