一种使用磁控溅射拼接靶制备Mo-Si系列薄膜的方法

技术领域

本发明属于磁控溅射技术领域，具体涉及一种使用磁控溅射拼接靶制备Mo-Si系列薄膜的方法。

背景技术

Mo-Si-B合金因其高温下优异的力学性能，包括抗蠕变性能和高温强度而适用于飞机涡轮及其他热端部件，用B掺杂后可将材料的工作温度从1100℃提高到1400℃，因为可在其表面形成致密的自愈合硼硅酸盐涂层，该涂层的特点是粘度较低，防止氧气渗入材料内部深处，并且还可填充表面缺陷。在开发块体MoSiB基材料的同时，研究人员还致力于制备具有类似成分的涂层材料，通过渗金属、放电等离子烧结、脉冲电火花沉积制备的Mo-Si-B涂层在高达1300℃的温度下表现出良好的抗氧化性能。除了Mo-Si-B合金以外，掺杂其他金属如Al、Zr、Hf、W等合金元素后能进一步提高合金/涂层的抗氧化性能。

但是由于Mo-Si-B合金塑性较差，且成分之间的熔点差异也较大，使用熔炼法制备的铸锭在凝固和开模时会发生破碎，难以制备较大尺寸的靶材以用于磁控溅射镀膜。尤其是当B元素含量较高时，使用熔炼法制备靶材的难度更高。而用粉末冶金烧结的靶材内部孔隙率较高，纯度较低，杂质元素含量多，且十分依赖粉末粒径和混粉均匀度。若制备靶材的孔隙率高且含有较高含量的杂质元素，在磁控溅射过程中将难以产生辉光放电，且制备出薄膜的质量也较差。除此之外，为了获得不同Mo/Si/B含量的涂层，依据传统的单靶溅射而言需要制备不同含量的靶材，这也难免会增加涂层制备的成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种使用磁控溅射拼接靶制备Mo-Si系列薄膜的方法。该方法通过拼接制备Mo/Si拼接靶，并采用单靶溅射或双靶共溅射的方法，在衬底上沉积制备Mo-Si系列薄膜，通过调节Mo/Si拼接靶中Mo靶与Si靶的拼接比例，从而调节Mo-Si系列薄膜中的成分组成及比例，满足不同成分薄膜的需求，解决现有磁控溅射制备薄膜质量及成分难控制导致制备成本增加的难题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种使用磁控溅射拼接靶制备Mo-Si系列薄膜的方法，其特征在于，该方法的具体过程为：选用Mo靶、Si靶和B靶，将Mo靶和Si靶制备成Mo/Si拼接靶，然后以单晶Si(100)为衬底，采用单靶溅射或双靶共溅射的方法，在衬底上沉积制备Mo-Si系列薄膜，并通过调整MoSi拼接靶的成分比例和溅射方式，调控Mo-Si系列薄膜的成分；所述Mo-Si系列薄膜包括Mo-Si薄膜和Mo-Si-B薄膜。

上述的一种使用磁控溅射拼接靶制备Mo-Si系列薄膜的方法，其特征在于，所述Mo靶的质量纯度为99.99％，尺寸直径×厚度为φ60mm×2mm，Si靶的质量纯度为99.999％，尺寸直径×厚度为φ60mm×3mm，B靶的质量纯度为99.9％，尺寸直径×厚度为φ60mm×3mm。

上述的一种使用磁控溅射拼接靶制备Mo-Si系列薄膜的方法，其特征在于，所述拼接制备Mo/Si拼接靶的过程为：将Mo靶进行线切割，加工成占Mo靶面积4/5或3/4的Mo扇形靶，然后将Mo扇形靶叠放于Si靶平铺面上方，组合拼接成Mo/Si拼接靶。本发明通过将Mo靶线切割成不同比例面积的扇形靶材，如图1所示，以调节Mo与Si的成分比例，以满足不同薄膜成分需求。同时，将Mo扇形靶叠放于Si靶平铺面上方，并使用磁控溅射设备的靶压盖将两个靶材压紧实，或使用铟或热熔胶将两个靶材焊接粘连紧密，以保证后续磁控溅射过程中Mo/Si拼接靶的稳定。

