一种具有超高平坦度的金属镍薄膜的表面处理方法与流程

本发明属于材料表面处理领域，具体涉及一种具有超高平坦度的金属镍薄膜的表面处理方法。

背景技术

金属镍薄膜在微电子领域发挥着重要的作用，比如镍薄膜可以作为固体电池的阳极材料；由于优异的性质，电沉积的镍薄膜在电化学领域有着潜在的应用前景等。

由于对碳原子具有很高的溶解度，因此，从理论上讲，在选择合适的制备方法和参数条件下，能在金属镍薄膜上制备出高质量的石墨烯材料。虽然铜基底通常被用来生长高质量、大面积的石墨烯材料，但是对于两层和多层的石墨烯，铜作为基底来生长石墨烯的结果并不理想。实验结果表明，当利用化学气相沉积方法生长两层和多层的石墨烯时，能在金属镍薄膜上生长出高质量的石墨烯，此时金属镍起到基底和催化剂的作用。lipengren等人研究结果表明，随着金属镍薄膜的表面粗糙度的降低，生长的石墨烯的质量越好，缺陷越少，同时获得的连续的石墨烯的面积越大；反之，亦然。因此，获得超高平坦度的金属镍薄膜具有潜在的应用前景和经济价值。

至今为止，沉积金属镍薄膜的方法通常有磁控溅射、电子束蒸发、化学气相沉积和脉冲激光沉积。但是通过以上方式获得的金属镍薄膜的均方根粗糙度一般都大于3nm，很难获得低于1nm的超高平坦度的金属镍薄膜。通常热退火被用来降低薄膜的粗糙度，但是热退火会使得薄膜的晶体结构重新排列，影响晶体质量，而且无法获得均方根粗糙度低于1nm的薄膜；而采用氩离子束轰击金属镍薄膜会破环薄膜的晶体质量。

技术实现要素：

为解决上述现在技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种制备超高平坦度的金属镍薄膜的方法。本发明的制备方案简单，制备的金属镍薄膜的均方根粗糙度低于1nm，同时对金属镍薄膜的质量没有破坏。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种具有超高平坦度的金属镍薄膜的表面处理方法，：采用气体团簇离子束技术对沉积在半导体基底上的金属镍薄膜进行平坦化处理。

上述的一种具有超高平坦度的金属镍薄膜的表面处理方法，所述的金属镍薄膜的沉积基底为单晶硅、多晶硅、蓝宝石和碳化硅，薄膜的沉积方法为电子束蒸发、磁控溅射和激光脉冲沉积。

上述的一种具有超高平坦度的金属镍薄膜的表面处理方法，其依次包括下述步骤：

1）金属镍薄膜依次在酒精和丙酮超声清洗2分钟，然后在50℃的烘箱内保持3分钟；

2）对样品腔室和电离腔室的本底真空抽至3×10^-3pa，喷嘴腔室的本底真空抽至1×10^-4pa，启动电离单元的阴极电压至120v，保持30分钟；

3）采用氩气、二氧化碳、氮气和氧气中的一种作为气体源，选择laval喷嘴来产生气体团簇，进而对团簇气体源进行电离，然后对电离的气体团簇进行加速并采用磁场对被其进行质量分离，采用聚焦电压对电离后的气体团簇进行聚焦来对金属镍薄膜表面进行辐照轰击，辐照剂量在1×10⁵-1×10⁶离子束/平方厘米。

所述步骤3）采用的气体源为二氧化碳，气压保持在6个标准大气压。

所述步骤3）采用直径为0.2mm的laval喷嘴来产生气体团簇，喷嘴的开关频率为10hz，占空比为20%。

所述步骤3）的电离单元的阴极电压在80v，阳极电压在200v；加速电压在10kv，其中加速电压与基底的距离保持30cm不变。

所述步骤3）采用150mt的磁场对被电离的气体团簇进行质量分离，同时采用7.5kv的聚焦电压对电离后的气体团簇进行聚焦。

上述的一种具有超高平坦度的金属镍薄膜的表面处理方法，当辐照剂量在1×10⁶离子/平方厘米时，金属镍薄膜的均方根粗糙度可以下降到0.67nm。

与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

1）目前沉积金属镍薄膜的方法通常有磁控溅射、电子束蒸发、化学气相沉积和脉冲激光沉积。但是通过以上沉积方式获得的金属镍薄膜的均方根粗糙度一般都大于3nm，很难获得低于1nm的具有超高平坦度的金属镍薄膜。通常热退火被用来降低薄膜的粗糙度，但是热退火会使得薄膜的晶体结构重新排列，影响晶体质量，而且无法获得均方根粗糙度低于1nm的薄膜；而采用氩离子束轰击金属镍薄膜会破环薄膜的晶体质量。因此，我们采用气体团簇离子技术来获得具有超高平坦度的金属镍薄膜。

