用于塑性變形加工的金屬玻璃薄膜及其微器件的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于塑性變形加工的金屬玻璃薄膜及其微器件的制備方法。一種熱塑性強、玻璃轉(zhuǎn)變溫度低、平整度高、耐腐蝕的鑭基金屬玻璃薄膜，該系合金的結(jié)構(gòu)式為La100-x-yCoxAly，其中x為Co元素的原子百分數(shù)，y為Al元素的原子百分數(shù)，5≤x≤35，5≤y≤35，25≤x+y≤50在鋯吸附的氬氣電弧中電弧熔煉四次以上，獲得混合均勻的合金塊體，最后利用線切割得到符合鍍膜要求的靶材，利用直流磁控濺射，獲得所需厚度的金屬玻璃薄膜。用于塑性變形加工的金屬玻璃薄膜微器件，獲得的具有偏振不敏感特性的二維亞波長透射光柵濾波片，光柵單元為凸起正方形陣列，高度200nm，正方形陣列周期240nm，正方形邊長120nm，具有對入射光偏振不敏感特性，可以提高入射光的透射率，實現(xiàn)對藍光的篩選。
【專利說明】用于塑性變形加工的金屬玻璃薄膜及其微器件的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微納米制備技術(shù)，特別涉及一種用于塑性變形加工的金屬玻璃薄膜及其微器件的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的半導體加工工藝是在微電子集成工藝上發(fā)展起來的，加工微型零件主要使用硅材料，但由于硅片的低機械強度，已經(jīng)越來越不能滿足現(xiàn)代微光學與微系統(tǒng)中零件的功能要求。針對金屬材料，利用LIGA技術(shù)加工的微型零件，雖然擁有良好的深寬比，但是由于技術(shù)限制很難應(yīng)用于傾斜面以及微細精密加工，同時其中利用的同步輻射光源費用昂貴，限制了該技術(shù)的應(yīng)用范圍。非晶態(tài)合金(俗稱金屬玻璃)是組成原子排列不成周期性和對稱性的一種新型合金材料，由于其特殊的微觀結(jié)構(gòu)，使得他們具有優(yōu)越的力學、物理、化學及磁性能，特別適合微器件的制備，但由于大塊非晶態(tài)合金制備困難，缺乏優(yōu)異的延展性，無法廣泛應(yīng)用。因此非晶態(tài)合金薄膜的研究應(yīng)運而生，它既繼承了非晶態(tài)合金的優(yōu)點，如高強度、高硬度、耐磨損、耐腐蝕，同時又可以在小尺度上規(guī)避大塊非晶合金延展性差的缺點，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，目前大多數(shù)非晶態(tài)薄膜過冷液相區(qū)較窄，造成穩(wěn)定度不高，而且玻璃轉(zhuǎn)變溫度大都在250° C以上，針對以上缺點與限制，我們設(shè)計制備了鑭基金屬玻璃薄膜。
[0003]本項目設(shè)計制備的鑭基金屬玻璃薄膜具備極低的玻璃轉(zhuǎn)變溫度(最低可以達到140° C)，配比簡單，熱塑性優(yōu)異，平整度高，粗糙度小，同時具有很強的耐腐蝕能力，穩(wěn)定度高，在凈成形方面擁有獨到的優(yōu)勢，是微系統(tǒng)與微加工成型中理想的結(jié)構(gòu)材料，我們利用自行設(shè)計的該系金屬薄膜成功制備了亞波長尺寸的微器件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于塑性變形加工的金屬玻璃薄膜及其微器件的制備方法。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下:
一種用于塑性變形加工的金屬玻璃薄膜，結(jié)構(gòu)式為La1(l(l_x_yCoxAly,其中X為Co兀素的原子百分數(shù)，y為Al元素的原子百分數(shù)，5≤X≤35，5≤y≤35，25≤X+ y≤50，玻璃轉(zhuǎn)變溫度為140°C -240°C，平整度小于兩個光圈，粗糙度小于0.5nm，耐腐蝕的三元鑭基金屬玻璃薄膜。
[0006]所述的玻璃轉(zhuǎn)變溫度最低可達到140°C。
[0007]所述非晶合金的組成元素La、Co和Al純度至少分別為99.9%,99.95%,99.95%
一種用于塑性變形加工的金屬玻璃薄膜的制備方法，
步驟I)將純度至少為99.9%的La，純度至少為99.95%的Co和純度至少為99.95%的Al按La1(l(l_x_yCoxAly,其中x為Co元素的原子百分數(shù)，y為Al元素的原子百分數(shù)，5≤X≤35，5≤y≤35，25≤X+ y≤50，在鋯吸附的氬氣電弧中電弧熔煉四次以上，獲得混合均勻的合金塊體，之后將合金塊體通過銅模澆鑄制備原始靶，最后利用線切割得到符合鍍膜要求的祀材；
步驟2)將單晶硅基底和所述的步驟I)獲得的靶材放入真空室中，在5 X 10_4-6 X 10_4Pa的真空度中，通過低壓電離氬氣以及在靶陰極表面引入磁場，利用直流磁控濺射，以60W的功率，19.5-20.5nm/s的沉積速率獲得La-Co-Al金屬玻璃薄膜。
[0008]一種用于塑性變形加工的金屬玻璃薄膜微器件的制備方法，
步驟I)利用聚焦離子束(FIB)技術(shù)在單晶硅上加工獲得所需微器件的反結(jié)構(gòu)，以此作為模具；
步驟2)利用上述制備La-Co-Al金屬玻璃薄膜的方法獲得所需膜厚的待加工的La-Co-Al金屬玻璃薄膜樣品；
步驟3)將已制備好的硅模具和La-Co-Al金屬玻璃薄膜樣品上下放置在壓印機機腔內(nèi)，設(shè)置壓力和加熱溫度，進行熱壓并保溫保壓3分鐘后撤溫撤壓，待樣品冷卻后，將模具和樣品分開；
步驟4)在無水乙醇中對制備的樣品進行超聲清洗，最后獲得與模具結(jié)構(gòu)相反的鑭基金屬玻璃薄膜微器件。
[0009]—種用于塑性變形加工的金屬玻璃薄膜微器件，在鑭基金屬玻璃薄膜上獲得的具有偏振不敏感特性的二維亞波長透射光柵濾波片，光柵單元為凸起正方形陣列，高度200nm,正方形陣列周期 240nm，正方形邊長120nm，該濾光片具有對入射光偏振不敏感特性，可以提高入射光的透射率，實現(xiàn)對藍光的篩選。
[0010]本發(fā)明具有的有益效果是:本發(fā)明公開了一種玻璃轉(zhuǎn)變溫度低，平整度高，粗糙度小，熱塑性好，凈成形能力優(yōu)越和耐腐蝕的三元鑭基金屬玻璃薄膜，并成功制備了偏振不敏感特性的二維亞波長透射光柵濾波片和簡單一維光柵，該三元鑭基薄膜的優(yōu)異性能使得其在納米壓印和精密微納器件的制造中具有廣泛的應(yīng)用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1 是 La53Co15Al32 薄膜的 XRD 圖；
圖2是La53Co15Al32薄膜的DSC圖；
圖3是La53Co15Al32薄膜的力學性能圖；
圖4是La53Co15Al32薄膜的AFM圖；
圖5是微器件制備流程圖；
圖6是光柵單元為凸起正方形，周期240nm，邊長120nm的具有偏振不敏感特性的二維亞波長透射光柵濾波片圖；
圖7是線寬150nm,周期300nm,深200nm的一維簡單線光柵圖。
【具體實施方式】
[0012]步驟1:將純度為99.9%的La，純度為99.95%的Co和純度為99.95%的Al按La1(l(l_x_yCoxAly,其中x為La元素的原子百分數(shù)，y為Co元素的原子百分數(shù)，5≤X≤35，5≤y≤35，25≤X+ y≤50，在鋯吸附的氬氣電弧中電弧熔煉四次以上，獲得混合均勻的合金塊體，之后將合金塊體通過銅模澆鑄制備2英寸的原始靶，最后利用線切割得到符合鍍膜要求的靶材；
