具有高膜基结合力的Sm-Co基永磁薄膜及其制备方法
【专利摘要】本发明提供了一种具有高膜基结合力的Sm-Co基永磁薄膜，该Sm-Co基永磁薄膜与基体之间是缓冲层，该缓冲层是两层结构，一层是与位于基体表面的铜薄膜层，另一层是位于铜薄膜层表面的钨薄膜层，该缓冲层能够有效提高Sm-Co基永磁薄膜与基体的结合力。实验证实，具有该结构的Sm-Co基永磁薄膜在热处理过程中的热处理温度得到大幅度提高，能够从现有的600℃～800℃上升至900℃以上，甚至当热处理温度高达1000℃时仍与基体结合完好，未出现脱落现象。
【专利说明】具有高膜基结合力的Sm-Co基永磁薄膜及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于永磁薄膜【技术领域】，尤其涉及一种在高温热处理中具有高膜基结合力 的Sm-Co基永磁薄膜及其制备方法，该Sm-Co基永磁薄膜能够在1000°C的高温热处理过程 中保持良好的膜基结合力，并且不影响永磁薄膜磁性能，永磁薄膜主要适用于磁性微型机 械和微型电机等领域。
【背景技术】
[0002] 沉积在硅基体表面（例如硅基片）的Sm-Co基永磁薄膜由于其高的居里温度、良 好的耐腐蚀性，在磁性微机电系统中有重要的应用。一般，该Sm-Co基永磁薄膜在基体表面 沉积后为非晶状态，经过高温热处理后转变为晶态，从而获得一定的磁性能。
[0003] 通常，随着Sm-Co基永磁薄膜厚度增加，膜基结合力逐渐减弱；另外，由于Sm-Co基 永磁薄膜和基热膨胀系数不同，当Sm-Co基永磁薄膜的厚度增加时，在薄膜热处理过程中 的应力也逐渐增加，从而导致薄膜容易从基体表面脱落，直接影响薄膜的应用。因此，目前 实际使用的Sm-Co基永磁薄膜的厚度为微米量级。
[0004] 由于Sm-Co基薄膜与基体材料，薄膜与基体之间的结合关系既可能仅仅是一种单 纯的物理结合，也可能存在很强的化学键结合。物理结合包括范德华力结合和静电力结合。 范德华力是由两种物质互相极化产生的，是一种短程力，当原子间的距离略有增大时，便迅 速趋向于零。因此通过范德华力实现薄膜与基体的结合时，膜基结合力较差。静电力结合 也存在结合力较小的问题。与物理结合相比，化学结合力较大，膜基结合效果好，但是需要 在界面之间形成新的化合物。
[0005] 为了提高膜基结合力，目前一种方法是在基体表面与Sm-Co基永磁薄膜之间设置 缓冲层。例如，申请号为CN201210200142. 3的中国专利申请提出在基体表面与微米量级 的Sm-Co基永磁薄膜之间设置厚度为10nm?200nm的钨薄膜层作为缓冲层，能够提高该 Sm-Co基永磁薄膜与基体间的附着力，使其在750°C高温退火处理后仍然未脱离基体。但 是，实验验证当热处理温度进一步提高时，例如提高至800°C时，该Sm-Co基永磁薄膜将出 现脱落现象，当提高至l〇〇〇°C时，脱落现象已经十分严重。
[0006] 另一方面，为了充分发挥Sm-Co基永磁薄膜的磁性能，往往需要较高的热处理温 度。但是，正如上述所述，受膜基结合力的限制，目前的Sm-Co基永磁薄膜热处理温度往往 局限在600°C?800°C范围，当超出此温度范围仅数十度就可能导致Sm-Co基永磁薄膜出现 脱落现象。
【发明内容】
[0007] 本发明的技术目的是针对上述位于基体表面的Sm-Co基永磁薄膜在较高的热处 理温度下容易从基体表面脱落的问题，提供一种Sm-Co基永磁薄膜，该薄膜与基体的结合 力强，因而能够提高热处理温度，甚至当热处理温度高达l〇〇〇°C时仍与基体结合完好，未出 现脱落现象。
[0008] 本发明实现上述技术目的所采用的技术方案为：一种具有高膜基结合力的Sm-Co 基永磁薄膜，所述的Sm-Co基永磁薄膜位于基体表面，所述的基体与Sm-Co基永磁薄膜之间 是缓冲层，该缓冲层是两层结构，一层是与位于基体表面的铜薄膜层或者鉬薄膜层，另一层 是位于该铜薄膜层表面的钨（W)薄膜层。
