一种掺杂铬的晶态钨薄膜及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种掺杂铬的晶态钨薄膜及其制备方法，是利用磁控溅射设备直接连续溅射制备出掺杂铬的晶态钨薄膜，省略了后缀的退火处理。具体制备步骤为：将钨靶材放置在磁控溅射设备真空室中的直流溅射台上，把铬靶材放置在钨靶的溅射区内，基片放置在样品台上；对真空室抽真空至背底真空，向真空室充入氩气，并调节氩气流量和溅射气压，调节溅射直流和空载比；沉积溅射前预溅射一段时间后，调节基片至溅射区域，在设置的溅射沉积时间里开始制备掺杂铬的晶态钨薄膜。该工艺操作简单，薄膜为晶态，不脱落。磁控溅射得到的掺杂铬的晶态钨薄膜无需进行后续的热处理过程。
【专利说明】一种掺杂铬的晶态钨薄膜及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于氢氦辐照的钨材料，更特别地说，是指一种掺杂铬的晶态钨薄膜及其制备方法。
【背景技术】
[0002]磁控溅射是一种应用广泛的物理气相沉积方法，其优点在薄膜沉积速率高，工作气压较低，有利于持续放电。磁控派射技术关键点在于，在派射装置中引入磁场，一方面降低了反应过程的气体压力，同时，另一方面在同样的电流、气体等条件下，磁控溅射技术可以显著提高溅射的效率和沉积速率。磁控溅射技术作为一项先进技术，可将等离子体约束于靶的附近且其对衬底轰击作用小。能够减少衬底损伤和降低沉积温度，对于一些薄膜的沉积是有利的，但在预沉积或者清洗靶材的时候，保持适度的离子对衬底的轰击效应是十分必要。磁控溅射技术中，对于靶材的要求很高，需要对于靶材进行冷却，且需要对于靶进行预溅射，达到清洗除杂的目的。衬底温度、溅射功率以及腔体气压都是影响薄膜沉积的重要参数。(P.J.Kblly, R.D.Anlell.Magnetron sputtering:a review of recentdevelopments and applications.Vacuum, 2000, 56:159-172)直流磁控灘射技术的工艺设备简单，沉积过程中拥有较高的沉积速率。特别在金属镀膜上具有一定的优势，能镀微米级的膜厚，为金属合金的研究提供了制备样品的特佳方法。近几年核聚变工业材料研究的深入，要求有合格及多种金属掺杂的钨基材料便于研究氢、氦等离子体辐照下材料的性能特征变化，急需简便易行、制备方便的工艺方法。由于铬金属块材对氢原子有阻碍向内部迁移的特性，急需掺杂铬的钨基材料便于研究，磁控溅射镀膜提供了可能。由于大部分镀膜形成的是非晶态薄膜，还要进行退火处理，可能导致薄膜氧化和脱落，给研究带来了一定的难度。
[0003]目前国际上报道的制备钨基薄膜材料的有V.Kh.Alimov等人利用溅射沉积镀了厚度≥0.4μπι的钨膜，由于膜是非晶态，必须进行退火处理转化为晶态膜才能研究，这样容易导致氧化和膜的脱落。(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等人利用磁控溅射镀成约10 μ m厚的非晶态钨膜，如果要用于研究氢氦的辐照效应还需要进行晶化处理，在晶化热处理过程中，由于薄厚度过大，易于脱落，并且由于内部张力也可能导致薄膜断裂等现象发生。(V.Nemanic, B.Zajec,D.Dellasega1M.Passon1., Hydrogen permeation through disordered nanostructure tungsten films.Journal of Nuclear Materials, 2012，429:92-98)。