步驟2:采用直流濺射的方法將步驟I獲得的靶材和基底放入真空度良好的操作室中獲得致密度良好的鑭基金屬玻璃薄膜；
步驟3:用X射線衍射表征所得樣品的結(jié)構(gòu)；
步驟4:用差式掃描熱量法獲得熱學參數(shù)；
步驟5:采用力學性能試驗機測試所得材料的力學性能；
步驟6:采用原子力顯微鏡測試薄膜的表面粗糙度；
步驟7:用ZYGO干涉儀測量薄膜表面的平整度；
步驟8:利用聚焦離子束(FIB)技術(shù)在單晶硅上加工獲得所需微器件的反結(jié)構(gòu)，以此作為模具；
步驟9:將已制備好的硅模具和La-Co-Al金屬玻璃薄膜樣品上下放置在壓印機機腔內(nèi)，設(shè)置壓力和加熱溫度，進行熱壓并保溫保壓3分鐘后撤溫撤壓，待樣品冷卻后，將模具和樣品分開；
步驟10:在無水乙醇中對制備的樣品進行超聲清洗，最后獲得與模具結(jié)構(gòu)相反的所需的鑭基金屬玻璃薄膜微器件。
[0013]實施例1
該實施例采用磁控濺射的方法制備膜厚200nm厚的La53Co15Al32金屬玻璃薄膜，并用該薄膜制備了光柵單元為凸 起正方形，周期240nm，邊長120nm的具有偏振不敏感特性的二維亞波長透射光柵濾波片。
[0014]步驟1:將純度為99.9%的La，純度為99.95%的Co和純度為99.95%的Al按La53Co15Al32配比在鋯吸附的氬氣電弧中電弧熔煉五次，獲得混合均勻的合金塊體，之后將合金塊體通過銅模澆鑄制備2英寸的原始靶，最后利用線切割得到符合鍍膜要求的靶材；
步驟2:將步驟I獲得的靶材和石英玻璃基底放入真空室中，在5X 10_4Pa -6X 10_4Pa的真空度中，通過低壓電離氬氣以及在靶陰極表面引入磁場，利用直流磁控濺射，以60W的功率，(20+/- 0.5)nm/s的沉積速率，濺射10s，獲得200um的鑭基金屬玻璃薄膜；
步驟3:用X射線衍射表征所得樣品的結(jié)構(gòu)，圖1為該樣品的X射線衍射圖，說明該薄膜樣品為非晶合金結(jié)構(gòu)；
步驟4:用差式掃描熱量法獲得熱學參數(shù)，圖2為該樣品的DSC圖；
步驟5:采用力學性能試驗機測試所得材料的力學性能如圖3 ；
步驟6:用AFM測量薄膜樣品的粗糙度，圖4為該樣品的AFM圖，粗糙度小于I個納米，只有0.3nm ；
步驟7:用ZYGO干涉儀測量薄膜表面的平整度，小于2個光圈，平整度很高。
[0015]步驟8:利用聚焦離子束(FIB)技術(shù)在單晶硅上加工光柵單元為凹陷正方形，深度200nm，周期240nm，邊長120nm的正方形陣列，以此作為模具；
步驟9:將已制備好的硅模具和La-Co-Al金屬玻璃薄膜樣品上下放置在壓印機機腔內(nèi)，設(shè)置壓力300N和溫度240° C，進行熱壓并保溫保壓3分鐘后撤溫撤壓，待樣品冷卻后，將模具和樣品分開；
步驟10:在無水乙醇中對制備的樣品進行超聲清洗，最后在鑭基金屬玻璃薄膜上獲得光柵單元為凸起正方形，周期240nm，邊長120nm的具有偏振不敏感特性的二維亞波長透射光柵濾波片。微器件的制備流程如圖5所示。
[0016]由圖f圖4可知該實施例1獲得了膜厚200nm的鑭基金屬玻璃薄膜，并在鑭基金屬玻璃薄膜上獲得了具有偏振不敏感特性的二維亞波長透射光柵濾波片(圖6)。該實施例獲得的鑭系金屬玻璃薄膜的性能如表1所示。該配比的鑭基金屬玻璃薄膜玻璃轉(zhuǎn)變溫度較低，彈性模量大，適用于對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求高、不易形變的凸起二維復雜陣列光柵濾波片的材料，根據(jù)表面等離子體效應(yīng)，我們設(shè)計了周期240nm、膜厚200nm和陣列形狀為二維凸起方塊陣列，當光與我們薄膜表面亞波長結(jié)構(gòu)相互作用時，實現(xiàn)了對入射波矢和表面共振波矢的比配，在這種相互耦合過程中，由于表面等離子基元的受限性和非輻射性，阻止能量沿金屬表面?zhèn)鲗p，區(qū)域等離子波的震蕩激發(fā)增強，因此提高了濾波片的透射率，同時由于周期結(jié)構(gòu)的對稱性，避免了入射光偏振性的影響。我們還可以通過調(diào)整光柵周期大小和膜厚實現(xiàn)對入射光的不同頻率濾波。
