Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра физической электроники (ФЭ)

Курсовая работа

по дисциплине «Физика пленочных наноструктур»

РЕЗИСТИВНЫЕ ПЛЕНКИ НИХРОМА (NiCr)

Студент гр. 326

А.А. Метель

Руководитель

Ст. пр. кафедры ФЭ

2019



Содержание

ВВЕДЕНИЕ

2 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР3

2.1 Термическое испарение в вакууме

2.2 Методы и способы получения резистивных пленок нихрома (NiCr)

2.3 Особенности получения пленок нихрома термическим испарением

2.4 Ионно-плазменное распыление

2.5 Механизмы проводимости пленок нихрома

3 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

Заключение

Список использованных источников

стехиометрия поверхностное сопротивление пленка нихром



Реферат

Курсовая работа (КР) содержит: 33 страницы, 7 рисунков, 21 использованный источник.

В данной курсовой работе выполнен литературный обзор методов получения тонких пленок нихрома и исследована зависимость параметров от стехиометрии пленки. Рассчитан диапазон толщин, удовлетворяющих требованиям удельного поверхностного сопротивления и температурного коэффициента сопротивления.

Ключевые слова: резистор, тонкие пленки, нихром, удельное сопротивление, температурный коэффициент сопротивления.

Abstract

Course work (CW) contains: 33 pages, 7 pictures, 21 sources used.

In this paper, a literature review of methods for producing thin films of nichrome is carried out and the dependence of the parameters on the film stoichiometry is investigated. The range of thicknesses that meet the requirements of specific surface resistance and temperature coefficient of resistance is calculated.

Keywords: resistor, think-film, nichrome, surface resistivity, temperature coefficient of resistance.



Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ(ТУСУР)

Кафедра физической электроники (ФЭ)

Утверждаю

Заведующий кафедрой ФЭ,

д.т.н., профессор

П.Е. Троян

ЗАДАНИЕ

на курсовуюработу по дисциплине

Физика пленочных наноструктур

Студенту группы 326 факультета электронной техники

Метель Александру Андреевичу

(Ф.И.О)

1. Тема проекта: Резистивные пленки нихрома (NiCr).

2. Исходные данные к работе:

2.1 Пленки нихрома получены термическим испарением в вакууме.

2.2 Необходимые параметры пленки: удельное сопротивление с_s=300ч400 Ом/?, температурный коэффициент сопротивления ТКС=+200^.10^-6 град^-1.

3. Содержание пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов):

3.1 Особенности технологии получения пленок нихрома термическим испарением.

3.2 Расчет условий получения пленок с необходимыми параметрами.

3.3 Механизм проводимости пленок нихрома.

3.4 Зависимость удельного сопротивления от толщины пленки.

3.5 Расчет передаточной характеристики в области насыщения.

3.6 Расчет рабочего диапазона частот.

3.7 Расчет мощности рассеяния и выбор корпуса.

3.8 Расчет выходных характеристик в диапазоне U_ЗИ=(0ч15) В, U_СИ=(0ч10) В (алгоритм и программа).

4. Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей):

4.1 Схема установки для получения пленок нихрома.

4.2 График зависимости удельного сопротивления от толщины пленки.

4.3 График зависимости температурного коэффициента сопротивления от толщины пленки.

Дата выдачи задания «_____»_____________ 2019 г.

Руководитель:

Старший преподаватель кафедры ФЭ Минин Олег Николаевич

Срок сдачи студентом законченного отчета «_____»_______________ 2019 г.

Задание принял к исполнению _________________«_____»_________ 2019 г.



ВВЕДЕНИЕ

На данный момент времени широко развиваются такие сферы как исследование и разработка полупроводниковых элементов и приборов на их основе, улучшение их характеристик и минимизация размеров.

Одним из самых распространенных пассивных элементов в электронике являются резисторы. В связи с этим возникает необходимость в создании резисторов с различными удельными сопротивлениями, температурными коэффициентами сопротивления (ТКС) и т.д.

Основными целями курсовой работы являются рассмотрение технологических особенностей получения пленок нихрома термическим испарения, расчет условий получения пленки с необходимыми в техническом задании (ТЗ) параметрами, влекущие за собой систематизацию и закрепление имеющихся знаний по дисциплине «Физика пленочных наноструктур».

Для определения актуальности исследования и расчета резистивных пленок нихрома (NiCr) был выполнен патентный поиск, с глубиной поиска 8 лет. Актуальность данной темы определялась как количеством публикаций, направлением исследований, так и технологическим развитием на протяжении последних лет.

В таблице 1.1 представлено количество публикацийв ReserchGate (бесплатная социальная сеть и средство сотрудничества ученых всех научных дисциплин), которое напрямую отражает актуальность тонкопленочных резисторов на основе нихрома (NiCr).

Таблица 1.1 - Количество публикаций в течении последних 8 лет

Год	2010	2011	2012	2013	2014	2015	2016	2017	2018
Число публикаций, N	187	186	187	207	218	205	184	180	176



На рисунке 1.1 изображена гистограмма количества публикаций N в течении каждого года.

