一種摻雜鉻的晶態鎢薄膜及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種摻雜鉻的晶態鎢薄膜及其制備方法，是利用磁控濺射設備直接連續濺射制備出摻雜鉻的晶態鎢薄膜，省略了后綴的退火處理。具體制備步驟為：將鎢靶材放置在磁控濺射設備真空室中的直流濺射臺上，把鉻靶材放置在鎢靶的濺射區內，基片放置在樣品臺上；對真空室抽真空至背底真空，向真空室充入氬氣，并調節氬氣流量和濺射氣壓，調節濺射直流和空載比；沉積濺射前預濺射一段時間后，調節基片至濺射區域，在設置的濺射沉積時間里開始制備摻雜鉻的晶態鎢薄膜。該工藝操作簡單，薄膜為晶態，不脫落。磁控濺射得到的摻雜鉻的晶態鎢薄膜無需進行后續的熱處理過程。
【專利說明】一種摻雜鉻的晶態鎢薄膜及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于氫氦輻照的鎢材料，更特別地說，是指一種摻雜鉻的晶態鎢薄膜及其制備方法。
【背景技術】
[0002]磁控濺射是一種應用廣泛的物理氣相沉積方法，其優點在薄膜沉積速率高，工作氣壓較低，有利于持續放電。磁控派射技術關鍵點在于，在派射裝置中引入磁場，一方面降低了反應過程的氣體壓力，同時，另一方面在同樣的電流、氣體等條件下，磁控濺射技術可以顯著提高濺射的效率和沉積速率。磁控濺射技術作為一項先進技術，可將等離子體約束于靶的附近且其對襯底轟擊作用小。能夠減少襯底損傷和降低沉積溫度，對于一些薄膜的沉積是有利的，但在預沉積或者清洗靶材的時候，保持適度的離子對襯底的轟擊效應是十分必要。磁控濺射技術中，對于靶材的要求很高，需要對于靶材進行冷卻，且需要對于靶進行預濺射，達到清洗除雜的目的。襯底溫度、濺射功率以及腔體氣壓都是影響薄膜沉積的重要參數。(P.J.Kblly, R.D.Anlell.Magnetron sputtering:a review of recentdevelopments and applications.Vacuum, 2000, 56:159-172)直流磁控灘射技術的工藝設備簡單，沉積過程中擁有較高的沉積速率。特別在金屬鍍膜上具有一定的優勢，能鍍微米級的膜厚，為金屬合金的研究提供了制備樣品的特佳方法。近幾年核聚變工業材料研究的深入，要求有合格及多種金屬摻雜的鎢基材料便于研究氫、氦等離子體輻照下材料的性能特征變化，急需簡便易行、制備方便的工藝方法。由于鉻金屬塊材對氫原子有阻礙向內部遷移的特性，急需摻雜鉻的鎢基材料便于研究，磁控濺射鍍膜提供了可能。由于大部分鍍膜形成的是非晶態薄膜，還要進行退火處理，可能導致薄膜氧化和脫落，給研究帶來了一定的難度。
[0003]目前國際上報道的制備鎢基薄膜材料的有V.Kh.Alimov等人利用濺射沉積鍍了厚度≥0.4μπι的鎢膜，由于膜是非晶態，必須進行退火處理轉化為晶態膜才能研究，這樣容易導致氧化和膜的脫落。(V.Kh.Alimov, J.Roth, ff.M.Shu, D.A.Komarov, K.1 sober,T.Yamanish1., Deuterium trapping in tungsten deposition layers formed bydeuterium plasma sputtering.Journal of Nuclear Materials, 2010，399:225-230)。V.Nemanie等人利用磁控濺射鍍成約10 μ m厚的非晶態鎢膜，如果要用于研究氫氦的輻照效應還需要進行晶化處理，在晶化熱處理過程中，由于薄厚度過大，易于脫落，并且由于內部張力也可能導致薄膜斷裂等現象發生。(V.Nemanic, B.Zajec,D.Dellasega1M.Passon1., Hydrogen permeation through disordered nanostructure tungsten films.Journal of Nuclear Materials, 2012，429:92-98)。

