[发明专利]一种纳米多层膜及其制备方法

说明书

本发明提供一种纳米多层膜及其制备方法，该制备方法采用真空溅射技术，溅射仪内设有样品台和溅射靶，至少两个溅射靶同时向同一样品台共同溅射沉积，其中，至少一个溅射靶的靶材为扩散元素，至少一个溅射靶的靶材为扩散阻挡元素或扩散阻挡化合物；当共同溅射沉积时，样品台自转。共沉积制备纳米多层膜时，两个或多个靶都是同时聚焦于同一样品台上，无需进行不同样品台间的切换即可制得多层膜。该方法效率高，成本较低。共沉积得到的是固溶体纳米多层膜，并非不同晶体结构的纯Cu和纯W膜机械的叠加，而是界面呈半共格或者共格关系，界面浸润，有利于提高薄膜的塑韧性及稳定性。

技术领域

本发明涉及一种纳米多层膜及其制备方法。

背景技术

难熔的过渡族金属与高导热、导电的软金属体系组成的复合材料在电子封装、航天航空和军工领域的广泛引用前景引起了国内外学者的广泛关注。如Cu-W二元体系，其兼具了W 的高硬度、高强度、低热膨胀系数、抗腐蚀、耐高温、耐磨损和Cu的高导热、导电性等优点可用作电子封装的热沉、扩散阻挡层和耐热耐磨等涂层材料。根据Cu-W平衡相图，在平衡条件下Cu和W互不固溶、互不化合，其混合焓为正，采用粉末冶金等传统工艺制备得到的是钨铜假合金，而采用如溅射、蒸发等非平衡条件下的制备手段可实现Cu与W之间的固溶，得到的固溶体是亚稳态的，在高温或辐照等条件下易发生相分离。

大自然中的生物组织和材料经过了很长时间的演变与进化，形成了最适合外界环境的结构、形态以及特性。如贝壳中形成的柔性有机物层与硬质的无机盐碳酸钙层交替出现的层状结构，实现了高模量、高强度、强塑韧性轻质的优异性能，为其软体组织抵御外界干扰提供了极好的保护。因此也引发了人们对层状结构和复合材料的兴趣，为研究自组装多层膜结构提供了思路。

通常情况下，纳米多层膜是由两种或多种不同材料的纳米薄层相互交替叠加而成的薄膜，其成分或结构是纳米尺度且呈周期性变化的。纳米多层膜结构利用了纳米材料的小尺寸相应、表面效应、量子隧道效应等使多层膜较单层膜有更好的硬度强度、硬度、弹性模量、耐磨性等力学、声学、光学、热学、磁学等优良性能。

目前，制备金属纳米多层膜的物理气相沉积法大多为交替沉积法，即依次在不同溅射源下沉积纳米尺度的薄膜子层，再通过频繁切换样品的位置，周期性的交替叠加不同材料的薄膜子层即可形成纳米多层膜，其沉积示意图如图1中(a)所示。此方法在频繁切换样品台的位置的过程需消耗大量的时间，且对实验设备的损耗较大，效率较低。对于制备调制周期小于10纳米的多层膜很困难，需要昂贵精密的镀膜设备。制备的多层膜的界面明显，成分波动大。特别是当多层膜组分的晶体结构不同或者晶格错配度大时易形成缺陷较多非共格异质界面。此类界面是影响多层膜稳定性以及塑韧性的重要因素。

同样，Cu-W多层膜中高密度的多层膜界面以及金属Cu和W的优良性能，使得其具有高的硬度、强度、耐磨性等力学性能。但由于Cu和W具有不同的晶体结构，且两者互不浸润，采用普通交替沉积法制备的Cu/W多层膜只是简单的将纯Cu和纯W薄层叠加，界面结构及成分起伏较大，直接影响其塑韧性及稳定性。

发明内容

本发明解决的技术问题是，现有技术中采用交替沉积法制备纳米多层膜(以Cu-W纳米多层膜为例)时，只是简单的将纳米尺度的纯Cu和纯W薄层机械的叠加起来。将Cu、W 两靶分别聚焦于不同样品台，通过周期性切换样品台的位置实现多层膜的制备，此过程时间消耗及设备损耗较大。制备出的Cu-W多层膜界面分明，界面两侧结构通常不对称、非共格的，界面间成分及结构差异明显，缺陷较多，界面不浸润，影响了Cu-W多层膜塑韧性及结构稳定性。

本发明的技术方案是，提供一种纳米多层膜的制备方法，采用真空溅射技术，溅射仪内设有样品台和溅射靶，至少两个溅射靶同时向同一样品台共同溅射沉积，其中，至少一个溅射靶的靶材为扩散元素，至少一个溅射靶的靶材为扩散阻挡元素或扩散阻挡化合物；当共同溅射沉积时，样品台自转。

优选地，真空溅射包括磁控溅射、离子束溅射。