[0009] 所述的基体不限，包括硅片、Si/Si02基片、氧化铝基片等，作为优选，所述的基体 是Si/Si0 2(100)基片，即表面带有Si02的Si(100)型基片。
[0010] 作为优选，所述的Sm-Co基永磁薄膜厚度为0· lum?100um，进一步优选为 0· 5um?50um，更优选为lum?10um。
[0011] 作为优选，所述的铜薄膜层厚度或者Mo鉬薄膜层厚度为5nm?100nm，进一步优选 为 10nm ?50nm ;
[0012] 作为优选，所述的鹤薄膜层厚度为30nm?500nm，进一步优选为100nm?300nm。
[0013] 本发明还提供了一种上述具有高膜基结合力的Sm-Co基永磁薄膜的制备方法，包 括如下步骤：
[0014] 步骤1 :采用磁控溅射技术，以铜靶为缓冲层靶材，在基底材料表面溅射沉积铜薄 膜层，然后以钨靶为缓冲层靶材，在铜薄膜层表面溅射沉积钨薄膜层；
[0015] 步骤2 :采用磁控溅射技术，以Sm-Co基复合材料为靶材，在钨薄膜层表面溅射沉 积Sm-Co基永磁薄膜；
[0016] 步骤3 :将步骤2处理后的Sm-Co基永磁薄膜进行热处理。
[0017] 上述制备方法中，步骤3的热处理温度达到900°C以上。
[0018] 作为优选，上述制备方法中步骤3的热处理时间为5min?120min。
[0019] 综上所述，本发明通过在基体与Sm-Co基永磁薄膜之间插入由铜薄膜层与钨薄膜 层构成的双层缓冲层，有效提高了 Sm-Co基永磁薄膜与基体的结合力。实验证实，该结构的 Sm-Co基永磁薄膜在热处理过程中的热处理温度得到大幅度提高，能够从现有的600°C? 800°C上升至900°C以上，甚至当热处理温度高达1000°C时仍与基体结合完好，未出现脱落 现象。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1是对比实施例1中制备得到的具有单层W缓冲层的Sm-Co基永磁薄膜样品A 在800°C条件下退火10min后的情形图；
[0021] 图2是对比实施例1中制备得到的具有单层W缓冲层的Sm-Co基永磁薄膜样品C 在1000°C条件下退火10min后的情形图；
[0022] 图3是本发明实施例1中制备得到的具有双层缓冲层的Sm-Co基永磁薄膜样品C 在1000°C条件下退火10min后的情形图。
【具体实施方式】
[0023] 下面通过附图和【具体实施方式】对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保 护范围限制。
[0024] 对比实施例1 :
[0025] 本实施例是下述实施例1的对比实施例。
[0026] 本实施例中，基体选用表面带有500nm厚Si〇d^ Si (100)型基片，即基片Si/ Si02 (100)，Si02基体表面是厚度为300nm的W缓冲层，W缓冲层表面是厚度为2 μ m的Sm-Co 基永磁薄膜。
[0027] 上述具有W缓冲层的Sm-Co基永磁薄膜的制备方法如下：
[0028] 采用磁控溅射设备，以高纯Ar气作为工作气体，本底真空优于6.0X10_6Pa， 溅射温度为室温，溅射气压为〇. 5Pa ;以纯度为99. 99%的W靶为W缓冲层靶材，基片 Si/Si02(100)经过丙酮清洗并用氮气吹干后在其表面溅射沉积W缓冲层，W靶功率为 130W，溅射速率是14nm/min，大约沉积21分钟，得到厚度为300nm的W缓冲层；然后，以 Sm(Co, Cu，Fe，Zr)x复合靶为Sm-Co基永磁薄膜的溅射靶材，在W缓冲层表面溅射Sm-Co基 永磁薄膜，溅射功率是200W，溅射速率为39nm/min，大约沉积60分钟，得到Sm-Co基永磁薄 膜厚度为2 μ m。
[0029] 将上述制备得到的具有W缓冲层的Sm-Co基永磁薄膜样品A、B、C分别在800°C、 900°C、1000°C条件下退火处理10min。如图1所示，在800°C条件下退火的样品A已出现从 基体表面脱落的现象。在900°C条件下退火的样品B的脱落更加明显。在1000°C条件下退 火的样品C的脱落现象已十分严重，如图2所示。
