CN101974730B

CN101974730B - 在微米级颗粒上通过磁控溅射镀易氧化薄膜的方法

Info

Publication number: CN101974730B
Application number: CN2010105574019A
Authority: CN
Inventors: 袁国亮; 徐锋; 杜宇雷; 陈�光
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2010-11-24
Filing date: 2010-11-24
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2030-11-24
Also published as: CN101974730A

Abstract

本发明公开了一种在微米级颗粒上通过磁控溅射镀易氧化薄膜方法，本发明使用真空腔、真空系统、磁控溅射镀膜系统、振动筛及电源等设备，完成粉体的分散、易氧化薄膜在超低氧分压下的生长及封装，最终得到镀过易氧化薄膜的微米级颗粒。微米级颗粒通过一定的工艺在其表面镀有单层或几层复合薄膜，使它既有原组成材料的性质，又具有镀层材料的一些特性，因而在各行各业中都将有着广泛的应用前景。

Description

在微米级颗粒上通过磁控溅射镀易氧化薄膜的方法

技术领域

本发明涉及一种易氧化金属薄膜的制备和保存技术，尤其涉及在微纳米级颗粒上生长Al、Fe、Co、Ni、Cu易氧化薄膜技术以及样品的封装技术。

背景技术

微颗粒由于具有体积小和大的比表面积等特点具有许多块体材料不具有的优点，主要有表面效应和体积效应。随着体积减小，比表面积增大，与表面特性相联系的催化、吸附等效果将会显著增强，磁性、电性、光学性能也会随体积减小而显著变化。而微颗粒表面薄膜则是在无极非金属、金属或有机高分子等几类不同的颗粒材料通过一定的工艺在其表面镀有单层或几层复合薄膜组合而成的材料，它既有原组成材料的性质，又具有镀层材料的一些特性，同时又可以利用粉体材料的表面效应，使得它在各行各业中都将有着广泛的应用前景。

表面镀膜技术包括真空蒸发镀、电镀、化学镀、真空溅射镀等，均已成熟应用在块体表面镀膜。但在粉体表面应用的技术不多。

专利CN119872A和CN1440951A均运用了化学镀的方式在粉体表面镀膜，由于粉体能与溶液充分接触，因而能在粉体表面形成均匀的镀层，但是，粉体化学镀存在许多缺点，如镀液不稳定、镀层含有杂质及单次生产量小等，严重限制了粉体化学镀的应用。

在微颗粒表面镀膜，与在块体材料表面镀膜有很大的区别。其中重要一点是微颗粒表面积和表面能大于块体材料，微颗粒之间容易团聚，所以在微颗粒表面进行真空镀膜是有很大难度的。

专利 CN 101805893 A公开了一种滚筒式样品台以及用其进行粉体颗粒磁控溅射镀膜的方法，属于真空镀膜技术领域。该滚筒式样品台包括有滚筒、筛网、双模运动机构和振动机构，筛网与振动机构连接，滚筒与双模运动机构连接，滚筒的开口处设有靶材。在磁控溅射镀膜过程中，是将粉体颗粒放于滚筒内，调节滚筒的旋转速度及上下振动功率，粉体颗粒被翼片带到滚筒的上方，同时在重力作用下，粉体颗粒就会落到筛网中，筛网中的粉体在超声波的振动下垂直下落，在滚筒开口处入射来的溅射流就会在下落的粉体表面沉积，经过一定时间的沉积就会在粉体颗粒表面沉积上一定厚度的薄膜。该方法设备简单，应用方便，在粉体粒径100微米范围内可以很好的生长薄膜，但对于粒径在10微米以下的粉体，在筛网中仅凭重力作用不能使粉体下落，并且在滚筒旋转过程中易发生团聚现象，影响镀膜的均匀性。对于需在粉体上溅射镀易氧化薄膜，如铝、铁等时，该发明无良好的封装措施，保护粉体上镀膜不被氧化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在微米级颗粒上通过磁控溅射镀易氧化薄膜的方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：使用真空腔、抽真空系统、磁控溅射镀膜系统、振动筛及电源，完成粉体的分散、易氧化薄膜在超低氧分压下的生长及封装，最终得到镀过易氧化薄膜的微米级颗粒；具体步骤如下：

