本發(fā)明屬于合金鍍膜技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種磁控濺射鍍膜系統(tǒng)及利用其制備高純度靶膜的方法。

背景技術(shù)：

靶特性是中子管的重要參數(shù)之一，直接影響中子管產(chǎn)額、壽命、穩(wěn)定性等指標(biāo)。氚靶是中子管的關(guān)鍵部件。中子管在工作過程中，離子源將氘氣電離，氘離子經(jīng)加速電極加速后打到氚靶上，與氚靶中吸附的氚發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生中子。

氚靶材料鈦具有吸氫同位素特性，在一定氣壓下的氘氚混合氣中，鈦可選擇性吸附氘和氚。將已吸附一定摩爾比氘氚的鈦置于真空環(huán)境中，在加熱條件下可選擇性的釋放氘和氚。此選擇性可定義為如下式(1)所示的氘氚分離系數(shù)α。

α＝(t/d)solid/(t/d)gas(1)

式(1)中(t/d)solid表示固相中氚和氘的摩爾比，(t/d)gas表示釋放的混合氣體中氚和氘的摩爾比。

當(dāng)α＞1時，氚靶材料在一定條件下傾向于保留氚而釋放氘；反之當(dāng)0＜α＜1時，氚靶材料在一定條件下傾向于釋放氚而吸收氘。

中子管儀器的使用條件決定了中子管用氚靶材料在運行工況下，氘氚分離系數(shù)應(yīng)滿足α＞1。

鈦鉬合金是廣泛使用的中子發(fā)生器用氚靶材料，在鉬底襯上沉積鈦形成薄膜，可吸附氫同位素，尤其在一定條件下，可以吸入高濃度的氚。

文獻(xiàn)表明，鈦鉬合金的氘氚分離系數(shù)α與合金中鉬計量數(shù)(即鉬原子數(shù)量百分比)有關(guān)，鉬計量數(shù)越小，吸氚能力越強(qiáng)。例如在ti∶mo＝1∶2時，氘氚分離系數(shù)α可達(dá)1.87，但該合金的吸氚容量只能達(dá)到1.31(q/ti)；適當(dāng)減少mo含量，使ti∶mo＝2∶1，氘氚分離系數(shù)α為1.61，合金的吸氚容量可達(dá)2.4。

但鈦鉬合金中的鈦是一種活潑金屬，在空氣中容易吸附氧氣、二氧化碳等氣體，在表面形成碳氧污染，從而嚴(yán)重影響鈦膜的吸氚速率以及吸氚容量。

磁控濺射法是真空鍍膜技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于鍍制鈦金屬膜和鈦合金膜。磁控濺射技術(shù)的原理是：

在與濺射靶表面平行的方向施加磁場，利用電場與磁場的垂直相互關(guān)系，使靶面發(fā)射的電子在靶附近作螺旋運動，并與環(huán)境中的氬氣(ar)分子發(fā)生碰撞。若電子能量足夠，則將電離出ar⁺和另一個電子，其中ar⁺在電場作用下飛向陰極(即濺射靶)并轟擊靶面，使靶材原子濺射出來，最終沉積到基片表面，形成薄膜。磁控濺射工藝條件穩(wěn)定，靶材的濺射速率穩(wěn)定，可通過時間控制實現(xiàn)膜厚的控制，所制膜層附著性好、致密、純度較高。

利用磁控濺射技術(shù)，為鍍制滿足要求的鈦鉬合金膜，一般在鍍膜機(jī)中同時安裝一塊固定成分比的鈦鉬合金靶和一塊鎳靶，利用鈦鉬合金靶在基片上濺射一層鈦鉬合金膜，然后利用鎳靶在合金膜表面濺射一層保護(hù)性鎳膜。一般情況下，該方法只能鍍制固定成分比的鈦鉬合金膜，若需要制備不同組分的鈦鉬合金膜，則需更換相應(yīng)的鈦鉬合金靶。

利用磁控濺射法制備高純度合金靶膜需要滿足如下幾個條件：1.濺射靶純度高；2.基片表面清潔；3.磁控濺射載氣(ar)純度高；4.鍍膜腔室極限真空度高(文獻(xiàn)報導(dǎo)的鍍膜腔室極限真空度一般在1×10^-3～2×10^-4pa之間)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的首要目的是提供一種磁控濺射鍍膜系統(tǒng)，以可在基片上鍍制不同成分、含量的金屬膜或合金膜。

為實現(xiàn)此目的，在基礎(chǔ)的實施方案中，本發(fā)明提供一種磁控濺射鍍膜系統(tǒng)，其包括鍍膜腔室、用于向鍍膜腔室提供磁控濺射載氣氬氣的氬氣提供系統(tǒng)、用于對鍍膜腔室進(jìn)行抽真空處理的抽真空系統(tǒng)，

鍍膜腔室中包括濺射靶、可通過電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤、位于轉(zhuǎn)盤上的樣品架，

