CN107779834A - 一种射频磁控溅射制备纳米铝膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于铝膜制备技术领域，公开了一种射频磁控溅射制备纳米铝膜的方法，包括：使用磁控溅射镀膜机，采用铝靶作为溅射靶，使用显微载玻片作为基片，射频溅射方式制备铝膜；将基片放置进入真空舱之前用无水乙醇清洗20min，擦干后放在可转动的样品台上；调节靶基距为100mm，抽真空使溅射仪背底真空度达到5.0×10^‑4Pa，通入纯度为99.999％的氩气，设置氩气流量为40sccm，温度为室温，溅射时间600s；调节负偏压、射频功率和工作气压三组工艺参数，利用正交试验讨论了这三种工艺参数对薄膜沉积速率的影响。本发明通过选定工艺参数，设计出沉积速率较高、膜层质量好、厚度较厚、晶粒细小的铝膜。

Description

一种射频磁控溅射制备纳米铝膜的方法

技术领域

本发明属于铝膜制备技术领域，尤其涉及一种射频磁控溅射制备纳米铝膜的方法。

背景技术

自上世纪七十年代以来，薄膜技术与薄膜材料得到突飞猛进的发展，无论在学术上还是在实际应用中都取得了丰硕的成果，并已成为当代真空科学与技术和材料科学中最活跃的研究领域，在高新技术产业中具有举足轻重的作用。薄膜技术和薄膜材料己经渗透到现代科技和国民经济的各个重要领域，随着薄膜科学技术与薄膜物理学的发展，薄膜在航空航天、医药、能源、交通、通信和信息等领域的应用日益广泛，而薄膜产业的日益壮大又刺激了薄膜技术和薄膜材料的蓬勃发展。薄膜材料中的纳米铝膜具有优良的力学性能、良好的耐腐蚀性能以及润湿性好，良好的耐腐蚀性、附着性、反射性及漂亮的银白色外观，在半导体器件、大规模集成混合电路、日常用品及建筑材料装饰有着广泛的应用；另外纳米铝薄膜晶粒细小、分布均匀，具有很好的应力协调能力，使整个涂层保持良好的粘着形式，经常被用于多层薄膜底层或中间层，用于提高整个膜基系统的性能；再者铝的含量丰富价格便宜，制造成本低，应当广泛推广廉价而耐用性能优良的纳米材料，将其广泛的应用与工业实际生产中。从对纳米金属材料的研究现状来看，国际和国内多数研究者对纳米Al薄膜进行了一系列的研究，然而并不能彻底解释纳米Al薄膜的生长成核机制和微观结构性能的影响因素。溅射电流及功率的变化、工作压力和溅射时间对纳米铝膜形貌、显微力学性能、防腐蚀性能的影响。结果表明：适当降低氩气压力，提高溅射电流，可改善镀层质量，通过镀膜时间的延长，溅射原子由表及里迁移时间增大，膜层得到一定程度的密实化。用原子力显微镜(AFM)在直流溅射和射频溅射制备铝膜的表面粗糙度及颗粒大小进行了分析比较。在直流溅射条件，随着溅射功率的增大，沉积速率加快，导致表面粗糙和晶粒尺寸增大；在射频溅射条件下，随着时间的延长，制出的薄膜表面粗糙度升高和颗粒尺寸变大。在Si(001)基片上不能形成单晶铝膜，而在Si(111)基片上，当基片温度为473K，Al膜厚度达到500nm时，通过748K退火处理后可以得到铝单晶膜。用直流溅射发研究了铝膜中间层的制备，结果表明，基底的表面粗糙度直接关系到Al膜的晶粒尺寸分布和表面粗糙度。采用射频磁控溅射法在AZ31镁合金表面制备Al膜层，结果表明：制备的膜层提高了AZ31表面的力学性能，随着靶功率的增加，沉积速率也随之增加，但膜层表面粗糙度增大和膜结构变得疏松。目前在射频磁控溅射镀Al膜的制造和涂层设计工艺上，国内外都没有成系统的完整的理论实验指导。现打算提高纳米Al薄膜的性能，而性能又取决于组织结构，而组织结构又受到沉积过程的工艺参数控制，所以本实验要主要目的为利用工艺参数的改变，解释Al薄膜表面形貌的规律，得出不同工艺参数下纳米铝膜的沉积速率。因此此专利通过实验得出各种工艺参数对射频磁控溅射制备纳米Al膜的影响，指出其单独的影响和相互联系制约的关系。通过对制备工艺参数的优化来得到膜质优良的薄膜。据国内外报道显示，利用磁控溅射法制备的薄膜沉积速率较低，膜厚通常不超过1μm，但申请人在利用射频磁控溅射制备Al膜时，采用不同的工艺参数溅射十分钟时发现，薄膜厚度为3.7-12.1μm，这说明工艺参数对薄膜沉积速率有着较大的影响，此次试验制备时沉积速率较高，同时申请人利用X射线衍射仪分析制备出的薄膜的晶体类型，薄膜出现非晶铝膜和多晶铝膜两种类型。目前制备铝涂层的方法多种多样，主要有热喷涂铝涂层、电镀铝、轧制铝箔和磁控溅射镀铝膜等。热喷涂会使铝材料原始特性发生变化，不适合在非耐高温基体制备，涂层结合力较低、孔隙率较大、均匀性较差。电镀法制备的铝涂层膜厚不均匀，选择的电镀位置误差较大，且电镀会造成环境污染问题。轧制生产的纯铝箔会产生织构，严重影响力学性能，无法与纳米结构的纯铝材料相比较。基于现有技术存在的缺点，选用磁控溅射技术制备铝薄膜，磁控溅射技术工艺环保没有污染性废气产生、沉积温度较低不会改变基底尺寸，制备得到的膜层比较致密，膜基结合力好，可以在大面积基底上沉积涂层。

