一种薄膜传感器用复合绝缘层及其制备方法
【专利摘要】一种薄膜传感器用复合绝缘层，属于薄膜传感器技术领域。包括四层结构，自下而上依次为非晶Al?O?N扩散阻挡层、Al?O?N至Al2O3过渡层、电子束蒸发Al2O3薄膜层、微晶Al2O3氧扩散阻挡层。本发明复合绝缘层中的非晶Al?O?N薄膜致密性好且呈非晶状态，对金属原子具有良好的扩散阻挡效果；过渡层能有效改善非晶Al?O?N层与Al2O3层间的附着力；Al2O3薄膜层之上的微晶层在高温下能有效阻止外界氧原子扩散进入Al?O?N层，保持了高温富氧环境中Al?O?N薄膜的非晶状态，使得复合绝缘层在高温富氧的工作环境中依然具有良好的绝缘性，有效保证了薄膜传感器在高温环境中的稳定性和使用寿命。
【专利说明】
一种薄膜传感器用复合绝缘层及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明主要致力于薄膜传感器的研究与制备，属于薄膜传感器技术领域，特别是 关于航空航天涡轮发动机叶片表面的薄膜传感器的研究，此类薄膜传感器可用于测量涡轮 叶片表面的温度、应力分布状况等，为发动机的研究与设计提供了相关的基础数据。
【背景技术】
[0002] 涡轮发动机是航空航天飞机的重要部件，发动机内部的涡轮叶片长期工作在燃气 燃烧而产生的高温、高压等恶劣环境中，叶片表面的应力、温度等分布情况很大程度上影响 了发动机的性能和寿命，因而对发动机涡轮叶片表面的温度、应力等分布状况的测量变得 至关重要。
[0003] 薄膜传感器可用于涡轮叶片表面参数的测量，其具有体积小(厚度为μπι量级）、质 量轻、响应快等诸多优点，已成为航空航天发动机涡轮叶片表面参数测量方法的首要选择。 薄膜传感器为多层薄膜结构，包括依次位于基底上的溅射沉积的NiCrAlY合金过渡层、热生 长ai 2〇3层、电子束蒸发ai2〇3绝缘层、薄膜传感器功能层和ai 2〇3保护层。其中，绝缘层对薄膜 传感器的可靠性和稳定性具有至关重要的影响，常规的绝缘层为电子束蒸发的单层ai 2〇3薄 膜，具有工艺简单、成膜速度快等优点，但是由于电子束蒸发沉积的ai2〇 3呈柱状生长，柱间 的阴影效应会产生较大的孔洞和间隙，而且在后续高温退火的过程中，由于非晶态ai2〇 3结 晶以及功能层与Al2〇3层之间的热膨胀系数的差异，应力释放会使ai2〇 3薄膜中出现微裂纹， 影响Al2〇3薄膜绝缘层的致密性。在后续的溅射制备贵金属功能层时，由于溅射出的金属原 子能量较高，极易穿透疏松的Al 2〇3绝缘层而与下层合金层导通，同时，薄膜传感器在高温环 境下工作，金属原子也容易扩散进入下层合金层，导致薄膜传感器失效。因此，如何阻止金 属原子扩散穿过绝缘层对于提高传感器的可靠性至关重要。
【发明内容】
[0004] 本发明针对上述【背景技术】中存在的缺陷，提出了一种新型的复合绝缘层及其制备 方法，本发明在热生长Al2〇3层上首先采用射频反应溅射生长一层非晶A1-0-N薄膜，然后再 溅射一层A1-0-N~Al 2〇3的成分渐变过渡层，再采用电子束蒸发沉积Al2〇3薄膜层，最后放入 真空环境中高温退火，即可在Al 2〇3薄膜层表面形成一层微晶ai2〇3层，得到复合绝缘层。本 发明提出的复合绝缘层中最下层的非晶A1-0-N薄膜作为金属原子扩散阻挡层，中间的过渡 层用于改善位于其下的A1-0-N层和位于其上的Al 2〇3层之间的附着力，上层的Al2〇3微晶层 用于阻挡氧原子向膜内扩散，该复合绝缘层有效阻止了金属原子的扩散，为薄膜传感器在 高温恶劣的环境中工作提供了更高的可靠性和稳定性。
[0005] 本发明的技术方案如下：
