Способ формирования резистивного слоя на керамической подложке

 

Использование: электротехника, электроника, в частности изготовление резистивных слоев на керамических подложках (П), имеющих высокое объемное сопротивление. Сущность изобретения: формирование резистивного слоя осуществляют имплантацией в поверхность керамической П ионов дозой 10¹⁵-10¹⁷cм^-2 при энергии 50 - 150 кэВ и плотности тока 10^-3-10^-2A/cм². При этом для нитридокерамической П используют ионы лития или бора, или углерода, или азота, или алюминия, а для оксидокерамической - ионы углерода. Затем проводят отжиг в атмосфере азота при температуре 1200 - 1500 К для нитридокерамической П и в вакууме при 1100 - 1400 К для оксидокерамической П. В результате формируется термостабильный, устойчивый в эксплуатации резистивный слой с малой величиной удельного поверхностного сопротивления. 2 ил. , 2 табл.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании резистивных слоев, снимающих заряды и выравнивающих градиенты потенциала на поверхности нитридокерамических и оксидокерамических изоляторов. Изобретение может быть также использовано при изготовлении высокотемпературных резисторов различного номинала.

Известен способ создания резистивного слоя с регулируемым поверхностным сопротивлением из микрокомпозиции металла с оксидолом-диэлектриком. Способ состоит в следующем: на покрываемую поверхность наносят смесь оксидов-диэлектриков, одни из которых устойчивы к действию восстановительной атмосферы, а другие восстанавливаются до металла. После этого покрытие обрабатывают в восстановительной атмосфере.

Известен также способ, выбранный авторами за прототип, заключающийся в том, что в поверхность изоляционной подложки с удельным сопротивлением больше 10⁹ Ом ˙ см имплантируют ионы металла (концентрация не менее 2 ˙ 10¹⁵ см^-3). Одновременно с имплантацией обеспечивают снятие зарядов с поверхности, в которую имплантируют ионы. Накапливаемый на поверхности заряд или компенсируется пучком электронов одинаковой с потоком ионов плотностью заряда, или стекает по предварительно напыленной на изоляционную подложку металлической пленке.

Недостаток способа заключается в том, что создаваемый слой из-за малой концентрации внедренных атомов и образованных дефектов не обеспечивает значительных изменений удельного поверхностного сопротивления ρ_s и его температурного коэффициента ТК ρ _s, характеризуется сильной зависимостью этих свойств от температуры, т. е. обладает плохой термостабильностью.

Целью данного изобретения является снижение удельного поверхностного сопротивления и температурного коэффициента сопротивления формирующихся резистивных слоев на нитридокерамических и оксидокерамических подложках.

Поставленная цель достигается тем, что в способе формирование резистивных слоев на нитридокерамических и оксидокерамических подложках осуществляется путем имплантации ионов в поверхность подложки, а согласно заявляемому способу, для нитридокерамической подложки используют ионы лития, бора, углерода, азота и алюминия, а для оксидокерамической - ионы углерода. Имплантацию осуществляют при энергии ионов 50 - 150 кэВ, плотности тока 10^-3 - 10^-2 А/см² и дозе ионов 10¹⁵ - 10¹⁷ см^-2. После имплантации подложки отжигают, причем для нитридокерамической подложки отжиг проводят в атмосфере азота при температуре 1200-1500К, а для оксидокерамической подложки отжиг проводят в вакууме при температуре 1100-1400К.

Примеры конкретного выполнения. На фиг. 1 схематично изображено устройство для реализации способа; на фиг. 2 иллюстрирует влияние отжига на оксидокерамические подложки, облученные ионами.

П р и м е р 1. Изготовление резистивного слоя выполнены на керамической подложке из нитрида бора.

Резистивный слой 1 (см. фиг. 1) создавался при облучении подложки ионами, генерируемыми ускорителем, к выходу которого пристыковывалась вакуумная камера 2. На дне камеры располагалась подложка 3, зажатая алюминиевым держателем 4, форма которого ограничивала размеры облучаемой поверхности.

