不同偏压下DCMS和DCMS/HiPIMS共溅射铜薄膜的结构和性能

采用DCMS(直流磁控溅射)和DCMS/HiPIMS(直流磁控溅射/高功率脉冲磁控溅射)共溅射在不同负偏压下沉积铜薄膜,使用X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜、白光干涉仪、纳米压痕技术和四点探针法对薄膜的晶体取向、形貌、粗糙度、力学和电学性能进行表征。结果表明:与DCMS铜薄膜相比,随着负偏压增加,DCMS/HiPIMS共溅射铜薄膜晶粒尺寸先减小后增大,Cu(111)取向减弱,硬度逐渐增大,电阻率逐渐降低;高负偏压(100 V)下Cu(111)向Cu(220)转变,薄膜致密,表面粗糙度减小,硬度增大(约3.5 GPa),电阻率降低(约2μΩ·cm)。铜薄膜的结构和性能强烈依赖于由HiPIMS和负偏压共同决定的铜离子通量和能量。

100 nm厚铜薄膜的拉伸性能

以聚酰亚胺为基体制备了厚度为100 nm的金属铜薄膜,利用基体的高弹性变形测定了铜薄膜的屈服应力,并研究了铜薄膜的形变与断裂行为．结果表明:使用铜薄膜/聚酰亚胺复合体能够测量出铜薄膜的屈服强度,厚度100 nm的铜薄膜的屈服强度明显高于厚铜膜的屈服强度,厚度100 nm铜薄膜的断裂为Ⅰ型沿晶断裂．超薄铜薄膜较高的屈服强度归因于小尺度材料中纳米量级的薄膜厚度和晶粒对位错运动的约束作用．

铜薄膜在100℃～400℃下氧化行为的微观表征

本文研究了在100℃～400℃下溅射制备的40nm铜薄膜的氧化行为。利用原子力显微镜（AFM）观察了铜薄膜氧化前期的微观形貌，并利用X射线衍射（XRD）和能量分散X射线谱（EDX）分析了其晶相结构和成份。随着温度的升高，铜薄膜氧化速率明显加快。在100℃下，Cu薄膜表面生成岛状非晶氧化物，温度升高至200℃后，生成Cu2O相的同时Cu薄膜表面产生重构现象，呈现疏松的网状结构。300℃和400℃下Cu薄膜几乎全部氧化，分别形成均匀分布的Cu2O和CuO晶粒。结果表明，利用AFM和XRD能灵敏地跟踪纳米尺度Cu薄膜的氧化过程。

纳米铜薄膜氧化反应动力学规律研究

研究了140℃下纳米尺度Cu薄膜的氧化行为.采用真空蒸发法以不同沉积速率制备一系列Cu薄膜,利用原子力显微镜(AFM)观察其微观形貌,选取形貌良好的Cu薄膜样品.采用方块电阻和透射光谱两种方法为表征手段,测量16～22nm范围内不同厚度Cu薄膜在140℃下完全氧化所需要的时间,得到了Cu薄膜氧化反应的动力学曲线,并利用X射线衍射(XRD)分析了氧化产物的晶相结构和成分.结果表明,纳米尺度下Cu薄膜在140℃下氧化反应的动力学表征结果满足特殊的反对数生长规律,反应产物为Cu2O.

碳纳米管镀铜薄膜的抗菌性研究

本文用离子束辅助沉积(IBAD)方法在碳纳米管薄膜表面制备铜薄膜。用琼脂平板法测试了抗菌率,测试菌种为革兰氏阴性大肠杆菌(E.coil)和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌(S.aureus);用扫描电子显微镜(SEM)观测了镀铜碳纳米管薄膜的微观形貌;用能量散射X射线谱(EDX)分析了镀铜碳纳米管薄膜表面元素的原子百分比;用X射线光电子能谱(XPS)分析了镀铜碳纳米管薄膜的表面元素的价态。研究结果表明,镀铜膜碳纳米管薄膜具有优良的抗菌性能,且比在热解碳上镀铜膜样品的抗菌性强。

用金刚石车削技术制备EOS实验用铝薄膜和铜薄膜

具有材料理论密度的金属薄膜对于材料高压状态方程(EOS)研究而言具有重要的意义。本文提出采用金刚石车削技术,利用超精密金刚石车床、金刚石圆弧刀具及真空吸附夹持技术,对纯铝和无氧铜进行端面车削,完成了EOS实验用铝薄膜和铜薄膜的车削加工,实现了薄膜密度接近材料理论密度。精加工工艺参数为:进给量0.001 mm/r,主轴转速3000 r/min,切削深度1μm。采用Form Talysurf series 2型触针式轮廓仪进行测量,结果表明:铝薄膜、铜薄膜厚度可以达到小于10μm水平,表面均方根粗糙度小于5 nm,原始最大轮廓峰-谷高度小于50 nm,厚度一致性好于99%。

