CN111850469A

CN111850469A - 一种用于大面积微结构气体探测器的dlc阻性电极原位制备方法

Info

Publication number: CN111850469A
Application number: CN202010700697.9A
Authority: CN
Inventors: 尚伦霖; 张广安; 周意; 鲁志斌; 吕游; 王旭; 宋国锋; 刘建北
Original assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Current assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority date: 2020-07-20
Filing date: 2020-07-20
Publication date: 2020-10-30

Abstract

本发明公开了一种用于大面积微结构气体探测器的DLC阻性电极原位制备方法，是先将大面积的聚酰亚胺薄膜基材清洁后装夹在样品转架上抽真空至设定值进行加热、轰击和刻蚀预处理，再通过控制溅射阴极靶材前挡板的开合，依次溅射高纯石墨靶沉积50~150nm的DLC阻性层，溅射高纯铬靶和铜靶沉积10~80nm的结合层和过渡层，溅射铜靶沉积4~8μm的纯铜层，同时在制备过程中结合等离子体刻蚀技术来提高膜层致密性，降低DLC阻性电极中的内应力。本发明方法能够原位制备具有结合力良好、内应力低的大面积新型DLC阻性电极基材，可在新构型的大面积微结构气体探测器中推广应用。

Description

一种用于大面积微结构气体探测器的DLC阻性电极原位制备方法

技术领域

本发明涉及一种DLC阻性电极的制备方法，尤其涉及一种原位制备DLC阻性电极的方法，主要用于大面积微结构气体探测器，属于微结构气体探测器领域。

背景技术

随着核与粒子物理实验的发展，微结构气体探测器（Micro-Pattern GasDetector，MPGD）因具有位置分辨好、计数率能力高、工作性能稳定、抗辐射能力强、成本造价较低等优点，可以满足高计数率能力和位置分辨能力的实验要求，目前已经得到粒子探测领域国内外研究同行的关注，并在当前的大型核与粒子物理实验中得到了广泛的应用。阻性电极作为微结构气体探测器中的关键元件之一，能够在高能量和高亮度工作环境中抑制探测器的打火放电现象，起到保护探测器，延长使用寿命的作用。因此，新型阻性电极及其制备方法也逐渐成为微结构气体探测器领域的研究热点。

通过磁控溅射法制备的DLC（Diamond-Like Carbon，类金刚石碳）阻性电极是近几年兴起的一种非常适合用于微结构气体探测器的新型阻性电极，克服传统丝网印刷的碳浆料阻性电极的不足之处，已经在GEM、MicroMegas、μRWELL等微结构气体探测器上得到应用。然而随着研究的不断深入，仅在聚酰亚胺薄膜上沉积DLC阻性层而构成的简单DLC阻性电极已经难以满足许多探测器的加工和制作要求，比如在比较苛刻的聚酰亚胺基材刻蚀工艺中，DLC阻性层难以抵挡腐蚀液的渗透而出现过度刻蚀，降低探测器的成品率；DLC阻性层表面不能用平板印刷的方式印制出宽度很小、精度很高的快速接地线路构成高压接入回路，极大地限制了探测器功能的扩展和苛刻环境的应用。因此，关于新型DLC阻性电极制备方法的研究非常关键。CN201811146713.3公开了一种复合基材及其制备方法，通过采用非平衡磁控溅射的方法，在基底Apical表面依次制备DLC薄膜阻性层、金属铬与铬铜共掺薄膜过渡层，以及纯铜薄膜层。然而，这种方法存在一定的局限性，一方面限于制备系统不能进行大面积DLC阻性基材的装夹和制备，另一方面在制备过程中需要先将基材放置在烘箱中烘烤后装进真空腔体进行DLC阻性层制备，然后取出样品后对金属铬靶和铜靶溅射清洗，再重新装夹进行微米级铜层的制备，不仅无法实现这种新型DLC阻性电极的原位成型制备，效率较低，而且需要多次溅射清洗靶材造成靶材不必要的浪费。

因此，提供一种用于大面积微结构气体探测器的新型DLC阻性电极原位制备方法及系统，解决现有的技术问题，为更多新构型微结构气体探测器的开发提供技术支撑实属必要。

发明内容

本发明目的是提供一种用于大面积微结构气体探测器的DLC阻性电极原位制备方法，以解决现有方法制备DLC阻性电极过程中存在的不能原位一次成型制备、结合力较低、内应力较高等技术问题，提高DLC阻性电极的制备效率和可靠性，以满足大面积新构型微结构气体探测器的需求和应用。

本发明用于大面积微结构气体探测器的DLC阻性电极原位制备方法，包括以下步骤：

（1）聚酰亚胺薄膜表面预处理

用蘸无水乙醇的无尘布对大面积电极基材聚酰亚胺薄膜进行擦拭清洁，除去污染物和灰尘后装夹在样品转架上并放置在真空气相沉积系统的腔体中；抽真空至5×10^-3Pa；开启真空腔体中的加热装置，在70~200℃下烘烤5~12小时以完全去除残留水分；再保持腔体真空度在3×10^-3Pa以下，通入流量为100~200sccm的高纯氩气，稳定腔体气压在0.1~0.7Pa，开启偏压电源并在样品转架上施加-200~-300V的脉冲负偏压进行等离子体轰击和刻蚀；转架转速为为1~5转/分钟，等离子体轰击和刻蚀时间为30~60分钟。

（2）聚酰亚胺薄膜表面制备DLC阻性层

聚酰亚胺薄膜表面预处理完成后，通入100~150sccm的高纯氩气和0~10sccm的高纯乙炔气体，保持腔体气压为0.2~0.5Pa，开启偏压电源和高纯石墨靶的控制电源，分别设置负偏压为-30~-70V，溅射功率为1~7.5KW，转架转速为1~5转/分钟，溅射沉积时间为10~60分钟，在聚酰亚胺薄膜表面溅射DLC阻性层，然后保持偏压不变，继续采用等离子体刻蚀处理5~15分钟，提高DLC阻性层的致密性并降低其内应力，同时控制DLC阻性层厚度为50~150nm。

（3）结合层和过渡层制备

DLC阻性层制备完成后关闭石墨靶材的控制电源，打开高纯金属铬靶（或钛靶）的控制电源和靶材前的挡板，关闭乙炔气体阀门，保持步骤（2）中的偏压和氩气流量，设置溅射功率为2~4KW，溅射沉积1~10分钟，制备金属铬（或钛）结合层，然后打开高纯金属铜靶材的控制电源和靶材前的挡板，设置溅射功率从0.5KW逐渐升高到设定值，铬靶（或钛靶）溅射功率逐渐降低到0KW，从而制备金属共掺梯度过渡层，时间为1~10分钟；过渡层沉积后保持偏压不变继续进行等离子体刻蚀处理3~10分钟，提高铬（或钛）结合层和铬铜（或钛铜）梯度过渡层的致密性并降低其内应力，同时控制结合层和过渡层的总厚度为10~80nm。

（4）微米级铜层制备

在DLC阻性层上原位制备金属铬结合层和金属铬铜共掺梯度过渡层后，关闭铬靶材的控制电源和靶材前的挡板，保持铜靶材的控制电源和靶材前的挡板开启，保持步骤（3）中的氩气流量，设置负偏压为-30~-100V，铜靶溅射功率为2~7 KW，进行溅射沉积和等离子体刻蚀处理周期性交替的方式，其中持续溅射沉积时间为25~35分钟，累计溅射沉积时间2~5小时；每次等离子体刻蚀时间为3~10分钟，提高铜层致密性并降低其内应力，最终在DLC阻性层表面制备出结构致密、结合力良好、内应力较低、厚度在3~10微米的铜层，得到新型DLC阻性电极。

