7.Резистивные материалы (Архив лекций по функциональным покрытиям)

Резистивные материалы

Материалы низкой проводимости (высокоомные или резистивные).

Резистивные материалы предназначены для изготовления активных нагрузок (обмоток реостатов, резисторов, нагревательных элементов и т.д.). Эти материалы должны иметь r>10-7 Ом•м и высокую стабильность r во времени, низкий температурный коэффициент удельного электросопротивления αr, определяющий температурную стабильность r, быть пластичными (для получения проволоки, фольги), допускать возможность сварки и пайки. Желательно, чтобы материалы при этом не были дорогими и дефицитными. Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют сплавы меди с марганцем и никелем, а также сплавы на основе железа и никеля.

Сплавы на основе меди

• Манганин (от лат. manganum - марганец). Содержит 12% Mn, 3% Ni, остальное Cu. Имеет r=(4,2 – 4,8)×10-7 Ом×м, αr=(6 – 50)•10-6 К-1, хорошо поддается деформации (вытягивается в проволоку диаметром до 0,02мм). Для обеспечения низкого αr и временной стабильности манганин подвергают отжигу в вакууме при 550 – 6000С с последующим медленным охлаждением.

• Предельная допустимая температура при длительной эксплуатации tпред≤200°C. Используется в электроизмерительных приборах и образцовых резисторах.

Константан

• Константан (название объясняется постоянством удельного электросопротивления при изменении температуры). Содержит 40% Ni, остальное Cu. Этот состав отвечает минимуму αr в системе Cu-Ni. Константан был разработан для изготовления резистивных элементов электронной аппаратуры, омическое сопротивление которых, не должно изменяться в заданном диапазоне температур. Данный сплав имеет r=(4,8 – 5,2)×10-7 Ом•м, αr=(5 – 25)×10-6 К-1, по механическим свойствам близок к манганину, предельная допустимая температура (tпред≈ 450°C) при длительной эксплуатации выше, чем у манганина. Высокая термо-эдс пары константан - медь ограничивает применение константана для резисторов,
  но позволяет использовать его для изготовления термопар, работающих при
  температурах в нескольких сотен градусов.

• Методом термического окисления проволока из константана может быть
  покрыта окисной плёнкой, проявляющей изоляционные свойства. Недостатком к
  онстантана является высокая стоимость.

Сплавы железа

• Эти сплавы применяются, в основном, для изготовления электронагревательных устройств. При нагревании на их поверхности образуется окисная плёнка, обеспечивающая высокую нагревостойкость этих сплавов (плёнка рыхлая и не обеспечивает защиту от коррозии). Поскольку температурные коэффициенты линейного расширения окисла и сплава близки, окисная плёнка не разрушается при нагревании.

• Металлами, образующими защитные окислы, также являются никель, хром и упомянутый выше алюминий. Окислы железа не образуют сплошной пленки, поэтому, чем меньше в сплаве железа, тем выше его нагревостойкость.

• Наличие на поверхности летучих окислов, например, окислов вольфрама и молибдена, снижает срок службы изделий.

• Маркировка сплавов буквенно-цифровая: буквы обозначают название элемента (В – вольфрам, Г – марганец, Б – ниобий, Д – медь, Ю – алюминий, К – кобальт, Х – хром, Н - никель), цифры – его процентное содержание.

Нихромы

• Нихромы – сплавы системы Fe-Ni-Cr, содержащие 55 – 78% Ni, 15 – 23% Cr, остальное Fe. r=(10 – 15)•10-7 Ом•м, αr=(100 – 200)• 10-6 К-1, tпред≈ 1100 °C.

• Сплавы Х15Н60, Х20Н80 используют для резистивных
  и нагревательных элементов. Нихромы технологичны, но, как все
  никельсодержащие славы, дороги.

Сплавы системы Fe – Cr – Al

• В данной группе сплавов можно выделить фехрали (содержащие 12 – 15 % Cr, 3,5 – 5,5% Al, остальное Fe) и хромали (содержащие 22 – 25 % Cr, 4,5 – 5,5% Al, остальное Fe). Они дешевле нихромов, но менее технологичны из-за твердости и хрупкости, поэтому изготовление из них тонкой проволоки затруднено. Их удельное электросопротивление r=(10 – 15)×10-7 Ом•м, αr=(60 – 120)×10-6 К-1, tпред=900 - 1200 °C.

• Данные сплавы применяют в качестве материалов для нагревательных и резистивных элементов.

• Для работы при температурах выше 1400°C используют неметаллические материалы на основе силицида молибдена (MoSi2), карбида кремния (SiC), Al2O3, а также сплавы благородных металлов (платины с иридием, платины с родием и др.).

