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用于濺射DFL-800壓力傳感器制造的離子束濺射設備
  • 發布日期:2019-11-26      瀏覽次數:112
    • 用于濺射DFL-800壓力傳感器制造的離子束濺射設備

      濺射壓力傳感器的核心部件是其敏感芯體(也稱敏感芯片),納米薄膜壓力傳感器大規模生產首要解決敏感芯片的規模化生產。一個典型的敏感芯片是在金屬彈性體上濺射淀積四層或五層的薄膜。其中,關鍵的是與彈性體金屬起隔離的介質絕緣膜和在絕緣膜上的起應變作用的功能材料薄膜。

      對介質絕緣膜的主要技術要求:它的熱膨脹系數與金屬彈性體的熱膨脹系數基本一致,另外,介質膜的絕緣常數要高,這樣較薄的薄膜會有較高的絕緣電阻值。在表面粗糙度優于0.1μm的金屬彈性體表面上淀積的薄膜的附著力要高、粘附牢、具有一定的彈性;在大2500με微應變時不碎裂;對于膜厚為5μm左右的介質絕緣膜,要求在-100℃至300℃溫度范圍內循環5000次,在量程范圍內疲勞106之后,介質膜的絕緣強度為108MΩ/100VDC以上。

      應變薄膜一般是由二元以上的多元素組成,要求元素之間的化學計量比基本上與體材相同;它的熱膨脹系數與介質絕緣膜的熱膨脹系數基本一致;薄膜的厚度應該在保證穩定的連續薄膜的平均厚度的前提下,越薄越好,使得阻值高、功耗小、減少自身發熱引起電阻的不穩定性;應變電阻阻值應在很寬的溫度范圍內穩定,對于傳感器穩定性為0.1%FS時,電阻變化量應小于0.05%。 

      眾所周知,制備非常致密、粘附牢、無針孔缺陷、內應力小、無雜質污染、具有一定彈性和符合化學計量比的高質量薄膜涉及薄膜工藝中的諸多因素:包括淀積材料的粒子大小、所帶能量、粒子到達襯底基片之前的空間環境,基片的表面狀況、基片溫度、粒子的吸附、晶核生長過程、成膜速率等等。根據薄膜淀積理論模型可知,關鍵是生長層或初期幾層的薄膜質量。如果粒子尺寸大,所帶的能量小,沉淀速率快,所淀積的薄膜如果再附加惡劣環境的影響,例如薄膜吸附的氣體在釋放后形成空洞,雜質污染影響元素間的化學計量比,這些都會降低薄膜的機械、電和溫度特性。

      美國NASA《薄膜壓力傳感器研究報告》中指出,在高頻濺射中,被濺射材料以分子尺寸大小的粒子帶有一定能量連續不斷的穿過等離子體后在基片上淀積薄膜,這樣,膜質比熱蒸發淀積薄膜致密、附著力好。但是濺射粒子穿過等離子體區域時,吸附等離子體中的氣體,淀積的薄膜受到等離子體內雜質污染和高溫不穩定的熱動態影響,使薄膜產生更多的缺陷,降低了絕緣膜的強度,成品率低。這些成為高頻濺射設備的技術用于批量生產濺射薄膜壓力傳感器的主要限制。

      日本真空薄膜專家高木俊宜教授通過實驗證明,在10-7Torr高真空下,在幾十秒內殘余氣體原子足以形成分子層附著在工件表面上而污染工件,使薄膜質量受到影響。可見,真空度越高,薄膜質量越有保障。

      此外,還有幾個因素也是值得考慮的:等離子體內的高溫,使抗蝕劑掩膜圖形的光刻膠軟化,甚至碳化。高頻濺射靶,既是產生等離子體的工作參數的一部分,又是產生濺射粒子的工藝參數的一部分,因此設備的工作參數和工藝參數互相制約,不能單獨各自調整,工藝掌握困難,制作和操作過程復雜。

      對于離子束濺射技術和設備而言,離子束是從離子源等離子體中,通過離子光學系統引出離子形成的,靶和基片置放在遠離等離子體的高真空環境內,離子束轟擊靶,靶材原子濺射逸出,并在襯底基片上淀積成膜,這一過程沒有等離子體惡劣環境影響,徹底克服了高頻濺射技術制備薄膜的缺陷。值得指出的是,離子束濺射普遍認為濺射出來的是一個和幾個原子。眾所周知,原子尺寸比分子尺寸小得多,形成薄膜時顆粒更小,顆粒與顆粒之間間隙小,能有效地減少薄膜內的空洞以及針孔缺陷,提高薄膜附著力和增強薄膜的彈性。

      離子束濺射設備還有兩個功能是高頻濺射設備所不具有的,,在薄膜淀積之前,可以使用輔助離子源產生的Ar+離子束對基片原位清洗,使基片達到原子級的清潔度,有利于薄膜層間的原子結合;另外,利用這個離子束對正在淀積的薄膜進行轟擊,使薄膜內的原子遷移率增加,晶核規則化;當用氧離子或氮離子轟擊正在生長的薄膜時,它比用氣體分子更能有效地形成指定化學計量比的氧化物、氮化物。第二,形成等離子體的工作參數和薄膜加工的工藝參數可以彼此獨立調整,不僅可以獲得設備工作狀態的調整和工藝的質量控制,而且設備操作簡單化,工藝容易掌握。

      離子束濺射技術和設備的這些優點,成為國內外生產濺射薄膜壓力傳感器的主導技術和設備。這種離子束共濺射薄膜設備除可用于制造高性能薄膜壓力傳感器的各種薄膜外,還可用于制備集成電路中的高溫合金導體薄膜、貴重金屬薄膜;用于制備磁性器件、磁光波導、磁存貯器等磁性薄膜;用于制備高質量的光學薄膜,特別是激光高損傷閾值窗口薄膜、各種高反射率、高透射率薄膜等;用于制備磁敏、力敏、溫敏、氣溫、濕敏等薄膜傳感器用的納米和微米薄膜;用于制備光電子器件和金屬異質結結構器件、太陽能電池、聲表面波器件、高溫超導器件等所使用的薄膜;用于制備薄膜集成電路和MEMS系統中的各種薄膜以及材料改性中的各種薄膜;用于制備其它高質量的納米薄膜或微米薄膜等。本文源自迪川儀表,轉載請保留出處。

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