磁控濺射制備成分漸變Au/Cu復(fù)合涂層的研究

劉艷松，何智兵，李 俊，許 華

(中國工程物理研究院 激光聚變研究中心，四川 綿陽 621900)

在激光慣性約束聚變(ICF)研究領(lǐng)域，近十幾年來人們一直致力于各種點火靶方案的研究，其中冷凍靶是廣為接受的點火靶方案之一[1]，冷凍靶的特點是在聚合物靶丸內(nèi)有1層冷凍的氘氚冰。然而，近年來雙殼層靶的實驗結(jié)果為人們揭示了另外一種可能的點火用靶[2-12]，雙殼層靶與單殼層靶相比具有很多優(yōu)點，如在與美國國家點火裝置(NIF)規(guī)模接近的實驗設(shè)備上點火靶的設(shè)計不需要冷凍層，對流體動力學(xué)不穩(wěn)定性的敏感程度降低，對激光器的功率要求也降低，這些因素使點火實驗大幅簡化。雙殼層靶的設(shè)計均采用兩個同心的殼層結(jié)構(gòu)，外殼層的作用主要是對柱腔產(chǎn)生的X射線進行有效吸收，在球形壓縮的基礎(chǔ)上，外殼層被加速撞擊在內(nèi)殼層上，如果考慮到完全彈性碰撞，內(nèi)殼層可獲得外殼層的加速，使雙殼層靶的增益較單殼層靶的高。內(nèi)殼層的作用在于限制點火燃料的輻射損失，因為原子序數(shù)高，可提供額外的慣性約束以延緩燃料解體時間。國外雙殼層靶的研制工作[13-17]中，Au/Cu成分漸變的金屬微球殼層是組成雙殼層靶的一個重要部件，常用作雙殼層靶的內(nèi)層，其內(nèi)部一般是幾百大氣壓的氘氚氣體，這對內(nèi)殼層的機械強度和力學(xué)性能有一定的要求，因此，作為內(nèi)殼層的Au/Cu成分漸變金屬微球殼的厚度一般為40～60 μm，以提供足夠的力學(xué)強度。然而在制備幾十μm厚的Au/Cu成分漸變金屬微球殼層上，國內(nèi)的研制尚處在起步階段，不論制備方法還是制備技術(shù)都面臨很大的挑戰(zhàn)。一般在金屬微球的制備方面，磁控濺射一直是一種常用的方法[18]。目前采用磁控濺射制備Au/Cu成分漸變的金屬微球殼層將面臨兩個主要技術(shù)難點：1) 實現(xiàn)微球徑向成分變化的精確控制，主要需解決不同成分Au/Cu涂層的定位技術(shù)與成分準(zhǔn)確控制技術(shù)；2) 成分漸變Au/Cu涂層均勻性的控制，將主要研究微球表面成分漸變Au/Cu涂層涂鍍過程中微球隨機運動激勵技術(shù)、微球運動的維持技術(shù)，研究運動激勵方式對Au/Cu涂層涂鍍過程中微球運動的影響。為克服上述技術(shù)難點，制備出滿足物理實驗需求的雙殼層靶，本工作利用JGP560型高真空多功能磁控濺射，采用直流磁控濺射法，通過控制共濺射時Au靶和Cu靶的功率變化，在平面基片和微球表面制備一系列成分漸變的Au/Cu涂層，并探究共濺射對涂層微觀結(jié)構(gòu)和成分分布變化的影響。

