薄膜體系及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于薄膜技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種Cr203薄膜體系及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氧化鉻(Cr203)薄膜是近年來發(fā)展起來并受到重視的薄膜材料之一，它具有化學(xué)穩(wěn)定性強、抗高溫性好、摩擦系數(shù)小、硬度高、抗磨蝕能力強、與基體結(jié)合力強等特點，被廣泛用于微電子器件的阻擋層、磨損器件的保護層，以及氣體軸承汽車的汽缸內(nèi)壁等。
[0003]目前，Cr203薄膜的主要制備方法有離子鍍、磁控濺射、原位氧化等。磁控濺射沉積的薄膜具有表面平整、致密、精度高等優(yōu)點。雖然很多文獻對濺射法制備Cr203薄膜有詳細報道，但因Cr203薄膜和金屬基底熱膨脹系數(shù)相差很大，直接在金屬上沉積的Cr 203薄膜易產(chǎn)生裂紋等缺陷，這會影響薄膜性能，甚至降低器件的使用壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明提供了一種Cr203薄膜體系及其制備方法。
[0005]—種Cr203薄膜體系，該體系以金屬材料為基底，基底上覆有Cr 203薄膜，或基底上以Cr-M為過渡層，過渡層上覆有Cr203薄膜，其中，Μ為與Cr和基底相融合的金屬元素。
[0006]所述Cr-M過渡層的厚度為0-1000nm，Cr203薄膜的厚度為10_2000nm ;Cr_M過渡層和Cr203薄膜的總厚度不超過2000nm。
[0007]進一步地，所述Cr-M過渡層為梯度過渡層。
[0008]所述基底為純金屬材料，則Μ為基底中的金屬元素；或所述基底為合金材料，則Μ為基底中含量最多的金屬元素。
[0009]所述基底為Cu基底、Α1基底、Ag基底或不銹鋼基底。
[0010]上述一種Cr203薄膜體系的制備方法，包括以下步驟:
[0011]1)基底的清洗:基底依次經(jīng)丙酮和乙醇超聲清洗干凈后，放入真空腔體，待真空優(yōu)于5X 10 2Pa后，50?400°C下，真空加熱烘烤基底10?60min，然后降溫至80°C以下，待真空優(yōu)于5 X 10 3Pa后，采用Ar+離子束對基底清洗5?30min ;
[0012]2) Cr-M過渡層的制備:采用共濺射法制備Cr_M過渡層，通入Ar氣，氣壓為0.3?3Pa，開啟兩濺射電源，使用Μ靶和Cr靶濺射1?60min，通過改變兩金屬靶的功率和/或靶-基距進行調(diào)整M: Cr的摩爾比；
[0013]3) Cr203薄膜的制備:采用離子束輔助反應(yīng)濺射的方法沉積Cr 203薄膜，通入Ar氣和反應(yīng)氣體，總氣壓為0.3?3Pa，其中反應(yīng)氣體分壓為0.005?0.2Pa，開啟濺射電源和Ar+離子束電源，待輝光穩(wěn)定后，將基片移至輝光區(qū)，開始沉積Cr203薄膜；沉積1?300min后，關(guān)閉濺射電源和Ar+離子束電源，斷開Ar氣和反應(yīng)氣體，關(guān)閉真空系統(tǒng)，得到Cr 203薄膜體系Ο
[0014]所述濺射均采用純金屬靶材，靶材純度優(yōu)于99.9 %。
[0015]所述反應(yīng)濺射可采用直流濺射、射頻濺射、中頻濺射、離子束濺射。
[0016]所述Ar+離子束的能量為0?800eV，束流為0?700mA，Ar+離子束與基片呈45°。
[0017]步驟3)中所述Ar氣通向靶材附近；所述反應(yīng)氣體為氧氣或水氣，通向基底附近。
[0018]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明提供了一種Cr203薄膜的綜合制備方法，用此方法制備的Cr203薄膜可有效增加膜-基結(jié)合力:
[0019]1.本發(fā)明鍍膜前對基底進行真空加熱烘烤和氬離子束清洗，能有效降低基片和薄膜的污染。
[0020]2.采用Cr-M為過渡層，過渡層可以為梯度過渡，其含有金屬基底和薄膜的元素，能緩解Cr203薄膜和金屬基底的應(yīng)力，防止薄膜開裂和剝落。
[0021]3.Cr203薄膜采用離子束輔助反應(yīng)濺射法制備，能進一步提高膜-基結(jié)合力；同時，反應(yīng)濺射能提高沉積效率，適用于大面積薄膜的均勻制備。