通常，将较易加工的金属靶加工成扇形靶，然后将其组合在难加工的非金属靶上，且优选扇形靶的面积为金属靶面积的4/5或3/4、1/2。当扇形靶的面积为1/2以上时，将扇形靶与非金属靶直接组合成Mo/Si拼接靶，若扇形靶的面积小于1/2时，使用铟对两个靶材进行焊接制成Mo/Si拼接靶。

为了使得溅射的元素更加均匀进而保证Mo-Si系列薄膜，通常将Mo扇形靶切割成对称的扇形结构，再与完整的Si靶组合拼接制成Mo/Si拼接靶。

上述的一种使用磁控溅射拼接靶制备Mo-Si系列薄膜的方法，其特征在于，所述Mo-Si薄膜采用单靶直流磁控溅射制备，Mo-Si-B薄膜采用双靶共溅射制备，且双靶共溅射制备过程中，将Mo/Si拼接靶和B靶分别放置于两个靶位上，并将Mo/Si拼接靶连接直流电源，B靶连接射频电源。

上述的一种使用磁控溅射拼接靶制备Mo-Si系列薄膜的方法，其特征在于，所述单晶Si(100)衬底为直径2英寸的圆片，在沉积前进行如下预处理：采用丙酮、乙醇和去离子水，在超声清洗机内分别超声清洗至少30min，然后进行干燥。

上述的一种使用磁控溅射拼接靶制备Mo-Si系列薄膜的方法，其特征在于，所述Mo-Si薄膜的沉积过程包括以下步骤：

步骤一、将Mo/Si拼接靶和单晶Si(100)衬底置于磁控溅射设备溅射腔内，并使单晶Si(100)衬底正对Mo/Si拼接靶中心，然后依次打开机械泵、电磁阀和分子泵进行抽真空至本底真空为5×10

步骤二、对步骤一中的Mo/Si拼接靶进行预溅射以去除表面杂质，然后采用100W功率进行直流溅射2h，且直流溅射过程中保持衬底自转，在单晶Si(100)衬底上沉积Mo-Si薄膜。

本发明采用单靶磁控溅射制备Mo-Si薄膜过程中，通过控制上述过程及工艺参数，不开启衬底偏压并开启衬底自转，保证了Mo-Si薄膜的均匀。此外，为保证Mo-Si薄膜的质量，在直流溅射前先对Mo/Si拼接靶进行预溅射30min以去除表面杂质，然后打开靶材挡板进行直流溅射。

上述的一种使用磁控溅射拼接靶制备Mo-Si系列薄膜的方法，其特征在于，所述Mo-Si-B薄膜的沉积过程包括以下步骤：

步骤一、将Mo/Si拼接靶、B靶和单晶Si(100)衬底置于磁控溅射设备溅射腔内，分别将Mo/Si拼接靶和B靶进行旋转，保持Mo/Si拼接靶和B靶的夹角为75°，并使得单晶Si(100)衬底正对Mo/Si拼接靶与B靶的中间位置，且与Mo/Si拼接靶、B靶的距离一致；

步骤二、对磁控溅射设备溅射腔内抽真空至本底真空为5×10

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明将金属Mo靶和非金属Si靶进行拼接制备Mo/Si拼接靶，然后采用单靶溅射或双靶共溅射的方法，在衬底上沉积制备Mo-Si系列薄膜包括Mo-Si薄膜和Mo-Si-B薄膜，通过调节Mo/Si拼接靶中Mo靶与Si靶的拼接比例，从而调节Mo-Si系列薄膜中的成分组成及比例，满足不同成分薄膜的需求，无需针对不同薄膜制备不同含量的单靶靶材，降低了薄膜制备成本。

2、本发明根据不同薄膜的成分要求选择拼接靶或拼接靶与单靶组合，并选择采用单靶溅射或双靶共溅射的方式沉积制备Mo-Si系列薄膜，有效保证了Mo-Si系列薄膜的质量，该Mo-Si系列薄膜的表面粗糙度小，成分均匀，结构致密，且呈现柱状晶结构，从而保证其优异的力学性能。

