MEMS應(yīng)變傳感器憑借微型化、高靈敏度、易集成等優(yōu)勢(shì)，已成為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、智能裝備控制等領(lǐng)域的核心感知器件。鎳鉻合金（NiCr）薄膜作為典型的功能性金屬薄膜，具備電阻率低、溫度系數(shù)可控、附著性與耐腐蝕性優(yōu)異等特點(diǎn)，常用作于MEMS應(yīng)變傳感器的敏感層材料。作為應(yīng)變敏感層，NiCr的表面平整度、厚度均勻性及電阻率等性能會(huì)直接影響應(yīng)變傳感器的精度與可靠性。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，針對(duì)上述問(wèn)題，蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)采用直流磁控濺射技術(shù)在硅基底上制備NiCr薄膜，系統(tǒng)研究了濺射功率、氬氣流量、基底溫度三項(xiàng)關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)薄膜粗糙度、膜厚及電阻率的影響規(guī)律，為后續(xù)優(yōu)化NiCr薄膜應(yīng)變敏感層的制備工藝提供了參考。相關(guān)研究成果以“面向MEMS應(yīng)變傳感器的NiCr薄膜制備工藝研究”為題發(fā)表在《精密成形工程》期刊上。
在這項(xiàng)工作中，研究人員選用純度≥99.99%的3英寸NiCr靶材，采用直流濺射的方式在硅片基底上沉積薄膜，濺射室本底真空度為5 × 10?? Pa，氬氣工作氣壓為1.2 Pa，自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為5 r/min，偏壓為20 V，采用離子源（工作氣壓0.8 Pa，電流2 A）對(duì)硅基樣品清洗5 min，基片自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為5 r/min，濺射時(shí)間為30 min。研究人員利用原子力顯微鏡和微電阻計(jì)測(cè)量了薄膜的厚度、粗糙度和電阻率。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，在濺射功率由40 W增加到200 W過(guò)程中，薄膜平均粗糙度增加了7.99 nm，平均膜厚增加了258.92 nm，電阻率減小了7 × 10?1? Ω·m。在氬氣流量由20 mL/min增加到60 mL/min過(guò)程中，平均粗糙度減小了1.7 nm，平均膜厚增加了76 nm，電阻率減小了2 × 10?1? Ω·m。在基底溫度由25℃增加到200 ℃過(guò)程中，平均粗糙度減小了5.09 nm，平均膜厚增加了7.71 nm，電阻率減小了5 × 10?1? Ω·m。通過(guò)綜合考慮沉積速率、表面粗糙度及電阻率，發(fā)現(xiàn)當(dāng)濺射功率為80 W、氬氣流量為30 mL/min、基底溫度為200℃時(shí)，可兼顧薄膜質(zhì)量與電學(xué)性能。
圖1 80 W濺射功率NiCr薄膜的形貌圖
圖2 不同濺射功率下薄膜的平均粗糙度、平均膜厚和電阻率
圖3 氬氣流量40 mL/min下NiCr薄膜的形貌圖
圖4 不同氬氣流量下薄膜的平均粗糙度、平均膜厚和電阻率
圖5 基底溫度25℃下NiCr薄膜的形貌圖
圖6 不同基底溫度下薄膜的平均粗糙度、平均膜厚和電阻率
這項(xiàng)研究表明，濺射功率、氬氣流量與基底溫度對(duì)NiCr薄膜質(zhì)量具有顯著影響。功率升高顯著提高了沉積速率并降低了電阻率，但會(huì)引起表面粗糙度增加；隨著氬氣流量增加，薄膜厚度也有所增加，粗糙度和電阻率均略有降低；基底溫度升高顯著降低了粗糙度和電阻率，而對(duì)膜厚的影響不大。通過(guò)調(diào)整三種工藝參數(shù)，可制備出表面平整、電阻率低的NiCr薄膜。這項(xiàng)研究為后續(xù)優(yōu)化提升MEMS應(yīng)變傳感器性能提供了參考依據(jù)。
論文信息：
DOI: 10.3969/j.issn.1674-6457.2025.11.013
