专利名称：一种低应力中子转换薄膜元件及其制备方法
技术领域：
本发明属于精密光学元件制作技术领域，涉及一种低应力中子转换薄膜元件及其制备方法。
背景技术：
中子探测器是构成中子谱仪、便携式探雷器等中子检测装置的核心部件，其基本原理是将中子转换为带电粒子，通过测量带电粒子的空间和时间分布来实现中子探测。由于常用中子转换物质(3He)的产量严重不足，导致探测器价格日益增高，极大的限制了中子探测器的应用范围。为了解决巴尔干战争中地雷清除问题，欧盟制定了 DIAMINE工程(2001 年 2004年)，利用中子背散射技术实现地雷的探测和成像。为了研制这种新型的、便携式中子探雷装置，必须降低所用探测器的尺寸和造价，而原有的3He探测器无法满足这种需求；“9 · 11”事件以后，美国制定了在全面港口和机场增设爆炸物检测装置，其中中子探测器是必须的仪器设备；近年来，随着先进中子源的不断新建，众多中子束线正在或计划建设，每个中子束线都需要精密的中子探测器。一方面，国家安全、军事及科学应用对中子探测的需求不断增长，另一方面，由于生产常用中子转换物质(3He)的主要材料为核武器制作的主要材料之一，而被限制生产，因此导致了基于3He的中子探测器造价不断攀升，近10年来，中子探测器的价格增加了一个数量级。2006年，为了解决因3He产量不足而导致的中子探测器价格的快速增长，从而降低散裂中子源用中子谱仪的造价，美国科学家提出了一种新型的中子探测器。该探测器将镀制了碳化硼薄膜的铝箔制作成直径为4mm、长度为5cm的稻草管结构，将许多这种稻草管拼装成新型的面阵中子探测器，并实现了 O. Inm Inm波长范围中子的探测，为解决3He探测器造价问题提供了一条有效途径。但是，在制作这种中子源用新型探测器的过程中，必须解决I 2微米厚的碳化硼薄膜的高效制作问题，并保证薄膜不脱落、不碎裂，这就要求碳化硼薄膜具有较小的应力，且与基板之间有良好的粘附性。为了确保制作好的碳化硼薄膜不脱落、不碎裂，主要解决思路有两个其一是在基板与碳化硼薄膜之间增加一个粘附层薄膜，提高碳化硼薄膜与基板的粘附性；其二是减小碳化硼薄膜自身的应力。第二种方法是目前国际上制作I 2微米厚的碳化硼薄膜的主要思路。由于碳化硼薄膜的微结构呈非静态，因而具有较大的负应力，而且应力大小随膜层厚度的增长而保持不变，所以碳化硼薄膜越厚，其对基板的作用力就越大。为了控制碳化硼薄膜的应力，国际上许多科研人员开展了长时间的研究工作，有文献报道的方法主要有以下三种I、在镀制碳化硼薄膜过程中，提升基板的温度，可以降低碳化硼薄膜的应力。根据M.J. Zhou等人在2007年的报道(Thin Solid Films 516 (2007) 336)，当基板的温度高达750摄氏度时，采用离子束溅射方法制作的O. 3微米厚的碳化硼薄膜的应力在3. 5
4.OGPa之间。虽然，从实验结果看，进一步提升基板温度可以降低碳化硼薄膜的应力，但是，这样的应力水平显然无法满足中子探测器的制作需求。2、Mei-Ling Wu(Thin Solid Films 449 (2004) 120)和 Kulikovsky(Diam. & Rel. Mater. 18(2009)27)等人先后提出了在镀制碳化硼薄膜过程中，采用在基板上加负偏压的方法来减小碳化硼薄膜的应力。