中频磁控溅射沉积金属薄膜技术的研究进展

中频磁控溅射沉积金属薄膜是真空镀膜技术中最常用的技术之一,目前在科学研究及工业生产中都得到了长足发展。在沉积金属薄膜过程中的工艺参数如中频电流、脉冲负偏压、沉积时间等对薄膜结构及性能的影响研究多分散于不同的文献中,不利于对这些参数的认识与深入理解。本文综述了中频磁控溅射沉积金属薄膜中工艺参数的作用,通过对沉积薄膜过程中工艺参数的总结,可加深这些参数对薄膜结构及性能影响规律的理解,促进真空镀膜技术的工艺开发及技术进步。

X光弯晶成像金属薄膜面密度测量技术

针对靶用高Z金属薄膜的无损检测需求,提出了一种通过超环面弯晶聚焦型X光单能成像器件,实现金属薄膜均匀性及面密度等参数精确标定的测量技术。该技术即通过高通量、高单能性成像,定量获取薄膜X光透过率及其空间分布,有效提升了面密度测量的精度,同时实现了对其均匀性的高空间分辨评估。从总体方案设计、元器件制备和测试实验等方面开展了深入研究,并评估了各种可能因素对测量不确定度的影响。所发展的超环面弯晶成像系统针对20 keV级的高能X射线在mm尺度内实现了优于5μm的微区分辨,能谱分辨达到几eV。通过泡沫金样品面密度测量实验证明了技术可行性,相对不确定度优于2%。研究结果为激光惯性约束聚变高Z靶材料的精密无损检测提供了一种新的测量技术,并有望应用于其他需要大视场、高空谱分辨成像的需求领域。

窄脉宽激光诱导背向选择性去除金属薄膜制备微电路(特邀)

为了在透明基板上制备出导电性能良好的微电路,研究了窄脉宽激光正向和背向选择性去除金属薄膜制备的微结构形貌特征,开展了纳秒激光选择性去除Cu薄膜(厚度为150 nm)的实验和温度场仿真研究,揭示了正、背面去除的烧蚀机理和材料的喷射机制。实验结果表明,当激光脉冲能量为0.270~0.542μJ,扫描速度为2 mm/s时,激光诱导背向去除金属薄膜在加工质量方面优于正向加工,其去除几何精度高,轮廓边缘平整,几乎没有溅射。采用优化后的纳秒激光加工工艺参数,激光脉冲能量为0.403μJ,扫描速度2 mm/s,扫描线间距为3μm,制备出均匀分布的铜阵列图案。在相同参数下对玻璃基板上的铜薄膜背向选择性去除,得到具有良好导电性和粘附性的微电路。

应用白光共焦光谱测量金属薄膜厚度

为了精确测量自支撑金属薄膜厚度及其厚度分布,提出了基于白光共焦光谱传感器的金属薄膜厚度测量技术。介绍了该技术的测量原理及系统结构,研究了系统的测量不确定度。利用相向对顶安装的白光共焦传感器组、精密位移平台并结合自制的薄膜厚度校准样品,实现了对厚度为10~100μm的自支撑金属薄膜的厚度及厚度分布的精确测量;通过研究系统的传感器测量不确定度、薄膜厚度校准样品不确定度、上下传感器安装误差及系统重复性测量误差,获得了系统的测量不确定度数据。试验结果表明,该系统的测量不确定度在0.12μm左右,基本满足惯性约束聚变（ICF）靶参数测量所需的稳定性好、测量精度高、非破坏性测量等要求。

金属薄膜电阻率与表面粗糙度、残余应力的关系

针对磁控溅射Au金属薄膜,从实验角度研究了该薄膜电阻率与表面粗糙度、残余应力的关系,并对结果进行了分析。结果表明:薄膜电阻率随着表面粗糙度及残余应力的增加而增大。分析认为,晶体取向可能在金属薄膜力学性能和功能性之间有某种联系,并从应变能角度给予了解释。该结果为进一步探讨薄膜力学性能和功能特性的内在关系提供了研究基础。

