專利名稱：金銀鑲嵌靶材及其薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁控濺射鍍膜用靶材及其薄膜，特別是涉及一種金銀鑲嵌靶材及 其薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
磁控濺射鍍膜是一種新型的物理氣相鍍膜方式，和較早的蒸發(fā)鍍膜方式相比在很 多方面優(yōu)勢明顯，它作為一項較為成熟的技術(shù)，磁控濺射已經(jīng)被應(yīng)用于許多領(lǐng)域。磁控濺射原理在被濺射的靶極(陰極)與陽極之間加一個正交磁場和電場，在高 真空室中充入所需要的惰性氣體(通常為Ar氣)，永久磁鐵在靶材料表面形成250 350 高斯的磁場，同高壓電場組成正交電磁場。在電場的作用下，Ar氣電離成正離子和電子，靶 上加有一定的負(fù)高壓，從靶極發(fā)出的電子受磁場的作用與工作氣體的電離幾率增大，在陰 極附近形成高密度的等離子體，Ar離子在洛侖茲力的作用下加速飛向靶面，以很高的速度 轟擊靶面，使靶上被濺射出來的原子遵循動量轉(zhuǎn)換原理，以較高的動能脫離靶面飛向基材 淀積成膜。磁控濺射一般分為二種直流濺射和射頻濺射，兩者都是將靶面上的濺射區(qū)域設(shè) 計成跑道形狀，其中直流濺射設(shè)備原理簡單，在濺射金屬時，其速率也快；而射頻濺射的使 用范圍更為廣泛，除可濺射導(dǎo)電材料外，也可濺射非導(dǎo)電材料，同時還可以進(jìn)行反應(yīng)濺射制 備氧化物、氮化物和碳化物等材料。若射頻的頻率提高后就成為微波等離子體濺射，目前常 用的有電子回旋共振(ECR)型微波等離子體濺射。一般磁控濺射金屬鍍膜靶材的制作方法，包含準(zhǔn)備、表面處理、熔鑄、熱加工及退 火等步驟，熔鑄是將金屬錠按組成比例進(jìn)行真空熔煉得到合金熔體，并于金屬鑄模中成型 為鑄胚的同時，同步利用電弧加熱使合金熔體表面維持高溫熔融狀，最后使合金熔體的整 體表面同時冷卻，避免由外緣逐漸向中央冷卻的情況出現(xiàn)，這樣可以有效消除冒孔和縮孔 缺陷。結(jié)合以上步驟并配合熱加工、退火步驟，得到普通的濺鍍靶材。經(jīng)檢索，申請?zhí)枮?00910008925. X的文件公開一種銀-金合金靶材的制造方法， 制造方法包括將靶材原料置入熔煉爐中加熱至熔融；將熔融后的熔湯進(jìn)行澆鑄；將澆鑄后 所形成的鑄錠進(jìn)行熱鍛；將熱鍛后形成的胚體進(jìn)行冷軋延；將冷軋延后的胚體進(jìn)行熱處 理，以獲得晶粒細(xì)小的銀-金合金靶材。這種方法熔鑄過程復(fù)雜，對于貴重金屬來說，該方 法制得的靶材貴金屬的利用率不高，同時存在因熔鑄過程中出現(xiàn)偏差而使鍍膜樣品成分出 現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題克服背景技術(shù)中的缺陷，提供一種濺射性能穩(wěn)定、品質(zhì) 優(yōu)良的金銀鑲嵌靶材。還提供了 一種利用該鑲嵌靶材制備金銀合金薄膜的方法。本發(fā)明的技術(shù)方案本發(fā)明的金銀鑲嵌靶材結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，其中帶斜線部分代表需要緊密鑲嵌金的位 置，可以根據(jù)需要調(diào)整其寬度及大小，達(dá)到控制薄膜中各組分含量的目的。