Рисунок 1.1 - Гистограмма количества публикаций в течении каждого года

Рисунок (1.1) наглядно подтверждает, что актуальность исследований к резистивным пленкам нихрома (NiCr) сохраняется.

Рассмотрим какие именно разработки ведутся на протяжении последних лет и каким проблемам уделяется особенное внимание.

Одними из основных направлений исследований являются уменьшение ТКС, исследование временной стабильности, а также разработка и анализ возможностей интеграции в различные технологические процессы [1-3]. Для увеличения воспроизводимости и выхода годных изделий с использованиями резистивных пленок выполняются работы по составлению математической модели испарения и получения тонких пленок нихрома (NiCr)[4].

В результате выполненного анализа выявлено, что актуальность исследований резистивных пленок нихрома (NiCr) 8 лет сохраняетсяи ведутся исследования по улучшению их свойств, а также активное применение в различных приборах в качестве тонкопленочных резисторов.



2 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

В главе 2 представлены процесс термического испарения в вакууме, основные методы получения, свойства и механизмы проводимости резистивных пленок нихрома (NiCr).

2.1Термическое испарение в вакууме

Суть метода термического испарения состоит в том, что материал, из которого надо получить пленку, нагревается в вакууме до высокой температуры. Испарившиеся атомы в условиях высокого вакуума летят по прямолинейным траекториям, не испытывая столкновений. При ударе атомов испарившегося вещества о какую-либо поверхность, они конденсируются на ней, образуя пленку, данное явление изображено на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1- Схема осаждения пленки термическим испарением: 1 - подложка; 2 - экран; 3 - испаряемое вещество.

Для обеспечения движения атомов испаряемого вещества без столкновений их средняя длина свободного пробега л должна быть больше расстояния от испаряемого вещества до подложки. При давлении 10^-2 Па средняя длина свободного пробега равна 50 см, что превышает реальное расстояние от испаряемого вещества до подложки (обычно не больше 20 см). Поэтому при термическом испарении в вакууме давление остаточных газов составляет 10^-2 - 10^-3 Па. Нагрев вещества в вакууме осуществляется до температуры, при которой возрастающая с нагревом кинетическая энергия атомов и молекул вещества становится достаточной для отрыва их от поверхности и распространения в окружающем пространстве. Это происходит при такой температуре, при которой давление собственных паров вещества превышает на несколько порядков давление остаточных газов. При этом атомарный поток распространяется прямолинейно и при столкновении с поверхностью испаряемые атомы и молекулы конденсируются на ней.

Процесс испарения осуществляется по обычной схеме: твердая фаза - жидкая фаза - газообразное состояние. Некоторые вещества (магний, кадмий, цинк и др.) переходят в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Такой процесс называется сублимацией.

Переход твердых тел или жидкостей в газообразное состояние называется испарением и может быть рассмотрен на основе положений термодинамики и кинетической теории газа. Особое значение имеет условие термодинамического равновесия, при котором два состояния вещества, например, конденсированная фаза (жидкость, твердое вещество) и ее пар, существуют при одной и той же температуре в контакте друг с другом без каких-либо изменений во времени. Это означает, что количество испаренного вещества должно быть равно количеству сконденсированного вещества за все время, пока поддерживается равновесие (состояние насыщения). При этих условиях твердые тела и жидкости характеризуются определенным давлением насыщенных паров P_S, которое зависит только от температуры для данного вещества. Из условия равновесия пар - твердое тело, пар - жидкость путем решения уравнений термодинамики получена зависимость давления насыщенного пара от температуры испарения Т_И:

,(2.1)



где P_S-давление насыщенного пара, Па;

А, В - постоянные, характеризующие природу вещества.

Таким образом, чем выше температура испарения, тем больше давление насыщенного пара. Температуру, при которой давление насыщенного пара 1,33 Па, называют условной температурой испарения.

При равновесных условиях поток испаряющихся частиц с единицы поверхности за одну секунду определяются выражением

,(2.2)

гдеб - коэффициент испарения, равный 1ч10^-6, зависящий от степени загрязнения поверхности;

m - масса атома испаряемого вещества в кг;

k - постоянная Больцмана, Дж/К;

T_исп - температура, до которой нагрето вещество, К.

Количество вещества, достигающего поверхности подложки будет зависеть от конфигурации испарителя и подложки. Если подложка параллельна поверхности испарителя, то число атомов Q_ОС, достигающих единицы поверхности подложки в единицу времени, определяется выражением:

,(2.3)

гдеS_и - площадь испарителя, м²;

h - расстояние от испарителя до подложки, м;

ц - угол между нормалью к поверхности испарителя и направлением потока испаряемого вещества.