【發明內容】

[0004]本發明的目的是提出一種摻雜鉻的晶態鎢薄膜及其制備方法，經本發明方法制備摻雜鉻的晶態鎢薄膜無需進行加熱處理，具體步驟為是將鎢靶材放置在磁控濺射儀真空室中的直流濺射臺上，把鉻靶材放置在鎢靶的最大濺射區，清洗好的基片放置在真空室中的樣品臺上；對真空室抽真空至背底真空，向真空室充入氬氣，并調節氬氣流量和濺射壓，然后再調節空載比和濺射直流電流；沉積濺射前預濺射一段時間后，調芐基片至濺射區域，預設濺射沉積時間開始制備摻雜鉻的晶態鎢薄膜。該工藝操作簡單，薄膜為晶態，不脫落，制得的摻雜鉻的晶態鎢薄膜省去熱處理過程。
[0005]本發明是一種采用磁控濺射工藝制備摻雜鉻的晶態鎢薄膜的方法，該方法包括有下列步驟:
[0006]步驟一:鎢基片的清潔處理
[0007]鎢基片的質量百分比純度為99.999% ；
[0008]先將鎢基片置于去離子水中進行超聲清洗2~5分鐘，再置于酒精中進行超聲清洗2~5分鐘，再置于丙酮中進行超聲清洗2~5分鐘，再置于去離子水中進行超聲清洗2~5分鐘，再置于酒精中進行超聲清洗2~5分鐘，取出，自然干燥后，得到清潔后鎢基片。超聲波清洗的頻率設置為30KHz。
[0009]步驟二:靶材和基片的放置
[0010]先將鎢靶材放置在磁控濺射儀真空室中的直流濺射臺上，再把鉻靶材放置在鎢靶的最大濺射區；
[0011]將步驟一清洗后的鎢基片放置在真空室中的樣品臺上；
[0012]鎢靶材的質量百分比純度為99.99%，鉻靶材的質量百分比純度為99.99%。
[0013]步驟三:調節濺射氣壓、濺射直流
[0014]將步驟二的操作完成后，關閉真空室，對真空室抽真空至背底真空4X10 —4~5.5X10 —4Pa ;
[0015]然后，向真空室充入氬氣，并調節氬氣流量和濺射氣壓，氬氣流量為19~21scc，濺射氣壓為0.7~0.9Pa ;氬氣的體積百分比純度為99.999% ；
[0016]然后，調節空載比50和濺射直流電流0.14~0.16A ；
[0017]步驟四:磁控濺射制薄膜
[0018]依據步驟三設置好的濺射工藝參數，打開運行開關，預濺射5~IOmin后，調芐基片至濺射區域，然后磁控濺射沉積時間5~8h后，關閉設備，取出摻雜鉻的晶態鎢薄膜。
[0019]本發明的優點:
[0020]①工藝簡單，易于操作，實驗可控，摻雜元素鉻可通過調節靶材數量控制鉻含量。
[0021]②摻雜鉻的鎢薄膜為晶態，省去薄膜熱處理過程，薄膜不脫落。
[0022]③原材料易購，成本低，只需一次連續濺射沉積。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是在磁控濺射設備中基片與鞋材相對放置的簡示圖。
[0024]圖1A是靶材在靶臺上的一種放置方式示意圖。
[0025]圖1B是靶材在靶臺上的另一種放置方式示意圖。
[0026]圖2是在實施例1中采用本發明方法制得的摻雜鉻的晶態鎢薄膜的XRD圖譜。
[0027]圖3是在實施例1中采用本發明方法制得的摻雜鉻的晶態鎢薄膜放大1000倍的掃描電鏡照片。[0028]圖4是在實施例1中采用本發明方法制得的摻雜鉻的晶態鎢薄膜放大5000倍的掃描電鏡照片。
[0029]圖5是在實施例1中采用本發明方法制得的摻雜鉻的晶態鎢薄膜的斷面掃描電鏡照片。
[0030]圖6是在實施例1中采用本發明方法制得的摻雜鉻的晶態鎢薄膜的鉻含量能譜圖。
【具體實施方式】
[0031]下面將結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳細說明。
