Evanohm合金的雙環(huán)線型微加熱器特性研究*

仲逸飛， 劉景全

(上海交通大學 微納科學技術研究院 微米/納米加工技術國家重點實驗室薄膜與微細技術教育部重點實驗室，上海 200240)

0 引 言

隨著電子器件的微型化，越來越多的研究致力于使用薄膜材料代替塊狀材料和線型材料[1～8]。NiCr合金是微電子器件領域廣泛研究的薄膜材料之一。Evanohm合金(Ni75Cr20Cu2.5Al2.5)是一種以Ni、Cr金屬為主的合金材料。在相關的研究中，研究者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，該合金可適用于制造標準電阻，因其有良好的電學和機械性能，例如良好的長期穩(wěn)定性、高電阻率以及較低的電阻溫度系數(shù)。目前，多個研究組正在對低溫電阻器進行研究[9～12]，期望獲得較高的低溫電阻率(大約為150×10-8Ω·m)和較低的溫度系數(shù)。Evanohm合金電阻對于不同的低溫應用，尤其是精密電氣計量至關重要。在電子器件微型化領域的研究中，研究者發(fā)現(xiàn)，環(huán)線結構的薄膜電阻導線會產(chǎn)生磁場，這對器件性能有所影響。

本文中采用雙環(huán)線結構來抵消金屬引線帶來的磁場，增強器件在應用時的穩(wěn)定性。將Evanohm合金材料與雙環(huán)線結構相結合，以MEMS工藝為基本手段，制作出新型微型加熱器，并探求此種微型加熱器在常溫及深低溫條件下的電學性能與加熱性能，希望能得到在特定條件下更為穩(wěn)定的器件。

1 結構設計

本文設計加熱器基本尺寸為1 mm×0.8 mm×0.2 mm(長×寬×厚)。薄膜方塊電阻約為Rs=5Ω/sq，加熱單元線寬W均為0.02 mm，本文設計雙環(huán)線結構如圖1所示(由左到右，依次命名為結構a、結構b、結構c)。

圖1 加熱器設計圖由左到右，依次命名為結構a、結構b、結構c

加熱器采用對稱的環(huán)線型結構，這種設計可以有效避免加熱器線圈帶來的磁場干擾。三個結構都運用到并聯(lián)設計，這是為了在通過增加環(huán)形線圈數(shù)來增加加熱面積的同時，使器件電阻不要過大，避免加熱性能下降。加熱單元均勻地分布在整個襯底上方，實現(xiàn)溫度場的均勻分布。

三個結構的有效加熱單元長度分別為L1=1.01 mm,L2=1.835 mm,L3=3.21 mm，根據(jù)電阻計算公式R=Rs×L/W，考慮并聯(lián)電阻關系之后，計算出加熱器常溫條件下的整體電阻值理論值分別為R1=63 Ω,R2=229 Ω,R3=401 Ω。

本文模擬了當外界溫度為 20 ℃，加熱器外加電壓為1 V時,加熱器的溫度場分布，其底面溫度場分布如圖2所示，由圖2可知，外加電壓時，三種設計圖形都較好地實現(xiàn)了溫度場的均勻分布，實現(xiàn)被加熱物體均勻加熱。而在同樣的外加電壓下，結構a的最高加熱溫度幾乎是其他兩種結構的2倍，這主要是得益于其四并聯(lián)的結構設計，最大程度降低了電阻。

圖2 加熱器溫度場分析仿真

2 加工工藝

首先，用三英寸的硅片(雙拋)為基底，對其進行清洗。清洗后需要確保硅片表面沒有附著物，附著物會影響下一步薄膜的制備。

其次，使用SPF210H AC磁控濺射機進行薄膜濺射。用純度為99.995 % 的Evanohm 合金為靶材制備加熱器薄膜。加熱器的基底材料選擇主要考慮應具備較好的熱傳導能力，因此選用Si為基底材料。經(jīng)過多次的實驗探索，最終確定了獲得良好致密性和一致性薄膜的最佳濺射條件。濺射過程中腔室的本底真空度為4×10-4Pa，Ar流速為4 cm3/min，工作壓強為0.21 Pa，濺射功率為100 W，濺射時間為 60 min。Evanohm合金薄膜的厚度為600 nm。

通過濺射完成薄膜制備之后，需對正面Evanohm薄膜進行圖形化。先在Evanohm薄膜表面旋涂一層厚度為5 μm的AZ4620正性光刻膠，在90 ℃烘箱前烘2 h之后，通過紫外光接觸式曝光50 s后顯影，顯影時間為90 s，再在60 ℃烘箱后烘10 min。完成光刻膠制備之后，利用離子銑刻蝕，對Evanohm薄膜進行圖形化刻蝕，刻蝕完成之后用丙酮浸泡，并重復清洗步驟，洗去殘余的光刻膠。此時完成了Evanohm薄膜的圖形化過程。

接下來需要利用Lift-off工藝為微加熱器制造電極。重復旋涂光刻膠的步驟，旋涂2 μm的正性光刻膠,前烘之后通過紫外光接觸式曝光50 s后顯影、后烘。接下來通過磁控濺射在圖形化的光刻膠之上濺射Au/Cr薄膜，先以Cr為靶材，功率80 W條件下濺射2 min，沉積20 nm厚的Cr薄膜，之后，再以Au為靶材，功率100 W條件下濺射4 min，沉積200 nm厚的Au薄膜。完成之后放于丙酮中浸泡，適度超聲。隨著光刻膠洗去，部分Au/Cr薄膜脫落，即通過Lift-off工藝完成了Au/Cr薄膜的圖形化。微加熱器的電極部分制備完成。Lift-off工藝之后，繼續(xù)重復清洗步驟，洗去多余的殘留物。

