CN109913803A

CN109913803A - 一种图案化电阻薄膜电热元器件的制备方法

Info

Publication number: CN109913803A
Application number: CN201910207083.4A
Authority: CN
Inventors: 王鹏; 乔丽; 柴利强; 张瀚文
Original assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Current assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority date: 2019-03-19
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2019-06-21

Abstract

本发明公开了一种图案化电阻薄膜电热元器件的制备方法，是将镂空图案化掩膜板覆于氮化硅衬底上，通过物理气相沉积法先使用200~300W直流电源溅射钛靶，在氮化硅衬底上沉积钛膜，再使用180~220W直流电源溅射铂靶，在钛膜上沉积铂膜，得到图案化铂钛多层薄膜的电热元器件。本发明制备的图案化电热元器件的图案化薄膜膜基结合力高，器件通电后电阻值变化微小、升温速率快、铂与钛薄膜界面及电阻特性保持稳定，兼具优异的电学和力学性能，提高了图案化电阻薄膜器件综合服役性能，而且其工艺简单、成分可控、特别适用于在复杂环境下服役的航天器展开热刀装置。

Description

一种图案化电阻薄膜电热元器件的制备方法

技术领域

本发明涉及一种图案化电阻薄膜电热元器件的制备方法，主要作为热刀锁紧释放装置的电热元器件，属于电阻薄膜材料与电热元器件技术领域。

背景技术

热刀式锁紧释放技术主要是利用刀片形结构的高温共烧陶瓷电热元件来切断凯夫拉绳（熔点大于500℃），来实现航天器本体和附件之间或部件与部件之间的分离，以达到航天器入轨后对附件的释放。以荷兰航天的热刀驱动型锁紧分离机构为代表，它基于电加热热刀来熔断线束的原理，表现出了很强的应用前景，目前已在卫星释放分离、太阳电池阵展开、天线展开、空间机械手释放等方面得到应用。但是，现有的电热锁紧分离机构存在着一些缺点，如电热元件工艺复杂、释放所需功耗较多等，这些因素都在严重制约着热刀式锁紧释放装置的应用。

作为热刀锁紧释放装置中提供热源的核心器件，电热元器件结构及界面设计起到非常重要的作用。传统方法大多采用高温共烧陶瓷片作为电热元器件，但其功耗较大。近年来普遍使用涂覆有电路图案的金属薄膜电阻单元。目前在制备图案化金属薄膜时，多采用光刻蚀化学图案化或印刷图案化含金属薄膜，但此种方法导致的后续除胶过程的不稳定性、膜基结合力差、通电加热过程中电阻变化不可控以及高温失效等因素，从而影响航天器附件释放及在轨正常展开动作执行。

发明内容

本发明的目的是针对目前制备图案化金属薄膜存在的问题，提供一种电学和力学性能优良的图案化电阻薄膜电热元器件的制备方法。

一、图案化电阻薄膜电热元器件的制备

本发明图案化电阻薄膜电热元器件的制备方法，是将镂空图案化掩膜板覆于氮化硅衬底上，通过物理气相沉积法先使用直流电源溅射钛靶，在氮化硅衬底上沉积钛膜，再使用直流电源溅射铂靶，在钛膜上沉积铂膜，得到图案化铂钛多层薄膜的电热元器件（如图2所示）。

其中，镂空图案化掩膜板是厚度为0.1~0.3mm的不锈钢，其上刻蚀出镂空电阻电路图案（如图1所示）。氮化硅衬底的成分是Si₃N₄。在沉积钛和铂薄膜前，先用氩等离子体刻蚀氮化硅衬底5~10分钟，使用偏压-500 ~ -600V去除衬底表面自然氧化层。

钛靶、铂靶的纯度均为99.99%。

物理气相沉积钛膜的过程中：氩气流量为19~21sccm，氩等离子体工作气压为6.5~8.5×10^-1Pa，沉积温度为120~160℃，钛靶功率为200~300W，沉积时间为2~4min；钛膜的厚度为100~200nm。

物理气相沉积铂膜的过程中，氩气流量为38~42sccm，氩等离子体工作气压为4.5~5.5×10^-1Pa，沉积温度为120~160℃，铂靶功率为180~220W，沉积时间为20~37min；铂膜的厚度为500~900nm。

二、图案化电阻薄膜电热元器件的性能测试

1、力学性能测试

测试在MFT-4000 材料表面性能试验仪上进行。测试条件：室温下加载速度100N/min，划痕长度5mm，终止载荷100N。图3为上述制备的图案化薄膜电阻器件加载至100N下的划痕实验结果。由图3可知，基于电阻薄膜的图案化电热元器件兼具优异的电学和力学性能，而且制备的图案化薄膜膜基结合力高。

2、电流和电阻测试

将图案化电热元器件装入石英管中，图案电阻电路两端分别连接直流电源正负极接线柱，并分别在大气和真空环境下进行通电测试。通电实验参数为：大气或真空度为1~5×10^- ⁶Pa的真空室，直流电源提供11.5~12.5V电压。采用数字万用表测试通电前后图案化器件的薄膜电阻。图4为图案化薄膜电阻器件分别在大气和真空环境下11.5~12.5V通电后电流和电阻测试结果。图4显示，器件通电后电阻值变化微小、升温速率快、铂与钛薄膜界面及电阻特性保持稳定，提高了图案化电阻薄膜器件综合服役性能。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、通过选择与氮化硅基片具有良好相容性及结合力的金属钛作为图案化薄膜膜基过渡层，引入多层化薄膜结构，解决了铂钛图案化薄膜各组分之间在膜基结合、热膨胀系数和组分相容匹配性等理化性能方面的问题；兼具优异的电学和力学性能;

