非蒸散型吸氣薄膜是大型超高真空系統(tǒng)設(shè)備維持超高真空的重要材料,近來(lái)又成為基于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的MEMS器件維持可靠性和長(zhǎng)壽命的關(guān)鍵材料。本文綜述了非蒸散型薄膜吸氣劑的基本原理、材料體系和制備技術(shù),介紹了國(guó)內(nèi)外吸氣薄膜的材料現(xiàn)狀、結(jié)構(gòu)與性能、多功能化的最新進(jìn)展,討論了增大比表面積、調(diào)控納米級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)的調(diào)控、實(shí)現(xiàn)多功能化和提高沉積精度是未來(lái)吸氣薄膜技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

　　關(guān)鍵詞：真空維持技術(shù);非蒸散型吸氣薄膜;磁控濺射法;納米尺度精細(xì)結(jié)構(gòu);多層膜功能化

　　上世紀(jì)90 年代末, 歐洲原子能中心(CERN) 在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC) 的真空管道中創(chuàng)造性運(yùn)用了非蒸散型薄膜吸氣材料而使之形成管道吸氣泵[1],隨后成為ESRF, ELETTRA,HLC,MAX Ò - Ó 等獲得超高真空(UHV) 的關(guān)鍵技術(shù)[2-4] , 平面顯示(FPDs) 設(shè)備所需的潔凈或真空環(huán)境也常用吸氣薄膜來(lái)維持[5] 。近年來(lái), 微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS) 技術(shù)使傳統(tǒng)真空傳感器更加微小型化并有顯著的優(yōu)勢(shì), 如體積更小、功耗更小、靈敏度更高、動(dòng)態(tài)范圍更好及生產(chǎn)成本降低[6] , 非蒸散型吸氣薄膜因室溫吸氣速率及吸氣量大、沉積精度高、空間占有率小、激活過程與封裝鍵合工藝兼容, 在MEMS 慣性傳感器(加速度計(jì)和陀螺儀) 、壓力傳感器、光學(xué)紅外設(shè)備(光學(xué)開關(guān)、輻射熱量計(jì)和紅外圖像傳感器) 中獲得了關(guān)鍵應(yīng)用, 使其可靠性、穩(wěn)定性與使用壽命顯著提高[6-9] 。

　　中國(guó)非蒸散型吸氣薄膜在大型超高真空系統(tǒng)中的應(yīng)用剛剛起步, 平面顯示技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用還較少, 原因在于吸氣材料體系、結(jié)構(gòu)、吸氣性能上與國(guó)外水平差距甚遠(yuǎn)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在發(fā)達(dá)國(guó)家興起并納入國(guó)家戰(zhàn)略, 先進(jìn)MEMS 傳感器技術(shù)已形成壟斷之勢(shì), 而非蒸散型薄膜吸氣材料成為其顯著的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì), 也是我國(guó)當(dāng)前亟待攻克的技術(shù)難題之一。本文綜述了非蒸散型薄膜吸氣材料的基本原理、材料體系與制備工藝, 介紹了國(guó)內(nèi)外吸氣薄膜的材料現(xiàn)狀、結(jié)構(gòu)與性能、功能化方面的研究進(jìn)展, 展望了薄膜吸氣材料未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

薄膜吸氣劑簡(jiǎn)介

吸氣材料的基本原理

　　吸氣材料是在真空或惰性環(huán)境中吸收H2, O2,N2, CO, CO2,H2O 等活性氣體的功能材料, 它一般分為蒸散型(Evaporable Getter) 和非蒸散型(Non-evaporableGetter) , 前者在蒸發(fā)( 散) 成膜時(shí)吸附活性氣體, 后者在激活處理后顯露活性表面時(shí)吸附活性氣體, 表面吸附、表面與界面遷移、體擴(kuò)散是其氣體吸附行為的主要機(jī)制[10] 。吸氣材料的氣體固溶規(guī)律通常用Sievert 定律來(lái)描述[10-11] : lgp g= A + 2lnx a-B/T, 其中, p g 為氣體壓強(qiáng), x a 為吸氣材料內(nèi)的氣體原子分?jǐn)?shù), T 為溫度, A 、B 是和吸氣材料類型相關(guān)的常數(shù)。吸氣材料在氣體壓強(qiáng)極小( < 10-8 Pa) 時(shí)仍有很大的氣體固溶度, 即它能夠吸收并固溶氣體。激活是在真空或惰性環(huán)境下通過加熱、通電、降壓等方式使吸氣材料表面重新顯露出活性吸附位置及擴(kuò)散通道的過程。激活時(shí)表現(xiàn)為表面吸附態(tài)氣體、水分子脫附及碳?xì)浠�合物脫附或解�? 鈍化層中M-O鍵( M 為金屬) 結(jié)合能出現(xiàn)不同程度的降低, 逐漸變?yōu)榈蛢r(jià)亞氧化物(Mn+ ) 和金屬態(tài)(M0) , 同時(shí)氧原子、碳原子等向體內(nèi)擴(kuò)散, 表面氧含量逐漸減少, 金屬碳化物易富集于表面亞層, 還可能伴隨氫化物、氫氧化物等中間產(chǎn)物的生成和分解, 多元系有組元間的置換反應(yīng)[ 12- 20] 。薄膜吸氣材料通常由納米尺度的晶粒( 2~5 nm) 組成, 大量晶界區(qū)域、空位、位錯(cuò)等缺陷能夠固溶大量活性氣體, 同時(shí)又是短路擴(kuò)散的通道,它與塊體吸氣劑相比, 在較低溫度下可完全激活。

薄膜吸氣材料體系

　　非蒸散型薄膜吸氣材料的化學(xué)活性大、吸氣平衡壓低、飽和蒸氣壓低、能夠多次激活、氣體固溶度大及擴(kuò)散速率高, 本身沉積精度可控、空間占有率小、低溫激活特性與真空系統(tǒng)的烘烤過程兼容, 如T-i Zr-V 等, 部分體系的激活溫度與封裝鍵合工藝兼容( 鍵合溫度300~ 500 e ) , 如Zr-V-Fe, Zr-Co-RE 等。表1 為國(guó)外常用吸氣薄膜的材料體系, 激活溫度, 性能評(píng)價(jià)及應(yīng)用領(lǐng)域[ 1- 22] 。

　　隨著吸氣材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大和應(yīng)用背景的變化, 非蒸散型吸氣薄膜的材料體系不斷推陳出新, 薄膜結(jié)構(gòu)和形態(tài)不斷得到優(yōu)化, 沉積精度不斷獲得提高, 其激活溫度不斷降低, 吸氣性能及功能設(shè)計(jì)更加靈活, 較好地滿足了大型超高真空系統(tǒng)設(shè)備的真空設(shè)計(jì)要求, 也適應(yīng)當(dāng)今MEMS 封裝微型化與精細(xì)化的趨勢(shì), 可知未來(lái)吸氣薄膜的應(yīng)用前景相當(dāng)可觀。吸氣薄膜的制備要結(jié)合實(shí)驗(yàn)條件及設(shè)備的具體情況, 調(diào)控薄膜的納米級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu), 關(guān)鍵在于利用原子陰影效應(yīng)和控制沉積原子遷移及擴(kuò)散。探索綜合性能更優(yōu)的新型材料體系、調(diào)控納米級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)、進(jìn)行多層膜功能化設(shè)計(jì)及繼續(xù)提高沉積精度將是未來(lái)薄膜吸氣材料及技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

　　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