第一步：首先将所需生长的粉体原料连带包装放入真空腔内；

第二步：对真空腔抽真空，同时向其内部充入氩气或氮气，降低真空腔内氧分压，一段时间后，打开粉体颗粒包装；

第三步：在磁控溅射镀膜系统靶架上安装好所需靶材；

第四步：关闭真空腔，使用抽真空系统对整个真空腔抽真空；

第五步：向真空腔中充入氩气；

第五步：打开振动筛的振动电机，调节电机转速及超声波振动功率；

第六步：打开溅射靶材开始溅射，溅射一段时间后关闭溅射电源停止溅射；

第七步：向真空腔中充入氩气或氮气，使其内部气压达到一个大气压；

第八步：打开真空腔内部舱门，利用手套将粉体颗粒取出，同时在真空腔内部封装，保证镀膜不与空气接触，防止粉体颗粒镀层被氧化。

其中，粉体分散是指利用重力使粉料由真空腔顶部下落，使其掉落在振动筛上；将团聚的粉体分散，使直径在微米量级的微粒可以在筛分过程中通过筛分孔下落；粉体颗粒直径大小可以通过调节筛分孔直径控制；粉体颗粒通过振动筛后在空中自由下落至真空生长腔底部，同时溅射流在粉体颗粒表面沉积，循环多次保证薄膜覆盖率。

其中氧化薄膜在超低氧分压下的生长及封装系统为：该系统同镀膜机一体化，保证生长及封装过程无气体泄漏，镀膜机前门设计为双层，前门外层有两个通孔，通孔上安装有橡胶材质手套一副，手套可深入生长腔，前门的内层可通过横移完全密封真空腔；真空腔内部使用氮气或氩气工作；生长及封装过程在超低氧分压下进行，保护易氧化薄膜不被氧化；真空腔内安装有真空计指示腔室内部真空度。

本发明与现有技术相比，其显著优点：使用粉体分散技术和封装技术，解决了目前粉体镀膜中粉体直径偏大的问题，可对粒径10微米以下的粉体进行磁控溅射镀膜，并提供一套原位封装方案，可对易被氧化的膜层物质进行镀膜，保护镀层不被氧化，同时保证粉体颗粒不被潮解。

附图说明

图1是本发明在铁微粒上镀铜的SEM图像。

图2是本发明在B颗粒上磁控溅射镀铝膜SEM图像。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

首先，本发明利用磁控溅射技术对粉体颗粒进行镀膜。在镀膜之前，将欲镀材料靶材安装在真空镀膜机上，将微米级颗粒放置在真空镀膜机内部，将颗粒从真空腔内部上方抛下，利用机械装置使其循环往复，同时开动磁控溅射电源，使靶材物质均匀溅射到颗粒上使其生长。使用磁控溅射技术对铁、铝等易氧化金属镀膜时，由于颗粒的直径小，多处于微米量级，比表面积大，镀层金属极易被氧气氧化，会在镀层金属表面形成约20nm厚的氧化层，而一般镀层厚度可能低于100nm，所以镀层的氧化膜会对镀层性能产生很大影响。

为了消除这种影响，采用了一种在超低氧分压下的生长及封装方案。在真空镀膜机前门处设置真空手套结构，同镀膜机一体设计，保证生长及封装过程无气体泄漏，粉体颗粒的去封装与封装过程均在真空腔内进行。在整个镀膜过程中，在进样和取样过程中两次使用该系统。首先在进样过程，将带包装的粉体颗粒样品送入真空腔内，对真空腔抽真空，同时向其内部充入氩气或氮气，使手套箱内99.8％以上为氩气或氮气后，打开粉体颗粒包装，开始镀膜。在镀膜之后，向真空腔中充入氩气或氮气，使其内部气压达到一个大气压左右。

