仲逸飛， 劉景全

(上海交通大學(xué) 微納科學(xué)技術(shù)研究院 微米/納米加工技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室薄膜與微細(xì)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

0 引 言

隨著電子器件的微型化，越來(lái)越多的研究致力于使用薄膜材料代替塊狀材料和線型材料[1～8]。NiCr合金是微電子器件領(lǐng)域廣泛研究的薄膜材料之一。Evanohm合金(Ni75Cr20Cu2.5Al2.5)是一種以Ni、Cr金屬為主的合金材料。在相關(guān)的研究中，研究者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，該合金可適用于制造標(biāo)準(zhǔn)電阻，因其有良好的電學(xué)和機(jī)械性能，例如良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、高電阻率以及較低的電阻溫度系數(shù)。目前，多個(gè)研究組正在對(duì)低溫電阻器進(jìn)行研究[9～12]，期望獲得較高的低溫電阻率(大約為150×10-8Ω·m)和較低的溫度系數(shù)。Evanohm合金電阻對(duì)于不同的低溫應(yīng)用，尤其是精密電氣計(jì)量至關(guān)重要。在電子器件微型化領(lǐng)域的研究中，研究者發(fā)現(xiàn)，環(huán)線結(jié)構(gòu)的薄膜電阻導(dǎo)線會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，這對(duì)器件性能有所影響。

本文中采用雙環(huán)線結(jié)構(gòu)來(lái)抵消金屬引線帶來(lái)的磁場(chǎng)，增強(qiáng)器件在應(yīng)用時(shí)的穩(wěn)定性。將Evanohm合金材料與雙環(huán)線結(jié)構(gòu)相結(jié)合，以MEMS工藝為基本手段，制作出新型微型加熱器，并探求此種微型加熱器在常溫及深低溫條件下的電學(xué)性能與加熱性能，希望能得到在特定條件下更為穩(wěn)定的器件。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)加熱器基本尺寸為1 mm×0.8 mm×0.2 mm(長(zhǎng)×寬×厚)。薄膜方塊電阻約為Rs=5Ω/sq，加熱單元線寬W均為0.02 mm，本文設(shè)計(jì)雙環(huán)線結(jié)構(gòu)如圖1所示(由左到右，依次命名為結(jié)構(gòu)a、結(jié)構(gòu)b、結(jié)構(gòu)c)。

圖1 加熱器設(shè)計(jì)圖由左到右，依次命名為結(jié)構(gòu)a、結(jié)構(gòu)b、結(jié)構(gòu)c

加熱器采用對(duì)稱的環(huán)線型結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)可以有效避免加熱器線圈帶來(lái)的磁場(chǎng)干擾。三個(gè)結(jié)構(gòu)都運(yùn)用到并聯(lián)設(shè)計(jì)，這是為了在通過(guò)增加環(huán)形線圈數(shù)來(lái)增加加熱面積的同時(shí)，使器件電阻不要過(guò)大，避免加熱性能下降。加熱單元均勻地分布在整個(gè)襯底上方，實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)的均勻分布。

三個(gè)結(jié)構(gòu)的有效加熱單元長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1=1.01 mm,L2=1.835 mm,L3=3.21 mm，根據(jù)電阻計(jì)算公式R=Rs×L/W，考慮并聯(lián)電阻關(guān)系之后，計(jì)算出加熱器常溫條件下的整體電阻值理論值分別為R1=63 Ω,R2=229 Ω,R3=401 Ω。

本文模擬了當(dāng)外界溫度為 20 ℃，加熱器外加電壓為1 V時(shí),加熱器的溫度場(chǎng)分布，其底面溫度場(chǎng)分布如圖2所示，由圖2可知，外加電壓時(shí)，三種設(shè)計(jì)圖形都較好地實(shí)現(xiàn)了溫度場(chǎng)的均勻分布，實(shí)現(xiàn)被加熱物體均勻加熱。而在同樣的外加電壓下，結(jié)構(gòu)a的最高加熱溫度幾乎是其他兩種結(jié)構(gòu)的2倍，這主要是得益于其四并聯(lián)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最大程度降低了電阻。

