一、概述
電阻器作為三大被動(dòng)元器件之一，是電子電路中不可缺少的元件，而傳統(tǒng)直插的薄膜電阻器目前已經(jīng)逐漸的退出了舞臺(tái)，取而代之的是性能更加穩(wěn)定的片式薄膜電阻器。ＮiＣr 合金薄膜具有高電阻率、低溫飄、高精度、高穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于制作精密薄膜電阻器。目前，行業(yè)內(nèi) ＮiＣr 合金薄膜的沉積主要方法有真空蒸發(fā)、氣相沉積、磁控濺射與離子濺射等。片式薄膜電阻的制造，是在平面磁控濺射下完成在三氧化二鋁陶瓷基片上的 ＮiＣr 膜沉積，然后通過(guò)光刻工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)電阻圖形，因此研究 ＮiＣr 薄膜的沉積及濕法刻蝕對(duì)于片式薄膜電阻器的加工來(lái)說(shuō)具有重要意義，本文通過(guò)使用掃描電子顯微鏡觀察不同濺射功
率、濺射時(shí)間下的 ＮiＣr 膜層形貌，分析了濺射功率、濺射時(shí)間對(duì)濺射的影響，同時(shí)使用濕法刻蝕做出所需要的電阻圖形。
二、NiCr 薄膜的沉積
片式薄膜電阻器的 ＮiＣr 薄膜的沉積，采用平面磁控濺射技術(shù)，通過(guò)機(jī)械泵抽低真空，再通過(guò)低溫泵冷凝表面氣體繼續(xù)抽高真空，最終使得真空室內(nèi)達(dá)到 10-4 帕，充入反映氣體，一般使用高純氬氣。在陰極（濺射靶材）和陽(yáng)極（三氧化二鋁陶瓷基片）之間施加一定電壓，電子在電場(chǎng) E 的作用下，會(huì)向在陽(yáng)極的基片運(yùn)動(dòng)，在這個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，電子與氬氣發(fā)生碰撞，形成輝光放電，從而使其產(chǎn)生 Ar＋和新的電子。Ar＋在電場(chǎng)的作用下加速向在陰極的 ＮiＣr 靶材運(yùn)動(dòng)，并以高能量撞擊 ＮiＣr 靶材表面，將一部分動(dòng)能傳給靶材上的 Ｎi、Ｃr 原子，使其獲得能夠脫離晶格點(diǎn)陣的動(dòng)能，而最終逸出靶材表面，附著在三氧化二鋁陶瓷基片的表面，基片在陽(yáng)極固定平面內(nèi)，進(jìn)行線性掃描運(yùn)動(dòng)，得以形成比較均勻的 ＮiＣr 合金薄膜，具體見(jiàn)圖 1 所示。
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由于采用的是平面磁控濺射，在陰極的背面放置了部分永磁體，磁場(chǎng)強(qiáng)度在30mT 左右，由于磁場(chǎng)的存在，電子受到洛倫茲力的影響下，被控制在靶材的表面，按照一個(gè)橢圓形的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，大大提高了電子與氬氣之間的碰撞幾率，得以產(chǎn)生更多的 Ar＋去撞擊靶材，一方面，是提高了濺射鍍膜的效率，另一方面，電子經(jīng)過(guò)反復(fù)碰撞后，本身的能量逐漸被消耗，最后沉積到陽(yáng)極的基片上，由于這個(gè)時(shí)候的電子能量非常低，防止基片的溫度升高。
三、不同工藝參數(shù)對(duì)濺射的影響
對(duì)于生產(chǎn)性企業(yè)，工藝參數(shù)相對(duì)比較穩(wěn)定，只是在根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)任務(wù)不同，所需毛坯的初值不同，也就是薄膜的厚度不同，而薄膜厚度的不同，在相同設(shè)備的基礎(chǔ)上，可以改變的工藝參數(shù)影響最大的是濺射功率和時(shí)間，故本文只針對(duì)于濺射功率和時(shí)間的不同對(duì)濺射產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究。本次選取的薄膜工藝參數(shù)為：真空度 1×10-4 帕，充入氬氣流量 40sccm，基片初始溫度 100℃，我們選取濺射功率分別為 500W、400W、300W，濺射時(shí)間分別為 5 分、10 分、20 分、30 分，鍍膜完成后再使用臺(tái)階儀對(duì)薄膜厚度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表 1 所示。
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將表 1 數(shù)據(jù)，按照橫坐標(biāo)為濺射時(shí)間，縱坐標(biāo)為膜層厚度，做成較為直觀的折線圖如圖 2 所示。
