雷 程, 馮 偉, 梁 庭, 齊 蕾, 熊繼軍

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,山西 太原 030051；2.北方自動控制技術(shù)研究所,山西 太原 030006)

0 引 言

隨著微機(jī)械加工技術(shù)的不斷拓展和延伸,微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)工藝迅速發(fā)展成為集成電路產(chǎn)業(yè)的一個重要分支。與傳統(tǒng)溫度探測器相比,薄膜溫度探測器具有熱響應(yīng)速度快、靈敏度高、尺寸小等優(yōu)點,不會對金屬器件的工作效果(如微波消融針的消融范圍和材料性質(zhì))造成影響[1～3]。鉑(Pt)作為一種常用的貴金屬溫度敏感材料,由于其良好的熱響應(yīng)、高精確度、高電阻溫度系數(shù)和較寬的工作溫度范圍被廣泛應(yīng)用于溫度場測量[4～8]。鉑還被認(rèn)為具有生物相容性,因此適合用于醫(yī)療應(yīng)用[9]。上述特性,使得鉑薄膜電阻在MEMS微器件制造中得到了廣泛的應(yīng)用。比如高精度溫度計、鐵電電阻開關(guān)和熱線風(fēng)速儀[10,11]。

鉑薄膜的電學(xué)性能與其微觀結(jié)構(gòu)有著密切聯(lián)系,而在濺射過程中腔室真空度、溫度、濺射功率、鉑靶的純度以及基材的粗糙度都會對鉑薄膜的表面形貌造成一定影響[5,7,12]。通過控制環(huán)境因素和退火處理條件都可以使鉑薄膜性能得到顯著提高[6～8,13～15]。

為了可以即時和準(zhǔn)確地跟蹤被測物體表面原位溫度場的變化,同時,要適應(yīng)非平、屈曲物體表面溫度的實時測量[16～19]。之前的研究都集中在基于柔性聚合物襯底的MEMS器件制造技術(shù),這種技術(shù)要求柔性聚合物基底薄且機(jī)械性能強,以利于與被測物體的曲面貼合；金屬薄膜制備溫度和傳感器工作溫度也不能超過聚合物襯底玻璃化溫度[20,21]。

因此,本文研究了在金屬探針表面直接進(jìn)行微細(xì)加工制作絕緣層和金屬薄膜的工藝,從而對被測物體表面進(jìn)行實時監(jiān)控和測量。這種工藝技術(shù)實現(xiàn)了敏感元件與高曲率物體直接匹配,無需后續(xù)轉(zhuǎn)移貼裝襯底,減少了周圍環(huán)境與物體之間的熱損耗,提高了器件的工作穩(wěn)定性。并對濺射在金屬探針曲面上的鉑薄膜電阻,進(jìn)行不同溫度的退火處理,消除濺射過程中產(chǎn)生的雜質(zhì)和缺陷,從而提高鉑薄膜溫度探測器的靈敏度、線性度和工作穩(wěn)定性。通過觀察退火處理后鉑薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能的變化,得出薄膜鉑熱阻特性的變化規(guī)律和電阻溫度系數(shù)(TCR)變化機(jī)理。

1 實 驗

1.1 鉑薄膜電阻的制備

本文以曲率半徑為1 mm的金屬探針為基底,并利用金屬卡槽對其進(jìn)行固定方便操作,制備了鉑薄膜溫度探測器。工藝流程如圖1所示：(a)金屬探針基底經(jīng)過丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗后,用氮氣吹干并用熱板烘干,充分去除表面水分。(b) SiO2絕緣層的沉積：采用等離子增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)技術(shù)在探針一端面上沉積一層 2 μm厚度的SiO2薄膜作為絕緣層。(c)在探針絕緣端面上噴涂一層AZ—4620光刻膠。(d)采用接近式光刻,并調(diào)整曝光參數(shù),在金屬探針表面實現(xiàn)光刻膠的圖形化處理。為了進(jìn)一步去除殘膠和提高基底活化程度,對探針進(jìn)行氧等離子體處理。(e),(f) 在低溫20℃,真空度為5×10-6bar,Ar保護(hù)氣體流量為14 sccm環(huán)境下,采用磁控濺射技術(shù)探針絕緣端面上濺射20 nm Ti黏附層、100 nm Pt金屬層。(g)在丙酮溶液中對探針超聲剝離,實現(xiàn)鉑薄膜圖形化。在RTP快速退火爐中進(jìn)行了不同溫度退火和自然冷卻。(h)為了保證后期使用的穩(wěn)定性在鉑薄膜熱敏電阻器表面做一層Parylene保護(hù)層。圖2為制作完成的鉑薄膜溫度探測器樣品。

