直流反應(yīng)磁控濺射在3003鋁箔表面制備薄膜的研究
為有效提高3003鋁箔表面光澤度、比面積及強硬度，采用直流反應(yīng)磁控濺射的方法，在一定濺射參數(shù)條件下，選用高純鉬靶和鈦靶對3003鋁箔進行濺射實驗，分別在鋁箔表面主要沉積出AlMo3、Al3Mo薄膜和TiAl、(Ti,Al)N薄膜，利用X射線衍射、掃描電鏡分析相組成及微觀組織結(jié)構(gòu)，并測試了顯微硬度和薄膜厚度，實驗結(jié)果表明：制備出的AlMo3、Al3Mo薄膜和TiAl薄膜結(jié)晶良好，與基底結(jié)合良好，鋁箔表面美觀漂亮、硬度增高及比表面積得到一定提高。
正文：3003鋁箔是變形鋁錳系不可強化的鋁合金，其突出特點是耐蝕、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好，且具有良好的反射性、非磁性、優(yōu)良的焊接性能和加工性等，在電子及微電子工業(yè)、能源、信息科學(xué)等領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛。前期已對3003鋁箔采用添加細晶鋁錠的辦法有效的改善了3003鋁箔合金的內(nèi)部組織及性能，但3003鋁箔表面光澤度、比面積及強硬度仍偏低，隨著各種產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，需要對3003鋁箔表面質(zhì)量和性能進一步研究。磁控濺射作為一種應(yīng)用廣泛的大面積薄膜沉積工藝，它能沉積各種耐磨、耐蝕、裝飾、光學(xué)和其它各種功能薄膜，制得的薄膜具有均勻性好、附著力強、純度高和致密性好的特點，是制備多晶及非晶半導(dǎo)體材料、磁性材料及合金材料的一種重要手段。但是，通過直流反應(yīng)磁控濺射在3003鋁箔合金表面沉積金屬薄膜的研究較少。本文通過選用高純金屬鉬靶和鈦靶對3003鋁箔表面進行直流反應(yīng)磁控濺射，主要制備出的AlMo3、Al3Mo 薄膜和TiAl、(Ti,Al)N 薄膜使得3003鋁箔表面質(zhì)量和性能均能在一定程度上提高。
1、實驗材料及方法
實驗選用3003鋁箔尺寸均為0.3×10×20mm， 對試樣基體表面采用1200# 砂紙進行機械打磨10min后，再對基體表面進行拋光到無明顯劃痕。在直流反應(yīng)磁控濺射前將試樣經(jīng)過乙醇清洗烘干，然后用丙酮溶液超聲浸蝕清洗15 min 后烘干。
薄膜采用CS-300直流平面磁控濺射系統(tǒng)制備，3003鋁箔裝在可繞中心軸旋轉(zhuǎn)的襯底架上，襯底架內(nèi)用鉬絲或鈦絲對襯底加熱，濺射靶分別選用高純金屬鉬靶和鈦靶時，Ar作為濺射氣體，分別選用氧氣和氮氣作為反應(yīng)氣體，通過質(zhì)量流量控制器進入制備室中。靶到基底距離都約為7cm，選用鉬靶和鈦靶濺射時本底真空分別為3×10-3Pa 和5×10-3Pa，襯底溫度分別為150℃和120℃。濺射前，預(yù)先在純Ar(99.999%)氣體中放電5min左右，以除去靶表面其余雜物， 再通入氧氣(99.99% ) 或氮氣(99.99%)進行反應(yīng)濺射。鉬靶濺射過程中，氧氣與氬氣比為1∶4，鈦靶濺射過程中，氮氣與氬氣比為1∶4，氧氣和氮氣的流量控制在4sccm左右，分別通過流量計進行控制。通過調(diào)整真空閥門來改變?yōu)R射氣壓，鉬靶和鈦靶濺射氣壓分別為0.7Pa 和0.8Pa。濺射電流均為1 A，濺射電壓均為250 V，濺射時間分別為10min 和40min。濺射結(jié)束后分別采用X'Pert/Pro 多功能X 射線衍射儀(XRD)、JSM- 6700F掃描電鏡(SEM)、HXD- 1000顯微硬度儀、OLYMPUS BX51金相顯微鏡、TT260 Coating thickness gauge薄膜測厚儀對薄膜的成分結(jié)構(gòu)、表面形貌、性能進行了檢測。硬度計的實驗力選擇為25g，加載時間15s，對每個樣品表面各測量6個點。測厚儀對每個面各測量10個點。
2、實驗結(jié)果及分析
2.1、XRD分析
圖1為采用X'Pert/Pro多功能X 射線衍射儀測定的樣品的XRD衍射譜，圖1a為直流磁控濺射鉬靶下制備的薄膜的XRD衍射譜，檢測到制備的薄膜物相主要含AlMo3、Al3Mo 相。圖1b為直流磁控濺射鈦靶下制備的薄膜的XRD衍射譜，檢測到制備的薄膜物相主要含TiAl、（Ti,Al）N相。衍射譜中Al-Mo晶粒，TiAl 和（Ti,Al）N晶粒薄膜特征峰的出現(xiàn)說明在此磁控反應(yīng)濺射工藝參數(shù)下，兩靶材與3003鋁箔襯底均存在著化學(xué)鍵合反應(yīng)。
圖1 磁控濺射樣品的XRD譜
2.2、掃描電鏡SEM分析
采用JSM-6700F掃描電鏡來分析薄膜表面形貌，磁控濺射制備的薄膜表面非常平滑。圖2為表面制備薄膜的SEM圖片。由圖2a中可見，薄膜和基體結(jié)合良好，AlMo3、Al3Mo薄膜晶粒細小且粗細均勻，細小的圓球狀或等軸狀顆粒均勻鑲嵌堆垛在試樣表面，薄膜表面未出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，表面晶粒間呈非連續(xù)狀態(tài)。大部分晶粒尺寸在30～50nm左右，只有極少數(shù)晶粒偏大超過50 nm，鋁箔表面對AlMo3、Al3Mo薄膜取向生長起著一定作用。AlMo3、Al3Mo 薄膜晶粒尺寸比可見光波長380～780nm少的多，肉眼觀其透明度高，3003鋁箔表面美觀、漂亮。
由圖2b中可見，薄膜和基體結(jié)合良好。磁控濺射生成的TiAl,（Ti,Al）N薄膜大部分晶粒尺寸在20～30nm左右，比AlMo3、Al3Mo薄膜晶粒更加細小，均勻致密的晶粒呈連續(xù)狀態(tài)覆蓋整個表面，細小致密的TiAl,（Ti,Al）N 薄膜晶粒也增大3003 鋁箔的單位比表面積，具備高的光澤度。
圖2 原始Al箔表面表面制備薄膜SEM圖片
