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用于溅射压力传感器制造的离子束溅射设备

发布时间:2019-10-14      发布人:www.hnzts.com      点击:

溅射压力传感器的核心部件是其敏感芯体(也称敏感芯片),纳米薄膜压力传感器大规模生产首要解决敏感芯片的规模化生产。一个典型的敏感芯片是在金属弹性体上溅射淀积四层或五层的薄膜。其中,关键的是与弹性体金属起隔离的介质绝缘膜和在绝缘膜上的起应变作用的功能材料薄膜。

对介质绝缘膜的主要技术要求:它的热膨胀系数与金属弹性体的热膨胀系数基本一致,另外,介质膜的绝缘常数要高,这样较薄的薄膜会有较高的绝缘电阻值。在表面粗糙度优于0.1μm的金属弹性体表面上淀积的薄膜的附着力要高、粘附牢、具有一定的弹性;在最大2500με微应变时不碎裂;对于膜厚为5μm左右的介质绝缘膜,要求在-100℃至300℃温度范围内循环5000次,在量程范围内疲劳106之后,介质膜的绝缘强度为108MΩ/100VDC以上。

应变薄膜一般是由二元以上的多元素组成,要求元素之间的化学计量比基本上与体材相同;它的热膨胀系数与介质绝缘膜的热膨胀系数基本一致;薄膜的厚度应该在保证稳定的连续薄膜的平均厚度的前提下,越薄越好,使得阻值高、功耗小、减少自身发热引起电阻的不稳定性;应变电阻阻值应在很宽的温度范围内稳定,对于传感器稳定性为0.1%FS时,电阻变化量应小于0.05%。 

众所周知,制备非常致密、粘附牢、无针孔缺陷、内应力小、无杂质污染、具有一定弹性和符合化学计量比的高质量薄膜涉及薄膜工艺中的诸多因素:包括淀积材料的粒子大小、所带能量、粒子到达衬底基片之前的空间环境,基片的表面状况、基片温度、粒子的吸附、晶核生长过程、成膜速率等等。根据薄膜淀积理论模型可知,关键是生长第一层或初期几层的薄膜质量。如果粒子尺寸大,所带的能量小,沉淀速率快,所淀积的薄膜如果再附加恶劣环境的影响,例如薄膜吸附的气体在释放后形成空洞,杂质污染影响元素间的化学计量比,这些都会降低薄膜的机械、电和温度特性。

美国NASA《薄膜压力传感器研究报告》中指出,在高频溅射中,被溅射材料以分子尺寸大小的粒子带有一定能量连续不断的穿过等离子体后在基片上淀积薄膜,这样,膜质比热蒸发淀积薄膜致密、附着力好。但是溅射粒子穿过等离子体区域时,吸附等离子体中的气体,淀积的薄膜受到等离子体内杂质污染和高温不稳定的热动态影响,使薄膜产生更多的缺陷,降低了绝缘膜的强度,成品率低。这些成为高频溅射设备的技术用于批量生产溅射薄膜压力传感器的主要限制。

日本真空薄膜专家高木俊宜教授通过实验证明,在10-7Torr高真空下,在几十秒内残余气体原子足以形成分子层附着在工件表面上而污染工件,使薄膜质量受到影响。可见,真空度越高,薄膜质量越有保障。

此外,还有几个因素也是值得考虑的:等离子体内的高温,使抗蚀剂掩膜图形的光刻胶软化,甚至碳化。高频溅射靶,既是产生等离子体的工作参数的一部分,又是产生溅射粒子的工艺参数的一部分,因此设备的工作参数和工艺参数互相制约,不能单独各自调整,工艺掌握困难,制作和操作过程复杂。

对于离子束溅射技术和设备而言,离子束是从离子源等离子体中,通过离子光学系统引出离子形成的,靶和基片置放在远离等离子体的高真空环境内,离子束轰击靶,靶材原子溅射逸出,并在衬底基片上淀积成膜,这一过程没有等离子体恶劣环境影响,彻底克服了高频溅射技术制备薄膜的缺陷。值得指出的是,离子束溅射普遍认为溅射出来的是一个和几个原子。众所周知,原子尺寸比分子尺寸小得多,形成薄膜时颗粒更小,颗粒与颗粒之间间隙小,能有效地减少薄膜内的空洞以及针孔缺陷,提高薄膜附着力和增强薄膜的弹性。

离子束溅射设备还有两个功能是高频溅射设备所不具有的,第一,在薄膜淀积之前,可以使用辅助离子源产生的Ar+离子束对基片原位清洗,使基片达到原子级的清洁度,有利于薄膜层间的原子结合;另外,利用这个离子束对正在淀积的薄膜进行轰击,使薄膜内的原子迁移率增加,晶核规则化;当用氧离子或氮离子轰击正在生长的薄膜时,它比用气体分子更能有效地形成指定化学计量比的氧化物、氮化物。第二,形成等离子体的工作参数和薄膜加工的工艺参数可以彼此独立调整,不仅可以获得设备工作状态的最佳调整和最佳工艺的质量控制,而且设备操作简单化,工艺容易掌握。

离子束溅射技术和设备的这些优点,成为国内外生产溅射薄膜压力传感器的主导技术和设备。这种离子束共溅射薄膜设备除可用于制造高性能薄膜压力传感器的各种薄膜外,还可用于制备集成电路中的高温合金导体薄膜、贵重金属薄膜;用于制备磁性器件、磁光波导、磁存贮器等磁性薄膜;用于制备高质量的光学薄膜,特别是激光高损伤阈值窗口薄膜、各种高反射率、高透射率薄膜等;用于制备磁敏、力敏、温敏、气温、湿敏等薄膜传感器用的纳米和微米薄膜;用于制备光电子器件和金属异质结结构器件、太阳能电池、声表面波器件、高温超导器件等所使用的薄膜;用于制备薄膜集成电路和MEMS系统中的各种薄膜以及材料改性中的各种薄膜;用于制备其它高质量的纳米薄膜或微米薄膜等。本文源自泽天传感,转载请保留出处。