不同金屬材料基底制備Al2O3薄膜的工藝優(yōu)化研究

閆文韜，武文革，成云平，劉麗娟，宋丁，馬如原，郜冉

中北大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

1 引言

基于MEMS技術(shù)在刀具內(nèi)嵌入薄膜微傳感器測(cè)量切削力可以直接反映刀具切削工作情況，相比以往體積較大的測(cè)力儀具有準(zhǔn)確、有效、可靠性高的特點(diǎn)[1-3]。由于刀具在進(jìn)行切削作業(yè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)及應(yīng)變，應(yīng)變式薄膜傳感器基底容易產(chǎn)生永久形變并導(dǎo)致薄膜傳感器失效，所以薄膜傳感器的基底需要一定的強(qiáng)度及剛度，故一般選用金屬作為應(yīng)變式薄膜傳感器的基底。課題組前期采用304不銹鋼作為應(yīng)變式薄膜傳感器的基底，并開展了相關(guān)研究[4]，在測(cè)量性能上還有一定的優(yōu)化空間，如可以采用比304不銹鋼更容易感應(yīng)應(yīng)變的金屬材料作為基底以提高薄膜傳感器的靈敏度。

1060鋁及H62黃銅的彈性模量皆小于304不銹鋼，更容易產(chǎn)生應(yīng)變[5]，故采用1060鋁和H62黃銅作為應(yīng)變式薄膜傳感器的基底制備過(guò)渡層Al2O3薄膜。以304不銹鋼基底薄膜傳感器的制備工藝為基礎(chǔ)，基于薄膜傳感器的結(jié)構(gòu)，運(yùn)用磁控濺射工藝在1060鋁及H62黃銅上濺射過(guò)渡層Al2O3薄膜，通過(guò)XRD分析各基底Al2O3薄膜組成和薄膜形態(tài)，選取適合的基底材料并對(duì)1060鋁基底上Al2O3薄膜制備工藝進(jìn)行優(yōu)化，得到具有良好薄膜粗糙度的制備工藝參數(shù)。

2 優(yōu)化方案及分析

2.1 基底材料選擇原理

應(yīng)變式薄膜傳感器由多層薄膜組成，根據(jù)功能分別為過(guò)渡層、絕緣層、敏感層和保護(hù)層。薄膜傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 薄膜傳感器結(jié)構(gòu)

在基底所受應(yīng)力相同的情況下，基底材料的彈性模量越小，則基底的應(yīng)變?cè)酱螅?/p>

(1)

為了增強(qiáng)傳感器感應(yīng)應(yīng)變的能力，彈性模量較小的材料作為薄膜傳感器的基底有助于提高其靈敏度。選取幾種彈性模量小于304不銹鋼的金屬材料作為基底，其基本力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

表1 基底材料的基本力學(xué)性能參數(shù)

材料的彈性模量越小，發(fā)生彈性變形所需的應(yīng)力也越小，但是由于1060鋁的屈服極限較小，容易發(fā)生塑性形變，造成薄膜傳感器永久失效，故需要重新設(shè)計(jì)1060鋁基底尺寸，防止其產(chǎn)生永久形變。張?jiān)茲齕4]對(duì)304不銹鋼作為基底制備薄膜傳感器進(jìn)行了研究，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算得出基底的長(zhǎng)l1=30mm，寬b1=16mm，厚度h1=0.5mm。故施加與304不銹鋼基底所受屈服力大小相同的力在1060鋁基底上。

由于基底受到的屈服力與基底橫截面積和材料的屈服強(qiáng)度有關(guān)，則基底所受屈服力為

Fsn=Snσsn

(2)

式中，Sn是基底截面面積；σs是材料的屈服強(qiáng)度；n=1，2，3，其中，1代表304不銹鋼，2代表1060鋁，3代表H62黃銅。

由式(2)可知，增大1060鋁基底的橫截面積，基底可以承受的屈服力也更大。令Fs1=Fs2，可得

(3)