[0006] -种薄膜传感器用复合绝缘层，包括四层结构，自下而上依次为非晶A1-0-N扩散 阻挡层Α、Α1-0-Ν至Al 2〇3过渡层B、电子束蒸发Al2〇3薄膜层C、微晶Al2〇3氧扩散阻挡层D，其 中，所述非晶A1-0-N扩散阻挡层是在溅射气体为氩气、氮气和氧气的混合气体，溅射气压为 0.5~IPa，氩气分压P(Ar) = 4~8 X 10-ipa、氮气分压P(N2) = 0.6~1.8 X 10-ipa、氧气分压P(02) =1~5Xl(T3Pa，基底温度为100~300°C的条件下采用射频反应溅射的方法得到的；所述 A1-0-N至Al2〇3过渡层是在非晶A1-0-N扩散阻挡层沉积完成后，以5 X 10-4~1.5 X l(T3Pa/ min的速率逐渐减小溅射气体中氮气的分压，并保持制备非晶A1-0-N扩散阻挡层时的溅射 气压和氧氩比不变，持续溅射1~5h，直至氮气分压降为零，溅射得到的;所述微晶Al 2〇3氧扩 散阻挡层是将电子束蒸发沉积Al2〇3薄膜层后的复合基板置于真空度为l(T 3Pa以下的真空 退火炉中，在700~1200°C的温度下进行快速循环退火得到的。
[0007] 进一步地，所述非晶A1-0-N扩散阻挡层和A1-0-N至Al2〇3过渡层的制备过程具体 为:在真空度为l(T 3Pa以下的真空室通入氩气、氮气和氧气至溅射气压为0.5~IPa，其中，氩 气分压P(Ar) = 4~8 X 10-ipa、氮气分压P(N2) = 0.6~1.8 X 10-ipa、氧气分压P(Q2) = 1~5 X 10一 3Pa;然后以A1靶为靶材，在溅射功率为100~300W、基底温度为100~300°C的条件下，采用 射频反应溅射的方法在Al 2〇3热生长层上沉积厚度为0.1~Ιμπι的非晶A1-0-N薄膜，作为金属 原子的扩散阻挡层;然后，以5 X 10_4~1.5 X l(T3Pa/min的速率逐渐减小反应气氛中氮气的 分压，并保持制备非晶A1-0-N扩散阻挡层时的溅射气压和氧氩比不变，持续溅射1~5h，直 至氮气分压降为零，即可得到厚度为0.1~Ιμπι的A1-0-N到Al 2〇3成分渐变的过渡层。
[0008] 进一步地，所述电子束蒸发Al2〇3薄膜层和微晶Al2〇3氧扩散阻挡层的制备过程具 体为:将沉积有非晶A1-0-N扩散阻挡层和A1-0-N至Al 2〇3过渡层的复合基板置于背底真空度 为10_3Pa以下的真空室，在基板温度为200~600°C、电子束流为60~80mA的条件下，采用电 子束蒸发的方法蒸镀一层Al 2〇3绝缘层，蒸发制备Al2〇3层的厚度为1~16μπι;然后将沉积 Α12〇3薄膜层后的复合基板置于真空度为l(T3Pa以下的真空退火炉中，在700~1200°C的温 度下进行快速循环退火，即可得到微晶Al 2〇3氧扩散阻挡层。
[0009] 进一步地，所述非晶A1-0-N扩散阻挡层的厚度为0.1~Ιμπι，所述A1-0-N至Al2〇3过 渡层的厚度为0.1~lym，所述电子束蒸发AI2O3薄膜层的厚度为1~16μηι。
[0010] -种薄膜传感器用复合绝缘层的制备方法，包括以下步骤：
[0011]步骤1:在真空度为l(T3Pa以下的真空室通入氩气、氮气和氧气至溅射气压为0.5~ IPa，其中，氩气分压Ρ(α〇 = 4~8 X 10-^a、氮气分压卩_ = 0.6~1.8 X 10-^a、氧气分压卩_ =1~5X10_3Pa;然后以A1靶为靶材，在溅射功率为100~300W、基底温度为100~300°C的条 件下，采用射频反应溅射的方法在Al 2〇3热生长层上沉积厚度为0.1~Ιμπι的非晶A1-0-N薄 膜，作为金属原子的扩散阻挡层；
[0012] 步骤2:在步骤1沉积完非晶Α1-0-Ν薄膜后以5 X 10-4~1.5 X 10-3Pa/min的速率逐 渐减小反应气氛中氮气的分压，并保持制备非晶A1-0-N扩散阻挡层时的溅射气压和氧氩比 不变，持续溅射1~5h，直至氮气分压降为零，即可得到厚度为0.1~Ιμπι的A1-0-N到Al 2〇3成 分渐变的过渡层；
[0013] 步骤3:将步骤2处理后得到的复合基板置于背底真空度为l(T3Pa以下的真空室，在 基板温度为200~600°C、电子束流为60~80mA的条件下，采用电子束蒸发的方法蒸镀一层 Al2〇3绝缘层，蒸发制备Al2〇3层的厚度为1~16μπι;
