薄膜埋め込み抵抗の性能評価

薄膜マイクロストリップ回路は、マイクロ波通信、電子対抗手段（ECM）、航空宇宙産業などで広く応用されている。薄膜集積回路（IC：Integrated Circuits）を製造する際には、高精度かつ高安定な薄膜埋め込み抵抗を作製するために、成膜された薄膜抵抗材料を適用することが非常に重要である。薄膜ICは薄膜抵抗に対して、厳格な要求を課している。

a.スクエア抵抗は十分な幅を確保すること。
b.抵抗の温度係数は小さいこと。
c.基材との接着力は十分に強くなければならない。
d.薄膜抵抗器は、安定して信頼性の高い性能を備えている必要があります。
e.撮影は簡単で便利であるべきです。
f. 高温処理や高出力に耐え、比較的広い用途範囲に対応できること。

埋め込みPCBの概要紹介

早くも1959年には、ジャック・キルビーによって発明された最初のICには、わずか2個のトランジスタと1個の抵抗しか含まれていなかった。現在では、数千万個ものトランジスタを1枚のPCチップに集積するために、複数の高度な技術が用いられている。電子製品が小型化・多機能化へと進むにつれ、ますます高まる要求を満たすために、ある種の埋め込み受動部品技術が登場した。受動部品と能動部品の比率はおよそ20:1であり、この比率の上昇に伴って集積度も徐々に高まってきた。これほど多くの受動部品がPCBに埋め込まれることで、SMTによって製造された回路基板の面積は、埋め込み技術によって製造された基板と比べて40％縮小される。1980年代初頭には、通常プレーナ形態で実現される埋め込み受動部品技術の開発が始まった。受動部品の分類に基づき、埋め込みPCBはさらに、埋め込み抵抗PCB、埋め込みコンデンサPCBおよび埋め込みインダクタPCBに分類できる。抵抗、コンデンサ、インダクタはほぼすべての電子システムに見られ、システムにインピーダンスを与え、エネルギーを蓄える役割を果たしている。これらの埋め込み受動部品の中でも、コンデンサと抵抗が大部分を占め、全体の少なくとも80％に達する。現在までに、埋め込み受動部品はフィルタ、アッテネータ、バラン、Bluetooth、パワーアンプなど、多数の回路分野で広く用いられている。さらに、デジタル信号の高速・高周波化、受動部品の電圧の継続的な低下、機能の徐々の強化および信号伝送の徐々の高密度化といったトレンドにより、電磁結合や信号クロストークを除去するために、より多くの低容量バイパスコンデンサの導入が求められている。したがって、埋め込みコンデンサPCB技術は業界から広範な注目を集めている。

埋め込み抵抗の利点

埋め込み抵抗の利点は主に、電気的性能、PCB設計、および信頼性の3つの側面にあります。

・電気的な利点

a.これは、ラインインピーダンスのマッチングを改善するのに役立ちます。
b.これにより信号経路が短くなり、直列インダクタンスが低減されます。
c.これにより、クロストーク、ノイズ、およびEMI（電磁干渉）が低減されます。

・PCB設計の利点

a.これにより、能動部品の密度が向上し、フォームファクターが小型化されます。
b.ビアを必要としないため、配線が改善されます。
c.その結果、基板は簡素化され、サイズの縮小および／または高密度化が実現されます。

・信頼性の向上

下記の表は、組み込み抵抗の信頼性向上を示しています。

薄膜の性能を決定する要因

これまで、薄膜抵抗体材料としては、クロム系材料、タンタル系材料、チタン系材料など、幅広い用途に対応するものが用いられてきた。クロム薄膜抵抗体と比較して、タンタル薄膜抵抗体は、優れた化学的安定性と耐食性、高い信頼性、広い抵抗値範囲および高い安定性など、多くの優れた特性を有しており、広い応用展望を持つ理想的な薄膜抵抗体材料となっている。

