一种同步热处理磁控溅射TiO2薄膜工艺方法与流程

一种同步热处理/磁控溅射tio2薄膜工艺方法
技术领域
1.本发明涉及薄膜制备领域，具体涉及一种同步热处理/磁控溅射tio2薄膜工艺方法。


背景技术：

2.目前，世界各国对于抗菌防霉薄膜的需求和质量要求逐渐升高，相继开发了多种功能性薄膜，其中tio2薄膜被认为具有良好抗菌防霉特性。tio2薄膜具有多种晶体结构，但是只有锐钛矿形晶体结构的tio2薄膜能够实现抗菌防霉效应。
3.制备tio2薄膜的方法较多，主要是采用磁控溅射技术。虽然磁控溅射技术制备tio2薄膜被广泛地研究，但是现有技术需要后续高温退火处理而获得锐钛矿型tio2晶体结构，存在制备工艺复杂且无法在低温基体表面沉积薄膜的问题，给磁控溅射技术制备tio2薄膜工艺参数优化和工业化应用带来困难。


技术实现要素：

4.针对已有磁控溅射技术制备tio2薄膜时需要后续高温退火处理而导致工艺复杂的问题，本发明专利提供一种同步热处理/磁控溅射tio2薄膜工艺方法。本发明专利利用等离子体源的热辐射和离子轰击效应，制备tio2薄膜时同步实现快速高温退火处理，无需制备tio2薄膜时后续退火处理的特点。
5.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
6.一种同步热处理/磁控溅射tio2薄膜工艺方法，该方法是采用等离子体同步加热与磁控溅射复合镀膜技术沉积锐钛矿型tio2薄膜；其特征在于：所述基体位于镀膜空间的中心位置并且转动，等离子体源阳极与ti靶位于基体的两侧，沉积tio2薄膜时偏压数值和持续时间随着基体转动位置而发生变化，等离子体加热与磁控溅射下完成薄膜沉积。
7.所述ti靶一侧偏压的持续时间为基体面向ti靶40～100
°
范围内基体转动时间。
8.所述等离子体源阳极一侧偏压的持续时间为基体面向等离子体源阳极260～320
°
范围内基体转动时间。
9.一种同步热处理/磁控溅射tio2薄膜工艺方法，包括如下制备步骤：
10.(1)将预处理后的基体可拆卸固定安装在真空室内旋转架上，将本底真空抽至≤3
×
10-2
pa；ti靶施加磁控溅射电源；基体转动速度为1～5转/min；
11.(2)对基体进行等离子体清洗，去除表面杂质；然后进行ti离子轰击而增强膜/基结合力；
12.(3)沉积tio2薄膜：
13.首先设置等离子体源电流和偏压进行离子轰击快速加热基体；等离子体源轰击加热结束后分别设置ti靶一侧偏压数值和等离子体源阳极一侧偏压数值，然后通入o2和ar的混合气体，保持总流量为50～300sccm，其中，反应气体o2流量为10～60sccm，ar流量为30～250sccm；工作气压保持在0.1～1.4pa，ti靶功率保持为0.2～2.0kw，沉积一定时间后获得
所述锐钛矿型tio2薄膜。
14.上述步骤(1)中，所述基体的预处理过程为：基体首先在40～80℃温度的油污清洗剂中清洗20～40min，然后在丙酮中超声清洗20～40min，然后在乙醇溶液中超声清洗20～50min，最后真空干燥处理。
15.上述步骤(2)中，所述等离子体清洗的过程为：偏压为-700～-800v，等离子体源电流10～30a，通入ar气流量为50～300sccm，工作气压1.0～3.0pa，对基体表面进行等离子体清洗10～20min，以去除表面杂质。
16.上述步骤(2)中，所述ti离子轰击的过程为：开启ti靶进行ti离子轰击，设置ti靶功率0.5～2.0kw，ar流量50～150sccm，气压为0.2～1.0pa，偏压为-700～-800v，时间为5～10min。