Снятие зарядов с облучаемой поверхности обеспечивала заземленная медная сетка 5. Перемещение сетки способствовало созданию однородного имплантированного слоя. Нагрев подложки исключался за счет плотного контакта с дном камеры 2 и держателем 4.

Поскольку энергия имплантируемы ионов (Е) меняет лишь глубину модифицированного слоя и не оказывает существенного влияния на свойства резистивного слоя, то ее величина выбиралась в пределе 50-150 кэВ. При энергии меньше 30N40 кэВ поверхность материала подвержена сильному распылению, а ρ_s образующегося резистивного слоя недостаточно стабильно при воздействии высоких температур. Слой также легко удаляется и повреждается механически. Высокоэнергетические слаботочные пучки ионов (плотность тока j = 10^-6 ÷ 10^-4 А/см²) большее дефектообразованию и изменение ρ_s вызывают в глубине материала, чем на его поверхности. Использование высокоэнергетических (Е ≥ 200 кэВ) сильноточных пучков (j = 20-100 А/см²) для имплантации диэлектрической керамики (исходное сопротивление 10¹⁶ - 10¹⁷ Ом ˙см) нецелесообразно, во-первых, из-за экранирования облучаемой поверхности плазмой и невозможности контроля дозы ионов, во-вторых, приводит к резкому удорожанию процесса имплантации при наборе дозы 10¹⁵ - 10¹⁷ см^-2, что не выгодно для практического применения.

Во всех случаях имплантация снижает ρ_s подложки. Последующая термообработка (отжиг) приводит к дальнейшему его снижению и стабилизации при Т_отж = 1200-1500 К. Однако наилучший положительный эффект по снижению ρ_s до 10⁴ Ом/□ и достижению величины ТК ρ_s не хуже (-1˙ 10^-3 град^-1) получен при j = 10^-2 - 10^-3 А/см² и Е = 50 - 150 кэВ. При обработке подложки пучками с j = 20 - 100 А/см² величины ρ_sи ТК ρ_s выше, чем при j = 10^-6 - 10^-2 А/см², а при j= 10^-6÷10^-4 А/см² интервал Т_отж, когда достигаются минимальные ρ_s и ТК ρ _s, существенно уже (1200-1300К), чем для j= 10^-3÷10^-2 А/см² .

Нижний предел дозы ионов (Д = 10¹⁵ см^-2) определяется необходимостью введения в поверхностный слой минимального но достаточного числа структурных изменений и превращений, обеспечивающих достижение заданного уровня характеристик резистивного слоя. При более низких Д способ невоспроизводим: номинал сопротивления и его ТК ρ_s при прочих равных условиях имеет большую погрешность, на 100-200 К снижается предельная рабочая температура. При Д = 10¹⁷ см^-2 материал подложки на глубине пробега ионов претерпевает полную структурно-фазовую перестройку и дальнейшее увеличение дозы нецелесообразно, так как не вызывает улучшения характеристик образующегося резистивного слоя.

На следующей стадии для закрепления структурно-фазовых изменений имплантированного слоя проводится термообработка подложки. Подложка помещается в термопечь и отжигается в атмосфере азота при 1200-1500К. Азот для нитридной керамики является инертной средой и элементом, входящим в состав керамики. Это препятствует нарушению стехиометрии подложки и взаимодействию наведенных дефектов с окружающей атмосферой. При температуре ниже 1200К из-за низкой диффузии атомных дефектов процессы рекристаллизации и стабилизации структурно-фазовых превращений протекают медленно и не удается достичь низких ρ_s и ТК ρ_s, их удовлетворительной стабильности. Выполнять отжиг в течение десятков часов экономически невыгодно при практической реализации способа. Обработка при Т_отж > >1500К из-за перекристаллизации образовавшихся новых фаз и отжига дефектов приводит к росту ρ_s. хотя ТК ρ_s может оставаться низким до 1000-1200 К. Окончательно резистивный слой формируют в температурном интервале 1200-1500К.