但是，采用这种方法，仅能将磁控溅射方法制作的11 I. 5 微米厚的碳化硼薄膜的应力减小到3GPa左右，仍然无法满足中子探测器的应用需求。3、Mei_Ling Wu 等人(Thin Solid Films 449 (2004) 120)提出了在很高的派射气压条件下制作低应力的碳化硼薄膜。当溅射气压达到I. 33帕斯卡时，制作的6纳米厚的碳化硼薄膜的应力接近于零。这种方法虽然可以获得几乎零应力的碳化硼薄膜，但是由于高的溅射气压，导致碳化硼薄膜的生长速度极慢，而且靶材料的消耗很大。采用这种方法来生产中子探测器用中子转换薄膜元件，效率低，成本高，不利于产业化。因此，寻找低应力、生产效率高、价格较低的中子探测器用中子转换薄膜元件及其制作方法，从而降低产品的生产成本，提高生产效率，是实现进一步拓展中子探测器应用范围的有效方法。
发明内容
为了克服上述现有的中子转换薄膜元件应力大或生产效率低、产品造价昂贵的缺陷，本发明的目的是提供一种低应力中子转换薄膜元件，通过在碳化硼薄膜中插入若干层相同厚度的铬薄膜层的方法，可以将中子转换薄膜元件的应力控制在接近于零应力状态。本发明的另一个目的是提供一种上述低应力中子转换薄膜元件的制备方法，该方法具有高效率和低成本的优点。本发明技术方案如下本发明提供了一种低应力中子转换薄膜元件，该元件包括基底和碳化硼/铬周期多层膜，铬薄膜层和碳化硼薄膜层交替沉积于基底表面上，铬薄膜层和碳化硼薄膜层的数目相同。所述的基底为光学玻璃。所述的基底粗糙度为0nm <基底粗糙度< lnm。所述的碳化硼/铬周期多层膜的周期数为3 17，总厚度为O. 36 2. 04微米，其中每个铬薄膜层厚度为60纳米，每个碳化硼薄膜层厚度为60纳米。所述的铬薄膜层和碳化硼薄膜层交替沉积于基底表面上是指在基底表面上，第一层薄膜是铬薄膜层，第二层薄膜是碳化硼薄膜层，第三层薄膜是铬薄膜层，第四层薄膜是碳化硼薄膜层，如此往复，直至最后一层薄膜是碳化硼薄膜层。本发明还提供了一种上述低应力中子转换薄膜元件的制备方法，该方法包括以下步骤首先对基底进行清洗，然后在基底上镀制碳化硼/铬周期多层膜。所述的对基底进行清洗包括以下步骤采用超纯水超声波清洗10分钟，30%浓度的盐酸浸泡30分钟，超纯水冲洗，超纯水超声波清洗10分钟，有机清洗液超声波清洗15分钟，超纯水超声波清洗10分钟，MOS级丙酮超声波清洗10分钟，超纯水超声波清洗10分钟， MOS级乙醇和乙醚混合液超声波清洗10分钟，乙醇和乙醚的体积比为I : 1，干燥的纯净氮气吹干。所述的有机清洗液采用的是洗洁精。
所述的在基底上镀制碳化硼/铬周期多层膜采用磁控溅射方法。所述的磁控溅射方法包括以下步骤溅射靶枪的工作模式为恒功率溅射，溅射工作气压为5帕斯卡；镀制碳化硼/铬周期多层膜前，溅射室的本底真空度为2E-4帕斯卡；靶到基板的距离为8厘米；利用靶和基板之间的机械挡板来控制薄膜的厚度先通过公转电机将基板运动到装有铬靶材料的溅射靶枪上方，移开挡板，开始镀制铬薄膜层，通过镀膜时间来控制膜层的厚度，当铬薄膜层镀完后，将挡板移回，然后将基板运动到装有碳化硼靶材料的溅射靶枪上，其中，挡板移开到移回之间的时间间隔即为镀制一层薄膜的镀膜时间；当基板运动到装有碳化硼靶材料的靶枪上方后，该靶枪的挡板移开，开始镀制碳化硼薄膜层， 通过镀膜时间来控制膜层的厚度，当碳化硼薄膜层镀完后，将挡板移回，然后再将基板运动到装有铬靶材的溅射靶枪上方；如此反复以上过程，实现碳化硼/铬周期多层膜的制作；在膜层沉积过程中，基板保持自转，自转速度为20转/分钟。