一、概述
電阻器作為三大被動元器件之一，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，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，因此廣泛應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，然后通過光刻工藝來實現(xiàn)電阻圖形，因此研究 ＮiＣr 薄膜的沉積及濕法刻蝕對于片式薄膜電阻器的加工來說具有重要意義，本文通過使用掃描電子顯微鏡觀察不同濺射功
率、濺射時間下的 ＮiＣr 膜層形貌，分析了濺射功率、濺射時間對濺射的影響，同時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，通過機械泵抽低真空，再通過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）和陽極（三氧化二鋁陶瓷基片）之間施加一定電壓，電子在電場 E 的作用下，會向在陽極的基片運動，在這個運動過程中，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＋在電場的作用下加速向在陰極的 ＮiＣr 靶材運動，并以高能量撞擊 ＮiＣr 靶材表面，將一部分動能傳給靶材上的 Ｎi、Ｃr 原子，使其獲得能夠脫離晶格點陣的動能，而最終逸出靶材表面，附著在三氧化二鋁陶瓷基片的表面，基片在陽極固定平面內(nèi)，進行線性掃描運動，得以形成比較均勻的 ＮiＣr 合金薄膜，具體見圖 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，磁場強度在30mT 左右，由于磁場的存在，電子受到洛倫茲力的影響下，被控制在靶材的表面，按照一個橢圓形的運動軌跡進行運動，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)過反復碰撞后，本身的能量逐漸被消耗，最后沉積到陽極的基片上，由于這個時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)對濺射的影響
對于生產(chǎn)性企業(yè)，工藝參數(shù)相對比較穩(wěn)定，只是在根據(jù)實際生產(chǎn)任務不同，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，在相同設備的基礎上，可以改變的工藝參數(shù)影響最大的是濺射功率和時間，故本文只針對于濺射功率和時間的不同對濺射產(chǎn)生的影響進行研究。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，濺射時間分別為 5 分、10 分、20 分、30 分，鍍膜完成后再使用臺階儀對薄膜厚度進行測量，結果如表 1 所示。
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將表 1 數(shù)據(jù)，按照橫坐標為濺射時間，縱坐標為膜層厚度，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，分別對三種濺射功率下的 ＮiＣr 薄膜層結構進行觀察，考慮到濺射時間短的情況，膜層結構普遍不理想，為了不影響分析結果，本次研究選取濺射時間為 50 分鐘的 ＮiＣr 薄膜膜層進行觀察：當濺射功率為 500W時，ＮiＣr 薄膜膜層膜層顆?？讖捷^大；當濺射功率為 400W 時，此時濺射出的 ＮiＣr 薄膜膜層連續(xù)且較致密；當濺射功率為 300W 時，ＮiＣr 薄膜膜層結構疏松，此時做膜層附著力的試驗時，發(fā)現(xiàn)部分膜層有脫落的痕跡，表明膜層附著力差，具體見圖 3、4、5 所示。
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由以上數(shù)據(jù)和掃面電鏡的結果可以看出，當濺射功率越大時，ＮiＣr 合金薄膜沉積速度較快，同時Ar＋獲得的能量大，撞擊靶材時的能量大，使得濺射出的 ＮiＣr 粒子直徑較大，沉積過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，撞擊靶材時的能量不足，濺射出 ＮiＣr 原子能量弱，在沉積到基片上的時候，薄膜結構疏松附著力差，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，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)點是可以保證細小圖形的保真性，但是由于干法刻蝕設備造價較高，因此設備的投入成本比較昂貴；濕法刻蝕是將基片放入化學刻蝕液內(nèi)，使沒有光刻膠保護的膜層部分與化學刻蝕液產(chǎn)生化學反應而被剝離下來的方法，濕法刻蝕的圖形保真性略差，但是對設備的要求大大降低，投入成本低。對于企業(yè)來說，一方面為了控制成本，另一方面，產(chǎn)品對圖形的要求沒有那么嚴格，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行充分攪拌，以保證刻蝕液的溫度、濃度均勻性得到提高，刻蝕時，基片在溶液里不停的進行擺動，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，導致基片有的部位刻蝕不充分，有的部位過刻蝕，都會影響到最終的電阻圖形。本次研究的刻蝕結果如圖 6 所示，刻蝕后圖形線條寬度與設計寬度基本一致, 圖形形狀也與設計圖形保持一致，且均勻性滿足試驗要求。另外，試驗中發(fā)現(xiàn)，當刻蝕液的溫度增加時，刻蝕速度也跟著增加，但當刻蝕液溫度過高時，由于刻蝕速度太劇烈，短短幾秒刻蝕就可結束，就會導致表面凹凸不平，刻蝕后圖像線條達不到設計要求。
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五、結語
片式薄膜電阻器的生產(chǎn)中，鍍膜和光刻是關鍵工藝，只有研究透這兩個工藝，才能做出穩(wěn)定性好的產(chǎn)品。本文只是對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人員做更加深入的研究。
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