[0022]本發(fā)明采用金屬靶材，成本低，制備過程不需高溫，也無需高溫退火處理，低熔點基材不受限制；特別地，Cr203薄膜使基片的δ (二次電子發(fā)射系數(shù))降低20%?35%。本發(fā)明的方法簡單易行、成膜均勻，便于應(yīng)用和推廣。
【附圖說明】
[0023]圖la為實施例1制備的Cr203薄膜中Cr的XPS圖譜。
[0024]圖lb為實施例1制備的Cr203薄膜中0的XPS圖譜。
[0025]圖2為實施例1制備的Cr203/Cr-Cu/無氧銅的δ。
[0026]圖3為實施例2制備的Cr203/Cr-Fe/不銹鋼的結(jié)合力圖譜。
[0027]圖4為實施例2制備的Cr203/Cr-Fe/不銹鋼界面的SEM照片。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步說明，但不應(yīng)該用來限制本發(fā)明。
[0029]實施例1
[0030]1)基片清洗:無氧銅基片依次經(jīng)丙酮和酒精超聲清洗15min后，放入真空腔體，待真空達到5 X 10 2Pa后，腔體加熱至200°C，烘烤20min后降溫至60°C;待真空達到3 X 10 3Pa后，用Ar+離子束清洗基片，Ar +離子束能量為200eV，束流為200mA，清洗時間為15min。
[0031]2) Cr-Cu過渡層的制備:采用共濺射法制備Cr_Cu過渡層。通入Ar氣，將氣壓調(diào)整至1.0Pa，開啟兩射頻濺射電源，在Cu靶和Cr靶功率分別為40W和60W下濺射2min。
[0032]3) Cr203薄膜的制備:采用離子束輔助反應(yīng)濺射的方法沉積Cr 203薄膜。通入Ar氣和氧氣，將氣壓調(diào)整至0.8Pa，其中氧氣分壓為0.08Pa，開啟濺射射頻電源和Ar+離子束電源，濺射功率為50W，Ar+離子束能量為200eV，束流為200mA，待輝光穩(wěn)定后，將基片移至輝光區(qū)，開始沉積，沉積時間為120min。
[0033]獲得的Cr-Cu過渡層和Cr203薄膜的厚度分別為30nm和lOOnm。對Cr 203薄膜進行XPS測試，如圖la-b所示，Cr2p3/2和01s結(jié)合能分別為576.7ev和530.7ev，說明Cr已經(jīng)被完全氧化，經(jīng)計算O/Cr為1.9，表明Cr203薄膜是富氧狀態(tài)。對Cr 203/Cr-Cu/無氧銅的δ也進行了測量，如圖2所示，其最大值為1.22(未經(jīng)鍍膜的無氧銅的δ為1.6)，則δ降低率為23.8%，表明Cr203薄膜有效抑制了二次電子發(fā)射。
[0034]實施例2
[0035]1)基片清洗:304拋光不銹鋼基片依次經(jīng)丙酮和酒精超聲清洗15min，放入真空腔體，待真空達到1父10￥&后，腔體加熱至350°(:，烘烤201^11后降溫至40°C ;待真空達到1.4X103Pa后，用Ar+離子束清洗基片，Ar +離子束能量為lOOeV，束流為100mA，清洗時間為 20min。
[0036]2)Cr_Fe過渡層的制備:采用共濺射法制備Cr_Fe梯度過渡層。通入Ar氣，將氣壓調(diào)整至0.4Pa，開啟兩直流濺射電源，通過調(diào)整Fe靶和Cr靶的濺射功率獲得Fe:Cr比值不同的過渡層，在Fe靶和Cr靶濺射電流分別為0.5A和0.2A下濺射2min，然后在Fe靶和Cr靶濺射電流分別為0.3A和0.3A下濺射2min，最后在Fe靶和Cr靶濺射電流分別為0.2A和0.4A下派射2min。
[0037]3) Cr203薄膜的制備:采用離子束輔助反應(yīng)濺射的方法沉積Cr 203薄膜，通入Ar氣和水氣，將氣壓調(diào)整至IPa，其中水分壓為0.005Pa，開啟濺射直流電源和Ar+離子束電源，電流為lA，Ar+離子束能量為400ev，束流為300mA，待輝光穩(wěn)定后，將基片移至輝光區(qū)，開始沉積，沉積時間為50min。
[0038]對有無過渡層的薄膜進行顯微劃痕測試，如圖3所示，結(jié)果表明無過渡層和有過渡層的兩種基材，薄-基結(jié)合力分別為18.6N和26.3N，結(jié)合力增加了 41.4%，說明過渡層能顯著提高膜-基結(jié)合力。對所制備的復(fù)合薄膜進行界面觀察，如圖4所示，薄膜均勻致密，Cr-Fe過渡層和Cr203薄膜厚度分別為175nm和175nm。對不銹鋼基片和Cr 203/Cr-Fe/不銹鋼進行S測量，發(fā)現(xiàn)Cr203/Cr-Fe/不銹鋼的δ從不銹鋼基片的2.08下降到1.36，降幅為
34.6%，說明此方法制備的Cr203薄膜能有效抑制基片的二次電子發(fā)射。
【主權(quán)項】
