薄膜体系及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于薄膜技术领域，特别涉及一种Cr203薄膜体系及其制备方法。
【背景技术】
[0002]氧化铬(Cr203)薄膜是近年来发展起来并受到重视的薄膜材料之一，它具有化学稳定性强、抗高温性好、摩擦系数小、硬度高、抗磨蚀能力强、与基体结合力强等特点，被广泛用于微电子器件的阻挡层、磨损器件的保护层，以及气体轴承汽车的汽缸内壁等。
[0003]目前，Cr203薄膜的主要制备方法有离子镀、磁控溅射、原位氧化等。磁控溅射沉积的薄膜具有表面平整、致密、精度高等优点。虽然很多文献对溅射法制备Cr203薄膜有详细报道，但因Cr203薄膜和金属基底热膨胀系数相差很大，直接在金属上沉积的Cr 203薄膜易产生裂纹等缺陷，这会影响薄膜性能，甚至降低器件的使用寿命。
【发明内容】
[0004]针对现有技术不足，本发明提供了一种Cr203薄膜体系及其制备方法。
[0005]—种Cr203薄膜体系，该体系以金属材料为基底，基底上覆有Cr 203薄膜，或基底上以Cr-M为过渡层，过渡层上覆有Cr203薄膜，其中，Μ为与Cr和基底相融合的金属元素。
[0006]所述Cr-M过渡层的厚度为0-1000nm，Cr203薄膜的厚度为10_2000nm ;Cr_M过渡层和Cr203薄膜的总厚度不超过2000nm。
[0007]进一步地，所述Cr-M过渡层为梯度过渡层。
[0008]所述基底为纯金属材料，则Μ为基底中的金属元素；或所述基底为合金材料，则Μ为基底中含量最多的金属元素。
[0009]所述基底为Cu基底、Α1基底、Ag基底或不锈钢基底。
[0010]上述一种Cr203薄膜体系的制备方法，包括以下步骤:
[0011]1)基底的清洗:基底依次经丙酮和乙醇超声清洗干净后，放入真空腔体，待真空优于5X 10 2Pa后，50?400°C下，真空加热烘烤基底10?60min，然后降温至80°C以下，待真空优于5 X 10 3Pa后，采用Ar+离子束对基底清洗5?30min ;
[0012]2) Cr-M过渡层的制备:采用共溅射法制备Cr_M过渡层，通入Ar气，气压为0.3?3Pa，开启两溅射电源，使用Μ靶和Cr靶溅射1?60min，通过改变两金属靶的功率和/或靶-基距进行调整M: Cr的摩尔比；
[0013]3) Cr203薄膜的制备:采用离子束辅助反应溅射的方法沉积Cr 203薄膜，通入Ar气和反应气体，总气压为0.3?3Pa，其中反应气体分压为0.005?0.2Pa，开启溅射电源和Ar+离子束电源，待辉光稳定后，将基片移至辉光区，开始沉积Cr203薄膜；沉积1?300min后，关闭溅射电源和Ar+离子束电源，断开Ar气和反应气体，关闭真空系统，得到Cr 203薄膜体系Ο
[0014]所述溅射均采用纯金属靶材，靶材纯度优于99.9 %。
[0015]所述反应溅射可采用直流溅射、射频溅射、中频溅射、离子束溅射。
[0016]所述Ar+离子束的能量为0?800eV，束流为0?700mA，Ar+离子束与基片呈45°。
[0017]步骤3)中所述Ar气通向靶材附近；所述反应气体为氧气或水气，通向基底附近。
[0018]本发明的有益效果为:本发明提供了一种Cr203薄膜的综合制备方法，用此方法制备的Cr203薄膜可有效增加膜-基结合力:
[0019]1.本发明镀膜前对基底进行真空加热烘烤和氩离子束清洗，能有效降低基片和薄膜的污染。
[0020]2.采用Cr-M为过渡层，过渡层可以为梯度过渡，其含有金属基底和薄膜的元素，能缓解Cr203薄膜和金属基底的应力，防止薄膜开裂和剥落。
[0021]3.Cr203薄膜采用离子束辅助反应溅射法制备，能进一步提高膜-基结合力；同时，反应溅射能提高沉积效率，适用于大面积薄膜的均匀制备。
[0022]本发明采用金属靶材，成本低，制备过程不需高温，也无需高温退火处理，低熔点基材不受限制；特别地，Cr203薄膜使基片的δ (二次电子发射系数)降低20%?35%。本发明的方法简单易行、成膜均匀，便于应用和推广。
