磁敏元件包括霍尔元件、磁阻元件等等，将这类元件制成薄膜形可以提高测磁灵敏度，便于测窄缝中磁场也便于生产出性能一致的元件。薄膜形元件的基片对磁敏薄膜起支撑作用，同时它也是安装引出线的绝缘支撑体，它与敏感薄膜、电极引线和封装材料构成一有机整体。因此，基片本身的物理化学性能以及表面状态将直接影响磁敏元件的电学性能，特别是对元件的可靠性和生产过程中的重复性关系更加密切。故在设计磁敏元件的同时认真选择和制造出性能优良的基片.就成为能否制出性能好、稳定可靠且成本低的磁敏元件的基础。
一、基片材料的选择
根据基片在薄膜磁敏元件中的作用.基片材料应具备以下条件:
1.基片表面要致密、光滑、导热、无缺陷沾污，以保证磁敏膜与基片附着良好.使用可靠，成品率高。
2.基片应能承受一定的高温处理，平整性能良好，热膨胀系数应尽量与磁敏膜相接近。其中耐高温处理是使它在磁敏膜的制造和热处理加热过程中不软化不熔化。同时要求敏感膜材料在基片中扩散要极慢，基片材料也不会向磁敏膜中反扩散，以保证磁敏膜的纯度。关于基片导热良好的目的是保证磁敏膜在使用中受温度冲击后产生的热量能及时散发。关于基片材料与磁敏膜热膨胀系数要相近.可保证磁敏膜与基片匹配，温度变化不会发生膜脱落、开裂和性能漂移。
3.基片要有良好的绝缘性能，本实验要求绝缘电阻
这是为防止磁敏膜、电极间以及它们和基片间发生短路。
4.基片材料要有良好的化学稳定性，在磁敏元件制造中多次化学清洗和光刻时，它本身不被腐蚀。
5.基片既要有一定的机械强度又要容易划成小片以保证工艺的需要。同时基片的制造应尽可能与磁敏膜等后道工序的制造工艺兼容，以保证批量生产时工艺和设备简单。最后希望基片价格低廉，以降低元件成本。
根据以上要求，选择电阻率为0. 8 --的N型单晶硅，经磨抛后制造约绝缘层作为金属强磁体薄膜磁阻元件的基片。各项特性均能满足上述要求。另有一些磁敏元件为了增加聚磁效应以提高测量磁场的灵敏度而选用导磁系数较高的致密软磁铁氧体材料为基片衬底.在上面也制造一层SiO2作绝缘层。这种材料也很好地满足了对基片特性的要求无论是哪种基片材料在它上面制造SiO2膜是关键。
二、溅射法制造SiO2绝缘膜
SiO2如果制在硅片上,最简单方法是通过过干氧、湿氧交替的热氧化法。而当在铁氧体或其它材料上制造510时.热氧化法已不适用，这时可选用气相淀积法或射频溅射法。溅射法有重复性一致性好、纯度高、与基片附着力强、制膜温度低且不受衬底基片材料的限制等优点，因此近年来得到广泛应用。本实验使用的溅射仪射频频率13·56MHz.溅射电压选用1100一1300V，溅射靶为高纯SiO2.实验发现.影响SiO2膜质量的因素很多.如氢气压力、溅射电压、调谐偏压、衬底基片的加热温度等等。分别讨论如下：
1.氮气压力
溅射时通入氢气是为产生辉光放电，电离的氨离子在电场作用于将靶上的SiO2复击出来以淀积成膜。实验得到溅射速率大小与氢气压力关系如图1所示。实验时工作电压1300v.调谐偏压20V，衬底基片加热温度25C.图中可见随着氨气压的增加溅射速率增加，在达到0.7Pa时，溅射速率达刘最左值.之后溅射速率下降。原因是开始随肴碱产压增加、电离的氢离子数增多.使从靶仁轰击下来的SiO2分子增多，溅射速率增大，当氩气压超过0.7Pa之后.由于SiO2粒子的背折射和散射增加.反而使溅射速率减小。
2.溅射电压
溅射电压与溅射速率关系如图2所示.溅射电压由900V增至l300V.溅射速率大鱿性给加这是因为电压增大氢离子在电场中会获得更大的能量.而使溅射产额增加。另外电压增大氢离子数量也增多.使溅射速率增人电压超过1300V溅射速率的增加速度变慢.这与高压时产生离子注入和高能粒子的散射了，图3为溅射电压与SiO2膜的绝缘电阻与电压的关系。可见随溅射电压的增加，膜击穿电压和绝缘电阻随之增大，每增加100V，绝缘电阻可升高主要是溅射电压增大，从靶上溅射下来的分子或原子有更高的能量，有利于它们的生长和排列，使Si02膜致密、缺陷减少和本征应力减少的结果。
3.调谐偏压
调谐偏压是在溅射中加在衬底基片上的交流电压，调谐偏压时绝缘电阻和溅射速率的影响如图4所示。随调谐偏压的增加，绝缘电阻明显增大，因调谐偏压使基片表面也受到一稳定的轰击，在溅射初期它可清除基片表面吸附的气体和杂质粒子，在溅射过程中它又可清除与基片附着力弱的s}o:分子，从而增加了膜的纯度，也增大了膜的的致密性，使绝缘电阻增大，击穿电压也随之增大。图中又可看到溅射速率随调谐偏压的增加略有下降。是由于离子对基片表面轰击的结果。
4.膜厚的影响
膜厚与击穿电压关系如图5所示。当膜厚由2000A增至10 000A时，击穿电压随之加大，超过该值后击穿电压下降迅速，膜厚约15 000A时.出现穿通现象。原因是当膜很薄，膜中存在针孔和小岛，膜不致密，杂质易被吸附，使击穿电压较小。而膜太厚又由于缺陷增多，内应力增大以致使Si0:膜产生龟裂，击穿电压迅速下降，甚至穿通。
5.基片温度
溅射时若基片不先加热.膜的附着力很差，绝缘性能不好，加热至250 ^- 350 C进行溅射有利于Si0:粒子的横向运动而生产成完整致密的膜。也有利于第一层淀积的SiOZ与衬底基片间产生电子交换形成化学吸附层，同时基片加热还可使被吸附在基片上的杂质和气体原子解析出来.而增加与衬底基片的附着力。此外加热还可清除溅射中产生的内应力。图6的照片是在基片加热300 C .
溅射电压1200V .氢气压0. 8 -—1Pa,调谐偏压20V的条件下制成的SiO2膜中硅与氧分布的扫描电镜照片。中间坐标线上面的曲线为氧分布，下面的曲线为硅的分布。可见硅的分布是很均匀的，氧的分布略有波动。说明射频溅射形成的Si02膜是完整的.
三、结束语
基片的选择和制备在薄膜磁敏元件的设计和制造中至关重要。它的绝缘性能和耐压性能直接关系着元件的成品率和可靠性。其绝缘性能和耐压又是相互关联的。用射频溅射法制备的Si02膜其绝缘性能和耐压均能很好的满足磁敏元件的需要。
参考文献
1.挥正中，莫以豪等著.半导体及薄膜物理.北京:国防工业出版社，1981
2. 田民波，刘德令编译.薄膜科学与技术手册.北京:机械工业出版社，1991
本文作者：李云鹏 孙承松 周立军 关杰曾 永宁
