薄膜镀膜技术的发展推动薄膜压力传感器性能提高

从二十世纪五十年代到八十年代，真空蒸发镀膜技术发展了近三十年，该项技术用于薄膜压力传感器的制造一直受到薄膜质量的限制而得不到发展。1980年初，由瑞典和瑞士的材料公司NAF机构承担了用新型压力传感器取代老式机械压力传感器的发展计划。他们开始采用真空蒸发镀膜技术，得出结论是：高电阻薄膜用真空蒸发镀Ni-Cr膜是不行的。理由是传感器的薄膜电阻要达到5KΩ的同时要求膜很薄，而很薄的膜的不连续性导致传感器的稳定性、重复性都很差。

1980年代至1990年代期间，薄膜压力传感器的技术性能随着磁控溅射镀膜技术的发展，而不断提高，但是由于工艺技术的复杂性，这种技术制造薄膜压力传感器仅少数公司掌握而且成品率不高约30%。同期，国内有少数单位采用磁控溅射镀膜技术制造薄膜压力传感器，由于技术原因目前已基本停滞。

物理气相淀积方法（简称PVD方法）包括真空蒸发、磁控溅射、离子束溅射等，这些都是薄膜淀积技术，其薄膜质量差异很大，原因是薄膜形成强烈依赖于各种工艺条件。在PVD法中，薄膜形成过程是：初始碰撞到基片上的材料的气相粒子，被单个的吸附在基片的表面上，形成吸附相，它们互相结合形成原子团，继续长大后，凝结成晶核，晶核继续长大聚合成小岛，继续长大时，许多小岛之间形成网状的沟道连接，形成了不连续的薄膜。当薄膜平均厚度达到一定值时，不连续的薄膜形成了性能稳定的连续薄膜。目前薄膜压力传感器都是应用的连续的薄膜。因为它们经热处理后逐渐趋向稳定。显然，初始形成的晶核尺寸大小、致密程度、附着力大小和杂质污染等是决定薄膜质量的重要因素。这些因素的影响使制成的薄膜主要缺陷是位错。它是由膜中应力产生而形成；也由于晶核形成小岛的聚合、准边界构成，膜与衬底热膨胀系数不同而引起等等。其它的缺陷是空位、空洞、空隙、晶粒边界。填充缺陷以及表面粗糙度杂质染污等。物理气相淀积成膜方式中，这些缺陷都存在，只是不同方法表现的缺陷轻重程度不同而已。

真空蒸发气相过程发生很快，淀积速率也快，初始形成的气相粒子也大，薄膜的缺陷的特征是大量的空位，其次是比较多的空洞，位错，杂质污染等，它们导致膜表面粗糙和膨松，附着力差。因此，用于介质的膜的厚度限于1000 nm，厚了易龟裂。绝缘膜承受击穿压低，形成连续薄膜的平均厚度大约500 nm左右。这样做出薄膜电阻的桥阻只能为几百欧姆左右，不能做到高阻值。特别是，这些缺陷造成薄膜内应力，热应力大，导致零点飘移大。应变电阻的合金成分变化大，桥路电阻不稳定，又不重复，应变系数也较难控制等。

直流和高频溅射淀积的薄膜，由于气相过程相对慢，合金膜的组分比也易控制，薄膜晶核较小，比较致密，附着力也高。薄膜缺陷也大大减少。这些使介质膜的绝缘性能也大大提高，桥臂电阻的稳定性也提高，工作温度范围也变宽。但是，由于薄膜是在高温300℃以上的等离子体区内形成的。所以等离子区内的恶劣环境，使膜的质量进一步提高受到限制。主要缺陷是来自等离子位区内杂质的污染，固体杂质的污染改变了应变电阻膜的性能。介质膜降低了绝缘性能，特别是局部高压强的气体Ar引起薄膜的吸附，薄膜中吸附大量的气体在薄膜生长过程中逐步扩散而逸出，形成很多的空隙。由于杂质污染和空隙的产生，薄膜针孔的增多，导致绝缘性能降低。企图增加薄膜厚度提高绝缘强度，也受到高于2000nm厚膜易龟裂的限制。绝缘性能一般为100MΩ/50V。电阻膜达到连续膜特征的平均膜厚，上世纪80年代大约为250 nm ,90年代末期已经达到100 nm 。所以桥臂电阻可以达到2KΩ左右，但是电阻薄膜存在的那些缺陷特别是杂质的污染，它的热稳定性差，在高温时，零点输出的漂移大。一般只能控制在万分之几。而现代的要求要达到十万分之几，甚至百万分之几。据报道，国外公司生产的成品率大约30%，失效原因主要是绝缘性能差，这也许是直流和高频溅射淀积工艺技术的极限。

离子束溅射薄膜技术和磁控溅射薄膜技术大致同期发展，但是直到美国卡夫曼等人发明了产生低能离子束的离子源，才使离子束溅射技术得到实际应用。利用这个低量能离子束轰击固体表面，产生动能的转换，使靶材表面原子逸出来，称为离子束溅射，通常离子束能量大约是1Kev-2Kev。成膜机理仍属PVD原理，只是淀积速度较慢，由于成膜的靶和基片处在非等离子区的高真空、低温环境，所以薄膜杂质和气体吸附污染少，薄膜的质量较高，主要特点是较致密，附着力好。所以介质薄膜可以淀积较厚4000 nm 以上，其绝缘性能大幅度提高。一般100VDC时达到500MΩ以上，甚至达到1000MΩ。不仅耐压比磁控溅射薄膜提高一倍，而且绝缘电阻提高5至10倍。作为应变电阻的Ni-Cr薄膜的平均厚度一般在100 nm 至150 nm 。桥臂电阻可以做到4KΩ左右。离子束溅射的薄膜缺陷，主要表现在PVD原理中薄膜所存在的那些固有缺陷。因此，它的性能差异，主要表现在高温时传感器的热稳定性能差，即热零点漂移较大，大约控制在±0.2%F·S范围。要进一步降低零点漂移，需要对应变材料进行改性。目前泽天传感已做到热零点漂移小至0.0002%FS/℃，这是目前世界上领先的。

从真空蒸发到磁控溅射、离子束溅射等薄膜技术的发展，近代的薄膜压力传感器已发展到相当高的水平。在磁控溅射和离子束溅射中，从靶上逸出的原子数都是几个到几十个原子层的逸出。淀积速率还是相对较快，而且淀积原子先气化后凝结，这个过程是很复杂的。甚低能加速器的问世，使得逐原子层的淀积机理成为现实。本文源自泽天传感，转载请保留出处。