综上所述，现有技术存在的问题是：目前的纳米铝膜制备方法存在膜层与基体结合能力差，薄膜孔隙率高且均匀性差和传统制备工艺耗能大且对环境产生较大的污染。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种射频磁控溅射制备纳米铝膜的方法。

本发明是这样实现的，一种射频磁控溅射制备纳米铝膜的方法，所述射频磁控溅射制备纳米铝膜的方法使用显微载玻片作为基片，射频溅射方式制备铝膜；负偏压20-60V，射频功率100-150W，工作气压0.7-0.9Pa。

本发明的另一目的在于提供一种所述射频磁控溅射制备纳米铝膜的方法的测量方法，所述测量方法利用场发射扫描电镜用于薄膜截面膜厚的测量，样品表面涂覆侵蚀剂，测量两块样品的总膜厚，再用单块样品的厚度与沉积时间的比值得出沉积速率；光学金相显微镜测量薄膜用于薄膜表面形貌观察；低角度X射线衍射仪用于确定涂层的物相结构，Cu靶、40kV、150mA；通过X射线衍射得到铝膜样品衍射峰的半高宽值和衍射角，求得薄膜的晶粒尺寸。

进一步，所述薄膜的晶粒尺寸的计算公式：

D为铝膜的晶粒直径；k是实验仪器系数；λ是X射线波长；θ为衍射角；β为衍射峰半高宽值。

本发明的另一目的在于提供一种由所述射频磁控溅射制备纳米铝膜的方法制备的纳米铝膜。

本发明利用现有的磁控溅射技术，通过选定合适的工艺参数，设计出沉积速率较高、膜层质量好、厚度较厚、晶粒细小的铝膜；薄膜膜厚和表面形貌对薄膜微结构和固有性能有着重要影响，如薄膜的光学性能和介电性能；本发明采用射频磁控溅射技术，以高纯铝为靶材，在显微镜载玻片表面制备纳米铝薄膜；在制备铝薄膜的工艺中，工艺参数的选择至关重要；同时分析射频功率、工作气压和负偏压三种不同的工艺参数对铝薄膜表面形貌和沉积速率的影响。

附图说明

图1是本发明实施例提供的射频磁控溅射制备纳米铝膜的方法的流程图。

图2是本发明实施例提供的射频磁控溅射制备纳米铝膜的方法的在不同工艺参数下6组薄膜样品的表面形貌图像；

图中：(a)负偏压0V，射频功率150W，工作气压0.7Pa；(b)负偏压20V，射频功率150W，工作气压0.9Pa；(c)负偏压20V，射频功率200W，工作气压1.1Pa；(d)负偏压40V，射频功率200W，工作气压1.3Pa；(e)负偏压60V，射频功率150W，工作气压1.3Pa；(f)负偏压60V，射频功率200W，工作气压0.5Pa。

图3是本发明实施例提供的射频磁控溅射制备纳米铝膜的方法的工艺参数与膜厚的关系曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明选用磁控溅射技术制备铝薄膜，磁控溅射工艺环保没有污染性废气产生、沉积温度较低不会改变基底尺寸，制备得到的膜层比较致密，膜基结合力好，可以在大面积基底上沉积涂层。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的射频磁控溅射制备纳米铝膜的方法包括以下步骤：

S101，使用MSP-300B型磁控溅射镀膜机(北京创世威纳科技有限公司，北京)，采用Ф80mm、厚度为5mm、纯度为99.99％的铝靶作为溅射靶，使用显微载玻片(25.4×76.2mm)作为基片，射频溅射方式制备铝膜；

S102，将基片放置进入真空舱之前用无水乙醇清洗20min，擦干后放在可转动的样品台上；

S103，调节靶基距为100mm，抽真空使溅射仪背底真空度达到5.0×10^-4Pa，通入纯度为99.999％的氩气，设置氩气流量为40sccm，温度为室温，溅射时间600s；

