薄膜電阻

近年來，隨著電子信息技術的快速發展，A/D、D/A 轉換電路及其它線性或非線性電路的發展日新月異，其中以薄膜電阻網路為核心的高精度運算放大器和高精度的 A/D、D/A 轉換電路是必不可少的。為了提高ADC和 DAC 的精度和解析度，薄膜電阻的性能也必須有相應的提高。

DAC 和ADC 精度和解析度的高低主要取決於器件內部的電阻網路，DAC 和ADC 轉換器件一般多選用R－2R 梯形電阻網路。電阻網路性能的分析研究和製作，一直是模擬器件研製和生產的關鍵技術。高精密薄膜電阻由於具有高電阻率、低電阻溫度係數、高穩定性、無寄生效應和低噪音等優良特性，在航空、國防以及電子計算機、通訊儀器、電子交換機等高新領域有了越來越廣泛的應用。

薄膜的形成實質上是氣－固轉化、晶體生成的過程，它大致可以分為下面幾個主要步驟：原子或分子撞擊到固體的表面；它們被固體表面的原子所吸附或直接反射回空間；被吸附的粒子在固體表面發生遷移或擴散而移動到表面上合適的格點位置並進入晶格。這些過程以及它們之間的相互關係決定了薄膜的形成過程和薄膜的性質。

一般來講，電阻薄膜中最多含有三類相位成分：絕緣相、半導體相和導電相。在現代的電阻薄膜中，這些相常呈微細分佈，有的甚至是成分子線度分佈的，這是因為粗分散結構會使薄膜性能不佳。

按照導電相或半導體相在電阻薄膜中的微細分佈來說，這類薄膜的結構可能有三種：島狀結構、網狀結構和連續結構。所謂島狀結構，是指導電微粒成孤島狀細分散於薄膜內，因而各微粒均被絕緣相所包圍。網狀結構是導電微粒已經互相連接成導電網路，在網路孔眼內是絕緣相。連續結構是導電微粒已經緊密堆積成連續薄膜，其中已很少含有絕緣相。在島狀結構中，小島線度和島間距離都是隨機分佈的，隨著薄膜厚度的增加，小島線度變大，島間距離變小。具有島狀結構的電阻薄膜有很薄（厚度小於20nm）的金屬薄膜和絕緣相很多（體積分數大於50%）的金屬陶瓷薄膜。對於后一類薄膜，隨著絕緣相所佔比例的增多，導電小島變小，島間距離增大。在網狀結構中，導電微粒相互連接成複雜的三維導電網路。網路的導電鏈密度及粗細都隨著導電相所佔比例的上升而增加。在連續結構中，雖然導電粒子緊密堆積，但是難免含有微量氣隙（絕緣相）。薄膜的質量密度小於相應的塊狀材料就是含有氣隙的例證之一。除了氣隙以外，在薄膜的某些微區還可能含有固體絕緣相。因此薄膜的實際導電厚度常小於它的幾何厚度。

綜上所述，實際製備的電阻薄膜通常是含有導電相、半導體相和絕緣相的混合物薄膜。此外，各相也不一定是單一的物質。

另外，連續結構的電阻薄膜還常是各層成分不完全相同的多層複合薄膜，這是由於在制膜過程中及以後的熱處理中，周圍氣氛中有關氣體濃度的變化、基片－薄膜界面處的物理擴散和化學反應、薄膜表面層中的擴散和反應，還有特意安排的製造多層複合薄膜的工藝。現在常見的層狀複合電阻薄膜多為三層結構，底層（界面層）為使薄膜與基片匹配，並強化其附著，中層是電阻薄膜主體層，上層（表面層）為防潮、耐熱等保護層。除了這些目的以外，有時還為了調整或改善薄膜的電性能，也採用層狀結構。例如，為了降低電阻率溫度係數的絕對值，可使電阻薄膜的下層電阻率 ρ大，TCR 為負值，而使上層的電阻率ρ 小，TCR 為正值。需要指出，在電阻薄膜的各層之間常常是沒有突變的界面，而是漸變的界面。層狀結構的薄膜是在制膜過程及其後工序的熱處理中，由控制工藝而形成的，而不是各層單獨製造的。在薄膜的組織結構中，還有導電晶粒是否擇優取向的問題。若是導電晶粒在電阻率上是各向異性的，顯然晶粒擇優取向的薄膜在長期穩定性上優於晶粒無取向的薄膜。

