基于氮化钽薄膜材料的低TCR功率电阻器制备与性能研究

作     者：叶升 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘平安

授予年度：2017年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：氮化钽 功率电阻 TCR 电阻率 

摘      要：针对当前国内生产的氮化钽(TaN)薄膜电阻水平与国外先进水平存在较大差距,本文对TaN薄膜材料的制备工艺及TaN薄膜电阻的功率特性和热氧化特性展开了系统的研究,并设计制造了两款高性能的TaN薄膜电阻。具体如下:(1)分别研究了溅射功率、N2分压和溅射气压对TaN薄膜物相结构及电性能的影响,结果显示:(1)在3%的氮气分压下制备得到了圆柱状TaN晶体,随着溅射功率从150W增加到350W,物相不会发生变化,但晶体生长会呈现(111)择优生长,且晶体尺寸和晶粒尺寸增大;(2)N2分压从0%增大到9%的过程中,薄膜依次生成了Ta(包含α-Ta和β-Ta)、TaN0.4、θ-TaN、δ-TaN和Ta4N5,物相的改变使得薄膜电阻率由138μΩ·cm增大到1052μΩ·cm,在N2分压为5%时制备的薄膜具有最低TCR为-28 ppm/℃;(3)调整溅射气压,薄膜组成中N/Ta原子数比随着溅射气压的增大而增大,TCR和电阻率随溅射气压增大呈现增大趋势。在0.3 Pa时,制备的薄膜具有最小TCR为41 ppm/℃。(4)设计正交实验,得出最佳工艺参数为:功率200 W,氮分压3%,气压0.1 Pa,此参数下沉积的薄膜具有304μΩ·cm的电阻率和26 ppm/℃的TCR值。(2)利用最佳沉积工艺参数,制备了TaN薄膜电阻,其在室温下额定功率密度为9 W/mm2。薄膜电阻热氧化的研究结果表明环境温度在100℃以下时,氧化带来的阻值误差可以控制在0.5%以内。提出了一种利用Ansoft ephysics软件对辅助设计电阻功率的方法。通过对薄膜电阻进行热仿真,建立不同环境温度下电阻膜表面温度与加载功率密度间的关系图,通过该图可以十分便捷的通过目标设计电阻所使用的环境条件确定其加载的功率密度。(3)设计并制备了额定功率为5 W,使用频率为DCGHz,应用于室温和70℃下的两种功率电阻Resistor 1和Resistor 2。测试结果显示,在额定加载功率(5 W)下,Resistor 1表面温度小于95℃,Resistor 2表面温度低于112℃,功率特性符合设计要求;表面温度实测值与仿真值误差并不大,表明利用ephysics仿真建立表面温度与加载功率密度曲线来辅助设计电阻功率具备可行性。利用矢量网络分析仪测试了电阻的微波特性,结果显示在0 GHz,Resistor 1反射系数S(1,1)-10.3 dB,VSWR1.37,Resistor 2的反射系数S(1,1)-14 dB,VSWR1.34,均显示较好的微波特性。