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提出一种掺杂铬的晶态钨薄膜及其制备方法，经本发明方法制备掺杂铬的晶态钨薄膜无需进行加热处理，具体步骤为是将钨靶材放置在磁控溅射仪真空室中的直流溅射台上，把铬靶材放置在钨靶的最大溅射区，清洗好的基片放置在真空室中的样品台上；对真空室抽真空至背底真空，向真空室充入氩气，并调节氩气流量和溅射压，然后再调节空载比和溅射直流电流；沉积溅射前预溅射一段时间后，调苄基片至溅射区域，预设溅射沉积时间开始制备掺杂铬的晶态钨薄膜。该工艺操作简单，薄膜为晶态，不脱落，制得的掺杂铬的晶态钨薄膜省去热处理过程。
[0005]本发明是一种采用磁控溅射工艺制备掺杂铬的晶态钨薄膜的方法，该方法包括有下列步骤:
[0006]步骤一:钨基片的清洁处理
[0007]钨基片的质量百分比纯度为99.999% ；
[0008]先将钨基片置于去离子水中进行超声清洗2~5分钟，再置于酒精中进行超声清洗2~5分钟，再置于丙酮中进行超声清洗2~5分钟，再置于去离子水中进行超声清洗2~5分钟，再置于酒精中进行超声清洗2~5分钟，取出，自然干燥后，得到清洁后钨基片。超声波清洗的频率设置为30KHz。
[0009]步骤二:靶材和基片的放置
[0010]先将钨靶材放置在磁控溅射仪真空室中的直流溅射台上，再把铬靶材放置在钨靶的最大溅射区；
[0011]将步骤一清洗后的钨基片放置在真空室中的样品台上；
[0012]钨靶材的质量百分比纯度为99.99%，铬靶材的质量百分比纯度为99.99%。
[0013]步骤三:调节溅射气压、溅射直流
[0014]将步骤二的操作完成后，关闭真空室，对真空室抽真空至背底真空4X10 —4~5.5X10 —4Pa ;
[0015]然后，向真空室充入氩气，并调节氩气流量和溅射气压，氩气流量为19~21scc，溅射气压为0.7~0.9Pa ;氩气的体积百分比纯度为99.999% ；
[0016]然后，调节空载比50和溅射直流电流0.14~0.16A ；
[0017]步骤四:磁控溅射制薄膜
[0018]依据步骤三设置好的溅射工艺参数，打开运行开关，预溅射5~IOmin后，调苄基片至溅射区域，然后磁控溅射沉积时间5~8h后，关闭设备，取出掺杂铬的晶态钨薄膜。
[0019]本发明的优点:
[0020]①工艺简单，易于操作，实验可控，掺杂元素铬可通过调节靶材数量控制铬含量。
[0021]②掺杂铬的钨薄膜为晶态，省去薄膜热处理过程，薄膜不脱落。
[0022]③原材料易购，成本低，只需一次连续溅射沉积。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是在磁控溅射设备中基片与鞋材相对放置的简示图。
[0024]图1A是靶材在靶台上的一种放置方式示意图。
[0025]图1B是靶材在靶台上的另一种放置方式示意图。
[0026]图2是在实施例1中采用本发明方法制得的掺杂铬的晶态钨薄膜的XRD图谱。
[0027]图3是在实施例1中采用本发明方法制得的掺杂铬的晶态钨薄膜放大1000倍的扫描电镜照片。[0028]图4是在实施例1中采用本发明方法制得的掺杂铬的晶态钨薄膜放大5000倍的扫描电镜照片。
[0029]图5是在实施例1中采用本发明方法制得的掺杂铬的晶态钨薄膜的断面扫描电镜照片。
[0030]图6是在实施例1中采用本发明方法制得的掺杂铬的晶态钨薄膜的铬含量能谱图。
【具体实施方式】
