NiCr薄膜微加熱器在低溫環(huán)境下的電學特性研究*

吳婷婷, 劉景全, 江水東, 徐 斌, 郭 杰, 楊 斌

(上海交通大學 微納科學技術研究院，微米/納米加工技術國家重點實驗室 薄膜與微細技術教育部重點實驗室,上海 200240)

0 引 言

隨著電子器件的微型化，越來越多的研究致力于使用薄膜材料代替塊狀材料和線型材料[1～13]。NiCr合金是微電子器件中廣泛研究的薄膜材料之一，它具有優(yōu)越的長期熱穩(wěn)定性、較大的電阻率以及較低電阻溫度系數(TCR)，常被用于制備薄膜電阻器、π型衰減器等器件[1～4]。一些研究指出沉積條件和沉積后的熱處理條件對NiCr薄膜結晶度和TCR有較大影響[1～9]。薄膜在真空中退火會導致晶粒生長從而有助于得到正向的TCR，而在空氣中退火由于Cr的氧化從而對TCR產生負向的影響[3],Cr的含量也會對NiCr合金的性能產生重要影響。隨著Cr含量的增加，NiCr合金的電阻增大而TCR減小[5],當Cr含量增加到40 %以上時，薄膜結構會由晶態(tài)變?yōu)榉蔷B(tài)[1,5],這可以通過XRD圖中的結晶峰來解釋[1]。Dirk Nachrodt等人研究發(fā)現，當Cr原子比為50 %時，沉積的NiCr薄膜呈現出略偏負值的TCR[2]。經過真空和氮氣環(huán)境下不同溫度的退火后，所有薄膜的TCR均增加了，而且得到了正的TCR[2]，因此，零值TCR是有可能得到的。由于Cr容易被氧化，低Cr含量的合金更適合用于制作器件。 Iida A和Nakamura S發(fā)現在NiCr合金薄膜底層增加一層較薄的Ti層，能夠影響NiCr薄膜的晶體結構[7]。Nachrodt D等人通過加入5 nm的Ti底層和優(yōu)化退火條件，制備出TCR小于10×10-6/K的NiCr薄膜電阻器[2]。目前大部分文獻研究主要關注NiCr合金薄膜在環(huán)境溫度下的電學性能。

本文主要研究深低溫條件下較小TCR值的微型加熱器。在外加電流不變的條件下，較小TCR能夠實現加熱器穩(wěn)定功率輸出。

1 結構設計與基本加工工藝

1.1 結構設計

本文設計加熱器基本尺寸為1.24 mm×2 mm×0.5 mm。加熱單元長度L=15.45 mm，寬度W=50 m，薄膜方塊電阻Rs約為4.5 Ω/□。根據電阻計算公式R=Rs·L/W，計算出加熱器常溫條件下的電阻值為1 390.5 Ω。加熱器的結構如圖1所示，加熱器采用對稱的折線型結構，這種設計可以有效減小加熱器線圈的磁阻。加熱單元均勻地分布在整個硅片上，實現溫度場的均勻分布。本文模擬了當外界溫度為15 K，加熱器功率為0.027 7 W時加熱器的溫度場分布，其底面溫度場分布如圖2所示，底面最大溫度偏差為ΔT=0.02 K。這種設計圖形較好地實現了溫度場的均勻分布，實現被加熱物體均勻加熱。

圖1 加熱器設計圖

圖2 加熱器溫度場分析仿真圖

1.2 基本加工工藝

使用SPF210H AC磁控濺射機，4 in(1 in=2.54 cm)純度為99.995 %的NiCr(Ni/Cr at.80/20)合金靶材實現了NiCr薄膜的制備。Si材料在低溫條件下具有較大的熱傳導系數，被選擇為加熱器的基體材料。經過前期的反復實驗，最終確定了獲得良好致密性和一致性薄膜的最佳濺射條件。濺射過程中腔室的本底真空度為4×10-4Pa,Ar流速為4 cm3/min，工作壓強為0.21 Pa，濺射功率為100 W，濺射時間為5 min，實現200 nm的NiCr薄膜的制備。濺射完成后，采用圖3所示MEMS技術實現加熱器的制備。首先，使用離子銑工藝將設計圖形轉移到NiCr薄膜上。在NiCr薄膜上旋涂一層5 μm的AZ 4620光刻膠，通過紫外光接觸式曝光40 s后顯影，并進行等離子體刻蝕。離子銑完成后，使用丙酮溶液浸泡，去除NiCr薄膜表面的光刻膠。使用乙醇和去離子水進一步的清洗圖形化后的NiCr薄膜，之后使用氮氣槍吹干。接著，在NiCr薄膜兩端制備電極。最后，將制作好的加熱器薄膜進行切割，將整個Si襯底切割成加熱器元件，如圖4所示。