多层膜制作过程中，通过镀膜时间来控制每层膜的厚度，通过反复的次数来控制多层膜周期数。本发明同现有技术相比，具有以下优点和有益效果I、本发明与现有的基于碳化硼单层膜的中子转换薄膜元件相比，由于引入了铬薄膜层，利用铬薄膜层的正性应力性质，与碳化硼薄膜层的负性应力相抵消，所形成的中子转换薄膜元件应力接近于零，而且应力值随薄膜总厚度的增加基本保持不变。2、本发明的低应力中子转换薄膜元件制作方法克服了基于单层碳化硼薄膜的中子薄膜转换元件制作过程中采用高溅射气压的缺点，实现了在较低气压条件下，实现低应力薄膜的制作，提升了薄膜的沉积速率，减小了薄膜制作过程中的靶材料消耗；所制作的基于碳化硼/铬周期多层膜的低应力中子转换薄膜元件具有应力小、制作效率高、价格便宜、 性能满足需求等优势，更适于实现此类产品的产业化。
图I为基于碳化硼/铬周期多层膜的低应力中子转换薄膜元件的结构示意图。图2为基于碳化硼/铬周期多层膜的低应力中子转换薄膜元件的工作示意图。图中1为基底、2为碳化硼/铬周期多层膜、3为碳化硼/铬周期多层膜中的铬薄膜层、4为碳化硼/铬周期多层膜中的碳化硼薄膜层、5为入射中子束、6为出射的带电粒子束。
具体实施例方式以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。以下所用的铬祀为美国Kurt J. Lesker公司生产的圆形金属铬祀材料直径 102mm,厚度6. Omm,纯度99. 95% ;所用的碳化硼祀为美国Kurt J. Lesker公司生产的圆形碳化硼靶材料直径102mm，厚度3. Omm,的纯度为99. 95%。实施例I首先对基底光学玻璃进行清洗，包括以下步骤采用超纯水超声波清洗10分钟， 30%浓度的盐酸浸泡30分钟，超纯水冲洗，超纯水超声波清洗10分钟，金鱼牌洗洁精超声波清洗15分钟，超纯水超声波清洗10分钟，MOS级丙酮超声波清洗10分钟，超纯水超声波
5清洗10分钟，MOS级乙醇和乙醚混合液超声波清洗10分钟，乙醇和乙醚的体积比为1:1， 干燥的纯净氮气吹干。基底粗糙度为0纳米<基底粗糙度< I纳米。然后在基底光学玻璃上镀制碳化硼/铬周期多层膜，采用磁控溅射方法，包括以下步骤溅射靶枪的工作模式为恒功率溅射，溅射工作气压为O. 5帕斯卡；铬靶所用的溅射功率为40瓦，碳化硼靶所用的溅射功率为150瓦。镀制碳化硼/铬周期多层膜前，溅射室的本底真空度为2E-4帕斯卡；祀到基板的距离为8厘米；利用靶和基板之间的机械挡板来控制薄膜的厚度先通过公转电机将基板运动到装有铬靶材料的溅射靶枪上方，移开挡板， 开始镀制铬薄膜层，通过镀膜时间来控制膜层的厚度，当铬薄膜层镀完后，将挡板移回，然后将基板运动到装有碳化硼靶材料的溅射靶枪上，其中，挡板移开到移回之间的时间间隔即为镀制一层薄膜的镀膜时间；当基板运动到装有碳化硼靶材料的靶枪上方后，该靶枪的挡板移开，开始镀制碳化硼薄膜层，通过镀膜时间来控制膜层的厚度，当碳化硼薄膜层镀完后，将挡板移回，然后再将基板运动到装有铬靶材的溅射靶枪上方；如此反复以上过程，实现碳化硼/铬周期多层膜的制作；在膜层沉积过程中，基板保持自转，自转速度为20转/分钟。