由文獻(xiàn)[6]可知，基底某截面的撓度ω和界面慣性矩I分別為

(4)

(5)

式中，M為實(shí)際載荷作用下的彎矩；Mx為單位載荷作用下的彎矩。

根據(jù)疊加原理，彎矩和縱向載荷F共同作用下的撓度為其代數(shù)和，有

(6)

基底為等截面懸臂梁結(jié)構(gòu)，所以將式(6)化簡(jiǎn)后得

(7)

假設(shè)ω1=ω2，M1=M2，F(xiàn)1=F2，且基底長(zhǎng)度l皆為30mm，化簡(jiǎn)可得

(8)

聯(lián)立式(8)與式(3)可得

(9)

解得1060鋁基底厚度h2min=0.6946mm，寬度b2min=16.8448mm。由于鋁的質(zhì)地較軟，剪切尺寸不能過(guò)小，故取1060鋁基底的厚度為0.7mm，寬度為20mm，長(zhǎng)度為30mm。由于黃銅的屈服強(qiáng)度大于304不銹鋼，可承受較大的載荷，故H62黃銅基底的尺寸厚度為0.5mm，寬度為16mm，長(zhǎng)度為30mm。

得到合適的基底尺寸后，在基底上濺射Si3N4薄膜作為絕緣層，濺射Al2O3薄膜作為過(guò)渡層。如圖2所示，Si3N4薄膜會(huì)因與金屬基底黏結(jié)性能不好造成開裂脫落，這是由于鋁的化學(xué)活性較強(qiáng)，在空氣中表面生成一層致密的Al2O3薄膜，會(huì)對(duì)基底粗糙度造成影響，而黃銅因?yàn)槠渲械腪n元素比較活潑，從而產(chǎn)生氧化，導(dǎo)致基底表面不平整，故1060鋁基底和H62黃銅基底上的Si3N4薄膜皆會(huì)大面積脫落。Al2O3作為過(guò)渡層有很好的黏結(jié)效果[7]，且Al2O3與1060鋁基底有著良好的材料匹配性。

(a)H62黃銅

2.2 薄膜與基底黏結(jié)性能分析

薄膜與基底的黏結(jié)性能取決于兩者之間的殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力主要由熱應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力組成。由于薄膜材料與基底材料的熱膨脹系數(shù)存在差異，故濺射時(shí)兩者之間會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，為了反映薄膜與基底的黏結(jié)性能，Volinsky A.A.等[8]提出了界面韌性理論。Zhang Y.等[7]通過(guò)研究薄膜黏結(jié)性發(fā)現(xiàn)，熱應(yīng)力對(duì)薄膜與基底的界面韌性并沒(méi)有影響，其界面韌性受自身材料匹配特性以及厚度的影響較大。

薄膜的內(nèi)應(yīng)力也決定殘余應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力是薄膜在沉積制備過(guò)程中由工藝參數(shù)(如功率、氣體流量和壓強(qiáng)等)而引起的，而且與薄膜與基底的材料密切相關(guān)。殘余應(yīng)力一般用Stoney公式來(lái)計(jì)算，但經(jīng)典Stoney公式存在一些約束條件，例如薄膜厚度要遠(yuǎn)小于基底厚度以及薄膜彈性模量與基底的彈性模量要相近等。Zhang X.C.等[9]對(duì)Stoney公式研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)薄膜厚度與基底厚度的比值小于0.01時(shí)，運(yùn)用Stoney公式進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果基本無(wú)誤差。上海大學(xué)的洪正等[10]針對(duì)基底材料與薄膜的彈性模量不相近的情況，對(duì)經(jīng)典Stoney公式進(jìn)行了修正，有

(10)

式中，hs為基底厚度；hf為薄膜厚度；ES為基底的彈性模量；Vs為基底的泊松比；k為表面曲率半徑變化；L為樣品與采集點(diǎn)的相對(duì)距離；Δd為光束偏移距離；α為激光光束入射角度；d為陣列激光光束之間的距離。

表2 Al2O3薄膜的基本力學(xué)性能參數(shù)

