氮化鉭換能元的制備工藝研究

任小明，蘇 謙，解瑞珍，薛 艷，劉 蘭，劉 衛(wèi)

氮化鉭換能元的制備工藝研究

任小明，蘇 謙，解瑞珍，薛 艷，劉 蘭，劉 衛(wèi)

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安，710061）

開展了一種制備氮化鉭換能元的工藝研究，利用射頻電源濺射氮化鉭薄膜，采用剝離工藝制備氮化鉭換能元圖形，獲得滿足完整性、一致性和重復(fù)性要求的氮化鉭換能元。依據(jù)GJB/z377A-94感度試驗(yàn)用蘭利法，測得氮化鉭換能元發(fā)火能量為0.6mJ。

換能元；氮化鉭；MEMS；發(fā)火能量；工藝

隨著彈藥技術(shù)的信息化、小型化發(fā)展，對火工品提出了換能信息化、結(jié)構(gòu)微型化和序列集成化等新要求。同時(shí)，關(guān)于薄膜材料的深入研究及其制備工藝的發(fā)展，以及微機(jī)電（MEMS）加工技術(shù)的進(jìn)步，為MEMS火工品的發(fā)展提供了技術(shù)支持[1-2]。鎳-鉻(Ni-Cr)作為常用的薄膜電阻材料，因其高溫穩(wěn)定性差、可靠性差、易水解等缺點(diǎn)[3-4]，越來越不能滿足MEMS火工品惡劣環(huán)境發(fā)展的要求。而氮化鉭薄膜具有優(yōu)良的電學(xué)性能，穩(wěn)定的化學(xué)性能和熱性能，抗氧化腐蝕性能好等特點(diǎn)[5]，使其成為MEMS火工品中微結(jié)構(gòu)換能元的研究方向。

目前，氮化鉭薄膜主要采用磁控濺射工藝制備，以往的報(bào)道都是以金屬鉭作為靶材，通過控制N2/Ar比率來獲得的，結(jié)果表明，反應(yīng)氣氛對氮化鉭薄膜結(jié)構(gòu)、相組成及性能有重要影響[5-8]；關(guān)于氮化鉭薄膜圖形的制備，報(bào)道中顯示采用濕法刻蝕工藝，制備過程中，硝酸/氫氟酸配比、腐蝕液溫度、腐蝕時(shí)間等因素對氮化鉭薄膜圖形有重要影響[9]。

本文選用氮化鉭作為濺射靶材，利用射頻濺射設(shè)備制備氮化鉭薄膜，減少氮?dú)鈱Φg成膜的影響；利用剝離工藝（lift-off technology）制備氮化鉭換能元圖形，不需要考慮腐蝕液配比、溫度、時(shí)間等因素影響，從而保證氮化鉭換能元的完整性、一致性和重復(fù)性。

1 氮化鉭換能元的制備

1.1 氮化鉭換能元整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氮化鉭換能元的工作原理為電能轉(zhuǎn)換為熱能，外部電源通過焊盤對氮化鉭換能元提供電能，氮化鉭換能元將電能轉(zhuǎn)換為熱能，從而起爆下一級點(diǎn)火藥；氮化鉭換能元整體結(jié)構(gòu)由基體、中間層、發(fā)火層、焊盤層組成，示意圖見圖1所示。

圖1 氮化鉭換能元整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

基體的作用是作為支撐層，基體材料選用7740玻璃；中間層的作用是增加材料之間的黏附力，中間層材料選用鈦或鎳鎘；發(fā)火層材料為氮化鉭；焊盤層的作用是提高導(dǎo)電性能，焊盤材料選用金或銅。橋區(qū)形狀選用“工”字條形，示意圖見圖2。橋區(qū)的尺寸為0.15mm×0.15mm×1.4mm。

圖2 橋區(qū)形狀示意圖

1.2 氮化鉭換能元制備工藝

氮化鉭薄膜采用磁控濺射工藝制備，磁控濺射設(shè)備選用意大利KENOSISTEC公司KS60VR型。在薄膜沉積過程中，腔體真空度、濺射功率、濺射時(shí)間、Ar流量、基底溫度等參數(shù)都會(huì)影響成膜質(zhì)量。本文選用99.9%的氮化鉭作為靶材，腔體真空度為5×10-6Pa，濺射功率為200W，濺射時(shí)間為50min，Ar流量為60sccm，基底溫度為100℃。氮化鉭換能元制備工藝選用剝離工藝（lift-off technology），剝離工藝是指首先在基體上涂膠并光刻，然后再制備薄膜，在有光刻膠的地方，薄膜形成在光刻膠上，而沒有光刻膠的地方，薄膜直接形成在基片上，當(dāng)使用溶劑去除基片上的光刻膠時(shí)，不需要的薄膜就隨著光刻膠的溶解而脫離在溶劑中，而直接形成在基片上的薄膜部分則被保留下來形成圖像[10]。剝離工藝選用RN-246光刻膠，剝離工藝參數(shù)如表1所示。

表1 剝離工藝參數(shù)

Tab.1 Parameters of lift-off technology process

氮化鉭換能元制作流程如下：清洗7740玻璃→勻膠→前烘→光刻→后烘→顯影→堅(jiān)膜→吹干→濺射Ti薄膜→濺射TaN薄膜→剝離→清洗→吹干→勻膠→前烘→套刻→后烘→顯影→堅(jiān)膜→吹干→濺射Ti薄膜→濺射銅薄膜→剝離→清洗→吹干。氮化鉭換能元樣品如圖3所示。

