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敏感薄膜的制备技术

更新日期:2006-12-22  作者:佚名  来源:江苏科技信息

薄膜传感器是一种新型的传感器。薄膜传感器具有如下优点:①耐振动,结构稳定,噪声小;②体积小,耗材少;③灵敏度高,精度高,响应快。相对于块状物质,由于处于薄膜形态的物质具有许多独特的性质,因而薄膜器件已成为现代科学技术领域中不可缺少的器件。薄膜传感器敏感薄膜的制备技术近年来发展很快,在传感技术中独树一帜。

  目前国内外敏感薄膜制备方法主要有物理方法、化学方法、生物学方法三类方法,下面就几种典型成膜技术做一简要介绍。

1 真空蒸镀法

  用真空蒸镀法制造薄膜已有几十年的历史,工艺已成熟,用途很广。它在微电子器件中除用来制作薄膜电阻和电容以外,更多地用来制造电极。常用蒸发铝(Al)和金(Au)的方法来获得电极的欧姆接触区,也可用这种方法直接制造敏感元件的薄膜

2 溅射成膜工艺

  这是当今最流行的一种成膜工艺工艺已成熟。溅 射过程是在一个低真空室中,用高电压(通常在1 000V以上)使气体电离而形成等离子体,将待溅射物质制成靶且置于阴极,等离子体中的正离子以高能量轰击靶面,使靶上待溅射物质的原子离开靶面,淀积到阳极工作台上的基片上而形成薄膜。同蒸镀法相比,这种方法的设备较复杂,成膜速度较慢;但形成的膜牢固,并能制出高溶点的金属(合金)膜和化合物膜,其化学组分基本不变。高频溅射制作传感器的不足处是工艺控制参数多(电压、靶距、气压等),调节范围又小,以致难以保证成品质量,因此至今只有少数国家掌握它。

3 离化团束技术(ICB)

  离化团束技术因其有着别于其他方法的独特优点而在众多的薄膜材料制备技术中独树一帜。用该方法沉积薄膜的思想最早于1972年,由日本京都大学电子工程系的高木俊宜等人提出。在近一二十年的探索、试验中,该方法日渐成熟,已能用于金属、绝缘体、半导体、有机材料、高温超导材料、复合材料、氧化物、氮化物、氟化物等多种材料薄膜的制备。用此法制备的薄膜有着高的致密度、强的附着力、好的结晶特性、电学特性及表面光滑等特点,优于传统的真空蒸发和溅射沉积方法。

  反应离化团束(R-ICB)技术是在ICB基础上加入了反应气体材料,其簇团的产生、离化、加速、成膜的机制都基本上与ICB技术相同。R-ICB技术获得的薄膜与用其他方法制备的薄膜相比,具有一些独特的优点。如有很高的致密度、很大的附着力、薄膜应力可控制等。即使存在较大的晶格失配,可以制备单一结构和晶体取向的薄膜。R-ICBD技术除了能改善薄膜的结构和表面质量外,还能降低薄膜中的杂质含量,提高薄膜的稳定。

4 离子束溅射(IBS)技术

  70年代初,离子镀膜作为一种替代电镀的方法,具有无公害的特点,曾经受到人们极大的关注,但由于工艺问题,没有得到实际的应用。进入80年代以后,各种离子技术(包括等离子体)的应用越来越广,各种新方法、新工艺层出不穷,并逐步应用到光学薄膜的领域。据统计,80年代以后,离子镀膜设备正以60%~70%的势头增长。目前,离子镀膜技术已与真空蒸镀、溅射形成三足鼎立的局面,而且相互渗透,形成很多新方法、新工艺。按照薄膜形成的方式,离子镀膜技术可大致分为以下几种:

  (1)离子束溅射法。利用离子束对靶表面进行溅射获得膜层的一种方法(IBS);

  (2)真空蒸发与离子或离子束相结合的方法(IVD);

  (3)直接把离子蒸镀到基板表面形成薄膜的方法(ID);