[0017]表1La53Co15Al32 薄膜性能
【權(quán)利要求】
1.一種用于塑性變形加工的金屬玻璃薄膜，其特征在于:結(jié)構(gòu)式為La1(l(l_x_yCoxAly，其中X為Co元素的原子百分數(shù)，y為Al元素的原子百分數(shù),5≤X≤35，5≤y≤35,25≤X+Y ≤ 50，玻璃轉(zhuǎn)變溫度為140°C -2400C，平整度小于兩個光圈，粗糙度小于0.5nm，耐腐蝕的三元鑭基金屬玻璃薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬玻璃薄膜，其特征在于:所述的玻璃轉(zhuǎn)變溫度最低可達到 140 0C ο
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬玻璃薄膜，其特征在于:所述非晶合金的組成元素La、Co和Al純度至少分別為99.9%, 99.95%、99.95%。
4.一種用于塑性變形加工的金屬玻璃薄膜的制備方法，其特征在于: 步驟I)將純度至少為99.9%的La，純度至少為99.95%的Co和純度至少為99.95%的Al按La1(l(l_x_yCoxAly,其中x為Co元素的原子百分數(shù)，y為Al元素的原子百分數(shù)，5≤X≤35，5≤y≤35，25≤X+ y≤50，在鋯吸附的氬氣電弧中電弧熔煉四次以上，獲得混合均勻的合金塊體，之后將合金塊體通過銅模澆鑄制備原始靶，最后利用線切割得到符合鍍膜要求的祀材； 步驟2)將單晶硅基底和所述的步驟I)獲得的靶材放入真空室中，在5 X 10_4-6 X 10_4Pa的真空度中，通過低壓電離氬氣以及在靶陰極表面引入磁場，利用直流磁控濺射，以60W的功率，19.5-20.5nm/s的沉積速率獲得La-Co-Al金屬玻璃薄膜。
5.一種用于塑性變形加工的金屬玻璃薄膜微器件的制備方法，其特征在于， 步驟I)利用聚焦離子束(FIB)技術(shù)在單晶硅上加工獲得所需微器件的反結(jié)構(gòu)，以此作為模具； 步驟2)利用上述制備La-Co-Al金屬玻璃薄膜的方法獲得所需膜厚的待加工的La-Co-Al金屬玻璃薄膜樣品； 步驟3)將已制備好的硅模具和La-Co-Al金屬玻璃薄膜樣品上下放置在壓印機機腔內(nèi)，設(shè)置壓力和加熱溫度，進行熱壓并保溫保壓3分鐘后撤溫撤壓，待樣品冷卻后，將模具和樣品分開； 步驟4)在無水乙醇中對制備的樣品進行超聲清洗，最后獲得與模具結(jié)構(gòu)相反的鑭基金屬玻璃薄膜微器件。
6.一種用于塑性變形加工的金屬玻璃薄膜微器件，其特征在于，在鑭基金屬玻璃薄膜上獲得的具有偏振不敏感特性的二維亞波長透射光柵濾波片，光柵單元為凸起正方形陣列，高度200nm，正方形陣列周期240nm，正方形邊長120nm，該濾光片具有對入射光偏振不敏感特性，可以提高入射光的透射率，實現(xiàn)對藍光的篩選。
【文檔編號】C23C14/35GK103805920SQ201410030511
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年1月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月23日
【發(fā)明者】張冬仙, 孫理斌, 胡曉琳, 史斌, 葉鳴, 徐越, 王超, 蔣建中 申請人:浙江大學