ПРЕЦИЗИОННЫЙ ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ РЕЗИСТОР
PRECISE THIN-FILM RESISTOR

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано при изготовлении тонкопленочных микросборок, а более конкретно для конструирования и изготовления тонкопленочных резисторов на диэлектрических подложках.
Уровень техники
Известны тонкопленочные резисторы (ТПР) с различной формой контактных соединений [1].
Недостатком всех известных согласно работе [1] тонкопленочных структур являются сравнительно высокие значения температурного коэффициента сопротивления (ТКС), а также значительное выделение мощности в приграничном соединении резистивной пленки с металлическим контактом, приводящей к дополнительной нестабильности сопротивления.
ф
эп
Известен тонкопленочный резистор прямоугольной формы [2]. Недостатком данной типовой конструкции ТПР является то, что при его коэффициенте формы K≤0,1 начинается значительный рост сопротивления R его электродов и возрастающий вклад этого нестабильного сопротивления в общее сопротивление резистора.
В типовом случае контактные площадки для измерения сопротивления ТПР подключают к электродам таким образом, что ток протекает последовательно через первый электрод, затем через второй электрод. Обозначив длину резистивного элемента и его электродов через l, а ширину через b получим
п
ф
ф
эп
где ρ - удельное поверхностное сопротивление проводящей пленки (электродов): k=l/b. При малых значениях k сопротивление R увеличивает общее сопротивление ТПР и ухудшает его температурную стабильность из-за высокой чувствительности сопротивления проводящей пленки к воздействию температуры.
Известна конструкция тонкопленочного резистора, выполненного согласно (см. патент РФ №2374710, H01C 17/22. Способ изготовления тонкопленочного резистора / Г.С.Власов, А.Н.Лугин. - Опубл. 2009, бюл. №33) [3].
Недостатком конструкции этого ТПР является наличие погрешности сопротивления в рабочем диапазоне температур, вызванной необходимостью экспериментального подбора длин примыкающих к металлическим контактам ступеней резистивного покрытия.
Известен тонкопленочный резистор прямоугольной формы (см. патент РФ №2330343 H01C 7/00. Тонкопленочный резистор / А.Н.Лугин, М.М.Оземша, Г.С.Власов - Опубл. 2008, бюл. №21), [4] - (прототип).
Тонкопленочный резистор [4] содержит диэлектрическую подложку с размещенными на ее поверхности пленочным прямоугольным резистивным элементом со ступенчатым утолщением пленки и пленочными выводами на его концах, причем толщина ступеньки примерно равна толщине резистивной пленки основного резистора, кромка ступеньки, считая от вывода, проходит перпендикулярно линии тока по всей ширине резистора на расстоянии не менее толщины основной части резистивной пленки, а конкретное значение этого расстояния и толщины ступеньки рассчитывается путем моделирования с учетом свойств резистивной пленки и пленки выводов.
Недостатком устройства-прототипа является то, что его конструкция не позволяет повысить точность резистора, то есть выполнить доводку ТКС, например, в процессе лазерной подгонки и привести его к заданному значению, в частности к значению, равному нулю.
Сущность изобретения
Задачей, на которую направлено изобретение, является создание конструкции ТПР, обладающей: 1) предельной простотой, 2) свойством снижения пикового значения выделяемой мощности в зоне контактного перехода в режиме функционирования тонкопленочной микросхемы, 3) предоставлением возможности доводки ТКС в процессе лазерной подгонки и приведения его к заданному значению, в частности к значению, равному нулю.
