不锈钢管道溅射镀TiN薄膜实验研究

第37卷第4 5
期Vol.37,No.4 5 2007年5月JOU RNAL OF UNIVERSI TY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA M ay2007文章编号:0253 2778(2007)04&05 0509 05
不锈钢管道溅射镀TiN薄膜实验研究*
王 勇,张耀锋,尉 伟,王建平,范 乐,蒋道满,朱存宝,刘祖平
(中国科学技术大学国家同步辐射实验室,安徽合肥230029)
摘要:在不锈钢管道溅射镀膜装置上,通过对不锈钢管道真空室进行溅射镀T iN膜的反复多次实验及对镀膜实验结果的分析,得到了一整套适用于加速器管道真空室内壁溅射镀T iN膜的表面处理参数.实验结果表明,在压强为80~90Pa、基体温度为160~180 的镀膜参数下,不锈钢管道内壁能获得符合加速器物理要求的T iN薄膜.
关键词:直流溅射;T iN膜;真空室镀膜;表面处理
中图分类号:T B741;T N305.92 文献标识码:A
Experimental studies on TiN film sputter coating
on the inner face of stainless steel pipe
WANG Yong,ZH ANG Yao feng,WEI Wei,WAN G Jian ping,FAN Le,
JIANG Dao man,ZH U Cun bao,LIU Zu ping
(N ational S ync hrotr on Ra diation L abor atory,Univ ersity of S cience and T ech nolog y of China,H ef ei230029,China)
Abstract:An analysis o f ex periments of T iN co ating o n pipe sur face w as conducted em plo ying the splutter coating system,and suitable param eters of v acuum chamber surface T iN coating w as obtained.The ex periment results show that TiN film on chamber surface w ith pro per characteristics can be achiev ed at80 ~90Pa and160~180 o f co ated surface tem perature.
Key words:DC sputtering;T iN film;vacuum cham ber coating;surface tr eatment
0 引言
在粒子加速器中,带电粒子、光电子与储存环真空室内壁的作用会在真空室内产生大量电子.这些电子在束流场的作用下反复多次轰击真空室壁,导致大量二次电子产生,同时又加剧了粒子束流与电子的作用,最终在真空室壁或附近聚集,形成电子云[1,2].电子云效应对储存环中束流的稳定性、能量、发射度、寿命等参数产生重要影响,严重时将直接威胁到加速器的正常运行并造成真空系统崩溃[3,4].研究表明产生电子云不稳定性的主要原因之一在于真空室材料的二次电子产额较高,因此对加速器真空室材料内表面进行适当处理以减小其二次电子产额是抑制电子云效应的有效措施[5],其中对真空室材料内表面进行溅射镀T iN薄膜处理的方法是抑制电子云效应的主要研究方向之一.此外,镀T iN薄膜处理对改善加速器真空系统的真空度也是有帮助的[6].
T iN镀膜的沉积方法有物理气相沉积法、电弧离子镀、离子注入法、化学气相沉积法等,用这些方
*收稿日期:2006 12 25;修回日期:2007 03 27
基金项目:国家自然科学基金(10245002)资助.
作者简介:王勇(通讯作者),男,1958年生,高级工程师.研究方向:真空和超高真空技术.E m ail:yw ang@;
T el:0551 *******
法进行沉积T iN 镀膜一般限于平面物体和实验室研究,具有成膜面积受限、温度高等特点.研究结果表明钛的最佳氮化温度在850 以上,相应的基体温度也非常高.在该温度条件下能得到较好的晶态TiN 薄膜[7,8],但这样的高温对于实际的加速器真空室是难以承受的.而我们通过实验研究,在压强为80~90Pa 、基体温度为160~180 参数条件下,对不锈钢管道进行溅射镀膜,获得了符合加速器物理要求的TiN 薄膜.
1 针对加速器不锈钢管道的溅射镀
膜装置
NSRL 电子储存环的通用管道真空室(长直线段)为 86mm 2000mm 不锈钢管道.针对这样的细长管道真空室,我们采用内置靶反应溅射镀TiN 薄膜的方法,设计了带有左右辅助真空室的细长管道真空溅射镀膜系统,如图1所示
.