制备得到的基于碳化硼/铬周期多层膜的低应力中子转换薄膜元件，包括基底I 和碳化硼/铬周期多层膜2，铬薄膜层3和碳化硼薄膜层4交替沉积于基底表面上；基底I 为光学玻璃，碳化硼/铬周期多层膜2的周期数为3，总厚度为O. 36微米，其中每个铬薄膜层3厚度为60纳米，镀膜时间为375秒；每个碳化硼薄膜层4厚度为60nm，镀膜时间为 1200秒；铬薄膜层3和碳化硼薄膜层4交替沉积于基底I表面上是指在基底I表面上，第一层薄膜是铬薄膜层3，第二层薄膜是碳化硼薄膜层4，第三层薄膜是铬薄膜层3，第四层薄膜是碳化硼薄膜层4，如此往复3次，直至最后一层薄膜是碳化硼薄膜层4。图I为铬/碳化硼极紫外多层膜反射镜的结构示意图。图2为铬/碳化硼极紫外多层膜反射镜的工作示意图，入射中子束5通过光学基板和碳化硼/铬周期多层膜2，在每个碳化硼薄膜层内，与碳化硼中的硼元素作用，产生带电粒子，并形成出射的带电粒子束6。在中子束穿过多层膜过程中，由于铬的吸收很小(基本可以忽略)，中子的损耗基本来自于碳化硼薄膜中硼元素的吸收，并产生带电粒子，从而实现中子与带电粒子之间的转换。而由于铬和碳化硼薄膜的应力性质相反，且两者厚度均为60纳米时，两种薄膜对基板的作用力相互抵消，从而使得整个薄膜元件的应力几乎为零。这样的薄膜元件，不仅可以保证中子转换为带电粒子，而且使得薄膜与基板间在不增加任何粘附层的条件下，不脱落、不碎裂。这样就实现了低应力中子转换薄膜元件的高效、低成本制作，满足中子探测器的应用需求。实施例2首先对基底光学玻璃进行清洗，包括以下步骤采用超纯水超声波清洗10分钟， 30%浓度的盐酸浸泡30分钟，超纯水冲洗，超纯水超声波清洗10分钟，金鱼牌洗洁精超声波清洗15分钟，超纯水超声波清洗10分钟，MOS级丙酮超声波清洗10分钟，超纯水超声波清洗10分钟，MOS级乙醇和乙醚混合液超声波清洗10分钟，乙醇和乙醚的体积比为1:1， 干燥的纯净氮气吹干。基底粗糙度为0纳米<基底粗糙度< I纳米。然后在基底光学玻璃上镀制碳化硼/铬周期多层膜，采用磁控溅射方法，包括以下步骤溅射靶枪的工作模式为恒功率溅射，溅射工作气压为O. 5帕斯卡；铬靶所用的溅射功率为40瓦，碳化硼靶所用的溅射功率为150瓦。镀制碳化硼/铬周期多层膜前，溅射室的本底真空度为2E-4帕斯卡；祀到基板的距离为8厘米；利用靶和基板之间的机械挡板来控制薄膜的厚度先通过公转电机将基板运动到装有铬靶材料的溅射靶枪上方，移开挡板， 开始镀制铬薄膜层，通过镀膜时间来控制膜层的厚度，当铬薄膜层镀完后，将挡板移回，然后将基板运动到装有碳化硼靶材料的溅射靶枪上，其中，挡板移开到移回之间的时间间隔即为镀制一层薄膜的镀膜时间；当基板运动到装有碳化硼靶材料的靶枪上方后，该靶枪的挡板移开，开始镀制碳化硼薄膜层，通过镀膜时间来控制膜层的厚度，当碳化硼薄膜层镀完后，将挡板移回，然后再将基板运动到装有铬靶材的溅射靶枪上方；如此反复以上过程，实现碳化硼/铬周期多层膜的制作；在膜层沉积过程中，基板保持自转，自转速度为20转/分钟。制备得到的基于碳化硼/铬周期多层膜的低应力中子转换薄膜元件，包括基底I 和碳化硼/铬周期多层膜2，铬薄膜层3和碳化硼薄膜层4交替沉积于基底表面上；基底I 为光学玻璃，碳化硼/铬周期多层膜2的周期数为7，总厚度为O. 