具體鑲嵌部分的 大小是根據(jù)Patterson針對A、B兩種元素靶材的公式計算出金與銀的重量百分比后，通過 設(shè)計靶材跑道兩邊長方形金的面積來確定，濺射過程中靶表面成分的變化關(guān)系如下^ = f A--yB^qA Sj+ bQyA 測 + yBnOA .........⑴B = (Bn- ￥sN°B° ) φ[—(為G+f。1^ 矜)]+ YaN°B° ......... (9)Ars+BaYAΜ 4 + % ·A0, B0分別表示濺射開始前兩種元素的靶表面成分 ’\、Yb分別表示兩種元素的濺射產(chǎn) 額，Ntl表示靶表面的原子密度，F(xiàn)表示靶表面的離子的電流密度，t表示濺射時間。
由(1)、(2)式可知，隨著濺射時間t的延長，靶表面A、B成分分別趨于常數(shù)Λ 4 ^4-^^1:1 B 0............... (Q)B0 Λ °τ ................ (4)-4) + Wa 即組成趨于恒定。濺射薄膜中A、B兩種元素的成分分別為As = I0YjiAdt、BS = \ YsBdt ,再結(jié)合(3)、(4)式可以得到，濺射后合金薄膜中的成分比(As/Bs)在達(dá)到平衡狀態(tài)后有 4 A =\!B0.................. (5)即跟濺射開始前靶材的成分比例一致。由式(5)可以看出，當(dāng)室溫下濺射，不考慮靶溫 度升高引起的合金成分?jǐn)U散以及基片上合金成分的再蒸發(fā)時，可以通過濺射金銀鑲嵌靶材 而獲得和靶材成分相同的金銀合金薄膜，實現(xiàn)通過改變靶材跑道上金銀比的方法調(diào)整薄膜 成分的目的。本發(fā)明的金銀鑲嵌靶材，成分以重量百分比表示，其中金10%-30%，銀70%_90%，所 述金或銀的純度為99. 99%。一種金銀鑲嵌靶材的制備方法為用純銀靶進(jìn)行磁控濺射獲得濺射跑道，根據(jù)金 銀鑲嵌靶材的成分確定在銀靶濺射跑道上開設(shè)金槽的尺寸并開設(shè)金槽，然后對銀靶和金槽 進(jìn)行清洗，采用壓入方法將金鑲嵌到金槽內(nèi)。所述金槽分布在銀靶濺射跑道的兩側(cè)，金槽形狀為長方形，長為25-60 mm，寬為 4-5 mm，金槽的尺寸精度控制在+ 0. 1 mm以內(nèi)。一種金銀鑲嵌靶材制備金銀合金薄膜的方法，包括基材清洗、基材烘干和濺射鍍 膜過程，其中濺射鍍膜過程是在磁控濺射條件下使金銀鑲嵌靶材跑道上的金銀濺射，并混 合沉積在所述基材上，形成鍍覆在基材上的金銀合金薄膜。所述磁控濺射條件為鍍膜室真空度為1X10-3-5X10_3帕，濺射溫度20-40°C，濺 射速率20-200 nm/分鐘，濺射氣壓0.5-1帕，濺射氣體為氬氣。所述金銀合金薄膜的厚度為10-400 nm;所述基材為玻璃或聚對苯二甲酸乙二醇酯。
薄膜厚度通過前期的測控進(jìn)行控制，主要通過MCK-2B型膜厚測控儀測定滿足以 上濺射條件下靶材的濺射速率，再選定鍍膜時間就可以控制薄膜的厚度。本發(fā)明的積極有益效果(1)本發(fā)明的金銀鑲嵌靶材在銀靶上采用部分金替代銀，將金和銀的含量控制在特定 范圍內(nèi)，采用鑲嵌方式將金、銀緊密結(jié)合，達(dá)到貴金屬的利用率高、降低靶材成本的目的。(2)本發(fā)明的金銀鑲嵌靶材在混合時不需要熔煉，采用鑲嵌方式進(jìn)行加工處理，得 到的靶材結(jié)合緊密，濺射效率高、性能穩(wěn)定、品質(zhì)優(yōu)良。