抵抗器薄膜の均一性とは、真空チャンバー内で基板位置が変化したときに、基板上に形成された抵抗器がどのように変化するか、また同一基板を移動させたときに抵抗値がどのように変化するかを指す。薄膜の均一性を左右する主な要因には、基板とターゲット材料との相対位置、成膜速度、および真空度が含まれる。薄膜 IC に適用されるタンタル窒化物（TaN）膜は、同一基板上および真空チャンバー内の異なる位置にある基板間のいずれにおいても、優れた均一性を有している。さらに、バッチ間の抵抗誤差も小さく、均一性に優れている。現在、TaN 膜の作製には、物理蒸着法と化学蒸着法の 2 種類の方法が利用可能である。TaN 膜の製造においては、安定性と信頼性、電気抵抗率の精度と均一性が重要な役割を果たす。抵抗値は主にレーザーまたは酸化によってトリミングされ、抵抗値の精度が確保される。しかし、いずれの方法にも欠点があり、レーザーでは抵抗膜が耐えうる電力によっては抵抗パターンを損傷する可能性がある一方、酸化による抵抗値調整は速度が遅く、信頼性にも劣るという問題がある。

本稿では、マグネトロンスパッタリング法を用いて TaN 薄膜を作製し、均一プレート位置などの技術パラメータが TaN 薄膜の均一性および特性に及ぼす影響を検討し、抵抗率を正確に制御するための技術を確立した。さらに、成膜時の走査速度および N の流量比の影響についても研究・解析を行った。₂TaN 薄膜およびその性能について

薄膜の性能解析

・均一性解析

走査速度を105cm/minに固定し、窒素流量比を10％とした条件下で、TaN薄膜の均一性を解析する。シート内の均一性は、次の式によって求めることができる。。

抵抗測定器を用いて抵抗を測定し、各ベースシートは測定のために60ポイントを犠牲にする必要があります。結果は次のとおりです。

これは、サイズが4インチのベースシート上に形成されたTaN薄膜の抵抗分布を示している。したがって、No.2位置のベースシートはシート内の均一性が最も良好である一方で、プレート端またはターゲット材端に近いベースシートは、比較的悪い方形抵抗のばらつきを示し、ターゲット材端に近いターゲット材のシート内均一性が最も悪いことがまとめられる。均一性の悪いTaN薄膜は、高精度ネットワーク抵抗器の製造に大きな影響を及ぼす。

・堆積走査速度の分析

走査の加速に伴い、TaN 薄膜の平方抵抗は線形的な変化とともに増大する傾向を示す。走査速度が高いほど成膜時間は短くなり、薄膜上の原子数も減少するため、膜厚も薄くなる。薄膜生成の過程では、島状構造、網状構造、連続構造の3種類の構造が存在する。薄膜の特性は、その構造および構成元素と密接に関係している。膜が比較的薄い場合、薄膜は島状構造を呈する。膜が厚くなるにつれて、島状構造は網状構造および連続構造へと変化する。しかし、抵抗体薄膜に関しては、導電相、半導体相、絶縁相の3種類の相構造が存在する。島状構造では、導電相粒子が薄膜中に散在し、絶縁相に囲まれたシャッター状の島のように分布する。そのため、薄膜の平方抵抗は比較的高い。一方、網状構造は、導電粒子同士の相互接続によって形成される導電ネットワークであり、その内部に絶縁相が点在しているため、平方抵抗は低い。連続構造は、導電粒子が高密度に堆積して形成される連続的な薄膜であり、絶縁成分はごくわずかである。その結果、薄膜の平方抵抗は低下する。

・窒素フロー分析

a. 窒素流量がTaN薄膜の平方抵抗に及ぼす影響窒素流量比の向上に伴い、TaN 薄膜のシート抵抗は徐々に上昇する。この傾向は、特に窒素流量が 15% から 20% に増加する際に顕著に現れる。これは、窒素分圧の増加によって Ta 空孔が増加し、薄膜の伝導形態が電子伝導から空孔伝導へと変化するためである。その結果、シート抵抗は最終的に上昇する。

b. 窒素流量がTaN薄膜の膜厚に及ぼす影響窒素流量の増加に伴い、TaN薄膜の膜厚は徐々に減少し、これはシート抵抗の変化傾向とは逆である。膜厚は、スパッタ粒子の平均自由行程およびターゲット材料のスパッタ速度と密接に関連している。

一言で言えば、薄膜埋め込み抵抗は優れた均一性を備えており、幅広い産業分野での成功した応用につながっている。薄膜埋め込み抵抗の信頼性を実証するために、多数の試験と実験が行われてきた。したがって、薄膜埋め込み抵抗は、数多くの電子応用において高い信頼性が期待できる。

この記事はPCBCart編集者ドーラ・ヤンによって執筆され、もともと2017年6月の「PCB Design Magazine」に掲載されたものです。

役立つリソース:
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