专利名称：金属膜高阻电阻器及其制造工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属膜高阻电阻器的制造工艺，尤其涉及一种用新型含混合稀土元素高阻溅射靶材制备金属膜电阻器的制造工艺，属于电子技术或半导体技术领域。
在电子工业和半导体工业中由于器件集成度的提高和器件的小型化和微型化，元器件的精密性、稳定性、可靠性和长寿命就成为最重要的性能指标。对于高阻值的电阻器，通常这类电阻器被要求为精密电阻器，即电阻器的性能随器件服役环境的变化(包括温度和湿度等)而波动小且稳定。在这种前提下对制作电阻元器件的材料和工艺提出了新的要求和标准。在电子工业领域中制备金属膜电阻器常用的溅射靶材料为Cr-Ni-Si(铬-镍-硅)、Cr-Ni(铬-镍)、Cr-Si(铬-硅)和Cr-SiOx(x＝1，2)(铬-氧化硅)系合金和化合物。用该合金体系和化合物所制备的电阻器电阻温度系数大(通常在±100ppm/℃)，成品电阻器通过125℃、1000小时上限类别温度耐久性试验；70℃、1000小时加载荷耐久性试验，-55℃-125℃气候循环试验，56天稳态湿热性能试验的成功率低，精密性和稳定性欠佳，特别是对于电阻值从数十千欧姆到数十兆欧姆的高阻值电阻器，尤为显得突出，不适应精密型电阻元器件的要求。美国专利(专利号4569742)中论述了用Cr和Si元素制备靶材在溅射时通入Ni所获得的金属膜电阻器，电阻器经热处理后TCR在-200--400ppm/℃范围内。该工艺所制得的电阻器稳定性、精密型并不理想，不能满足低TCR要求。
本发明的目的在于采用一种新的靶材，配合改进溅射工艺，制造一种具有高可靠性、高稳定性、高精密性的金属膜电阻器，适应市场需求。
为实现这样的发明目的，本发明的金属膜高阻电阻器采用了一种Si-Cr-Ni-Re(Re为稀土元素)四元合金体系新的高阻溅射靶材为原材料，采用直流溅射加射频溅射工艺，得到一种独特的双层膜结构的电阻体，再经热处理及其他后道工序得到电阻器。
靶材的配方是在合金体系中加入镧系和锕系稀土元素混合物为掺杂物，使高阻溅射靶材成为一个Si-Cr-Ni-Re(Re为稀土元素)四元合金体系，以此来达到调节和提高所制备得到的电阻器性能的目的。其具体成份为Si(35％-72％)、Cr(25％-50％)、Ni(2％-20％)，以上皆为重量百分比(wt％)，Si、Cr和Ni元素总百分比为100％。稀土含量为Si、Cr和Ni三元素总重量的0.1％-3.0％(重量百分比)，稀土元素为镧系和锕系稀土混合物。
本发明采用这种新型靶材来制造金属高阻电阻器，其生产工艺为1、直流溅射溅射前工作室预真空应在5×10-3pa以上，当预真空达到该真空度后就通入溅射气体。直流溅射中溅射气体为氩气，流量为50sccm。直流溅射时溅射气压为1.0-3.0×10-1Pa，溅射功率为200-450W，时间为20-100分钟。直流溅射工序结束后进入射频溅射。
2、射频溅射在射频溅射中工作气体为氩气和氧气混合物，Ar和O2的比例为9∶1(体积百分比)，溅射气压为1.0-3.0×10-1Pa，功率为500W，时间为10-20分钟。得到电阻器的毛坯，即电阻体。
3、热处理温度为300-500℃，时间取决于实际需要和TCR的范围。
4、后道工序包括涂漆、压帽、焊引线、刻槽及涂外漆等工序，得到最终的成品电阻器。
通过直流溅射和射频溅射面得到的电阻体结构，是一种独特的双层膜结构，在电阻体芯体外有一层内层膜，内层膜外还覆盖一层外层膜。
这种双层膜结构最大的特点在于由射频溅射所形成的外层膜能起到保护和调节电器性能的双重作用。内层膜主要由Si，Cr和Ni元素组成，表现出金属类的电行为特性，具有正的电阻温度系数，为导电层，外层膜除了Si，Cr和Ni元素外还有O元素，氧元素与Si和Cr在溅射过程中反应生成SiOx和CryOx，具有半导体材料的电行为特性，有负的电阻温度系数特征，为保护层和电性能调节层。溅射后的电阻体在热处理中该外层膜能保护内层膜，阻止热处理氛围中的O的扩散，减少内层膜的氧化，使电阻器性能稳定。同时外层膜中的氧化物具有半导体导电性能和负的电阻温度系数，在使用过程中外层膜负的电阻温度系数与内层膜正的电阻温度系数相作用，能调节电阻器的电阻温度系数，使电阻器的电阻温度系数更小。同时，外层膜和内层膜一起成为一个微观上并联的电阻器，其导电特性能使整个电阻器的性能更稳定。