圖3 加熱器微加工工藝流程圖

圖4 加熱器實物圖

1.3 退火處理

使用RTP 500(快速退火處理器)對制備的加熱器在不同條件下進行退火處理。首先將加熱器分為兩組，在氮氣氣體條件下分別以250 ℃和450 ℃退火9 min。本文采用物理特性測量系統(tǒng)(PPMS)測量了樣品電阻值在10～300 K范圍內的變化關系，并將2組退火后的加熱器的電學性能和未退火的加熱器進行比較,經測試確定最佳退火溫度為450 ℃。接下來，以退火時間為變量，選取4組退火條件：450 ℃，氮氣環(huán)境下各退火3,9,15,30 min。

2 實驗結果分析與討論

2.1 加熱器電學特性與退火溫度的關系

根據加熱器的電阻溫度曲線計算了不同溫度條件下的TCR值。TCR(10-6/K)=(Rt-R300)/R300/(t-300)×106，其中，Rt是在溫度t下加熱器的電阻值，R300是在300 K下加熱器的電阻值。計算結果如圖4(a)所示，在10～300 K之間，250 ℃,氮氣下退火的加熱器和未退火的加熱器TCR值比較穩(wěn)定，450 ℃,氮氣下退火的加熱器TCR隨溫度升高產生一定波動，其中250 ℃,氮氣下退火的加熱器的TCR最大。在10～50 K之間，3個樣品的TCR性能都比較穩(wěn)定，TCR值比較結果如下：TCR250°> TCR未退火>TCR>450。由于本文關注于NiCr薄膜加熱器在深低溫環(huán)境下的工作性能，因此，初步選定450 ℃為最優(yōu)退火溫度。

2.2 加熱器電學特性與退火時間的關系

為了獲得加熱器較小TCR的最優(yōu)退火時間。氮氣環(huán)境，退火時間為3,9,15,30 min，分別進行450 ℃退火。對退火樣品進行電阻溫度相關性測試，并計算TCR值。計算結果如圖5(b) 所示。由圖中可以看出:在10～300 K之間，氮氣下450 ℃退火的加熱器的阻值隨溫度變化改變不大，但是TCR不是特別穩(wěn)定，其中，氮氣下450 ℃退火9 min加熱器TCR波動最大。在10～40 K之間， 9 min退火后的加熱器具有最小的TCR 79.97×10-6/K，但是其在10～300 K間的TCR變化較大，而30 min退火后的加熱器TCR值和 9 min退火的TCR 80.80 ×10-6/K相近，并且在10～300 K間具有較穩(wěn)定的TCR。退火3 min和退火15 min的加熱器的TCR波動都不大，但具有相對較大的TCR值。因此,選擇450°/氮氣/ 30 min作為加熱器的最佳退火條件。

圖5 不同退火溫度下的薄膜加熱器的TCR，氮氣下退火的加熱器的TCR 隨退火時間的改變

2.3 加熱單元薄膜的結構和組成

圖6給出了NiCr薄膜在450 ℃,氮氣環(huán)境下退火 30 min和未退火薄膜的XRD檢測結果。未退火薄膜XRD檢測結果顯示，在2θ= 32.92°和44.3°附近存在衍射峰。退火后樣品的XRD檢測數據顯示2θ= 29.18°和 44.46°附近存在衍射峰。依照PDF—2數據，2θ= 32.92°和2θ= 29.18°的衍射峰分別是由Si基底和固定樣品使用的粘附膠產生的。根據Nguyen M P等人的研究[1]，2θ= 44.3°處的衍射峰和NiCr(111)晶體吻合。與未退火相比較， 450 ℃/氮氣/30 min熱處理后，2θ= 44.3°處的衍射峰大大增強，并且偏移到了2θ= 44.46°處，說明熱處理對晶相有很大影響，NiCr(111)進一步生長，薄膜結晶度得到了很大的提高。同時衍射峰的附近出現的弱峰可能和Cr2O3的形成有關[1]，從而導致了前文所述的TCR的減小。

3 結 論

本文研究了基于NiCr(80/20 at.%)合金的薄膜型低溫加熱器。為使得低溫條件下加熱器具有較小的TCR，使用了多種退火條件對薄膜進行熱處理。450 ℃/氮氣/30 min退火后加熱器具有較低的TCR，且在20 K時為80.80×10-6/K。 XRD結果表明：在退火前，NiCr薄膜里可能存在NiCr(111)晶體，而在450 ℃，氮氣中退火后結晶度加強。退火后薄膜TCR的變化可能與Cr2O3的形成有一定關系。在此后的研究中，將使用X射線光電子能譜(XPS)和俄歇電子能譜(AES)進一步檢測退火前后薄膜的組成成分和晶體結構，探究薄膜TCR隨退火條件變化而變化的機制。從而進一步優(yōu)化退火條件以得到TCR趨近于零的NiCr合金薄膜加熱器。

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