วงจรไมโครสตริปฟิล์มบางถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบสื่อสารไมโครเวฟ สงครามอิเล็กทรอนิกส์ (ECM) อุตสาหกรรมการบินและอวกาศ เป็นต้น ในการผลิตวงจรรวมฟิล์มบาง (Integrated Circuits) การใช้วัสดุตัวต้านทานฟิล์มบางที่เคลือบฝากเพื่อสร้างตัวต้านทานฝังตัวแบบฟิล์มบางที่มีความแม่นยำสูงและมีเสถียรภาพสูงนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่ง วงจรรวมฟิล์มบางมีข้อกำหนดที่เข้มงวดต่อการใช้ตัวต้านทานฟิล์มบาง:
a. ความต้านทานแบบสี่เหลี่ยมควรกว้างเพียงพอ;
b.ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทานควรมีค่าน้อย
c.แรงยึดเกาะกับวัสดุรองพื้นควรมีความแข็งแรงเพียงพอ;
d.ตัวต้านทานฟิล์มบางควรมีสมรรถนะที่เสถียรและเชื่อถือได้;
e.การถ่ายทำควรเป็นเรื่องง่ายและสะดวกสบาย;
f. ควรสามารถทนต่อการแปรรูปที่อุณหภูมิสูง กำลังไฟสูง และมีช่วงการใช้งานที่ค่อนข้างกว้าง
บทนำโดยย่อเกี่ยวกับแผงวงจรพิมพ์ฝังตัว
ตั้งแต่ช่วงต้นปี ค.ศ. 1959 วงจรรวม (IC) ตัวแรกที่ประดิษฐ์โดย Jack Kilby มีเพียงทรานซิสเตอร์สองตัวและตัวต้านทานหนึ่งตัว ปัจจุบันนี้มีการประยุกต์ใช้เทคนิคที่ซับซ้อนหลากหลายเพื่อรวมทรานซิสเตอร์นับหลายสิบล้านตัวไว้ในชิปคอมพิวเตอร์เพียงตัวเดียว เมื่อผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ก้าวไปสู่ความมีขนาดเล็กลงและมีฟังก์ชันหลากหลายมากขึ้น เทคโนโลยีชนิดหนึ่งที่เรียกว่าเทคโนโลยีฝังตัวส่วนประกอบแบบพาสซีฟจึงเกิดขึ้นเพื่อตอบสนองความต้องการที่สูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง อัตราส่วนระหว่างส่วนประกอบแบบพาสซีฟกับส่วนประกอบแบบแอคทีฟอยู่ที่ประมาณ 20:1 ระดับการบูรณาการเพิ่มสูงขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไปตามอัตราส่วนที่เพิ่มขึ้น เมื่อมีส่วนประกอบแบบพาสซีฟจำนวนมากถูกฝังอยู่ในแผงวงจรพิมพ์ (PCB) พื้นที่ของแผงวงจรที่ผลิตด้วยเทคโนโลยี SMT จะลดลง 40% เมื่อเทียบกับแผงวงจรที่ผลิตด้วยเทคโนโลยีฝังตัว
ช่วงต้นทศวรรษ 1980 เป็นจุดเริ่มต้นของเทคโนโลยีส่วนประกอบแบบพาสซีฟฝังตัว ซึ่งโดยทั่วไปจะทำให้สำเร็จในรูปแบบระนาบ ตามการจำแนกประเภทของส่วนประกอบแบบพาสซีฟ แผงวงจรฝังตัวสามารถแบ่งออกได้เป็น แผงวงจรฝังตัวตัวต้านทาน แผงวงจรฝังตัวตัวเก็บประจุ และแผงวงจรฝังตัวตัวเหนี่ยวนำ ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ และตัวเหนี่ยวนำพบได้เกือบทุกระบบอิเล็กทรอนิกส์ ทำหน้าที่ให้ค่าความต้านทานเชิงซ้อน (อิมพีแดนซ์) และกักเก็บพลังงานให้กับระบบ ในบรรดาส่วนประกอบแบบพาสซีฟฝังตัวเหล่านี้ ตัวเก็บประจุและตัวต้านทานมีสัดส่วนมากที่สุด คิดเป็นอย่างน้อย 80% ของทั้งหมด