[0030] 实例 1 :
[0031] 本实施例中，与上述对比实施例1相同，基体选用基片该Si/Si02 (100)，基体与 Sm-Co基永磁薄膜之间为缓冲层，Sm-Co基永磁薄膜厚度为2 μ m。与上述对比实施例1不 同的是，该缓冲层是两层结构，一层是与位于基体表面、厚度为30nm的铜薄膜层，另一层是 位于该铜薄膜层表面、厚度为300nm的钨薄膜层。
[0032] 上述具有双层缓冲层的Sm-Co基永磁薄膜的制备方法如下：
[0033] 采用磁控溅射设备，以高纯Ar气作为工作气体，本底真空优于6. OX 10_6Pa，溅射 温度为室温，溅射气压为〇. 5Pa ;以纯度为99. 99%的W靶为W缓冲层靶材，纯度为99. 95% 的Cu靶为Cu缓冲层靶材，基片Si/Si02 (100)经过丙酮清洗并用氮气吹干后在其表面溅射 沉积Cu缓冲层，Cu靶功率为100W，溅射速率为15nm/min，大约沉积2分钟，得到Cu缓冲层 30nm ;沉积完毕后再沉积W缓冲层，W靶功率为1W，溅射速率是14nm/min，大约沉积21分 钟，得到厚度为300nm的W缓冲层；然后，以Sm(Co, Cu，Fe，Zr)x复合靶为Sm-Co基永磁薄膜 的溅射靶材，在W缓冲层表面溅射，溅射功率是200W，溅射速率为39nm/min，大约沉积60分 钟，得到厚度为2 μ m的Sm-Co基永磁薄膜层。
[0034] 将上述制备得到的具有Cu/W双层缓冲层的Sm-Co基永磁薄膜样品A、B、C分别在 800°c、900°c、100(rc条件下退火处理10min。结果显示，在800°C、900°C条件下退火的样品 A、B与基体结合完好，未发生脱落现象。甚至在1000°C条件下退火的样品C仍然与基体结 合完好，未发生脱落现象，如图3所示。
[0035] 实施例2 :
[0036] 本实施例中，基体表面的Sm-Co基永磁薄膜的结构基本与是实施例1中相同。所 不同的是，铜薄膜层的厚度为l〇〇nm，钨薄膜层的厚度为500nm，Sm-Co基永磁薄膜厚度为 5 μ m〇
[0037] 上述具有双层缓冲层的Sm-Co基永磁薄膜的制备方法如下：
[0038] 采用磁控溅射设备，以高纯Ar气作为工作气体，本底真空优于6. OX 10_6Pa，溅射 温度为室温，溅射气压为0. 5Pa ;以纯度为99. 99%的W靶为W缓冲层靶材，纯度为99. 95% 的Cu靶为Cu缓冲层靶材，基片Si/Si02 (100)经过丙酮清洗并用氮气吹干后在其表面溅射 沉积Cu缓冲层，Cu靶功率为100W，溅射速率为15nm/min，大约沉积7分钟，得到Cu缓冲层 100nm ;沉积完毕后再沉积W缓冲层，W靶功率为130W，溅射速率是14nm/min，大约沉积36 分钟，得到厚度为500nm的W缓冲层；然后，以Sm(Co, Cu，Fe，Zr)x复合靶为Sm-Co基永磁薄 膜的溅射靶材，在W缓冲层表面溅射，溅射功率是200W，溅射速率为39nm/min，大约沉积128 分钟，得到厚度为5 μ m的Sm-Co基永磁薄膜层。
[0039] 将上述制备得到的具有Cu/W双层缓冲层的Sm-Co基永磁薄膜样品分别在800°C、 900°C、KKKTC条件下退火处理10min。结果显示，Sm-Co基永磁薄膜在800°C、900°C退火处 理后与基体结合完好，未发生脱落现象，甚至在l〇〇〇°C退火处理后，仍然与基体结合完好， 未发生脱落现象。
[0040] 实施例3 :
[0041] 本实施例中，基体表面的Sm-Co基永磁薄膜的结构基本与是实施例1中相同。所不 同的是，铜薄膜层的厚度为l〇nm，钨薄膜层的厚度为100nm，Sm-Co基永磁薄膜厚度为1 μ m。
[0042] 上述具有双层缓冲层的Sm-Co基永磁薄膜的制备方法如下：