圖1 鉑薄膜溫度探測器的制作工藝流程

圖2 鉑薄膜溫度探測器樣品

1.2 薄膜鉑電阻表面特性及電阻—溫度特性

利用熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM；JSM—7001F,日本)和能譜儀(EDS；QX200,德國布魯克)檢測不同厚度的SiO2薄膜和不同溫度熱處理后的薄膜鉑電阻表面的微觀結(jié)構(gòu)。

為了對退火前后的電阻—溫度特性進(jìn)行測量,在恒溫(20 ℃)超凈間中將鉑薄膜溫度探測器樣品固定在LabTech電熱板(EH20B)面板上,用一個Agilent高性能數(shù)字萬用表(34401A)通過兩線制測量電阻。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同厚度的SiO2薄膜對鉑薄膜形貌的影響

為了減小基材對鉑薄膜形貌的影響,確定合適的SiO2絕緣層。本文對沉積有不同厚度SiO2薄膜的不銹鋼針管進(jìn)行掃描電鏡分析,如圖3所示。

圖3 探針表面不同厚度的SiO2薄膜的SEM圖像

在粗糙度為0.6～0.8 μm范圍內(nèi)的金屬探針表面,可以觀察到不同厚度的SiO2薄膜在金屬探針表面表現(xiàn)出不同的形態(tài)。0.5 μm厚度的SiO2薄膜沒有實現(xiàn)金屬探針表面缺陷的包覆,有部分缺陷暴露出來,這些缺陷看起來十分明顯(圖3(a))。用一個Agilent高性能數(shù)字萬用表(34401A)測試發(fā)現(xiàn)無法實現(xiàn)金屬探針的電絕緣性。1 μm厚度的SiO2薄膜基本實現(xiàn)了金屬探針表面缺陷的包覆(圖3(b)),但是由于探針表面粗糙度較大,仍然可以看到缺陷的痕跡,這樣會嚴(yán)重影響鉑薄膜沉積到探針上的形貌,甚至產(chǎn)生較大的電阻值偏差。利用數(shù)字萬用表測試證實1 μm厚度的SiO2薄膜可以滿足金屬探針的電絕緣性。2 μm厚度的SiO2薄膜完全將金屬探針表面缺陷包覆(圖3(c)),探針表面的缺陷明顯減少,這樣既可以滿足探針的電絕緣性,也不會對鉑薄膜形貌造成太大影響。另外,本實驗還利用膠帶法對0.5,1,2,3,4 μm SiO2薄膜粘附性進(jìn)行測試,對比發(fā)現(xiàn)當(dāng)SiO2薄膜大于2 μm厚度時,由于應(yīng)力釋放SiO2薄膜更加容易斷裂,導(dǎo)致粘附性變差。

因此,綜合以上分析結(jié)果本實驗采用2 μm厚度的SiO2薄膜實現(xiàn)金屬探針的電絕緣性。

2.2 不同退火溫度對鉑薄膜微觀結(jié)構(gòu)的影響

將3支鉑薄膜溫度探測器樣品分別在RTP快速退火爐中做真空熱處理,溫度分別為450,500,550 ℃,并且保溫5 min,然后自然冷卻。圖4為不同退火溫度處理后鉑薄膜表面的微觀結(jié)構(gòu)SEM圖像(SEM放大2萬倍)。

圖4 (a)20 ℃條件下鉑薄膜表面的微觀結(jié)構(gòu)圖,在(b)450 ℃(c)500 ℃(d)550 ℃條件下,退火處理5 min后的鉑薄膜表面的微觀結(jié)構(gòu)圖

