[发明专利]带有保护层的Zr-Co-Re薄膜吸气剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种带有保护层的Zr-Co-Re薄膜吸气剂及其制备方法，本发明的吸气剂为一种含有Ni保护层的Zr-Co-Re高性能低温激活非蒸散型薄膜吸气剂。

背景技术

吸气剂是能够通过物理和化学作用有效地吸着某些活性气体分子或固定气氛的制剂或装置的通称，又称消气剂或收气剂。

常用吸气材料有钡、锶、镁、钙、钛、锆、铪、钒、钡铝合金或过渡金属与铝或稀土元素的合金或化合物，其中二元合金如Ba-Al、Ti-V、Zr-Al等，三元合金如Ba-Al-Ni、Zr-V-Fe、Ti-Zr-V等。这类材料一般具有很高的活性、低饱和蒸汽压以及大比表面积，对电真空中的残余活性气体如H₂、O₂、N₂、CO和C_mH_n等，具很强的吸附或吸收能力。

随着现代精密电子元器件更加微小型化，非蒸散型薄膜吸气材料应用越来越广泛。薄膜吸气剂与块体吸气剂相比较有以下优点：（1）较高的活性比表面积，室温吸气速率大；（2）250℃~500℃范围可激活，激活过程与微电子器件封装工艺兼容；（3）尺寸精度高，空间占有率小，可在不同形状衬底上均匀沉积；（4）在封装盖板或内腔附着力好，受振动或冲击时的机械稳定性好；（5）无粉化或松散颗粒现象，在封装环境下热力学稳定；（6）与大多数晶片半导体工艺兼容。

薄膜吸气剂可以使用脉冲激光沉积（PLD）方法制备。脉冲激光沉积技术是目前最有前途的制膜技术之一，该技术简单且有很多优点。对于薄膜吸气剂来讲，使用PLD方法镀膜，制备出表面颗粒性强，内部为柱状疏松结构的薄膜。这种结构对吸气剂表面吸附气体分子以及气体分子在薄膜内部扩散有着重大的意义。

目前存在的薄膜吸气剂主要有Zr-V-Fe薄膜吸气剂、Ti-Zr-V薄膜吸气剂等。并且现存的这些薄膜吸气剂主要是使用磁控溅射的方法制备得到的。这类薄膜吸气剂存在以下不足：（1）钒和钒的氧化物有毒性，对人体危害大；（2）吸气剂的激活温度高、激活工艺复杂，对于高精度微电子器件的使用具有一定的局限性；（3）吸气剂在暴露大气的状态下极易被氧化，吸气剂的寿命短。

发明内容

本发明的目的是提供一种非蒸散型薄膜吸气剂，含有吸气层和保护层双层薄膜结构，具有免激活的特点并且具有高吸气性能。

本发明中采用不含钒的合金靶，并且在合金中加入具有高活性的稀土元素。在吸气剂工作过程中稀土元素能够有效的将以氧化态存在的Zr或者Co还原，增大活性表面，提高吸气性能。制备双层结构薄膜，有效降低薄膜表面在工作过程中的氧化度。并且，在本发明中使用绒面单晶硅衬底，能够增加薄膜吸气剂表面的有效面积，提高吸气剂的吸气速率和吸气量。

本发明带有保护层的Zr-Co-Re（稀土）薄膜吸气剂，由吸气层和保护层组成，所述吸气层的主要成分为Zr、Co以及La、Ce、Pr、Nd这四种稀土元素中的一种或几种，保护层的主要成分为Ni。

薄膜吸气剂的吸气层中，Zr的质量含量为68~88%，Co的质量含量为10~24%，La、Ce、Pr、Nd中的一种或几种的质量含量为2~10%。上述组分的质量百分比之和为100%。

薄膜吸气剂的保护层中，Ni的质量含量为99.5%。

薄膜吸气剂的吸气层是一种疏松柱状结构，柱状结构之间存在界面和孔隙，柱状结构的直径在20~50nm。吸气层的厚度为300nm~1μm。

薄膜吸气剂的保护层是一种疏松的颗粒状结构，颗粒间存在大量缝隙，可进一步增大薄膜比表面积，并且有利于气体分子的吸附和扩散。保护层的厚度为20~100nm。

本发明的薄膜吸气剂的激活温度低，能够在180~350℃烘烤后直接实现表面激活，具有良好的吸气性能，激活后对H₂、CO、O₂、N₂、等活性气体有很高的吸气速率和吸气量。

本发明中吸气层对除惰性气体外的H₂、O₂、N₂、CO、CO₂和C_mH_n等气体有良好吸收能力。并且吸气层上面的保护层对氢原子有选择性吸附功能，并且能够对吸气层起到保护作用，大大减少O₂对吸气层的氧化。