所述真空气相沉积系统的真空腔体安装有加热装置，腔壁安装有四套磁控溅射阴极，其中两套用来溅射金属靶材，两套用来溅射石墨靶材，且金属靶材与石墨靶材对位安装；所有溅射靶材前均设置有挡板。

所述样品转架为固定在旋转轴上的不锈钢孔板圆筒，可以方便大面积聚酰亚胺薄膜基材装夹位置的灵活调整。

本发明相对现有技术具有以下有益效果：

1、本发明可以实现大面积微结构气体探测器所使用的新型DLC阻性电极的制备，有效拓展微结构气体探测器的实际应用；

2、本发明采用原位制备方法，克服了传统方法中先使用烤箱将探测器电极基材烘烤后装进真空腔体进行DLC阻性层制备，然后放气、移出真空腔室，对金属铬靶和铜靶清洗后再重新装入真空腔室中依次制备不同膜层的缺点，能够显著简化制备工艺，最多可节约50%的制备时间，提高了DLC阻性电极的制备效率；

3、通过对真空气相沉积系统的控制，灵活设置石墨、铬（或钛）和铜靶材的溅射与保护，不仅避免了多次溅射清洗造成的靶材浪费，而且在DLC阻性层制备后避免与空气接触导致表面污染和氧化；同时在制备过程中采用等离子体体刻蚀处理，不仅能够提高不同膜层之间的结合力，还能优化铜层的致密性，保证DLC阻性电极的可靠性；

4、在新型DLC阻性电极原位制备过程中，采用溅射沉积和等离子体刻蚀处理相结合的方法，并对沉积时间和等离子体刻蚀时间进行合理调控，有利于降低DLC阻性电极制备过程中产生的内应力，避免因内应力过大而引起卷曲现象，保证阻性电极的平整度。

附图说明

图1为本发明原位制备DLC阻性电极的工艺流程图。

图2是本发明原位制备DLC阻性电极所使用真空气相沉积系统的阴极溅射靶材（1-4）、加热装置（5）、挡板（6）和样品转架（7）的分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例对本发明DLC阻性电极原位制备方法最进一步说明。

实施例1

以大小为600mm×300mm、厚度为50±5微米、表面均未敷铜的聚酰亚胺薄膜作为电极基材，制备用于微结构气体探测器的新型DLC阻性电极。

采用的设备：参见附图1，真空腔体内有四套加热装置5，腔壁有四套磁控溅射阴极1-4的真空气相沉积系统，其中1装高纯金属铬靶材，2、4对位装高纯石墨靶材，3装高纯金属铜靶材；每个溅射靶材前均安装可以控制开合的挡板6。其中，高纯石墨、铬和铜靶材的纯度均为99.99%，靶材的尺寸均为600mm×125mm×12mm。

样品转架为固定在旋转轴上的不锈钢孔板圆筒，可以方便大面积聚酰亚胺薄膜基材装夹位置的灵活调整。孔板圆筒上小孔直径和中心距均为5mm。

原位制备新型DLC阻性电极的方法工艺步骤：

（1）聚酰亚胺薄膜表面预处理：用蘸无水乙醇的无尘布对聚酰亚胺薄膜基材进行擦拭清洁，除去灰尘等污染物后装夹在样品转架上放置在腔体中；抽真空至5×10^-3Pa，开启腔体中的加热装置在100℃下进行烘烤12小时，完全去除残留水分；随后保持腔体真空度在3×10^-3Pa以下，关闭所有溅射靶材前的挡板，通入流量为100~200sccm（优选150sccm）的高纯氩气，稳定腔体气压在0.1~0.7Pa，开启偏压电源并在样品转架上施加-200~-300V（优选-200V）的脉冲负偏压，设置转架转速为3转/分钟，进行等离子体轰击和刻蚀，时间为30分钟。