[0032]本發明用磁控濺射儀制備摻雜鉻的晶態鎢薄膜解決了核聚變研究中鎢基材料的制備問題。實驗操作簡單易行，不需過多復雜的設備，原材料易購，只需一次連續沉積。薄膜為晶態，省去熱處理過程，薄膜不脫落，可直接進行實驗研究用。制備的薄膜材料通過XRD分析為摻雜鉻的晶態鎢薄膜，且峰值在[110]、[200]、[211]、[220]與鎢標準峰完全重合。
[0033]本發明制備的摻雜鉻的晶態鎢薄膜，經掃描電鏡觀察厚度為2.5微米~3.5微米。
[0034]本發明制備的摻雜鉻的晶態鎢薄膜，其鉻的含量為2.0wt%~13.8wt%。
[0035]本發明是一種采用磁控濺射工藝制備摻雜鉻的晶態鎢薄膜的方法，該方法包括有下列步驟:
[0036]步驟一:鎢基片的清潔處理
[0037]鎢基片的質量百分比純度為99.999% ；
[0038]先將鎢基片置于去離子水中進行超聲清洗2~5分鐘，再置于酒精(質量百分比濃度為70%)中進行超聲清洗2~5分鐘，再置于丙酮(質量百分比濃度為99.5%)中進行超聲清洗2~5分鐘，再置于去離子水中進行超聲清洗2~5分鐘，再置于酒精中進行超聲清洗2~5分鐘，取出，自然干燥后，得到清潔后鎢基片。超聲波清洗的頻率設置為30KHz。
[0039]步驟二:靶材和基片的放置
[0040]先將鎢靶材放置在磁控濺射儀真空室中的直流濺射臺上，再把鉻靶材放置在鎢靶的最大濺射區；
[0041]將步驟一清洗后的鎢基片放置在真空室中的樣品臺上；
[0042]在本發明中，為了保證鉻的摻雜量，鉻靶材可以切割成4 X 4 X 2mm規格的塊材，鉻靶材放置在鎢靶材上的方式為對稱放置。一般鉻靶材選用2、4或6塊數量。
[0043]鎢靶材的質量百分比純度為99.999%，鉻靶材的質量百分比純度為99.999%。
[0044]步驟三:調節濺射氣壓、濺射直流
[0045]將步驟二的操作完成后，關閉真空室，對真空室抽真空至背底真空4X10 —4~
5.5X10 —4Pa ;
[0046]然后，向真空室充入氬氣，并調節氬氣流量和濺射氣壓，氬氣流量為19~21scc，濺射氣壓為0.7~0.9Pa ;氬氣的體積百分比純度為99.999% ；
[0047]然后，調節空載比50和濺射直流電流0.14~0.16A ；
[0048]步驟四:磁控濺射制薄膜
[0049]依據步驟三設置好的濺射工藝參數，打開運行開關，預濺射5~IOmin后，調芐基片至濺射區域，然后磁控濺射沉積時間5~8h后，關閉設備，取出摻雜鉻的晶態鎢薄膜。[0050]實施例1
[0051]參照圖1所示，圖中編號分別是指射頻臺1、真空室2、氬氣進氣口 3、抽真空裝置
4、樣品臺5和樣品自傳臺6。
[0052]將鎢靶材7放置在真空室2的濺射臺I上，把4 X 4 X 2mm規格的2塊鉻靶材8放置在鎢靶材7的最大濺射區(虛線)，且2塊鉻靶材8以鎢靶材7中心為對稱擺放，參見圖1A所示。把清洗好的鎢基片放置在樣品臺5上。
[0053]鎢靶材的質量百分比純度為99.999%，鎢基片的質量百分比純度為99.999%，鉻靶材的質量百分比純度為99.999%。
[0054]鎢基片的前處理:先將鎢基片置于去離子水中進行超聲清洗3分鐘，再置于酒精(質量百分比濃度為70%)中進行超聲清洗3分鐘，再置于丙酮(質量百分比濃度為99.5%)中進行超聲清洗2分鐘，再置于去離子水中進行超聲清洗5分鐘，再置于酒精中進行超聲清洗5分鐘，取出，自然干燥后，得到清潔后鎢基片。超聲波清洗的頻率設置為30KHz。
[0055]關閉真空室，對真空室2抽真空，使真空室2內的真空度達到濺射儀的背底真空值5 X 10 —4Pa時，向真空室2充入氬氣(體積百分比純度為99.999%)，氬氣流量為20scc，真空濺射壓調到0.8Pa ;調整濺射直流電流為0.16A和占空比為50。
