雙離子束濺射Al2O3薄膜高溫絕緣特性的研究

張叢春 ,黃漫國(guó) ,梁曉波 ,閆 博

(1.上海交通大學(xué)微納電子學(xué)系,上海 200240;2.北京長(zhǎng)城航空測(cè)控技術(shù)研究所先進(jìn)傳感器技術(shù)中心,北京 100022;3.狀態(tài)監(jiān)測(cè)特種傳感技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100022)

現(xiàn)代航空工業(yè)發(fā)展迅速,航空飛機(jī)的性能不斷提高,推動(dòng)著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化與改良。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提高,對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)量也提出了更高的要求,尤其是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展是以高溫為主要特征的,因此在高溫狀態(tài)下監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的狀態(tài)對(duì)于保證安全性和可靠性至關(guān)重要。渦輪葉片作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分,在運(yùn)行過程中通常伴隨著高壓、高溫、高熱流密度、強(qiáng)氣流的惡劣環(huán)境,是容易發(fā)生故障的組件之一[1-3]。渦輪葉片作為熱端部件的代表,其溫度水平和溫度梯度直接決定了熱端部件的安全性和使用壽命,而溫度水平和溫度梯度則取決于高溫部件的冷卻設(shè)計(jì)和發(fā)動(dòng)機(jī)熱分析系統(tǒng)的精度,這就離不開熱端部件表面溫度的準(zhǔn)確獲取,而這也恰是當(dāng)今熱工測(cè)量技術(shù)中的一大難題。對(duì)渦輪葉片進(jìn)行實(shí)時(shí)的健康狀態(tài)監(jiān)測(cè),能夠有效探知損傷部位,避免不必要的損傷,同時(shí)也能夠?yàn)楦邷夭考母倪M(jìn)優(yōu)化提供指導(dǎo)方案,是十分重要的技術(shù)手段。薄膜傳感器可以微米尺寸集成到渦輪葉片上,能夠使傳感器對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的干擾降到最小,是監(jiān)測(cè)渦輪葉片運(yùn)行狀態(tài)的優(yōu)異選擇[4-9]?？紤]到航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的主要材料是具有導(dǎo)電能力的鎳基超合金,薄膜傳感器和葉片之間需要間隔一層高溫絕緣層,才能保證薄膜傳感器的正常運(yùn)轉(zhuǎn),因此高溫絕緣薄膜的研究就顯得十分重要。

Al2O3薄膜在高溫下的絕緣性能表現(xiàn)優(yōu)異,是高溫絕緣層最佳材料之一。有關(guān)Al2O3薄膜在高溫絕緣薄膜上的應(yīng)用,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作。美國(guó)NASA 的Martin 等[10]通過電子束沉積法在高溫合金基底上制備MCrAlY 合金層,經(jīng)過熱處理形成Al2O3絕緣膜,再沉積一層Al2O3得到絕緣性能良好的復(fù)合高溫絕緣薄膜。Nakai 等[11]通過離子束等離子體輔助化學(xué)氣相沉積法在鎳基合金基底上制備了Al2O3絕緣薄膜,并研究了氧化鋁絕緣薄膜的絕緣性能隨離子束入射角的變化。陳寅之等[12]采用直流磁控濺射法在鎳基合金上沉積NiCrAlY 薄膜,經(jīng)過1000 ℃真空析鋁后,磁控濺射50 nm Al 薄膜,最后在1000 ℃下進(jìn)行氧化,形成致密Al2O3絕緣薄膜,并研究了其高溫穩(wěn)定性。楊曉東等[13]采用射頻磁控濺射沉積了非晶體的YSZ,再利用電子束蒸發(fā)法沉積Al2O3絕緣薄膜,得到具有良好絕緣性和高溫穩(wěn)定性的YSZ/Al2O3復(fù)合絕緣薄膜。