[0031]下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0032]本发明用磁控溅射仪制备掺杂铬的晶态钨薄膜解决了核聚变研究中钨基材料的制备问题。实验操作简单易行，不需过多复杂的设备，原材料易购，只需一次连续沉积。薄膜为晶态，省去热处理过程，薄膜不脱落，可直接进行实验研究用。制备的薄膜材料通过XRD分析为掺杂铬的晶态钨薄膜，且峰值在[110]、[200]、[211]、[220]与钨标准峰完全重合。
[0033]本发明制备的掺杂铬的晶态钨薄膜，经扫描电镜观察厚度为2.5微米~3.5微米。
[0034]本发明制备的掺杂铬的晶态钨薄膜，其铬的含量为2.0wt%~13.8wt%。
[0035]本发明是一种采用磁控溅射工艺制备掺杂铬的晶态钨薄膜的方法，该方法包括有下列步骤:
[0036]步骤一:钨基片的清洁处理
[0037]钨基片的质量百分比纯度为99.999% ；
[0038]先将钨基片置于去离子水中进行超声清洗2~5分钟，再置于酒精(质量百分比浓度为70%)中进行超声清洗2~5分钟，再置于丙酮(质量百分比浓度为99.5%)中进行超声清洗2~5分钟，再置于去离子水中进行超声清洗2~5分钟，再置于酒精中进行超声清洗2~5分钟，取出，自然干燥后，得到清洁后钨基片。超声波清洗的频率设置为30KHz。
[0039]步骤二:靶材和基片的放置
[0040]先将钨靶材放置在磁控溅射仪真空室中的直流溅射台上，再把铬靶材放置在钨靶的最大溅射区；
[0041]将步骤一清洗后的钨基片放置在真空室中的样品台上；
[0042]在本发明中，为了保证铬的掺杂量，铬靶材可以切割成4 X 4 X 2mm规格的块材，铬靶材放置在钨靶材上的方式为对称放置。一般铬靶材选用2、4或6块数量。
[0043]钨靶材的质量百分比纯度为99.999%，铬靶材的质量百分比纯度为99.999%。
[0044]步骤三:调节溅射气压、溅射直流
[0045]将步骤二的操作完成后，关闭真空室，对真空室抽真空至背底真空4X10 —4~
5.5X10 —4Pa ;
[0046]然后，向真空室充入氩气，并调节氩气流量和溅射气压，氩气流量为19~21scc，溅射气压为0.7~0.9Pa ;氩气的体积百分比纯度为99.999% ；
[0047]然后，调节空载比50和溅射直流电流0.14~0.16A ；
[0048]步骤四:磁控溅射制薄膜
[0049]依据步骤三设置好的溅射工艺参数，打开运行开关，预溅射5~IOmin后，调苄基片至溅射区域，然后磁控溅射沉积时间5~8h后，关闭设备，取出掺杂铬的晶态钨薄膜。[0050]实施例1
[0051]参照图1所示，图中编号分别是指射频台1、真空室2、氩气进气口 3、抽真空装置
4、样品台5和样品自传台6。
[0052]将钨靶材7放置在真空室2的溅射台I上，把4 X 4 X 2mm规格的2块铬靶材8放置在钨靶材7的最大溅射区(虚线)，且2块铬靶材8以钨靶材7中心为对称摆放，参见图1A所示。把清洗好的钨基片放置在样品台5上。
[0053]钨靶材的质量百分比纯度为99.999%，钨基片的质量百分比纯度为99.999%，铬靶材的质量百分比纯度为99.999%。
[0054]钨基片的前处理:先将钨基片置于去离子水中进行超声清洗3分钟，再置于酒精(质量百分比浓度为70%)中进行超声清洗3分钟，再置于丙酮(质量百分比浓度为99.5%)中进行超声清洗2分钟，再置于去离子水中进行超声清洗5分钟，再置于酒精中进行超声清洗5分钟，取出，自然干燥后，得到清洁后钨基片。超声波清洗的频率设置为30KHz。
[0055]关闭真空室，对真空室2抽真空，使真空室2内的真空度达到溅射仪的背底真空值5 X 10 —4Pa时，向真空室2充入氩气(体积百分比纯度为99.999%)，氩气流量为20scc，真空溅射压调到0.8Pa ;调整溅射直流电流为0.16A和占空比为50。