84微米，其中每个铬薄膜层3厚度为60纳米，镀膜时间为375秒；每个碳化硼薄膜层4厚度为60nm，镀膜时间为 1200秒；铬薄膜层3和碳化硼薄膜层4交替沉积于基底I表面上是指在基底I表面上，第一层薄膜是铬薄膜层3，第二层薄膜是碳化硼薄膜层4，第三层薄膜是铬薄膜层3，第四层薄膜是碳化硼薄膜层4，如此往复7次，直至最后一层薄膜是碳化硼薄膜层4。实施例3首先对基底光学玻璃进行清洗，包括以下步骤采用超纯水超声波清洗10分钟， 30%浓度的盐酸浸泡30分钟，超纯水冲洗，超纯水超声波清洗10分钟，金鱼牌洗洁精超声波清洗15分钟，超纯水超声波清洗10分钟，MOS级丙酮超声波清洗10分钟，超纯水超声波清洗10分钟，MOS级乙醇和乙醚混合液超声波清洗10分钟，乙醇和乙醚的体积比为1:1， 干燥的纯净氮气吹干。基底粗糙度为0纳米<基底粗糙度< I纳米。然后在基底光学玻璃上镀制碳化硼/铬周期多层膜，采用磁控溅射方法，包括以下步骤溅射靶枪的工作模式为恒功率溅射，溅射工作气压为O. 5帕斯卡；铬靶所用的溅射功率为40瓦，碳化硼靶所用的溅射功率为150瓦。镀制碳化硼/铬周期多层膜前，溅射室的本底真空度为2E-4帕斯卡；祀到基板的距离为8厘米；利用靶和基板之间的机械挡板来控制薄膜的厚度先通过公转电机将基板运动到装有铬靶材料的溅射靶枪上方，移开挡板， 开始镀制铬薄膜层，通过镀膜时间来控制膜层的厚度，当铬薄膜层镀完后，将挡板移回，然后将基板运动到装有碳化硼靶材料的溅射靶枪上，其中，挡板移开到移回之间的时间间隔即为镀制一层薄膜的镀膜时间；当基板运动到装有碳化硼靶材料的靶枪上方后，该靶枪的挡板移开，开始镀制碳化硼薄膜层，通过镀膜时间来控制膜层的厚度，当碳化硼薄膜层镀完后，将挡板移回，然后再将基板运动到装有铬靶材的溅射靶枪上方；如此反复以上过程，实现碳化硼/铬周期多层膜的制作；在膜层沉积过程中，基板保持自转，自转速度为20转/分钟。制备得到的基于碳化硼/铬周期多层膜的低应力中子转换薄膜元件，包括基底I 和碳化硼/铬周期多层膜2，铬薄膜层3和碳化硼薄膜层4交替沉积于基底表面上；基底I 为光学玻璃，碳化硼/铬周期多层膜2的周期数为17，总厚度为2. 04微米，其中每个铬薄膜层3厚度为60纳米，镀膜时间为375秒；每个碳化硼薄膜层4厚度为60nm，镀膜时间为1200秒；铬薄膜层3和碳化硼薄膜层4交替沉积于基底I表面上是指在基底I表面上，第一层薄膜是铬薄膜层3，第二层薄膜是碳化硼薄膜层4，第三层薄膜是铬薄膜层3，第四层薄膜是碳化硼薄膜层4，如此往复17次，直至最后一层薄膜是碳化硼薄膜层4。上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
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权利要求
1.一种低应力中子转换薄膜元件，其特征在于该元件包括基底(I)和碳化硼/铬周期多层膜(2)，铬薄膜层(3)和碳化硼薄膜层(4)交替沉积于基底(I)表面上，铬薄膜层(3) 和碳化硼薄膜层(4)的数目相同。
2.根据权利要求I所述的低应力中子转换薄膜元件，其特征在于所述的基底(I)为光学玻璃。
3.根据权利要求I所述的低应力中子转换薄膜元件，其特征在于所述的基底(I)粗糙度为=Onm <基底粗糙度< lnm。
4.根据权利要求I所述的低应力中子转换薄膜元件，其特征在于所述的碳化硼/铬周期多层膜(2)的周期数为3 17，总厚度为O. 36 2. 04微米，其中每个铬薄膜层(3) 厚度为60纳米，每个碳化硼薄膜层(4)厚度为60纳米。