1 實驗

1.1 實驗條件

在JGP560型超高真空多功能磁控濺射設(shè)備上，利用直流磁控濺射法，通過控制共濺射中Au靶和Cu靶的功率，在平面基片和微球表面制備一系列成分漸變的Au/Cu涂層。平面基片采用樣品架轉(zhuǎn)動的方式以得到厚度均勻的薄膜；微球樣品采用轉(zhuǎn)動盤的方式，在沉積過程中微球在樣品盤內(nèi)表面一直保持無規(guī)則運動，以確保微球表面金屬涂層的厚度均勻。平面基片采用單晶硅Si(111)作為襯底，使用之前用RCA(radio corporation of America)標(biāo)準(zhǔn)清洗方法清洗，即將硅片先后分別用RCA1(氨水∶雙氧水∶水=1∶1∶5(體積比)，下同)和RCA2(鹽酸∶雙氧水∶水=1∶1∶5)溶液在85 ℃下清洗15 min，然后用濃度為10%的氫氟酸 (HF)去除表面的氧化層，這樣清洗后的硅片在HF中取出后不沾水，隨即放入真空工作室。在制備平面基片的基礎(chǔ)上，采用轉(zhuǎn)動盤鍍膜的方法，在GDP(輝光放電聚合物)微球表面制備成分漸變的Au/Cu殼層，其中GDP微球表面已進行過清潔處理。

實驗選用高純(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.99%)Au靶和Cu靶，尺寸為76 mm×5 mm，實驗前先將濺射室預(yù)抽至5.0×10-5Pa，然后通入高純?yōu)R射氣體Ar(體積分?jǐn)?shù)為99.999%)，其流量控制為15.0 mL/min，Au靶的濺射功率從40 W線性漸變減少至0 W，而Cu靶的濺射功率從0 W線性漸變增加至40 W，制備平面基片時基片自轉(zhuǎn)設(shè)定為10 r/min。制備微球表面金屬涂層采用的轉(zhuǎn)動盤轉(zhuǎn)動速度設(shè)定為30 r/min，正轉(zhuǎn)一周后反轉(zhuǎn)一周，依次交替進行。每次實驗前進行10 min的預(yù)濺射以除去靶表層的氧化物。平面薄膜和微球表面涂層的制備時間均為10 000 s。

1.2 測試儀器

利用美國VEECO公司的DEKTAK 6M臺階儀測量平面薄膜的厚度。采用掃描電子顯微鏡(SEM)和能量色散X射線熒光光譜儀(EDS)對涂層的表面形貌、表面粗糙度、微觀結(jié)構(gòu)和成分進行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 Au/Cu成分漸變平面涂層

圖1為平面樣品Au/Cu涂層的SEM剖面圖，其中a、b分別為電子加速電壓為5.0 kV和20.0 kV下的掃描電鏡圖。圖1b中的線段所示是下面元素分析線掃描的區(qū)域。平面樣品的Au/Cu涂層厚度約為3.7 μm，通過測量薄膜不同位置的厚度發(fā)現(xiàn)薄膜厚度均勻性良好，在圖1b所示區(qū)域中無明顯變化。由于共濺射過程中Au靶的功率線性減小和Cu靶的功率線性增加，隨涂層厚度的增加(從底部到頂部)，Au含量減少及Cu含量增加，導(dǎo)致涂層內(nèi)部晶粒的微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出明顯變化的3個區(qū)域。開始時，涂層中Au的含量占主導(dǎo)，少量的Cu以摻雜的形式出現(xiàn)在Au主導(dǎo)的生長模式中，涂層內(nèi)晶粒生長以垂直于基片方向為擇優(yōu)取向，并以柱狀晶粒生長模式為主；但當(dāng)Au含量的減少及Cu含量的增加到一定程度時，即涂層中Au和Cu的含量接近時，涂層中部呈現(xiàn)出無規(guī)則的取向生長模式；然而隨涂層中Au含量的繼續(xù)減少及Cu含量的繼續(xù)增加，涂層中Cu的含量占主導(dǎo)，而Au的含量較少時，Au以摻雜的形式出現(xiàn)在Cu主導(dǎo)的生長模式中。

