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磁控濺射與離子濺射在濺射壓力傳感器制造中的優劣

發布時間:2019-1-8??????發布人:澤天傳感??????點擊:

射頻磁控濺射

射頻磁控濺射是一種濺射鍍膜法,它對陰極濺射中電子使基片溫度上升過快的缺點加以改良,在被濺射的靶極(陽極)與陰極之間加一個正交磁場和電場,電場和磁場方向相互垂直。當鍍膜室真空抽到設定值時,充入適量的氬氣,在陰極(柱狀靶或平面靶)和陽極(鍍膜室壁)之間施加幾百伏電壓,便在鍍膜室內產生磁控型異常輝光放電,氬氣被電離。在正交的電磁場的作用下,電子以擺線的方式沿著靶表面前進,電子的運動被限制在一定空間內,增加了同工作氣體分子的碰撞幾率,提高了電子的電離效率。電子經過多次碰撞后,喪失了能量成為 “最終電子”進入弱電場區,最后到達陽極時已經是低能電子,不再會使基片過熱。同時高密度等離子體被束縛在靶面附近,又不與基片接觸,將靶材表面原子濺射出來沉積在工件表面上形成薄膜。而基片又可免受等離子體的轟擊,因而基片溫度又可降低。更換不同材質的靶和控制不同的濺射時間,便可以獲得不同材質和不同厚度的薄膜。

射頻濺射的質量受到預抽真空度、濺射時的氬氣壓強、濺射功率、濺射時間、襯底溫度等因素的影響,要想得到理想的濺射膜,必須優化這些影響因素。納米薄膜的獲得主要通過兩種途徑:(1)在非晶薄膜晶的過程中控制納米結構的形成;(2)在薄膜的成核生長過程中控制納米結構的形成,其中薄膜沉積條件的控制極為重要。在濺射過程中,采用高的濺射氣壓、低的濺射易于得到納米結構的薄膜。

離子束濺射

以單離子束濺射為例,它由離子源、離子引出極和沉積室三大部分組成,在高真空或超高真空中濺射鍍膜法。利用直流電場使惰性氣體(通常為氬)發生電離,產生輝光放電等離子體,電離產生的正離子和電子高速轟擊靶材,使靶材上的原子或分子濺射出來,然后沉積到基板上形成薄膜。在其離子源內由惰性氣體產生的離子具有較高能量(通常為幾百至幾千eV),可以通過一套電氣系統來控制離子束的性能,從而改變離子轟擊靶材料產生不同的濺射效應,使靶材料沉積到基片上形成納米材料。濺射法中的靶材無相變,化合物的成分不易發生變化;又由于濺射沉積到基片上的粒子能量比蒸發沉積高出幾十倍,所形成的納米材料附著力高。

離子束濺射沉積法除可以精確地控制離子束的能量、密度和入射角度來調整納米薄膜的微觀形成過程,濺射過程中的基片溫度較低外還有以下優點:①可制備多種納米金屬,包括高熔點和低熔點金屬,而常規的熱蒸發只能適用于低熔點金屬;② 能制備多組元的化合物納米微粒,如Al52Ti48,Cu91Mn9及ZrO2等;③通過加大被濺射的陰極表面可提高納米微粒的獲得量。

濺射壓力傳感器制造工藝中兩種濺射法的對比分析

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的影響,使薄膜產生更多的缺陷,降低了絕緣膜的強度,成品率低。此外,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,操作復雜。

美國NASA中心的報告中評論了高頻濺射技術提高薄膜粘附性,同時也指出了薄膜生長環境是在等離子區的惡劣環境中,薄膜缺陷的增加成為制備高頻絕緣性能薄膜和提高成品率的一個主要問題。

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,離子靶和基中置放在遠離等離子體的高真空環境內,離子束轟擊靶、靶材原子濺射出來,并在襯底基片上淀積成膜,沒有等離子體惡劣環境影響,徹底克服了高頻濺射技術和設備制備薄膜的缺陷。值得提出的是,離子束濺射被普遍認為濺射出來的是一個和幾個原子,原子尺寸比分子尺寸小得多,可以形成分布更密,晶核更小的生長薄膜,進一步減少薄膜內的空洞,針孔缺陷,提高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,第一,在薄膜淀積之前,可以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;利用這個離子束對正在淀積薄膜進行轟擊,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,它比用氣體分子更有效地形成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最佳調整和最佳工藝的質量控制,而且設備操作簡單化,工藝容易掌握。

在薄膜的生長過程中,基片的溫度對沉積原子在基片上的附著以及在其上移動等都有很大影響,是決定薄膜結構的重要條件。一般來說,基片溫度越高,則吸附原子的動能也越大,跨越表面勢壘的幾率增多,則需要形成核的臨界尺寸增大,越易引起薄膜內部的凝聚,每個小島的形狀就越接近球形,容易結晶化,高溫沉積的薄膜易形成粗大的島狀組織。而在低溫時,形成核的數目增加,這將有利于形成晶粒小而連續的薄膜組織,而且還增強了薄膜的附著力,所以尋求實現薄膜的低溫沉積一直是研究的方向,而離子束濺射技術在這方面有著顯著優點。

離子束濺射技術和設備的這些優點,成為生產高性能薄膜傳感器如薄膜壓力傳感器的主導技術。使用離子束濺射技術制造高性能薄膜傳感器,是在不銹鋼彈性體濺射多層納米功能薄膜,包括絕緣膜、過度膜、敏感膜、引線膜等。由于采用了先進的離子束濺射工藝及微機械加工技術,徹底消除了傳統的金屬箔式應變計粘貼工藝帶來的蠕變、遲滯、老化缺陷的影響,具有長期穩定性高,工作溫度范圍寬,工作穩定性等優點;不銹鋼類的彈性膜片材料,介質兼容性好,無隔離膜片,不用灌油充液。一體化的金屬全密封結構,具優良的抗環境震動、耐壓力沖擊等優良性能。澤天傳感整理,轉載請保留出處。

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