17.上述步骤(3)中，所述等离子体源加热的过程为：偏压为-500～-800v，等离子体源电流50～300a，通入ar气流量为50～300sccm，工作气压0.5～2.0pa，对基体表面进行加热10～20min。
18.上述步骤(3)中，所述tio2沉积的过程为：ti靶一侧偏压和等离子体源一侧偏压分别设置为-50～-200v和-300～-500v，等离子体源电流30～300a，基体加热温度为500～1200℃。
19.所述等离子体源阳极与阴极之间距离为20～150mm。
20.本发明的设计机理如下：
21.本发明采用等离子体源与磁控溅射复合镀膜技术在基体表面沉积tio2薄膜，由于锐钛矿型tio2薄膜需要加热能量才能发生晶体结构类型转变，因此在沉积tio2薄膜工艺同步引入等离子体源快速加热tio2涂层，避免增加后续的退火工艺。等离子体源的加热方式：利用空心阴极真空电弧的高温，热辐射加热基体；偏压引导等离子体源离子快速轰击加热基体，降低并优化偏压继而改善沉积tio2薄膜的溅射效应。通过调控等离子体源加热和镀膜过程中的等离子体源电流、气体流量、靶功率等参数，获得锐钛矿型tio2薄膜。
22.本发明的优点及有益效果如下：
23.1、本发明制备tio2薄膜具有良好的锐钛矿型结构，提高抗菌防霉效应。
24.2、本发明制备tio2薄膜工艺可以实现薄膜沉积和热处理复合工艺，无需沉积薄膜后增加热处理工艺。
25.3、本发明制备tio2薄膜时可以在沉积单层薄膜时，同步针对单层薄膜实现热处理加热效应，提高热处理效率。
26.4、锐钛矿型tio2薄膜制备工艺重复性好，具有更广阔的应用前景。
附图说明
27.图1为本发明制备装置示意图。
28.图中：等离子体源阳极1、阴极2、基体3、ti靶4、起弧阳极5、转换开关6、等离子体源电源7、阴极进水管8、阴极出水管9、阴极绝缘片10、法兰绝缘片11、阳极进入水管12、阳极出水管13、阳极法兰14、阳极绝缘片15、试样架16、偏压电源17、进气管18、真空室19、真空泵20、磁控电源21、阴极法兰22、限位开关23、电机24。
具体实施方式
29.下面结合附图对本发明作进一步说明：
30.实施例1
31.一种同步热处理/磁控溅射tio2薄膜工艺方法，其特征在于：所述基体3位于镀膜空间的中心位置并且转动，等离子体源阳极1与ti靶4位于基体3的两侧，沉积tio2薄膜时偏压数值和持续时间随着基体转动位置而发生变化，等离子体加热与磁控溅射下完成薄膜沉积。ti靶4一侧偏压的持续时间为基体3面向ti靶4的40
°
范围内基体3转动时间；等离子体源阳极1一侧偏压的持续时间为基体3面向等离子体源阳极1的320
°
范围内基体3转动时间。
32.一种同步热处理/磁控溅射tio2薄膜工艺方法，包括如下制备步骤：
33.(1)基体3在40～80℃温度的油污清洗剂中清洗30min，然后在丙酮中超声清洗30min，然后在乙醇溶液中超声清洗30min，最后真空干燥处理，将基体3可拆卸固定安装在真空室内旋转架上，将本底真空抽至≤3
×
10-2
pa；基体转动速度为1转/min；
34.(2)设置偏压为-800v、等离子体源电流20a，通入ar气流量为100sccm，工作气压1.0pa，对基体3表面进行等离子体清洗20min，以去除表面杂质；
35.(3)开启ti靶4进行ti离子轰击，设置ti靶4功率1.0kw，ar流量50sccm，气压为0.5pa，偏压为-700v，时间为10min；