3、相较于现有技术采用熔炼法/粉末冶金法制备的磁控溅射靶材，本发明通过对金属与非金属靶材进行组合制备拼接靶，适用的靶材种类多，成分范围广，具有更高的实用价值。

4、相较于较难制备的合金靶材，本发明通过对金属与非金属靶材组合制备拼接靶，并应用于制备Mo-Si系列薄膜，无需根据薄膜成分对应制备合金靶材，大大降低了制备成本。

下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明中不同成分比例的Mo/Si拼接靶的结构示意图。

图2为本发明实施例1采用的Mo/Si拼接靶结构及Mo/Si拼接靶与单晶Si(100)衬底的相对位置图。

图3为本发明实施例1制备的Mo-Si薄膜的EDS面扫图谱和元素分析图。

图4a为本发明实施例1制备的Mo-Si薄膜表面SEM图。

图4b为本发明实施例1制备的Mo-Si薄膜截面SEM图。

图5为本发明实施例2采用的Mo/Si拼接靶结构及Mo/Si拼接靶与单晶Si(100)衬底的相对位置图。

图6为本发明实施例2制备的Mo-Si-B薄膜的EDS面扫图谱和元素分析图。

图7a为本发明实施例2制备的Mo-Si-B薄膜表面SEM图。

图7b为本发明实施例2制备的Mo-Si-B薄膜截面SEM图。

图8为本发明实施例3采用的Mo/Si拼接靶结构及Mo/Si拼接靶与单晶Si(100)衬底的相对位置图。

图9为本发明实施例3制备的Mo-Si-B薄膜的EDS面扫图谱和元素分析图。

图10a为本发明实施例3制备的Mo-Si-B薄膜表面SEM图。

图10b为本发明实施例3制备的Mo-Si-B薄膜截面SEM图。

具体实施方式

本发明实施例1～3采用的磁控溅射设备为中国科学院沈阳科学仪器研制中心有限公司设计生产的FJL-560a型双室磁控与离子束复合溅射沉积系统。

实施例1

本实施例包括以下步骤：

步骤一、在室温条件下，采用线切割将质量纯度为99.99％、尺寸直径×厚度为φ60mm×2mm的Mo靶加工成占Mo靶面积4/5且呈对称结构的Mo扇形靶，将Mo扇形靶叠放于质量纯度为99.999％、尺寸直径×厚度为φ60mm×3mm的Si靶平铺面上方，组合拼接成Mo/Si拼接靶，如图2所示；

将直径2英寸的圆片单晶Si(100)衬底采用丙酮、乙醇和去离子水，在超声清洗机内分别超声清洗至少30min并干燥，然后将Mo/Si拼接靶和清洗干燥后的圆片单晶Si(100)衬底放入磁控溅射腔内，并使单晶Si(100)衬底正对Mo/Si拼接靶中心且两者表面间距为65mm，如图2所示，采用靶压盖压紧实Mo/Si拼接靶中的两个靶材并罩上屏蔽罩，然后依次打开机械泵、电磁阀和分子泵进行抽真空至本底真空为5×10

步骤二、将Mo/Si拼接靶的靶位连接直流电源并打开电源开关，关闭靶材挡板，采用100W功率对步骤一中的Mo/Si拼接靶进行预溅射30min以去除表面杂质，然后打开靶材挡板，采用100W功率进行直流溅射2h，并在直流溅射过程中保持衬底自转，在单晶Si(100)衬底上沉积Mo-Si薄膜，直流溅射完成后关闭直流电源开关，停止通入氩气并保持磁控溅射腔内真空状态，待自然冷却至室温后取出。

图3为本实施例制备的Mo-Si薄膜的EDS面扫图谱和元素分析图，从图3可以看出，本实施例采用Mo/Si拼接靶沉积制备的Mo-Si薄膜中Mo元素和Si元素都均匀分布，且Mo元素的含量较高；经能谱元素含量分析可知，Mo和Si的原子比为88：12。同时，由于Mo的溅射速率较高，因此Mo-Si薄膜中Mo/Si的原子比高于Mo/Si的面积比。

图4a为本实施例制备的Mo-Si薄膜表面SEM图，图4b为本实施例制备的Mo-Si薄膜截面SEM图，从图4a和图4b可以看出，Mo-Si薄膜表面呈现多个团簇聚集而成的形貌，每个团簇由纳米级的小团簇组合而成，团簇之间有宽窄不一的孔隙，形貌较为均匀；Mo-Si薄膜侧面为柱状晶结构，且薄膜结构较为致密，Mo-Si薄膜的厚度约为3.3μm。