2.2 Методы и способы получения резистивных пленок нихрома (NiCr)

Как только были выявлены преимущества металлических пленок как основы резисторов, большинство исследователей стало считать, что для получения тонких пленок необходимо применять те материалы, которые, как было доказано, имеют наилучшие свойства в массивном образце. Это случилось потому, что дополнительные источники удельного сопротивления, которые имеются в материале, находящемся в виде тонкой пленки, не были полностью оценены. Для изготовления резисторов одним из лучших сплавов считался нихром, состоящий либо из 80% никеля и 20% хрома, либо имеющий некоторые добавки из других металлов. Поэтому ранние исследования в области создания тонкопленочных резисторов проводились на осажденных пленках нихрома[5,6]. Вскоре было обнаружено, что большинство нихромовых пленок имеют более высокое удельное сопротивление по сравнению со сплавом; этим и объясняется то, что до настоящего времени пленки нихрома продолжают широко использоваться в промышленности. Наиболее широко используемый метод осаждения пленок нихрома -- напыление в вакууме. Основные трудности, возникающие при реализации этого метода (кроме проблем, связанных с загрязнением фоновыми газами) -- это весьма значительная разность в давлениинасыщенных паров никеля и хрома и высокая химическая активность нихрома по отношению ко многим материалам тиглей. Пытаясь решить последнюю из перечисленных проблем, некоторые исследователи возгоняли сплав из проволочного испарителя, а не испаряли его из расплава [7]. К сожалению, чем ниже температура, тем больше разность в давлении паров компонентов. Например, при 1000°С хром испаряется в 300 раз быстрее никеля, в то время как при 1300°С это отношение падает до 8. Однако, как сообщается в литературе, некоторые исследователи нашли метод эффективного управления процессом возгонки. Например, Монье в качестве испарителя использовал широкую пластинку из нихрома, нагревая ее до температуры 1170° С [8]. Скорость осаждения была всего лишь 13 А/мин^-1.мм^-2, но равномерность была такой, что контроль за величиной сопротивления оказался не нужен и значение поверхностного сопротивления могло контролироваться только по одному времени напыления. Как и предполагалось, содержание хрома в пленке было почти на 40% больше, чем в испарителе.

Из-за более высокого давления паров хрома состав (и, следовательно, удельное сопротивление) пленок, полученных испарением из расплава, имеющего ограниченную массу, будет изменяться во времени. Например, когда Дегенхарт и Пратт испаряли около 12% 1,2-граммовой навески, нагревая ее до температуры 1450°С, они установили, что состав пленок непрерывно меняется вместе с изменением величины поверхностного сопротивления, что графически представлено на рисунке 2.2[9].

Рисунок 2.2-Зависимость, отражающая влияние содержания хрома на поверхностное сопротивление нихромовых пленок, полученных напылением в вакууме и катодным распылением

Альтернативным подходом является предположение, что состав пленки будет отличаться от состава исходного материала источника, но его изменения благодаря использованию достаточно массивного источника будут незначительными. Этот подход использовался Уайдом и Терменом, которые установили, что для получения пленки, состоящей из равного количества хрома и никеля, источник нихрома должен содержать 14% хрома[10]. Источник, состоящий из 200-граммовой конической навески, поддерживался внутри тонкостенного конического керамического тигля размерами ?8х60 мм. Температура источника была доведена до рабочей с помощью индукционного нагрева и контролировалась термопарой. Существует и другая проблема при нанесении пленок нихрома - это частичное окисление хрома во время напыления (степень окисления зависит, очевидно, от скорости напыления, концентрации остаточного газа и температуры подложки). Кроме того, поскольку пленки обычно подвергаются стабилизирующей обработке, изменения сопротивления из-за окисления зависят от количества хрома на поверхности пленки.

Уайд и Бернер нашли критическую величину толщины пленки, свыше которой для более толстых пленок можно заранее предсказать их характеристики, но более тонкие пленки будут отличаться крайней нестабильностью своих характеристик [11]. Критическая величина толщины пленки оценивается в 100 А и зависит от температуры подложки, материала подложки и скорости напыления. Состав пленки почти не влияет на критическую величину толщины. В эксперименте УайдаБернера проводилась термическая обработка полученной пленки в обычной атмосфере, это позволило им сделать вывод о том, что критическая величина толщины определяется глубиной диффузии кислорода во время термообработки. Описанное явление наблюдается и в танталовых пленках и связано с окислением границ зерен.

Кемпбелл и Хендри сообщили об одной интересной взаимосвязи между величиной ТКС и составом пленок нихрома [12]. Они обнаружили, что ТКС становится все более отрицательным для пленок с высоким содержанием хрома, и подобрали состав пленки и условия, при которых ТКС не зависит от поверхностного сопротивления, результат эксперимента графически представлен на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 - Зависимость ТКС нескольких нихромовых пленок разного состава от их поверхностного сопротивления

Рост отрицательного ТКС при увеличении поверхностного сопротивления для составов, отличных от состава с процентным соотношением компонентов 80:20, является нормальным для всех металлических пленок. Рост положительного ТКС в связи с ростом поверхностного сопротивления объясняется тем, что пленки представляют собой структуру, в которой изолированные зерна никеля распределены внутри кристаллической решетки окиси хрома. Обычно подобная структура имеет отрицательный ТКС. Однако вблизи процентного состава 80:20 различие в коэффициенте расширения между пленкой и стеклянной подложкой ведет, по-видимому, к увеличению промежутков между зернами, а отсюда и положительный ТКС.