2）由于气体团簇中的分子可以高达上千，因此单个原子的能量在几个电子伏特，所以本发明采用的气体团簇离子束技术对金属镍薄膜的质量没有损害。

3）本发明的实验条件容易控制，重复性好。

附图说明

图1是金属镍薄膜的辐照剂量与均方根粗糙度之间的关系示意图。

图2是电子束沉积制备的金属镍薄膜的原子力显微镜图，其均方根粗糙度为3.05nm。

图3是辐照剂量为1×10⁶离子/平方厘米时轰击过的金属镍薄膜的原子力显微镜图，其均方根粗糙度为0.67nm。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

步骤一：金属镍薄膜分别依次在酒精和丙酮超声清洗2分钟，然后在50℃的烘箱内保持3分钟；

步骤二：对样品腔室和电离腔室的本底真空抽至3×10^-3pa，喷嘴腔室的本底真空抽至1×10^-4pa，然后开启电离单元的阴极电压至120v，保持30分钟；

步骤三：选择3个标准大气压的氩气作为气体源，采用直径为0.2mm的laval喷嘴来产生气体团簇，喷嘴的开关频率为10hz，占空比为20%；利用电离器对气体团簇进行电离，电离器的阴极电压在80v，阳极电压在200v；加速电压在10kv，加速电压与基底的距离保持在30cm不变；采用150mt的磁场对被电离的气体团簇进行质量分离，同时采用7.5kv的聚焦电压对其进行聚焦。保持以上参数不变，当辐照剂量在6×10⁶离子/平方厘米时，停止气体团簇对金属镍薄膜的轰击。

实施例2

步骤一：金属镍薄膜分别依次在酒精和丙酮超声清洗2分钟，然后在50℃的烘箱内保持3分钟；

步骤二：对样品腔室和电离腔室的本底真空抽至3×10^-3pa，喷嘴腔室的本底真空抽至1×10^-4pa，然后开启电离单元的阴极电压至120v，保持30分钟；

步骤三：选择6个标准大气压的二氧化碳作为气体源，采用直径为0.2mm的laval喷嘴来产生气体团簇，并利用脉冲阀调节气体团簇流量，开关频率为10hz，占空比为20%；利用电离器对气体团簇进行电离，电离器的阴极电压在80v，阳极电压在200v；加速电压在10kv，加速电压与基底的距离保持30cm不变；采用150mt的磁场对被电离的气体团簇进行质量分离，同时采用7.5kv的聚焦电压对其进行聚焦。保持以上参数不变，当辐照剂量在1×10⁶离子/平方厘米时，停止气体团簇对金属镍薄膜的辐照轰击。

图1为辐照剂量与金属镍薄膜均方根粗糙度之间的关系示意图，结果显示，在保持其他参数不变的情况下，随着辐照剂量的增加，金属镍薄膜的均方根粗糙度呈现下降的趋势；但是当辐照剂量高于6×10⁵离子/平方厘米时，其金属镍薄膜均方根粗糙度基本保持不变。图2和3分别为电子束沉积制备的金属镍薄膜和经过气体团簇离子辐照轰击过的（剂量在1×10⁶离子/平方厘米）的原子力显微镜图，其均方根粗糙度分别为3.05nm和0.67nm，可见采用气体团簇离子束技术可以实现获得超高平坦化的金属镍薄膜。对比实施例1，结果显示，气体源的种类以及气压的大小对于金属镍薄膜的均方根粗糙度的影响可以忽略不计。

实施例3

步骤一：金属镍薄膜分别依次在酒精和丙酮超声清洗2分钟，然后在50℃的烘箱内保持3分钟；

步骤二：对样品腔室和电离腔室的本底真空抽至3×10^-3pa，喷嘴腔室的本底真空抽至1×10^-4pa，然后开启电离单元的阴极电压至120v，保持30分钟；

步骤三：选择6个标准大气压的二氧化碳作为气体源，采用直径为0.2mm的laval喷嘴来产生气体团簇，喷嘴的开关频率为10hz，占空比为20%；利用电离器对气体团簇进行电离，电离器的阴极电压在80v，阳极电压在200v；加速电压在10kv，加速电压与基底的距离保持在30cm不变；采用150mt的磁场对被电离的气体团簇进行质量分离，同时采用7.5kv的聚焦电压对产生的气体团簇进行聚焦。保持以上参数，当辐照剂量在3×10⁵离子/平方厘米时，停止对金属镍薄膜的轰击，此时金属镍薄膜的均方根粗糙度为1.38nm。

以上所述对本发明创造的一种实施方案进行了具体的说明，但是不是全部或者唯一的方案，在本领域内的普通技术人员在不违背本发明创造精神的情况下对本发明技术方案采用的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。