圖2 加熱器溫度場(chǎng)分析仿真

2 加工工藝

首先，用三英寸的硅片(雙拋)為基底，對(duì)其進(jìn)行清洗。清洗后需要確保硅片表面沒(méi)有附著物，附著物會(huì)影響下一步薄膜的制備。

其次，使用SPF210H AC磁控濺射機(jī)進(jìn)行薄膜濺射。用純度為99.995 % 的Evanohm 合金為靶材制備加熱器薄膜。加熱器的基底材料選擇主要考慮應(yīng)具備較好的熱傳導(dǎo)能力，因此選用Si為基底材料。經(jīng)過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)探索，最終確定了獲得良好致密性和一致性薄膜的最佳濺射條件。濺射過(guò)程中腔室的本底真空度為4×10-4Pa，Ar流速為4 cm3/min，工作壓強(qiáng)為0.21 Pa，濺射功率為100 W，濺射時(shí)間為 60 min。Evanohm合金薄膜的厚度為600 nm。

通過(guò)濺射完成薄膜制備之后，需對(duì)正面Evanohm薄膜進(jìn)行圖形化。先在Evanohm薄膜表面旋涂一層厚度為5 μm的AZ4620正性光刻膠，在90 ℃烘箱前烘2 h之后，通過(guò)紫外光接觸式曝光50 s后顯影，顯影時(shí)間為90 s，再在60 ℃烘箱后烘10 min。完成光刻膠制備之后，利用離子銑刻蝕，對(duì)Evanohm薄膜進(jìn)行圖形化刻蝕，刻蝕完成之后用丙酮浸泡，并重復(fù)清洗步驟，洗去殘余的光刻膠。此時(shí)完成了Evanohm薄膜的圖形化過(guò)程。

接下來(lái)需要利用Lift-off工藝為微加熱器制造電極。重復(fù)旋涂光刻膠的步驟，旋涂2 μm的正性光刻膠,前烘之后通過(guò)紫外光接觸式曝光50 s后顯影、后烘。接下來(lái)通過(guò)磁控濺射在圖形化的光刻膠之上濺射Au/Cr薄膜，先以Cr為靶材，功率80 W條件下濺射2 min，沉積20 nm厚的Cr薄膜，之后，再以Au為靶材，功率100 W條件下濺射4 min，沉積200 nm厚的Au薄膜。完成之后放于丙酮中浸泡，適度超聲。隨著光刻膠洗去，部分Au/Cr薄膜脫落，即通過(guò)Lift-off工藝完成了Au/Cr薄膜的圖形化。微加熱器的電極部分制備完成。Lift-off工藝之后，繼續(xù)重復(fù)清洗步驟，洗去多余的殘留物。

完成以上步驟，即完成了微加熱器的流片制備工作。接下來(lái)需要將整體硅片進(jìn)行切割，利用砂輪切割機(jī)按照對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記進(jìn)行切割，形成1 mm×0.8 mm尺寸的微型器件。整個(gè)加工流程圖與實(shí)物圖如圖3、圖4所示。

圖3 加熱器微加工工藝流程圖

圖4 加熱器實(shí)物

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 常溫下的加熱性能

結(jié)構(gòu)不同的加熱器在同樣條件下的加熱性能并不相同。將加熱器固定在樣品托上，通過(guò)打線的方式在加熱器電極上外加電壓，用紅外線熱成像儀對(duì)準(zhǔn)樣品，檢測(cè)加熱器的溫度變化。用相同條件下，加熱器溫度穩(wěn)定后所能達(dá)到的最高溫度來(lái)表征加熱器的加熱性能。

圖5為室溫20 ℃下，三種結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)a，結(jié)構(gòu)b，結(jié)構(gòu)c)的加熱器在外加3 V的電壓，升溫至穩(wěn)定狀態(tài)后拍攝的紅外熱成像圖片。通過(guò)圖片不難看出，得益于雙環(huán)線型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加熱器的加熱狀態(tài)都相對(duì)均勻，沒(méi)有明顯的熱噪點(diǎn)。

圖5 3V電壓下微加熱器紅外輻射溫度圖(由左到右，依次為結(jié)構(gòu)a，結(jié)構(gòu)b，結(jié)構(gòu)c)

此外，如圖5所示，在相同環(huán)境，結(jié)構(gòu)a所能到達(dá)的最高溫度為138.3 ℃，結(jié)構(gòu)b所能到達(dá)的最高溫度為45.9 ℃，結(jié)構(gòu)c所能達(dá)到的最高溫度為35.1 ℃。對(duì)比三者的電阻大小，可以初步認(rèn)識(shí)到，微型加熱器加熱性能與整體電阻大小成負(fù)相關(guān)關(guān)系。即電阻最小的微電阻器(結(jié)構(gòu)a)加熱性能最優(yōu)。

