一种微纳尺度三维图形化模板及功能薄膜的制备方法技术

本发明专利技术涉及薄膜材料制备领域，尤其涉及一种微纳尺度三维图形化模板及功能薄膜的制备方法。所述制备方法包括以下步骤：利用磁控溅射法在衬底上制备非晶薄膜；将所述非晶薄膜放入离子注入系统，按照预设的离子注入样式进行离子注入图形化加工。本发明专利技术方法能够制备出起伏平滑的三维图形化模板，简单、经济、高效，并利用该衬底更好地制备具有三维图形化结构的薄膜材料，不仅极大拓展了基础研究空间，而且对薄膜材料表面图形化的实际应用有巨大的推进作用。进作用。进作用。

【技术实现步骤摘要】
一种微纳尺度三维图形化模板及功能薄膜的制备方法


[0001]本专利技术涉及薄膜材料制备领域，尤其涉及一种微纳尺度三维图形化模板及功能薄膜的制备方法。

技术介绍

[0002]薄膜材料是材料领域的重要组成部分，已经广泛应用于集成电路、半导体照明、医疗器械以及太阳能薄膜电池领域。材料表面的图形化结构可以更好地调控材料的物理性能。例如陶瓷材料表面图形化可以大大增加其表面积，显著改变其表面物理性质，包括吸附、力学性能、亲疏水性能等；图形化蓝宝石衬底上的GaN发光二极管具有更为尖锐的光致发光峰与电致发光峰；固体薄膜的表面图形化可以提升其摩擦性能，延长其摩擦寿命。相比于平面材料，具有三维图形化结构的薄膜材料有着更为广泛的应用前景。
[0003]薄膜材料表面图形化的主要方法是先在衬底表面制备图形结构，再进行薄膜沉积操作，例如：光刻方法在衬底表面旋涂光刻胶，然后使用掩模法紫外曝光，再采用电感耦合等离子体方法刻蚀衬底表面形成所需结构，但这种方法操作相对复杂，同时光刻胶具有一定毒性；激光加工可以在衬底表面直接进行图形化，但成本较高，同时会对衬底造成损伤，且图案尺寸较大。
[0004]另外，光刻和激光加工等加工方法大多对衬底进行破坏性的刻蚀加工，且仅能进行垂直加工，制备的模板主要是凹入衬底内部的垂直或阶梯状结构，难以获取起伏平缓光滑的三维结构。