（2）聚酰亚胺薄膜表面DLC阻性层制备：聚酰亚胺薄膜基材预处理后，打开高纯石墨靶前的挡板，关闭高纯铜靶和铬靶前的挡板，仅通入100~150sccm（优选120sccm）的高纯氩气，保持腔体气压为0.2~0.5Pa，转架转速为3转/分钟，开启偏压电源和高纯石墨靶的控制电源，分别设置负偏压为-50V，溅射功率为4KW，溅射沉积时间为10~60分钟（优选30分钟），在基材表面制备DLC阻性层后保持偏压不变继续采用等离子体刻蚀8分钟，提高DLC阻性层的致密性并降低其内应力，同时优化与随后制备结合层之间的结合界面，其中DLC阻性层厚度约为80nm。

（3）结合层和过渡层制备：DLC阻性层制备后将高纯石墨靶材的控制电源和靶材前的挡板关闭，打开高纯铬靶控制电源和靶材前的挡板，保持步骤（2）中的偏压和氩气流量不变，设置高纯铬靶的溅射功率为3KW，溅射沉积1~10分钟（优选3分钟）制备金属铬结合层，然后打开高纯铜靶材的控制电源和靶材前的挡板，设置溅射功率从0.5KW逐渐升高到3KW，高纯铬靶溅射功率从3KW逐渐降低到0KW，从而制备金属共掺梯度过渡层，时间为1~10分钟（优选5分钟）。过渡层沉积后保持偏压不变继续进行等离子体刻蚀处理5分钟，提高铬结合层和铬铜梯度过渡层的致密性并降低其内应力，同时调控结合层和过渡层的总厚度约为50nm。

（4）微米级铜层制备：在DLC阻性层上原位制备金属铬结合层和金属铬铜共掺梯度过渡层后，关闭高纯铬靶材的控制电源和靶材前的挡板，保持高纯铜靶材的控制电源和靶材前的挡板开启，保持步骤（3）中的氩气流量，设置负偏压为-30~-100V（优选-50V），高纯铜靶溅射功率为2~7 KW（优选3 KW），采用溅射沉积和等离子体刻蚀处理周期性进行的方式，其中持续溅射沉积时间为30分钟，累计4小时，每次等离子体刻蚀时间5分钟，以提高铜层致密性并降低其内应力，最终在DLC阻性层表面制备厚度约5微米的铜层，得到面积大小为600mm×300mm的新型DLC阻性电极。

（5）DLC阻性电极的性能测试：将制备的阻性电极平铺在水平面上，未发现明显的曲卷现象，表明这种原位法制备的大面积阻性电极具有较低的内应力，表现出很好的平整度；采用国际标准ISO 2049中定义的划格实验测试表明，这种原位法制备的阻性电极中的不同膜层之间具有良好的结合力，未出现层间脱落现象；通过刻度对比测得这种原位法制备的DLC阻性层面电阻率为8~12MΩ。

实施例2

以大小为1500mm×500mm、厚度为50±5微米、单面敷铜（铜层厚度为5微米）的聚酰亚胺薄膜为基材，制备用于微结构气体探测器的新型DLC阻性电极。

采用的设备：同实例1，溅射靶材的安装位置、纯度相同。

原位制备DLC阻性电极的工艺步骤：

（1）单面敷铜聚酰亚胺薄膜表面预处理：用蘸无水乙醇的无尘布对单面敷铜聚酰亚胺薄膜的无铜层表面进行擦拭清洁，除去灰尘等污染物后，用铝箔将敷铜的面遮挡保护后装夹在样品转架上放置在腔体中；抽真空至5×10^-3Pa，开启腔体中的加热装置在150℃下进行烘烤7小时，完全去除残留水分；随后保持腔体真空度在3×10^-3Pa以下，关闭所有溅射靶材前的挡板，通入流量为100~200sccm（优选200sccm）的高纯氩气，稳定腔体气压在0.1~0.7Pa，开启偏压电源并在样品转架上施加-200~-300V（优选-250V）的脉冲负偏压，设置转架转速为3转/分钟进行等离子体轰击和刻蚀，时间为45分钟；