图1 实验装置示意图
Fig.1 Schematic diagram of DC sputtering setup
在图1中,整个装置可分为左右辅助真空室、分子泵抽气系统、反应配气系统、放电电源、镀膜管道及内置钛靶6个部分,其中左边的辅助真空室用于反应气体充入后初步混合以及安装溅射靶与电极的连接设备,右边的辅助真空室用于进行真空测量、分析及控制.由于实际工作时靶的两个端头的尖端溅射速率要大得多,为了使整个管道镀膜均匀,在设计上将靶的两个端头都伸入两个辅助真空室里面,这样靶的两个端头远离所镀管道内壁,其影响可以忽略,从而在理论上保证被镀真空管道成膜的均匀性.
在实验中为了对镀膜结果有明确的认识,镀膜
前在装置中放入不锈钢和单晶硅片样品,以便镀膜后对沉积膜的成分、性能进行测试研究分析.硅片用于检测沉积薄膜性能、成分和机械参数;不锈钢样品与管道真空室的材料一致,能够真实反映真空室材料内壁沉积膜的状态.
2 实验过程
首先组装加速器细长管道真空室的低温溅射镀T iN 薄膜系统,放入用于检测分析的不锈钢片、单晶硅片样品,开启抽气机组对系统抽真空,在系统达到小于2 10-5Pa 的极限压强后,打开质量流量控制仪,充入反应气体高纯N 2和辅助气体Ar,其中N 2流量通过质量流量仪控制为5 10
-3
SLM,A r
流量控制为5 10-4
SLM.然后调节排气系统的抽速,使系统平衡时达到10Pa 左右的目标压强,在钛靶和被镀管体之间加上-1000V 直流高压,开始辉光放电.在实验过程中可以通过调整放电电流来控制管道基体温度,通过调节抽速阀门来控制放电气压,保证放电实验持续、稳定进行.直流溅射镀膜时形成的辉光放电现象如图2所示.
3 实验结果及讨论
3.1 样品成分及镀膜参数分析
在加速器细长管道真空室的低温溅射镀T iN 薄膜实验装置上,我们进行了不同参数条件下的数十次镀膜实验,部分实验样品的测试分析结果见表1.
对实验结果分析研究,得到如下结论:在管道反应溅射镀膜压强低于80Pa 时,不锈钢样品上难以
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图2 辉光放电图
Fig.2 Practical image of glow discharge 表1 各种参数条件下的TiN 镀膜结果Tab.1 The results of TiN f ilm coated
under diff erent parameters
No.pres sure
/Pa temperature of SS pipe/ color of S i s am ples color of s tainless steel samples
175160~170draw yellow dark red 282130~140in visible sligh tly yellow 388140~150in visible draw yellow 488160~170draw yellow g olden 584170~180draw yellow g olden 6
86
190~200
yellow
blue
生成较好的T iN 薄膜.压强高于80Pa 时,在合适的温度范围下,不锈钢样品上可以沉积较好的T iN 薄膜,从表1中可以看出,温度范围在160~180 之间最为适合.温度低于此范围时,颜色为淡黄色,样品TiN 薄膜成分测试结果表明钛氮化不足,薄膜中含有大量单质钛.温度高出此范围时,颜色夹杂着蓝色,说明存在钛氧化现象,这是由于钛在合适温度条件下与镀膜系统在放电升温时受热释放出的氧气反应,造成钛的氧化.硅片样品上薄膜沉积条件与压强关系不明显,它只与温度有关,温度越高,越容易沉积TiN 薄膜.综上所述,由于所镀管道为不锈钢材料,所以温度范围的选取以不锈钢样品的镀膜结果为准,最佳镀膜条件为:压强为80~90Pa,被镀基体温度为160~180 .