Поставленная задача достигается за счет того, что прецизионный тонкопленочный резистор (ТПР) содержит диэлектрическую подложку с размещенными на ее поверхности пленочным прямоугольным резистивным элементом со ступенчатым утолщением пленки и двумя пленочными контактными выводами на его концах, причем толщина ступенек примерно равна толщине резистивной пленки основного резистора, кромка первой ступеньки, считая от вывода, проходит перпендикулярно линии тока по всей ширине резистора на расстоянии для одной - не менее толщины основной части резистивной пленки, а конкретное значение этого расстояния и толщины ступеньки рассчитывается путем моделирования с учетом свойств резистивной пленки. Третий пленочный контактный вывод является потенциальным и подключается к телу основного резистора полосой из основного резистивного материала, а кромка второй ступеньки находится от своего контакта на расстоянии в n раз большем, чем у первой, при этом числовое значение коэффициента n определяется по формуле
,
где D - длина ТПР, D1 - длина части ТПР от первого токового контакта до полосы отвода к потенциальному контакту, L - длина первого выступа от кромки первого металлического контакта, α1 - ТКС1 первой части ТПР, α2 - ТКС2 второй части ТПР, γ - относительная разность удельных сопротивлений участков резистивного покрытия ТПР.
Перечень чертежей
Конструкция прецизионного ТПР представлена на фиг.1, а его электрическая модель - на фиг.2.
1
2
Элементы конструкции и электрической модели обозначены следующими позициями: 1 - пленки токовых металлических контактов, 2 - резистивное покрытие, 3 - пленка потенциального металлического контакта; L - длина первого выступа от кромки первого металлического контакта, nL - длина второго выступа от кромки второго металлического контакта, D - длина ТПР, D1 - длина части ТПР от первого токового контакта до полосы отвода к потенциальному контакту; R - сопротивление ТПР, R1 - сопротивление первой части ТПР, R2 - сопротивление второй части ТПР, α - ТКС прецизионного ТПР, α1 - ТКС1 первой части ТПР, α2 - ТКС2 второй части ТПР, ρ - удельное сопротивление резистивного покрытия в области выступов, ρ - удельное сопротивление резистивного покрытия в промежутке между выступами.
На фиг.3 представлена схема измерения в процессе контроля при функциональной подгонке ТКС (испытательная схема), где обозначены позициями: 4 - источник стабильного тока, 5 - цифровой вольтметр, 6 - двухпозиционный переключатель.
Отличительные признаки
Отличительными признаками заявленной конструкции ТПР по сравнению с прототипом являются:
1. Доводку ТКС до требуемого значения, например равного нулю, выполняют изменением длины одного выступа относительно другого, с учетом геометрических размеров и удельных сопротивлений резистивных участков.
2. Наличие потенциального вывода 3 и отвода к нему от тела резистора, выполненного в виде тонкопленочной полосы из основного резистивного материала.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления
Сущность изобретения поясняется чертежами фиг.1÷3.
Известно, например, из работы [5], что резистивные пленки различной толщины, выполненные из одного и того же резистивного материала, обладают различными удельными сопротивлениями, зависящими от толщин покрытий, а следовательно, и различными температурными коэффициентами сопротивлений (ТКС). При этом часто используют линейную аппроксимирующую зависимость типа (1)
t
20
где α - ТКС, ρ - удельное поверхностное сопротивление при температуре t, ρ - удельное поверхностное сопротивление при температуре 20°С.
1
2
Резистивное покрытие толщиной Н имеет согласно фиг.1 удельное сопротивление, обозначенное, например, как ρ, а резистивное покрытие толщиной h имеет удельное сопротивление ρ. Поэтому согласно моделей фиг.1 и фиг.2 сопротивления R1 и R2 резистивных элементов можно представить формулами
Геометрические размеры L, nL, D и D1 представлены на фиг.1.
Обозначим разницу между сопротивлениями R1 и R2 величиной ΔR. В этом случае величину ΔR можно представить как
Связь между значениями ТКС-α интегрального резистора, обладающего сопротивлением R, и параметрами соединенных последовательно первым и вторым резистивными элементами R1 и R2 имеет вид [3]
Полагая, что требуемое значение ТКС прецизионного ТПР-α должно быть равно нулю, и, заменяя R2 в формуле (4) на R1 - ΔR, получим
Теперь, используя (2) и (3), выразим отношение ΔR/R1 как
Из выражений (5) и (6) следует, что для того, чтобы требуемое значение ТКС прецизионного ТПР-α должно быть равно нулю, нужно выполнить условие
где  - относительная разность удельных поверхностных сопротивлений участков резистивного покрытия, с толщинами h и Н.