金属薄膜附着性的改进

根据薄膜附着机理,综述了影响金属薄膜附着性的因素。通过引入中间过渡层,减少应力来提高薄膜与衬底之间的结合强度,改善金属薄膜的性能。适当的热处理不仅能消除内应力,增强界面反应,而且对薄膜的性能有一定的影响。

超短脉冲激光辐照下金属薄膜的热行为

对双温模型的重要热学参量电子热容、电子弛豫时间、电子热导率进行量子化处理,使双温模型能适用于自由电子温度比较高的情况.利用前向差分算法,数值求解了电子-晶格双温双曲两步热传导模型,所得的结果更接近实验值.经过分析得出:1)薄膜前表面自由电子温度达到最大值的时间约为0.27 ps,得到的损伤阈值与实验值符合较好.2)电子热容对电子温升规律影响非常大.电子热导率对自由电子温升规律也有较大的影响.3)在趋肤层内自由电子温升非常快,不同厚度自由电子温度达到最大值所需的时间延迟不明显.趋肤层以下自由电子温度升高较慢,不同厚度自由电子达到最大值所需的时间延迟明显.

多孔金属薄膜阻尼减振微观机理研究

研究了多孔金属薄膜的阻尼性能和微观机理.采用分子动力学方法及扫描电镜(SEM)原位观察实验手段对多孔金属薄膜阻尼进行研究,得出金属薄膜应变滞后于应力周期性变化以及弹性势能周期性衰减的规律,并通过应变滞后应力的时间差求得损耗因子;从微观结构上可看出,在薄膜孔缺陷附近<110>晶向上经历了位错产生、并且位错呈阶梯状向前发射的变化;在SEM原位拉伸、卸载实验中观察到有微裂纹的萌生、斜向阶梯扩展、收缩及消失的周期过程.结果表明:在周期载荷作用下,多孔金属薄膜的孔缺陷附近产生的位错可以挣脱开弱钉扎点并限制在强钉扎点上,由于位错的变化及附近晶界间的相对滑动产生内摩擦,消耗了系统的部分弹性势能,引起金属薄膜的阻尼减振效应,从而揭示了多孔金属涂层阻尼产生的微观机理.

鼓泡法测量高分子和金属薄膜弹性模量的方法探讨

在自制的鼓泡仪上对高分子薄膜和金属镍膜的弹性模量进行了测量,并研究了孔径对薄膜弹性模量测量的影响。结果表明,高分子薄膜的弹性模量为2.7±0.2GPa,孔径对薄膜弹性模量的测量没有影响;受仪器精度限制,该仪器目前尚难用于金属镍膜的弹性模量的精确测量。

超短脉冲激光辐照金属薄膜温升效应的模拟研究

考虑到材料的质量热容、热导率、驰豫时间等热力学参数随温度非线性变化因素的影响,利用具有人工粘性的、自适应时间步长的前向差分算法,数值求解了电子-晶格双温双曲两步热传导模型,讨论了厚度为50 nm的金膜在0.1 ps脉冲激光辐照下的温升规律。数值结果表明:薄膜前表面自由电子的温度在大约0.27 ps时达到最大值,不同厚度上自由电子达到温度平衡所需的时间大约为1.6 ps,而薄膜温度在整个厚度上达到平衡所需时间为60 ps左右。由电子温度及其温度梯度引起的热电子崩力很可能是造成材料破坏的一个主要因素。

微尺度热传导理论及金属薄膜的短脉冲激光加热

概述了微尺度热传导理论的几种模型及其求解方法。以金属薄膜的短脉冲激光加热为例,分析了固体材料在微尺度条件下的热响应特征,主要包括短脉冲激光加热条件下金属薄膜中的热平衡时间、薄膜中热传递的波动性特征和微尺度条件下热传递的尺寸效应;同时讨论了对流热损失对金属薄膜热行为的影响。