電阻薄膜的熱處理的目的是在薄膜中形成一定數量的絕緣相從而改善薄膜的溫度性能，提高薄膜的長期穩定性。電阻薄膜的製造往往是高溫短時過程，因此大量的非平衡缺陷和一些介穩態結構被保留下來，致使薄膜在長期工作過程中，由於這些缺陷的逐漸消失和介穩態的逐漸轉變，薄膜的性能逐漸發生變化。通過熱處理，可以使沉積過程中產生的一些位錯自行移動到表面消失，晶界缺陷數量下降，這樣，薄膜的結構得到很大的改善，薄膜由亞穩態轉變為穩定狀態，薄膜性能趨向穩定。另外，由於薄膜和基片常常是兩種截然不同的材料，因此在其界面處不可避免地要發生相互擴散和化學反應，從而引起電阻薄膜性能的逐漸變化。類似地，在薄膜表面，也由於擴散和反應，使薄膜性能隨著時間發生變化。

從上述看出，未經熱處理的電阻薄膜，其性能是不夠穩定的，所以必須選擇合適的熱處理工藝條件，如溫度、時間和氣氛。一般來說，要選用高溫，因為只有在高溫下，才能在有限的熱處理時間內，完成薄膜中的多個過程。同時要在薄膜表面形成密實的保護層，除了選用合適的熱處理溫度和時間以外，還要選用必要的熱處理氣氛。例如，用氧化性或者氮化性氣氛。這樣形成的絕緣相可以達到極其細微的分散結構，如分子線度的微細分散，從而使得薄膜的穩定性和溫度性能達到最佳。

目前，製作電阻薄膜的材料有許多，包括純金屬、金屬合金、金屬化合物或金屬陶瓷(陶瓷和金屬的組合)等，但單片模擬集成電路和薄膜混合電路中廣泛使用的材料有三種：鎳鉻、鉻硅和鉻硅氧化物金屬陶瓷，其中鎳鉻屬於低阻類材料，而鉻硅和鉻氧化硅屬於高阻類材料。按照組成材料的不同，常用薄膜類電阻材料分為三種，鎳鉻、鉻硅和鉻一氧化硅。

薄膜電阻器與厚膜電阻器主要有以下兩個區別：

一、膜厚的區別，厚膜電阻的膜厚一般大於10μm，薄膜的膜厚小於10μm，大多處於小於 1μm；

二、製造工藝的區別，厚膜電阻一般採用絲網印刷工藝，薄膜電阻採用的是真空蒸發、磁控濺射等工藝方法。厚膜電阻和薄膜電阻在材料和工藝上的區別直接導致了兩種電阻在性能上的差異。厚膜電阻一般 精度較差，10%，5%，1%是常見精度，而薄膜電阻則可以做到0.01%萬分之一精度，0.1%千分之一精度等。同時厚膜電阻的 溫度係數上很難控制，一般較大，同樣的，薄膜電阻則可以做到非常低的溫度係數，這樣電阻阻值隨溫度變化非常小，阻值穩定可靠。所以薄膜電阻常用於各類儀器儀錶，醫療器械，電源，電力設備，電子數碼產品等。

將結晶碳沉積在陶瓷棒骨架上製成。碳膜電阻器成本低。性能穩定。阻值範圍寬。溫度係數和電壓係數低，是目前應用最廣泛的電阻器。

用真空蒸發的方法將合金材料蒸鍍於陶瓷棒骨架表面。金屬膜電阻比碳膜電阻的精度高，穩定性好，雜訊，溫度係數校在儀器儀錶及通訊設備中大量採用。

在絕緣棒上沉積一層金屬氧化物。由於其本身即是氧化物，所以高溫下穩定，耐熱衝擊，負載能力強。

將導電合成物懸浮液塗敷在基體上而得，因此也叫漆膜電阻。由於其導電層呈現顆粒狀結構，所以其雜訊大，精度低，主要用他製造高壓，高阻，小型電阻器。