双离子束溅射Al2O3薄膜高温绝缘特性的研究

张丛春 ,黄漫国 ,梁晓波 ,闫 博

(1.上海交通大学微纳电子学系,上海 200240;2.北京长城航空测控技术研究所先进传感器技术中心,北京 100022;3.状态监测特种传感技术航空科技重点实验室,北京 100022)

现代航空工业发展迅速,航空飞机的性能不断提高,推动着航空发动机的优化与改良。随着航空发动机性能的不断提高,对关键参数的测量也提出了更高的要求,尤其是航空发动机的发展是以高温为主要特征的,因此在高温状态下监测发动机运行过程中的状态对于保证安全性和可靠性至关重要。涡轮叶片作为航空发动机的重要组成部分,在运行过程中通常伴随着高压、高温、高热流密度、强气流的恶劣环境,是容易发生故障的组件之一[1-3]。涡轮叶片作为热端部件的代表,其温度水平和温度梯度直接决定了热端部件的安全性和使用寿命,而温度水平和温度梯度则取决于高温部件的冷却设计和发动机热分析系统的精度,这就离不开热端部件表面温度的准确获取,而这也恰是当今热工测量技术中的一大难题。对涡轮叶片进行实时的健康状态监测,能够有效探知损伤部位,避免不必要的损伤,同时也能够为高温部件的改进优化提供指导方案,是十分重要的技术手段。薄膜传感器可以微米尺寸集成到涡轮叶片上,能够使传感器对动力系统的干扰降到最小,是监测涡轮叶片运行状态的优异选择[4-9]。考虑到航空发动机涡轮叶片的主要材料是具有导电能力的镍基超合金,薄膜传感器和叶片之间需要间隔一层高温绝缘层,才能保证薄膜传感器的正常运转,因此高温绝缘薄膜的研究就显得十分重要。

Al2O3薄膜在高温下的绝缘性能表现优异,是高温绝缘层最佳材料之一。有关Al2O3薄膜在高温绝缘薄膜上的应用,国内外学者进行了大量的研究工作。美国NASA 的Martin 等[10]通过电子束沉积法在高温合金基底上制备MCrAlY 合金层,经过热处理形成Al2O3绝缘膜,再沉积一层Al2O3得到绝缘性能良好的复合高温绝缘薄膜。Nakai 等[11]通过离子束等离子体辅助化学气相沉积法在镍基合金基底上制备了Al2O3绝缘薄膜,并研究了氧化铝绝缘薄膜的绝缘性能随离子束入射角的变化。陈寅之等[12]采用直流磁控溅射法在镍基合金上沉积NiCrAlY 薄膜,经过1000 ℃真空析铝后,磁控溅射50 nm Al 薄膜,最后在1000 ℃下进行氧化,形成致密Al2O3绝缘薄膜,并研究了其高温稳定性。杨晓东等[13]采用射频磁控溅射沉积了非晶体的YSZ,再利用电子束蒸发法沉积Al2O3绝缘薄膜,得到具有良好绝缘性和高温稳定性的YSZ/Al2O3复合绝缘薄膜。

Al2O3薄膜在高温绝缘层中的优秀性能已经得到证实,但是在其制备方法上还有进一步的研究和改善空间。目前,双离子束溅射沉积(DIBSD)在薄膜制备中的应用已经非常成熟,但其在Al2O3高温绝缘层制备上的相关研究较少,具有深入研究的价值。相对于传统的沉积方法,如磁控溅射[14]、电子束蒸镀[15],DIBSD 方法沉积的薄膜和基板间拥有优异的粘结力,这是由于粒子冲击的作用,基板和薄膜间形成了原子混合区域[16]。另外,DIBSD 方法沉积的薄膜是无定形态,相比反应溅射形成的晶态薄膜来说更加稳定,并且拥有更佳的绝缘特性[17]。除此之外,DIBSD 方法沉积的薄膜密度高、无针孔,这些特性使其成为优异的高温绝缘层。

因此,本文采用双离子束溅射沉积法制备了Al2O3薄膜高温绝缘层,研究了溅射时基板温度对Al2O3薄膜物相和高温绝缘性能的影响,丰富了有关双离子束溅射法制备Al2O3高温绝缘层的研究内容。文中利用XRD、SEM 表征了其微观结构,并采用CHT 3530 绝缘电阻测试仪研究了其高温绝缘性能,另外还研究了所制备的Al2O3薄膜在薄膜电阻温度传感器中的应用表现。

