高精度マイクロ波・航空宇宙用途向け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（ECM）、航空宇宙産業などで広く応用されています。薄膜IC（集積回路）製造において、堆積薄膜抵抗材料を用いて高精度・高安定性の薄膜埋め込み抵抗を製造することは非常に重要です。薄膜ICは薄膜抵抗に対して厳しい要求を課します：

• シート抵抗が十分に広い範囲であること
• 抵抗温度係数が小さいこと
• 基板との接着力が十分強いこと
• 薄膜抵抗が安定かつ信頼性の高い性能を示すこと
• 成膜が容易かつ便利であること
• 高温プロセス、高電力、比較的広い応用範囲に耐えられること

埋め込みPCBの簡単な紹介

1959年、Jack Kilbyが発明した最初のICはトランジスタ2個と抵抗1個のみを含んでいました。現在では、複数の複雑技術を適用して数千万個のトランジスタを単一PCチップに統合しています。電子製品が小型化と多機能化に向かう中、ますます高まる要求に応えるため、埋め込み受動部品技術が出現しました。受動部品と能動部品の比率は約20:1で、集積度の上昇に伴いこの比率は上昇しています。多数の受動部品をPCBに埋め込むことで、SMTで製造される基板面積が埋め込み技術で製造される基板と比較して40%縮小します。1980年代初頭に埋め込み受動部品技術が始まり、通常は平面形式で実現されます。受動部品分類に基づき、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、埋め込みインダクタPCBに分類されます。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提供しエネルギーを蓄えます。これら埋め込み受動部品の中で、コンデンサと抵抗が大多数を占め、全体の少なくとも80%を占めます。現在まで、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応用されています。さらに、デジタル信号の高速化・高周波化、受動部品電圧の継続的な低下、機能の逐次的強化、信号伝送の逐次的高密度化といったトレンドにより、電磁結合と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参加が求められています。したがって、埋め込みコンデンサPCB技術が業界から幅広い注目を集めています。

埋め込み抵抗のメリット

埋め込み抵抗の利点は主に電気的性能、PCB設計、信頼性の3側面に現れます。

電気的利点

• ラインインピーダンスマッチングの改善に寄与します。
• 信号パスを短縮し、直列インダクタンスを低減します。
• クロストーク、ノイズ、EMI（電磁妨害）を低減します。

PCB設計上の利点

• 能動部品密度の向上とフォームファクタの縮小につながります。
• ビアを必要としないため、配線が改善されます。
• 基板を簡素化し、サイズ縮小と/または高密度化を実現します。

信頼性の向上

以下の表は埋め込み抵抗の信頼性向上を示しています。

項目	パラメータ
低RTC	＜50PPM
寿命試験	100,000時間；110℃で＜2%ドリフト
広周波数帯域で安定	40GHz以上で試験済み
半田接点	なし
試験段階	内層とベアボード

薄膜性能を決定する要因

現在、薄膜抵抗材料はクロム材料、タンタル材料、チタン材料など広い応用範囲をカバーしています。クロム薄膜抵抗と比較して、タンタル薄膜抵抗は優れた化学的安定性と耐食性、高信頼性、広い抵抗範囲、高安定性など多くの優れた性能を備え、広い応用展望を持つ理想的な薄膜抵抗材料となっています。

抵抗薄膜の均一性とは、真空チャンバー内で基板位置が変化したときに基板上で製造される抵抗がどう変化するか、同じ基板が移動したときに抵抗がどう変化するかを指します。薄膜均一性を駆動する主要因には、基板とターゲット材料の相対位置、堆積レート、真空度が含まれます。薄膜ICに適用可能な窒化タンタル（TaN）膜は、同一基板上および異なる位置の基板間で優れた均一性を示します。さらに、異なるロット間の抵抗誤差も低く、優れた均一性を維持します。現在、TaN膜製造には物理蒸着（PVD）と化学蒸着（CVD）の2つの製造方法があります。電気抵抗率の安定性・信頼性・精度・均一性はTaN膜製造において重要な役割を果たします。抵抗値調整は主にレーザーまたは酸化によって行われ、抵抗精度を確保します。しかし、両手法とも欠点があり、レーザーは抵抗パターンを損傷する可能性があり抵抗膜の耐電力に影響し、酸化による抵抗調整は速度が遅く信頼性が悪いです。