圖1 平面樣品的Au/Cu涂層SEM剖面圖

圖2 Au和Cu含量隨薄膜厚度的變化

圖2為Au和Cu含量隨薄膜厚度的變化。從圖2可看出，隨薄膜厚度的增加，Cu的含量整體呈近線性逐漸增加的趨勢，而Au的含量則整體上呈近線性逐漸減小的趨勢。至于開始時Au含量的增加是由于線掃描起點定位稍有偏差所致。該結(jié)果表明，通過控制共濺射中Au靶和Cu靶的功率，可制備成分漸變的Au/Cu涂層。

表1列出平面樣品中Au和Cu含量線掃描的分析結(jié)果(即圖2所示的譜圖通過軟件處理分析的結(jié)果)。從總的分析結(jié)果可看出，Cu在薄膜中的原子含量為42.73%，Au的原子含量為57.27%，兩者較接近，這說明涂層中部存在Au和Cu原子含量較接近的區(qū)域，這個區(qū)域中涂層內(nèi)部晶粒呈無規(guī)則生長模式，且晶粒的尺寸偏小。此外，還可根據(jù)物理實驗的要求控制涂層中Au和Cu的含量。

表1 平面樣品中Au和Cu含量的分析結(jié)果

圖3示出Au/Cu涂層的EDS區(qū)域掃描結(jié)果，可明顯看出，隨薄膜厚度的增加，Cu含量整體呈逐漸增加的趨勢，而Au含量則呈逐漸減小的趨勢。這進一步表明通過控制共濺射中Au靶和Cu靶的濺射功率可制備Au/Cu成分漸變的薄膜。上述數(shù)據(jù)結(jié)果和分析為在GDP微球表面制備Au/Cu成分漸變金屬殼層提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

2.2 微球表面Au/Cu成分漸變涂層

圖4為磁控濺射轉(zhuǎn)動盤鍍膜的方式制備Au/Cu成分漸變殼層的結(jié)構(gòu)示意圖。在涂層沉積的過程中轉(zhuǎn)動盤一直處于轉(zhuǎn)動的狀態(tài)，且轉(zhuǎn)動盤轉(zhuǎn)動時正向轉(zhuǎn)動和反向轉(zhuǎn)動交替進行，以保證其表面上的GDP微球芯軸一直處于運動狀態(tài)，從而得到厚度均勻性良好的Au/Cu成分漸變殼層。

圖3 Au/Cu涂層的能譜區(qū)域掃描結(jié)果

圖4 Au/Cu成分漸變殼層制備的結(jié)構(gòu)示意圖

圖5為采用轉(zhuǎn)動盤鍍膜的方法，在GDP微球表面制備的厚度為1.2 μm的成分漸變Au/Cu涂層的SEM表面形貌及剖面形貌。圖5a為樣品的整體外觀圖，從圖中可看出，成分漸變的Au/Cu涂層整體表面光潔，不僅未出現(xiàn)涂層脫落或剝離的情況，且無明顯的粘附雜質(zhì)等污染物。但Au/Cu涂層表面有少量突起和坑狀缺陷，這主要是GDP表面的缺陷引起的，此外鍍膜過程中可能粘附一些小的顆粒也會導(dǎo)致突起缺陷。圖5b為Au/Cu涂層低放大倍數(shù)下的剖面圖，從圖中可看出，Au/Cu殼層厚度均勻性良好，成分漸變的Au/Cu殼層良好地附著在GDP表面，兩者結(jié)合比較緊密。圖5c為Au/Cu涂層表面的高分辨圖片，從圖中可看出，殼層表面的晶粒尺寸約在幾十到幾百nm，晶粒間的空隙較??；無太明顯的突出和空洞狀缺陷，表面光潔度高。圖5d為Au/Cu涂層的高分辨剖面圖，從圖中可看出，殼層的厚度約為1.2 μm，約是平面樣品厚度(3.7 μm)的1/3。通過與平面樣品高分辨圖片對比可看出，Au/Cu殼層由于Au和Cu的含量有明顯變化，殼層中還是存在晶粒生長模式的變化。底部的晶粒主要是以Au的生長模式為主導(dǎo)，表面的晶粒主要以Cu的生長模式為主導(dǎo)，但殼層中部區(qū)域分層現(xiàn)象不明顯，主要原因是涂層太薄。

