一種采用低溫退火制備非晶NiW合金薄膜的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種采用低溫退火制備非晶NiW合金薄膜的方法，其是將磁控濺射沉積態(tài)的納米晶NiW合金薄膜置于真空退火爐中低溫退火制備出近乎完全非晶化的NiW合金薄膜。該方法簡單、易行，避免了傳統(tǒng)金屬非晶材料制備方法所需的極大的淬火速度。該方法采用可靠的真空退火和雙靶磁控濺射技術(shù)，可重復(fù)性高，可操作性強(qiáng)，成本低，易于在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)和推廣。
【專利說明】—種采用低溫退火制備非晶NiW合金薄膜的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于合金薄膜【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種非晶NiW合金薄膜，尤其是一種采用低溫退火制備非晶NiW合金薄膜的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]非晶金屬材料，又稱金屬玻璃，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有無定型特點(diǎn)，即原子排列不具備長程有序性，內(nèi)部沒有位錯、晶界等晶體結(jié)構(gòu)缺陷。故與晶體材料相比，金屬玻璃具有許多獨(dú)特的性能，如:金屬玻璃具有與金屬多晶材料相當(dāng)?shù)膹椥阅Ａ浚瑓s擁有比金屬多晶材料更高的室溫強(qiáng)度，以及接近理論值的壓縮強(qiáng)度、良好的彈性性能(彈性極限應(yīng)變約2%)，同時還具有良好的軟磁性能、耐腐蝕和耐磨性能等。其研究成果已被廣泛應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS )、納機(jī)電系統(tǒng)(NEMS )器件、信息器件、傳感器件等高新領(lǐng)域的研發(fā)和設(shè)計(jì)。[0003]傳統(tǒng)的非晶金屬材料制備均通過非平衡處理技術(shù)達(dá)成，主要包括:快速凝固化處理(RSP)，機(jī)械合金，等離子處理，氣相沉積和噴射沉積等。其基本原理為“激活和淬火”，即先通過某種方法給材料提供大量能量，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離平衡態(tài)，然后快速淬火使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)停留在亞穩(wěn)態(tài)。該技術(shù)的關(guān)鍵和難點(diǎn)是獲得極大的淬火速率(~Κ^-ΙΟ--1)。而我們通過對磁控濺射沉積制備的納米晶NiW合金薄膜低溫退火制備出非晶NiW合金薄膜。此法避免了極大的淬火速度，簡單易行，成本低，豐富了非晶金屬材料的制備方法。對文獻(xiàn)的進(jìn)一步檢索和分析，至今尚未發(fā)現(xiàn)和本發(fā)明技術(shù)主題相同或相似的報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種采用低溫退火制備非晶Niff合金薄膜的方法，該方法通過將磁控濺射沉積制備的納米晶NiW合金低溫真空退火，制備出近乎完全非晶化的NiW合金薄膜。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:
[0006]這種采用低溫退火制備非晶NiW合金薄膜的方法，將納米晶NiW合金薄膜置于真空退火爐中，通過低溫退火制備非晶NiW合金薄膜。
[0007]上述納米晶NiW合金薄膜磁控濺射共沉積制備所得。
[0008]上述納米晶NiW合金薄膜及非晶NiW合金薄膜成份均為Ni77W2315
[0009]進(jìn)一步的，上述的采用低溫退火制備非晶NiW合金薄膜的方法，具體包括以下步驟:
[0010]I)將單面拋光單晶硅基片分別用丙酮和酒精超聲30分鐘，吹干，放入真空磁控濺射設(shè)備的可旋轉(zhuǎn)基體支撐架上，準(zhǔn)備鍍膜；