Формула (7) легко преобразуется в формулу (8)
1
2
Формула (8) позволяет создать конструкцию прецизионного резистора с оптимальными длинами выступов, а тем самым одновременно с уменьшением выделяемой мощности в зоне контактов создать прецизионное изделие. В этой формуле все величины, кроме α и α - постоянные, известные на стадии конструирования, а обеспечение выполнения соотношений (4, 5) осуществляется на стадии подгонки по схеме фиг.3.
Согласно схеме фиг.3, используя переключатель режимов 6, осуществляют доводку, влияя либо на сопротивления R1, либо на R2. Для того чтобы выполнить подгонку ТКС-α ТПР до значения, равного нулю, необходимо вначале технологически обеспечить, чтобы значения α1 и α2 имели противоположные знаки. Это зависит от типа резистивного материала, толщин покрытия Н и h, а также от температурных режимов термообработки [5]. При этом подгонка, или доводка, предполагает незначительную вариацию подгоняемого параметра. Введение же в конструкцию тонкопленочного резистора не равных по длине от границы токовых выводов ступенек решает задачу не только оптимизации выделяемой мощности в районе контактных выводов, но также позволяет путем подбора величины коэффициента n установить начальное значение ТКС-α2, близкое к оптимальному.
При α=0 формула (4) упрощается
Предположим, что ТПР разделен на две равные части резистивной полосой, идущей к его потенциальному выводу, а коэффициент n=1 (равенство длин ступенек). Тогда R1=R2, α1=α2, и термообработка в этом случае не в состоянии поменять знак только одного из коэффициентов α1 или α2. А так как сопротивления резисторов имеют всегда положительные значения, то никакая подгонка, в том числе лазерная, не будет способна обеспечить соотношение (9) из-за знака минус в его правой части.
При том же равенстве R1=R2, но при других значениях коэффициента n, отличных от 1, а также, возможно, при дополнительной термообработке, можно добиться разных знаков ТКС α1 и α2, а следовательно и последующей доводки ТКС-α=0 полного ТПР.
Значение коэффициента n согласно формулы (8) достигается на этапах конструирования, в процессе технологических операций термообработки и подгонки.
-6
Испытания проводились с опытными образцами резисторов ТПР на ситалловой подложке СТ50-1-1-0,6, созданных на базе резистивного материала типа кермет К-20С, которые подвергались термообработке в диапазоне температур 350-500°С. Режим функционирования ТПР обеспечивался путем пропускания тока в пределах 0,1-1 мА. В результате лазерной подгонки полученные образцы ТПР, выполненные по конструкции согласно предложенной (фиг.1), имели ТКС, не превышающий ±1·10 1/°С в диапазоне температур (5÷40)°С.
Предлагаемая конструкции ТПР превосходит техническое решение, выполненное согласно патенту РФ №2330343, H01C 7/00 - прототип, так как имеет дополнительную возможность доводки ТКС до требуемого значения, например нулевого, и тем самым обеспечивает повышение точности резистора.
Источники информации
1. Ермолаев Ю.П., Пономарев М.Ф., Крюков Ю.Г. Конструкции и технология микросхем / (ГИС и БГИС); Под ред. Ю.П.Ермолаева: Учебник для вузов. - М.: Сов. Радио, 1980. - 256 с.; С.79-92, рис.2.1.
2. Матсон Э.А., Крыжановский Д.В. Справочное пособие по конструированию микросхем. - Минск: Высшая школа, 1982, - С.42-48, рис.3.1.
3. Патент РФ №2374710, H01C 17/22. Способ изготовления тонкопленочного резистора / Г.С.Власов, А.Н.Лугин. - Опубл. 2009, бюл. №33.
4. Патент РФ №2330343 H01C 7/00. Тонкопленочный резистор / А.Н.Лугин, М.М.Оземша, Г.С.Власов - Опубл. 2008, бюл. №21.
5. Лугин А.Н., Оземша М.М., Лугина В.В., Волков Н.В. Исследование нелинейности изменения сопротивления резистивных пленок из кермета К-20С от температуры / Труды международного симпозиума «Надежность и качество '2003», Пенза. - С.403-405.