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使用掃描電子顯微鏡放大到 5000 倍時(shí)，分別對(duì)三種濺射功率下的 ＮiＣr 薄膜層結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，考慮到濺射時(shí)間短的情況，膜層結(jié)構(gòu)普遍不理想，為了不影響分析結(jié)果，本次研究選取濺射時(shí)間為 50 分鐘的 ＮiＣr 薄膜膜層進(jìn)行觀察：當(dāng)濺射功率為 500W時(shí)，ＮiＣr 薄膜膜層膜層顆?？讖捷^大；當(dāng)濺射功率為 400W 時(shí)，此時(shí)濺射出的 ＮiＣr 薄膜膜層連續(xù)且較致密；當(dāng)濺射功率為 300W 時(shí)，ＮiＣr 薄膜膜層結(jié)構(gòu)疏松，此時(shí)做膜層附著力的試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分膜層有脫落的痕跡，表明膜層附著力差，具體見(jiàn)圖 3、4、5 所示。
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由以上數(shù)據(jù)和掃面電鏡的結(jié)果可以看出，當(dāng)濺射功率越大時(shí)，ＮiＣr 合金薄膜沉積速度較快，同時(shí)Ar＋獲得的能量大，撞擊靶材時(shí)的能量大，使得濺射出的 ＮiＣr 粒子直徑較大，沉積過(guò)后膜層表面高低不平；然而，若是濺射功率太小，Ar＋本身的能量不夠，撞擊靶材時(shí)的能量不足，濺射出 ＮiＣr 原子能量弱，在沉積到基片上的時(shí)候，薄膜結(jié)構(gòu)疏松附著力差，影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，為了最終產(chǎn)品的穩(wěn)定性，控制ＮiＣr 薄膜沉積速度有著其重要性。
四、NiCr 薄膜的濕法刻蝕
刻蝕分為干法刻蝕和濕法刻蝕，干法刻蝕是指使用等離子體與基片表面薄膜產(chǎn)生反應(yīng)，形成揮發(fā)性物質(zhì)，從而將不需要的部分刻蝕去除，其優(yōu)點(diǎn)是可以保證細(xì)小圖形的保真性，但是由于干法刻蝕設(shè)備造價(jià)較高，因此設(shè)備的投入成本比較昂貴；濕法刻蝕是將基片放入化學(xué)刻蝕液內(nèi)，使沒(méi)有光刻膠保護(hù)的膜層部分與化學(xué)刻蝕液產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而被剝離下來(lái)的方法，濕法刻蝕的圖形保真性略差，但是對(duì)設(shè)備的要求大大降低，投入成本低。對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，一方面為了控制成本，另一方面，產(chǎn)品對(duì)圖形的要求沒(méi)有那么嚴(yán)格，所以選擇濕法刻蝕。ＮiＣr 薄膜的刻蝕液配比如下：硫酸高鈰 10 克，硝酸 20 克，水 100 毫升，水浴恒溫 50℃，采用正性光刻膠做為 ＮiＣr 薄膜掩膜，采用光刻工藝形成電阻圖形。為了保證最終刻蝕電阻圖形能夠滿足產(chǎn)品要求，刻蝕液在使用前用玻璃棒進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，以保證刻蝕液的溫度、濃度均勻性得到提高，刻蝕時(shí)，基片在溶液里不停的進(jìn)行擺動(dòng)，使基片表面薄膜與刻蝕液充分接觸并保持刻蝕速度的一致性，防止由于基片接觸刻蝕液的不一致，導(dǎo)致基片有的部位刻蝕不充分，有的部位過(guò)刻蝕，都會(huì)影響到最終的電阻圖形。本次研究的刻蝕結(jié)果如圖 6 所示，刻蝕后圖形線條寬度與設(shè)計(jì)寬度基本一致, 圖形形狀也與設(shè)計(jì)圖形保持一致，且均勻性滿足試驗(yàn)要求。另外，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)刻蝕液的溫度增加時(shí)，刻蝕速度也跟著增加，但當(dāng)刻蝕液溫度過(guò)高時(shí)，由于刻蝕速度太劇烈，短短幾秒刻蝕就可結(jié)束，就會(huì)導(dǎo)致表面凹凸不平，刻蝕后圖像線條達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。
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五、結(jié)語(yǔ)
片式薄膜電阻器的生產(chǎn)中，鍍膜和光刻是關(guān)鍵工藝，只有研究透這兩個(gè)工藝，才能做出穩(wěn)定性好的產(chǎn)品。本文只是對(duì)平面磁控濺射和濕法刻蝕 ＮiＣr 薄膜做了初步研究，因此還有許多工作等著技術(shù)人員做更加深入的研究。
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