[发明专利]一种高吸气性能薄膜吸气剂及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于一种新型真空获得与维持材料及其制备方法。具体地说，本发明涉及一种高吸气性能的薄膜吸气剂及在基片或密封器件内壁制备该薄膜吸气剂的方法。

背景技术

吸气材料能够通过物理或化学吸附作用吸收真空器件中的残余活性气体或器件使用过程中释放的活性气体，提高真空系统的极限真空水平，避免真空品质随使用寿命而下降，起到减小活动部件振动阻尼、降低内腔热耗散、避免气体与精密元件反应导致污染或质量变化的作用，达到维持真空设备或密封器件真空品质与理想工作环境的目的。吸气材料主要分为蒸散型(Evaporable Getter)和非蒸散型(Non-evaporable Getter or NEG)。前者需蒸散并沉积在真空器件内壁上吸收活性气体，它通常为钡、锶、钙、镁及其合金，因其蒸散性质带来诸多问题导致应用范围有限；后者通过加热激活得到活性表面来吸收活性气体，它通常为钛、锆、铪、钇等金属及其与过渡族元素组成的合金，可以制成块体、带材、厚膜和薄膜，已普遍应用在超高真空系统、电光源、太阳能集热设备、惰性气体纯化、溅射离子泵、吸气剂泵、平板显示器(OLED/FED/LCD)中，保障设备运行的可靠性、稳定性与工作寿命。

上世纪90年代末，欧洲原子能中心(CERN)在大型强子对撞机(LHC)中首次制备出Ti-Zr-V薄膜形成管道泵，随着现代精密电子元器件更加微小型化，非蒸散型薄膜吸气材料(NEG Thin Film)应用越来越广泛。薄膜吸气剂通过直流磁控溅射法(DC Magnetron Sputtering)将非蒸散型吸气材料沉积在真空容器内壁或固态衬底上，厚度在几百纳米至几微米之间，激活温度低(180℃～450℃)，吸气速率高，沉积尺寸与厚度灵活可控，能够实现激活过程与真空器件制造过程兼容，减小能源消耗。目前，薄膜吸气剂主要有Ti膜、Ti-Zr-V膜和ZrV₂膜等。I.M.Sturland等在美国专利7413841中提出控制衬底温度于工作气压来制备主体层密度小和表面层密度大的Ti膜，增强其抗氧化能力。Andrea等在美国专利7413841中设计了主体层较厚的Ti膜，表面层为低温激活且厚度较薄的ZrV₂膜，比单层的Ti膜吸气性能更好。C.Benvenuti等在文章“Influence of the sub strate coating temperature on the vacuum properties of Ti-Zr-V non-evaporable getter films”中发现柱状结构、大孔隙率、粗糙的Ti-Zr-V薄膜具有优异的吸气性能。O.B.Malyshev等在文章“Influence of deposition pressure and pulsed dc sputtering on pumping properties of Ti-Zr-V nonevaporable getter films”中发现采用较大的工作压强、无离子辅助轰击及粗糙衬底有利于制备开放柱状结构Ti-Zr-V薄膜。中科院近代物理研究所和国家同步辐射实验室运用与CERN上世纪末相同的方法在真空管道内壁沉积Ti-Zr-V薄膜，薄膜结构与吸气性能均不够理想。随着近年来MEMS惯性传感器(加速度计和陀螺仪)、压力传感器、光学红外设备(光学开关、辐射热量计和红外图像传感器)的大量应用，薄膜吸气剂成为上述微型器件高可靠性、稳定性及长寿命的关键材料之一。

目前，薄膜吸气剂在材料体系和制备方法上存在诸多的不足，突出问题有：(1)Ti-Zr-V等多数非蒸散体系中含有V，其毒性对人体存在极大危害，同时Ti-Zr-V合金靶熔炼加工困难，制备成本高。(2)直流磁控溅射法制备薄膜吸气剂通常选用极低的沉积速率(1～8nm/min)，沉积时间长达10小时以上，难以满足工业化高效率生产的需求；(3)保护层和低温激活层工艺复杂，可能减小薄膜的比表面积，增加气体扩散阻力；(4)薄膜在某些衬底上附着力差的问题未能解决；(5)制备薄膜时背底真空度通常选用10^-6Pa量级，对设备真空系统的配置要求过高；(6)基片或器件管壳在沉积薄膜吸气剂之前需经过烘需烤除气长达十几个小时以上，否则在加热激活时气体直接扩散至活性主体层，导致薄膜吸气性能丧失(中毒效应)。