Al2O3薄膜在高溫絕緣層中的優(yōu)秀性能已經(jīng)得到證實(shí),但是在其制備方法上還有進(jìn)一步的研究和改善空間。目前,雙離子束濺射沉積(DIBSD)在薄膜制備中的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟,但其在Al2O3高溫絕緣層制備上的相關(guān)研究較少,具有深入研究的價(jià)值。相對(duì)于傳統(tǒng)的沉積方法,如磁控濺射[14]、電子束蒸鍍[15],DIBSD 方法沉積的薄膜和基板間擁有優(yōu)異的粘結(jié)力,這是由于粒子沖擊的作用,基板和薄膜間形成了原子混合區(qū)域[16]。另外,DIBSD 方法沉積的薄膜是無定形態(tài),相比反應(yīng)濺射形成的晶態(tài)薄膜來說更加穩(wěn)定,并且擁有更佳的絕緣特性[17]。除此之外,DIBSD 方法沉積的薄膜密度高、無針孔,這些特性使其成為優(yōu)異的高溫絕緣層。

因此,本文采用雙離子束濺射沉積法制備了Al2O3薄膜高溫絕緣層,研究了濺射時(shí)基板溫度對(duì)Al2O3薄膜物相和高溫絕緣性能的影響,豐富了有關(guān)雙離子束濺射法制備Al2O3高溫絕緣層的研究?jī)?nèi)容。文中利用XRD、SEM 表征了其微觀結(jié)構(gòu),并采用CHT 3530 絕緣電阻測(cè)試儀研究了其高溫絕緣性能,另外還研究了所制備的Al2O3薄膜在薄膜電阻溫度傳感器中的應(yīng)用表現(xiàn)。

1 實(shí)驗(yàn)

本文主要選用硅基片和Al2O3陶瓷(30 mm × 20 mm×0.8 mm)作為基底沉積薄膜,分別用于物相表征和絕緣性能測(cè)試。在濺射之前,通過超聲清洗將Al2O3陶瓷表面的有機(jī)物和污染物去除。然后,利用磁控濺射的方法在Al2O3陶瓷表面沉積一層Ti/Pt 復(fù)合薄膜作為底電極,用于后續(xù)的測(cè)試,Ti 是Pt 與Al2O3陶瓷的連接層,Pt 電極層的厚度為500 nm。最后采用雙離子束濺射沉積(DIBSD)的方法沉積Al2O3薄膜,其中濺射靶材選用99.99%的藍(lán)寶石,通入高純氬氣和氧氣的混合氣體,氧分壓為18%,離子能量900 eV,束流85 mA。在雙離子濺射過程中,主源氬離子束轟擊藍(lán)寶石靶材,沉積薄膜;輔源氬離子束轟擊基片起刻蝕作用。這種邊沉積邊刻蝕的機(jī)制相比于傳統(tǒng)的磁控濺射來說,更能夠制備高致密度的薄膜。

最后,采用磁控濺射的方法在Al2O3薄膜表面制備500 nm 厚度的頂電極Pt,并利用硬掩模實(shí)現(xiàn)圖形化形成2 mm × 2 mm 的正方形。通過高溫Pt 漿將Pt 引線牢固連接在上下電極上,并引出作為導(dǎo)線供測(cè)試使用。采用MIM 結(jié)構(gòu)測(cè)量其高溫絕緣性,樣品結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示,上電極上的引線點(diǎn)是隨機(jī)分布的,如果隨機(jī)取的測(cè)試點(diǎn)的高溫絕緣電阻滿足要求,說明薄膜整體絕緣性比較好。

圖1 Al2O3薄膜電阻測(cè)試樣品Fig.1 Resistance test sample of Al2O3thin film

Al2O3薄膜絕緣性測(cè)試樣品的工藝流程如圖2 所示,具體步驟包括以下部分:(a)Al2O3陶瓷基底進(jìn)行超聲清洗,去除污染物和雜物,并烘干,并濺射Pt 底電極;(b)使用雙離子束濺射的方法在Al2O3陶瓷基底的Pt 底電極上濺射一層Al2O3薄膜;(c)通過旋涂法在Al2O3薄膜上均勻涂布一層光刻膠;(d)對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光、顯影,使其形成目標(biāo)圖案;(e)通過濺射在曝光后的光刻膠上制備一層Pt 頂電極;(f)利用Lift-off的方法,去除光刻膠,留下圖案化的Pt 頂電極。