本发明利用了稀土元素特殊的电子结构，把它作为微量元素加到靶材的配方中，使含稀土元素化合物表现出独特的物理性能和化学性能，降低了电阻温度系数，提高了材料的综合导电性能。本发明在生产工艺中采用直流溅射加射频溅射，得到这种独特的双层膜结构的电阻体，达到性能稳定、精密度高的效果。
本发明通过使用含稀土元素的四元合金系高阻溅射靶材，电阻器的平均电阻温度系数可达-10.19ppm/℃(-55±3℃)和-2.47ppm/℃(＝125±2℃)，56天稳态湿热平均阻值变化ΔR＝0.032％R，1000小时上限类别温度耐久性平均阻值变化ΔR＝0.10％R以及-55℃-125±2℃气候顺序平均阻值变化ΔR＝0.049％R，这些性能指标远优于国家标准(GB5873-86)。
实施例1靶材合金成份Si＝65％，Cr＝30％，Ni＝5％，(重量百分比，三种元素合为100％)。Re＝0.75％(Si、Cr和Ni元素总重量的0.75％)。
电阻器类型金属膜电阻器。
电阻器型号规格RJ14-0.25W-10MΩ。
电阻器阻值范围10MΩ。
溅射工艺直流溅射功率＝300W，时间＝40min，溅射气体＝Ar射频溅射功率＝500W，时间＝15，min，溅射气体＝Ar+O2.比例Ar∶O2＝9∶1.
热处理温度475℃，4小时.
测试标准GB5873-86成品电阻器性能测试结果列于表1.
表1实施例1成品电阻器性能测试结果
实施例2靶材合金成份Si＝50％，Cr＝42％，Ni＝8％，(重量百分比，三种元素合为100％)。Re＝0.5％(Si、Cr和Ni元素总重量的0.5％)。电阻器类型金属膜电阻器。电阻器型号规格RJ14-0.25W-56KΩ。电阻器阻值范围56KΩ。溅射工艺直流溅射功率＝400W，时间＝70min，溅射气体＝Ar射频溅射功率＝500w，时间＝15，min，溅射气体＝Ar+O2，比例Ar∶O2＝9∶1。热处理温度450℃，90分钟。测试标准GB 5873-86。成品电阻器性能测试结果列于表2。
表2实施例2成品电阻器性能测试结果
表1和2中第2列中列出了该电阻器主要考核的性能指标，温度快速变化、振动、气候顺序、70℃耐久性、阻值随温度变化、稳态湿热和上限类别温度耐久性。第3列为各测试项目在测试时所必须达到的测试条件，第4列为测试项目国标所规定的指标，而第5列则为本发明中电阻器在该测试项目中所测得的实际值。从表中可看到本发明中的电阻器其性能指标远优于国家标准，平均指标要优于国标1-2个数量级。
权利要求
1.一种金属膜高阻电阻器，其特征在于采用含稀土元素的Si-Cr-Ni-Re四元合金体系高阻溅射靶材制成，靶材具体成份为Si(35％-72％)、Cr(25％-50％)、Ni(2％-20％)，Si、Cr和Ni元素总百分比为100％，稀土元素为镧系和锕系稀土混合物，含量为Si、Cr和Ni三元素总重量的0.1％-3.0％。
2.一种金属膜高阻电阻器的制造工艺，其特征在于工艺中采用直流溅射加射频溅射，得到双层膜结构的电阻体；直流溅射前工作室预真空在5×10-3pa以上，直流溅射气体为氩气，溅射气压为1.0-3.0×10-1Pa，溅射功率为200-450W，时间为20-100分钟；射频溅射工作气体为氩气和氧气混合物，Ar和O2的体积百分比为9∶1 ，溅射气压为1.0-3.0×10-1Pa，功率为500W，时间为10-20分钟。
全文摘要
一种金属膜高阻电阻器及其制造工艺,采用含镧系和锕系稀土元素的Si－Cr－Ni－Re四元合金体系高阻溅射靶材为原材料,具体成分为Si(35%—72%)、Cr(25%—50%)、Ni(2%—20%),稀土元素含量为三元素总重量的0.1%—3.0%,采用直流溅射加射频溅射工艺,得到独特的双层膜结构的电阻体,直流溅射气体为氩气,射频溅射气体为氩气和氧气混合物。本发明制成的电阻器性能稳定、精密度高,电阻温度系数低,适合精密型电子元器件的要求。
文档编号H01C17/12GK1243322SQ9911396
公开日2000年2月2日 申请日期1999年8月6日 优先权日1999年8月6日
发明者吴建生, 毛大立, 王家敏 申请人:上海交通大学