จนถึงปัจจุบัน ส่วนประกอบแบบพาสซีฟฝังตัวได้รับการประยุกต์ใช้อย่างแพร่หลายในวงจรหลากหลายสาขา เช่น ฟิลเตอร์ ตัวลดทอนสัญญาณ บาลัน บลูทูธ เพาเวอร์แอมพลิไฟเออร์ เป็นต้น นอกจากนี้ แนวโน้มบางประการ เช่น การพัฒนาความเร็วสูงและความถี่สูงของสัญญาณดิจิทัล การลดลงอย่างต่อเนื่องของแรงดันไฟฟ้าของส่วนประกอบแบบพาสซีฟ การเพิ่มขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไปของฟังก์ชัน และการหนาแน่นขึ้นของการส่งสัญญาณ ล้วนเรียกร้องให้มีตัวเก็บประจุบายพาสค่าความจุต่ำจำนวนมากขึ้นเข้ามามีส่วนร่วม เพื่อกำจัดการคัปปลิงทางแม่เหล็กไฟฟ้าและการครอสทอล์กของสัญญาณ ดังนั้น เทคโนโลยีแผงวงจรพิมพ์ตัวเก็บประจุฝังตัวจึงได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางจากอุตสาหกรรม
ข้อดีของตัวต้านทานฝังตัว
ข้อดีของตัวต้านทานฝังตัวมีอยู่หลัก ๆ ในสามด้าน ได้แก่ สมรรถนะทางไฟฟ้า การออกแบบแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) และความเชื่อถือได้
• ข้อดีทางด้านไฟฟ้า
a.มันช่วยปรับปรุงการแมตช์อิมพีแดนซ์ของสายส่ง
ข.มันทำให้เส้นทางสัญญาณสั้นลงและลดค่าความเหนี่ยวนำแบบอนุกรม
ค.มันช่วยลดการรบกวนระหว่างสัญญาณ เสียงรบกวน และ EMI (Electromagnetic Interference – การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า)
• ข้อดีของการออกแบบ PCB
a.มันช่วยเพิ่มความหนาแน่นของชิ้นส่วนที่ทำงานอยู่และลดขนาดรูปแบบของอุปกรณ์
ข.มันไม่ต้องการการใช้วิอา ทำให้การเดินสายได้รับการปรับปรุง
ค.ส่งผลให้บอร์ดมีความเรียบง่ายขึ้น ขนาดเล็กลง และ/หรือมีความหนาแน่นมากขึ้น
• ความน่าเชื่อถือที่ดีขึ้น
ตารางด้านล่างแสดงให้เห็นถึงความน่าเชื่อถือที่ดีขึ้นของตัวต้านทานแบบฝัง
|
รายการ
|
พารามิเตอร์
|
| RTC ต่ำ |
<50PPM |
| การทดสอบอายุการใช้งาน |
100,000 ชั่วโมง; การลอยค่า <2% ที่ 110°C |
| มีความเสถียรในช่วงความถี่กว้าง |
ทดสอบเกิน 40GHz |
| ข้อต่อบัดกรี |
ไม่มี |
| ขั้นตอนการทดสอบ |
ชั้นในและแผ่นเปลือย |
ปัจจัยที่กำหนดสมรรถนะของฟิล์มบาง
จนถึงปัจจุบัน วัสดุตัวต้านทานฟิล์มบางถูกนำไปใช้ในหลากหลายด้าน ครอบคลุมวัสดุโครเมียม วัสดุแทนทาลัม และวัสดุไทเทเนียม เมื่อเปรียบเทียบกับตัวต้านทานฟิล์มบางโครเมียมแล้ว ตัวต้านทานฟิล์มบางแทนทาลัมมีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมหลายประการ เช่น ความเสถียรทางเคมีและความทนทานต่อการกัดกร่อนที่ดีเยี่ยม ความเชื่อถือได้สูง ช่วงค่าความต้านทานกว้าง และความเสถียรสูง ซึ่งทำให้เป็นวัสดุตัวต้านทานฟิล์มบางในอุดมคติที่มีแนวโน้มการประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวาง
ความสม่ำเสมอของฟิล์มบางตัวต้านทานหมายถึงสภาวะที่ตัวต้านทานซึ่งสร้างบนแผ่นรองมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่อ ตำแหน่งของแผ่นรองในโพรงสุญญากาศเปลี่ยนไป และค่าความต้านทานเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่อแผ่นรองเดียวกันมีการเคลื่อนที่ ปัจจัยหลักที่กำหนดความสม่ำเสมอของฟิล์มบางได้แก่ ตำแหน่งสัมพัทธ์ระหว่างแผ่นรองกับวัสดุเป้าหมาย อัตราการเคลือบ และระดับสุญญากาศ ฟิล์มแทนทาลัมไนไตรด์ (TaN) ที่ใช้กับวงจรรวมฟิล์มบางมีคุณสมบัติด้านความสม่ำเสมอที่ยอดเยี่ยมทั้งบนแผ่นรองเดียวกันและระหว่างแผ่นรองที่อยู่คนละตำแหน่ง นอกจากนี้ ค่าความคลาดเคลื่อนของความต้านทานระหว่างล็อตต่าง ๆ ยังอยู่ในระดับต่ำพร้อมความสม่ำเสมอที่ดีเยี่ยม ปัจจุบันมีวิธีการเตรียมฟิล์ม TaN อยู่สองวิธี ได้แก่ การสะสมไอเชิงกายภาพ และการสะสมไอเชิงเคมี ความเสถียรและความเชื่อถือได้ รวมถึงความแม่นยำและความสม่ำเสมอของค่าความต้านทานไฟฟ้ามีบทบาทสำคัญในการผลิตฟิล์ม TaN การปรับค่าความต้านทานทำโดยหลักผ่านเลเซอร์หรือการออกซิเดชันเพื่อให้มั่นใจในความแม่นยำของค่าความต้านทาน อย่างไรก็ตาม ทั้งสองวิธีมีข้อเสียบางประการ กล่าวคือ เลเซอร์อาจสร้างความเสียหายต่อรูปแบบลายตัวต้านทานเนื่องจากกำลังทนของฟิล์มตัวต้านทาน ในขณะที่การปรับค่าความต้านทานด้วยการออกซิเดชันมีอัตราการปรับที่ต่ำและความเชื่อถือได้ไม่ดี
บทความนี้ใช้ประโยชน์จากการสปัตเตอร์แบบแมกนีตรอนเชิงปฏิกิริยาในการเตรียมฟิล์มบาง TaN และศึกษาผลกระทบของพารามิเตอร์ทางเทคนิค เช่น ตำแหน่งของแผ่นที่สม่ำเสมอ ต่อความสม่ำเสมอและสมรรถนะของฟิล์มบาง TaN เพื่อกำหนดเทคโนโลยีการควบคุมอัตราความต้านทานอย่างแม่นยำ นอกจากนี้ยังศึกษาและวิเคราะห์อัตราการสแกนการสะสมตัวและผลของอัตราส่วนการไหลของ N2บนฟิล์มบาง TaN และประสิทธิภาพ
การวิเคราะห์สมรรถนะของฟิล์มบาง
• การวิเคราะห์ความสม่ำเสมอ
ภายใต้เงื่อนไขความเร็วการสแกนคงที่ที่ 105 ซม./นาที และอัตราส่วนการไหลของไนโตรเจน 10% ได้ทำการวิเคราะห์ความสม่ำเสมอของฟิล์มบาง TaN โดยสามารถคำนวณความสม่ำเสมอของแผ่นด้านในได้ผ่านสูตร:
.
มีการใช้เครื่องมือวัดความต้านทานเพื่อวัดค่าความต้านทาน และแผ่นฐานแต่ละชิ้นต้องเสียสละ 60 จุดสำหรับการวัด ผลลัพธ์มีดังนี้:
|
ตำแหน่ง
|
R□แม็กซ์
|
R□มิน
|
อ□เฉลี่ย
|
ความสม่ำเสมอ
|
|
Ω•□-1
|
Ω•□-1
|
Ω•□-1
|
%
|
| 1 |
55.70 |
53.51 |
54.86 |
2.00 |
| 2 |
48.04 |
47.08 |
47.66 |
1.01 |
| 3 |
53.96 |
51.91 |
52.78 |
1.94 |
มันแสดงการกระจายค่าความต้านทานของฟิล์มบาง TaN บนแผ่นฐานที่มีขนาด 4 นิ้ว ดังนั้นสามารถสรุปได้ว่าแผ่นฐานในตำแหน่งหมายเลข 2 มีความสม่ำเสมอของแผ่นด้านในดีที่สุด ในขณะที่แผ่นฐานที่อยู่ใกล้ขอบแผ่นหรือขอบวัสดุเป้าหมายมีความแปรปรวนของความต้านทานแผ่นจัตุรัสค่อนข้างแย่ และความสม่ำเสมอของแผ่นด้านในของวัสดุเป้าหมายที่อยู่ใกล้ขอบวัสดุเป้าหมายจะแย่ที่สุด ความไม่สม่ำเสมอของฟิล์มบาง TaN ส่งผลกระทบอย่างมากต่อการผลิตตัวต้านทานเครือข่ายความแม่นยำสูง
เพื่อแก้ปัญหาความไม่สม่ำเสมอของฟิล์มบางบริเวณใกล้ขอบของวัสดุเป้าหมาย สามารถติดตั้งแผ่นเรียบที่มีความสม่ำเสมอเพื่อปรับฟิล์มบางที่เคลือบได้ เนื่องจากสามารถครอบคลุมพื้นที่การเคลือบได้อย่างเลือกสรรเพื่อควบคุมความสม่ำเสมอของฟิล์ม
• การวิเคราะห์ความเร็วการสแกนการสะสมวัสดุ