【附图说明】
[0023]图la为实施例1制备的Cr203薄膜中Cr的XPS图谱。
[0024]图lb为实施例1制备的Cr203薄膜中0的XPS图谱。
[0025]图2为实施例1制备的Cr203/Cr-Cu/无氧铜的δ。
[0026]图3为实施例2制备的Cr203/Cr-Fe/不锈钢的结合力图谱。
[0027]图4为实施例2制备的Cr203/Cr-Fe/不锈钢界面的SEM照片。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步说明，但不应该用来限制本发明。
[0029]实施例1
[0030]1)基片清洗:无氧铜基片依次经丙酮和酒精超声清洗15min后，放入真空腔体，待真空达到5 X 10 2Pa后，腔体加热至200°C，烘烤20min后降温至60°C;待真空达到3 X 10 3Pa后，用Ar+离子束清洗基片，Ar +离子束能量为200eV，束流为200mA，清洗时间为15min。
[0031]2) Cr-Cu过渡层的制备:采用共溅射法制备Cr_Cu过渡层。通入Ar气，将气压调整至1.0Pa，开启两射频溅射电源，在Cu靶和Cr靶功率分别为40W和60W下溅射2min。
[0032]3) Cr203薄膜的制备:采用离子束辅助反应溅射的方法沉积Cr 203薄膜。通入Ar气和氧气，将气压调整至0.8Pa，其中氧气分压为0.08Pa，开启溅射射频电源和Ar+离子束电源，溅射功率为50W，Ar+离子束能量为200eV，束流为200mA，待辉光稳定后，将基片移至辉光区，开始沉积，沉积时间为120min。
[0033]获得的Cr-Cu过渡层和Cr203薄膜的厚度分别为30nm和lOOnm。对Cr 203薄膜进行XPS测试，如图la-b所示，Cr2p3/2和01s结合能分别为576.7ev和530.7ev，说明Cr已经被完全氧化，经计算O/Cr为1.9，表明Cr203薄膜是富氧状态。对Cr 203/Cr-Cu/无氧铜的δ也进行了测量，如图2所示，其最大值为1.22(未经镀膜的无氧铜的δ为1.6)，则δ降低率为23.8%，表明Cr203薄膜有效抑制了二次电子发射。
[0034]实施例2
[0035]1)基片清洗:304抛光不锈钢基片依次经丙酮和酒精超声清洗15min，放入真空腔体，待真空达到1父10￥&后，腔体加热至350°(:，烘烤201^11后降温至40°C ;待真空达到1.4X103Pa后，用Ar+离子束清洗基片，Ar +离子束能量为lOOeV，束流为100mA，清洗时间为 20min。
[0036]2)Cr_Fe过渡层的制备:采用共溅射法制备Cr_Fe梯度过渡层。通入Ar气，将气压调整至0.4Pa，开启两直流溅射电源，通过调整Fe靶和Cr靶的溅射功率获得Fe:Cr比值不同的过渡层，在Fe靶和Cr靶溅射电流分别为0.5A和0.2A下溅射2min，然后在Fe靶和Cr靶溅射电流分别为0.3A和0.3A下溅射2min，最后在Fe靶和Cr靶溅射电流分别为0.2A和0.4A下派射2min。
[0037]3) Cr203薄膜的制备:采用离子束辅助反应溅射的方法沉积Cr 203薄膜，通入Ar气和水气，将气压调整至IPa，其中水分压为0.005Pa，开启溅射直流电源和Ar+离子束电源，电流为lA，Ar+离子束能量为400ev，束流为300mA，待辉光稳定后，将基片移至辉光区，开始沉积，沉积时间为50min。
[0038]对有无过渡层的薄膜进行显微划痕测试，如图3所示，结果表明无过渡层和有过渡层的两种基材，薄-基结合力分别为18.6N和26.3N，结合力增加了 41.4%，说明过渡层能显著提高膜-基结合力。对所制备的复合薄膜进行界面观察，如图4所示，薄膜均匀致密，Cr-Fe过渡层和Cr203薄膜厚度分别为175nm和175nm。对不锈钢基片和Cr 203/Cr-Fe/不锈钢进行S测量，发现Cr203/Cr-Fe/不锈钢的δ从不锈钢基片的2.08下降到1.36，降幅为
