一种在基片表面制备氮化钛纳米薄膜的方法、具有薄膜的基片及其应用技术

本发明专利技术提供一种在基片表面制备氮化钛纳米薄膜的方法、具有薄膜的基片及其应用，属于二次电子发射抑制技术领域。所述方法包括：将基片经预真空室传送至反应腔中，给所述反应腔抽真空；向所述反应腔中通入惰性气体，对所述基片进行退火处理；将退火处理后的所述基片退回所述预真空室，采用氨气等离子体和气态钛源对所述反应腔进行若干次洗气循环；将所述基片送回所述反应腔，保持所述反应腔温度为150‑220℃，采用所述氨气等离子体和钛源进行等离子体增强氮化钛原子层沉积反应，得到表面具有氮化钛纳米薄膜的基片。本发明专利技术制备的超薄薄膜可控性强、薄膜与基片结合强度高、表面共形性好、在平面及多孔等复杂结构表面均匀性高。

Method for preparing titanium nitride nano film on substrate surface, substrate with film and application thereof

The invention provides a method for preparing titanium nitride nano-film on a substrate surface, a substrate with a film and an application thereof, and belongs to the technical field of secondary electron emission suppression. The method comprises: transferring the substrate to the reaction chamber via a pre-vacuum chamber, vacuuming the reaction chamber; injecting inert gas into the reaction chamber, annealing the substrate; returning the annealed substrate to the pre-vacuum chamber, and feeding the reaction chamber with an ammonia plasma and a gaseous titanium source. After several washing gas cycles, the substrate is sent back to the reaction chamber, and the temperature of the reaction chamber is maintained at 150 220 C. The substrate with titanium nitride nanofilm on the surface is obtained by plasma enhanced titanium nitride atomic layer deposition using the ammonia plasma and the titanium source. The ultra-thin film prepared by the invention has strong controllability, high bonding strength between the film and the substrate, good surface conformity and high uniformity on the surface of complex structures such as plane and porous.

【技术实现步骤摘要】
一种在基片表面制备氮化钛纳米薄膜的方法、具有薄膜的基片及其应用
本专利技术涉及一种在基片表面制备氮化钛纳米薄膜的方法、具有薄膜的基片及其应用，属于二次电子发射抑制