5.根据权利要求I所述的低应力中子转换薄膜元件，其特征在于所述的铬薄膜层(3) 和碳化硼薄膜层(4)交替沉积于基底(I)表面上是指在基底(I)表面上，第一层薄膜是铬薄膜层(3)，第二层薄膜是碳化硼薄膜层(4)，第三层薄膜是铬薄膜层(3)，第四层薄膜是碳化硼薄膜层(4)，如此往复，直至最后一层薄膜是碳化硼薄膜层(4)。
6.权利要求I至5任一所述的低应力中子转换薄膜元件的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤首先对基底(I)进行清洗，然后在基底(I)上镀制碳化硼/铬周期多层膜⑵。
7.根据权利要求6所述的低应力中子转换薄膜元件的制备方法，其特征在于所述的对基底(I)进行清洗包括以下步骤采用超纯水超声波清洗10分钟，30%浓度的盐酸浸泡 30分钟，超纯水冲洗，超纯水超声波清洗10分钟，有机清洗液超声波清洗15分钟，超纯水超声波清洗10分钟，MOS级丙酮超声波清洗10分钟，超纯水超声波清洗10分钟，MOS级乙醇和乙醚混合液超声波清洗10分钟，乙醇和乙醚的体积比为I : 1，干燥的纯净氮气吹干。
8.根据权利要求7所述的低应力中子转换薄膜元件的制备方法，其特征在于所述的有机清洗液采用的是洗洁精。
9.根据权利要求6所述的低应力中子转换薄膜元件的制备方法，其特征在于所述的在基底(I)上镀制碳化硼/铬周期多层膜(2)采用磁控溅射方法。
10.根据权利要求I所述的低应力中子转换薄膜元件的制备方法，其特征在于所述的磁控溅射方法包括以下步骤溅射靶枪的工作模式为恒功率溅射，溅射工作气压为5帕斯卡；镀制碳化硼/铬周期多层膜(2)前，溅射室的本底真空度为2E-4帕斯卡；靶到基板的距离为8厘米；利用靶和基板之间的机械挡板来控制薄膜的厚度先通过公转电机将基板运动到装有铬靶材料的溅射靶枪上方，移开挡板，开始镀制铬薄膜层(3)，通过镀膜时间来控制膜层的厚度，当铬薄膜层(3)镀完后，将挡板移回，然后将基板运动到装有碳化硼靶材料的溅射靶枪上，其中，挡板移开到移回之间的时间间隔即为镀制一层薄膜的镀膜时间；当基板运动到装有碳化硼靶材料的靶枪上方后，该靶枪的挡板移开，开始镀制碳化硼薄膜层(4)，通过镀膜时间来控制膜层的厚度，当碳化硼薄膜层镀(4)完后，将挡板移回，然后再将基板运动到装有铬靶材的溅射靶枪上方；如此反复以上过程，实现碳化硼/铬周期多层膜(2)的制作；在膜层沉积过程中，基板保持自转，自转速度为20转/分钟。
全文摘要
本发明属于精密光学元件制作技术领域，公开了一种低应力中子转换薄膜元件及其制备方法。该元件包括基底(1)和碳化硼/铬周期多层膜(2)，铬薄膜层(3)和碳化硼薄膜层(4)交替沉积于基底(1)表面上，铬薄膜层(3)和碳化硼薄膜层(4)的数目相同。制备方法如下首先对基底(1)进行清洗，然后在基底(1)上镀制碳化硼/铬周期多层膜(2)。本发明的基于碳化硼/铬周期多层膜的低应力中子转换薄膜元件具有低应力、高制作效率、价格便宜、中子转换性能满足需求等优势，更适于实现此类产品的产业化。
文档编号C23C14/06GK102602070SQ20121004496
公开日2012年7月25日 申请日期2012年2月27日 优先权日2012年2月27日
发明者张众, 梁玉, 王占山 申请人:同济大学