[0014] 步骤4:将步骤3处理后得到的带Α12〇3薄膜的复合基板置于真空度为l(T3Pa以下的 真空退火炉中，在700~1200°C的温度下进行快速循环退火，即可得到微晶Al 2〇3氧扩散阻挡 层;从而得到本发明所述薄膜传感器用复合绝缘层。
[0015] 一种薄膜传感器，如图2所示，自下而上依次为合金基板l、NiCrAlY合金过渡层2、 热生长Al 2〇3层3、复合绝缘层4、薄膜传感器功能层5、Al2〇3保护层6,其中，复合绝缘层为上 述结构的复合绝缘层。
[0016] -种薄膜传感器的制备方法，具体包括以下步骤：
[0017] 步骤1、合金基板的表面处理:首先对合金基板进行抛光处理，然后依次采用丙酮、 乙醇和去离子水对合金基板的表面进行清洗，清洗后用氮气吹干备用；
[0018] 步骤2、在合金基板上沉积NiCrAlY合金过渡层:采用直流溅射的方法将NiCrAlY合 金沉积于经步骤1处理后的合金基板上，得到带NiCrAlY合金过渡层的复合基板；
[0019] 步骤3、Al2〇3热生长层的制备:将经步骤2处理后得到的复合基板置于真空热处理 炉内，在l(T 3Pa以下的真空环境及800~1200°C温度条件下析铝处理1~10h;然后，保持800 ~1200°C温度并通入氧气至常压，氧化处理1~10h，控温冷却至室温，得到带NiCrAlY合金 过渡层及Al 2〇3热生长层的复合基板；
[0020] 步骤4、非晶A1-0-N扩散阻挡层的制备:在真空度为l(T3Pa以下的真空室通入氩气、 氮气和氧气至溅射气压为0.5~IPa，其中，氩气分压Ρ(α〇 = 4~SXIO'a、氮气分压P(N2) = 0.6~1.8\10、&、氧气分压？(〇2) = 1~5\10，&;然后以41靶为靶材，在溅射功率为100~ 300W、基底温度为100~300°C的条件下，采用射频反应溅射的方法在经步骤3处理后得到的 复合基板上沉积厚度为0.1~lym的非晶A1-0-N薄膜，作为金属原子的扩散阻挡层；
[0021] 步骤5、Α1-0-Ν到Al2〇3成分渐变的过渡层的制备:在步骤4沉积完A1-0-N层后以5X 10-4~1.5Xl(T3Pa/min的速率逐渐减小反应气氛中氮气的分压，并保持步骤4中所述溅射 气压和氧氩比不变，持续溅射1~5h，直至氮气分压降为零，即可得到厚度为0.1~Ιμπι的A1-0-N到Al 2〇3成分渐变的过渡层；
[0022]步骤6、电子束蒸发Al2〇3薄膜层的制备:将经步骤5处理所得的复合基板置于背底 真空度为l(T3Pa以下的真空室，在基板温度为200~600 °C、电子束流为60~80mA的条件下， 采用电子束蒸发的方法蒸镀一层Al2〇3绝缘层，蒸发制备Al 2〇3层的厚度为1~16μπι;
[0023] 步骤7、微晶Α12〇3氧扩散阻挡层的制备:将步骤6得到的复合基板置于真空度为10 _3Pa以下的真空退火炉中，在700~1200°C的温度下进行快速循环退火，即可得到微晶Α1 2〇3 氧扩散阻挡层；
[0024] 步骤8、薄膜传感器功能层的制备:将步骤7得到的复合基板置于真空腔体中，采用 磁控溅射的方法在步骤7得到的复合基板上制备薄膜传感器功能层；
[0025]步骤9、Α12〇3保护层的制备:采用电子束蒸发的方法在薄膜传感器功能层的表面蒸 镀厚度为1~5μπι的Α12〇3保护层;从而得到本发明所述薄膜传感器。
[0026]进一步地，步骤1所述合金基板为镍基合金基板等。
[0027] 进一步地，步骤4和5中使用的Α1靶纯度不低于99.999wt %。
[0028] 进一步地，步骤6和步骤9所述制备Al2〇3薄膜层时，真空度为10-3~l(T 4Pa，采用的 是纯度不低于99.99wt%的高纯Al2〇3靶材。
[0029] 本发明的有益效果为：
