熔融基底表面制备功能薄膜的方法技术

一种熔融基底表面功能薄膜的制备方法，其特征是采用在室温下为固相的低熔点低蒸汽压材料为薄膜基底。沉积薄膜之前，升高基底温度，将其熔融而成为液相基底；然后采用磁控溅射或热蒸发等方法，将薄膜材料原子蒸发并沉积到液相基底表面，通过扩散、成核、旋转、凝聚，生长成具有特征晶粒结构（多晶）的功能薄膜；沉积结束后，将基底温度降至室温，基底固化，薄膜的微观结构得到稳定地保持。该方法具有制备工艺简单，成本低廉，所生长的多晶薄膜中的晶粒尺寸从１０↑［０］～１０↑［２］ｎｍ可调，薄膜的微观结构稳定，薄膜与基底之间的结合力强等特点，为此类功能薄膜的大规模应用提供了有效途经。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于纳米颗粒、纳米晶粒、薄膜与基底高强度粘附、具有特征微观结构的功能薄膜的制备
，具体涉及一种新的薄膜制备技术以室温下为固相的低熔点低蒸汽压材料为基底；沉积薄膜之前，升高基底温度，将其熔融而成为液相基底；待沉积结束之后，使基底温度自由冷却至室温，基底固化，从而使薄膜的微观结构得到稳定地保持。
技术介绍
在过去的几十年中，薄膜科学和技术研究取得了辉煌的成就，具有各种独特功能的新型功能薄膜层出不穷，如70年代左右成熟的超导薄膜、80年代发展起来的超晶格薄膜、90年代初成熟的巨磁阻(GMR)多层膜以及最近几年出现的氧化锌、有机半导体等新型光电子薄膜等，在现代微电子、信息、航天、医疗等高科技领域得到了广泛的应用；薄膜理论研究(如薄膜的内应力效应，多层膜之间电子自旋的关联效应、纳米晶粒薄膜的自发辐射理论、原子及其团簇的扩散、成核、凝聚和成膜机理等)也取得了许多重大突破，极大地拓宽了薄膜科学和技术的研究领域，为即将到来的介观分子器件时代打下了坚实的基础。通常人们习惯采用各类固体表面作为薄膜基底，它不仅可有效地控制薄膜的微观结构，使之符合技术设计的要求，还对稳定薄膜微观结构和物理性能起到了十分重要的作用。但是由于晶格失配、薄膜和基底材料热膨胀系数不一等因素，在固体基底表面生长高品质的薄膜系统(尤其是单晶薄膜)也因此而受到很大的限制，薄膜的各种物理特性也在很大程度上受到基底的影响。在过去的近十年中，采用液相基底(扩散泵硅油等)沉积磁性(Fe，Ni)和非磁性(Au，Ag，Al，Cu)金属薄膜的技术受到了人们的重视，该技术不仅较好地解决了诸如晶格失配、薄膜和基底材料热膨胀系数不一、脱膜难度大等问题，成功地在液相基底表面及内部生长出纳米颗粒、多晶和单晶薄膜，还发现了此类薄膜在成膜机理、微结构、薄膜内应力分布及演化、电输运特性、低温量子效应等方面具有独特的物理特性，它是一种新型的具有独特微观结构和自由支撑边界条件(基本无内应力)的新型薄膜。此类薄膜是在一般的高真空(～10-4Pa)条件下，采用真空蒸发、磁控溅射等常规方法制备而成的，因此制备方法简单，成本低廉，有利于工业化生产。然而，由于液相基底的流动特性，此类薄膜的结构稳定性问题十分突出，极大地限制了此类薄膜的大规模应用。浙江大学公开了一种采用熔融基底(低熔点玻璃)沉积金属薄膜的技术，演示了稳定此类新型薄膜系统微观结构和物理性能的一条有效途经。但具体的制备方法细节、薄膜材料选择以及关键性参数没有公开，例如，生长不同材料薄膜时的最低沉积速率；基底的升温及保温时间；液相基底材料的选择；实验示意图等，实施该方法需要经过创造性劳动。