完成以上步驟，即完成了微加熱器的流片制備工作。接下來需要將整體硅片進行切割，利用砂輪切割機按照對準標記進行切割，形成1 mm×0.8 mm尺寸的微型器件。整個加工流程圖與實物圖如圖3、圖4所示。

圖3 加熱器微加工工藝流程圖

圖4 加熱器實物

3 實驗結果與討論

3.1 常溫下的加熱性能

結構不同的加熱器在同樣條件下的加熱性能并不相同。將加熱器固定在樣品托上，通過打線的方式在加熱器電極上外加電壓，用紅外線熱成像儀對準樣品，檢測加熱器的溫度變化。用相同條件下，加熱器溫度穩(wěn)定后所能達到的最高溫度來表征加熱器的加熱性能。

圖5為室溫20 ℃下，三種結構(結構a，結構b，結構c)的加熱器在外加3 V的電壓，升溫至穩(wěn)定狀態(tài)后拍攝的紅外熱成像圖片。通過圖片不難看出，得益于雙環(huán)線型的結構設計，加熱器的加熱狀態(tài)都相對均勻，沒有明顯的熱噪點。

圖5 3V電壓下微加熱器紅外輻射溫度圖(由左到右，依次為結構a，結構b，結構c)

此外，如圖5所示，在相同環(huán)境，結構a所能到達的最高溫度為138.3 ℃，結構b所能到達的最高溫度為45.9 ℃，結構c所能達到的最高溫度為35.1 ℃。對比三者的電阻大小，可以初步認識到，微型加熱器加熱性能與整體電阻大小成負相關關系。即電阻最小的微電阻器(結構a)加熱性能最優(yōu)。

3.2 常溫環(huán)境下的電學性能

針對結構a型微型加熱器進行電學性能探求。

常溫下，電阻與溫度呈顯著的線性關系,如圖6。

圖6 常溫環(huán)境下，不同溫度的電阻

在不同溫度下，根據(jù)加熱器的電阻溫度關系計算了不同溫度條件下的TCR值，TCR的計算公式為

TCR(K-1)=(Rt-R0)/[(Tt-T0)R0]

式中Rt為在溫度t下加熱器的電阻值，R0為在初始溫度下加熱器的電阻值。計算結果如圖6所示，可見，整體加熱器的TCR值在9.7×10-5K-1的水平，而常見的各類金屬的TCR值在10-3K-1水平，因此從溫度穩(wěn)定性來講，本加熱器的溫度穩(wěn)定性明顯優(yōu)于普通器件，這主要歸功于Evanohm材料的使用。另外，通過圖7顯示，加熱器的TCR隨溫度變化不明顯，在330～460 K范圍內，d(TCR)/dT=8.62×10-8，由此可見，溫度變化下，樣品的TCR值是相當穩(wěn)定的。

圖7 常溫環(huán)境下，不同溫度下的TCR

3.3 低溫下的電學性能

利用低溫平臺，將加熱器放于低溫環(huán)境中測試探求其電學性能。

測試得到的R-T曲線如圖8所示。以常溫下的電阻為基準，在5～300 K的溫度區(qū)間內，加熱器的電阻總體變化在2 %以內，其變化趨勢是非線性的，從圖8可以看出，電阻首先隨著從室溫冷卻而降低，在40 K左右的溫度下呈現(xiàn)最小值，然后隨著溫度的進一步降低而增加。相似的最小值也曾被其他學者針對鎳鉻材料的相關研究中被觀察過，被稱為Kondo最小值。不過針對于鎳鉻材料的Kondo最小值大約在30 K，而本器件處于40 K，這一偏差可能是材料中成分比重差別與器件結構差別帶來的影響。

圖8 深低溫環(huán)境下,電阻隨溫度變化情況

經(jīng)過計算，[5,300]K的溫度范圍，微加熱器的平均溫度系數(shù)為6.5×10-5K-1，并且在[35,55]K的溫度范圍內，器件的平均溫度系數(shù)達到8.9×10-6K-1，如圖9所示。對比常見金屬的溫度系數(shù)(10-3)，可以發(fā)現(xiàn)微加熱器表現(xiàn)出的電阻穩(wěn)定性是十分優(yōu)異的,在特定溫區(qū)尤為突出。

圖9 [35,55]K溫度區(qū)間內的TCR變化

4 結 論

本文研究了基于Evanohm合金材料(Ni75Cr20Cu2.5Al2.5)的薄膜微加熱器。為了得到更好的加熱性能與更穩(wěn)定的電學性能，設計了特定的結構。利用MEMS工藝制造之后，分別在常溫與低溫下測試其加熱性能與電學性能，發(fā)現(xiàn)本器件有相對均勻的加熱特性，并且在常溫與低溫下都有著良好的電阻穩(wěn)定性。并且通過低溫測試，發(fā)現(xiàn)該器件在40 K的溫度下能達到電阻最小值，并且器件能在較寬低溫區(qū)保持優(yōu)異的電阻值穩(wěn)定性。在[5,300]K的溫度區(qū)間內，加熱器的電阻變不超過2 %。在[35,55]K溫度范圍內，器件平均溫度系數(shù)可以降至8.9×10-6K-1。這一研究結果為未來尋求特定溫度條件下的高穩(wěn)定性的薄膜加熱器有參考意義。