In Situ Studies of Volatile Molecules Trapping in Zirconium Alloy-Based Non-Evaporable Getter

La demande pour le maintien du vide et l'expulsion de gaz résiduels dans les micro-cavités dans les systèmes microélectromécaniques (MEMS) et dans d'autres dispositifs micro-fabriqués a augmenté significativement lors des dernières années.. Les gaz résiduels empoisonnent souvent le vide et finissent par détériorer le fonctionnement des dispositifs. Afin de maintenir le vide dans les cavités, quelques étapes doivent être mises en oeuvre: i) une étanchéité hermétique de la cavité doit être réalisée pour éliminer les fuites de gaz; ii) un dégazage approprié du système pour déloger et libérer les gaz piégés dans les matériaux est nécessaire avant de sceller de la cavité; Et iii) si nécessaire, incorporer une bande ou une couche mince d'un alliage métallique réactif agissant comme pompe chimique pour débarrasser le système des gaz résiduels pendant le fonctionnement du dispositif. De tels alliages sont connus sous le nom de getters, formés entre autres de métaux de transition actifs tels que Zr, Ti, V et Fe qui chimisorbent spontanément les gaz actifs dans les cavités. Pour améliorer l'efficacité de l'adsorption, une variété de systèmes de matériaux ont été proposés et testés, et deux caractéristiques semblent être critiques: (1) la morphologie (aire de surface); Et (2) la composition (réactivité physique et / ou chimique). Malgré leur importance technologique, peu de choses sont connues sur les mécanismes exacts de piégeage de gaz dans les matériaux. Ce projet aborde cette question en se basant sur des études in situ pour élucider la nature des réactions entre les constituants getters et les gaz résiduels et l'effet de la température d'activation sur la composition de surface et le piégeage des molécules volatiles. Nos études ont porté sur les alliages de zirconium-cobalt-terres rares (REM) qui ont été conçus pour avoir une basse température d'activation (<350oC) compatible avec les processus de fabrication et d'intégration de certains dispositifs MEMS. Des couches minces de ces alliages ont été pulvérisées sur Si. Les films obtenus sont très poreux, ce qui est critique pour réduire la température d'activation. La microscopie électronique à balayage (SEM), la spectroscopie de photoélectrons X (XPS), la spectrométrie de masse d'ions secondaires au temps de vol (TOF-SIMS) et la détection de recul élastique en temps de vol (TOF-ERD) ont été utilisées afin d'examiner la morphologie et la composition de la surface et du matériau massique. L'évolution de la surface en fonction de la température a été analysée in situ via XPS. Ce travail propose des mécanismes détaillés expliquant la réactivité à température ambiante et à haute température du matériau avec O2, N2 et CO2.

Abstract

Recently, there has been an increasing interest in vacuum maintenance and residual gases expulsion within small cavities in microelectromechanical systems (MEMS) and advanced field emission displays. Residual gases often poison the vacuum and eventually deteriorate device and system operation. In order to maintain vacuum in cavities, there are a few steps that must be implemented: i) a hermetic sealing of the cavity should be realized to minimize gas leakage from surrounding environment; ii) proper degassing of the system before seal-off is needed to dislodge and release trapped gases within the materials; and iii) if necessary incorporating a strip or a thin film of a reactive metal alloy which acts as a chemical pump to rid the system of residual gases during the device lifetime. Such alloys are known as getters, which contain active transition metals such as Zr, Ti, V, and Fe that spontaneously chemisorb active gases within cavities. To improve the gettering efficiency, a variety of material systems have been proposed and tested, and two characteristics appear to be critical: (1) morphology (surface area); and (2) composition (physical and/or chemical reactivity). Despites their technological importance little is known about the exact mechanisms of gas trapping within the material. This project tackles this very issue by using in situ studies to investigate the nature of bonding between the getter constituents and residual gases and the effect of the activation temperature on the surface composition and volatile molecules trapping. Our studies focused on zirconium-cobalt-rare earth metal (REM) alloys which have been developed with a low activation temperature (<350oC) for MEMS devices. Thin films of these alloys were sputtered on Si. The obtained films are highly porous, which is critical to lower the activation temperature. Scanning Electron Microscopy (SEM), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (TOF-SIMS), and Time of Flight Elastic Recoil Detection (TOF-ERD) are utilized to examine the morphology and composition of both bulk and surface of the alloy. The surface evolution as a function of temperature is monitored in situ via XPS. This project elucidates the room temperature and high temperature reactivity of the material with O2, N2, and CO2.