技术介绍
具有一定能量的电子轰击基片材料表面，激发出电子从材料表面逸出的现象称之为二次电子发射。在真空电子器件领域，二次电子发射是一种广泛存在的物理现象，在粒子物理、材料、半导体器件等领域中有着广泛的研究。针对二次电子的研究和应用可以简单的分为两方面：一是利用二次电子发射这一物理机制，利用高二次电子发射系数材料的电子发射能力作为电子源产生电子，如放电管、电子倍增管等；二是消除或抑制二次电子发射这一物理过程，利用低二次电子发射系数的材料应用于粒子加速器、真空传输线等领域，解决因二次电子发射导致的粒子加速器的电子云、空间飞行器表面带电、部件性能下降等问题。特别是近年来随着大功率微波部件的应用，微放电问题变得更加突出，减小二次电子发射系数可以实现微放电效应抑制。为了抑制材料表面二次电子发射，人们开展了大量的研究，发展了多种二次电子发射抑制方案。欧洲和俄罗斯研究人员提出了表面镀覆碳膜的方法，初次电子入射到碳膜所产生的二次电子能够被孔壁拦截并吸收，从而大幅度降低表面二次电子产额。欧空局等机构研究人员提出在镁合金镀银表面利用电解氧化和磁控溅射的方法形成微米级多孔结构实现二次电子发射抑制。西安交通大学和西安空间无线电技术研究所等单位报导了利用真空蒸发镀银方法实现银材料多孔结构，能够有效减小表面二次电子发射产额。上述各方法制备的超薄薄膜(100nm)的可控性差；薄膜与基片结合强度较低，易脱落；表面共形性有待于增强；无法实现复杂结构，特别是陷阱结构表面的均匀镀膜。
技术实现思路
本专利技术提供了一种在基片表面制备氮化钛纳米薄膜的方法、具有薄膜的基片及其应用，以降低基片表面二次电子发射系数，制备的超薄薄膜可控性强、薄膜与基片结合强度高、表面共形性好、在平面及多孔等复杂结构表面均匀性高。为实现上述专利技术目的，本专利技术提供如下技术方案：一种在基片表面制备氮化钛纳米薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将基片经预真空室传送至反应腔中，给所述反应腔抽真空；(2)向所述反应腔中通入惰性气体，对所述基片进行退火处理；(3)将退火处理后的所述基片退回所述预真空室，采用氨气等离子体和气态钛源对所述反应腔进行若干次洗气循环；(4)将所述基片送回所述反应腔，保持所述反应腔温度为150-220℃，采用所述氨气等离子体和钛源进行等离子体增强氮化钛原子层沉积反应，得到表面具有氮化钛纳米薄膜的基片。在一可选实施例中，所述基片为金属银、铜、铝、氧化铝、氧化硅、聚酰亚胺或聚四氟乙烯基片。在一可选实施例中，所述的在基片表面制备氮化钛纳米薄膜的方法，还包括如下步骤：步骤(1)之前，采用有机溶剂对基片进行超声清洗。在一可选实施例中，步骤(1)中给所述反应腔抽真空至0.1-5Pa。在一可选实施例中，步骤(2)向所述反应腔中通入纯度不小于99.99％的惰性气体，气压维持在30-50Pa，加热所述反应腔至150-220℃，保温10-30min以对所述基片进行退火处理。在一可选实施例中，步骤(3)所述的采用氨气等离子体和气态钛源对所述反应腔进行若干次洗气循环，包括：将钛源及钛源气路加热到50-150℃，稳定5-20min，然后采用氨气等离子体和所述钛源进行10-15个洗气循环，其中，每个所述洗气循环中：氨气的流量为10-100sccm、等离子体脉冲时间为2-5s、等待时间为5-20s；钛源的脉冲时间为0.02-0.2s、脉冲气压强度为10-60Pa、等待时间为5-20s。在一可选实施例中，步骤(4)所述的采用所述氨气等离子体和钛源进行等离子体增强氮化钛原子层沉积反应，包括：采用所述氨气等离子体和钛源进行5-80个等离子体增强氮化钛原子层沉积循环，其中，每个所述循环中氨气的流量为10-100sccm、等离子体脉冲时间为2-5s、等待时间为5-20s；钛源的脉冲时间为0.02-0.2s、脉冲气压强度为10-60Pa、等待时间为5-20s。在一可选实施例中，所述钛源为四(二甲胺基)钛、四(甲基乙基胺基)钛或四氯化钛。上述方法制备的具有氮化钛纳米薄膜的基片。上述基片在微波部件、粒子加速器或真空传输线领域中的应用。本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术实施例提供的在基片表面制备氮化钛纳米薄膜的方法，通过氨气等离子体与气态钛源的洗气循环，使反应可控性增强，通过对基片进行退火处理并控制反应温度，在金属及介质材料耐受温度下实现高质量氮化钛均匀镀膜，该薄膜可以有效减少基片的二次电子发射系数(低至1.6)，且与基片化学成键，键能高，结合力强，能有效防止脱落；(2)该方法制备的薄膜质量高，可以在复杂多孔或弯曲表面制备均匀高质量薄膜，拓展了此技术的适用范围；(3)该方法制备的薄膜稳定性高，在干燥箱放置半年，基片二次电子发射系数变化约10％；(4)本专利技术提供的沉积循环方案，使氮化钛导电性从金属性到介质绝缘性均可实现，超薄的氮化钛镀层在降低基片表面二次电子发射系数的前提下，对基片表面导电性影响均较小，避免或降低引起插入损耗增大的现象；反应参数可控性强，能够进一步提高薄膜质量。附图说明图1是本专利技术实施例3提供的氮化钛纳米膜微观形貌俯视图放大5万倍AFM图像。图2是本专利技术实施例7提供氮化钛纳米膜微观形貌俯视图放大7万倍AFM图像。图3是本专利技术实施例1和3提供的铝表面原子层沉积氮化钛纳米薄膜前后二次电子发射系数实验结果；图4本专利技术实施例7和9提供的是银表面原子层沉积氮化钛纳米薄膜前后二次电子发射系数实验结果。图5是介质氧化铝表面沉积不同氮化钛膜厚的SEY最大值实验结果。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做详细描述。本专利技术实施例提供了一种在基片表面制备氮化钛纳米薄膜的方法，包括以下步骤：步骤(1)：将基片经预真空室传送至反应腔中，给所述反应腔抽真空；具体地，本专利技术实施例中，预真空室内始终为真空状态，反应腔可以为常规原子层沉积反应装置，本专利技术不作限定；所述基片可以使金属基片也可以是介质基片，金属基片优选金属银、铜、铝基片，介质基片优选氧化铝、氧化硅、聚酰亚胺、聚四氟乙烯基片；本专利技术实施例中，为保证基片表面的清洁度，步骤(1)之前还可以包括：采用有机溶剂对基片进行超声清洗，所述有机溶剂包括酒精、异丙醇或丙酮等溶剂中的一种或一种以上组合。(2)向所述反应腔中通入惰性气体，对所述基片进行退火处理；具体地，本专利技术实施例中，所用氮气优选纯度不小于99.99％的高纯氮气；(3)将退火处理后的所述基片退回所述预真空室，采用氨气等离子体和气态钛源对所述反应腔进行若干次洗气循环；具体地，本专利技术实施例中，采用氨气等离子体和气态钛源对所述反应腔进行若干次洗气循环能够降低源瓶中过高的蒸气压、去除反应系统中的杂质，提高反应可控性和薄膜质量；所述钛源优选四(二甲胺基)钛、四(甲基乙基胺基)钛或四氯化钛，更优选四(二甲胺基)钛源或四(甲基乙基胺基)钛。(4)将所述基片送回所述反应腔，保持所述反应腔温度为150-220℃，采用所述氨气等离子体和钛源进行等离子体增强氮化钛原子层沉积反应，得到表面具有氮化钛纳米薄膜的基片。具体地，本专利技术实施例中，为保证反应可控性，进一步提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在基片表面制备氮化钛纳米薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将基片经预真空室传送至反应腔中，给所述反应腔抽真空；(2)向所述反应腔中通入惰性气体，对所述基片进行退火处理；(3)将退火处理后的所述基片退回所述预真空室，采用氨气等离子体和气态钛源对所述反应腔进行若干次洗气循环；(4)将所述基片送回所述反应腔，保持所述反应腔温度为150‑220℃，采用所述氨气等离子体和钛源进行等离子体增强氮化钛原子层沉积反应，得到表面具有氮化钛纳米薄膜的基片。