[0030] 1、本发明提供了一种薄膜传感器用复合绝缘层，包括依次沉积于热生长Al2〇3层上 的非晶A1-0-N扩散阻挡层、A1-0-N至Al 2〇3过渡层、电子束蒸发Al2〇3薄膜层和微晶Al2〇3氧扩 散阻挡层;其中，A1-0-N非晶薄膜层提高了对金属原子的扩散阻挡效果，这是由于采用电子 束蒸发沉积的Al2〇3薄膜虽然具有成膜快、纯度高等优点，但是蒸发沉积的Al2〇3薄膜呈柱状 生长，柱间的阴影效应会产生缝隙和孔洞，致使沉积的Al2〇3薄膜致密性差，极易被金属原子 穿透，而本发明电子束蒸发Al 2〇3薄膜层之下的非晶A1-0-N薄膜采用溅射工艺制备，沉积过 程中原子打到衬底上时能量较高，沉积得到的薄膜致密性好，且由于制备得到的A1-0-N薄 膜呈非晶状态，并且在近l〇〇〇°C的高温环境下仍然保持非晶态，不存在多晶薄膜中的大角 度的晶界、晶粒长大和缺陷，因而对金属原子具有良好的扩散阻挡效果；因此，本发明非晶 A1-0-N薄膜层具有的致密结构可有效阻挡后续功能层溅射过程中金属原子向NiCrAlY合金 层的扩散，从而保证制备出的薄膜传感器在高温恶劣的使用环境中仍然具有较高的可靠 性。
[0031] 2、本发明薄膜传感器用复合绝缘层中的电子束蒸发Al2〇3薄膜层通过在真空高温 下循环退火处理，可以增大无定形的Al2〇3薄膜的形核速率，使Al2〇3薄膜表面形成较为致密 的微晶层，该微晶层相对于多晶Al2〇3薄膜的缺陷更少，结构更致密，在高温下能有效阻止外 界氧原子扩散进入A1-0-N层，从而保持了高温富氧环境中A1-0-N薄膜的非晶状态，而致密 的非晶A1-0-N层可以弥补Al 2〇3层结构疏松的缺陷，提高整个复合绝缘层抗金属原子穿透能 力，使得复合绝缘层在高温富氧的工作环境中依然具有良好的绝缘性，有效保证了薄膜传 感器在高温环境中的稳定性和使用寿命。
[0032] 3、本发明薄膜传感器用复合绝缘层中的A1-0-N至Al2〇3成分渐变的过渡层可以改 善非晶A1-0-N层与电子束蒸发Al2〇3层间的附着力，为薄膜传感器在高温恶劣的环境中工作 提供了更高的可靠性和稳定性。
[0033] 4、本发明中沉积于热生长Ah〇3层表面的A1-0-N非晶层可改善下层热生长Al2〇3层 的表面粗糙度，同时由于A1-0-N与Al2〇3层之间存在成分渐变的过渡层，因此可以提高复合 绝缘层的附着力。
【附图说明】
[0034] 图1为本发明提供的薄膜传感器用复合绝缘层的结构示意图（剖视图）；其中，A为 非晶A1-0-N扩散阻挡层、B为A1-0-N至Al 2〇3过渡层、C为电子束蒸发Al2〇3薄膜层、D为微晶 Al2〇3氧扩散阻挡层；
[0035] 图2为基于本发明复合绝缘层的薄膜传感器的结构示意图（剖视图）；其中，1为合 金基板、2为NiCrAlY合金过渡层、3为热生长Al 2〇3层，4为本发明中的复合绝缘层，5为传感器 功能层，6为AI2O3保护层；
[0036] 图3为实施例得到的复合绝缘层与相同厚度的电子束蒸发氧化铝绝缘层室温绝缘 性能对比曲线。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
[0038] -种基于本发明提供的复合绝缘层的薄膜传感器的制备方法，具体包括以下步 骤：
[0039] 步骤1、合金基板的表面处理:首先对合金基板进行抛光处理，然后依次采用丙酮、 乙醇和去离子水对合金基板的表面进行清洗，清洗后用氮气吹干备用；
[0040] 步骤2、在合金基板上沉积NiCrAlY合金过渡层:采用直流溅射的方法将NiCrAlY合 金沉积于经步骤1处理后的合金基板上，得到带NiCrAlY合金过渡层的复合基板；
[0041] 步骤3、Al2〇3热生长层的制备:将经步骤2处理后得到的复合基板置于真空热处理 炉内，在l(T 3Pa以下的真空环境及800~1200°C温度条件下析铝处理1~10h;然后，保持800 ~1200°C温度并通入氧气至常压，氧化处理1~10h，控温冷却至室温，得到带NiCrAlY合金 过渡层及Al 2〇3热生长层的复合基板；