(3)本發(fā)明的金銀鑲嵌靶材與熔鑄法的金銀合金靶材相比，制作簡單，摻金量準(zhǔn) 確，薄膜成分容易控制，克服了熔鑄法靶材因金銀分布不均而造成薄膜成分不穩(wěn)定的弊端。(4)本發(fā)明的金銀合金薄膜制備時，只需將金設(shè)置在銀靶濺射跑道上通過控制濺 射條件就能實現(xiàn)金銀合金薄膜的制備；無需像熔融澆鑄法制備的金銀合金靶材那樣，必須 使金遍布摻在整個銀靶材上進(jìn)行金銀合金薄膜的制備。因此，本方法可節(jié)省大量的貴金屬金。(5)本發(fā)明在磁控濺射條件下使鑲嵌在銀靶材跑道上的金、銀同時濺射，并混合均 勻沉積在基材上，形成性能和成分都穩(wěn)定的金銀合金薄膜。該薄膜結(jié)構(gòu)致密均勻，晶粒尺寸 在100 nm以下，其可見光透射率、遠(yuǎn)紅外反射率均高于純銀薄膜，并且具有較好的時效性。(6)本發(fā)明的金銀合金薄膜制備方法，通過控制濺射溫度、壓強(qiáng)、功率、濺射速率以 及鍍膜室真空度等因素，得到結(jié)構(gòu)致密、性能優(yōu)良的金銀合金薄膜，達(dá)到優(yōu)化薄膜性能的目 的。


圖1本發(fā)明的金銀鑲嵌靶材的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中斜線部分代表鑲嵌金的位置。圖2本發(fā)明的金銀鑲嵌靶材的左視圖。 圖3本發(fā)明的金銀鑲嵌靶材的俯視圖。圖4本發(fā)明的金銀合金薄膜在掃描電子顯微鏡(SEM)下表面的微觀形貌圖。由圖 可知，該薄膜具有細(xì)致的晶粒，粒徑在100 nm以下，薄膜結(jié)構(gòu)致密均勻。圖5本發(fā)明的金銀合金薄膜在原子力顯微鏡(AFM)下的微觀形貌圖。由圖可知， 該薄膜的晶粒尺寸在100 nm以下，晶粒大小較為均勻，形成連續(xù)致密的薄膜結(jié)構(gòu)。圖6本發(fā)明的金銀合金薄膜和其他物質(zhì)的可見光透射率對比。圖中曲線a為玻璃上鍍本發(fā)明的金銀合金薄膜，曲線b為玻璃上鍍純銀薄膜，曲線 c為玻璃?？煽闯?，本發(fā)明的金銀合金薄膜在550 nm波長處其透射率已達(dá)80%以上，高于純 銀薄膜的可見光透射率。圖7本發(fā)明的金銀合金薄膜和其他物質(zhì)的遠(yuǎn)紅外反射光譜反射率對比。圖中曲線a為玻璃上鍍本發(fā)明的金銀合金薄膜，曲線b為玻璃上鍍純銀薄膜，曲線 c為玻璃?？煽闯觯景l(fā)明的金銀合金薄膜遠(yuǎn)紅外反射率均在80%以上，比純銀薄膜要高，更 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于玻璃的遠(yuǎn)紅外反射率。圖8純銀靶所鍍薄膜和放置30天后表面狀態(tài)的對比圖。其中a為鍍制的純銀薄膜當(dāng)天的圖片，b為鍍制的純銀薄膜放置30天后的圖片。 可以看出純銀薄膜的時效性較差，30天后薄膜已經(jīng)變花失效了。
圖9本發(fā)明的金銀合金薄膜和放置30天后表面狀態(tài)的對比圖。其中a為金銀合金薄膜當(dāng)天的圖片，b為金銀合金薄膜放置30天后的圖片?？梢?看出本發(fā)明的金銀合金薄膜具有較好的時效性。
