金属膜电阻器用高阻靶材制备工艺研究

　　金属膜电阻器因精度高,稳定性好,低噪声,电阻温度系数小及较宽的频率响应等优异性能在仪器、仪表及通讯设备中被大量采用。当前金属膜电阻器是以特种金属或合金作电阻材料,用真空蒸发(粉状材料)[1-4]或溅射(块状靶材)[5-10]的方法,在陶瓷或玻璃上基本形成电阻金属膜层,其性能取决于它的成膜材料和成膜工艺。对于磁控溅射镀膜来说,靶材很关键,它制约着金属膜电阻器的电离率、精度、可靠性、电阻温度系数等性能。制备靶材最常用的方法是用粉末冶炼靶材,但用此方法制备的靶材空隙较多,较疏松,靶材中会残留较多的气体,这些气体在溅射时会影响溅射设备的真空度并造成杂质污染,不利于得到性能稳定的电阻薄膜。为提高溅射薄膜的质量,得到阻值集中、性能稳定的电阻薄膜,本研究通过在炼制过程中控制晶粒细化来炼制所需的高阻靶材。

　　1　材料选择及成分设计

　　1.1　靶材制备材料的选取

　　电阻值要求不同,靶材的成分不一样。用于制备中、低阻金属膜电阻器的靶材大都是在纯金属中掺入少量的杂质金属而形成固熔体的金属合金;而高阻靶材则需加入更多的Si、SiO等非金属材料来提高其电阻率。按照组成成分的不同,常用的金属膜电阻器靶材主要有Ni-Cr系电阻合金、Cr-Si系电阻合金、Cr-SiO系电阻合金等。

　　研究要求所制备的靶材(382 mm×128 mm×14 mm)在溅射成电阻器薄膜后,电阻温度系数小(≤25×10-6/℃),电阻值高(要求不刻槽数量级为千欧,刻槽后数量级为兆欧)且稳定(随时间变化小),因此,在本靶材研究中,将选择Cr、Si作为高阻靶材的主体材料。由于Cr、Si熔点高,原子移动性低,因此由其所组成的薄膜稳定性高。通过在金属Cr中引入半导体材料Si来提高电阻器合金膜的阻值。Cr是很好的吸收气体的金属元素,在电阻器薄膜溅射过程中,可通过通入微量的氧来提高薄膜的电阻率,同时调节电阻温度系数。

　　1.2　性能测试

　　由于所研制靶材用于金属膜电阻器,因此靶材的性能通过溅射的金属膜电阻器性能来考察。将研制靶材装到TRC2020型磁控溅射镀膜机上,在天津信达电子有限公司RJ24生产线上溅射金属膜电阻器,并测试其性能。

　　2　靶材炼制工艺

　　为了提高电阻器阻值,又能够使铬硅原料在1 600℃以下熔化,w(Si)=50%~60%,w(Cr)=40%~50 %,细化剂Ti的质量分数在2%~5%之间,其他添加剂的质量分数在2%~5 %。实验研究采用中频真空感应炉熔炼制备靶材,其基本参数:功率10~40 kW,感应圈电压100~400 V,感应圈电流200~380 A,功率因数cosΦ=0.9~1.0。

　　制备的靶材质量将影响溅射电阻器膜的质量及其性能指标,靶材密度越高,溅射形成膜的质量越好,在炼制靶材中,靶材致密极为重要。其关键是控制Cr-Si靶材铸态组织中晶粒粗化,使晶粒细化,提高Cr-Si靶材铸件的组织致密性,减少疏松倾向,提高Cr-Si靶材铸件的气密性。晶粒细化不仅有利于Cr-Si靶材内部组织均匀化,且降低其韧脆转变温度,从而使炼制的靶材强度和硬度高、塑性和韧性好,提高了靶材炼制的成品率。