Проблема контроля состава металлов в пленках нихрома может быть решена методом взрывного испарения. Этот вопрос исследовали Кемпбелл и Хендри [12]. Используя порошок с желаемым составом и «сбрасывая» его на раскаленный испаритель, они показали, что состав пленки с точностью до 1% соответствует составу исходного порошка. Родственный метод, очень похожий на метод взрывного испарения и к тому же достаточно технологичный, использовался Сиддаллом и Пробином [13]. Нихромовая проволока использовалась как электрод, испаряемый, благодаря бомбардировке его электронами. Поскольку весь кусок испаряется до момента продвижения проволоки, состав пленки получается аналогичным составу проволоки. Проблема контроля за составом нихромовой пленки может быть также решена с помощью метода катодного распыления. Сравнивая пленки нихрома, полученные этим методом методом напыления в вакууме, Пратт установил, что пленки, полученные методом катодного распыления, с поверхностным сопротивлением выше некоторой определенной величины получаются почти постоянного состава[14].Он же установил, что ТКС подобных пленок изменяется в гораздо меньших пределах, чем ТКС пленок, полученных методом взрывного испарения. Так, ТКС пленок, полученных методом испарения, колеблется от +3,5^.10^-4 1/°С у пленок с поверхностным сопротивлением около 3 Ом/? до -3^.10^-4 1/°С у пленок с поверхностным сопротивлением около 3000 Ом/?, в то время как пленки, полученные методом распыления, имеют ТКС порядок +1,5^.10^-4 1/°С при колебании величины поверхностного сопротивления в диапазоне 5-1200 Ом/?.На рисунке2.4изображено изменение относительного сопротивления пленок, полученных обоими методами, в зависимости от изменения поверхностного сопротивления [15].

Рисунок 2.4 - Зависимость относительного сопротивления пленок от изменения поверхностного сопротивления: 1 - пленки, полученные распылением; 2 - пленки, полученные напылением



Для пленок, полученных методом напыления в вакууме, наблюдается небольшое уменьшение относительного сопротивления при значениях поверхностного сопротивления ниже 10 Ом/?. Выше этой величины наблюдается некоторое увеличение относительного сопротивления, а затем кривая быстро идет вверх. Пленки, полученные катодным распылением, имеют простую характеристику, но у них рост относительного сопротивления происходит несколько быстрее, а кроме того, при больших значениях поверхностного сопротивления наблюдаются значительные отклонения отдельных значений от результирующей кривой. Вид кривых можно объяснить либо тем, что пленки, полученные катодным распылением, более чувствительны к окислению, либо тем, что уменьшение относительного сопротивления в левой части кривой благодаря эффекту отжига в этих пленках проявляется значительно слабее. Оба объяснения представляются правдоподобными. Для осаждения нихромовых пленок Стерн использовал методику распыления со смещением [16]. Он показал, что этим способом можно получить пленки, свойства которых очень напоминают свойства сплава, из которого они получены, и которые имеют максимально полезное поверхностное сопротивление около 40 Ом/?. Пленки получались очень стабильными и практически не изменялись при нагревании в обычной атмосфере. Поскольку этот метод имеет чрезвычайно высокую воспроизводимость, контроль за поверхностным сопротивлением возможен с точностью около ±2%. Чтобы достигнуть этой точности, необходимо было преодолеть затруднение, связанное с колебаниями скорости осаждения из-за изменений количества примеси водорода.

Бикнелл совместно с другими авторами исследовал структуру нихромовых пленок, полученных напылением при давлении 10^-4 мм рт. ст. [17]. Состав пленки - 40% Ni и 60% Cr. Было обнаружено, что только 1/3 хрома образовала сплав с никелем, остальная часть хрома кристаллизовалась в виде окиси хрома в «скин-фазе». После отжига при температуре свыше 500 °С пленка состояла из монокристаллических островков никель-хрома размером до 100 А в матрице бCr₂O₃.

Сиддалл и Пробин определили технические требования при получении нихромовых пленок методом напыления: 1) температура подложек в процессе напыления должна поддерживаться в диапазоне 2 - 300 °С, чтобы ликвидировать внутренние напряжения; 2) окисление пленки во время напыления должно регулироваться изменением остаточного давления газа и скорости напыления; 3) полученная пленка должна быть отожжена [13]. Отжиг можно проводить в обычной атмосфере при температуре 250 - 350 °С, но готовая пленка должна быть изолирована, чтобы улучшить ее стабильность при больших изменениях атмосферных условий [15].