[0042]步骤4、非晶A1-0-N扩散阻挡层的制备:在真空度为l(T3Pa以下的真空室通入氩气、 氮气和氧气至溅射气压为0.5~IPa，其中，氩气分压Ρ(α〇 = 4~SXIO'a、氮气分压P(N2) = 0.6~1.8\10、&、氧气分压？(〇2) = 1~5\10，&;然后以41靶为靶材，在溅射功率为100~ 300W、基底温度为100~300°C的条件下，采用射频反应溅射的方法在经步骤3处理后得到的 复合基板上沉积厚度为0.1~lym的非晶A1-0-N薄膜，作为金属原子的扩散阻挡层；
[0043] 步骤5、Α1-0-Ν到Al2〇3成分渐变的过渡层的制备:在步骤4沉积完A1-0-N层后以5X 10-4~1.5Xl(T3Pa/min的速率逐渐减小反应气氛中氮气的分压，并保持步骤4中所述溅射 气压和氧氩比不变，持续溅射1~5h，直至氮气分压降为零，即可得到厚度为0.1~Ιμπι的A1-0-N到Al2〇3成分渐变的过渡层；
[0044]步骤6、电子束蒸发Al2〇3薄膜层的制备:将经步骤5处理所得的复合基板置于背底 真空度为l(T3Pa以下的真空室，在基板温度为200~600 °C、电子束流为60~80mA的条件下， 采用电子束蒸发的方法蒸镀一层Al2〇3绝缘层，蒸发制备Al 2〇3层的厚度为1~16μπι;
[0045] 步骤7、微晶Α12〇3氧扩散阻挡层的制备:将步骤6得到的复合基板置于真空度为10 _3Pa以下的真空退火炉中，在700~1200°C的温度下进行快速循环退火，即可得到厚度为1~ ΙΟμπι的微晶Al2〇3氧扩散阻挡层；
[0046] 步骤8、薄膜传感器功能层的制备:将步骤7得到的复合基板置于真空腔体中，采用 磁控溅射的方法在步骤7得到的复合基板上制备薄膜传感器功能层；
[0047]步骤9、Al2〇3保护层的制备:将经步骤8处理所得的复合基板置于背底真空度为10 _3Pa以下的真空室，在基板温度为200~600°C、电子束流为60~80mA的条件下，采用电子束 蒸发的方法在薄膜传感器功能层的表面蒸镀厚度1~5μπι的Al 2〇3保护层;从而得到本发明所 述整个薄膜传感器结构。
[0048] 实施例
[0049]以镍基合金板作为待测合金基板，在其上制备带本发明中复合绝缘层的S型薄膜 热电偶的过程，具体包括以下步骤：
[0050] 步骤1、合金基板的表面处理:首先对尺寸为70mm X 15mm X 2mm的镍基合金基板表 面进行抛光处理，然后先后采用工业去油剂、丙酮、乙醇、去离子水浸泡镍基合金基板并超 声清洗各15min，清洗后用干燥氮气吹干表面并在150°C温度下烘干备用；
[00511步骤2、NiCrAlY合金过渡层的制备:将步骤1清洗干净的镍基合金基板置于背底真 空度为5.0 X 10_3Pa的真空环境中，通入纯度为99.999 % (体积百分比）的氩气作为溅射介 质，以NiCrAlY合金为靶材，在溅射气压为0.3Pa、溅射功率为500W、基底温度为450 °C的条件 下，采用直流溅射的方法将NiCrAlY合金沉积在经步骤1处理后的镍基合金基板上，沉积薄 膜厚度约为12mi，得到带NiCrAlY合金过渡层的复合基板；
[0052]步骤3、Al2〇3热生长层的制备:将步骤2得到的复合基板置于真空热处理炉内，在8 Xl(T4Pa以下的真空条件下、以5°C/min的速度升温至1000°C温度下析铝处理5小时；保持 1000°C温度不变并通纯度为99.999% (体积百分比）的氧气至常压，氧化处理5小时后，停止 加热并继续通入氧气的同时以5°C/min的速度控温冷却至室温止，得到表面带NiCrAlY合金 过渡层及Al 2〇3热生长层的复合基板；