  (4)离子簇法,在坩埚上方开一孔,喷出粒子,在电场作用下产生离子簇,在基板表面形成薄膜的方法(ICB)。

  中国科学院半导体所于1991年建成双束低能离子束薄膜淀积系统,制备Si、Ge、GaN低温外延膜、Si/CoSi2/Si多层结构膜,以及金刚石多晶膜。与其他成膜技术相比,低能离子束淀积技术有独到之处。利用这一技术,可开展超薄层多层结构的研究及制备一些在通常的平衡条件下难以得到的新材料。这一技术为获得具有特殊性的薄膜提供了新的途径。苏州大学创造性地发展了一种高密度等离子体源一微波电子回旋艺振(ECR)等离子体薄膜沉积技术,居国际先进水平。

  随着薄膜科学的不断发展,制备薄膜的方法日趋多样化,而离子束技术在成膜工艺中一直起着重要的作用。在实验中人们发现,离子的参与将有效地影响薄膜生长和化合物合成的过程,因而采用了许多方法如离化团束法、部分离化法及离子束溅射法等,将离子引入淀积过程并取得了一定的效果。而直接用低能离子束淀积则更能体现离子作用的效果,因为离子束有着能量单一、适用范围广、便于准确地控制淀积参数、清晰地了解淀积过程等特点。

4.1 工艺特点

  离子束溅射技术中离子源按照考夫曼(Kaufman)离子火箭发动机原理设计。氩作放电介质,在灯丝与圆筒阳极间放电,用一对多孔引出电极引出离子成束,轰击靶材,将其原子溅出,沉积到衬底上成膜。磁场用于约束电子轨迹,保证等离子体均匀且又能在较低气压下工作,用中和器消除离子的电荷。

  与平板结构的高溅射(13.56MHz)相比,离子束溅射技术有下列原理上的特点:

  ①工作远离等离子区,处于约0.01Pa真空环境,故离子束技术工作处于低温、低能量环境,无等离子体高温辐射与污染,加工室有较大空间,可设置多种辅助装置。②离子束能量与束流密度可分别单独控制,从而可获得高能量、低束流或低能量、高速流的成膜方式,这一特性可确保形成高稳定膜的工艺灵活性与良好重复性。③离子束可进行变角加工,可采用多离子源多成分沉积,或一个源(聚焦源)沉积、另一源(平行源)进行低能轰击,不仅能进一步增强附着力,而且可消除成膜内应力,改善长期稳定性。

4.2 优缺点

  离子束溅射成膜技术是在高频溅射技术基础上发展起来的,既保持了高频溅射法的优点(高熔点膜、附着力强、组成可控),同时又可克服它的缺点,保证了成膜质量,为制作长期稳定、高可靠传感器提供了一种新的生产技术。

  离子束溅射技术与其他技术相比并无质的飞跃和特殊优势,在有些性能方面还不如其他成膜技术(如化学法成膜技术)。离子束溅射技术属昂贵技术,不足处除设备复杂、成本较高外,主要是难以获得大面积积源,溅射速度慢,难以工业化批量生产。

4.3 离子束溅射应用现状

  离子束溅射技术是在高频溅射技术基础上发展起来的。瑞典等国家于1989年即将该技术用于研制薄膜传感器。我国国防科技大学王洪业等人于90年代初采用此法研制高性能薄膜压力传感器。国防科技大学刘昆、王洪业为国内离子束溅射技术研究和应用的主要人员。目前国内应用离子束溅射技术用于生产的单位主要有:电子部48所、航空部701所和北京一家民营企业(业主原与王洪业合作,并得到国防科工委的扶持)。而国内应用离子束溅射成膜的单位较多,主要有:国防科技大学航天技术系、北京航空航天大学、电子部48所、机电部49所、华中理工大学光电工程系、大连理工大学三束材料改性国家重点实验室、清华大学材料科学与工程系、上海交通大学、西安交大电气工程学院、中科院上海光机所等。

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