圖5 Au/Cu成分漸變的金屬微球殼層的表面形貌及剖面形貌

圖6為微球表面Au/Cu殼層內(nèi)Au和Cu含量隨殼層厚度增加而變化的譜線。從圖中可看出，隨厚度的增加(從底部到上部)，即共濺射過程中Au靶的功率線性減小和Cu靶的功率線性增加，Au的含量逐漸減少，Cu的含量逐漸增加。

綜上所述，不論是平面樣品還是微球表面涂層樣品，隨薄膜厚度的增加，即共濺射過程中Au靶的功率線性減小和Cu靶的功率線性增加，Cu的含量整體呈逐漸增加的趨勢，而Au的含量則呈逐漸減小的趨勢。這進一步表明通過控制共濺射中Au靶和Cu靶的濺射功率可制備Au/Cu成分漸變的涂層。

圖6 微球表面Au和Cu含量分別隨殼層厚度增加而變化的譜線

2.3 討論

隨涂層厚度的增加，即Au含量的減少及Cu含量的增加，導(dǎo)致涂層內(nèi)部晶粒的微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出明顯變化的3個區(qū)域。一般情況下，在單晶硅基片或GDP微球上利用磁控濺射沉積的Au薄膜和Cu薄膜其晶粒生長都有固定的擇優(yōu)取向方式，但在共濺射的情況，相當(dāng)于一種金屬在生長的過程中，不斷有更多的另一種金屬以雜質(zhì)的方式摻入，這種摻雜會影響原有金屬晶粒的生長[19]。開始時，涂層中Au的含量占主導(dǎo)，少量的Cu以摻雜的形式出現(xiàn)，對Au涂層內(nèi)柱狀晶粒生長影響較弱。但隨Cu摻入的增加，會導(dǎo)致Au涂層內(nèi)柱狀晶粒的尺寸減小，與此同時，晶粒的柱狀生長擇優(yōu)取向性被破壞。當(dāng)共濺射中Au和Cu的原子含量接近時，即會出現(xiàn)無任何擇優(yōu)取向的晶粒生長模式，且晶粒的尺寸會變得很小。根據(jù)Hall-Petach效應(yīng)[20-21]可知，材料的強度隨其內(nèi)晶粒尺寸的減小而大幅增大，但當(dāng)晶粒尺寸進一步減小到10～20 nm時，材料的強度將隨晶粒尺寸的減小而減小。涂層中的Au和Cu原子含量接近時形成的晶粒尺寸雖較單純的Au晶粒小很多，但還是大于10～20 nm，這樣涂層的強度將增大，而高強度是雙殼層靶的內(nèi)殼層所必須具備的特性。當(dāng)涂層中Cu的含量占主導(dǎo)，而Au的含量較少時，Cu的晶粒生長模式占主導(dǎo)，但由于涂層中部的晶粒無擇優(yōu)取向，這導(dǎo)致Cu主導(dǎo)擇優(yōu)取向不是特別明顯。

3 結(jié)論

采用準(zhǔn)確控制濺射功率漸變過程的方法，成功制備了表面光潔、致密，厚度約為3.7 μm的Au/Cu成分漸變的平面靶薄膜，以及直徑為800 μm、厚度約為1.2 μm的Au/Cu成分漸變殼層的微球靶。隨涂層厚度的增加，即Au含量的減少及Cu含量的增加，涂層內(nèi)部晶粒的微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出明顯變化的3個區(qū)域；隨薄膜厚度的增加，Cu的含量整體呈近線性逐漸增加的趨勢，而Au的含量則呈近線性逐漸減小的趨勢。這些工作為后續(xù)制備ICF物理實驗需求的雙殼層靶奠定了基礎(chǔ)。

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