[发明专利]一种共格/半共格结构的Al/W 多层膜制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米金属薄膜材料的制备方法，特别提供了一种磁控溅射技术制备Al/W多层膜共格、半共格结构的方法。该方法制备的纳米Al/W金属多层薄膜，界面明晰，可以很容易控制界面结构的比例，从而为制备力学性能可控的纳米多层膜提供可能。

背景技术

晶粒尺寸在100nm以内的单相或多相金属材料称为纳米金属材料。金属纳米多层膜是纳米金属材料的一种，因其具有一系列特异性能，一直以来得到了广泛的关注和研究。纳米金属多层膜一般具有非常高的强度和硬度，可达理论强度的三分之一到二分之一。一般认为多层膜的强度来自三个方面小尺寸效应、量子效应和界面表面效应。特别是多层膜中存在大量的异质界面，这些界面被认为是多层膜强度的重要来源。

纳米多层膜材料可以作为一种新的结构材料使用，还必须要求其具有一定的塑性，以保证使用的安全性。但是直到2010年，已有的文献表明，几乎所有的纳米金属多层膜材料都具有很低的塑性。

通常认为限制纳米材料塑性的两个主要原因是：特征尺寸的减小导致多层膜内的可移动位错数量急剧较少；由界面主导的变形容易发生局部剪切导致材料的实效。正因为很难获得高强韧的纳米金属材料，近年来对提高纳米材料韧性的研究越来越多。

共格和半共格界面结构是获得高强韧纳米多层膜材料的一个有效途径。原因可能是在变形过程中异质界面处于高应力状态，界面非常容易产生位错，这些位错容易像单层内运动，在运动过程中形成相互的交织、反应、增殖形成大量位错，最终被另一个膜界吸收。这一过程使得多层膜内存在大量位错从而提供了有效的塑性变形能力，位错的相互反应又提高材料的强度。所以在多层膜内形成共格、半共格界面是非常有利于力学性能的提高的。

由于铝和钨之间属于不同的晶体类型，并且铝和钨之间的点阵错配度非常的大，达百分之二十七，铝和钨之间的弹性模量更是相差3倍多，因此传统的磁控溅射方法很难制备出共格和半共格的铝钨多层膜。

发明内容

本发明的目的在于提供一种共格/半共格结构的Al/W多层膜制备方法。

本发明所采用的方法，主要原理是：在磁控溅射镀膜过程中，如果采用慢速率沉积工艺，通过控制铝层和钨层的单层厚度，并通过溅射过程转速、偏压等实验参数的调整，则可以实现多层界面由共格界面像非共格界面逐步演化的过程结构特征。

本发明的技术方案是这样实现的：

该方法具体包括下列步骤：

1)将单面抛光单晶硅基片分别用丙酮和酒精超声清洗15～30分钟，经电吹风吹干后，放入超高真空磁控溅射设备基片台上，准备镀膜。

2)将需要溅射的金属靶材安置在靶材座上，通过调整中电源的功率控制靶的溅射率；采用高纯Ar作为主要离化气体，保证有效的辉光放电过程。

3)硅片溅射沉积时，采用直流和射频电源，基片台未采用加热或者冷却手段。溅射过程中，先在硅基体上用直流电源镀一层较厚的钨层，以这层钨层作为铝层生长的模板，在上面用射频电源镀一层很薄的铝层，这样交替沉积钨层和铝层形成多层膜，最终达到所需的厚度和层数。

4)薄膜中铝层和钨层的比例，可以通过镀膜过程中钨层和铝层的厚度比例进行调节。

所述的铝层和钨层特征厚度为1-5纳米，特征沉积速率为钨层每分钟5纳米，铝层每分钟2.5纳米。

本发明多层膜的界面随着铝层和钨层厚度的变化逐渐从共格界面向非共格界面过渡。并且在该工艺制备的薄膜结构致密，多层膜界面明晰，可以很容易通过控制不同层薄膜厚度控制多层膜的界面结构，从而为制备力学性能可控的纳米多层膜材料提供可能。同时，该方法操作简单，成本较低，易于在工业上实现和推广。

附图说明

图1铝钨多层膜的随层厚的界面共格结构的演化图；

以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

本发明提供了一种利用磁控溅射技术，同时结合不同参数下铝层和钨层的沉积镀膜技术，制备具有共格、半共格界面新型纳米金属多层薄膜材料的方法。本实施例采用常见的铝和钨作为溅射靶材，铝和钨的纯度都在99.999％，制备铝钨纳米多层膜材料。为了说明本方法与常规磁控溅射镀膜的差异，给出对比案例为Al 1nm/W 5nm，以说明此种新型薄膜材料及其制备工艺的特点。需要说明的是，本发明所采用的制备方法，可以适合于任何材料，不限于该实施例。

具有共格、半共格界面结构铝钨多层膜的具体工艺过程：