打开真空腔舱门，利用手套将粉体颗粒收集，同时在真空腔内部封装，整个过程保证镀膜不与空气接触，防止粉体颗粒镀层被氧化。

基于以上所述设备，粉体颗粒磁控溅射镀易氧化薄膜方法采用以下工艺步骤：

第一步：将所需生长的粉体原料连带包装放入真空腔内。

第二步：对真空腔抽真空，同时向其内部充入纯度高于99.9%的氩气或氮气，使真空腔内氧气分压低于10Pa后，打开粉体颗粒包装。在磁控溅射系统靶架上安装好所需靶材。

第三步：关闭真空腔，使用机械泵以及真空分子泵对整个真空生长腔抽真空。

第四步：向真空室中充入氩气。

第五步：打开振动电机，调节转动电机转速及超声波振动功率。

第六步：打开溅射靶材电源开始溅射，溅射一段时间后关闭溅射电源停止溅射。

第七步：向真空室中充入氩气或氮气，使其内部气压达到一个大气压左右。

第八步：打开真空腔内部舱门，利用手套将粉体颗粒取出，同时在真空腔内部封装，保整镀膜不与空气接触，防止粉体颗粒镀层被氧化。

基于以上生长工艺，可以在多种粉体上镀多种薄膜，尤其适用于镀易氧化金属薄膜，其中包括Al、Fe、Mg、Cu、W、Co、Ni及其合金，还包括镁铝合金，铁钴镍合金，铁铜合金。

适用于粉体颗粒的材料包括：（1）半导体材料：Si、Ge、B、ZnO、SiC。（2）绝缘材料：Si₃N₄、A1N、SiO₂、Al₂O₃。（3）金属材料：Pt、Mo、Al、Fe、Mg、Cu、W、Au、Ni元素及其合金。