我们对上述参数条件下获得的样品进行了XPS 成分分析,测量谱图如图3所示.由图3可以看出,样品中主要元素为C,N,O,T i,其中C 和部分
O 元素为镀膜样品在测试前与空气接触所形成的污
图3 样品的XPS 全谱图
Fig.3 XPS survey spectra of the SS sample
染物,其余O 元素和N,Ti 元素形成TiN 和TiO 2两种物质[9].而XPS 测试结果显示薄膜中N,T i 元素的原子数之比为16 4!19 8,可估计出T iN 与T iO 2的数目比约为16 4!3 4,即薄膜的主要成分为T iN,含有少量的TiO 2.分析TiO 2出现的原因,可归结于两个方面:一是镀膜过程中管道受热释放出氧气,与溅射的Ti 原子反应形成;另一个原因是由于镀膜中含的单质T i 在镀膜结束后与空气中的氧接触发生缓慢反应生成T iO 2.为减少镀膜过程中形成TiO 2,常用的方法是在反应气体中加入少量的H 2来阻挡氧化物的形成.我们在后期的溅射镀T iN 膜实验研究过程中加入少量高纯H 2参与反应镀膜,获得了满意的结果.对于暴露大气中形成的T iO 2,可以通过提高反应气体浓度、改变基体温度和优化溅射反应镀膜参数等措施提高T i 原子的氮化效率,减少溅射反应镀膜中单质T i 的含量,尽可能减少其影响.由于Ti 单质在合适的温度条件下极易氧化,所以低温镀膜的物理原理是采用合适的低温条件来抑制Ti 原子的氧化,而使Ti 原子的氮化不受到大的影响.在实验中发现,温度越高,T i 原子的氮化效率越高;而在基体温度高于200 时Ti 原子极易氧化,因此低温镀膜的合适温度选取在160~180 .另外,低温镀膜对镀膜系统长时间稳定运行也是非常有益的.
同时我们还用扫描电子显微镜(SEM )对某次实验中的硅片样品薄膜的表面形态和横截面进行了分析、测试,SEM 图像如图4所示.由图4(a)可看出硅片样品薄膜膜层表面光洁、结构致密、均匀、无针孔;从图4(b)可以看出膜层和基体附着性良好,薄膜质地均匀致密.
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第4 5期不锈钢管道溅射镀T iN 薄膜实验研究
图4 样品的SEM图像
Fig.4 SEM im age of the sample
3.2 薄膜沉积速率
在镀膜过程中,薄膜的沉积速率是一个非常重
要的参数,它关系到镀膜工艺时间和效率.通常靶材
溅射沉积速率满足理论公式
Q=CI .(1)
式中,Q为溅射T i原子的沉积速率,I为电流, 为
氩离子对靶材的溅射率,C为与镀膜系统结构有关
的参数[10].镀TiN薄膜为溅射反应过程,较纯粹的
溅射沉积过程复杂.不过,在镀膜过程中,当氮分压
远大于氩分压时,可近似认为溅射的所有钛原子都
参与了与氮的反应,则Q也可近似地被认为是TiN
的沉积速率. 约为0 51,C为结构参数,对同一个
镀膜系统,应为恒定值,它可以通过对多次实验结果
进行拟合得到.在已知系统结构参数的情况下,C也
可以直接由式(2)估算,
C=n
eN A 1.0107
S,(2)
式中,n/(g∀mo l-1)为T iN的分子量,e为电子电量,N A为阿伏伽德罗常数,S/cm2为溅射靶投射到镀膜管道的内表面积, /(g∀m ol-1)为T iN的密度,最后得到Q的量纲为nm∀s-1.式(2)成立需要满足两个假设:(#)所有溅射出来的Ti原子都只参与了氮化反应形成TiN,且所有的TiN都沉积成膜;(∃)样品上沉积薄膜的成分是纯粹的TiN,没有其他杂质成分.
将式(2)代入式(1),并将各个参量代入,依据优化后的实验参数,最终可估算出在该参数条件下TiN薄膜的沉积速率Q为0 146nm∀s-1;对该参数条件下镀膜实验后的样品进行膜厚测量,得到薄膜的厚度为6 3m,而镀膜时间为12h,由此可计算出实际的沉积速率为0 145nm∀s-1,可以看出两者非常接近.而实际应用于储存环真空室材料表面处理的T iN膜层的厚度只需200nm即可[11],所以此装置用于处理管道真空室内表面,只需几小时溅射镀膜,就完全可以满足加速器管道真空室内表面处理工业化生产的实际需求.
