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TaN薄膜制备及性能研究进展和目的

与意义

目的与意义

低压电器-微波功率电阻器作为一种重要的电子元件，广泛应用于通讯、雷达信号发射

机、航空、航天等军、民领域的无线电子器件及系统中，在这些电子器件及系统中，功率电

阻器主要起匹配、功率负载等作用。当无线系统正常工作时，在环流器、耦合器和混合线路

端口处是没有功率的，但当系统出现失配等故障时，端口处将出现微波功率，这些功率将在

微波功率电阻器上通过发热的形式消耗掉，从而避免烧毁后端其他重要元件或组件。无线技

术发展不断要求元件的工作频率更高、功率更大、工作温度更高而尺寸更小，对电阻器的性

能要求也越来越高，导致电阻器向薄膜化方向发展。根据微波理论，薄膜具有比块材和厚膜

更低的微波损耗特性和更好的耦合特性，制备薄膜微波器件，有望获得更高工作频率的微波

功率器件。小型化、片式化、高精度、阵列化、高耐热性、高频、高稳定、高可靠性是微波

功率电阻器的主要发展趋势。表征电阻器的主要性能指标有：

（1）阻值稳定性高：受环境温度改变和在使用寿命期内，电阻器的阻值变化小，即要

求电阻器的温度电阻系数（TCR）小；

（2）化学稳定性好：电阻器抗潮湿、氧化能力强，即要求电阻器具有表面自钝化能力；

（3）使用功率大：电阻器在大功率负载下不烧毁，即要求电阻器的功率密度大；

（4）使用频率高：在微波通讯、信号发射等高频应用场合，要求电阻器在高频微波信

号作用下反射系数小，具有良好的驻波系数。

TaN薄膜由于其化学稳定性高、温度电阻系数小、阻值可调范围大（从导体到绝缘体可

调）而受到人们的重视。相较于目前常用的镍铬薄膜电阻材料，TaN薄膜具有自钝化特性，

能在空气中生成一层致密的Ta2O3膜，使它能在密封状态下工作，抵抗水气的侵蚀，从而

具有优良的稳定性和可靠性。薄膜化的氮化钽具有很小的电阻温度系数（-100ppm/℃～100

ppm/℃范围），当控制薄膜中氮含量，使其膜结构主要包含Ta2N相时，便能确保薄膜的高

稳定性，且TCR不超过-50ppm/℃，甚至趋于零。所以TaN薄膜是一种非常理想的高频电

阻薄膜材料。为此，国外许多的研究机构和公司对TaN薄膜及功率电阻器的设计、制备进

行了大量系统的研究，取得了较大的进展，国外如美国的ATC技术公司、RF-lab公司、TI电

子公司IRC先进薄膜分公司等已有商品化TaN薄膜功率电阻器。由于生产技术和研发能力

方面的原因，目前，国内仅有关于TaN薄膜制备方面的少量报道，未见TaN薄膜电阻器

制备相关文献及商品化TaN薄膜功率电阻器报道。因此，高端的低温度电阻系数功率薄膜

电阻器只能依靠进口，受制于人，价格昂贵，使国内电子器件生产厂家经济效益显著下降，

因此立足国内自主研发低温度电阻系数TaN薄膜功率电阻器，具有重大的社会、经济效益。

TaN薄膜制备及性能研究进展

TaN为暗灰色物质，六方晶体结构，晶格常数α为0.518nm。密度为14.36g/cm3，熔

点为3090℃，电阻率为180μΩ.cm左右。其耐酸性能好，不溶于硝酸，盐酸和氢氟酸，

只被硫酸和硝酸及过氧化氢的混合液氧化。易和碳化钽生成类质同晶混合物。具有熔点高、

硬度大、金属导电性甚至超导电性等优异性能。

TaN中可能存在两种因素异构体，一种为α-Ta，另一种为β-Ta。前者与块体金属具有

相同的金属结构，为体心立方bcc结构；后者属正方晶系。根据溅射条件，一般只会得到

一种，偶尔两种混合存在，一旦溅射条件确定后，就可以得到较稳定的薄膜。TaN薄膜具有

极好的稳定性，经测试其电阻变化率在10年内仅为0.5%。

价电子分析表明TaN的价电子结构位形为Ta：6s1.0，6p1.8738，5d2.1262(含晶格电

子)，N：2s1.0，2p2.0。其中含有晶格电子，这是它导电并显示金属性的原因，金属元素的

5d电子和非金属元素的2p电子构成了共价电子的主要成分,它们的相互作用使化学键具

有共价性；另外，由于金属Ta和非金属元素构成化学键时提供的价电子数目不同，两者之

间势必有电子的转移或偏移，这样就显示一定的离子性。总之，构成过渡金属氮化物TaN化

学键的成分是复杂的，既有占主导作用的共价性成分,也有金属和离子成分。

通过反应磁控溅射制备的氮化钽薄膜其氮含量对薄膜性能的影响很大，随着氮分压的增