【技术特征摘要】
1.一种在基片表面制备氮化钛纳米薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将基片经预真空室传送至反应腔中，给所述反应腔抽真空；(2)向所述反应腔中通入惰性气体，对所述基片进行退火处理；(3)将退火处理后的所述基片退回所述预真空室，采用氨气等离子体和气态钛源对所述反应腔进行若干次洗气循环；(4)将所述基片送回所述反应腔，保持所述反应腔温度为150-220℃，采用所述氨气等离子体和钛源进行等离子体增强氮化钛原子层沉积反应，得到表面具有氮化钛纳米薄膜的基片。2.根据权利要求1所述的在基片表面制备氮化钛纳米薄膜的方法，其特征在于：所述基片为金属银、铜、铝、氧化铝、氧化硅、聚酰亚胺或聚四氟乙烯基片。3.根据权利要求1所述的在基片表面制备氮化钛纳米薄膜的方法，其特征在于，还包括如下步骤：步骤(1)之前，采用有机溶剂对基片进行超声清洗。4.根据权利要求1所述的在基片表面制备氮化钛纳米薄膜的方法，其特征在于：步骤(1)中给所述反应腔抽真空至0.1-5Pa。5.根据权利要求1所述的在基片表面制备氮化钛纳米薄膜的方法，其特征在于：步骤(2)向所述反应腔中通入纯度不小于99.99％的惰性气体，气压维持在30-50Pa，加热所述反应腔至150-220℃，保温10-30min以对所述基片进行退火处理。6.根据权利要求1所述的在基片表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢贵柏，苗光辉，许建丽，杨晶，崔万照，张洪太，于洪喜，王新波，何鋆，
申请(专利权)人：西安空间无线电技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61