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能用常规的真空蒸发或磁控溅射技术在熔融液相基底表面制备具有独特微观结构和物理效应的新型功能薄膜的方法，而且在熔融的液相基底表面生成的薄膜微观结构和物理特性可以长期稳定地保持。为此类薄膜的大规模应用，开拓薄膜技术新的应用领域，优化制备工艺，降低工业生产的成本等打下基础。本专利技术提供的熔融基底表面功能薄膜的制备方法，采用在室温下为固相的低熔点低熔融蒸汽压材料为基底；沉积薄膜之前，升高基底温度，将其熔融而成为液相基底，其饱和蒸汽压应小于真空室最低气压；然后采用磁控溅射或热蒸发方法，在熔融基底表面生长具有纳米颗粒(或晶粒)结构的功能薄膜；沉积结束后，基底温度自由冷却至室温，基底固化。具体工艺步骤如下a、将在室温下为固相的低熔点低熔融蒸汽压的基底材料置于清洁磨毛的载玻片上，然后将载玻片放入真空室中的衬底架上，衬底架在蒸发源或溅射源的下方，薄膜基底表面应朝向蒸发源或溅射源，衬底架与蒸发源或溅射源之间的距离为8～15cm，并用挡板将它们隔离；b、用机械泵和分子泵抽真空室至1×10-4Pa～6×10-4Pa的真空度；c、用电炉加热基底，使温度略高于基底的熔点温度，基底熔融成液相，其蒸汽压应低于真空室内的最低气压，然后保持基底恒温；d、微加热不同的蒸发源薄膜材料，使之除气3分钟，然后增加钨丝电流或溅射功率至薄膜材料开始蒸发，待蒸发速率稳定后打开挡板开始生长薄膜，采用晶振测厚仪和挡板控制薄膜生长的速率和薄膜厚度；e、当薄膜生长到一定名义厚度时，切断蒸发源或溅射源的电源，关闭挡板，结束生长；然后将基底温度再保持Δt(≈0～2小时)时间后切断电炉电源，让基底自由冷却；f、待基底温度下降至接近室温时，基底固化，切断分子泵和机械泵电源，半小时后向真空室内缓缓充入大气，取出样品，即获本专利技术制得的功能薄膜。本专利技术所述的不同蒸发源薄膜材料是纯度为99.9％～99.99％的非磁性材料(Au、Ag、Al、Cu)、磁性材料(Fe、Co、Ni)以及其它多元复合功能薄膜材料中的一种。对于结构薄膜样品，蒸发材料的纯度应优于99.9％；而对于功能薄膜样品，蒸发材料的纯度要优于99.99％。本专利技术所述的在低熔点低蒸汽压的熔融基底表面生长新型功能薄膜的制备技术，生长薄膜时真空室中的残余气体气压为1×10-4～6×10-4Pa。本专利技术所述的低熔点低蒸汽压的基底材料在室温下要求是固相，在熔融状态时的饱和蒸汽压应低于真空室内的最低气压，可采用多种型号的低熔点玻璃、低熔点高分子材料、镓等材料中的一种。本专利技术所述的功能(磁性或非磁性)薄膜的名义生长速率f为2.0nm＞f＞0.001nm/s，此时沉积原子会被吸附在处于熔融状态的液相基底表面而不会进入基底之中。本专利技术所述的(磁性或非磁性)功能薄膜具有准圆形岛状和分支形岛状非晶态团簇结构；随着薄膜名义厚度增加，可形成具有网状、多孔状或连续的多晶薄膜结构，其中可具有纳米尺寸的原子团簇颗粒或纳米尺寸的晶粒结构，晶粒尺寸从100～102nm可调；薄膜的微观结构与Δt的大小密切相关。本专利技术的制备技术可采用不同种类的低熔点低蒸汽压的基底材料。