1 实验

本文主要选用硅基片和Al2O3陶瓷(30 mm × 20 mm×0.8 mm)作为基底沉积薄膜,分别用于物相表征和绝缘性能测试。在溅射之前,通过超声清洗将Al2O3陶瓷表面的有机物和污染物去除。然后,利用磁控溅射的方法在Al2O3陶瓷表面沉积一层Ti/Pt 复合薄膜作为底电极,用于后续的测试,Ti 是Pt 与Al2O3陶瓷的连接层,Pt 电极层的厚度为500 nm。最后采用双离子束溅射沉积(DIBSD)的方法沉积Al2O3薄膜,其中溅射靶材选用99.99%的蓝宝石,通入高纯氩气和氧气的混合气体,氧分压为18%,离子能量900 eV,束流85 mA。在双离子溅射过程中,主源氩离子束轰击蓝宝石靶材,沉积薄膜;辅源氩离子束轰击基片起刻蚀作用。这种边沉积边刻蚀的机制相比于传统的磁控溅射来说,更能够制备高致密度的薄膜。

最后,采用磁控溅射的方法在Al2O3薄膜表面制备500 nm 厚度的顶电极Pt,并利用硬掩模实现图形化形成2 mm × 2 mm 的正方形。通过高温Pt 浆将Pt 引线牢固连接在上下电极上,并引出作为导线供测试使用。采用MIM 结构测量其高温绝缘性,样品结构示意如图1 所示,上电极上的引线点是随机分布的,如果随机取的测试点的高温绝缘电阻满足要求,说明薄膜整体绝缘性比较好。

图1 Al2O3薄膜电阻测试样品Fig.1 Resistance test sample of Al2O3thin film

Al2O3薄膜绝缘性测试样品的工艺流程如图2 所示,具体步骤包括以下部分:(a)Al2O3陶瓷基底进行超声清洗,去除污染物和杂物,并烘干,并溅射Pt 底电极;(b)使用双离子束溅射的方法在Al2O3陶瓷基底的Pt 底电极上溅射一层Al2O3薄膜;(c)通过旋涂法在Al2O3薄膜上均匀涂布一层光刻胶;(d)对光刻胶进行曝光、显影,使其形成目标图案;(e)通过溅射在曝光后的光刻胶上制备一层Pt 顶电极;(f)利用Lift-off的方法,去除光刻胶,留下图案化的Pt 顶电极。

图2 Al2O3薄膜电阻测试样品的工艺流程图Fig.2 The process flow of Al2O3thin film's resistance test sample

2 结果与分析

本文在双离子束溅射Al2O3薄膜时,将衬底加热到不同温度下再开始薄膜沉积,研究衬底温度对所沉积的Al2O3薄膜组织结构及高温绝缘性能的影响。由于离子束对衬底的轰击,在衬底未加热的情况下温度为60 ℃,另外,选取衬底温度200,300 和400 ℃作为对比。其中,Al2O3薄膜厚度2 μm。

2.1 Al2O3薄膜微观结构的表征

为了避免基底和薄膜的峰互相重叠,选用表面平整的硅基片作衬底溅射Al2O3薄膜,对所制备的Al2O3薄膜的显微结构进行分析。本文对其进行了X 射线衍射(XRD)测试,其中衬底为p-Si,不同衬底温度制备的Al2O3薄膜的XRD 图谱如图3 所示。从XRD 图谱中可以看出,除了衬底的Si 元素出现比较强的衍射峰以外,γ-Al2O3的衍射峰十分微弱,说明在这些温度下沉积的Al2O3薄膜结晶化程度很低,主要以非晶形式存在。另外,400 ℃时出现比较宽的衍射峰,可能是因为衬底p-Si 温度较高,再加上粒子冲击的作用,破坏了p-Si 的长程有序状态,使基底的晶化程度降低,从而出现较宽的衍射峰。

图3 不同衬底温度制备Al2O3薄膜的XRD 图谱Fig.3 XRD patterns of Al2O3thin films with different sputtering substrate temperature