[0011]2)將Ni金屬源靶材安置在A號靶材座上作為A號靶，并將W金屬源靶材安置在B號靶材座上作為B號靶，工作時，首先將基體旋轉(zhuǎn)按鈕打開，轉(zhuǎn)速為I圈/分鐘，然后真空室抽真空，通入Ar氣至真空室；開始共沉積，通過調(diào)節(jié)電流、電壓來改變?yōu)R射功率控制Ni和W的原子配比，調(diào)節(jié)沉積時間來控制薄膜厚度，這樣同時沉積并制備出納米晶NiW合金薄膜；[0012]3)將磁控濺射沉積制備的納米晶NiW合金薄膜置于退火爐中，然后將爐中氣壓抽至lX10_3Pa，調(diào)節(jié)退火溫度至473K，設(shè)置退火時間為I小時，退火結(jié)束后爐冷至室溫。[0013]進(jìn)一步的，上述步驟2)中，所述真空室抽真空至氣壓為5X10_4Pa，然后真空室內(nèi)通入Ar氣，使氣壓為3X10^8。
[0014]進(jìn)一步,上述步驟中,派射祀材的純度均大于99.95%。
[0015]進(jìn)一步的，步驟2)中，所述A號靶選用直流脈沖電源，濺射功率為124W，沉積速率為 8_10nm/mino
[0016]進(jìn)一步的，步驟2)中，所述B號靶選用直流脈沖電源，濺射功率為65W，沉積速率為l-2nm/min。
[0017]進(jìn)一步的，共沉積時A號靶的直流磁控濺射電壓為325V出號靶的直流磁控濺射電壓為350V，負(fù)偏壓為100V，基體與靶材的距離為8-10cm。
[0018]進(jìn)一步的，以上步驟中，通過調(diào)節(jié)電流、電壓來改變?yōu)R射功率控制Ni和W的原子配比，使其達(dá)到Ni77W2315
[0019]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果:
[0020]( I)本發(fā)明所述低溫退火法制備非晶NiW合金薄膜的方法，簡單，易行，避免了傳統(tǒng)非晶金屬材料制備方法所需的極大的淬火速度。
[0021](2)本發(fā)明所述低溫退火法制備非晶NiW合金薄膜的方法，制備的非晶NiW合金薄膜成份為Ni77W23 (at.%)，傳統(tǒng)非晶金屬材料制備方法難以制備該成份的非晶NiW合金。
[0022](3)本發(fā)明采用真空退火和雙靶磁控濺射技術(shù)，該技術(shù)可靠，可重復(fù)性高，可操作性強(qiáng)，成本低，易于在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)和推廣。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為磁控濺射沉積態(tài)納米晶NiW合金薄膜和退火態(tài)非晶NiW合金薄膜的能譜分析；
[0024]圖2為磁控濺射沉積態(tài)納米晶NiW合金薄膜，473K退火30分鐘(NiW3tlmin)和473K退火I小時(NiW6tlmin)的NiW合金薄膜的XRD分析；
[0025]圖3為磁控濺射沉積態(tài)納米晶NiW合金薄膜，473K退火30分鐘(NiW3tlmin)和473K退火I小時(NiW6tlmin)的NiW合金薄膜的截面TEM圖及其衍射分析；
[0026]圖4為磁控濺射沉積態(tài)納米晶NiW合金薄膜，473K退火30分鐘(NiW3tlmin)和473K退火I小時(NiW6tlmin)的NiW合金薄膜的高分辨截面TEM圖；
【具體實(shí)施方式】
[0027]本發(fā)明采用低溫退火制備非晶NiW合金薄膜的方法，是將納米晶NiW合金薄膜置于真空退火爐中，通過低溫退火制備非晶NiW合金薄膜。所述納米晶NiW合金薄膜磁控濺射共沉積制備所得。所述納米晶NiW合金薄膜及非晶NiW合金薄膜成份均為Ni77W23 (at.%)。
[0028]本發(fā)明所采用的方法主要原理是:成份為Ni77W23 (at.%)的納米晶NiW合金，由于其亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)和接近Ni4W的成份，在低溫退火過程中，合金結(jié)構(gòu)主體首先轉(zhuǎn)變?yōu)镹i4W相，同時在一些區(qū)域W原子富集，達(dá)到甚至超過了 NiW非晶相出現(xiàn)的固溶極限，從而在這些區(qū)域出現(xiàn)非晶相。隨著退火的進(jìn)一步進(jìn)行，非晶相的自由體積離域及其與納米晶相的交互作用，使合金整體非晶化。
[0029]本發(fā)明的方法具體包括下列步驟:
