НАНОМЕТРОЛОГИЯ
681.586.326:539.2
Наноразмерные пленки Ni—Ti c заданным температурным коэффициентом сопротивления для измерительных преобразователей
В. А. ВАСИЛЬЕВ1, А. В. ХОШЕВ2
1 Пензенский государственный университет, Пенза, Россия 2 Научно-исследовательский институт физических измерений, Пенза, Россия,
e-mail: opto@bk.ru
Представлены результаты исследований процесса получения наноразмерных пленок Ni—Ti методом маг-нетронного распыления из двух источников для создания измерительных преобразователей. Установлена зависимость между температурным коэффициентом сопротивления пленок и отношением плотностей токов магнетронного разряда. Описан технологический процесс формирования пленок c заданным температурным коэффициентом сопротивления.
Ключевые слова: измерительные преобразователи, наноразмерные пленки, магнетронное распыление, температурный коэффициент сопротивления.
The results of study of the process of obtaining nanoscale Ni—Ti films by the method of magnetron sputtering from two sources are presented. The dependence between the temperature coefficient of resistance of nanoscale Ni—Ti films and the ratio of currents densities of magnetron discharge has been established. The process of formation of nanoscale Ni—Ti films with a predetermined temperature coefficient of resistance is described.
Key words: measuring rnnverters, nanoscale films, magnetron sputtering, temperature coefficient of resistance.
В современных измерительных преобразователях различных физических величин (температуры, давления, силы, ускорения и т. п.) широко используют резистивные тонкопленочные элементы (резисторы и тензорезисторы) [1—7]. Для изготовления терморезисторов чаще всего применяют платину Pt и никель N а для тензорезисторов — сплавы на основе никеля и хрома N—Сг.
В преобразователях механических величин, в основном, используют хромоникелевый сплав Х20Н75Ю [1]. Из него методом термического вакуумного испарения получают ре-зистивный слой пленочной гетерогенной структуры на плоской поверхности упругого элемента нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС). Тензорезисторы и контактные проводники в такой слоистой структуре обычно формируют методом фотолитографии. Когда требуется получить тензорезисторы с различными температурными коэффициентами сопротивления (ТКС), используют комбинированные методы. Так, на основе сплава Х20Н75Ю формируют резистивные монослои с положительным и отрицательным ТКС последовательно, методами термического испарения в вакууме и электронно-лучевого испарения [2]. При этом сопротивление двухслойного тонкопленочного резистора находят по формуле
R = RsiRs2N/(Rsi + rS2) = nRsi N/(1 + n),
(1)
где — поверхностные сопротивления (Ом/квадрат)
первого и второго слоев Х20Н75Ю соответственно с отрицательным и положительным ТКС; N — число квадратов рези-стивной пленки; п = Я^/Я^.
Выражение (1) позволяет определить сопротивление двухслойного тонкопленочного резистора (тензорезистора), если известны поверхностные сопротивления двух слоев,
причем без учета ТКС, но не устанавливает связь между технологическими режимами изготовления пленок и их ТКС. Поэтому не всегда удается получить резистивные пленки с заданными параметрами, наблюдается значительный разброс по температурной чувствительности, сформированные тензорезисторы иногда не соответствуют предъявляемым требованиям.
Получение пленок комбинированными методами требует перехода с одного оборудования на другое, что увеличивает производственный цикл. Использование в таком цикле метода термического испарения в вакууме не позволяет точно воспроизводить состав резистивной пленки, так как компоненты сплава Х20Н75Ю имеют разную летучесть при испарении, и формирование слоя происходит в виде более тонких слоев входящих в него Сг, N А1 и т. д. Резисторы (тен-зо- и терморезисторы), полученные в разных вакуумных циклах (в разное время, в разных партиях), могут значительно отличаться по ТКС; обеспечить заданное его значение для измерительных преобразователей достаточно проблематично.
При использовании метода магнетронного распыления поочередное нанесение резистивных пленок осуществляют, не прибегая к термическому вакуумному испарению. Так, при поочередном распылении N и Сг с мишеней получали N—Сг тонкие пленки толщиной 10—70 нм на подложках из ситал-ла [7]. Для двухслойных пленок ТКС рассчитывали по формуле
RCr «Ni (1 + «Cr ) + RNi aCr (1 + «Ni^ RCr ( + «Cr) + RNi(1 + «Ni)
(2)
где R,, R,
■Cr, aNi, aCr
слоев Ni и Cr.
aCr — эквивалентные сопротивления и ТКС
Расчетные значения ТКС, полученные по (2), достаточно хорошо сходились с экспериментальными данными в диапазоне температур -70...+100 °С за исключением случаев, когда в соответствии с режимами нанесения должна получаться пленка островкового типа. Однако формула (2) не устанавливает связь между ТКС пленки и режимами маг-нетронного распыления.
Метод магнетронного распыления при использовании независимых источников позволяет формировать наноразмер-ные резистивные пленки в виде твердых растворов, равномерные по составу, и оперативно изменять технологические режимы [8, 9]. В [7] установлены графические зависимости состава пленок N—Сг от режимов распыления, в частности, от токов двух распылителей, а также зависимость ТКС пленки от состава. По этим зависимостям можно подобрать режимы распыления для получения необходимого ТКС. Однако применение данных пленок в преобразователях механических величин ограничено температурным диапазоном 100—150 °С. Для его расширения перспективны на-норазмерные пленки, содержащие тугоплавкие металлы: Мо, Re, Т, W. Пленки из таких металлов для создания измерительных преобразователей мало изучены.