技术实现思路

[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种微纳尺度三维图形化模板及其功能薄膜的制备方法。
[0006]第一方面，本专利技术提供的所述微纳尺度三维图形化模板的制备方法，包括以下步骤：利用磁控溅射法在衬底上制备非晶薄膜；将所述非晶薄膜放入离子注入系统，按照预设的离子注入样式进行离子注入图形化加工。本专利技术针对利用现有薄膜制备技术制备薄膜时，难以实现三维微纳尺度的图形化调控等难题，提出一种用于制备微纳尺度三维图形化模板的方法，通过利用离子注入实现正向模板衬底的制作，降低了衬底的损耗与刻蚀损伤，这种方法至今未见报道，采用本专利技术方法能够制备出起伏平滑的三维图形化模板，本专利技术提出的三维图形化衬底的制备方法简单、经济、高效，并利用该衬底可以进一步更好地制备具有三维图形化结构的薄膜材料。这不仅能极大地拓展基础研究空间，而且对薄膜材料表面图形化的实际应用有巨大的推进作用。
[0007]作为优选，所述衬底包括硅片、玻璃、金属、合金、PDMS中的一种或多种，进一步优选，所述衬底为硅片。
[0008]进一步优选，所述非晶材料包括Ti基非晶材料、Fe基非晶材料、Si基非晶材料中的一种或多种，进一步优选采用TiAl靶。
[0009]本专利技术中，采用优选硅片及TiAl靶有助于后续离子注入效果进一步提升三维模板衬底的制备效率。
[0010]进一步优选，在采用上述优选硅片及TiAl靶的基础上，制备非晶薄膜的镀膜工艺条件包括溅射功率80～200W，优选100～150W。优选的，背底真空1～5
×
10
‑5Pa，溅射功率100～150W，溅射时间60～90min。
[0011]作为优选，离子束注入系统的离子源气体包括但不限于氢、氦，氖，氩等气体，优选为氦气。
[0012]进一步优选，采用稀有气体作为离子注入系统的离子源，离子注入条件包括：加速电压：1～40kV，束流：1pA～100nA；剂量为100～20000ions nm
‑2。
[0013]进一步优选，离子源使用氦，离子注入条件为：加速电压：10～30kV，束流：10pA～10nA，剂量为3000～15000ions nm
‑2，氦气流量为0.01～10sccm，离子枪内压强为1
×
10
‑4Pa～1
×
10
‑3Pa。
[0014]本专利技术中，通过对离子注入方式及条件参数进行优化，能够高效得到具有三维微纳结构的图形化正向模板衬底，更为方便快捷地制备具有三维结构的目标薄膜材料，适用性广，使得本专利技术制备的薄膜材料的制备效率与性能得到更大程度的提升；尤其优选条件参数下综合性能得到显著提升。
[0015]根据本专利技术的一些实施方式，对离子注入的具体图形不做限定，可以采用圆形、方形、多边形或其他形状。
[0016]作为优选，当离子注入的图形为圆形时，采用以下离子注入图形参数效果更佳：注入区域设定为直径为1μm圆形区域，每个圆形注入区域中心相互间隔为2μm，排列方式为正方形点阵，对整个样品进行图形化加工，注入剂量3000～15000ions/nm2，优选为10000ions/nm2时各性能效果最佳。
[0017]作为优选，当离子注入的图形为正方形时，离子注入图形工艺条件优选为：注入区域为直径2
×
2μm2正方形区域，每个圆形注入区域中心相互间隔为4.5μm，排列方式为正方形点阵，对整个样品进行图形化加工注入剂量3000～10000ions/nm2优选10000ions/nm2各性能效果最佳。
[0018]作为优选，所述离子注入图形化加工的方式为离子束的图形化扫描加工、掩膜法图形化加工或采用图形发生器控制预设的注入花样。
[0019]进一步优选，打开离子注入系统的电源与等离子气源的阀门，启动离子注入系统，利用离子注入系统以及图形发生器对所述非晶薄膜进行图形化离子注入操作，通过对优选离子注入能量剂量等参数的调节，更好地在衬底上制备三维图形化微纳结构。
[0020]作为优选，本专利技术所述方法适用于包括：金属及其合金、半导体功能材料以及陶瓷材料多种材料中的应用。
[0021]作为优选，利用磁控溅射法制备非晶薄膜，将衬底放入磁控溅射腔体，溅射功率设定为10～200W，调控衬底温度15～200℃生长非晶薄膜。
[0022]第二方面，本专利技术提供的微纳尺度三维图形化模板，由所述微纳尺度三维图形化功能薄膜的制备方法得到；优选的，所述微纳尺度三维图形化模板为具有起伏平滑的三维图形化微纳结构，所述微纳尺度三维图形化模板为正向模板衬底。
[0023]第三方面，本专利技术提供的微纳尺度三维图形化功能薄膜的制备方法，包括以下步
骤：
[0024]a)利用磁控溅射法在衬底上制备非晶薄膜；
[0025]b)将步骤a)得到的所述非晶薄膜放入离子注入系统，按照预设的离子注入样式进行离子注入图形化加工；
[0026]c)将步骤b)得到的微纳尺度三维图形化模板放入薄膜制备系统，在所述微纳尺度三维图形化模板上进行镀膜。
[0027]作为优选，还包括将步骤c)镀膜后的样品置于氢氧化钠溶液或氢氟酸溶液中刻蚀非晶薄膜模板，得到所述微纳尺度三维图形化功能薄膜。
[0028]进一步优选，所述薄膜制备系统为磁控溅射、原子层沉积、MOCVD或MBE。
[0029]第四方面，本专利技术提供的微纳尺度三维图形化功能薄膜，由所述微纳尺度三维图形化功能薄膜的制备方法得到；所述微纳尺度三维图形化功能薄膜具有与所述微纳尺度三维图形化模板相同的三维图形化结构。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微纳尺度三维图形化模板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：利用磁控溅射法在衬底上制备非晶薄膜；将所述非晶薄膜放入离子注入系统，按照预设的离子注入样式进行离子注入图形化加工。2.根据权利要求1所述的微纳尺度三维图形化模板的制备方法，其特征在于，所述衬底包括硅片、玻璃、金属、合金、PDMS中的一种或多种，优选的，所述衬底为硅片。3.根据权利要求2所述的微纳尺度三维图形化模板的制备方法，其特征在于，所述非晶材料包括Ti基非晶材料、Fe基非晶材料、Si基非晶材料中的一种或多种。4.根据权利要求3所述的微纳尺度三维图形化模板的制备方法，其特征在于，采用稀有气体作为离子注入系统的离子源，离子注入条件包括：加速电压：1～40kV，束流：1pA～100nA；剂量为100～20000ions nm
‑2；优选的，离子源使用氦，离子注入条件为：加速电压：10～30kV，束流：5pA～10nA，剂量为3000～15000ions nm
‑2，氦气流量为0.01～10sccm，离子枪内压强为1
×
10
‑4Pa～1
×
10
‑3Pa。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的微纳尺度三维图形化模板的制备方法，其特征在于，所述离子注入图形化加工的方式为离子束的图形化...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘培，田利丰，孟祥敏，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：