磁控溅射与离子溅射在溅射压力传感器制造中的优劣

射频磁控溅射

射频磁控溅射是一种溅射镀膜法，它对阴极溅射中电子使基片温度上升过快的缺点加以改良，在被溅射的靶极（阳极）与阴极之间加一个正交磁场和电场，电场和磁场方向相互垂直。当镀膜室真空抽到设定值时，充入适量的氩气，在阴极(柱状靶或平面靶)和阳极(镀膜室壁)之间施加几百伏电压，便在镀膜室内产生磁控型异常辉光放电，氩气被电离。在正交的电磁场的作用下，电子以摆线的方式沿着靶表面前进，电子的运动被限制在一定空间内，增加了同工作气体分子的碰撞几率，提高了电子的电离效率。电子经过多次碰撞后，丧失了能量成为 “最终电子”进入弱电场区，最后到达阳极时已经是低能电子，不再会使基片过热。同时高密度等离子体被束缚在靶面附近，又不与基片接触，将靶材表面原子溅射出来沉积在工件表面上形成薄膜。而基片又可免受等离子体的轰击，因而基片温度又可降低。更换不同材质的靶和控制不同的溅射时间，便可以获得不同材质和不同厚度的薄膜。

射频溅射的质量受到预抽真空度、溅射时的氩气压强、溅射功率、溅射时间、衬底温度等因素的影响，要想得到理想的溅射膜，必须优化这些影响因素。纳米薄膜的获得主要通过两种途径：(1)在非晶薄膜晶的过程中控制纳米结构的形成；(2)在薄膜的成核生长过程中控制纳米结构的形成，其中薄膜沉积条件的控制极为重要。在溅射过程中，采用高的溅射气压、低的溅射易于得到纳米结构的薄膜。

离子束溅射

以单离子束溅射为例，它由离子源、离子引出极和沉积室三大部分组成，在高真空或超高真空中溅射镀膜法。利用直流电场使惰性气体（通常为氩）发生电离，产生辉光放电等离子体，电离产生的正离子和电子高速轰击靶材，使靶材上的原子或分子溅射出来，然后沉积到基板上形成薄膜。在其离子源内由惰性气体产生的离子具有较高能量（通常为几百至几千eV），可以通过一套电气系统来控制离子束的性能，从而改变离子轰击靶材料产生不同的溅射效应，使靶材料沉积到基片上形成纳米材料。溅射法中的靶材无相变，化合物的成分不易发生变化；又由于溅射沉积到基片上的粒子能量比蒸发沉积高出几十倍，所形成的纳米材料附着力高。

离子束溅射沉积法除可以精确地控制离子束的能量、密度和入射角度来调整纳米薄膜的微观形成过程，溅射过程中的基片温度较低外还有以下优点：①可制备多种纳米金属，包括高熔点和低熔点金属，而常规的热蒸发只能适用于低熔点金属；② 能制备多组元的化合物纳米微粒，如Al52Ti48，Cu91Mn9及ZrO2等；③通过加大被溅射的阴极表面可提高纳米微粒的获得量。

溅射压力传感器制造工艺中两种溅射法的对比分析

在高频溅射中，被溅射材料以分子尺寸大小的粒子带有一定能量连续不断的穿过等离子体在基片上淀积薄膜，这样，膜质比热蒸发淀积薄膜致密、附着力好。但是溅射粒子穿过等离子体区时，吸附等离子体中的气体，淀积的薄膜受到等离子体内杂质污染和高温不稳定的热动态的影响，使薄膜产生更多的缺陷，降低了绝缘膜的强度，成品率低。此外，高频溅射靶，既是产生等离子体的工作参数的一部分，又是产生溅射粒子的工艺参数的一部分，因此设备的工作参数和工艺参数互相制约，不能单独各自调整，工艺掌握困难，操作复杂。

美国NASA中心的报告中评论了高频溅射技术提高薄膜粘附性，同时也指出了薄膜生长环境是在等离子区的恶劣环境中，薄膜缺陷的增加成为制备高频绝缘性能薄膜和提高成品率的一个主要问题。

对于离子束溅射技术和设备而言，离子束是从离子源等离子体中，通过离子光学系统引出离子形成的，离子靶和基中置放在远离等离子体的高真空环境内，离子束轰击靶、靶材原子溅射出来，并在衬底基片上淀积成膜，没有等离子体恶劣环境影响，彻底克服了高频溅射技术和设备制备薄膜的缺陷。值得提出的是，离子束溅射被普遍认为溅射出来的是一个和几个原子，原子尺寸比分子尺寸小得多，可以形成分布更密，晶核更小的生长薄膜，进一步减少薄膜内的空洞，针孔缺陷，提高附着力和增强薄膜的弹性。离子束溅射设备还有两个功能是高频溅射设备所不具有的，第一，在薄膜淀积之前，可以用辅助离子源产生的Ar+离子束对基片原位清洗，使基片达到原子级的清洁度，有利于薄膜层间的原子结合；利用这个离子束对正在淀积薄膜进行轰击，使薄膜内的原子迁移率增加，晶核规则化；当用氧离子或氮离子轰击正在生长的薄膜，它比用气体分子更有效地形成化学计量比的氧化物，氮化物。第二，形成等离子体的工作参数和薄膜加工的工艺参数可以彼此独立调整，不仅可以获得设备工作状态的最佳调整和最佳工艺的质量控制，而且设备操作简单化，工艺容易掌握。

在薄膜的生长过程中，基片的温度对沉积原子在基片上的附着以及在其上移动等都有很大影响，是决定薄膜结构的重要条件。一般来说，基片温度越高，则吸附原子的动能也越大，跨越表面势垒的几率增多，则需要形成核的临界尺寸增大，越易引起薄膜内部的凝聚，每个小岛的形状就越接近球形，容易结晶化，高温沉积的薄膜易形成粗大的岛状组织。而在低温时，形成核的数目增加，这将有利于形成晶粒小而连续的薄膜组织，而且还增强了薄膜的附着力，所以寻求实现薄膜的低温沉积一直是研究的方向，而离子束溅射技术在这方面有着显著优点。

离子束溅射技术和设备的这些优点，成为生产高性能薄膜传感器如薄膜压力传感器的主导技术。使用离子束溅射技术制造高性能薄膜传感器，是在不锈钢弹性体溅射多层纳米功能薄膜，包括绝缘膜、过度膜、敏感膜、引线膜等。由于采用了先进的离子束溅射工艺及微机械加工技术，彻底消除了传统的金属箔式应变计粘贴工艺带来的蠕变、迟滞、老化缺陷的影响，具有长期稳定性高，工作温度范围宽，工作稳定性等优点；不锈钢类的弹性膜片材料，介质兼容性好，无隔离膜片，不用灌油充液。一体化的金属全密封结构，具优良的抗环境震动、耐压力冲击等优良性能。泽天传感整理，转载请保留出处。