如圖3所示，假設(shè)表面曲率半徑變化k為定值，將表1與表2的數(shù)據(jù)代入式(10)可得Al2O3薄膜的內(nèi)應(yīng)力σ與各基底的彈性模量E和厚度h的關(guān)系，可以看出，薄膜的內(nèi)應(yīng)力與基底厚度以及基底的彈性模量成正比。當(dāng)選用H62黃銅作為基底時(shí)，Al2O3薄膜的內(nèi)應(yīng)力最小，1060鋁基底次之，而304不銹鋼上Al2O3薄膜的內(nèi)應(yīng)力最大。

圖3 基底厚度、基底彈性模量與薄膜內(nèi)應(yīng)力的關(guān)系

2.3 Al2O3薄膜的制備及分析

使用FJL-560a型磁控與離子束復(fù)合濺射沉積系統(tǒng)在三種材料基底上濺射制備Al2O3薄膜，濺射氣體為高純氬(純度99.99%)，反應(yīng)氣體為高純氧(純度99.99%)，濺射靶材為高純鋁靶材(純度99.999%)，實(shí)驗(yàn)用的三種基底材料分別為304不銹鋼、H62黃銅和1060鋁。將基底置于丙酮溶液中超聲波清洗5min，再置于乙醇溶液中超聲波清洗5min，用去離子水沖洗60s，最后用N2槍吹干。之后在氬氣流量為50sccm、氧氣流量為1sccm、功率為100W、壓強(qiáng)為1Pa的工藝參數(shù)下進(jìn)行濺射制備。

使用KLA-TencorP7臺(tái)階儀測(cè)量厚度，選取薄膜邊緣自上而下的三個(gè)不同測(cè)試點(diǎn)分別測(cè)量三次厚度并求平均值，之后根據(jù)厚度與濺射時(shí)間的比值計(jì)算濺射速率。如表3所示，在1060鋁上濺射Al2O3薄膜的速率約為99.8nm/min，H62黃銅上濺射Al2O3薄膜的速率約為96.6nm/min，Al2O3薄膜的濺射速率高于1060鋁基底與H62黃銅基底。

表3 各基底上Al2O3的濺射速率

使用X射線衍射儀進(jìn)行測(cè)試分析，通過(guò)在入射X射線和薄膜表面之間形成0.5°的入射X射線衍射(GIXRD)來(lái)研究濺射在304不銹鋼、H62黃銅以及1060鋁上的Al2O3薄膜的相。使用Cu-Kα輻射在Bruker D8衍射儀上進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 各基底上Al2O3薄膜的XRD圖

可以看出，在304不銹鋼與1060鋁基底上無(wú)明顯的金屬特征峰，Al2O3薄膜大體上以非晶態(tài)形式呈現(xiàn)。對(duì)于Al2O3薄膜，只有當(dāng)基底溫度超過(guò)500℃且沉積粒子能量較高時(shí)，才可能得到晶態(tài)氧化鋁薄膜[11]。本實(shí)驗(yàn)基底處在自然濺射升溫狀態(tài)，濺射時(shí)的溫度遠(yuǎn)小于500℃，因此得到非晶Al2O3薄膜是合理的。然而在H62黃銅基底上，XRD分析圖顯示的是銅鋅金屬峰以及其他氧化物的雜峰，而且通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，H62黃銅在拋光過(guò)程中會(huì)發(fā)生氧化，這是因?yàn)镠62黃銅的主要成分為Cu元素并有少量Zn元素，Zn元素的化學(xué)性質(zhì)比Cu元素活潑，在一定外界條件下會(huì)形成原電池，加劇氧化導(dǎo)致基底表面不平整不均勻，從而對(duì)基底與Al2O3薄膜的黏結(jié)性能產(chǎn)生很大影響，造成膜厚不均勻甚至開裂。圖5為使用OLS5000共聚焦顯微鏡觀測(cè)H62黃銅基底上的Al2O3薄膜，薄膜會(huì)有密集的脫落點(diǎn)。