由圖4可以觀察到SiO2絕緣層上Ti/Pt層呈現(xiàn)出不同的形態(tài)。退火之前,SiO2絕緣層上的Ti/Pt層呈現(xiàn)出大小不一致的晶粒,導(dǎo)致晶粒之間形成間隙和較大的空位(圖4(a))。從進(jìn)化的圖像中可以看出,經(jīng)過450 ℃退火后,Ti/Pt層已經(jīng)發(fā)生微觀結(jié)構(gòu)的再結(jié)晶。此時可以觀察到晶粒出現(xiàn)聚集現(xiàn)象,形成突起的片狀結(jié)構(gòu),無法準(zhǔn)確地測量出晶粒的尺寸(圖4(b))。當(dāng)退火溫度提高到500 ℃時,Ti/Pt層表面形貌發(fā)生了明顯的變化?？梢杂^察到,Ti/Pt層表面形成了結(jié)構(gòu)致密的細(xì)晶粒,同時晶粒之間的間隙消除,晶粒重排使得Ti/Pt層的微觀結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。但是,較退火處理之前,Ti/Pt層表面出現(xiàn)更多小的空位(圖4(c)),這可能與內(nèi)應(yīng)力的釋放以及鈦向鉑薄膜表面擴(kuò)散有關(guān)。這說明在500 ℃之前,內(nèi)應(yīng)力引起的Ti/Pt層晶格缺陷被修復(fù),同時形成新的相對缺陷較少的晶粒,晶粒的重結(jié)晶過程已經(jīng)完成。550 ℃退火條件下,晶粒的尺寸變得更大,出現(xiàn)明顯的晶界,并形成許多突起的丘狀結(jié)構(gòu)(圖4(d))。這主要是因為隨著溫度的升高,金屬薄膜和SiO2薄膜之間的熱應(yīng)力不匹配,這種外應(yīng)力足以克服界面能量,沉積在SiO2薄膜上的金屬薄膜就會發(fā)生分層和突起。結(jié)果表明,退火會對金屬薄膜的微觀結(jié)構(gòu)造成影響。

利用能譜儀(EDS)可以觀察到鉑薄膜表面的構(gòu)成元素,如表1所示。結(jié)合(圖4(b))分析得到,450 ℃退火條件下,鉑晶粒發(fā)生生重排,鈦會隨著晶界向鉑薄膜表面發(fā)生擴(kuò)散,導(dǎo)致鉑薄膜表面鈦元素質(zhì)量增多。但是隨著退火溫度的不斷升高,鉑薄膜表面的鈦元素質(zhì)量持續(xù)減少,這是因為鈦被不斷氧化形成更加穩(wěn)定的鈦氧化物以及雙向擴(kuò)散的結(jié)果。

表1 不同退火條件下鉑薄膜表面的元素含量

2.3 不同退火溫度對電學(xué)性能的影響

本文中使用Ti/Pt層作為熱敏電阻,電阻的電阻溫度系數(shù)TCR計算公式如下

(1)

式中RT1為在室溫(20 ℃)下測量的初始電阻值,RT2為在100 ℃下測量的電阻。升溫速率約為3 ℃/min,每10 ℃保溫5 min后記錄電阻值。事實上,電阻在溫度范圍內(nèi)呈線性變化。用一階線性擬合來描述電阻的線性度。

分別對450,500,550 ℃條件下退火處理前后的鉑薄膜溫度探測器的電阻—溫度曲線進(jìn)行測試分析,如圖5所示?！癟CRah”和“TCRac”分別表示經(jīng)過退火處理后加熱和冷卻過程時的電阻溫度系數(shù)?！癟CRh”和“TCRc”分別表示未經(jīng)過退火處理加熱和冷卻過程時的電阻溫度系數(shù)。

圖5 在450,500,550 ℃條件下退火處理前后的鉑薄膜熱敏電阻器的電阻—溫度曲線

由圖5分析可知,經(jīng)過不同溫度的退火處理后,初始電阻值均明顯增大。與此相反,加熱和冷卻過程時TCR都減小了。退火溫度從450 ℃提高到550 ℃過程中,TCR的變化幅度先減小后增大。說明退火溫度為500 ℃時,雖然初始電阻值變化較大,但是TCR比較穩(wěn)定。