柔性基底上金属薄膜的失效行为及界面能测试方法研究进展

沉积在柔性聚合物基底的金属薄膜复合结构同时具有聚合物和金属的优势,包括聚合物的灵活性和轻质性,以及金属的优良导电率和电磁波屏蔽等特点。柔性基底-金属薄膜系统以其高延展性、高柔性、高制作效率、良好的电学特性和生物相容性等优点而受到青睐,在微机电系统、航空航天、生物材料、柔性电子等领域有广阔的应用前景。在所有应用中,柔性基底-金属薄膜系统的性能、可靠性和耐久性都直接与薄膜和基底之间良好的界面粘附能密切相关,良好的界面粘接性能往往能提高薄膜抑制失效的能力。膜-基结构的力学性能和界面结合性能对相关器件的使用性能和服役寿命起着至关重要的作用。然而,在实际应用中,薄膜-基底复合结构承受着复杂的载荷,如拉伸、扭转、弯曲等,虽然柔性基底可以承受较大的变形,但金属薄膜则不能,这可能导致膜-基结构发生各种形式的破坏。其中三种主要的失效形式包括界面脱层、薄膜屈曲和薄膜断裂。一方面,这些破坏将严重影响薄膜的电、磁、光等物理性能,而膜-基间的界面粘附性能对薄膜失效的发生和发展起着关键作用。另一方面,针对不同的失效模式,可以充分利用其测试薄膜的力学性能和界面粘附能。近几年来,柔性基底上的单层膜、双层膜和纳米多层膜系统的失效行为和界面粘附能测试等问题引起了学者们的广泛关注。对于柔性基底上的单层薄膜体系,学者们已经针对薄膜和界面的各种失效行为和断裂机理进行了深入研究;对于多层金属薄膜体系,不同性质金属层的组合可以提高体系的附着力、耐腐蚀性或热稳定性。多层膜的尺寸效应影响机制、不同材料层间组合以及界面力学响应问题是近几年学者关注的热点。以往,对膜-基界面粘附能的研究主要针对硬基底,近几年来,学者们针对柔性基底-金属薄膜系统的界面粘附能的测试提出了新的有效方法。本文综述了柔性基底上微纳米金属薄膜的失效行为和界面破坏问题的最新研究进展,重点介绍了薄膜及界面的破坏模式、尺寸效应、多层薄膜的破坏失效等问题;特别讨论了如何利用薄膜的屈曲破坏来测量薄膜性能以及确定界面粘附能;最后,针对这一领域的研究面临的问题和前景进行展望,以期为制备新型柔性膜-基系统的材料选择和结构设计提供参考。

测定金属薄膜屈服强度的纳米压入法研究

利用有限元数值分析方法，对球形刚性压头压入由金属膜与硅基体组成的膜-基体系的加载过程进行了模拟计算．建立了薄膜硬化指数同载荷-位移曲线的特征值，屈服强度、硬化指数及杨氏模量同最大压入载荷间的关系．据此，可由纳米压入仪实测所得载荷-位移曲线的特征值与最大压入载荷，确定金属薄膜材料的应变硬化指数和屈服强度．

内应力对金属薄膜生长织构的影响

基于FS型原子镶嵌势（EAM势）用分子动力学模拟了金属多晶薄膜的原子沉积生长过程,通过预设恒定应变在薄膜生长过程中引入了单轴压应力,模拟研究了应力对呈丝织构的多晶薄膜中晶粒沿丝轴旋转取向择优的影响.模拟结果表明,在固定压应变条件下,最密排方向偏离压应力轴的晶粒较为优先生长发展;在生长过程中,取向择优的晶粒从沉积表面开始逐渐扩张吞并相邻晶粒.模拟结果还显示,这种生长织构的发展随沉积膜厚增加有显著的临界特征;在织构发展过程中被吞并的晶粒局部出现孪晶,继而转换为择优生长晶粒的结构;在被吞并的晶粒最终消失处将会留下失配位错.