2.3 Особенности получения пленок нихрома термическим испарением

При испарении соединений переход в газообразное состояние обычно сопровождается изменением вида молекулы. Было доказано, что испарение соединений сопровождается диссоциацией, которая сильно влияет на стехиометрическое соотношение составляющих. Это особенно сильно проявляется, если один из продуктов диссоциации является нелетучим. Последний случай соответствует термическому разложению и исключает возможность применения непосредственного испарения. Таким образом, осаждение пленок соединений из одного испарителя возможно только в том случае, если вещество переходит в газообразное состояние в виде неразложенных молекул или если продукты разложения обладают одинаковой летучестью. Если это условие выполняется, то говорят о согласованном испарении.

При термическом разложении испарение соединений идет несогласованно, т.е. при температуре испарения летучесть их составляющих отличается столь сильно, что химический состав пара и, следовательно, пленки не совпадает с химическим составом исходного вещества.

Основными вариантами для сохранения получения тонкой пленки стехиометрического состава являются следующие варианты испарения:

1. Взрывное (дискретное) испарение применяется для осаждения пленок, соединений, сплавов и смесей, составляющие которых имеют разные давления паров. Температура испарителя выбирается такой, чтобы происходило испарение наименее летучего вещества.

2. Метод одновременного испарения из двух испарителей. Испарение двух материалов при различных температурах с последующей их совместной конденсацией на одной и той же подложке исключает проблемы фракционирования и разложения, которые встречаются при непосредственном испарении большинства сплавов и соединений. Возможно также проводить совместное осаждение веществ, которые не образуют ни соединений, ни твердых растворов. Примером являются пленки резисторов из окислов и металлов (керметы).

2.4 Ионно-плазменное распыление

Исходя из актуальности ионно-плазменного распыления в качестве метода получения резистивных пленок нихрома, в данной главе рассмотрена физическая основа процесса.

Ионно-плазменное распыление - это процесс распыления мишени, выполненной из требуемого материала, высокоэнергетическими ионами инертных газов. Распыленные ионами атомы материала мишени, осаждаясь на подложке, формируют пленку материала. Ионно-плазменное распыление можно реализовать путем распыления материала катода в плазме газового разряда ионизированными молекулами разряженного газа (катодное распыление), либо путем распыления мишени в высоком вакууме сформированным пучком ионов (ионное распыление).

Распыление ионной бомбардировкой, как и испарение в вакууме, позволяет получать проводящие, резистивные, диэлектрические, полупроводниковые и магнитные пленки, но, по сравнению с термическим вакуумным напылением, имеет ряд преимуществ.

Катодное распыление основано на явлении разрушения катода при бомбардировке его ионизированными молекулами разряженного газа. Атомы, вылетающие с поверхности катода при его разрушении, распространяются в окружающем пространстве и осаждаются на приемной поверхности, которой является подложка. Схема процесса катодного распыления изображена на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 - Схема процесса катодного распыления: 1 - рабочая камера; 2 - катод; 3 - экран; 4 - анод; 5 - подложка; 6 - натекатель

В рабочей камере 1 установлена двухэлектродная система, состоящая из "холодного" катода 2, изготовленного из материала, подвергаемого распылению, и анода 4, на котором располагается подложка 5, натекатель 6 служит для натекания воздуха в насос для увеличения срока эксплуатации. Между катодом и анодом расположена заслонка (на рисунке не показана), которая так же, как и при термическом напылении, предназначена для перекрывания потока распыляемого вещества по мере надобности. Из рабочей камеры откачивается воздух, после чего в камеру напускается рабочий газ, давление которого устанавливается равным 1-10 Па.

Затем между катодом и анодом подается высокое напряжение, порядка нескольких киловольт, которое вызывает пробой газового промежутка и поддержание разряда.