通過觀察在450,500,550 ℃條件下退火處理前后的鉑薄膜溫度探測器電學(xué)性能的變化,整理分析得到如表2所示的電學(xué)性能指標(biāo)。其中,R2是趨勢線擬合程度的指標(biāo),它的數(shù)值大小可以反映趨勢線的估計值與對應(yīng)的實際數(shù)據(jù)之間的擬合程度,擬合程度越高,趨勢線的可靠性就越高。當(dāng)趨勢線的R2越接近1時,其可靠性越高。這里可以用擬合程度指標(biāo)R2表示鉑薄膜溫度探測器的線性度，即擬合趨勢線線的斜率ΔT/ΔR表示靈敏度，γH表示遲滯。

表2 不同退火溫度對鉑薄膜熱敏電阻器電學(xué)性能的影響

根據(jù)馬蒂森定律,金屬的電阻率一般可以看作由兩部分組成的。一種是由于雜質(zhì)和缺陷,另一種是由于熱誘導(dǎo)晶格振動。則總電阻率等于單個電阻率的和

ρ=ρo+ρl

(2)

式中ρo為材料微觀結(jié)構(gòu)中缺陷部位的電離雜質(zhì)散射引起的電阻率,如空位、間隙、位錯、雜質(zhì)原子,稱為剩余電阻率。如果它們濃度較低時,溫度對ρo的影響很小。ρl為晶格振動或聲子對電子散射引起的電阻率,稱為本征電阻率,依賴于溫度。ρl的大小是取決于金屬的溫度,當(dāng)金屬薄膜溫度升高,熱運動會導(dǎo)致載流子電子與振動的晶格原子之間的相互作用增強,晶格散射的概率就會升高,從而使得遷移率減小,金屬電阻率就會增大。

由表2整體上看,不同退火溫度處理后鉑薄膜溫度探測器的線性度R2和靈敏度ΔT/ΔR都增大,同時,遲滯γH變小。這說明不同退火溫度對鉑薄膜溫度探測器的電學(xué)性能都有一定影響。為了更加直觀的描述,經(jīng)過不同溫度的退火處理后鉑薄膜溫度探測器的電學(xué)性能指標(biāo)影響程度,完成了如圖6所示的分析。從圖6中可以看出,在退火溫度從450 ℃升高到550 ℃過程中,溫度對線性度R2的影響程度越小。溫度對靈敏度ΔT/ΔR的影響程度先增大后減小,而溫度對遲滯γH的影響程度先減小后增大。這說明,相比450 ℃和550 ℃,在500 ℃下對鉑薄膜溫度探測器進(jìn)行退火,更加有助于提高傳感器的靈敏度,減小加熱和冷卻過程中電阻—溫度特性曲線不重合的程度。

圖6 電學(xué)性能指標(biāo)影響程度

3 結(jié) 論

通過調(diào)整光刻技術(shù),在金屬探針基底上開發(fā)了一種成熟可靠的鉑薄膜溫度探測器制造工藝,并對其進(jìn)行不同溫度的退火。結(jié)果表明,在金屬探針表面制備2 μm的SiO2薄膜,既可以消除探針表面對鉑薄膜形貌的影響以達(dá)到絕緣的效果,也可以避免SiO2薄膜內(nèi)部應(yīng)力堆積導(dǎo)致薄膜開裂影響其粘附性。SEM和EDS分析表明,在450 ℃進(jìn)行退火,鉑晶粒已經(jīng)發(fā)生重結(jié)晶,并在500 ℃退火時形成高穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu),這可能與鈦沿著晶界的擴(kuò)散及其氧化物有關(guān)。但是,由于晶格散射受溫度影響較大,導(dǎo)致不同溫度退火后初始電阻值明顯增大。而在不同溫度處理后,鉑電阻溫度系數(shù)均減小,這是因為初始電阻值變化量太大。相較于其他溫度,在500 ℃退火后,鉑薄膜溫度探測器初始電阻值和靈敏度提高幅度最大,遲滯變化幅度最小。溫度越高,鉑薄膜溫度探測器的線性度越低。

綜上所述,研究基材和退火溫度對于在屈曲金屬結(jié)構(gòu)表面制造出穩(wěn)定性高、響應(yīng)速度快的金屬薄膜傳感器十分重要。