Zr-Co-Ce吸气剂薄膜的制备与性能研究

作     者：吴华亭 

作者单位：北京有色金属研究总院 

学位级别：硕士

导师姓名：崔建东

授予年度：2018年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：薄膜吸气剂 磁控溅射 吸气性能 紫外光刻 

摘      要：随着MEMS器件微型化和集成化的发展趋势,维持微真空器件内部的真空品质已经成为目前业界普遍关注的技术问题。薄膜吸气材料可以实现微真空环境的长效无源维持,其在真空封装中有效集成是当前高端微器件系统封装的最新发展方向。薄膜吸气材料的应用可以有效提高微器件的可靠性和使用寿命。Zr-Co-RE吸气剂薄膜是现今用于微系统真空封装最有潜力的吸气薄膜材料之一,本论文在课题组前期工作的基础上,采用磁控溅射法在Si衬底上沉积了 Zr-Co-Ce吸气剂薄膜,研究了影响薄膜结构和性能的关键工艺参数,从膜层结构优化设计的角度探索了优化薄膜吸气性能的有效途径,发展了基于紫外光刻工艺的图型化沉积薄膜的方法。采用SEM、AFM、XPS等手段对Zr-Co-Ce薄膜的微观结构和形貌进行了表征和分析,采用动态流导法对薄膜的吸气性能进行了测试。研究工作的主要内容如下:(1)通过调控磁控溅射法制备Zr-Co-Ce吸气薄膜的工艺参数,如:溅射气压、溅射功率、背底真空度以及靶基距等,在背底真空达到2×10-4Pa,溅射气压为4Pa,溅射功率为120 W,靶基距为75 mm的条件下,制备得到均匀且连续的多孔柱状结构薄膜,组织之间分布着大量界面与间隙,粒边界一致性好,薄膜表面呈现明显菜花状形貌。制备的薄膜也表现出相对较佳的吸气性能,初始吸气速率为71.3 cm3·s-1·cm-2,2 h吸气总量达到116.9 ***-2。(2)预沉积于衬底表面的致密阻挡层,可以有效降低衬底放气对吸气薄膜的毒化效应,同时也有利于调节吸气薄膜的微观结构,获得更佳的吸气性能。沉积于薄膜表面的Pd、Pt、Au保护层可以有效避免主体层的开放式表面长期暴露大气而造成的氧化。含Pd保护层的Zr-Co-Ce薄膜表面的Zr和Co主要以活泼金属态的形式存在,同时由于Pd对H的选择透过特性,有利于H在薄膜表面的吸附和解离扩散,从而使薄膜的吸气性能得到明显改善。(3)基于紫外光刻的方法实现了 Zr-Co-Ce吸气剂薄膜的图型化沉积,但沉积薄膜的过程中用到的有机溶剂会在薄膜表面造成有机物残留,影响活性气体在薄膜表面的吸附,使得薄膜吸气性能大幅下降。采用Ar+等离子体轰击处理可达到吸气薄膜表面清洗的效果,薄膜吸气性能得到明显恢复。