圖3 氮化鉭換能元樣品圖

2 氮化鉭換能元的性能測試

2.1 氮化鉭薄膜的表面形貌

采用捷克TESCAN公司的VEGA TSS136XM型掃描電鏡，觀察氮化鉭薄膜，如圖4（a）所示。從圖4（a）可以看出氮化鉭薄膜在放大5×103倍時(shí)，薄膜表面光滑，顆粒細(xì)小，且非常均勻；圖4（b）為氮化鉭薄膜三維表面(AFM)圖，實(shí)驗(yàn)儀器為美國KEYSIGHT公司的Agilent5500型原子力顯微鏡，從圖4（b）可以看出氮化鉭薄膜均方根粗糙度為84nm，表明薄膜表面光滑。

圖4 氮化鉭薄膜的表面形貌

2.2 氮化鉭薄膜的發(fā)火測試

依據(jù)GJB/z 377A-94感度試驗(yàn)用蘭利法，對15發(fā)氮化鉭換能元的發(fā)火感度進(jìn)行測試，測得的平均電阻為11Ω，發(fā)火電壓12V，標(biāo)準(zhǔn)方差2.44V。點(diǎn)火裝藥采用斯蒂芬酸鉛，測試用起爆電路示意如圖5所示，發(fā)火電容是33μF。

圖5 起爆電路示意圖

2.3 氮化鉭薄膜的發(fā)火能量測試

電能計(jì)算公式為：

式（1）中：E（t）為熱量，J；U為電壓，V；I為電流，A；t為時(shí)間，s。由于電能是關(guān)于電壓、電流、時(shí)間的函數(shù)，通過積分功率曲線即可獲得氮化鉭換能元的發(fā)火能量，因此，采用電能可以進(jìn)行發(fā)火過程綜合評價(jià)。氮化鉭換能元發(fā)火能量測試示意圖如圖6所示，氮化鉭換能元的I——U曲線如圖7所示。

圖7 換能元的I——U曲線圖

氮化鉭換能元的發(fā)火能量積分圖如圖8所示。測試結(jié)果表明，氮化鉭換能元的發(fā)火能量為0.6mJ。

圖8 換能元的發(fā)火能量積分圖

3 結(jié)論

（1）探索了一種制備氮化鉭換能元的新工藝方法，此工藝采用氮化鉭作為靶材，射頻濺射薄膜，減少了工藝過程中氮?dú)庳?fù)薄膜生長過程中的影響，可以保證薄膜結(jié)構(gòu)的一致性；采用剝離工藝制備氮化鉭換能元圖形，減少了濕法刻蝕中腐蝕液配比、腐蝕溫度、腐蝕時(shí)間等因素的影響，可以保證氮化鉭換能元圖形滿足完整性、一致性和重復(fù)性要求。

（2）采用蘭利法對氮化鉭換能元進(jìn)行發(fā)火能量計(jì)算，結(jié)果顯示其發(fā)火能量為0.6mJ。

[1] 解瑞珍,任小明,等.NiCr橋膜換能元的制備[J].含能材料, 2010,19(5):584-587.

[2] 王述劍,彭泓錚,等.MEMS用含能薄膜研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].含能材料,2012,20(2): 234-239.

[3] Lai L，Wang J，Wang H，et al. Structures and properties of C -doped Ni-Cr thin film deposited by closed-field unbalanced magnetron sputtering[J].Journal of Electronic Materials,2017 (46):1-11.

[4] 楊俊鋒,丁明建,等.退火溫度對氮化鉭薄膜電阻器性能的影響[J].廣州化工,2018,46(14):39-41.

[5] 賈振宇,朱嘉琦,曹世成.反應(yīng)磁控濺射制備氮化鉭擴(kuò)散阻擋層的研究[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào),2012,32(8):751-757.

[6] 王煜明,騰鳳恩,等.離子束輔助沉積制備氮化鉭薄膜[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),1995,35(5):22-27.

[7] 張慶瑜,等.TaN薄膜的結(jié)構(gòu)成分及性能[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),1995,35(4):32-41.

[8] A.Engel, A. Aeschbacher,K.Inderbitzin, A.Schilling. Tantalum nitride superconducting single-photon detectors with low cut-off energy[J]. Appl. Phys. Lett,2012(100):062601 (1-3).

[9] 蔡賢耀,蔣洪川,閆裔超,等.(B/Ti)n/TaN薄膜點(diǎn)火橋的制備及點(diǎn)火性能研究[J].含能材料,2015,23(3):265-269.

[10] 苑偉政,喬大勇,等.微機(jī)電系統(tǒng)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社,2011.

Study on Preparation Technology of TaN Energy Transducer

REN Xiao-ming，SU Qian，XIE Rui-zhen，XUE Yan，LIU Lan，LIU Wei

(Science and Technology on Applied Physical Chemistry Laboratory, Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an, 710061)

The study on process for preparing TaN transducer was carried out, by RF magnetron sputtering, TaN thin-film was prepared, and the figure of TaN thin-film transducer was prepared by lift-off technology, so the samples satisfied completeness, consistency and repeatability requirements were obtained. According to the GJB /z377A-94 sensitivity test using the Langley method, the ignition energy of the TaN transducer was 0.6mJ.

Energy transducer；TaN；MEMs；Ignition energy；Process

TJ45+3

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2020.01.007

1003-1480（2020）01-0026-03

2019-12-30

任小明（1982 -），男，高級工程師，主要從事微火工技術(shù)研究。