圖5 H62黃銅基底上的Al2O3薄膜

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，H62銅的材料特性導(dǎo)致濺射制備的Al2O3薄膜黏結(jié)性能與1060鋁相比有待提高，可以先在H62黃銅基底上濺射制備一層50nm的Al金屬薄膜來(lái)增強(qiáng)Al2O3薄膜黏結(jié)性能。后續(xù)會(huì)進(jìn)一步改進(jìn)H62黃銅作為基底的優(yōu)化工藝方案，優(yōu)先選擇1060鋁作為基底制備Al2O3薄膜。

3 在鋁基底上制備Al2O3薄膜的工藝優(yōu)化

1060鋁基底與304不銹鋼基底的基底粗糙度、彈性模量、泊松比、剪切模量及熱膨脹系數(shù)都存在較大差異?；诮缑骓g性理論，以上材料性能對(duì)基底與薄膜的黏結(jié)性能有重要影響，而且Al2O3薄膜的粗糙度對(duì)后續(xù)濺射制備Si3N4薄膜也有重要影響。由于加工條件及自身材料特性的限制，1060鋁基底的表面粗糙度較其他基底略高，故對(duì)1060鋁基底上制備Al2O3薄膜的粗糙度進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化有重要意義。

根據(jù)文獻(xiàn)[12]可知，在Al2O3薄膜的制備過(guò)程中，Al2O3薄膜的粗糙度與部分制備工藝參數(shù)有密切關(guān)系，其中最主要的是濺射壓強(qiáng)與基底偏壓。在薄膜濺射制備過(guò)程中，濺射壓強(qiáng)與基底偏壓會(huì)影響薄膜密度，從而影響薄膜粗糙度，所以針對(duì)濺射壓強(qiáng)、氬氣流量以及基底偏壓進(jìn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化，從而得到Al2O3薄膜的最優(yōu)粗糙度工藝參數(shù)組合。

根據(jù)相關(guān)研究以及前期制備工藝[12，13]，設(shè)定了濺射壓強(qiáng)、氬氣流量及基底偏壓的變化區(qū)間，并設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)，其中，濺射功率為100W，濺射時(shí)間為450s。使用Bruker contour GT-k光學(xué)輪廓儀檢測(cè)濺射完成后1060鋁基底上Al2O3薄膜的粗糙度，結(jié)果如表4所示。

表4 磁控濺射制備Al2O3薄膜的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

在1060鋁基底上濺射制備的Al2O3薄膜的表面粗糙度大致為43～73nm，在此結(jié)果上采用極差法分析以上因素對(duì)薄膜粗糙度的影響程度(見表5)，表中，Rj(j=A，B，C)為各因素的極差，Ki(i=1，2，3)為各水平的測(cè)量結(jié)果均值。

表5 極差分析

圖6為濺射壓強(qiáng)A、氬氣流量B以及基底偏壓C對(duì)Al2O3薄膜粗糙度的影響。各參數(shù)的影響比重為基底偏壓C>濺射壓強(qiáng)A>氬氣流量B。根據(jù)K值的大小可得出最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A1B2C3。極差值大說(shuō)明此因素對(duì)結(jié)果指標(biāo)影響程度大，因此可以選定主要影響因素為濺射壓強(qiáng)與基底偏壓，建立主要影響因素與薄膜粗糙度之間的關(guān)系模型(見圖7)，可以看出擬合的曲面較為平滑，它們之間的關(guān)系為

Z=11.23+104.1x-0.853y-43.7x2
+0.473xy-0.00312y2

圖6 各因素水平與薄膜粗糙度指標(biāo)的關(guān)系

(11)