本文利用AFM 对双离子束溅射沉积的Al2O3薄膜的表面形貌进行了表征,如图4 所示。300 ℃沉积的Al2O3薄膜表面的RMS 粗糙度约为3 nm,说明Al2O3薄膜表面致密性和平整度优异。同时,利用扫描电子显微镜(SEM)对所制备的Al2O3薄膜截面进行观察,如图5 所示。可以看出,所制备的Al2O3薄膜截面膜质紧密、无裂纹、无空隙,这种致密的组织形貌是实现良好绝缘特性的保障。在双离子溅射系统中,主源离子束和辅源离子束分别起沉积和刻蚀作用,这种边沉积边刻蚀的机制更容易获得高致密度的薄膜。

图4 双离子束溅射沉积的Al2O3薄膜的AFM 图谱Fig.4 AFM images of DIBSD sputtered Al2O3thin film

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

2.2 绝缘层绝缘电阻特性及分析

Al2O3薄膜的绝缘特性采用CHT 3530 绝缘电阻测试仪进行测量。测试温度从室温以5 ℃/min 的速率升温到1000 ℃,并选取相同间隔的温度进行保温测量。所制备的Al2O3薄膜的电阻随加热温度变化曲线如图6所示。从图中可以看出,不同衬底温度制备出的Al2O3薄膜的绝缘特性相差不大:测试温度为室温时,Al2O3薄膜的电阻在2 GΩ 左右;测试温度为800 ℃时,除60 ℃衬底温度的Al2O3薄膜高温区电阻较低外,其他温度制备的Al2O3薄膜均在5 kΩ 左右,高温绝缘性能表现良好。可以看出,随着温度的升高,Al2O3薄膜的电阻迅速下降,这可能与薄膜表面带电粒子(O2-、OH-、H+)的迁移有关[18]。其中,对于衬底温度200℃和400 ℃的Al2O3薄膜,在300～800 ℃范围内,其电阻温度曲线出现明显的波动。总体来说,衬底温度为300 ℃时的Al2O3薄膜的电阻温度曲线平滑,高温绝缘特性表现较好。

图6 不同衬底温度Al2O3薄膜电阻随加热温度的变化曲线Fig.6 Temperature dependence of electrical resistance for Al2O3thin films with different sputtering substrate temperature

2.3 薄膜传感器高温性能及分析

为了验证所制备Al2O3薄膜在应用中的绝缘效果,本文在带有Pt 底电极的陶瓷基底上制备了Al2O3薄膜绝缘层,并利用光刻图形化技术在其表面制备薄膜电阻温度传感器。薄膜电阻温度传感器使用Pt 作为传感器材料,其形状示意如图7 所示,电阻丝线宽为50 μm,端部Pad 为2 mm × 2 mm 大小,方便后续进行引线测试。

图7 电阻温度传感器的形状示意图Fig.7 Schematic of as-fabricated resistance temperature sensor(RTS)

测试过程中,将温度传感器放置于马弗炉中,通过铂引线接至炉外Victor VC9801A+型万用表进行测量。图8 所示薄膜温度传感器的电阻温度曲线,分别对应了200,300 和400 ℃衬底温度制备的Al2O3薄膜器件。从图中可以看出,在900 ℃以下,三种衬底温度Al2O3薄膜制备的温度传感器均呈现出较好的线性度。在900～1000 ℃,电阻温度曲线出现波动情况,这可能是因为薄膜绝缘电阻下降,或者Pt 晶格在高温下的缺陷造成的[19-20]。

图8 不同衬底温度Al2O3的薄膜传感器的电阻温度曲线Fig.8 Resistance-temperature curves of the RTSs fabricated with different Al2O3thin films

3 结论

研究表明,双离子束溅射沉积法能够制得表面平整、内部组织致密的Al2O3薄膜;300 ℃的衬底温度制备出的Al2O3薄膜的高温绝缘性表现最好,所制备2 μm 的单层Al2O3薄膜在室温下电阻可达2 GΩ,超过前人研究[13]中11 μm 的晶态YSZ/非晶YSZ/Al2O3复合薄膜(室温1.2 GΩ),在800 ℃温度下电阻为5 kΩ,其高温热稳定性在复合绝缘薄膜中还有很大的提升空间;最后,本文在双离子束溅射沉积Al2O3薄膜上制备的Pt 薄膜电阻温度传感器,在800 ℃以下具有良好的线性度。以上结果表明,双离子束溅射沉积的Al2O3薄膜作为高温绝缘层具有良好的高温稳定性,在复合高温绝缘层及高温传感器中具有重要的应用潜力和研究价值。