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

实施实例1：在Fe粉体颗粒上磁控溅射镀铜

1) 首先将所需生长的Fe颗粒原料连带包装放入真空腔内。

2) 对真空腔抽真空，同时向其内部充入纯度高于99.9%的氩气或氮气，使真空腔内氧气分压低于10Pa后，打开粉体颗粒包装。在磁控溅射靶架上安装好所需的Cu靶材。

3) 关闭真空室，使用机械泵以及真空分子泵对整个真空生长腔抽真空，使真空室内最终气压保持在2.0×10^-3Pa到5.0×10^-3Pa范围内。

4) 向真空室中充入氩气。

5) 打开振动电机，调节振动功率50W，调节转动电机转速及超声波振动功率。

6) 打开溅射靶材电源，调节溅射功率500-1500W，开始溅射，溅射2h后关闭溅射电源停止溅射。

7) 向真空室中充入氩气或氮气，使其内部气压达到一个大气压左右。

8) 打开真空腔内部舱门，利用手套将粉体颗粒取出，同时在真空腔内部封装，确保镀膜不与空气接触，防止粉体颗粒镀层被氧化。

所制得颗粒的扫描电子显微镜SEM图像如图1所示。

实施实例2：在B粉体颗粒上磁控溅射镀Al

1）首先将所需生长的B颗粒原料连带包装放入真空腔内。

2）对真空腔抽真空，同时向其内部充入纯度高于99.9%的氩气或氮气，使真空腔内氧气分压低于10Pa后，打开粉体颗粒包装。在磁控溅射靶架上安装好所需的Al靶材。

3）关闭真空室，使用机械泵以及真空分子泵对整个真空生长腔抽真空，使真空室内最终气压保持在2.0×10^-3Pa到5.0×10^-3Pa范围内。

4）向真空室中充入氩气。

5）打开振动电机，调节振动功率50W，调节转动电机转速及超声波振动功率。

6）打开溅射靶材电源，调节溅射功率500-1500W，开始溅射，溅射2h后关闭溅射电源停止溅射。

7）向真空室中充入氩气或氮气，使其内部气压达到一个大气压左右。

8）打开真空腔内部舱门，利用手套将粉体颗粒取出，同时在真空腔内部封装，保整镀膜不与空气接触，防止粉体颗粒镀层被氧化。

所制得颗粒的扫描电子显微镜SEM图像如图2所示。

实施实例3：在Fe粉体颗粒上磁控溅射镀铝镁合金。

1）首先将所需生长的Fe颗粒原料连带包装放入真空腔内。

2）对真空腔抽真空，同时向其内部充入纯度高于99.9%的氩气或氮气，使真空腔内氧气分压低于10Pa后，打开粉体颗粒包装。在磁控溅射靶架上安装好所需的铝镁合金靶材。

4）向真空室中充入氩气。

Claims

1.一种在微米级颗粒上通过磁控溅射镀易氧化薄膜的方法，其特征在于：使用真空腔、抽真空系统、磁控溅射镀膜系统、振动筛及电源，完成粉体的分散、易氧化薄膜在超低氧分压下的生长及封装，最终得到镀过易氧化薄膜的微米级颗粒；具体步骤如下：

第二步：对真空腔抽真空，同时向其内部充入氩气或氮气，降低真空腔内氧分压，然后打开粉体颗粒包装，充入氩气或氮气的纯度高于99.9%，该步骤完成时真空腔内氧气分压低于10Pa；

第三步：在磁控溅射镀膜系统靶架上安装好所需靶材；

第五步：向真空腔中充入氩气；

第六步：打开振动筛的振动电机，调节电机转速及超声波振动功率；

第七步：打开溅射靶材开始溅射，溅射一段时间后关闭溅射电源停止溅射；

第八步：向真空腔中充入氩气或氮气，使其内部气压达到一个大气压；

第九步：打开真空腔内部舱门，利用手套将粉体颗粒取出，同时在真空腔内部封装，保证镀膜不与空气接触，防止粉体颗粒镀层被氧化；

所述粉体的分散是利用重力使粉料由真空腔顶部下落，使其掉落在振动筛上；使用振动筛对粉体进行筛分，将团聚的粉体分散，使直径在微米量级的微粒可以在筛分过程中通过筛分孔下落；粉体颗粒直径大小可以通过调节筛分孔直径控制；粉体颗粒通过振动筛后在空中自由下落至真空生长腔底部，同时溅射流在粉体颗粒表面沉积，循环多次保证薄膜覆盖率；所述易氧化薄膜在超低氧分压下的生长及封装的系统为：该系统同镀膜机一体化，保证生长及封装过程无气体泄漏，镀膜机前门设计为双层，前门外层有两个通孔，通孔上安装有橡胶材质手套一副，手套可深入生长腔，前门的内层可通过横移完全密封真空腔；真空腔内部使用氮气或氩气工作；生长及封装过程在超低氧分压下进行，保护易氧化薄膜不被氧化；真空腔内安装有真空计指示腔室内部真空度。

2.根据权利要求1所述的在微米级颗粒上通过磁控溅射镀易氧化薄膜的方法，其特征在于：氧化薄膜在超低氧分压下的生长及封装系统中可作为薄膜的材料为易氧化金属材料，包括：Al、Fe、Mg、Cu、W、Co、Ni元素及其合金。

3.根据权利要求1所述的在微米级颗粒上通过磁控溅射镀易氧化薄膜的方法，其特征在于：可作为粉体的材料包括半导体材料：Si、Ge、B、ZnO、SiC；绝缘材料：Si₃N₄、A1N、SiO₂、Al₂O₃；金属材料：Pt、Mo、Al、Fe、Mg、Cu、W、Au、Ni、Mn元素及其合金。