非蒸散型薄膜吸气材料研究进展

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京有色金属研究总院先进电子材料研究所 作者:卜继国

  非蒸散型吸气薄膜是大型超高真空系统设备维持超高真空的重要材料,近来又成为基于物联网应用的MEMS器件维持可靠性和长寿命的关键材料。本文综述了非蒸散型薄膜吸气剂的基本原理、材料体系和制备技术,介绍了国内外吸气薄膜的材料现状、结构与性能、多功能化的最新进展,讨论了增大比表面积、调控纳米级精细结构的调控、实现多功能化和提高沉积精度是未来吸气薄膜技术的发展趋势。

  关键词:真空维持技术;非蒸散型吸气薄膜;磁控溅射法;纳米尺度精细结构;多层膜功能化

  上世纪90 年代末, 欧洲原子能中心(CERN) 在大型强子对撞机(LHC) 的真空管道中创造性运用了非蒸散型薄膜吸气材料而使之形成管道吸气泵[1],随后成为ESRF, ELETTRA,HLC,MAX Ò - Ó 等获得超高真空(UHV) 的关键技术[2-4] , 平面显示(FPDs) 设备所需的洁净或真空环境也常用吸气薄膜来维持[5] 。近年来, 微电子机械系统(MEMS) 技术使传统真空传感器更加微小型化并有显著的优势, 如体积更小、功耗更小、灵敏度更高、动态范围更好及生产成本降低[6] , 非蒸散型吸气薄膜因室温吸气速率及吸气量大、沉积精度高、空间占有率小、激活过程与封装键合工艺兼容, 在MEMS 惯性传感器(加速度计和陀螺仪) 、压力传感器、光学红外设备(光学开关、辐射热量计和红外图像传感器) 中获得了关键应用, 使其可靠性、稳定性与使用寿命显著提高[6-9] 。

  中国非蒸散型吸气薄膜在大型超高真空系统中的应用刚刚起步, 平面显示技术领域的应用还较少, 原因在于吸气材料体系、结构、吸气性能上与国外水平差距甚远。物联网技术正在发达国家兴起并纳入国家战略, 先进MEMS 传感器技术已形成垄断之势, 而非蒸散型薄膜吸气材料成为其显著的竞争优势, 也是我国当前亟待攻克的技术难题之一。本文综述了非蒸散型薄膜吸气材料的基本原理、材料体系与制备工艺, 介绍了国内外吸气薄膜的材料现状、结构与性能、功能化方面的研究进展, 展望了薄膜吸气材料未来的发展趋势。

薄膜吸气剂简介

吸气材料的基本原理

  吸气材料是在真空或惰性环境中吸收H2, O2,N2, CO, CO2,H2O 等活性气体的功能材料, 它一般分为蒸散型(Evaporable Getter) 和非蒸散型(Non-evaporableGetter) , 前者在蒸发( 散) 成膜时吸附活性气体, 后者在激活处理后显露活性表面时吸附活性气体, 表面吸附、表面与界面迁移、体扩散是其气体吸附行为的主要机制[10] 。吸气材料的气体固溶规律通常用Sievert 定律来描述[10-11] : lgp g= A + 2lnx a-B/T, 其中, p g 为气体压强, x a 为吸气材料内的气体原子分数, T 为温度, A 、B 是和吸气材料类型相关的常数。吸气材料在气体压强极小( < 10-8 Pa) 时仍有很大的气体固溶度, 即它能够吸收并固溶气体。激活是在真空或惰性环境下通过加热、通电、降压等方式使吸气材料表面重新显露出活性吸附位置及扩散通道的过程。激活时表现为表面吸附态气体、水分子脱附及碳氢化合物脱附或解吸, 钝化层中M-O键( M 为金属) 结合能出现不同程度的降低, 逐渐变为低价亚氧化物(Mn+ ) 和金属态(M0) , 同时氧原子、碳原子等向体内扩散, 表面氧含量逐渐减少, 金属碳化物易富集于表面亚层, 还可能伴随氢化物、氢氧化物等中间产物的生成和分解, 多元系有组元间的置换反应[ 12- 20] 。薄膜吸气材料通常由纳米尺度的晶粒( 2~5 nm) 组成, 大量晶界区域、空位、位错等缺陷能够固溶大量活性气体, 同时又是短路扩散的通道,它与块体吸气剂相比, 在较低温度下可完全激活。

薄膜吸气材料体系

  非蒸散型薄膜吸气材料的化学活性大、吸气平衡压低、饱和蒸气压低、能够多次激活、气体固溶度大及扩散速率高, 本身沉积精度可控、空间占有率小、低温激活特性与真空系统的烘烤过程兼容, 如T-i Zr-V 等, 部分体系的激活温度与封装键合工艺兼容( 键合温度300~ 500 e ) , 如Zr-V-Fe, Zr-Co-RE 等。表1 为国外常用吸气薄膜的材料体系, 激活温度, 性能评价及应用领域[ 1- 22] 。

  随着吸气材料应用领域的不断扩大和应用背景的变化, 非蒸散型吸气薄膜的材料体系不断推陈出新, 薄膜结构和形态不断得到优化, 沉积精度不断获得提高, 其激活温度不断降低, 吸气性能及功能设计更加灵活, 较好地满足了大型超高真空系统设备的真空设计要求, 也适应当今MEMS 封装微型化与精细化的趋势, 可知未来吸气薄膜的应用前景相当可观。吸气薄膜的制备要结合实验条件及设备的具体情况, 调控薄膜的纳米级精细结构, 关键在于利用原子阴影效应和控制沉积原子迁移及扩散。探索综合性能更优的新型材料体系、调控纳米级精细结构、进行多层膜功能化设计及继续提高沉积精度将是未来薄膜吸气材料及技术的发展趋势。

  Abstract: The latest progress in the field of the non-evaporable getter film materials was reviewed in a thought provoking way.The discussions centered on the gettering mechanisms of the NEG films,various types of NEG materials,advanced processing and functionalization technologies,and potential applications,particularly in packaging a variety of devices fabricated by micro-electro-mechanical-system technologies,now widely used in the assembling a variety of hardware for the Internet of things because of their high reliability and long life.In addition,the development trends in the research of the gettering materials,such as the nano-structure fabrication,increasing of specific surface,and functionalization,as well as its potential applications,were also tentatively discussed.

  Keywords: Vacuum maintaining technology,Non-evaporable getter films,Magnetron sputtering,Nano-scale fine structure,Multi-layer function

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