[0053]步骤4、非晶A1-0-N金属原子扩散阻挡层的制备:将步骤3处理后得到的复合基板 置于背底真空度为8.0 X l(T4Pa的真空环境中，通入氧气、氮气和氩气作为溅射介质，溅射气 压为0 · 723Pa，其中氩气分压P(Ar) = 6 X 10-4a、氮气分压P_ = 1 · 2 X 10-4a、氧气分压P(02) =3 X l(T3Pa，在基底温度为100°C的条件下，以铝靶为靶材用300W的功率进行射频溅射沉积 3h，即可在经步骤3处理后得到的复合基板上沉积厚度约为300nm的非晶A1-0-N薄膜作为金 属原子扩散阻挡层；
[0054] 步骤5、Α1-0-Ν到Al2〇3成分渐变的过渡层的制备:在步骤4沉积完A1-0-N薄膜层后， 以1 X l(T3Pa/min的速率逐渐减小反应气氛中氮气的分压，在保持步骤4溅射气压和氧气氩 气的比例不变的条件下，持续溅射2h，沉积得到一层厚度约为200nm的A1-0-N到Al2〇3的成分 渐变的过渡层；
[0055]步骤6、电子束蒸发Al2〇3薄膜层的制备:将经步骤5处理所得的复合基板在背底真 空为8.0\10、&的条件下，采用纯度达99.999被％的41203为蒸镀原料，在500°(：基温、7511^ 电子束流的条件下采用电子束蒸发法蒸镀Al 2〇3,得到厚度约为ΙΟμπι的Al2〇3薄膜层；
[0056]步骤7、微晶Al2〇3氧扩散阻挡层的制备:将经步骤6处理所得的复合基板置于真空 度达6.0Xl(T4Pa以下的真空退火炉中，在1000°C的高温下进行5~6次快速循环退火，在 Al2〇3绝缘层表面生成一层微晶Al2〇3层作为氧扩散阻挡层；
[0057]步骤8、薄膜传感器功能层的制备:在背底真空为8.0 X l(T4Pa的条件下，以氩气为 溅射介质、分别以Pt和Pt/Rh为靶材，在基底温度为400°C，功率为120W，工作气压为0.4Pa的 条件下，采用射频磁控溅射的方法在复合绝缘层表面分别沉积厚度约为2μπι的Pt和Pt/Rh薄 膜电极作为薄膜热电偶的功能层；
[0058]步骤9、Al2〇3保护层的制备：在背底真空为8.0Xl(T4Pa的条件下，采用纯度为 99.999wt %的Al2〇3为蒸镀原料，在500 °C基底温度、75mA电子束流的条件下，采用电子束蒸 发法在薄膜传感器功能层的表面蒸镀厚度约3~4μπι的Al2〇3作为保护层;从而得到带有本发 明所述的复合绝缘层的S型薄膜热电偶。
[0059]进一步地，所述每一层薄膜在制备之前，均采用等离子体清洗复合基板约5min。
[0060] 对本实施例制备的复合绝缘层进行绝缘性能测试可知：室温下，该复合绝缘层的 阻值达到了 l〇GQ，相比于电子束蒸发的单层Al2〇3绝缘层，其电阻值提高了约4倍，并且当温 度达到800°C时，其阻值仍然达到了 2ΜΩ，比未采用该复合绝缘层的Al2〇3绝缘层的电阻提高 了两个数量级，完全满足传感器在高温情况下的使用，有效提高了薄膜传感器的稳定性和 可靠性。
[0061] 图3为实施例得到的复合绝缘层与相同厚度的电子束蒸发氧化铝绝缘层在室温下 的绝缘性能对比曲线。由图3可知，实施例得到的复合绝缘层与相同厚度的电子束蒸发氧化 铝绝缘层相比，室温下的电阻由2.5G Ω提高到10G Ω，电阻率从约1.19 X 1013 Ω *cm提高到约 4.57X1013Q*cm〇
[0062] 表1为实施例得到的复合绝缘层与相同厚度的电子束蒸发氧化铝绝缘层在100~ 800°C温度下的电阻值对比。从测试结果可以看出，实施例得到的复合绝缘层的高温绝缘电 阻相对于单层的氧化铝绝缘层有数量级上的提高，即使在温度达到800°C时，其阻值仍然达 到 了ΜΩ量级。
[0063]表 1
【主权项】