（2）单面敷铜聚酰亚胺薄膜表面DLC阻性层制备：单面敷铜聚酰亚胺薄膜表面预处理后，打开石墨靶前的挡板，关闭铜靶和铬靶前的挡板，通入100~150sccm（优选120sccm）的高纯氩气和2sccm的高纯乙炔，保持腔体气压为0.2~0.5Pa，转架转速为3转/分钟，开启偏压电源和石墨靶的控制电源，分别设置负偏压为-50V，石墨靶溅射功率为4KW，溅射沉积时间为10~30分钟（优选45分钟），在单面敷铜聚酰亚胺薄膜表面制备DLC阻性层以后保持偏压不变继续采用等离子体刻蚀10分钟，提高DLC阻性层的致密性并降低其内应力，同时优化与随后制备结合层之间的结合界面，其中DLC阻性层厚度约为100nm。

（3）结合层和过渡层制备：DLC阻性层制备后将高纯石墨靶材的控制电源和靶材前的挡板关闭，打开高纯铬靶控制电源和靶材前的挡板，关闭乙炔气体阀门，保持步骤（2）中的偏压和氩气流量不变，设置溅射功率为3KW，溅射沉积1~10分钟（优选5分钟）后制备金属铬结合层，然后打开高纯铜靶材的控制电源和靶材前的挡板，设置溅射功率从0.5KW逐渐升高到3KW，高纯铬靶溅射功率从3KW逐渐降低到0KW，从而制备金属共掺梯度过渡层，时间为1~10分钟（优选3分钟），并在沉积过渡层以后保持偏压不变继续进行等离子体刻蚀6分钟，提高铬结合层和铬铜梯度过渡层的致密性并降低其内应力，同时调控结合层和过渡层的总厚度约为80nm。

（4）微米级铜层制备：在DLC阻性层上原位制备金属铬结合层和金属铬铜共掺梯度过渡层后，关闭高纯铬靶材的控制电源和靶材前的挡板，保持高纯铜靶材的控制电源和靶材前的挡板开启，保持步骤（3）中的氩气流量，设置负偏压为-30~-100V（优选-50V），高纯铜靶溅射功率为2~7 KW（优选4 KW），采用溅射沉积和等离子体刻蚀处理周期性进行的方式，其中持续溅射沉积时间为30分钟，累计3.5小时；等离子体刻蚀时间为7分钟，提高铜层致密性并降低其内应力，最终在DLC阻性层表面制备厚度约6微米的铜层，得到面积大小为1500mm×500mm、致密性良好、内应力低、结合可靠的新型DLC阻性电极。

（5）DLC阻性电极的性能测试：将制备的阻性电极平铺在水平面上，未发现明显的曲卷现象，表明这种原位法制备的大面积阻性电极具有较低的内应力，表现出很好的平整度；采用国际标准ISO 2049中定义的划格实验测试表明，这种原位法制备的阻性电极中的不同膜层之间具有良好的结合力，未出现层间脱落现象；通过刻度对比测得这种原位法制备的DLC阻性层面电阻率为165~400MΩ。

Claims

1.一种用于大面积微结构气体探测器的DLC阻性电极原位制备方法，包括以下步骤：（1）聚酰亚胺薄膜表面预处理：用蘸无水乙醇的无尘布将大面积的电极基材聚酰亚胺薄膜进行擦拭清洁，除去污染物和灰尘后装夹在样品转架上并放置在真空气相沉积系统的腔体中；抽真空至5×10^-3Pa；开启真空腔体中的加热装置，在70~200℃下烘烤5~12小时以完全去除残留水分；再保持腔体真空度在3×10^-3Pa以下，通入流量为100~200sccm的高纯氩气，稳定腔体气压在0.1~0.7Pa，开启偏压电源并在样品转架上施加-200~-300V的脉冲负偏压进行等离子体轰击和刻蚀30~60分钟；

