用于濺射DFL-800壓力傳感器制造的離子束濺射設(shè)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(guī)模生產(chǎn)首要解決敏感芯片的規(guī)?；a(chǎn)。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(guān)鍵的是與彈性體金屬起隔離的介質(zhì)絕緣膜和在絕緣膜上的起應(yīng)變作用的功能材料薄膜。

對介質(zhì)絕緣膜的主要技術(shù)要求：它的熱膨脹系數(shù)與金屬彈性體的熱膨脹系數(shù)基本一致，另外，介質(zhì)膜的絕緣常數(shù)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(yōu)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(yīng)變時不碎裂；對于膜厚為5μm左右的介質(zhì)絕緣膜，要求在-100℃至300℃溫度范圍內(nèi)循環(huán)5000次，在量程范圍內(nèi)疲勞106之后，介質(zhì)膜的絕緣強度為108MΩ/100VDC以上。

應(yīng)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(xué)計量比基本上與體材相同；它的熱膨脹系數(shù)與介質(zhì)絕緣膜的熱膨脹系數(shù)基本一致；薄膜的厚度應(yīng)該在保證穩(wěn)定的連續(xù)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(fā)熱引起電阻的不穩(wěn)定性；應(yīng)變電阻阻值應(yīng)在很寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定，對于傳感器穩(wěn)定性為0.1%FS時，電阻變化量應(yīng)小于0.05%?！?/span>

*，制備非常致密、粘附牢、無針孔缺陷、內(nèi)應(yīng)力小、無雜質(zhì)污染、具有一定彈性和符合化學(xué)計量比的高質(zhì)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(huán)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(jù)薄膜淀積理論模型可知，關(guān)鍵是生長層或初期幾層的薄膜質(zhì)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(huán)境的影響，例如薄膜吸附的氣體在釋放后形成空洞，雜質(zhì)污染影響元素間的化學(xué)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(xù)不斷的穿過等離子體后在基片上淀積薄膜，這樣，膜質(zhì)比熱蒸發(fā)淀積薄膜致密、附著力好。但是濺射粒子穿過等離子體區(qū)域時，吸附等離子體中的氣體，淀積的薄膜受到等離子體內(nèi)雜質(zhì)污染和高溫不穩(wěn)定的熱動態(tài)影響，使薄膜產(chǎn)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(shè)備的技術(shù)用于批量生產(chǎn)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(nèi)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(zhì)量受到影響?？梢?，真空度越高，薄膜質(zhì)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(nèi)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(chǎn)生等離子體的工作參數(shù)的一部分，又是產(chǎn)生濺射粒子的工藝參數(shù)的一部分，因此設(shè)備的工作參數(shù)和工藝參數(shù)互相制約，不能單獨各自調(diào)整，工藝掌握困難，制作和操作過程復(fù)雜。

對于離子束濺射技術(shù)和設(shè)備而言，離子束是從離子源等離子體中，通過離子光學(xué)系統(tǒng)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(huán)境內(nèi)，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(huán)境影響，*克服了高頻濺射技術(shù)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。*，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(nèi)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(shè)備還有兩個功能是高頻濺射設(shè)備所不具有的，，在薄膜淀積之前，可以使用輔助離子源產(chǎn)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(jié)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(nèi)的原子遷移率增加，晶核規(guī)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化學(xué)計量比的氧化物、氮化物。第二，形成等離子體的工作參數(shù)和薄膜加工的工藝參數(shù)可以彼此獨立調(diào)整，不僅可以獲得設(shè)備工作狀態(tài)的調(diào)整和工藝的質(zhì)量控制，而且設(shè)備操作簡單化，工藝容易掌握。

離子束濺射技術(shù)和設(shè)備的這些優(yōu)點，成為國內(nèi)外生產(chǎn)濺射薄膜壓力傳感器的主導(dǎo)技術(shù)和設(shè)備。這種離子束共濺射薄膜設(shè)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(dǎo)體薄膜、貴重金屬薄膜；用于制備磁性器件、磁光波導(dǎo)、磁存貯器等磁性薄膜；用于制備高質(zhì)量的光學(xué)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(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)器件、太陽能電池、聲表面波器件、高溫超導(dǎo)器件等所使用的薄膜；用于制備薄膜集成電路和MEMS系統(tǒng)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(zhì)量的納米薄膜或微米薄膜等。本文源自迪川儀表，轉(zhuǎn)載請保留出處。