2、通过对图案化掩膜板的设计如对掩膜板厚度、电阻电路长度和面积、电路图案间距等参数的调控，解决了磁控溅射结合掩膜板沉积金属薄膜过程中引起的镀层不均匀、通电实验后电阻值变化大等问题；

3、制备的基于电阻薄膜的图案化电热元器件兼具优异的电学和力学性能：图案化薄膜膜基结合力高，器件通电后电阻值变化微小、升温速率快、铂与钛薄膜界面及电阻特性保持稳定，提高了图案化电阻薄膜器件综合服役性能；

4、采用物理气相沉积，先后在氮化硅衬底上沉积钛和铂薄膜，得到基于电阻薄膜的图案化电热元器件，其操作简单、工艺可控，可大规模制备，特别适用于在复杂环境下服役的航天器展开热刀装置。

附图说明

图1本发明制备图案化薄膜电阻器件的掩膜板设计图。

图2本发明制备图案化薄膜电阻器件的工艺流程示意图。

图3本发明制备的图案化薄膜电阻器件加载至100N下的划痕实验结果。

图4本发明制备的图案化薄膜电阻器件分别在大气、真空环境下12V通电后电流和电阻测试结果。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明基于电阻薄膜的图案化电热元器件的制备和性能作进一步说明。

实施例 1

选用厚度为0.1 mm的不锈钢掩膜板，并在掩膜板上刻蚀出镂空电阻电路图案（如图1所示）。

将镂空图案化掩膜板覆于氮化硅衬底上（掩膜板与氮化硅衬底的尺寸一致），通过物理气相沉积设备，在氮化硅衬底上沉积一层钛膜：氩气流量为20sccm，氩等离子体工作气压为7.5×10^-1Pa，沉积温度为150℃，钛靶功率为250W，沉积时间为3min；钛膜的厚度为150nm。再在钛膜上沉积一层铂膜：氩气流量为40sccm，氩等离子体工作气压为5.0×10^-1Pa，沉积温度为150℃，铂靶功率为200W，沉积时间为25min；铂膜的厚度约为600nm。

图案化薄膜电阻器件的性能：分别使用MFT-4000 材料表面性能试验仪和万用数字电表测试材料的结合力和电阻值。制备的图案化薄膜电阻器件的涂层与基底的结合力为37N，电阻值为5.3Ω。

实施例 2

选用厚度为0.3mm的不锈钢掩膜板，并在掩膜板上刻蚀出镂空电阻电路图案（如图1所示）。

制备的图案化薄膜电阻器件的涂层与基底的结合力为46N，电阻值为4.7Ω。

实施例 3

将镂空图案化掩膜板覆于氮化硅衬底上（掩膜板与氮化硅衬底的尺寸一致），通过物理气相沉积设备，在氮化硅衬底上沉积一层钛膜：氩气流量为20sccm，氩等离子体工作气压为7.5×10^-1Pa，沉积温度为150℃，钛靶功率为250W，沉积时间为6min；钛膜的厚度为300nm。再在钛膜上沉积一层铂膜：氩气流量为40sccm，氩等离子体工作气压为5.0×10^-1Pa，沉积温度为150℃，铂靶功率为200W，沉积时间为37min；铂膜的厚度约为900nm。

制备的图案化薄膜电阻器件的涂层与基底的结合力为43N，电阻值为5.2Ω。

上述实施例中，磁控溅射设备是一台商业磁控溅射沉积设备，该设备由2个独立可控的磁控靶溅射源组成。钛靶、铂靶的纯度均为99.99%。氮化硅衬底的成分是Si₃N₄，在物理气相沉积前，先用氩等离子体刻蚀氮化硅衬底10分钟，使用偏压-600V去除衬底表面自然氧化层。

Claims

1.一种图案化电阻薄膜电热元器件的制备方法，是将镂空图案化掩膜板覆于氮化硅衬底上，通过物理气相沉积法先使用200~300W直流电源溅射钛靶，在氮化硅衬底上沉积钛膜，再使用180~220W的直流电源溅射铂靶，在钛膜上沉积铂膜，得到图案化铂钛多层薄膜的电热元器件。

2.如权利要求1所述一种图案化电阻薄膜电热元器件的制备方法，其特征在于：所述镂空图案化掩膜板是厚度为0.1~0.3mm的不锈钢，其上刻蚀出镂空电阻电路图案。

3.如权利要求1所述一种图案化电阻薄膜电热元器件的制备方法，其特征在于：钛靶、铂靶的纯度均为99.99%。

4.如权利要求1所述一种图案化电阻薄膜电热元器件的制备方法，其特征在于：物理气相沉积钛膜的过程中，氩气流量为19~21sccm，氩等离子体工作气压为6.5~8.5×10^-1Pa，沉积温度为120~160℃，钛靶功率为200~300W，沉积时间为2~4min；钛膜的厚度为100~200nm。

5.如权利要求1所述一种图案化电阻薄膜电热元器件的制备方法，其特征在于：物理气相沉积铂膜的过程中，氩气流量为38~42sccm，氩等离子体工作气压为4.5~5.5×10^-1Pa，沉积温度为120~160℃，铂靶功率为180~220W，沉积时间为20~37min；铂膜的厚度为500~900nm。

6.如权利要求1所述一种图案化电阻薄膜电热元器件的制备方法，其特征在于：所述氮化硅衬底在沉积钛和铂薄膜前，先用氩等离子体刻蚀氮化硅衬底5~10分钟，使用偏压-500~ -600V去除衬底表面自然氧化层。