36.(4)设置等离子体源电流100a，偏压为-500v，ar气流量为100sccm，工作气压1.0pa，加热20min；
37.(5)设置ti靶4一侧偏压和等离子体源阳极1一侧偏压分别设置为-100v和-300v，等离子体源电流200a，基体3加热温度为1200℃，通入o2和ar的混合气体，保持总流量为180sccm，o2流量为30sccm，ar流量为150sccm，气压1.0pa，ti靶4功率保持为1.0kw，沉积tio2薄膜60min。
38.将等离子体源阳极1与阴极2之间距离为150mm，沉积结束后冷却至室温并取出含tio2薄膜的基体3。tio2薄膜厚度1μm，tio2薄膜为锐钛矿型晶体结构，抗金色葡萄球菌90％。
39.实施例2
40.一种同步热处理/磁控溅射tio2薄膜工艺方法，其特征在于：所述基体3位于镀膜空间的中心位置并且转动，等离子体源阳极1与ti靶4位于基体3的两侧，沉积tio2薄膜时偏压数值和持续时间随着基体3转动位置而发生变化，等离子体加热与磁控溅射下完成薄膜沉积。ti靶4一侧偏压的持续时间为基体3面向ti靶4的100
°
范围内基体3转动时间；等离子体源阳极1一侧偏压的持续时间为基体3面向等离子体源阳极1的260
°
范围内基体3转动时间；基体3转动速度为1转/min。
41.一种同步热处理/磁控溅射tio2薄膜工艺方法，包括如下制备步骤：
42.(1)基体3在40～80℃温度的油污清洗剂中清洗30min，然后在丙酮中超声清洗30min，然后在乙醇溶液中超声清洗30min，最后真空干燥处理，将基体3可拆卸固定安装在真空室内旋转架上，将本底真空抽至≤3
×
10-2
pa；基体3转动速度为1转/min；
43.(2)设置偏压为-800v、等离子体源电流20a，通入ar气流量为100sccm，工作气压1.0pa，对基体3表面进行等离子体清洗20min，以去除表面杂质；
44.(3)开启ti靶4进行ti离子轰击，设置ti靶4功率1.0kw，ar流量50sccm，气压为
0.5pa，偏压为-700v，时间为10min；
45.(4)设置等离子体源电流100a，偏压为-500v，ar气流量为100sccm，工作气压1.0pa，加热20min；
46.(5)设置ti靶4一侧偏压和等离子体源阳极1一侧偏压分别设置为-100v和-300v，等离子体源电流100a，基体3加热温度为900℃，通入o2和ar的混合气体，保持总流量为180sccm，o2流量为30sccm，ar流量为150sccm，气压1.0pa，ti靶4功率保持为1.0kw，沉积tio2薄膜60min。
47.将等离子体源阳极1与阴极2之间距离为150mm，沉积结束后冷却至室温并取出含tio2薄膜的基体3。tio2薄膜厚度1.8μm，tio2薄膜为锐钛矿型晶体结构，抗金色葡萄球菌80％。
48.对比例1：
49.与实施例1不同之处在于：沉积tio2薄膜时，基体3一侧偏压持续时间设置为基体3面向ti靶4的100
°
范围内基体3转动时间，等离子体源阳极1一侧偏压持续时间为基体3面向等离子体源阳极1的260
°
范围内基体3转动时间，等离子体源电流100a，基体3加热温度为900℃，其它与实施例1均相同。
50.沉积tio2薄膜时同步降低等离子体源的电流和偏压持续时间导致基体3温度降低，tio2薄膜为锐钛矿型晶体结构不完全，抗金色葡萄球菌降低至80％，薄膜溅射刻蚀效应降低进而增加薄膜厚度。