Сплавы для термопар

• Для создания термопары, которая является элементом термоэлектрического термометра, применяют два соединенных разнородных проводника (термоэлектрода). Если контакты (спаи) термоэлектродов находятся при разных температурах, то по величине термо-эдс, возникшей в этой цепи, можно определить температуру контактов. Металлическими материалами для термоэлектродов служат

копель (56% Cu, ост. Ni);

константан (40% Ni, ост. Cu);

алюмель (95% Ni, ост. Al, Si, Mg);

хромель (90% Ni, ост.Cr);

платинородиевый сплав
(90% Pt, ост. Rh).

• Рабочие температуры, при которых используются эти сплавы:

• • медь – константан, медь – копель – до 3500С;

• • хромель – копель – до 6000С;

• • хромель – алюмель – до 900 - 10000С;

• • платина – платинородий - до 10600С.

• Кроме металлических материалов, для изготовления термоэлектродов применяют также и полупроводниковые, но значительно реже.

Металлические проводниковые и резистивные материалы в электронике и микроэлектронике

• Особенности применения материалов в электронике и микроэлектронике определяются особенностями изготовления миниатюрных и микроминиатюрных изделий – дискретных полупроводниковых приборов и различного рода микросхем (интегральных, гибридных). Развитие микроэлектроники привело к созданию микро- и наноразмерных элементов изделий, в которых необходимо учитывать влияние размерных эффектов (в том числе, и квантово-размерных) на свойства материала.

Металлические плёнки

• Металлические плёнки используют в качестве проводников, резисторов, контактных площадок, индуктивных, магнитных и других элементов в полупроводниковых приборах и микросхемах. Тонкие плёнки наносят на подложки в вакууме (термическим испарением, катодным и ионно-плазменным распылением и т.д.). Толстые плёнки наносят методом вжигания специальных паст на воздухе. Такие технологии отличают простота, высокая технологичность и низкая стоимость. Материалы, из которых изготавливают плёнки, должны иметь хорошую адгезию к материалам подложек. Необходимо помнить, что удельное электросопротивление плёнок всегда выше, чем у материала в массивном состоянии и, что с уменьшением толщины плёнки происходит изменение знака температурного коэффициента удельного электросопротивления.

Тонкие пленки

• Тонкие плёнки должны, наряду с хорошей адгезией с подложкой, допускать возможность травления, сварки, пайки, иметь высокую коррозионную стойкость. Их толщина обычно менее единиц мкм.

• Проводниковые тонкие плёнки изготавливают из Au, Ag, Cu, Al. Используют чаще всего для создания однослойных проводящих структур (омических контактов, токоведущих элементов и т.д.) в полупроводниковых приборах и микросхемах. Плёнки из Au применяют в качестве внешнего слоя многослойных структур для защиты элементов микросхем от окисления.

• В ряде случаев, когда однослойные плёнки не удовлетворяют каким-либо требованиям, наносят многослойные плёнки. Чаще всего это делают для улучшения адгезии либо для предотвращения образования барьера Шоттки на границе раздела «металл-полупроводник». Вначале наносят «подслой» толщиной 20-30 нм (например, из Cr, Ni, нихрома, W, Ta, имеющих хорошую адгезию к подложке), а на него – проводящий слой из Al, Cu, Ag, Au.

• В качестве материалов для проводниковых плёнок часто используются медь, содержащую легирующий элемент (Mn, Ni, Co, Pt, Ti, Sn ). Такие плёнки имеют хорошую адгезию, высокую коррозионную стойкость, хорошо свариваются и паяются, обладают низким удельным электросопротивлением.

Резистивные тонкие плёнки

• Резистивные тонкие плёнки применяются для создания тонкоплёночных резисторов и резисторных схем. Они должны иметь высокое r, а в ряде случае ещё и низкий температурный коэффициент удельного электросопротивления. Для изготовления резистивных плёнок используют Cr, Ti, Zr, W, Mo, Nb, Re, Ta; Cu – Ni – Ti, Cr – Sn – Ge, нихром; сплавы Pt, Ru, Ir, Pd с W, Re, Ta, Mo; металлосилицидные и керметные пленки, для создания высокотемпературных плёнок - системы Re - Al2O3.и (Re+W) - Al2O3.

Толстые плёнки

• Толстые плёнки имеют толщину в десятки мкм. Используются для изготовления проводниковых и резистивных элементов в гибридных микросхемахи. В состав вжигаемых паст входят порошки функционального материала (проводникового или резистивного) и связующее вещество.