Тлеющий разряд имеет характерное распределение потенциала между катодом и анодом, изображенное на рисунке 2.4. Непосредственно у самого катода располагается светящаяся область, называемая катодным свечением. Прилегающая к ней область темного катодного пространства характеризуется наибольшим изменением потенциала. Затем следует область отрицательного свечения, за которой наблюдается темная, с размытыми краями область фарадеева пространства. Примыкающая к аноду область называется положительным столбом. С точки зрения физики разряда наиболее важной является область темного катодного пространства. Основная часть приложенного напряжения падает на темном катодном пространстве, что объясняется большой разностью концентраций положительных ионов на границах катодного пространства. Толщина области приблизительно равна среднему расстоянию, которое проходят эмитированные катодом электроны до первого ионизирующего столкновения. Из-за большой напряженности электрического поля в катодном темном пространстве вторичные электроны пересекают его быстро. Однако, как только они достигают границы отрицательного свечения и вызывают генерацию большого числа электронно-ионных пар, положительный объемный заряд быстро спадает и начинается нейтральная область, содержащая приблизительно одинаковое число электронов и положительных ионов. Так как ионы экранируются электронами, они движутся в области отрицательного свечения посредством диффузии. Когда же ион достигает границы темного катодного пространства, он быстро устремляется к катоду и бомбардирует его с энергией, равной или меньшей энергии, соответствующей падению напряжения на темном катодном пространстве, в зависимости от того, испытал ли он на пути к катоду столкновения или нет. Удар иона о катод приводит к двум эффектам: к эмиссии нейтральных атомов (катодное распыление материала) и к эмиссии вторичных электронов. Вторичные электроны служат для поддержания разряда. Когда электроны попадают в область отрицательного свечения, они, по существу, обладают энергией, соответствующей полному катодному падению потенциала. Эта энергия затем теряется в серии столкновений, ионизирующих или возбуждающих атомы газа. В конце концов энергия электронов уменьшается настолько, что при последующих столкновениях они уже не могут ионизовать атомы газа. Соответствующий участок разрядного промежутка определяет дальнюю границу отрицательного свечения. Поскольку здесь не происходит ионизации газа, электроны накапливаются в этой области и образуют небольшой пространственный заряд. Энергии электронов недостаточно даже для возбуждения атомов газа, поэтому эта область темная и получила название Фарадеево темное пространство. В оставшейся части разряда от края Фарадеева темного пространства и до анода имеется слабое электрическое поле - положительный столб. Электроны ускоряются к аноду. Так как существование самостоятельного разряда зависит только от эмиссии достаточного числа электронов с "холодного" катода за счет его бомбардировки положительными ионами, то изменение расположения анода будет слабо влиять на электрические характеристики разряда до тех пор, пока его не придвинуть к краю темного катодного пространства. В этом случае разряд погаснет, так как это расстояние становится меньше длины пробега электронов, необходимой для ионизации газа. Это явление используется на практике для подавления побочных разрядов с нерабочей стороны катода. С этой целью вокруг катода устанавливается экран 3 (см.рис.3.12), находящийся под потенциалом анода и на расстоянии меньше длины темного катодного пространства.

Расположение подложки в пространстве между катодом и анодом оказывает большое влияние на условия осаждения пленок. Чем больше расстояние от катода до подложки, тем большее число распыленных атомов катода не доходит до подложки вследствие столкновений с молекулами газа, тем меньше скорость осаждения. Оптимальным является расстояние от подложки до катода, вдвое превышающее ширину темного катодного пространства (10 - 20 см), в связи с тем, что при приближении подложки к области темного катодного пространства распыление катода начинает замедляться в результате задержки ионов подложкой. Кроме того, на нее будут попадать из области отрицательного свечения электроны с большими энергиями, что негативно влияет на свойства пленок.

Энергия атомов при распылении гораздо больше энергии атомов при испарении. Это подтверждается измерениями скоростей распыленных атомов различными методами. Средняя энергия атомов меди, распыленных ионами криптона с энергией 900 эВ, составляет 5 эВ, что эквивалентно температуре 58000 К, в то время как средняя энергия испаренных атомов при температуре испарения меди 1500 К составляет 0,2 эВ. При увеличении энергии бомбардирующих ионов увеличивается доля атомов с энергиями в десятки и даже сотни электронвольт. Большие энергии распыленных атомов могут быть объяснены только с позиций импульсного механизма и опровергают термическую теорию распыления.

Получение чистых пленок полупроводников, металлов, сплавов и соединений реализуется путем распыления соответствующих мишеней в инертном газе, чаще всего в аргоне. Для реализации ионного распыления вакуумная установка предварительно откачивается до высокого вакуума (10^-2-10^-3) Па, затем напускается аргон до рабочего давления, при котором можно зажечь разряд. В диодных системах распыления, пример изображен на рисунке 2.4, разряд поддерживается при требуемых параметрах разряда U_р и токе разряда. Ионы аргона, ускоренные катодным падением потенциала, близким к U_р, бомбардируют поверхность катода. Катод выполняется из распыляемого материала или изготавливается специальная мишень. Энергию ионов можно приблизительно считать равной U_р. Разрядный ток определяет количество ионов, падающих на мишень, а, следовательно, и скорость распыления. Ионное распыление рекомендуется для получения пленок тугоплавких металлов вольфрама, молибдена, тантала, рения, циркония и др. Этот метод широко используется для получения пленок алюминия с добавкой кремния для металлизации в технологии полупроводниковых интегральных схем.

Для осаждения пленок сплавов метод ионного распыления имеет ряд преимуществ перед методом термического испарения. Химический состав напыленных пленок обычно соответствует составу катода-мишени даже в том случае, если компоненты сплава характеризуются различными коэффициентами распыления. Это объясняется тем, что спустя некоторое время после того, как компонент с наибольшей скоростью распыления покинет катод, поверхность катода обогащается другим компонентом до тех пор, пока не установится “стационарный” состав поверхности. По достижении этого состояния напыленная пленка будет иметь тот же состав, что и катод. Иначе обстоит дело при испарении: из-за высокой температуры испарения вещество из внутренних участков быстро диффундирует к поверхности. Если бы при распылении температура катода повысилась настолько, что диффузия из объема стала бы значительной, то напыленные пленки по составу отличались бы от катода [18].