圖2 Al2O3薄膜電阻測(cè)試樣品的工藝流程圖Fig.2 The process flow of Al2O3thin film's resistance test sample

2 結(jié)果與分析

本文在雙離子束濺射Al2O3薄膜時(shí),將襯底加熱到不同溫度下再開始薄膜沉積,研究襯底溫度對(duì)所沉積的Al2O3薄膜組織結(jié)構(gòu)及高溫絕緣性能的影響。由于離子束對(duì)襯底的轟擊,在襯底未加熱的情況下溫度為60 ℃,另外,選取襯底溫度200,300 和400 ℃作為對(duì)比。其中,Al2O3薄膜厚度2 μm。

2.1 Al2O3薄膜微觀結(jié)構(gòu)的表征

為了避免基底和薄膜的峰互相重疊,選用表面平整的硅基片作襯底濺射Al2O3薄膜,對(duì)所制備的Al2O3薄膜的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。本文對(duì)其進(jìn)行了X 射線衍射(XRD)測(cè)試,其中襯底為p-Si,不同襯底溫度制備的Al2O3薄膜的XRD 圖譜如圖3 所示。從XRD 圖譜中可以看出,除了襯底的Si 元素出現(xiàn)比較強(qiáng)的衍射峰以外,γ-Al2O3的衍射峰十分微弱,說明在這些溫度下沉積的Al2O3薄膜結(jié)晶化程度很低,主要以非晶形式存在。另外,400 ℃時(shí)出現(xiàn)比較寬的衍射峰,可能是因?yàn)橐r底p-Si 溫度較高,再加上粒子沖擊的作用,破壞了p-Si 的長(zhǎng)程有序狀態(tài),使基底的晶化程度降低,從而出現(xiàn)較寬的衍射峰。

圖3 不同襯底溫度制備Al2O3薄膜的XRD 圖譜Fig.3 XRD patterns of Al2O3thin films with different sputtering substrate temperature

本文利用AFM 對(duì)雙離子束濺射沉積的Al2O3薄膜的表面形貌進(jìn)行了表征,如圖4 所示。300 ℃沉積的Al2O3薄膜表面的RMS 粗糙度約為3 nm,說明Al2O3薄膜表面致密性和平整度優(yōu)異。同時(shí),利用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)所制備的Al2O3薄膜截面進(jìn)行觀察,如圖5 所示?？梢钥闯?所制備的Al2O3薄膜截面膜質(zhì)緊密、無裂紋、無空隙,這種致密的組織形貌是實(shí)現(xiàn)良好絕緣特性的保障。在雙離子濺射系統(tǒng)中,主源離子束和輔源離子束分別起沉積和刻蝕作用,這種邊沉積邊刻蝕的機(jī)制更容易獲得高致密度的薄膜。