[0030]I)將單面拋光單晶硅基片分別用丙酮和酒精超聲30分鐘，吹干，放入真空磁控濺射設(shè)備的可旋轉(zhuǎn)基體支撐架上，準(zhǔn)備鍍膜； [0031]2)將Ni金屬源靶材安置在A號靶材座上作為A號靶，并將W金屬源靶材安置在B號靶材座上作為B號靶，濺射靶材的純度均大于99.95%。工作時，首先將基體旋轉(zhuǎn)按鈕打開，轉(zhuǎn)速設(shè)為I圈/分鐘，然后將真空室的氣壓抽至~5 X 10_4Pa,通入30sccm的Ar氣至真空室，使其工作氣壓為3X K^Pa。A號靶選用直流脈沖電源，濺射功率為124W，濺射電壓為325V，沉積速率為8-10nm/min ；B號靶也選用直流脈沖電源，濺射功率為65W，濺射電壓為350V，沉積速率為l-2nm/min ;負(fù)偏壓為100V，基體與靶材的距離為8_10cm。這樣同時沉積制備出納米晶NiW合金薄膜，通過調(diào)節(jié)沉積的時間可控制薄膜厚度。所述的基體，其沉積時環(huán)境溫度為室溫，約為290-300K。
[0032]3)將磁控濺射沉積制備的納米晶NiW合金薄膜置于退火爐中，然后將爐中氣壓抽至~1父10_午&，調(diào)節(jié)退火溫度至4731(，設(shè)置退火時間為I小時，退火結(jié)束后爐冷至室溫。
[0033]圖1為磁控濺射沉積態(tài)納米晶NiW合金薄膜和退火態(tài)非晶NiW合金薄膜的能譜分析，結(jié)果顯示，退火前后，NiW合金薄膜的成份無明顯變化，均為~Ni77W23 (at.%)。
[0034]圖2為磁控濺射沉積態(tài)納米晶NiW合金薄膜，473K退火30分鐘(NiW3tlmin)和473K退火I小時(NiW6tlmin)的NiW合金薄膜的XRD分析，結(jié)果表明，隨著退火時間的延長，薄膜非晶化程度加劇。磁控濺射沉積態(tài)NiW合金為標(biāo)準(zhǔn)的fee納米晶結(jié)構(gòu)，即W原子固溶于fee的Ni基體中，其三強(qiáng)峰位置清晰可見，即(111)峰(2 Θ =43.31° )，(200)峰(2 Θ =50.13° )和(220) (2 Θ =74.42° )峰；經(jīng)過30分鐘退火處理，晶體主體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心四方(bet)的Ni4W結(jié)構(gòu)，其三強(qiáng)峰主體位置發(fā)生變化，Ni (W) (111)峰(2 Θ =43.31° )轉(zhuǎn)變?yōu)镹i4W(211)峰(2Θ=43.52。)，Ni (W) (200)峰(2 Θ =50.13。)轉(zhuǎn)變?yōu)?Ni4W (130) (2 Θ =50.34。)，而Ni (W) (220)峰(2 Θ =74.42° )沒有發(fā)生明顯變化，且峰強(qiáng)減弱、峰寬增大，說明非晶化可能已經(jīng)發(fā)生；經(jīng)過I小時退火處理，晶體主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷ЫY(jié)構(gòu)，三強(qiáng)峰均已消失，僅在2 Θ =43.52°峰位處有一非晶峰，說明非晶化程度已經(jīng)比較完全。
[0035]圖3為磁控濺射沉積態(tài)納米晶NiW合金薄膜，473K退火30分鐘(NiW3tlmin)和473K退火I小時(NiW6tlmin)的NiW合金薄膜的截面TEM圖及其衍射分析。如圖3 Ca)和(d)所示，磁控濺射沉積態(tài)NiW合金為納米柱狀晶結(jié)構(gòu)，膜平面方向晶粒尺寸約為10nm，膜生長方向晶粒尺寸幾十甚至上百納米，對應(yīng)的選取衍射照片為明銳的納米晶衍射斑點(diǎn)；經(jīng)過30分鐘退火處理之后，合金結(jié)構(gòu)主體仍為納米柱狀晶，如圖3 (b)和(e)所示，然而有部分區(qū)域已經(jīng)非晶化，對應(yīng)的選區(qū)衍射照片已經(jīng)出現(xiàn)光暈；經(jīng)過I小時退火處理之后，合金主體結(jié)構(gòu)已轉(zhuǎn)化為非晶結(jié)構(gòu)圖3 (c)和(f)所示，對應(yīng)的選區(qū)衍射僅存在少數(shù)晶體斑點(diǎn)，而絕大部分為非晶光暈。圖中紅色箭頭表示薄膜生長方向。