В данной работе исследовали процесс формирования наноразмерных резистивных пленок N—Т на подложках из ситалла методом магнетронного распыления из двух независимых источников. Показанная на рис. 1 схема установки содержит магнетронные распылители мишеней 1, 2 соответственно из М и Тк Карусель 6 и нагреватель 7 установлены на опорной плите 8 вакуумной камеры. На карусели 6, соединенной с приводом вращения 5, расположены держатели подложек 4 и термопара 3 для измерения температуры.
Мишени 1, 2 имеют одинаковые толщину, радиус и изготовлены из М и Т высокой чистоты. Перед созданием среды рабочего газа камеру вакуумировали. Карусель 6 с диэлектрическими подложками нагревали, создавали давление аргона, а затем ее приводили во вращение. В зонах распыления мишеней задавали различные плотности токов }Т]. Плотности ионных токов на мишенях в сечении, перпендикулярном направлению падения ионов, определяли по формуле } = где I — ток магнетронного разряда; S — площадь
распыляемой поверхности мишени (рис. 2), S= л(г2 - ).
Экспериментально установлено, что резистивные пленки N—Т толщиной около 70 нм получают при нагреве подложек до 200—210 °С, давлении аргона около 0,133 Па (10-3 мм рт. ст.) и определенных значениях у^, }Т]. Скорость распыления материала мишени
V = укМДе^р),
(3)
где кр, Ма, р — коэффициент распыления, атомная масса и плотность материала мишени, соответственно; е — заряд электрона; NA — число Авогадро.
Здесь коэффициент кр характеризует эффективность распыления и определяется как среднее число атомов, удаляемых с поверхности твердого тела одной падающей частицей: кр равен отношению числа удаленных атомов к числу падающих. Согласно теории Зигмунда для аморфных и поликристаллических материалов при низких энергиях ионов
Рис. 1. Установка магнетронного распыления: 1, 2 — магнетронные распылители мишеней соответственно из N1, Т1; 3 — термопара; 4 — держатели подложек; 5 — привод вращения; 6 — карусель; 7 — нагреватель; 8 — опорная плита вакуумной
камеры
до 1 кэВ коэффициент распыления определяется выражением [10]:
МГМа
кР="Г У-,
п2 ((+ма
,2 2Е,
суб
(4)
где Еи — энергия падающих ионов;
"суб
энергия сублимации матери-
Рис. 2. Площадь зоны распыления поверхно-
сти мишени
ала мишени; Мг — атомная масса рабочего газа; у — безразмерный параметр, зависящий от отношения Ма/Мг .
В таблице представлены основные параметры и характеристики N
и Т [11, 12], коэффициенты распыления, рассчитанные по (4) при энергии падающих ионов 450 эВ (такая энергия характерна для магнетронных распылительных систем [12]) и у = 0,3 [10]. Из таблицы следует, что коэффициенты распыления N и Т ионами аргона различны.
Материал Атомный номер Атомная масса, г/моль Энергия сублимации, эВ Плотность, г/см2 Коэффициент распыления кр
№ 28 58,7 4,41 8,9 1,121
Т1 22 47,9 4,34 4,52 1,172
Использовав (3), можно записать отношение скоростей распыления мишеней:
^ / ^т = Умн^м^м Р^/(Уп кртмпРм)- (5)
В соответствии с данными таблицы из (5) находим
У м/Ут = 1,67 v N/^Тг (6)
Как следует из (6), формирование пленок с одинаковым процентным содержанием атомов М и Т возможно при
^ = т. е. при Ум = 1,67Ут|.
Для увеличения количества атомов М в пленке (с целью изменения ее ТКС) необходимо увеличить ^ по отношению к vT и соответственно увеличить ум по отношению кут.
В процессе эксперимента задавали различные отношения плотностей токов в зонах распыления мишеней, получали образцы пленок и измеряли их ТКС, который изменялся в пределах 510-5—10-3 К-1 в диапазоне температур -70...+200 °С. Результаты (рис. 3) эксперимента аппроксимировали полиномом
Ум /Уп = -0,00121010а2 + 0,2544-105а + 0,6717. (7)
По (7), задавая а, можно определять отношение уМ/Уп, после чего устанавливать соответствующие токи и осуществлять управляемый синтез резистивных пленок М—Ti. Так, если требуется получить а = 5 -10-5 К-1, то, подставив его в (7), найдем УМ|//т = 1,91. Выбирем Ут в интервале 1—5 мА/см2, например 5 мА/см2, тогда УМ = 2/т = 10 мА/см2. Аналогично можно определить соотношение У№/УТ], при котором получится другое заданное значение ТКС в указанном интервале. Получаемые таким образом резистивные пленки имеют хорошо воспроизводимые параметры — электрическое сопротивление, ТКС.
Наноразмерные резистивные пленки из М—Т с заданным ТКС могут найти применение для изготовления измерительных преобразователей (в частности, тензо- и терморезис
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.