圖4 雙離子束濺射沉積的Al2O3薄膜的AFM 圖譜Fig.4 AFM images of DIBSD sputtered Al2O3thin film

圖5 Al2O3薄膜截面SEM 圖片(5000 倍)Fig.5 The SEM image of DIBSD sputtered Al2O3thin film

2.2 絕緣層絕緣電阻特性及分析

Al2O3薄膜的絕緣特性采用CHT 3530 絕緣電阻測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試溫度從室溫以5 ℃/min 的速率升溫到1000 ℃,并選取相同間隔的溫度進(jìn)行保溫測(cè)量。所制備的Al2O3薄膜的電阻隨加熱溫度變化曲線如圖6所示。從圖中可以看出,不同襯底溫度制備出的Al2O3薄膜的絕緣特性相差不大:測(cè)試溫度為室溫時(shí),Al2O3薄膜的電阻在2 GΩ 左右;測(cè)試溫度為800 ℃時(shí),除60 ℃襯底溫度的Al2O3薄膜高溫區(qū)電阻較低外,其他溫度制備的Al2O3薄膜均在5 kΩ 左右,高溫絕緣性能表現(xiàn)良好。可以看出,隨著溫度的升高,Al2O3薄膜的電阻迅速下降,這可能與薄膜表面帶電粒子(O2-、OH-、H+)的遷移有關(guān)[18]。其中,對(duì)于襯底溫度200℃和400 ℃的Al2O3薄膜,在300～800 ℃范圍內(nèi),其電阻溫度曲線出現(xiàn)明顯的波動(dòng)。總體來說,襯底溫度為300 ℃時(shí)的Al2O3薄膜的電阻溫度曲線平滑,高溫絕緣特性表現(xiàn)較好。

圖6 不同襯底溫度Al2O3薄膜電阻隨加熱溫度的變化曲線Fig.6 Temperature dependence of electrical resistance for Al2O3thin films with different sputtering substrate temperature

2.3 薄膜傳感器高溫性能及分析

為了驗(yàn)證所制備Al2O3薄膜在應(yīng)用中的絕緣效果,本文在帶有Pt 底電極的陶瓷基底上制備了Al2O3薄膜絕緣層,并利用光刻圖形化技術(shù)在其表面制備薄膜電阻溫度傳感器。薄膜電阻溫度傳感器使用Pt 作為傳感器材料,其形狀示意如圖7 所示,電阻絲線寬為50 μm,端部Pad 為2 mm × 2 mm 大小,方便后續(xù)進(jìn)行引線測(cè)試。

圖7 電阻溫度傳感器的形狀示意圖Fig.7 Schematic of as-fabricated resistance temperature sensor(RTS)

測(cè)試過程中,將溫度傳感器放置于馬弗爐中,通過鉑引線接至爐外Victor VC9801A+型萬用表進(jìn)行測(cè)量。圖8 所示薄膜溫度傳感器的電阻溫度曲線,分別對(duì)應(yīng)了200,300 和400 ℃襯底溫度制備的Al2O3薄膜器件。從圖中可以看出,在900 ℃以下,三種襯底溫度Al2O3薄膜制備的溫度傳感器均呈現(xiàn)出較好的線性度。在900～1000 ℃,電阻溫度曲線出現(xiàn)波動(dòng)情況,這可能是因?yàn)楸∧そ^緣電阻下降,或者Pt 晶格在高溫下的缺陷造成的[19-20]。

圖8 不同襯底溫度Al2O3的薄膜傳感器的電阻溫度曲線Fig.8 Resistance-temperature curves of the RTSs fabricated with different Al2O3thin films

3 結(jié)論

研究表明,雙離子束濺射沉積法能夠制得表面平整、內(nèi)部組織致密的Al2O3薄膜;300 ℃的襯底溫度制備出的Al2O3薄膜的高溫絕緣性表現(xiàn)最好,所制備2 μm 的單層Al2O3薄膜在室溫下電阻可達(dá)2 GΩ,超過前人研究[13]中11 μm 的晶態(tài)YSZ/非晶YSZ/Al2O3復(fù)合薄膜(室溫1.2 GΩ),在800 ℃溫度下電阻為5 kΩ,其高溫?zé)岱€(wěn)定性在復(fù)合絕緣薄膜中還有很大的提升空間;最后,本文在雙離子束濺射沉積Al2O3薄膜上制備的Pt 薄膜電阻溫度傳感器,在800 ℃以下具有良好的線性度。以上結(jié)果表明,雙離子束濺射沉積的Al2O3薄膜作為高溫絕緣層具有良好的高溫穩(wěn)定性,在復(fù)合高溫絕緣層及高溫傳感器中具有重要的應(yīng)用潛力和研究?jī)r(jià)值。