磁控溅射工艺参数对涤纶机织物基纳米金属薄膜抗静电性能的影响

在室温条件下采用磁控溅射技术在涤纶机织物表面沉积金属薄膜,利用扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)观察纳米金属薄膜的表面形貌,通过分别改变磁控溅射工艺参数溅射时间、溅射功率和气体压强,研究其对试样抗静电性能的影响。实验结果表明,溅射时间和溅射功率对镀金属薄膜试样的抗静电性能均影响较大,而气体压强影响相对较小。溅射时间40min、溅射功率120W、气体压强1.6Pa工艺条件下,镀Cu膜试样的抗静电性能最好;溅射时间40min、溅射功率120W、气体压强1Pa或1.6Pa工艺条件下,镀Ag膜试样的抗静电性能最好,而且镀Ag比镀Cu薄膜试样的抗静电性能更优异。

把“四探针测量金属薄膜电阻率”引入普通物理实验

四探针测量金属薄膜电阻率是当今微电子技术领域中常用的方法.本文介绍了如何把"四探针测量金属薄膜电阻率"的实验引入到普通物理实验教学中,以及在实验内容的编排上如何培养学生发现问题和解决问题的能力等方面的具体做法.

金属薄膜厚度小于电子自由程对其光反射率的影响

提出了金属薄膜厚度对薄膜中自由电子的平均自由程影响的物理模型,并给出了薄膜中自由电子的平均自由程的修正公式.理论研究表明:当膜厚小于自由电子的平均自由程时,薄膜中电子平均自由程随膜厚的减小而减小;当膜厚大于或等于自由电子的平均自由程时,薄膜中电子的平均自由程与块状材料一样.利用薄膜中电子平均自由程的计算公式,修正了薄膜导电率的基本理论表达式,再利用金属薄膜的反射率与薄膜导电率的关系,得出金属薄膜厚度对其光反射率的影响.计算机模拟表明:当薄膜厚度小于电子自由程时,金属薄膜反射率随薄膜厚度变化而呈非线性关系.

金属薄膜结合性能的评价方法研究

针对Al2O3基体上磁控溅射沉积的Au/NiCr/Ta多层金属薄膜,用压痕法、滚动接触疲劳法、摩擦力和声发射两种模式同时监测的划痕法,对比研究了金属薄膜与基体的结合性能。结果表明:压痕试验从压痕形貌上很难判断薄膜与基体是否发生剥离,压入过程中也没有诱发裂纹的产生,更无法分辨薄膜层间的分离;由于金属薄膜的塑性变形,滚动接触疲劳法很难应用于金属薄膜结合性能的表征;划痕法可应用于多层金属薄膜的特异划擦行为研究,其中摩擦力模式能反映压头进入不同金属膜层时的变化,层间声发射信号的灵敏度不如摩擦力信号,对应试验条件,摩擦力曲线存在若干以拐点为特征的载荷,摩擦力曲线上出现的拐点及拐点特征载荷值可以在一定程度上反映多层膜的层数和层厚,并可刻划出该膜/基体系承受压入载荷而不发生剥落的能力。

在空心微珠表面磁控溅射镀金属薄膜的研究

本文论述了在空心微珠表面磁控溅射镀金属薄膜的方法。用光学显微镜、场发射扫描电子显微镜、能谱仪和X射线衍射仪对其进行了分析表征。溅射镀膜时,通过控制空心微珠的运动方式,在空心微珠表面沉积了一层均匀性好、附着力强和致密性好的金属镍膜。

利用纳米压入加载曲线确定金属薄膜的屈服强度和硬化指数 Ⅱ.实验及验证

通过比较实测与计算所得整体材料纳米压入加载曲线及Berkovich压头的面积函数，对已建立的Berkovich压头绝对钝化量的确定方法进行了实验验证在此基础上，测定了蒸发恢制在Si单晶上三种不同膜厚Al膜的屈服强度和硬化指数，并与拉伸分离法获得的结果进行了比较结果表明，利用纳米压入加载曲线确定陶瓷基体上金属薄膜基本力学性能的方法是可行的．