[发明专利]一种图案化电阻薄膜电热元器件的制备方法

说明书

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。

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。