[0056]沉積濺射前，鎢靶先預濺射10分鐘，然后調節樣品臺5上的鎢基片至射頻臺I的濺射區域，設置沉積濺射時間為5h。
[0057]濺射完畢后，關閉設備，取出樣品進行性能檢測。
[0058]將實施例1制得的樣品采用X射線衍射儀對制備的摻雜鉻的鎢薄膜進行了物相分析，如圖2所示，說明制備的薄膜已是晶態薄膜，其峰值在[110]、[200]、[211]、[220]與鎢標準峰完全重合。
[0059]將實施例1制得的樣品在電子掃描電鏡下觀察，薄膜表面平整，如圖3和圖4所示；對薄膜做了斷面觀察，薄膜厚度約為3 μ m，如圖5所示。
[0060]將實施例1制得的樣品做了能譜分析，鉻的含量為2.2wt%，如圖6所示。
[0061]實施例1中應用的磁控濺射儀選用北京鐠瑪泰克真空科技有限公司生產的MP700型號。
[0062]實施例2
[0063]參照圖1所示，將鎢靶材7放置在真空室2的濺射臺I上，把4X 4X 2mm規格的4塊鉻靶材8放置在鎢靶的最大濺射區(虛線)，4塊鉻靶材8以鎢靶材7中心為對稱擺放，參見圖1B所示。把清洗好的鎢基片放置在樣品臺5上。
[0064]鎢靶材的質量百分比純度為99.999%，鎢基片的質量百分比純度為99.999%，鉻靶材的質量百分比純度為99.999%。
[0065]鎢基片的前處理:先將鎢基片置于去離子水中進行超聲清洗5分鐘，再置于酒精(質量百分比濃度為70%)中進行超聲清洗5分鐘，再置于丙酮(質量百分比濃度為99.5%)中進行超聲清洗5分鐘，再置于去離子水中進行超聲清洗5分鐘，再置于酒精中進行超聲清洗5分鐘，取出，自然干燥后，得到清潔后鎢基片。超聲波清洗的頻率設置為30KHz。
[0066]關閉真空室，對真空室2抽真空，使真空室2內的真空度達到濺射儀的背底真空值
5.5X10 —4Pa時，向真空室2充入氬氣，氬氣流量為19scc，真空濺射壓調到0.9Pa ;調整濺射直流電流為0.14A和占空比為50。[0067]沉積濺射前，鎢靶先預濺射5分鐘，然后調節樣品臺5上的鎢基片至射頻臺I的濺射區域，設置沉積濺射時間為8h。
[0068]濺射完畢后，關閉設備，取出樣品進行性能檢測。
[0069]將實施例2制得的樣品采用X射線衍射儀對制備的摻雜鉻的鎢薄膜進行了物相分析，其峰值在[110]、[200]、[211]、[220]與鎢標準峰完全重合。
[0070]將實施例2制得的樣品在電子掃描電鏡下觀察，薄膜表面平整，薄膜厚度約為
3.5 μ m0
[0071]將實施例2制得的樣品做能譜分析，鉻的含量為5.2wt%。
[0072]實施例3
[0073]參照圖1所示，將鎢靶放置在真空室2的濺射臺I上，把4X 4X 2mm規格的6塊鉻靶材放置在鎢靶的最大濺射區，6個鉻靶材以鎢靶中心為對稱擺放。把清洗好的鎢基片放置在樣品臺5上。
[0074]鎢靶材的質量百分比純度為99.999%，鎢基片的質量百分比純度為99.999%，鉻靶材的質量百分比純度為99.999%。
[0075]鎢基片的前處理:先將鎢基片置于去離子水中進行超聲清洗3分鐘，再置于酒精(質量百分比濃度為70% )中進行超聲清洗3分鐘，再置于丙酮(質量百分比濃度為99.5%)中進行超聲清洗2分鐘，再置于去離子水中進行超聲清洗5分鐘，再置于酒精中進行超聲清洗5分鐘，取出，自然干燥后，得到清潔后鎢基片。超聲波清洗的頻率設置為30KHz。
[0076]關閉真空室，對真空室2抽真空，使真空室2內的真空度達到濺射儀的背底真空值
4.6X10 —4Pa時，向真空室2充入氬氣，氬氣流量為21scc，真空濺射壓調到0.7Pa ;調整濺射直流電流為0.15A和占空比為50。