• Для изготовления толстых проводниковых плёнок применяют медь, алюминий, серебро и золото; для резистивных пленок – сплавы (твёрдые растворы Ag – Pd, Ru – Ir; эвтектики Ag+PdO, Pt+IrO2, Ag+Pd+PdO и т.д.).

• Для создания токопроводящих и резистивных элементов применяют плёнки из легированного поликристаллического кремния с удельным поверхностным сопротивлением 20 – 60 Ом. Замена такими плёнками плёнок из алюминия позволяет повысить плотность элементов и быстродействие БИС.

Никель-хромовые покрытия

Особенности обработки

Способ нанесения пленки

• Пленка хрома имеет отрицательное значение ТКС, которое увеличивается с ростом толщины и размера зерна пленки, а ТКС никеля имеет положительное значение, которое уменьшается с ростом толщины и уменьшением размера зерна пленки. Замечено аномальное изменение ТКС обоих материалов в области толщин 7–20 нм, которое объясняется переходом от пленки островкового типа к сплошной пленке. В этом же диапазоне толщин пленок наблюдается существенное замедление роста электрической проводимости пленок.

• На основе данных, полученных для хрома и никеля, были рассчитаны ожидаемые значения ТКС для двухслойных пленок хром-никель по формуле

где RNi и RCr – эквивалентное сопротивление никеля и хрома; бCr и бNi – ТКС

слоя хрома и никеля соответственно

Значения ТКС

• Расчетные значения ТКС достаточно хорошо коррелированны с фактическими в диапазоне режимов нанесения, обеспечивающих получение сплошных пленок обоих компонентов. В случаях, когда в соответствии с режимами нанесения должна получаться пленка островкового типа, наблюдается существенное отклонение фактических значений ТКС от расчетных. Эти отклонения можно объяснить проявлением взаимодействия пленки хрома с пленкой никеля, которое носит характер взаимной диффузии обоих материалов. При этом формирующиеся в зоне диффузии твердые растворы никеля в хроме и хрома в никеле имеют существенные отличия, как по значению электрического сопротивления, так и по значению ТКС. При использовании материалов с близкими по значению, но различными по знаку ТКС возможно получение пленочных резисторов, ТКС которых будет близок к нулю за счет взаимной компенсации. Однако низкие значения сопротивления таких двухслойных тензорезистивных элементов не позволяют использовать их в датчиковой аппаратуре.

• Метод магнетронного распыления из двух независимых источников по-

• зволяет синтезировать двухкомпонентные тонкие пленки заданного состава. На рис. 7 представлена зависимость содержания компонентов в атомных процентах от режимов распыления для двухкомпонентной хромоникелевой пленки. Из рисунка видно, что, зависимость содержания компонентов от тока распылителей имеет вид, близкий линейному.

• Предложенная технология обеспечивает получение пленок требуемого состава. Толщина пленки, полученной совместным магнетронным распылением из раздельных мишеней, меньше толщины двухслойной пленки, полученной при аналогичных режимах, так как соответствует твердому раствору хрома в никеле и никеля в хроме.

• При синтезе двухкомпонентных пленок увеличение температуры подложки способствует более равномерному смешению компонентов и увеличению их взаимной диффузии. На экспериментально полученной зависимости ТКС от состава пленки (рис. 9) видно, что наблюдается резкое снижение значений ТКС практически на порядок при увеличении содержания хрома в пленке от 0 до10 %, а при содержании хрома более 90 % ТКС приобретает отрицательное значение, характерное для хрома.

• Синтезированные пленки хром-никель с содержанием хрома 15–50 % характеризуются значением ТКС, слабозависящим от состава и температурного режима подложки при осаждении.

• Стабильность характеристик делает эти пленки наиболее перспективными для применения в качестве резистивных и тензорезистивных элементов. Анализ представленной зависимости позволяет выбрать для получения резистивного элемента состав с требуемым значением ТКС от +0,0001 до –0,0001 К–.

• Тем не менее получение резистивных элементов с ТКС, близким к нулю, достаточно затруднительно, так как в области перехода через 0 зависимость ТКС от состава резко изменяет свои значения. Использование резистивных элементов с градиентом состава по толщине дает возможность получения желаемого результата. На основании сделанного предположения был изготовлен резистивный элемент, 70% толщины которого имело состав с 50 % хрома, а 30 % толщины – 60% хрома. Изменение состава обеспечивалось программным регулированием скорости распыления хромовой мишени. Полученные резистивные элементы имели значение ТКС 1,3·10–5 К–1 при сопротивлении 657–693 Ом. Коэффициент тензочувствительности таких элементов составляет от 2,2 до 2,4, в то время как для резистивного элемента, полученного из сплава Х20Н75Ю методом термического резистивного испарения, составляет от 1,9 до 2,1