4 结论
低温细长管道溅射镀膜技术在加速器储存环真空内表面处理领域有广阔的应用前景.常用的储存环真空室材料不锈钢、铝(铝合金)和无氧铜材料,经溅射镀T iN薄膜表面处理后不仅真空性能有很大的提高[12],而且在高能粒子轰击下其二次电子产额低[5],符合高能加速器对储存环真空室材料的要求.带有左右辅助真空室的直流溅射镀膜系统完全满足了加速器细长管道真空室内表面沉积T iN膜的需求,所建立的镀膜装置经过数十次镀膜实验研究获得了满意结果.通过优化管道直流镀膜系统的结构设计、改变放电参数等,使得镀膜系统能够长期稳定运行,获得了较低被镀基体温度条件下的镀膜参数,即放电压强范围在80~90Pa,被镀管道基体温度为160~180 ,用此参数溅射沉积就可在不锈钢材料真空管道基体上获得高品质的、均匀的、金黄色的T iN膜,它完全可以应用于加速器细长管道真空室的工业化生产和加工过程.
参考文献(References)
[1]Guo Z Y,L iu Y D,Q in Q,et al.T he studies o f
512中国科学技术大学学报第37卷
electro n cloud instability[C]//Pr oceeding s o f AP AC 2004.Gy eongju,Ko rea,2004:44 48
[2]Furman M A,Pivi M.U pdated electro n cloud
simulatio n results fo r the L arg e Hadro nCo llider L HC
[C]//Pr oceeding s of the2001Part icle A ccelerato r
Co nfer ence.I EEE,2001,3:1898 1900.
[3]Zimmermann F,CERN G.T he electr on cloud
instability:Summar y of measur ements and under standing[J].Pro ceedings of the2001Par ticle Acceler ator Co nfer ence.I EEE,2001,1:666 670. [4]Har ka y K,Rosenber g R,G uo Z Y,et al.Surv ey of
recent r esults on electro n clo ud effects in photon machines[C]//P ro ceedings o f the2001Par ticle Acceler ator Co nfer ence.I EEE,2001,1:671 675. [5]Le P impec F,K ir by R E,K ing F,et a l.Pro per ties of
T iN and T iZr V thin film as a remedy ag ainst electron cloud[J].Nuclear Instr uments and M etho ds in Physics Resear ch A,2005,551:187 199.
[6]He P,H seuh H C,M apes M,et al.O utgassing and
surface pro per ties o f T iN co ated SNS r ing vacuum chambers[C]//Pr oceeding s o f t he2003Par ticle Acceler ator Co nfer ence.I EEE,2003,2:788 790. [7]JIA N G T ao,M A M in zhuang.Pr epar ation and
char acter izatio n of titanium nit ride[J].Journal of Instr umental Analysis,1999,18(4):46 48.
江涛,马敏庄.氮化钛的制备及表征[J].分析测试学报,1999,18(4):46 48.
[8]ZH A NG T ao,Z HA O Gao ling,H A N G ao r ong.
G row th and pro per ties o f T iN f ilms on g lass by
atmo spheric pr essure chemical vapor deposit ion[J].
Journal of V acuum Science and T echnolog y,2005,25
(4):309 311.
张涛,赵高凌,韩高荣.T iN镀膜玻璃的常压化学气相沉积法制备及其光电性能研究[J].真空科学与技术,2005,25(4):309 311.
[9]N IST.NI ST X PS Database[EB/O L].[2006 12 10].
http://srdata.nist.go v/xps/Bind_E.asp.
[10]李云奇.真空镀膜技术与设备[M].沈阳:东北工学院
出版社,1989.
[11]H e P,Hseuh H C,M apes M,et al.Dev elo pment o f
titanium nitr ide co ating fo r SN S ring vacuum chamber s [J].P ro ceedings of the2001P article Acceler ator Conference.IEEE,2001,3:2159 2161.
[12]ZH A NG Yao feng,WA N G Y ong,WEI W ei,et al.
Studies o n coat ing techno log y o f inner w all o f stainless steel pipe with T iN film and its v acuum character istics [J].N uclear T echniques,2006,29(3):161 164.
张耀锋,王勇,尉伟,等.不锈钢管道内壁镀T iN薄膜技术及其真空性能的研究[J].核技术,2006,29(3):
161 164.
513
第4 5期不锈钢管道溅射镀T iN薄膜实验研究。