技术特征：
1.一种同步热处理/磁控溅射tio2薄膜工艺方法，该方法是采用等离子体同步加热与磁控溅射复合镀膜技术沉积锐钛矿型tio2薄膜；其特征在于：所述基体(3)位于镀膜空间的中心位置并且转动，等离子体源阳极(1)与ti靶(4)位于基体(3)的两侧，沉积tio2薄膜时偏压数值和持续时间随着基体(3)转动位置而发生变化，等离子体加热与磁控溅射下完成薄膜沉积。2.根据权利要求1所述的一种同步热处理/磁控溅射tio2薄膜工艺方法，其特征在于：所述ti靶(4)一侧偏压的持续时间为基体(3)面向ti靶(4)40～100
°
范围内基体(3)转动时间。3.根据权利要求1所述的一种同步热处理/磁控溅射tio2薄膜工艺方法，其特征在于：所述等离子体源阳极(1)一侧偏压的持续时间为基体(3)面向等离子体源阳极(1)260～320
°
范围内基体(3)转动时间。4.一种同步热处理/磁控溅射tio2薄膜工艺方法，其特征在于，制备权利要求1-3任一项所述的一种同步热处理/磁控溅射tio2薄膜工艺方法，包括如下制备步骤：(1)将预处理后的基体(3)可拆卸固定安装在真空室内旋转架上，将本底真空抽至≤3
×
10-2
pa；ti靶(4)施加磁控溅射电源；基体(3)转动速度为1～5转/min；(2)对基体(3)进行等离子体清洗，去除表面杂质；然后进行ti离子轰击而增强膜/基结合力；(3)沉积tio2薄膜：首先设置等离子体源电流和偏压进行离子轰击快速加热基体(3)；等离子体源轰击加热结束后分别设置ti靶(4)一侧偏压数值和等离子体源阳极(1)一侧偏压数值，然后通入o2和ar的混合气体，保持总流量为50～300sccm，其中，反应气体o2流量为10～60sccm，ar流量为30～250sccm；工作气压保持在0.1～1.4pa，ti靶(4)功率保持为0.2～2.0kw，沉积一定时间后获得所述锐钛矿型tio2薄膜。5.根据权利要求4所述的一种同步热处理/磁控溅射tio2薄膜工艺方法，其特征在于：步骤(1)中所述基体(3)的预处理过程为：基体(3)首先在40～80℃温度的油污清洗剂中清洗20～40min，然后在丙酮中超声清洗20～40min，然后在乙醇溶液中超声清洗20～50min，最后真空干燥处理。6.根据权利要求4所述的一种同步热处理/磁控溅射tio2薄膜工艺方法，其特征在于：步骤(2)中所述等离子体清洗的过程为：偏压为-700～-800v，等离子体源电流10～30a，通入ar气流量为50～300sccm，工作气压1.0～3.0pa，对基体(3)表面进行等离子体清洗10～20min，以去除表面杂质。7.根据权利要求4所述的一种同步热处理/磁控溅射tio2薄膜工艺方法，其特征在于：步骤(2)中所述ti离子轰击的过程为：开启ti靶(4)进行ti离子轰击，设置ti靶(4)功率0.5～2.0kw，ar流量50～150sccm，气压为0.2～1.0pa，偏压为-700～-800v，时间为5～10min。8.根据权利要求4所述的一种同步热处理/磁控溅射tio2薄膜工艺方法，其特征在于：步骤(3)中所述等离子体源加热的过程为：偏压为-500～-800v，等离子体源电流50～300a，通入ar气流量为50～300sccm，工作气压0.5～2.0pa，对基体(3)表面进行加热10～20min。9.根据权利要求4所述的一种同步热处理/磁控溅射tio2薄膜工艺方法，其特征在于：步骤(3)中所述tio2沉积的过程为：ti靶(4)一侧偏压和等离子体源阳极(1)一侧偏压分别
设置为-50～-200v和-300～-500v，等离子体源电流30～300a，基体(3)加热温度为500～1200℃。10.根据权利要求4所述的一种同步热处理/磁控溅射tio2薄膜工艺方法，其特征在于：所述等离子体源阳极(1)与阴极(2)之间距离为20～150mm。

技术总结
一种同步热处理/磁控溅射TiO2薄膜工艺方法，属于薄膜制备领域。本发明是解决现有磁控溅射技术制备TiO2薄膜时需要后续高温退火处理的问题。沉积TiO2薄膜时利用等离子体源的热辐射和离子轰击效应同步实现单层TiO2快速高温退火处理，等离子体源阳极与Ti靶位于基体的两侧，偏压数值和持续时间随着基体转动位置而发生变化。等离子体源阳极一侧偏压的数值和高于Ti靶一侧偏压数值。沉积TiO2薄膜为锐钛矿型晶体结构，有效抑制金色葡萄球菌。有效抑制金色葡萄球菌。


技术研发人员：许建平 王佳杰 于久灏 陈晶 李青川 张梓烨
受保护的技术使用者：黑龙江省海振科技有限公司
技术研发日：2022.01.17
技术公布日：2022/3/8