2.5Механизмы проводимости пленок нихрома

Согласно квантовой теории, электропроводность ?определяется:

,(2.4)



где e - заряд электрона;

л - средняя длина свободного пробега электрона;

n - концентрация электронов в полупроводнике.

Концентрация электронов в металлах велика, порядка 10³⁰, и различается незначительно, следовательно, величина электропроводности ? определяется в основном длинной свободного пробега л, которая зависит от строения проводника, т.е. химической природы атома, от кристаллической решетки.

При уменьшении толщины металлической пленки до величины, соизмеримой с длиной свободного пробега электронов, границы пленки накладывают геометрическое ограничение на их движение. Число соударений с поверхностью начинает составлять значительную часть от общего числа столкновений. Таким образом, если в массивном образце удельное сопротивление не зависит от геометрических размеров, то по мере уменьшения толщины слоя удельное сопротивление увеличивается.

Впервые исследование условий, при которых уменьшение одного из размеров образца может оказать влияние на удельное сопротивление, было проведено в 1901 году английским физиком Томсоном. Более точные данные получены Фуксом в 1938 году, и большинство последующих работ базировалось на его методе[19,20]. Расчет Фукса - это статистический анализ, основанный на Больцмановской функции распределения электронов проводимости по энергиям. Расчет зависимости электропроводности от толщины тонкой металлической пленки согласно теории Фукса может быть представлен следующим образом:

,(2.5)

где с_М - удельное сопротивление массивного материала;

d - толщина тонкой металлической пленки;

л - длинна свободного пробега атомов.

Длину свободного пробега можно рассчитать по следующей формуле:

,(2.6)

где h - постоянная Планка;

e - заряд электрона;

n - концентрация электронов в металле.

В дальнейшем было введено упрощение Соффером[21], согласно разработанной им теории, зависимость электропроводности от толщины при первом приближении (для толщин порядка нескольких мкм и меньше) может быть представлена, как:

,(2.7)

где d- толщина пленки.

Представленная в (2.5) формула повторяла характер зависимости, однако совпадение с экспериментальными данными было мало.

Зависимость ТКС от толщины тонкой металлической пленки, согласно квантовой теории, может быть представлена следующей формулой:

,(2.8)

гдеб_м - ТК Смассивногоматериала ((0,1ч0,25)^.10^-3град^-1).

u - коэффициент отражения (0ч1).



3 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

Исходя из данных, представленных на рисунке 2.3 состав пленки нихрома выбран 80:20, т.к. при данном соотношение возможно выполнение требований, представленных в ТЗ.

В соответствии с формулами, представленными в разделе 3 (2.4-2.7) построена зависимость удельного сопротивления тонких пленок нихрома в зависимости от толщины пленки, а также выполнено сравнение теоретических зависимостей с результатами экспериментальных данных [18], результаты представлены на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Зависимость удельного сопротивления пленок нихрома от толщины пленки: 1 - Теория Фукса; 2 - Теория Соффера; 3 - Результаты эксперимента, пленка нанесена ионным распылением; 4 - Результаты эксперимента, пленка нанесена термическим испарением

Сравнение результатов эксперимента с теоретическими зависимостями представляет большую трудность, в связи со сложностью контроля и определения таких величин, как л, d и сложностью получения чистых пленок. Рост сопротивления пленок при малых толщинах связан с переходом пленки из сплошной в островковую. При получении пленки термическим испарением зародыши растут в объеме, и островковая пленка становится сплошной при значительно большей толщине, чем в случае ионного распыления, когда зародыши плоские и растут горизонтально.

В области больших толщин всегда удельное сопротивление пленок было больше сопротивления массивного материала, что обусловлено различием структуры пленки и массивного материала, которое при расчетах не учитывалось. Это различие проявляется в большем числе дефектов в пленке по сравнению с массивным материалом и в более развитой поверхности. Количество дефектов больше в пленке, полученной ионным распылением, в связи с наличием рабочего газа в камере и, следовательно, загрязнением пленки.

Согласно теории Фукса (2.5), рассчитаем минимальную и максимальную толщины пленки, для получения удельного сопротивления 300-400 Ом/?:

Таким образом, для удовлетворения требования по удельному сопротивлению пленки, ее толщина должна находится в диапазоне 8,54ч17,4нм.



Согласно квантовой теории построена зависимость ТКС от толщины пленки, согласно формуле (2.8). Результаты представлены на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Зависимость ТКС от толщины пленки

Представленная на рисунке 3.2 зависимость имеет схожий характер, с зависимостью представленной на рисунке 2.2.

Преобразуем формулу (2.8) и вычислим толщину пленки для удовлетворения требования по ТКС:

.

Для различных технологических процессов величины удельных сопротивлений могут быть различны, а корректировка ТКС возможна посредством дальнейшего отжига.