1. 一种薄膜传感器用复合绝缘层，包括四层结构，自下而上依次为非晶A1-0-N扩散阻 挡层、A1-0-N至Al2〇3过渡层、电子束蒸发Al 2〇3薄膜层、微晶Al2〇3氧扩散阻挡层，其中，所述 非晶A1-0-N扩散阻挡层是在溅射气体为氩气、氮气和氧气的混合气体，溅射气压为0.5~ IPa，氩气分压P(Ar) = 4~8 X 10-4a、氮气分压P_ = 0 · 6~1 · 8 X 10-中3、氧气分压卩_ = 1~ 5 X l(T3Pa，基底温度为100~300°C的条件下溅射得到的;所述A1-0-N至Al2〇3过渡层是在非 晶A1-0-N扩散阻挡层沉积完成后，以5 X 10-4~1.5 X l(T3Pa/min的速率逐渐减小溅射气体 中氮气的分压，并保持制备非晶A1-0-N扩散阻挡层时的溅射气压和氧氩比不变，持续溅射1 ~5h，直至氮气分压降为零得到的；所述微晶Al 2〇3氧扩散阻挡层是将电子束蒸发沉积Al2〇3 薄膜层后的复合基板置于真空度为l(T 3Pa以下的真空退火炉中，在700~1200°C的温度下进 行快速循环退火得到的。2. 根据权利要求1所述的薄膜传感器用复合绝缘层，其特征在于，所述非晶A1-0-N扩散 阻挡层和A1-0-N至Al2〇3过渡层的制备过程具体为:在真空度为l(T 3Pa以下的真空室通入氩 气、氮气和氧气至溅射气压为0.5~IPa，其中，氩气分压Ρ(α〇 = 4~SXK^Pa、氮气分压P(N2) =0.6~1.8\10、&、氧气分压？_ = 1~5\10_￥&;然后以41靶为靶材，在溅射功率为100 ~300W、基底温度为100~300 °C的条件下，采用射频反应溅射的方法在Al2〇3热生长层上沉 积厚度为〇. 1~Ιμπι的非晶A1-0-N薄膜，作为金属原子的扩散阻挡层;然后，以5X 10-4~1.5 Xl(T3Pa/min的速率逐渐减小反应气氛中氮气的分压，并保持制备非晶Α1-0-Ν扩散阻挡层 时的溅射气压和氧氩比不变，持续溅射1~5h，直至氮气分压降为零，即可得到厚度为0.1~ Ιμπι的A1-0-N到Al2〇3成分渐变的过渡层。3. 根据权利要求1所述的薄膜传感器用复合绝缘层，其特征在于，所述电子束蒸发Al2〇3 薄膜层和微晶Al 2〇3氧扩散阻挡层的制备过程具体为:将沉积有非晶A1-0-N扩散阻挡层和 A1-0-N至Al2〇3过渡层的复合基板置于背底真空度为l(T3Pa以下的真空室，在基板温度为 200~600°C、电子束流为60~80mA的条件下，采用电子束蒸发的方法蒸镀一层Al 2〇3绝缘层， 蒸发制备Al2〇3层的厚度为1~16μπι;然后将沉积Al2〇3薄膜层后的复合基板置于真空度为10 _ 3Pa以下的真空退火炉中，在700~1200°C的温度下进行快速循环退火，即可得到微晶Al2〇3 氧扩散阻挡层。4. 根据权利要求1所述的薄膜传感器用复合绝缘层，其特征在于，所述非晶A1-0-N扩散 阻挡层的厚度为0.1~lym，所述A1-0-N至AI2O3过渡层的厚度为0.1~Ιμπι，所述电子束蒸发 AI2O3薄膜层的厚度为1~16μηι。5. -种薄膜传感器用复合绝缘层的制备方法，包括以下步骤： 步骤1:在真空度为l(T3Pa以下的真空室通入氩气、氮气和氧气至溅射气压为0.5~IPa， 其中，氩气分压P(Ar) =4~8 X 10-4a、氮气分压P_ = 0 · 6~1 · 8 X 10-4a、氧气分压P(Q2) = 1 ~5X10_3Pa;然后以A1靶为靶材，在溅射功率为100~300W、基底温度为100~300°C的条件 下，采用射频反应溅射的方法在Al 2〇3热生长层上沉积厚度为0.1~lwii的非晶A1-0-N薄膜， 作为金属原子的扩散阻挡层； 步骤2:在步骤1沉积完非晶A1-0-N薄膜后以5 X ΚΓ4~1.5 X l(T3Pa/min的速率逐渐减小 反应气氛中氮气的分压，并保持制备非晶A1-0-N扩散阻挡层时的溅射气压和氧氩比不变， 持续溅射1~5h，直至氮气分压降为零，即可得到厚度为0.1~Ιμπι的A1-0-N到Al 2〇3成分渐变 的过渡层； 步骤3:将步骤2处理后得到的复合基板置于背底真空度为l(T3Pa以下的真空室，在基板 温度为200~600°C、电子束流为60~80mA的条件下，米用电子束蒸发的方法蒸镀一层AI2O3 绝缘层，蒸发制备Al2〇3层的厚度为1~16μπι; 步骤4:将步骤3处理后得到的带Α12〇3薄膜的复合基板置于真空度为l(T3Pa以下的真空 退火炉中，在700~1200Γ的温度下进行快速循环退火，即可得到微晶Al2〇3氧扩散阻挡层； 从而得到本发明所述薄膜传感器用复合绝缘层。