实施例2

本实施例包括以下步骤：

步骤一、在室温条件下，采用线切割将质量纯度为99.99％、尺寸直径×厚度为φ60mm×2mm的Mo靶加工成占Mo靶面积4/5且呈对称结构的Mo扇形靶，将Mo扇形靶叠放于质量纯度为99.999％、尺寸直径×厚度为φ60mm×3mm的Si靶平铺面上方，组合拼接成Mo/Si拼接靶，如图5所示；

将Mo/Si拼接靶与质量纯度为99.9％，尺寸直径×厚度为φ60mm×3mm的B靶和单晶Si(100)衬底置于磁控溅射设备溅射腔内，分别将Mo/Si拼接靶和B靶进行旋转，保持Mo/Si拼接靶和B靶的法线夹角为75°，并使得单晶Si(100)衬底正对Mo/Si拼接靶与B靶的中间位置，且与Mo/Si拼接靶、B靶的表面距离为85mm，如图5所示；

步骤二、依次打开机械泵、电磁阀和分子泵对磁控溅射设备溅射腔内抽真空至本底真空为5×10

图6为本实施例制备的Mo-Si-B薄膜的EDS面扫图谱和元素分析图，从图6可以看出，本实施例采用Mo/Si拼接靶与B靶共溅射沉积制备的Mo-Si-B薄膜中Mo元素、Si元素和B元素都均匀分布，且Mo元素的含量较高，说明本实施例采用共溅射成功制备出Mo-Si-B薄膜；由于B元素较难被识别难以得到精确的原子比，经能谱元素含量分析可知，Mo-Si-B薄膜中Mo和Si的原子比为84:16。

图7a为本实施例制备的Mo-Si-B薄膜表面SEM图，图7b为本实施例制备的Mo-Si-B薄膜截面SEM图，从图7a和图7b可以看出，Mo-Si-B薄膜表面形貌非常均匀致密，团簇大小非常均匀；Mo-Si-B薄膜侧面为柱状晶结构，且薄膜结构非常致密。

实施例3

本实施例与实施例2的不同之处为：步骤一中制备占Mo靶面积3/4且呈对称结构的Mo扇形靶与Si靶组合拼接成Mo/Si拼接靶，如图8所示；Mo/Si拼接靶与单晶Si(100)衬底的相对位置如图8所示。

图9为本实施例制备的Mo-Si-B薄膜的EDS面扫图谱和元素分析图，从图9可以看出，本实施例采用Mo/Si拼接靶与B靶共溅射沉积制备的Mo-Si-B薄膜中Mo元素、Si元素和B元素都均匀分布，且Mo元素的含量较高，说明本实施例采用共溅射成功制备出Mo-Si-B薄膜；由于B元素较难被识别难以得到精确的原子比，经能谱元素含量分析可知，Mo-Si-B薄膜中Mo和Si的原子比为82：18。

将图6与图9进行比较可知，本发明通过调节Mo/Si拼接靶中Mo靶与Si靶的拼接比例，从而调节Mo-Si-B薄膜中的成分组成及比例。

图10a为本实施例制备的Mo-Si-B薄膜表面SEM图，图10b为本实施例制备的Mo-Si-B薄膜截面SEM图，从图10a和图10b可以看出，Mo-Si-B薄膜表面形貌非常均匀致密，团簇大小非常均匀；Mo-Si-B薄膜侧面为柱状晶结构，且薄膜结构非常致密。

将图4a～图4b、图7a～图7b和图10a～图10b进行比较可知，相对于实施例1的Mo-Si薄膜，实施例2和3中的Mo-Si-B薄膜表面更为均匀致密，团簇的体积较小，且大小更为均匀；Mo-Si-B薄膜的侧面也为柱状晶结构，由于共溅射过程中靶材呈一定角度，因此其溅射速率略低于单靶溅射，Mo-Si-B薄膜的厚度低于实施例1的厚度，说明本发明通过采用单靶溅射或双靶共溅射，有效调节薄膜的成分及结构。

综上，本发明采用组合拼接靶的方式制备了Mo/Si拼接靶，解决了Mo-Si系列靶材难以制备的难题，在单晶硅片上分别采用单靶溅射和双靶共溅射的方式制备了Mo-Si薄膜和Mo-Si-B薄膜。所获得的薄膜成分均匀，结构致密。根据本发明的方法，可制备多种金属/非金属拼接靶材，且可依据所需成分对靶材进行切割拼接。避免了熔炼制备靶材的困难，减少了生产成本，且成分的可调性更大。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。