具體實施例方式實施例1 金銀鑲嵌靶材及其制備方法1.首先在無塵工作間中使用純度為99. 99%的銀靶在磁控濺射裝置中進(jìn)行濺射實驗， 精確獲得其濺射跑道的各項尺寸。濺射過程中記錄其起輝時的濺射跑道和正常工作條件 下濺射跑道的差異，做出統(tǒng)計分析。濺射完成后，測量和計算濺射跑道的精確尺寸，然后根 據(jù)要設(shè)計的金銀合金薄膜的成分，確定在銀靶跑道上開槽的形狀和面積(參見圖1、圖2、圖 3)。2.根據(jù)靶材的成分和開槽面積，確定槽長L、寬b的尺寸。本例的靶材成分金 10%、銀90%，金和銀的純度均為99. 99% ；金槽的形狀為長方形，長L為25mm、寬b為4 mm。3.在銀靶跑道上對開槽進(jìn)行精確定位，用線切割機(jī)在銀靶跑道上貫穿開槽，然后 用120 #、240 #、600 #和1000 #砂紙由粗到細(xì)對開槽精細(xì)打磨，控制槽的尺寸誤差精度 在+ 0. 1 mm以內(nèi)。4.在無塵工作間中用清洗劑對銀靶材擦洗去油污，用清水沖洗干凈后擦干，再用 無水乙醇擦洗，進(jìn)一步去油。5.采用壓入方法將純度為99. 99%的金塊緊密鑲嵌到銀靶槽中，鑲嵌后靶材表面 的金銀要求平整、對齊。實施例2 金銀鑲嵌靶材及其制備方法，同實施例1基本相同，不同之處為 靶材成分金20%%、銀80% ；金槽長L為50mm、寬b為4 mm。實施例3 金銀鑲嵌靶材及其制備方法，同實施例1基本相同，不同之處為 靶材成分金30%%、銀70% ；金槽長L為60mm、寬b為5 mm。實施例4 用金銀鑲嵌靶材制備金銀合金薄膜的方法1、基材清洗以玻璃為基材，玻璃厚度為1mm，可見光透過率為93%。(1)去油用干凈紗布蘸取無水乙醇溶液擦拭基材，去除附著在基材上的灰塵和油 脂。(2)超聲波清洗將基材置于去離子水中超聲波處理兩遍，進(jìn)一步除去基材表面的 沾污。(3)擦凈烘干將玻璃取出，用紗布將玻璃表面的水擦拭干凈，然后將玻璃基片置 于干燥箱中烘干備用。2、濺射鍍膜過程(1)裝料在超凈工作臺上將玻璃基片裝到基片架上，然后將基片架放入真空室中，蓋 上濺射室罩，同時檢查基片架及濺射室罩能否旋轉(zhuǎn)。(2)抽真空打開機(jī)械泵，擰開旋桿閥門開始抽真空，待真空度達(dá)到10帕左右時， 打開循環(huán)冷卻水，然后打開分子泵，繼續(xù)抽真空至3X10—3帕。(3)充氣并調(diào)整氣壓打開氬氣開關(guān)，將氬氣通入真空室中，同時調(diào)節(jié)閥門，使氣壓 大致穩(wěn)定在0. 7帕左右。
(4)預(yù)濺射打開濺射電源，調(diào)節(jié)濺射電流達(dá)到設(shè)定值，對金銀鑲嵌靶材進(jìn)行預(yù)濺 射5-10分鐘，以除去靶面黏附物，使靶表面金、銀成分分別趨于恒定；這里的金銀鑲嵌靶材 為實施例2的靶材，即靶材中金為20%、銀為80%，金槽長L取50mm、寬b取4 mm。(5)濺射鍍膜調(diào)節(jié)濺射室罩，使罩的開口對準(zhǔn)所濺射的金銀鑲嵌靶材，同時旋轉(zhuǎn) 基片架，開始濺射鍍膜。濺射條件鍍膜室真空度3X 10_3帕，濺射壓強(qiáng)為0. 7帕，濺射電流為0. 15A，電壓 為350V，濺射溫度為23°C，濺射速率30 nm/分鐘，濺射時間為60秒。具體參數(shù)通過CS-300 型復(fù)合磁控濺射鍍膜儀進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。