6. -种薄膜传感器，自下而上依次为合金基板（l)、NiCrAlY合金过渡层（2)、热生长 Al2〇3层(3)、复合绝缘层(4)、薄膜传感器功能层(5)、Al2〇3保护层(6)，其中，所述复合绝缘 层为权利要求1至4中任一项所述的复合绝缘层。7. -种薄膜传感器的制备方法，具体包括以下步骤： 步骤1、合金基板的表面处理:首先对合金基板进行抛光处理，然后依次采用丙酮、乙醇 和去离子水对合金基板的表面进行清洗，清洗后用氮气吹干备用； 步骤2、在合金基板上沉积NiCrAlY合金过渡层:采用直流溅射的方法将NiCrAlY合金沉 积于经步骤1处理后的合金基板上，得到带NiCrAlY合金过渡层的复合基板； 步骤3、Al2〇3热生长层的制备:将经步骤2处理后得到的复合基板置于真空热处理炉内， 在l(T3Pa以下的真空环境及800~1200°C温度条件下析铝处理1~10h;然后，保持800~1200 °(：温度并通入氧气至常压，氧化处理1~10h，控温冷却至室温，得到带NiCrAlY合金过渡层 及Al 2〇3热生长层的复合基板； 步骤4、非晶A1-0-N扩散阻挡层的制备:在真空度为l(T3Pa以下的真空室通入氩气、氮气 和氧气至溅射气压为0.5~IPa，其中，氩气分压P(a〇 = 4~8 X H^Pa、氮气分压P(_ = 0.6~ 1 · 8 X 10、&、氧气分压P(Q2) = 1~5 X 10_3Pa;然后以A1靶为靶材，在溅射功率为100~300W、 基底温度为100~300°C的条件下，采用射频反应溅射的方法在经步骤3处理后得到的复合 基板上沉积厚度为0.1~lym的非晶A1-0-N薄膜，作为金属原子的扩散阻挡层； 步骤5、Α1-0-Ν到Al2〇3成分渐变的过渡层的制备:在步骤4沉积完A1-0-N层后以5ΧΠΓ4 ~1.5 X 1 (T3Pa/min的速率逐渐减小反应气氛中氮气的分压，并保持步骤4中所述溅射气压 和氧氩比不变，持续溅射1~5h，直至氮气分压降为零，即可得到厚度为0.1~Ιμπι的A1-0-N 到Α12〇3成分渐变的过渡层； 步骤6、电子束蒸发Α12〇3薄膜层的制备:将经步骤5处理所得的复合基板置于背底真空 度为l(T3Pa以下的真空室，在基板温度为200~600 °C、电子束流为60~80mA的条件下，采用 电子束蒸发的方法蒸镀一层Al2〇3绝缘层，蒸发制备Al 2〇3层的厚度为1~16μπι; 步骤7、微晶Α12〇3氧扩散阻挡层的制备:将步骤6得到的复合基板置于真空度为l(T3Pa以 下的真空退火炉中，在700~1200°C的温度下进行快速循环退火，即可得到微晶Al2〇3氧扩散 阻挡层； 步骤8、薄膜传感器功能层的制备:将步骤7得到的复合基板置于真空腔体中，采用磁控 溅射的方法在步骤7得到的复合基板上制备薄膜传感器功能层； 步骤9、Al2〇3保护层的制备:采用电子束蒸发的方法在薄膜传感器功能层的表面蒸镀厚 度为1~5μπι的Al2〇3保护层;从而得到本发明所述薄膜传感器。8. 根据权利要求7所述的薄膜传感器的制备方法，其特征在于，步骤1所述合金基板为 镍基合金基板。9. 根据权利要求7所述的薄膜传感器的制备方法，其特征在于，步骤4和5中使用的A1靶 纯度不低于99.999wt%。10. 根据权利要求7所述的薄膜传感器的制备方法，其特征在于，步骤6和步骤9所述制 备Al2〇3薄膜层时，真空度为ΚΓ 3~l(T4Pa，采用的是纯度不低于99.99wt%的高纯Al2〇3靶材。
【文档编号】C23C14/30GK105970168SQ201610524876
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月4日
【发明人】赵晓辉, 李海涛, 蒋洪川, 张万里
【申请人】电子科技大学, 东莞电子科技大学电子信息工程研究院