本記事ではマグネトロン反応性スパッタリングを利用してTaN薄膜を製造し、均一プレート位置などの技術パラメータがTaN薄膜均一性と性能に与える影響を研究し、抵抗率の精密制御技術を決定しています。さらに、堆積スキャン速度とN₂流量比がTaN薄膜と性能に与える影響を研究・分析しています。

薄膜性能分析

均一性分析

固定スキャン速度105cm/min、窒素流量比10%の条件下で、TaN薄膜の均一性を分析します。基板内均一性は式 で算出できます。

抵抗測定器を用いて抵抗を測定し、各基板は測定のために60ポイントを犠牲にします。結果は以下の通りです：

位置	R□Max	R□Min	R□Avg	均一性
	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

これは4インチサイズの基板上におけるTaN薄膜の抵抗分布を示しています。それによると、No.2位置の基板が最も優れた基板内均一性を示し、プレートエッジまたはターゲット材料エッジに近い基板は比較的悪いシート抵抗変動と基板内均一性を示し、ターゲット材料エッジに近いターゲット材料の基板内均一性が最悪です。均一性の悪いTaN薄膜は高精度ネットワーク抵抗製造に大きな影響を与えます。

ターゲット材料エッジ付近の薄膜非均一性を克服するため、均一プレートを設置して堆積薄膜を調整できます。これは選択的に堆積領域を覆って膜均一性を制御できるためです。

堆積スキャン速度分析

スキャン速度の加速に伴い、TaN薄膜のシート抵抗は線形改善の傾向で拡大します。スキャン速度が高いほど堆積時間が短くなり、薄膜上の原子数も減少します。膜も薄くなります。薄膜生成プロセスには島状構造、網状構造、連続構造の3構造があります。薄膜特性はその構造と要素と密接に関連します。薄膜が比較的薄い場合、島状構造になります。膜が厚くなると島状構造が網状構造に変化し、さらに連続構造へと変化します。抵抗薄膜では、導電相、半導体相、絶縁相の3種類の相構造が利用可能です。島状構造では導電相粒子が絶縁相に囲まれたシャッターアイランドのように薄膜内に分散するため、膜シート抵抗は比較的高くなります。網状構造は導電粒子の相互接続による導電ネットワークであり、絶縁相がネットワーク内に分散し、シート抵抗は低くなります。連続構造は導電粒子が密に蓄積して形成される連続的な薄膜で、絶縁要素が少なく、薄膜シート抵抗は縮小します。

窒素流量分析

a. 窒素流量がTaN薄膜シート抵抗に与える影響

窒素流量比の向上に伴い、TaN薄膜のシート抵抗は漸増します。この法則は特に窒素流量が15%から20%に増加する際に顕著に働きます。これは窒素分圧の上昇がTa空孔を増加させ、薄膜の伝導タイプが電子伝導から空孔伝導に変換されるため、シート抵抗が最終的に上昇するからです。

b. 窒素流量がTaN薄膜厚に与える影響

窒素流量の増加はTaN薄膜厚の漸減をもたらし、これはシート抵抗の変化傾向と逆です。膜厚はスパッタ粒子の平均自由行程とターゲット材料のスパッタリングレートと密接に関連します。

結論として、薄膜埋め込み抵抗は好ましい均一性を備え、幅広い産業での成功応用につながっています。多数の試験と実験が薄膜埋め込み抵抗の信頼性を実証しています。したがって、薄膜埋め込み抵抗が多数の電子応用で高く信頼され得ることが期待されます。

本記事はPCBCart編集者Dora Yangによって執筆され、元記事は『PCB Design Magazine』2017年6月号に掲載されました。

参考資料

• 埋め込み技術と部品埋め込みPCB実装手順
• 部品埋め込みPCB製造技術
• 組み込み応用システムにおける高速PCB設計の研究
• PCBCartのフル機能PCB製造サービス - 多彩な付加価値オプション
• PCBCartの高度なPCB実装サービス - 1個から対応