（2）聚酰亚胺薄膜表面制备DLC阻性层：聚酰亚胺薄膜表面预处理完成后，通入100~150sccm的高纯氩气和0~10sccm的高纯乙炔气体，保持腔体气压为0.2~0.5Pa，开启偏压电源和高纯石墨靶的控制电源，分别设置负偏压为-30~-70V，溅射功率为1~7.5KW，溅射沉积时间为10~60分钟，在聚酰亚胺薄膜表面溅射DLC阻性层，然后保持偏压不变，继续采用等离子体体刻蚀处理5~15分钟以提高DLC阻性层的致密性并降低其内应力，同时控制DLC阻性层厚度为50~150nm；

（3）结合层和过渡层制备：DLC阻性层制备完成后关闭石墨靶材的控制电源，打开高纯金属铬靶或钛靶的控制电源和靶材前的挡板，关闭乙炔气体阀门，保持步骤（2）中的偏压和氩气流量，设置溅射功率为2~4KW，溅射沉积1~10分钟，制备金属铬或钛结合层，然后打开高纯金属铜靶材的控制电源和靶材前的挡板，设置溅射功率从0.5KW逐渐升高到设定值，铬靶或钛靶溅射功率逐渐降低到0KW，从而制备金属共掺梯度过渡层，时间为1~10分钟；过渡层沉积后保持偏压不变继续进行等离子体刻蚀处理3~10分钟以提高铬或钛结合层和铬铜或钛铜梯度过渡层的致密性并降低其内应力，同时控制结合层和过渡层的总厚度为10~80nm；

（4）微米级铜层制备：在DLC阻性层上原位制备金属铬结合层和金属铬铜共掺梯度过渡层后，关闭铬靶材的控制电源和靶材前的挡板，保持铜靶材的控制电源和靶材前的挡板开启，保持步骤（3）中的氩气流量，设置负偏压为-30~-100V，铜靶溅射功率为2~7 KW，进行溅射沉积和等离子体刻蚀处理周期性交替的方式，提高铜层致密性并降低其内应力，最终在DLC阻性层表面制备出结构致密、结合力良好、内应力较低、厚度在3~10微米的铜层，得到新型DLC阻性电极。

2.如权利要求1所述一种用于大面积微结构气体探测器的DLC阻性电极原位制备方法，其特征在于：各步骤中，转架转速为1~5转/分钟。

3.如权利要求1所述一种用于大面积微结构气体探测器的DLC阻性电极原位制备方法，其特征在于：步骤（1）中，电极基材聚酰亚胺薄膜厚度为50±5微米，面积为600mm×300mm ~1500mm×500mm的单面敷铜基材或两面均未敷铜基材。

4.如权利要求1所述一种用于大面积微结构气体探测器的DLC阻性电极原位制备方法，其特征在于：步骤（4）中，溅射沉积和等离子体刻蚀处理周期性交替进行时，每次持续溅射沉积时间为25~35分钟，累计溅射沉积时间2~5小时；每次等离子体刻蚀时间为3~10分钟。

5.如权利要求1所述一种用于大面积微结构气体探测器的DLC阻性电极原位制备方法，其特征在于：所述真空气相沉积系统的真空腔体安装有加热装置，腔壁安装有四套磁控溅射阴极，其中两套用来溅射金属靶材，两套用来溅射石墨靶材，且金属靶材与石墨靶材对位安装；所有溅射靶材前均设置有挡板。

6.如权利要求1所述一种用于大面积微结构气体探测器的DLC阻性电极原位制备方法，其特征在于：所述样品转架为固定在旋转轴上的不锈钢孔板圆筒，且孔板圆筒上小孔直径和中心距均为5mm。