S104，调节负偏压、射频功率和工作气压三组工艺参数，利用正交试验讨论了这三种工艺参数对薄膜沉积速率的影响。

进一步，所述射频磁控溅射制备纳米铝膜的方法提供了一种测量方法，如下：

利用场发射扫描电镜(SEM，TESCAN VEGA3SBH，Czech)用于薄膜截面膜厚的测量，测量中将同组试样的两块样品表面涂覆一定量的侵蚀剂后紧贴在一起，测量两块样品的总膜厚，再用单块样品的厚度与沉积时间的比值得出沉积速率；光学金相显微镜(OM,AxioVert.Al,Germany)测量薄膜用于薄膜表面形貌观察；低角度(1.5°)X射线衍射仪(XRD,Rigaku D/max 2500PC XRD，Japan)用于确定涂层的物相结构，Cu靶、40kV、150mA；通过X射线衍射得到铝膜样品衍射峰的半高宽值和衍射角，然后代入Scherrer公式求得薄膜的晶粒尺寸，其中，D为铝膜的晶粒直径；k是实验仪器系数；λ是X射线波长；θ为衍射角；β为衍射峰半高宽值。

进一步，在S104中，正交试验参数表如表1所示：

表1正交试验表表头

本发明目的在于利用现有的磁控溅射技术，通过选定合适的工艺参数，设计出沉积速率较高、膜层质量好、厚度较厚、晶粒细小的铝膜。薄膜膜厚和表面形貌对薄膜微结构和固有性能有着重要影响，如薄膜的光学性能和介电性能。本发明采用射频磁控溅射技术，以高纯铝为靶材，在显微镜载玻片表面制备纳米铝薄膜。在制备铝薄膜的工艺中，工艺参数的选择至关重要。分析射频功率、工作气压和负偏压三种不同的工艺参数对铝薄膜表面形貌和沉积速率的影响。图2在不同工艺参数下6组薄膜样品的表面形貌图像。

图2(a)中可以看出，薄膜表面出现了较大的颗粒聚集物，较小尺寸的颗粒物随机零散分布在旁边，其尺寸大小差距较大，其中最大颗粒物长度达到473μm。图2(b)中出现了密集的岛状结构，岛的尺寸大小接近，并还伴随着岛的融合现象。图2(c)比图2(b)岛更加致密，岛与岛之间的间隙变小，岛的形状变为细长型沟壑状聚集生长。图2(d)的表面形貌既有图2(a)中的较大团簇聚集物，也有图2(b)中的岛密集状结构。图2(d)的工艺参数表明此时薄膜的沉积速率很快，可能一部分粒子还没有来得及在表面迁移就被后面沉积下来的粒子所覆盖，造成了图2(d)中1、2和3等区域内出现较大团簇的现象。图2(e)中黑色区域代表铝的团簇及岛状结构，剩下部分表示未被铝粒子覆盖区域。其中未被沉积的区域分布不均匀，中部与四周都出现大块区域未被沉积，面积形状各异。图2(f)中的岛状生长较图2(b)密集，较图2(c)更为平整，岛的大小大致相同。图2(f)的工艺参数表明，沉积到表面上的粒子具有较高的能量，但单位时间内的粒子数较少，导致粒子有充足的时间在表面迁移，在合适位置生长聚集，使得薄膜的均匀程度增加，同时使得薄膜表面出现了的致密化倾向。而且此时的膜厚为4.1μm，是整个实验中得到的较薄的薄膜，说明在高能量低沉积速率的情况下能得到较为平整的表面形貌。

表2为正交试验中几组晶体薄膜的膜厚和晶粒尺寸。

表2不同厚度铝膜的晶粒尺寸

由正交试验结果图3所示分析得出，负偏压、射频功率和工作气压极差值差相差不大，根据极差分析结果，影响膜厚的工艺参数从强到弱依次为：负偏压、射频功率和工作气压。随着负偏压的增大，薄膜的沉积速率先增加后减小，薄膜的沉积速率在40V时最快，达到0.77μm/min。随着溅射功率的增加，薄膜厚度先增加，随后急距下降，随后再上升。薄膜的沉积速率在150W时最块，达到0.75μm/min。随着工作压力的升高，薄膜沉积速率先无明显变化，之后迅速上升，在1.3Pa时，最快达到了0.69μm/min。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种射频磁控溅射制备纳米铝膜的方法，其特征在于，所述射频磁控溅射制备纳米铝膜的方法使用显微载玻片作为基片，射频溅射方式制备铝膜；负偏压20-60V，射频功率100-150W，工作气压0.7-0.9Pa。

2.一种如权利要求1所述射频磁控溅射制备纳米铝膜的方法的测量方法，其特征在于，所述测量方法利用场发射扫描电镜用于薄膜截面膜厚的测量，样品表面涂覆侵蚀剂，测量两块样品的总膜厚，再用单块样品的厚度与沉积时间的比值得出沉积速率；光学金相显微镜测量薄膜用于薄膜表面形貌观察；低角度X射线衍射仪用于确定涂层的物相结构，Cu靶、40kV、150mA；通过X射线衍射得到铝膜样品衍射峰的半高宽值和衍射角，求得薄膜的晶粒尺寸。

3.如权利要求2所述的的测量方法，其特征在于，所述薄膜的晶粒尺寸的计算公式：

D为铝膜的晶粒直径；k是实验仪器系数；λ是X射线波长；θ为衍射角；β为衍射峰半高宽值。

4.一种由权利要求1所述射频磁控溅射制备纳米铝膜的方法制备的纳米铝膜。