Приступим к расчету условий получения пленки, методом термического испарения в вакууме.

Характеристики системы: расстояние между испарителем и подложкой 15 см, площадь поверхностного испарителя 1 см², температура испарителя 2440 К. Давление насыщенного пара рассчитаем по формуле (2.1)

Потоки испаряющихся частиц рассчитаем по формуле (2.2)

Потоки осаждающихся частиц рассчитаем по формуле (2.3)

Вычислим отношение осаждаемых потоков никеля и хрома



Таким образом, необходимо использовать составной испаритель, в которой содержание хрома будет в 40 раз меньше, чем никеля, для получения требуемой стехиометрии пленки.



Заключение

В результате выполненной работы был выполнен анализ используемых методов получения тонких резистивных пленок нихрома, а так же зависимость пленок нихрома от соотношения никеля и хрома (Ni:Cr). Наиболее часто используемым является нихром с соотношением 80% Ni к 20% Cr, за счет малого и не изменяющегося ТКС для большого диапазона толщин пленки.

Наиболее используемым методом получения пленок нихрома является ионно-плазменное распыление, за счет стабильности стехиометрического состава пленок, а также большей равномерности толщины пленки.

При реализации получения пленок нихрома методом термического испарения прибегают к таким решениям, как испарение из различных источников или же использование составных мишеней, для получения требуемой стехиометрии пленки.

Также рассчитаны параметры системы при получении пленки нихрома термическим испарением. При температуре испарения Тисп = 2440 К отношение потоков частиц составило , таким образом рекомендуется использование составного испарителя, в котором содержание хрома будет в 40 раз меньше, чем никеля.

Для реализации требований ТЗ, а именно с_s= 300ч400 Ом/?и
ТКС = +200^.10^-6град^-1 толщина пленки должна находится в диапазоне 8,54ч17,4 нм.



Список использованных источников

1.Nachrodt D. Ti/Ni(80%)Cr(20%) Thin-Film Resistor With a Nearly Zero Temperature Coefficient of Resistance for Integration in a Standard CMOS Process / D. Nachrodt, U. Paschen, A. Have, H. Vogt - IEEE Electron Device Letters, Volume: 29, Issue: 3 Feb 2008:212-214.

2. Bansal K. Design and analysis of thin film nichrome resistor for GaN MMICs / K. Bansal, S. Chander, S. Gupta, M. Gupta - 3rd Int. Conf. on Devices, Circuits and Systems (ICDCS), March 2016:145-148.

3.Roesch W.J. Physical Degradation Characterization of Thin Film Resistors / W. J. Roesch, Reliability of Compound Semiconductors Digest (ROCS) Workshop, Dec. 2007:103-114.

4. Mach P. Mathematically simulated process of evaporation of thin NiCr films / P. Mach, T. Rozkosny, D. Busek, 15th Int. Symp. For Design and Technology of Electronics Packages (SIITME), Feb. 2009:211-214.

5. PolytechnicInstituteofBrooklyn, Repts. R-16-45, R-103-45, 1945.

6. Alderson R. H., Ashworth F. Brit J. Appl. Phys., 8, 205, 1957.

7. Lakshmanan T. K., Transactions of the 8^th National Vacuum Symposium, Pergamon Press, New York, 1961: 868.

8. MonnierM. H., Proc IEEE, 53, 1965:539.

9. Degenhart H. J., Pratt I.H. Trans. 10^th National Vacuum Symp., 1993:408.

10. WieddO. J., TiermanM. Trans. 3dAnn. MicroelectronicSymp., St. Louis, Mo., 1964.

11. Wiedd O. J., Berner W. E., Trans 3d Intern. Vacuum Congr., Stuttgart, 1965:59.

12. Campbell D.S., Hendry B. Brit. J. Appl. Phys., 1965:1719.

13. Sidall G., Probyn A. B. Brit. J. Appl. Phys., 1961:668.

14. Pratt I.H. Proc. Natl. Electron. Components Conf., 1964:215.

15. Messel L. I., Glang R. Handbook of Thin Film Technology, McGraw Hill Hook Company, 1970.

16. Stern E. Proc. Natl. Electron. Components Conf., 1966:233.

17. Bicknell R. W., Blackburn H., Campbell D. S., Stirland D. J. Microelectron. Reliability, 1964:61.

18. Данилина Т.И. Технология тонкопленочных микросхем / Т.И. Данилина, Учебное пособие, г. Томск, 2006.

19. Fuchs K. The conductivity of thin metallic films according to the electron theory of metals // Proc. Camb. Phil. Soc. 1938. Vol. 34. p.100-126.

20. Sondheimer H. The mean free path of electrons in metals // Advan. Phys. 2001. Vol. 50. p.499-537.

21. Soffer S. B. Statistical model for the size effect in electrical conduction // J. Appl. Phys. 1967. Vol. 38. p.1710-1715.

Размещено на Allbest.ru

...