(6)停止濺射待達(dá)到鍍膜設(shè)定的濺射時間后，關(guān)閉濺射電源停止濺射，依次關(guān)閉 氬氣和真空泵，最后關(guān)閉電源開關(guān)和冷卻水。鍍膜厚度通過MCK-2B型膜厚測控儀測定，此例測得的金銀合金薄膜厚度為30 nm左右ο此例得到的表面薄膜結(jié)合良好，無氧化現(xiàn)象，無剝落現(xiàn)象。可見光透射率(550nm) 為77. 5 %，遠(yuǎn)紅外區(qū)(4. 5Mm 25Mm)反射率為83% 86%。將得到的金銀合金薄膜用于紅 外低輻射薄膜的制作。實施例5 用金銀鑲嵌靶材制備合金薄膜的方法，同實施例4步驟相同，不同之處 為1.以玻璃為基底，厚度為1mm，可見光透過率為93%。2.在無塵工作間中通過磁控濺射方式使用實施例3的靶材進(jìn)行薄膜制備，采用 的鑲嵌靶材中金為30%、銀為70%，金槽長L為60mm、寬b為5 mm。3.濺射條件鍍膜室真空度為4X10_3帕，濺射壓強(qiáng)為0.7帕，濺射電流為 0. 15A，電壓為350V，濺射溫度為23°C，濺射速率30 nm/分鐘，濺射時間為30秒。得到的表面薄膜結(jié)合良好，無氧化現(xiàn)象，無剝落現(xiàn)象；可見光透射率(550nm)為 80. 3%，遠(yuǎn)紅外區(qū)(4. 5Mm 25Mm)反射率為80% 84%，薄膜厚度為15 nm左右，將得到的金 銀合金薄膜用于紅外低輻射薄膜的制作。實施例6 用金銀鑲嵌靶材制備金銀合金薄膜的方法，同實施例4步驟相同，不同 之處為1.以聚對苯二甲酸乙二醇酯(即PET)為基底，厚度為0. 75mm，可見光透過率為91%。2.在無塵工作間中通過磁控濺射方式使用實施例1制作的靶材進(jìn)行薄膜的制 備，采用的鑲嵌靶材中金為10%、銀為90%，金槽形狀為長方形，長L為25mm、寬b為4 mm。3.濺射條件鍍膜室真空度3X 10_3帕，濺射壓強(qiáng)為0. 5帕，濺射電流為0. 2A，電 壓為380V，濺射溫度為23°C，濺射速率50 nm/分鐘，濺射時間為240秒。得到的表面薄膜結(jié)合良好，無氧化現(xiàn)象，無剝落現(xiàn)象，遠(yuǎn)紅外區(qū)反射率(4. 5Mffl 25Mm)為89% 93%，薄膜厚度為200 nm左右。將得到的金銀合金薄膜用于熱反射薄膜的制作。實施例7 本發(fā)明的金銀合金薄膜和純銀薄膜的光學(xué)性能對比。在相同濺射條件下對實施例4-6的金銀鑲嵌靶材做成的薄膜樣品和純銀靶材做 成的薄膜樣品進(jìn)行檢測分析，并就分析結(jié)果進(jìn)行對比，參見圖6、圖7。圖6分別為未鍍膜玻璃、純銀銀膜和本發(fā)明的金銀合金薄膜在可見光區(qū)(380 780nm)的透射率。圖7分別為未鍍膜玻璃、純銀銀膜和本發(fā)明的金銀合金薄膜在遠(yuǎn)紅外區(qū) (4. 5 25Mm)的反射率圖譜?？梢钥闯?，本發(fā)明的金銀合金薄膜在可見光區(qū)的光透過性能 優(yōu)于純銀薄膜，在遠(yuǎn)紅外區(qū)的反射性能也優(yōu)于純銀薄膜。實施例8 本發(fā)明的金銀合金薄膜和純銀薄膜的使用時效性對比。保留實施例7中在相同濺射條件下金銀鑲嵌靶材和純銀靶材所做的樣品，在潔凈 環(huán)境常溫下密封放置30天后，觀察兩種樣品的表面?？梢郧逦吹郊冦y靶所鍍制的樣品表 面已嚴(yán)重氧化并剝落，無法形成連續(xù)的薄膜(參見圖8);而金銀鑲嵌靶鍍制的樣品表面依然 是連續(xù)而致密的薄膜(參見圖9)?？梢姲胁闹薪鸬募尤雽τ阱儽∧悠返目寡趸杂欣?，使 薄膜的性能更加穩(wěn)定，顆粒更加均勻，結(jié)構(gòu)更加致密。