式中，Z為薄膜粗糙度指標(biāo)(nm)；x為濺射壓強(qiáng)(Pa)；y為基底偏壓(V)。

圖7 主要影響因素與薄膜粗糙度之間的關(guān)系模型

可以看出，隨著濺射壓強(qiáng)升高，基底粗糙度也在緩慢增大，這是因?yàn)殡S著濺射過(guò)程中壓強(qiáng)的增加，粒子散射和相互碰撞加劇，從而導(dǎo)致濺射的薄膜不均勻，薄膜表面的缺陷被放大從而使薄膜粗糙度升高。從極差分析的結(jié)果得出，基底偏壓對(duì)薄膜粗糙度的影響最大，所以隨著基底偏壓增大，基底粗糙度會(huì)大幅減小，這是因?yàn)樵黾踊灼珘嚎赡軙?huì)導(dǎo)致高能電子和離子再次沉積，這些粒子與正在形成的薄膜相互碰撞可以獲得更大的原子動(dòng)量從而增加其遷移率，并提高其在穩(wěn)定位置沉積的概率然后形成致密薄膜。分析圖中的變化趨勢(shì)可知，薄膜粗糙度最小的制備工藝參數(shù)是最小的濺射壓強(qiáng)A1與最大的基底偏壓C3，該結(jié)果與極差分析結(jié)果相同。

使用Bruker Dimension Icon原子力顯微鏡觀測(cè)薄膜，圖8為使用優(yōu)化前后工藝參數(shù)制備的Al2O3薄膜在5μm×5μm區(qū)域內(nèi)的AFM觀測(cè)圖?？梢钥闯觯瑑?yōu)化前薄膜上有明顯的凹谷，波峰與波谷的差值較大，優(yōu)化后薄膜表面無(wú)明顯凹谷，波峰與波谷的差值較小，優(yōu)化后的薄膜表面較為平坦。優(yōu)化前，Al2O3薄膜在5μm×5μm區(qū)域內(nèi)的粗糙度為8.06nm，優(yōu)化后，Al2O3薄膜在5μm×5μm區(qū)域內(nèi)的粗糙度為7.144nm，較優(yōu)化前降低了11.36%。

(a)優(yōu)化前

使用優(yōu)化后的工藝參數(shù)在1060鋁基底上制備Al2O3薄膜，在薄膜上使用ICP Deposition System SI 500D化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)濺射制備Si3N4薄膜。圖9為采用優(yōu)化前后工藝參數(shù)在Al2O3薄膜上制備的Si3N4薄膜?？梢钥闯?，在優(yōu)化前的Si3N4薄膜上下兩邊界均有不同程度的開裂脫落，對(duì)Si3N4薄膜的黏結(jié)性能有一定影響，優(yōu)化后的Si3N4薄膜宏觀上無(wú)明顯的開裂脫落，黏結(jié)性能更高。

(a)優(yōu)化前

4 結(jié)語(yǔ)

(1)基于薄膜應(yīng)變傳感器的工作原理，選取較304不銹鋼更易感應(yīng)應(yīng)變的1060鋁和H62黃銅作為基底制備薄膜應(yīng)變傳感器，基于304不銹鋼基底的尺寸，計(jì)算設(shè)計(jì)了既能感應(yīng)應(yīng)變又能保證強(qiáng)度的1060鋁基底，尺寸為0.7mm×20mm×30mm。

(2)運(yùn)用修正后的Stoney公式對(duì)在不同材料基底上Al2O3薄膜的內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，得出H62黃銅的上的Al2O3薄膜內(nèi)應(yīng)力最小，但通過(guò)XRD分析發(fā)現(xiàn)，H62黃銅上的Al2O3薄膜缺陷較大，所以優(yōu)選1060鋁作為基底制備Al2O3薄膜。

(3)優(yōu)化了1060鋁基底上Al2O3薄膜的制備工藝參數(shù)，并建立關(guān)系模型獲得了關(guān)鍵影響因素對(duì)薄膜粗糙度的影響關(guān)系，得出薄膜粗糙度與濺射壓強(qiáng)和基底偏壓成正比。濺射壓強(qiáng)為0.8Pa，氬氣流量為55sccm及基底偏壓為-40V時(shí)，可以制備得到較優(yōu)粗糙度的Al2O3薄膜，較之前的工藝制備的薄膜粗糙度減少了11.36%。