[0056]沉积溅射前，钨靶先预溅射10分钟，然后调节样品台5上的钨基片至射频台I的溅射区域，设置沉积溅射时间为5h。
[0057]溅射完毕后，关闭设备，取出样品进行性能检测。
[0058]将实施例1制得的样品采用X射线衍射仪对制备的掺杂铬的钨薄膜进行了物相分析，如图2所示，说明制备的薄膜已是晶态薄膜，其峰值在[110]、[200]、[211]、[220]与钨标准峰完全重合。
[0059]将实施例1制得的样品在电子扫描电镜下观察，薄膜表面平整，如图3和图4所示；对薄膜做了断面观察，薄膜厚度约为3 μ m，如图5所示。
[0060]将实施例1制得的样品做了能谱分析，铬的含量为2.2wt%，如图6所示。
[0061]实施例1中应用的磁控溅射仪选用北京镨玛泰克真空科技有限公司生产的MP700型号。
[0062]实施例2
[0063]参照图1所示，将钨靶材7放置在真空室2的溅射台I上，把4X 4X 2mm规格的4块铬靶材8放置在钨靶的最大溅射区(虚线)，4块铬靶材8以钨靶材7中心为对称摆放，参见图1B所示。把清洗好的钨基片放置在样品台5上。
[0064]钨靶材的质量百分比纯度为99.999%，钨基片的质量百分比纯度为99.999%，铬靶材的质量百分比纯度为99.999%。
[0065]钨基片的前处理:先将钨基片置于去离子水中进行超声清洗5分钟，再置于酒精(质量百分比浓度为70%)中进行超声清洗5分钟，再置于丙酮(质量百分比浓度为99.5%)中进行超声清洗5分钟，再置于去离子水中进行超声清洗5分钟，再置于酒精中进行超声清洗5分钟，取出，自然干燥后，得到清洁后钨基片。超声波清洗的频率设置为30KHz。
[0066]关闭真空室，对真空室2抽真空，使真空室2内的真空度达到溅射仪的背底真空值
5.5X10 —4Pa时，向真空室2充入氩气，氩气流量为19scc，真空溅射压调到0.9Pa ;调整溅射直流电流为0.14A和占空比为50。[0067]沉积溅射前，钨靶先预溅射5分钟，然后调节样品台5上的钨基片至射频台I的溅射区域，设置沉积溅射时间为8h。
[0068]溅射完毕后，关闭设备，取出样品进行性能检测。
[0069]将实施例2制得的样品采用X射线衍射仪对制备的掺杂铬的钨薄膜进行了物相分析，其峰值在[110]、[200]、[211]、[220]与钨标准峰完全重合。
[0070]将实施例2制得的样品在电子扫描电镜下观察，薄膜表面平整，薄膜厚度约为
3.5 μ m0
[0071]将实施例2制得的样品做能谱分析，铬的含量为5.2wt%。
[0072]实施例3
[0073]参照图1所示，将钨靶放置在真空室2的溅射台I上，把4X 4X 2mm规格的6块铬靶材放置在钨靶的最大溅射区，6个铬靶材以钨靶中心为对称摆放。把清洗好的钨基片放置在样品台5上。
[0074]钨靶材的质量百分比纯度为99.999%，钨基片的质量百分比纯度为99.999%，铬靶材的质量百分比纯度为99.999%。
[0075]钨基片的前处理:先将钨基片置于去离子水中进行超声清洗3分钟，再置于酒精(质量百分比浓度为70% )中进行超声清洗3分钟，再置于丙酮(质量百分比浓度为99.5%)中进行超声清洗2分钟，再置于去离子水中进行超声清洗5分钟，再置于酒精中进行超声清洗5分钟，取出，自然干燥后，得到清洁后钨基片。超声波清洗的频率设置为30KHz。
[0076]关闭真空室，对真空室2抽真空，使真空室2内的真空度达到溅射仪的背底真空值
4.6X10 —4Pa时，向真空室2充入氩气，氩气流量为21scc，真空溅射压调到0.7Pa ;调整溅射直流电流为0.15A和占空比为50。
[0077]沉积溅射前，钨靶先预溅射8分钟，然后调节样品台5上的钨基片至射频台I的溅射区域，设置沉积溅射时间为7h。