權(quán)利要求
1.一種金銀鑲嵌靶材，其特征在于靶材成分以重量百分比表示，其中金10%-30%，銀 70%-90%，所述金或銀的純度為99. 99%。
2.—種權(quán)利要求1所述金銀鑲嵌靶材的制備方法，其特征在于用純銀靶進(jìn)行磁控濺 射獲得濺射跑道，根據(jù)金銀鑲嵌靶材的成分確定在銀靶濺射跑道上開設(shè)金槽的尺寸并開設(shè) 金槽，然后對銀靶和金槽進(jìn)行清洗，采用壓入方法將金鑲嵌到金槽內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于所述金槽分布在銀靶濺射跑道的兩 側(cè)，所述金槽形狀為長方形，長為25-60 mm，寬為4-5 mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的制備方法，其特征在于所述金槽的尺寸精度控制在+ 0. 1 mm以內(nèi)。
5.一種利用權(quán)利要求2所述的金銀鑲嵌靶材制備金銀合金薄膜的方法，包括基材清 洗、基材烘干和濺射鍍膜過程，其特征在于所述濺射鍍膜過程是在磁控濺射條件下使金銀 鑲嵌靶材跑道上的金銀濺射，并混合沉積在所述基材上，形成鍍覆在基材上的金銀合金薄膜。
6.根據(jù)權(quán)利5所述金銀合金薄膜的制備方法，其特征在于所述磁控濺射條件為鍍膜 室真空度為1X10_3-5X10-3帕，濺射溫度20-40°C，濺射速率20-200 nm/分鐘，濺射氣壓 0. 5-1帕，濺射氣體為氬氣。
7.根據(jù)權(quán)利5所述金銀合金薄膜的制備方法，其特征在于所述金銀合金薄膜的厚度 為 10-400 nm。
8.根據(jù)權(quán)利5-7任一項所述金銀合金薄膜的制備方法，其特征在于所述基材為玻璃或聚對苯二甲酸乙二醇酯。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種金銀鑲嵌靶材及其薄膜的制備方法。金銀鑲嵌靶材成分中金占10%-30%、銀占70%-90%。靶材制備時先用純銀靶進(jìn)行磁控濺射獲得濺射跑道，開設(shè)金槽，然后采用壓入方法將金鑲嵌到金槽內(nèi)。制備合金薄膜時在磁控濺射條件下使金銀鑲嵌靶材跑道上的金銀濺射，混合沉積在基材上，形成金銀合金薄膜。磁控濺射條件真空度1×10-3-5×10-3帕，濺射溫度20-40℃，濺射速率20-200nm/分鐘，氣壓0.5-1帕。本發(fā)明金銀鑲嵌靶材在銀靶上采用部分金替代銀，采用鑲嵌方式將金、銀結(jié)合，貴金屬的利用率高，降低了靶材成本，得到的靶材結(jié)合緊密，濺射效率高、性能穩(wěn)定、品質(zhì)優(yōu)良。制備的金銀合金薄膜性能和成分穩(wěn)定，其可見光透射率、遠(yuǎn)紅外反射率均高于純銀薄膜，并且具有較好的時效性。
文檔編號C22C5/06GK102051497SQ20111002207
公開日2011年5月11日 申請日期2011年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月20日
發(fā)明者林鈺, 梅莉莎, 胡斌, 董林, 蔡彬, 賈曉林, 辛榮生 申請人:鄭州大學(xué)