Для формирования резистивных слоев наиболее целесообразно использовать ионы Li, В, C, N и Al. В табл. 1 для ряда ионов при Д = 10¹⁵ - 10¹⁷ см^-2 даны значения ρ_s и ТК ρ_s слоев после отжига при 1200-1500К и температурный интервал, в котором приведенные величины сохраняются. Имплантация ионов Мо, W, Ti и отжиг формируют резистивный слой, имеющий малый ТК ρ_s в узкой температурной области (см. табл. 1), за ее пределами термостабильность слоя резко снижается, а параметры - возрастают.

Таким образом, устойчивые в широком интервале рабочих температур резистивные слои формируются имплантацией ионов Li, В, С, N, Al дозой 10¹⁵ - 10¹⁷ см^-2 при энергии 50-150 кэВ и плотности тока 10^-3 - -10^-2 А/см² и последующим отжигом в азоте при 1200-1500К.

П р и м е р 2. Изготовление резистивного слоя на оксидокерамической подложке (керамика М-7, состав, % : Al₂O₃ 94,2, SiO₂3,7, CaO 2,1).

Условия имплантации, диапазон варьирования энергией, плотностью ока, дозой ионов при создании резистивного слоя такие же, как в примере 1. Отжиг выполнялся в вакууме в диапазоне 300-1870К. Прослеживаются аналогичные закономерности влияния дозы, плотности тока и энергии на свойства резистивных слоев. Существенно влияет вид ионов.

Из зависимостей ρ_s (T_отж) после имплантации дозой 10¹⁶ см^-2(фиг. 2) видно, что минимальное значение ρ_ρs (10⁴ - 10⁵ Ом/□) в широком температурном диапазоне достигается имплантацией ионов С. Ионы других элементов позволяют получать малое ρ_s отжигом в узком интервале Т_отж = 1100-1200 К. Характеристика формующихся слоев по ТК ρ _s приведена в табл. 2.

Превышение Тотж на 50-100К от значений 1500, 1100, 1200К соответственно для слоев сформированных ионами С, Al, W, (табл. 2) увеличивает ρ _s на 1-1,5 порядка, малый ТК ρ_s при этом сохраняется.

Наилучший эффект по снижению ρ_s TК ρ_s на оксидокерамической подложке достигается имплантацией ионов С и отжигом в интервале 1100-1400К.

Таким образом, снижение ρ_s до 10³ - -10⁴ Ом/□ для нитридокерамических подложек и до 10⁴ - 10⁴ Ом/□ для оксидокерамических подложек (при исходном 10¹⁶-10¹⁷ Ом), достижение ТК ρ_s не выше 10^-3град^-1 в широком интервале рабочих температур у образующихся слоев обеспечено следующим: 1) выбором вида имплантируемых ионов в различные керамики; 2) выбором оптимальной энергии ионов; 3) выбором оптимальной плотности тока ионного пучка; 4) применением постимплантационного отжига в азоте для нитридной керамики и в вакууме - для оксидной. (56) Авторское свидетельство СССР N 382150, кл. Е 01 В 19/04, 1973.

Патент ФРГ N 2202585, кл. Н 01 С 17/00, 1976 (прототип).

Формула изобретения

СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ РЕЗИСТИВНОГО СЛОЯ НА КЕРАМИЧЕСКОЙ ПОДЛОЖКЕ путем имплантации ионов в поверхность нитридо- или оксидокерамической подложки, отличающийся тем, что, с целью снижения удельного поверхностного сопротивления и температурного коэффициента сопротивления резистивного слоя, в качестве ионов для имплантации в поверхность нитридокерамической подложки используют ионы элемента, выбранного из ряда: литий, бор, углерод, азот, алюминий, а в качестве ионов для имплантации в поверхность оксидокерамической подложки используют ионы углерода, имплантацию осуществляют при энергии ионов 50 - 150 кэВ, плотности ионного тока 10^-3 -10² А/см² и дозе ионов 10¹⁵ - 10¹⁷ см^-2, после имплантации осуществляют отжиг, причем для нитридокерамической подложки отжиг проводят в атмосфере азота при 1200 - 1500 К, а для оксидокерамической подложки отжиг проводят в вакууме при 100 - 1400 К.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2