濺射靶可向正對其的樣品架上安裝的基片進(jìn)行磁控濺射鍍膜，

其中所述的濺射靶為多個，分別為不同金屬或不同組成比例合金的濺射靶。

在一種優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種磁控濺射鍍膜系統(tǒng)，其中所述的鍍膜腔室的外壁材料為不銹鋼，且不銹鋼內(nèi)外表面經(jīng)過離子拋光處理。

在一種優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種磁控濺射鍍膜系統(tǒng)，其中所述的鍍膜腔室外壁為球形，采用高真空刀口法蘭密封。

在一種優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種磁控濺射鍍膜系統(tǒng)，其中所述的氬氣提供系統(tǒng)包括氬氣純化器，用于提高進(jìn)入鍍膜腔室的氬氣的純度。

在一種優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種磁控濺射鍍膜系統(tǒng)，其中所述的各濺射靶有獨立擋板，以防止單一濺射靶濺射過程中，濺射金屬原子打到其他濺射靶上。

在一種優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種磁控濺射鍍膜系統(tǒng)，其中所述的濺射靶為4個，分別為鈦靶、鉬靶、強(qiáng)磁鎳靶和鈦鉬合金靶。

在一種更加優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種磁控濺射鍍膜系統(tǒng)，其中所述的鈦鉬合金靶中鉬原子數(shù)量百分比為5-15％。

在一種優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種磁控濺射鍍膜系統(tǒng)，其中所述的樣品架的數(shù)量為4個，均勻?qū)ΨQ的分布在所述的轉(zhuǎn)盤上。

在一種更加優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種磁控濺射鍍膜系統(tǒng)，其中每個樣品架上可安裝的基片數(shù)量為1-6個。

在一種更加優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種磁控濺射鍍膜系統(tǒng)，其中所述的樣品架為可通過電機(jī)帶動自轉(zhuǎn)的樣品架，以使樣品架上安裝的各基片可以正對濺射靶。

在一種優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種磁控濺射鍍膜系統(tǒng)，其中所述的鍍膜腔室中還包括安裝在樣品架上的加熱塊，用于對樣品架上安裝的基片進(jìn)行加熱烘烤除氣，除去基片表面吸附的雜質(zhì)。

在一種優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種磁控濺射鍍膜系統(tǒng)，其中所述的鍍膜腔室中還包括氬離子槍，用于噴射氬氣清潔基片表面。

在一種優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種磁控濺射鍍膜系統(tǒng)，其中所述的磁控濺射鍍膜系統(tǒng)還包括真空度測量儀，用于對鍍膜腔室中的真空度進(jìn)行監(jiān)測。

本發(fā)明的第二個目的提供一種利用前述磁控濺射鍍膜系統(tǒng)制備高純度靶膜的方法，以可在基片上鍍制不同成分、含量的金屬膜或合金膜。

為實現(xiàn)此目的，在基礎(chǔ)的實施方案中，本發(fā)明提供一種利用前述磁控濺射鍍膜系統(tǒng)制備高純度靶膜的方法，所述的方法包括如下步驟(其中第(2)步和第(3)步可重復(fù))：

(1)將鍍膜腔室利用抽真空系統(tǒng)進(jìn)行抽真空，以達(dá)到磁控濺射鍍膜所需要的真空度；

(2)電機(jī)帶動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，使樣品架上安裝的基片對準(zhǔn)需要鍍相應(yīng)膜的濺射靶；

(3)操作濺射靶，在氬氣氣氛下向其正對的樣品架上的基片進(jìn)行濺射鍍膜。

在一種優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種利用前述磁控濺射鍍膜系統(tǒng)制備高純度靶膜的方法，其中步驟(1)中還對樣品架上的基片進(jìn)行450℃高溫烘烤，并在鍍膜系統(tǒng)首次使用時或長時間不用后將鍍膜腔室整體經(jīng)過最高溫度為200℃的高溫烘烤，充分除氣。

本發(fā)明的有益效果在于，用本發(fā)明的磁控濺射鍍膜系統(tǒng)及利用其制備高純度靶膜的方法，可在基片上鍍制不同成分、含量的金屬膜或合金膜。且還可通過提高基片表面清潔度、載氣氬氣純度和/或鍍膜腔室真空度(可達(dá)到2.0×10^-6pa)，以提高鍍膜純度。

附圖說明

圖1為示例性的本發(fā)明的磁控濺射鍍膜系統(tǒng)的組成圖。

圖2為利用示例性的本發(fā)明的磁控濺射鍍膜系統(tǒng)制備的多層鍍膜中元素深度分析結(jié)果圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作出進(jìn)一步的說明。

示例性的本發(fā)明的磁控濺射鍍膜系統(tǒng)的組成如圖1所示，包括鍍膜腔室1(又包括球形外壁9和安裝在其內(nèi)部的濺射靶5、轉(zhuǎn)盤6、樣品架7、氬離子槍8、加熱塊)、用于向鍍膜腔室1提供磁控濺射載氣氬氣的氬氣提供系統(tǒng)、用于對鍍膜腔室1進(jìn)行抽真空處理的抽真空系統(tǒng)、用于對鍍膜腔室1中的真空度進(jìn)行監(jiān)測的真空度測量儀4。