在室温时要求基底为固相；处于熔融状态时，基底的表面张力、粘滞系数等没有特别要求。有时为了改变熔融基底在沉积薄膜时的物理特性，视需要可改变基底温度，但必须保证处于熔融状态下的基底的蒸汽压小于真空室内的最低气压，即小于1×10-4Pa。视薄膜样品的实际使用要求，可采用不同种类的低熔点低蒸汽压的绝缘或非绝缘材料作薄膜基底。本专利技术的蒸发源与衬底架之间的距离一般应大于8cm，从而保证在整个蒸镀期间熔融基底不会因蒸发源的热辐射而使其蒸汽压超过真空室内气压。本专利技术中的磨毛载玻片清洗方法如下将磨毛载玻片放入丙酮浸泡24小时；将磨毛载玻片放入超声波清洁器中，除污一小时；用去离子水反复冲洗；最后在垂直层流洁净工作台中将磨毛载玻片凉干。本专利技术所述的熔融基底表面功能薄膜的制备方法，其特征是(1)在沉积薄膜时，由于电炉加热，基底因温度升高而变成液相(或胶相)基底，因此薄膜的微结构主要是在液相基底表面形成的；(2)沉积结束之后，将电炉温度保留时间Δt，使被沉积的原子在液相基底表面扩散、成核、旋转、凝聚，生长成具有独特纳米颗粒(或晶粒)结构的(磁性或非磁性)功能薄膜；(3)沉积结束后，基底温度自由冷却至室温，基底由液相转变为固相，功能薄膜的微观结构可得到长期稳定的保持。本专利技术采用真空蒸发或磁控溅射方法，在不同种类的低熔点低蒸汽压的熔融基底表面生长功能薄膜。蒸发原子被吸附在处于熔融状态的液相基底表面而不会进入熔融本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种熔融基底表面制备功能薄膜的方法，其特征是采用在室温下为固相的低熔点低蒸汽压材料为基底；沉积薄膜之前，升高基底温度，将其熔融而成为液相基底，其饱和蒸汽压应小于真空室最低气压；然后采用热蒸发或磁控溅射的方法，在液相基底表面生长功能薄膜；沉积结束后，将基底温度再保持△ｔ时间，然后冷却至室温，基底固化，薄膜的微观结构得到稳定的保持，工艺步骤如下：ａ、将在室温下为固相的低熔点低熔融蒸汽压的基底材料置于清洁的磨毛载玻片上，然后将载玻片放入真空室中的衬底架上，衬底架在蒸发源或溅 射源的下方，薄膜基底表面应朝向蒸发源或溅射源，衬底架与蒸发源或溅射源之间的距离为８～１５ｃｍ，并用挡板将它们隔离；ｂ、用机械泵和分子泵抽真空室至１×１０↑［－４］Ｐａ～６×１０↑［－４］Ｐａ的真空度；ｃ、用电炉加热基底，使其 温度略高于基底材料的熔点温度，基底熔融成液相，其蒸汽压低于真空室内的气压，然后保持基底恒温；ｄ、微加热不同的蒸发源或溅射源薄膜材料，使之除气３分钟，然后增加钨丝电流或溅射功率至薄膜材料开始蒸发，待蒸发速率稳定后打开挡板开始生长薄膜， 采用晶振测厚仪和挡板控制薄膜生长的速率和薄膜厚度；ｅ、当薄膜生长到一定名义厚度时，切断蒸发源或溅射源的电源，关闭挡板，结束生长，然后将基底温度再保持△ｔ为０～２小时后切断电炉电源，让基底自由冷却；ｆ、待基底温度下降至接近室温 时切断分子泵和机械泵电源，然后向真空室内缓缓充入大气，即获本专利技术具有纳米特征结构的多晶功能薄膜。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：叶高翔，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]