[发明专利]一种用于高温环境的TaN薄膜电阻及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于高温环境的TaN薄膜电阻及其制备方法。该TaN薄膜电阻从下到上依次由基板、电阻膜、过渡金属层和电极连接组成；过渡金属层和电极分别有两个，两个过渡金属层分别设置在电阻膜的两侧；两个电极分别附着在两个过渡金属层上表面；电阻膜附着在基板上表面；电阻膜为TaN电阻膜，电阻薄膜的厚度为100‑200nm；与过渡金属层相接之处的电阻膜设有沟槽或孔洞。本发明金属层与电阻层形成嵌入式的三维接触方式，在高温下使用时，由于电阻层和金属层均会受热膨胀，因此在嵌入的位置金属层与电阻层会互相挤压而紧密接触，避免了金属层的剥离引起的失效，从而电阻具有更好的热稳定性和可靠性。

技术领域

本发明涉及薄膜电阻技术领域，特别是涉及一种用于高温环境的TaN薄膜电阻的制备方法。

背景技术

如图1所示，目前市场上的薄膜电阻一般通过在介质基板1上依次沉积电阻膜2、过渡金属层3和表面金属电极4形成。介质基板1一般采用96氧化铝陶瓷基板、99氧化铝陶瓷基板、AlN陶瓷基板和BeO陶瓷基板；根据所需阻值的范围及应用环境，电阻膜2主要有碳膜、金属膜和金属氧化物膜等几种；当电极4与电阻膜2之间的粘附力较小时，会在电极4和电阻膜2之间增加过渡金属层3，用以增强电极4的粘附，常用的过渡金属层3有TiW合金、TiCr合金及NiCr合金等；电极4材料一般为金。

在各类薄膜电阻中，TaN薄膜电阻显示出较优异的性能。TaN薄膜材料具有低电阻温度系数、机械强度高、耐高温、化学稳定性好、不溶于盐酸、硝酸和氢氟酸等优点，且其阻值可调范围大(从导体到绝缘体)，十分适合用作薄膜电阻中的电阻薄膜材料。相较于目前应用广泛的镍铬薄膜电阻材料，TaN薄膜具有自钝化特性，能在空气中氧化生成一层致密的Ta₂O₃膜，这层Ta₂O₃膜可以抵御外界环境对电阻体的侵蚀，使它能在密封环境下工作，从而具有良好的稳定性和可靠性。

尽管TaN薄膜电阻具有很多优异的性能，但在某些特殊环境下，常规的TaN薄膜电阻依然难以达到要求。比如，在高温环境下(高于120℃)，需要TaN薄膜电阻保持高精度则有些困难。一方面，高温下电阻材料内部晶格振动加剧影响了电子的迁移使得电阻值发生变化，采用电阻温度系数(TCR)表示电阻值受温度影响的情况，电阻温度系数指温度每增加1℃时，电阻值相对于参考温度时的电阻值改变的量；另一方面，温度过高时，金属层(电极4和过渡金属层3)与电阻膜2形成的界面处分子热运动加快，导致金属层与电阻膜2之间的粘附力下降，引起金属层剥离，从而导致电阻值剧烈变化。

目前国内外的厂家生产的TaN薄膜电阻产品使用温度基本都在120℃以下。使用温度在120℃以下时，国内的生产的TaN薄膜电阻温度系数一般在±100ppm/℃范围，而国外的如美国Vishay制作的TaN薄膜电阻温度系数可以达到±25ppm/℃，甚至更低。无论国内还是国外的厂家，为了提高TaN薄膜电阻的热稳定性和获取低TCR性能，所采取的改善方案主要从三个方面进行：

1)通过改善沉积工艺来调节TaN薄膜的物相组成，TaN薄膜的各物相中，有部分物相具有较低的TCR，通过提高TaN薄膜中该相的成分从而改善薄膜的TCR,比如Vishay公司推出的TaN薄膜电阻，即是通过提升薄膜中Ta₂N相的含量，使得薄膜电阻具有较好的TCR(±25ppm/℃以内)；

2)构建双层或多层电阻膜，在一些特定沉积条件下制备的TaN薄膜会呈现出负的TCR，通过将其与具有正TCR的薄膜构建双层膜或多层膜，这样可使得整体的TCR趋向0，如在公开号CN103325507A中，便是通过将具有负TCR的TaN膜和具有正TCR的AlN膜共同构建双层膜作为电阻膜2，使整体TCR达到30ppm/℃以内；

3)改善薄膜的热稳定性，主要从两个方面进行：①调节TaN薄膜的沉积工艺，获得高质量(即缺陷少)的TaN薄膜，高质量的TaN薄膜具有更好的热稳定性。②变换过渡金属层3的材料，使电极4在高温下能够更好的粘附而不剥离。