[0043] 采用磁控溅射设备，以高纯Ar气作为工作气体，本底真空优于6. OX 10_6Pa，溅射 温度为室温，溅射气压为〇. 5Pa ;以纯度为99. 99%的W靶为W缓冲层靶材，纯度为99. 95% 的Cu靶为Cu缓冲层靶材，基片Si/Si02 (100)经过丙酮清洗并用氮气吹干后在其表面溅射 沉积Cu缓冲层，Cu靶功率为100W，溅射速率为15nm/min，大约沉积1分钟，得到Cu缓冲层 l〇nm ;沉积完毕后再沉积W缓冲层，W靶功率为130W，溅射速率是14nm/min，大约沉积7分 钟，得到厚度为l〇〇nm的W缓冲层；然后，以Sm(Co, Cu，Fe，Zr)x复合靶为Sm-Co基永磁薄膜 的溅射靶材，在W缓冲层表面溅射，溅射功率是200W，溅射速率为39nm/min，大约沉积30分 钟，得到厚度为1 μ m的Sm-Co基永磁薄膜层。
[0044] 将上述制备得到的具有Cu/W双层缓冲层的Sm-Co基永磁薄膜样品分别在800°C、 900°C、KKKTC条件下退火处理10min。结果显示，Sm-Co基永磁薄膜在800°C、900°C退火处 理后与基体结合完好，未发生脱落现象，甚至在KKKTC退火处理后，仍然与基体结合完好， 未发生脱落现象。
[0045] 以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是 以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做 的任何修改和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 具有高膜基结合力的Sm-Co基永磁薄膜，所述的Sm-Co基永磁薄膜位于基体表面，其 特征是：所述的基体与Sm-Co基永磁薄膜之间是缓冲层，所述的缓冲层是两层结构，一层是 与位于基体表面的铜薄膜层，另一层是位于铜薄膜层表面的钨薄膜层。
2. 根据权利要求1所述的具有高膜基结合力的Sm-Co基永磁薄膜，其特征是：所述的 铜薄膜层厚度为5nm?lOOnm，优选为10nm?50nm。
3. 根据权利要求1所述的具有高膜基结合力的Sm-Co基永磁薄膜，其特征是：所述的 鹤薄膜层厚度为30nm?500nm，优选为lOOnm?300nm。
4. 根据权利要求1所述的具有高膜基结合力的Sm-Co基永磁薄膜，其特征是：所述的 Sm-Co基永磁薄膜厚度为0· lum?lOOum，优选为0· 5um?50um，更优选为lum?10um。
5. 根据权利要求1所述的具有高膜基结合力的Sm-Co基永磁薄膜，其特征是：所述的 基体为Si/Si02(100)基片。
6. 根据权利要求1至5中任一权利要求所述的所述的具有高膜基结合力的Sm-Co基永 磁薄膜，其特征是：所述的Sm-Co基永磁薄膜的热处理温度为900°C以上。
7. 根据权利要求1至5中任一权利要求所述的具有高膜基结合力的Sm-Co基永磁薄膜 的制备方法，其特征是：包括如下步骤： 步骤1 :采用磁控溅射技术，以铜靶为缓冲层靶材，在基底材料表面溅射沉积铜薄膜 层，然后以钨靶为缓冲层靶材，在铜薄膜层表面溅射沉积钨薄膜层； 步骤2 :采用磁控溅射技术，以Sm-Co基复合材料为靶材，在钨薄膜层表面溅射沉积 Sm-Co基永磁薄膜； 步骤3 :将步骤2处理后的Sm-Co基永磁薄膜进行热处理。
8. 根据权利要求7所述的具有高膜基结合力的Sm-Co基永磁薄膜的制备方法，其特征 是：所述的步骤3的热处理温度为900°C以上。
9. 根据权利要求7所述的具有高膜基结合力的Sm-Co基永磁薄膜的制备方法，其特征 是：所述的步骤3的热处理时间为5?120min。
【文档编号】H01F10/16GK104112562SQ201410350870
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月22日 优先权日:2014年2月28日
【发明者】祁晓玉, 王永, 张健, 杜娟, 夏卫星, 闫阿儒, 刘平 申请人:中国科学院宁波材料技术与工程研究所