[0036]圖4為磁控濺射沉積態(tài)納米晶NiW合金薄膜，473K退火30分鐘(NiW3tlmin)和473K退火I小時(NiW6tlmin)的NiW合金薄膜的高分辨截面TEM圖。圖4 Ca)顯示，磁控濺射沉積態(tài)NiW合金薄膜為納米晶結(jié)構(gòu)，晶格晶界清晰可見；而經(jīng)過30分鐘退火處理，晶體內(nèi)部出現(xiàn)局部非晶化，如圖4 (b)所示A區(qū)域；經(jīng)過I小時退火處理之后，合金主體結(jié)構(gòu)已幾乎完全非晶化，如圖4 (c)所示。[0037]以上說明本發(fā)明的方法可以成功制備出非晶NiW合金薄膜，同時，由于沉積速率和退火時間相對固定， 通過相關(guān)計(jì)算機(jī)程序的編寫與設(shè)定，便于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)和推廣。
【權(quán)利要求】
1.一種采用低溫退火制備非晶NiW合金薄膜的方法，其特征在于，將納米晶NiW合金薄膜置于真空退火爐中，通過低溫退火制備非晶NiW合金薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用低溫退火制備非晶NiW合金薄膜的方法，其特征在于，所述納米晶NiW合金薄膜磁控濺射共沉積制備所得。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的采用低溫退火制備非晶NiW合金薄膜的方法，其特征在于，所述納米晶NiW合金薄膜及非晶NiW合金薄膜成份均為Ni77W2315
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的采用低溫退火制備非晶NiW合金薄膜的方法，其特征在于，具體包括以下步驟: 1)將單面拋光單晶硅基片分別用丙酮和酒精超聲30分鐘，吹干，放入真空磁控濺射設(shè)備的可旋轉(zhuǎn)基體支撐架上，準(zhǔn)備鍍膜； 2)將Ni金屬源靶材安置在A號靶材座上作為A號靶，并將W金屬源靶材安置在B號靶材座上作為B號靶，工作時，首先使基體旋轉(zhuǎn)，然后真空室抽真空，通入Ar氣至真空室；開始共沉積，通過調(diào)節(jié)電流、電壓來改變?yōu)R射功率控制Ni和W的原子配比，調(diào)節(jié)沉積時間來控制薄膜厚度，這樣同時沉積并制備出納米晶NiW合金薄膜； 3)將磁控濺射沉積制備的納米晶NiW合金薄膜置于退火爐中，然后將爐中氣壓抽至lX10-3Pa，調(diào)節(jié)退火溫度至473K，設(shè)置退火時間為I小時，退火結(jié)束后爐冷至室溫。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的采用低溫退火制備非晶NiW合金薄膜的方法，其特征在于，步驟2)中，基體旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速為I圈/分鐘；所述真空室抽真空至氣壓為5X 10_4Pa，然后真空室內(nèi)通入Ar氣，使氣壓為3X10^8。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的采用低溫退火制備非晶NiW合金薄膜的方法，其特征在于，濺射靶材的純度均大于99.95%。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的采用低溫退火制備非晶NiW合金薄膜的方法，其特征在于，步驟2)中，所述A號靶選用直流脈沖電源，濺射功率為124W，沉積速率為8-10nm/min。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的采用低溫退火制備非晶NiW合金薄膜的方法，其特征在于，步驟2)中，所述B號靶選用直流脈沖電源，濺射功率為65W，沉積速率為l-2nm/min。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的采用低溫退火制備非晶NiW合金薄膜的方法，其特征在于，共沉積時A號靶的直流磁控濺射電壓為325V ；B號靶的直流磁控濺射電壓為350V，負(fù)偏壓為100V，基體與靶材的距離為8-10cm。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的采用低溫退火制備非晶NiW合金薄膜的方法，其特征在于，通過調(diào)節(jié)電流、電壓來改變?yōu)R射功率控制Ni和W的原子配比，使其達(dá)到Ni77W2315
【文檔編號】C23C14/35GK103628004SQ201310563319
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月11日
【發(fā)明者】黃平, 王飛, 陳自強(qiáng), 徐可為 申請人:西安交通大學(xué)