เมื่อความเร็วของการสแกนเพิ่มขึ้น ความต้านทานต่อสี่เหลี่ยมของฟิล์มบาง TaN จะแสดงแนวโน้มเพิ่มขึ้นอย่างเป็นเชิงเส้น ความเร็วในการสแกนยิ่งสูง เวลาการเคลือบก็จะยิ่งสั้นลง และจำนวนอะตอมบนฟิล์มบางก็จะลดลงไปด้วย ฟิล์มจึงบางลงเช่นกัน ในกระบวนการสร้างฟิล์มบางจะมีโครงสร้างอยู่สามแบบ ได้แก่ โครงสร้างแบบเกาะ โครงสร้างแบบตาข่าย และโครงสร้างแบบต่อเนื่อง คุณสมบัติของฟิล์มบางมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับโครงสร้างและองค์ประกอบของมัน เมื่อฟิล์มมีความบางในระดับหนึ่ง ฟิล์มจะมีโครงสร้างแบบเกาะ เมื่อฟิล์มหนาขึ้น โครงสร้างแบบเกาะจะเปลี่ยนไปเป็นโครงสร้างแบบตาข่ายและโครงสร้างแบบต่อเนื่อง
สำหรับฟิล์มบางตัวต้านทานนั้น จะมีโครงสร้างเฟสอยู่สามชนิด ได้แก่ เฟสตัวนำไฟฟ้า เฟสกึ่งตัวนำ และเฟสฉนวน ในโครงสร้างแบบเกาะ อนุภาคเฟสตัวนำไฟฟ้าจะกระจายตัวอยู่ในฟิล์มบางเสมือนเกาะเล็ก ๆ ที่ถูกล้อมรอบด้วยเฟสฉนวน ดังนั้นความต้านทานต่อสี่เหลี่ยมของฟิล์มจึงค่อนข้างสูง ส่วนโครงสร้างแบบตาข่ายนั้น แท้จริงคือโครงข่ายตัวนำไฟฟ้าที่เกิดจากการเชื่อมต่อกันระหว่างอนุภาคตัวนำไฟฟ้า โดยมีเฟสฉนวนกระจายตัวอยู่ภายในโครงข่าย ทำให้มีความต้านทานต่อสี่เหลี่ยมต่ำ โครงสร้างแบบต่อเนื่องเป็นฟิล์มบางต่อเนื่องที่เกิดจากการสะสมตัวอย่างหนาแน่นของอนุภาคตัวนำไฟฟ้า มีองค์ประกอบฉนวนน้อยมาก ส่งผลให้ความต้านทานต่อสี่เหลี่ยมของฟิล์มบางลดลง
• การวิเคราะห์การไหลของไนโตรเจน
a. อิทธิพลของการไหลของไนโตรเจนต่อความต้านทานแผ่นของฟิล์มบาง TaNด้วยการปรับปรุงอัตราการไหลของไนโตรเจน ความต้านทานแผ่นของฟิล์มบาง TaN จะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง กฎนี้เห็นได้ชัดเป็นพิเศษเมื่ออัตราการไหลของไนโตรเจนเพิ่มจาก 15% เป็น 20% เนื่องจากการเพิ่มขึ้นของความดันบางส่วนของไนโตรเจนทำให้จำนวนช่องว่างของ Ta เพิ่มขึ้น และชนิดการนำไฟฟ้าของฟิล์มบางจะเปลี่ยนจากการนำแบบอิเล็กตรอนเป็นการนำแบบช่องว่าง ส่งผลให้ความต้านทานแผ่นเพิ่มสูงขึ้นในที่สุด
b. อิทธิพลของอัตราการไหลของไนโตรเจนต่อความหนาของฟิล์มบาง TaNการเพิ่มขึ้นของอัตราการไหลของไนโตรเจนทำให้ความหนาของฟิล์มบาง TaN ลดลงอย่างต่อเนื่อง ซึ่งมีแนวโน้มตรงกันข้ามกับการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานต่อสี่เหลี่ยม ความหนาของฟิล์มมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับระยะวิถีอิสระเฉลี่ยของอนุภาคที่ถูกสปัตเตอร์และอัตราการสปัตเตอร์ของวัสดุเป้า
โดยสรุปแล้ว ตัวต้านทานฝังตัวฟิล์มบางมีความสม่ำเสมอที่น่าพอใจ ส่งผลให้สามารถประยุกต์ใช้งานได้สำเร็จในหลากหลายอุตสาหกรรม มีการทดสอบและทดลองเป็นจำนวนมากเพื่อแสดงให้เห็นถึงความเชื่อถือได้ของตัวต้านทานฝังตัวฟิล์มบาง ดังนั้น จึงคาดได้ว่าตัวต้านทานฝังตัวฟิล์มบางสามารถถูกไว้วางใจได้อย่างสูงในงานอิเล็กทรอนิกส์จำนวนมาก