[0077]沉積濺射前，鎢靶先預濺射8分鐘，然后調節樣品臺5上的鎢基片至射頻臺I的濺射區域，設置沉積濺射時間為7h。
[0078]濺射完畢后，關閉設備，取出樣品進行性能檢測。
[0079]將實施例3制得的樣品采用X射線衍射儀對制備的摻雜鉻的鎢薄膜進行了物相分析，其峰值在[110]、[200]、[211]、[220]與鎢標準峰完全重合。
[0080]將實施例3制得的樣品在電子掃描電鏡下觀察，薄膜表面平整，薄膜厚度約為
2.8 μ m0
[0081]將實施例3制得的樣品做能譜分析，鉻的含量為13.8wt%。
[0082]本發明采用磁控濺射方法制備摻雜鉻的晶態鎢薄膜，是一種在高真空室中充入適量的氬氣，在濺射靶陰極和基板陽極之間施加直流電流，將鎢靶材和鉻靶材表面原子濺射出來沉積在鎢基片表面上形成薄膜的方法。磁控濺射法具有反應溫度低，鍍膜層與基板的物理結合力強、鍍膜層致密、均勻等優點。本發明制得的晶態鄔膜厚達幾微米，鉻元素已完全參與鎢晶粒的晶格結構構成，并且在室溫下穩定，不需要在進行晶態化的退火處理，可以直接用于氫氦的輻照研究。
【權利要求】
1.一種摻雜鉻的晶態鎢薄膜，其特征在于:該摻雜鉻的晶態鎢薄膜的峰值在[110]、[200]、 [211]、 [220]ο
2.根據權利要求1所述的摻雜鉻的晶態鎢薄膜，其特征在于:該摻雜鉻的晶態鎢薄膜的厚度為2.5微米~3.5微米。
3.一種采用采用磁控濺射工藝制備摻雜鉻的晶態鎢薄膜的方法，其特征在于有下列步驟: 步驟一:鎢基片的清潔處理 鎢基片的質量百分比純度為99.999% ； 先將鎢基片置于去離子水中進行超聲清洗2~5分鐘，再置于酒精(質量百分比濃度為70%)中進行超聲清洗2~5分鐘，再置于丙酮(質量百分比濃度為99.5%)中進行超聲清洗2~5分鐘，再置于去離子水中進行超聲清洗2~5分鐘，再置于酒精中進行超聲清洗2~5分鐘，取出，自然干燥后，得到清潔后鎢基片； 超聲波清洗的頻率設置為30KHz ； 步驟二:靶材和基片的放置 先將鎢靶材放置在磁控濺射儀真空室中的直流濺射臺上，再把鉻靶材放置在鎢靶的最大濺射區； 將步驟一清洗后的鎢基片放置在真空室中的樣品臺上； 步驟三:調節濺射氣壓、濺射直流 將基片與鞋材放置好后，關閉真空室，對真空室抽真空至背底真空4X10 —4~5.5X10 —4Pa ; 然后，向真空室充入氬氣，并調節氬氣流量和濺射氣壓，氬氣流量為19~21scc，濺射氣壓為0.7~0.9Pa ;氬氣的體積百分比純度為99.999% ； 然后，調節空載比50和濺射直流電流0.14~0.16A ； 步驟四:磁控濺射制薄膜 依據步驟三設置好的濺射工藝參數，打開運行開關，預濺射5~IOmin后，調芐基片至濺射區域，然后磁控濺射沉積時間5~8h后，關閉設備，取出摻雜鉻的晶態鎢薄膜。
4.根據權利要求3所述的采用采用磁控濺射工藝制備摻雜鉻的晶態鎢薄膜的方法，其特征在于:鉻靶材的規格尺寸為4X4X2mm，鉻靶材放置在鎢靶材上的方式為對稱放置。
5.根據權利要求4所述的采用采用磁控濺射工藝制備摻雜鉻的晶態鎢薄膜的方法，其特征在于:鉻祀材的數量為2、4或6塊。
6.根據權利要求3所述的采用采用磁控濺射工藝制備摻雜鉻的晶態鎢薄膜的方法，其特征在于:制得的摻雜鉻的晶態鎢薄膜的峰值在[110]、[200]、[211]、[220]。
7.根據權利要求3所述的采用采用磁控濺射工藝制備摻雜鉻的晶態鎢薄膜的方法，其特征在于:制得的摻雜鉻的晶態鎢薄膜的的厚度為2.5微米~3.5微米。
【文檔編號】C23C14/14GK103628026SQ201310627059
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月29日 優先權日:2013年11月29日
【發明者】朱開貴, 劉方舒 申請人:北京航空航天大學