34.6%，说明此方法制备的Cr203薄膜能有效抑制基片的二次电子发射。
【主权项】
1.一种Cr 203薄膜体系，其特征在于，该体系以金属材料为基底，基底上覆有Cr 203薄膜，或基底上以Cr-M为过渡层，过渡层上覆有Cr203薄膜，其中，Μ为与Cr和基底相融合的 素。2.根据权利要求1所述的一种Cr203薄膜体系，其特征在于，所述Cr-M过渡层的厚度为0-1000nm，Cr203薄膜的厚度为10_2000nm，Cr-Μ过渡层和Cr 203薄膜的总厚度不超过2000nmo3.根据权利要求1所述的一种Cr203薄膜体系，其特征在于，所述Cr-M过渡层为梯度过渡层。4.根据权利要求1所述的一种Cr203薄膜体系，其特征在于，所述基底为纯金属材料，则Μ为基底中的金属元素；或所述基底为合金材料，则Μ为基底中含量最多的金属元素。5.根据权利要求1所述的一种Cr203薄膜体系，其特征在于，所述基底为Cu基底、A1基底、Ag基底或不镑钢基底。6.如权利要求1所述一种Cr203薄膜体系的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)基底的清洗:基底依次经丙酮和乙醇超声清洗干净后，放入真空腔体，待真空优于5X10 2Pa后，50?400°C下，真空加热烘烤基底10?60min，然后降温至80°C以下，待真空优于5 X 10 3Pa后，采用Ar+离子束对基底清洗5?30min ; 2)Cr-M过渡层的制备:采用共溅射法制备Cr-M过渡层，通入Ar气，气压为0.3?3Pa，开启两溅射电源，使用Μ靶和Cr靶同时进行溅射0?60min ;通过改变两金属靶的功率和/或靶-基距进行调整M: Cr的摩尔比； 3)Cr203薄膜的制备:采用离子束辅助反应溅射的方法沉积Cr 203薄膜，通入Ar气和反应气体，总气压为0.3?3Pa，其中反应气体分压为0.005?0.2Pa，开启溅射电源和Ar+离子束电源，待辉光稳定后，将基片移至辉光区，开始沉积Cr203薄膜；沉积1?300min后，关闭溅射电源和Ar+离子束电源，断开Ar气和反应气体，关闭真空系统，得到Cr 203薄膜体系。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述溅射均采用纯金属靶材，靶材纯度优于99.9%。8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述反应溅射可采用直流溅射、射频溅射、中频溅射、离子束溅射。9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述Ar+离子束的能量为0?800eV，束流为0?700mA，Ar+离子束与基片呈45°。10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中所述Ar气通向靶材附近；所述反应气体为氧气或水气，通向基底附近。
【专利摘要】本发明涉及一种Cr2O3薄膜体系及其制备方法，该体系以金属材料为基底，基底上覆有Cr2O3薄膜，或基底上以Cr-M为过渡层，过渡层上覆有Cr2O3薄膜。制备前，先对基底进行真空加热烘烤和Ar+离子束清洗，以降低基片和薄膜的污染；然后采用共溅射法在基底表面沉积Cr-M过渡层；最后采用离子束辅助反应溅射的方法在过渡层表面溅射Cr2O3薄膜。此法可有效缓解Cr2O3薄膜和金属基底的应力，避免薄膜开裂和剥落，明显提高膜-基结合力。本发明从多方面综合保证薄膜质量，大大提高溅射效率。
【IPC分类】C23C14/16, C23C14/08, C23C14/34, C23C28/00
【公开号】CN105385997
【申请号】CN201510752290
【发明人】张华 , 李帅, 吕琴丽, 吴云翼, 何迪, 张超, 雷洋, 刘晓鹏
【申请人】北京有色金属研究总院
【公开日】2016年3月9日
【申请日】2015年11月6日