[0078]溅射完毕后，关闭设备，取出样品进行性能检测。
[0079]将实施例3制得的样品采用X射线衍射仪对制备的掺杂铬的钨薄膜进行了物相分析，其峰值在[110]、[200]、[211]、[220]与钨标准峰完全重合。
[0080]将实施例3制得的样品在电子扫描电镜下观察，薄膜表面平整，薄膜厚度约为
2.8 μ m0
[0081]将实施例3制得的样品做能谱分析，铬的含量为13.8wt%。
[0082]本发明采用磁控溅射方法制备掺杂铬的晶态钨薄膜，是一种在高真空室中充入适量的氩气，在溅射靶阴极和基板阳极之间施加直流电流，将钨靶材和铬靶材表面原子溅射出来沉积在钨基片表面上形成薄膜的方法。磁控溅射法具有反应温度低，镀膜层与基板的物理结合力强、镀膜层致密、均匀等优点。本发明制得的晶态邬膜厚达几微米，铬元素已完全参与钨晶粒的晶格结构构成，并且在室温下稳定，不需要在进行晶态化的退火处理，可以直接用于氢氦的辐照研究。
【权利要求】
1.一种掺杂铬的晶态钨薄膜，其特征在于:该掺杂铬的晶态钨薄膜的峰值在[110]、[200]、 [211]、 [220]ο
2.根据权利要求1所述的掺杂铬的晶态钨薄膜，其特征在于:该掺杂铬的晶态钨薄膜的厚度为2.5微米~3.5微米。
3.一种采用采用磁控溅射工艺制备掺杂铬的晶态钨薄膜的方法，其特征在于有下列步骤: 步骤一:钨基片的清洁处理 钨基片的质量百分比纯度为99.999% ； 先将钨基片置于去离子水中进行超声清洗2~5分钟，再置于酒精(质量百分比浓度为70%)中进行超声清洗2~5分钟，再置于丙酮(质量百分比浓度为99.5%)中进行超声清洗2~5分钟，再置于去离子水中进行超声清洗2~5分钟，再置于酒精中进行超声清洗2~5分钟，取出，自然干燥后，得到清洁后钨基片； 超声波清洗的频率设置为30KHz ； 步骤二:靶材和基片的放置 先将钨靶材放置在磁控溅射仪真空室中的直流溅射台上，再把铬靶材放置在钨靶的最大溅射区； 将步骤一清洗后的钨基片放置在真空室中的样品台上； 步骤三:调节溅射气压、溅射直流 将基片与鞋材放置好后，关闭真空室，对真空室抽真空至背底真空4X10 —4~5.5X10 —4Pa ; 然后，向真空室充入氩气，并调节氩气流量和溅射气压，氩气流量为19~21scc，溅射气压为0.7~0.9Pa ;氩气的体积百分比纯度为99.999% ； 然后，调节空载比50和溅射直流电流0.14~0.16A ； 步骤四:磁控溅射制薄膜 依据步骤三设置好的溅射工艺参数，打开运行开关，预溅射5~IOmin后，调苄基片至溅射区域，然后磁控溅射沉积时间5~8h后，关闭设备，取出掺杂铬的晶态钨薄膜。
4.根据权利要求3所述的采用采用磁控溅射工艺制备掺杂铬的晶态钨薄膜的方法，其特征在于:铬靶材的规格尺寸为4X4X2mm，铬靶材放置在钨靶材上的方式为对称放置。
5.根据权利要求4所述的采用采用磁控溅射工艺制备掺杂铬的晶态钨薄膜的方法，其特征在于:铬祀材的数量为2、4或6块。
6.根据权利要求3所述的采用采用磁控溅射工艺制备掺杂铬的晶态钨薄膜的方法，其特征在于:制得的掺杂铬的晶态钨薄膜的峰值在[110]、[200]、[211]、[220]。
7.根据权利要求3所述的采用采用磁控溅射工艺制备掺杂铬的晶态钨薄膜的方法，其特征在于:制得的掺杂铬的晶态钨薄膜的的厚度为2.5微米~3.5微米。
【文档编号】C23C14/14GK103628026SQ201310627059
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2013年11月29日
【发明者】朱开贵, 刘方舒 申请人:北京航空航天大学