濺射靶5共有四個，均勻分布在球形的鍍膜腔室1的下半球，分別為鈦靶、鉬靶、強(qiáng)磁鎳靶和鈦鉬合金靶，其中鈦鉬合金靶中鉬原子數(shù)量百分比為10％。各濺射靶5有獨立擋板，以防止單一濺射靶5濺射過程中，濺射金屬原子打到其他濺射靶5上。

轉(zhuǎn)盤6安裝在鍍膜腔室1的上半球，可通過電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)，其上均勻?qū)ΨQ分布4個可通過電機(jī)帶動自轉(zhuǎn)的樣品架7。每個樣品架7上可安裝6個φ15×1mm或4個φ22×0.5mm的基片(為鉬基片)。

通過轉(zhuǎn)盤6的旋轉(zhuǎn)和樣品架7的自轉(zhuǎn)，可以使樣品架7上安裝的各基片正對任意一個濺射靶5。鍍膜過程中，一個濺射靶5的濺射輝光可均勻照射正對其的樣品架7上安裝的所有基片，因此，鍍膜產(chǎn)品重復(fù)性好。

氬離子槍8用于噴射氬氣清潔基片表面。加熱塊安裝在樣品架7上，用于對每個樣品架7上安裝的基片進(jìn)行最高溫度為500℃的加熱烘烤除氣，除去基片表面吸附的雜質(zhì)。

球形外壁9材料為不銹鋼，采用高真空刀口法蘭密封。球形外壁9的不銹鋼內(nèi)外表面經(jīng)過離子拋光處理，以達(dá)到較好的表面光潔度。鍍膜腔室1在抽真空狀態(tài)下，整體經(jīng)過了200℃高溫烘烤，充分除氣，其內(nèi)極限真空度可達(dá)2.0×10^-6pa。

氬氣提供系統(tǒng)包括氬氣純化器2，氬氣純化器2對來自高純氬氣瓶的氬氣(輸入氬氣純度為4n5)進(jìn)行純化后送入鍍膜腔室1作為載氣(輸出氬氣雜質(zhì)含量低于50ppb)。

抽真空系統(tǒng)通過在鍍膜腔室1外的真空泵3實現(xiàn)抽真空作用。

上述示例性的本發(fā)明的磁控濺射鍍膜系統(tǒng)示例性的制備高純度鈦鉬合金鍍膜的方法如下：

(1)將鍍膜腔室1利用抽真空系統(tǒng)進(jìn)行抽真空，并對樣品架7上的基片進(jìn)行450℃高溫烘烤，且在鍍膜系統(tǒng)首次使用時或長時間不用后還將鍍膜腔室1整體經(jīng)過200℃高溫烘烤，以達(dá)到磁控濺射鍍膜所需要的真空度；

(2)電機(jī)帶動轉(zhuǎn)盤6旋轉(zhuǎn)和樣品架7自轉(zhuǎn)，使樣品架7上安裝的基片對準(zhǔn)鈦靶進(jìn)行濺射鍍膜；

(3)電機(jī)帶動轉(zhuǎn)盤6旋轉(zhuǎn)和樣品架7自轉(zhuǎn)，使樣品架7上安裝的基片對準(zhǔn)鉬靶進(jìn)行濺射鍍膜；

(4)循環(huán)使用鈦靶和鉬靶對同一樣品架7上的基片進(jìn)行濺射鍍膜，通過調(diào)整每個循環(huán)兩靶的濺射時間及循環(huán)鍍膜次數(shù)，可實現(xiàn)不同鈦鉬含量比的合金膜的鍍制；

(5)最后電機(jī)帶動轉(zhuǎn)盤6旋轉(zhuǎn)和樣品架7自轉(zhuǎn)，使樣品架7上安裝的基片對準(zhǔn)強(qiáng)磁鎳靶進(jìn)行濺射鍍膜，使鈦鉬合金鍍膜表面濺射一層鎳。

以下表1為采用上述方法，在不同的步驟(4)操作條件下制備得到的鈦鉬合金的組成情況。

表1不同的步驟(4)操作條件下制備得到的鈦鉬合金的組成情況

其中，在示例性的步驟(4)中每個循環(huán)鈦靶濺射時間為0.5h，鉬靶濺射時間為2min，循環(huán)鍍膜次數(shù)為10次的情況下，通過輝光放電光譜儀分析最終所得靶膜中元素濃度隨深度方向的分布規(guī)律，其結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，碳氧元素主要分布在表面鎳層，而鈦鉬層未見氧分布，且碳含量低于0.3at％。這說明碳氧元素為鍍膜取樣后接觸大氣時所吸附雜質(zhì)，采用本方法可制備高純度鈦鉬合金膜。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其同等技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。上述實施例或?qū)嵤┓绞街皇菍Ρ景l(fā)明的舉例說明，本發(fā)明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式實施，而不偏離本發(fā)明的要旨或本質(zhì)特征。因此，描述的實施方式從任何方面來看均應(yīng)視為說明性而非限定性的。本發(fā)明的范圍應(yīng)由附加的權(quán)利要求說明，任何與權(quán)利要求的意圖和范圍等效的變化也應(yīng)包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。