1.一種Cr 203薄膜體系，其特征在于，該體系以金屬材料為基底，基底上覆有Cr 203薄膜，或基底上以Cr-M為過渡層，過渡層上覆有Cr203薄膜，其中，Μ為與Cr和基底相融合的 素。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Cr203薄膜體系，其特征在于，所述Cr-M過渡層的厚度為0-1000nm，Cr203薄膜的厚度為10_2000nm，Cr-Μ過渡層和Cr 203薄膜的總厚度不超過2000nmo3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Cr203薄膜體系，其特征在于，所述Cr-M過渡層為梯度過渡層。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Cr203薄膜體系，其特征在于，所述基底為純金屬材料，則Μ為基底中的金屬元素；或所述基底為合金材料，則Μ為基底中含量最多的金屬元素。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Cr203薄膜體系，其特征在于，所述基底為Cu基底、A1基底、Ag基底或不鎊鋼基底。6.如權(quán)利要求1所述一種Cr203薄膜體系的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)基底的清洗:基底依次經(jīng)丙酮和乙醇超聲清洗干凈后，放入真空腔體，待真空優(yōu)于5X10 2Pa后，50?400°C下，真空加熱烘烤基底10?60min，然后降溫至80°C以下，待真空優(yōu)于5 X 10 3Pa后，采用Ar+離子束對基底清洗5?30min ; 2)Cr-M過渡層的制備:采用共濺射法制備Cr-M過渡層，通入Ar氣，氣壓為0.3?3Pa，開啟兩濺射電源，使用Μ靶和Cr靶同時進行濺射0?60min ;通過改變兩金屬靶的功率和/或靶-基距進行調(diào)整M: Cr的摩爾比； 3)Cr203薄膜的制備:采用離子束輔助反應(yīng)濺射的方法沉積Cr 203薄膜，通入Ar氣和反應(yīng)氣體，總氣壓為0.3?3Pa，其中反應(yīng)氣體分壓為0.005?0.2Pa，開啟濺射電源和Ar+離子束電源，待輝光穩(wěn)定后，將基片移至輝光區(qū)，開始沉積Cr203薄膜；沉積1?300min后，關(guān)閉濺射電源和Ar+離子束電源，斷開Ar氣和反應(yīng)氣體，關(guān)閉真空系統(tǒng)，得到Cr 203薄膜體系。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述濺射均采用純金屬靶材，靶材純度優(yōu)于99.9%。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述反應(yīng)濺射可采用直流濺射、射頻濺射、中頻濺射、離子束濺射。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述Ar+離子束的能量為0?800eV，束流為0?700mA，Ar+離子束與基片呈45°。10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，步驟3)中所述Ar氣通向靶材附近；所述反應(yīng)氣體為氧氣或水氣，通向基底附近。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種Cr2O3薄膜體系及其制備方法，該體系以金屬材料為基底，基底上覆有Cr2O3薄膜，或基底上以Cr-M為過渡層，過渡層上覆有Cr2O3薄膜。制備前，先對基底進行真空加熱烘烤和Ar+離子束清洗，以降低基片和薄膜的污染；然后采用共濺射法在基底表面沉積Cr-M過渡層；最后采用離子束輔助反應(yīng)濺射的方法在過渡層表面濺射Cr2O3薄膜。此法可有效緩解Cr2O3薄膜和金屬基底的應(yīng)力，避免薄膜開裂和剝落，明顯提高膜-基結(jié)合力。本發(fā)明從多方面綜合保證薄膜質(zhì)量，大大提高濺射效率。
【IPC分類】C23C14/16, C23C14/08, C23C14/34, C23C28/00
【公開號】CN105385997
【申請?zhí)枴緾N201510752290
【發(fā)明人】張華 , 李帥, 呂琴麗, 吳云翼, 何迪, 張超, 雷洋, 劉曉鵬
【申請人】北京有色金屬研究總院
【公開日】2016年3月9日
【申請日】2015年11月6日