3.2 常溫環(huán)境下的電學(xué)性能

針對(duì)結(jié)構(gòu)a型微型加熱器進(jìn)行電學(xué)性能探求。

常溫下，電阻與溫度呈顯著的線性關(guān)系,如圖6。

圖6 常溫環(huán)境下，不同溫度的電阻

在不同溫度下，根據(jù)加熱器的電阻溫度關(guān)系計(jì)算了不同溫度條件下的TCR值，TCR的計(jì)算公式為

TCR(K-1)=(Rt-R0)/[(Tt-T0)R0]

式中Rt為在溫度t下加熱器的電阻值，R0為在初始溫度下加熱器的電阻值。計(jì)算結(jié)果如圖6所示，可見(jiàn)，整體加熱器的TCR值在9.7×10-5K-1的水平，而常見(jiàn)的各類金屬的TCR值在10-3K-1水平，因此從溫度穩(wěn)定性來(lái)講，本加熱器的溫度穩(wěn)定性明顯優(yōu)于普通器件，這主要?dú)w功于Evanohm材料的使用。另外，通過(guò)圖7顯示，加熱器的TCR隨溫度變化不明顯，在330～460 K范圍內(nèi)，d(TCR)/dT=8.62×10-8，由此可見(jiàn)，溫度變化下，樣品的TCR值是相當(dāng)穩(wěn)定的。

圖7 常溫環(huán)境下，不同溫度下的TCR

3.3 低溫下的電學(xué)性能

利用低溫平臺(tái)，將加熱器放于低溫環(huán)境中測(cè)試探求其電學(xué)性能。

測(cè)試得到的R-T曲線如圖8所示。以常溫下的電阻為基準(zhǔn)，在5～300 K的溫度區(qū)間內(nèi)，加熱器的電阻總體變化在2 %以內(nèi)，其變化趨勢(shì)是非線性的，從圖8可以看出，電阻首先隨著從室溫冷卻而降低，在40 K左右的溫度下呈現(xiàn)最小值，然后隨著溫度的進(jìn)一步降低而增加。相似的最小值也曾被其他學(xué)者針對(duì)鎳鉻材料的相關(guān)研究中被觀察過(guò)，被稱為Kondo最小值。不過(guò)針對(duì)于鎳鉻材料的Kondo最小值大約在30 K，而本器件處于40 K，這一偏差可能是材料中成分比重差別與器件結(jié)構(gòu)差別帶來(lái)的影響。

圖8 深低溫環(huán)境下,電阻隨溫度變化情況

經(jīng)過(guò)計(jì)算，[5,300]K的溫度范圍，微加熱器的平均溫度系數(shù)為6.5×10-5K-1，并且在[35,55]K的溫度范圍內(nèi)，器件的平均溫度系數(shù)達(dá)到8.9×10-6K-1，如圖9所示。對(duì)比常見(jiàn)金屬的溫度系數(shù)(10-3)，可以發(fā)現(xiàn)微加熱器表現(xiàn)出的電阻穩(wěn)定性是十分優(yōu)異的,在特定溫區(qū)尤為突出。

圖9 [35,55]K溫度區(qū)間內(nèi)的TCR變化

4 結(jié) 論

本文研究了基于Evanohm合金材料(Ni75Cr20Cu2.5Al2.5)的薄膜微加熱器。為了得到更好的加熱性能與更穩(wěn)定的電學(xué)性能，設(shè)計(jì)了特定的結(jié)構(gòu)。利用MEMS工藝制造之后，分別在常溫與低溫下測(cè)試其加熱性能與電學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)本器件有相對(duì)均勻的加熱特性，并且在常溫與低溫下都有著良好的電阻穩(wěn)定性。并且通過(guò)低溫測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該器件在40 K的溫度下能達(dá)到電阻最小值，并且器件能在較寬低溫區(qū)保持優(yōu)異的電阻值穩(wěn)定性。在[5,300]K的溫度區(qū)間內(nèi)，加熱器的電阻變不超過(guò)2 %。在[35,55]K溫度范圍內(nèi)，器件平均溫度系數(shù)可以降至8.9×10-6K-1。這一研究結(jié)果為未來(lái)尋求特定溫度條件下的高穩(wěn)定性的薄膜加熱器有參考意義。