腐蚀环境下铜薄膜传感器金属结构裂纹监测

铜薄膜传感器在飞机金属结构损伤监测过程中,将长期面临大气腐蚀环境的影响。针对此背景,研究了铜薄膜传感器在腐蚀环境下的耐蚀性能,及腐蚀后的疲劳裂纹监测性能。首先,采用脉冲偏压多弧离子镀技术在不同弧电流和基体负偏压水平下制备了一系列铜薄膜,对其耐蚀性能进行了对比研究。结果表明,在弧电流60 A和基体负偏压250 V时沉积的铜薄膜耐蚀性能最佳。然后,结合耐蚀性能最佳的沉积工艺参数,在2A12-T4铝合金中心孔板试件上制备了同心环状铜薄膜传感器阵列,并开展了盐雾腐蚀试验。最后,对腐蚀试验后的铜薄膜传感器进行了疲劳裂纹监测试验。结果表明:铜薄膜传感器在腐蚀环境下具有良好的耐蚀性能,耐蚀时间达1 000 h;腐蚀试验后的铜薄膜传感器对裂纹变化敏感,能实现对裂纹定量监测,监测精度为1 mm,监测结果具有良好的可重复性。

亚微米厚铜薄膜的微观结构及疲劳损伤行为

在具有高弹性和力学稳定性的柔性基底上,用磁控溅射系统制备了亚微米厚铜薄膜,利用透射电镜(TEM)、扫描电镜 (SEM)电子背散射成像及 X 射线衍射(XRD)对铜薄膜进行了微观结构表征．采用恒载荷幅控制研究了亚微米厚度铜薄膜的疲劳损伤行为．结果表明：退火后的铜薄膜呈现强烈的(111)织构,薄膜中存在大量的微米、纳米尺度孪晶．在恒载荷幅作用下,亚微米厚的薄膜不易产生疲劳挤出和微裂纹,疲劳裂纹容易在界面处萌生,孪晶附近的位错塞积及界面附近变形的不协调性导致了疲劳裂纹的产生．而亚微米厚铜薄膜疲劳强度的提高来源于薄膜厚度、晶粒尺寸和孪晶尺寸三个微尺度的约束．

热处理对PI基板铜薄膜金属化TiN阻挡层的影响

聚酰亚胺(PI)材料具有介电常数低,分解温度高及化学稳定性好等优点,是很有前途的电子封装材料。Cu具有低的电阻和高的抗电迁移能力,是PI基板金属化的首选材料。采用物理气相沉积(PVD)方法在PI 基板上沉积Cu薄膜,利用TiN陶瓷薄膜阻挡Cu向PI基板内部扩散。研究热处理条件下TiN陶瓷薄膜阻挡层的阻挡效果、Cu膜电阻变化以及Cu膜的结合强度,俄歇谱图分析表明TiN可以有效地阻挡Cu向PI内的扩散。300℃热处理消除了Cu膜内应力,提高了Cu膜的结合强度。

多晶氮化铜薄膜制备及性能研究

采用反应射频磁控溅射的方法在不同的氮气分压的条件下,在玻璃基底上成功制备了氮化铜(Cu3N)薄膜.XRD显示氮气的气氛影响薄膜的择优生长取向,在低氮气气氛时薄膜择优[111]晶向生长,在高的氮气气氛条件下薄膜的择优生长取向为[100].用Scherrer公式估算出薄膜晶粒的大小在17～26nm之间,实验并研究了薄膜的热稳定性和电学性质.结果表明,薄膜的热稳定性较差,在200℃退火1h后已经完全呈Cu的相,薄膜的电阻率随着填隙原子的数目减少从导体到绝缘体发生不连续的改变.

磁控溅射制备铁掺杂氮化铜薄膜的研究

采用反应磁控溅射法在氮气分压0.5Pa、基底温度100℃条件下,在玻璃基底上分别制备了氮化铜薄膜和铁掺杂氮化铜薄膜。XRD显示氮化铜薄膜择优(111)晶面生长,铁掺杂使氮化铜薄膜的结晶程度减弱。AFM显示铁掺杂使氮化铜薄膜粗糙度增加。铁掺杂不同程度地提高了氮化铜薄膜的沉积速率和电阻率。

铜薄膜内微孔对其力学性能影响及开裂行为研究

研究了铜薄膜内微孔对其力学性能影响及开裂行为,采用磁控溅射工艺制备聚酰亚胺柔性基板上铜薄膜,通过扫描电镜(SEM)对铜薄膜表面形貌表征、EDS能谱分析及SEM原位拉伸观察实验,得出磁控溅射工艺制备出超薄铜薄膜多为柱状晶结构,且带有微米级孔洞。并测得不同孔隙率铜薄膜载荷与位移增量的变化,由相关公式求出应力-应变关系;分析了不同孔径微孔的上下边缘沿晶开裂,微裂纹萌生、扩展的行为。结果表明:磁控溅射工艺在聚酰亚胺柔性基板上制备的微米级铜薄膜受拉伸时微孔沿晶开裂形成初始微裂纹,孔径≤4μm微孔处局部应力偏低,未能使微裂纹沿晶界改变方向继续扩展,微裂纹受到抑制;在较高的局部应力下,孔径>10μm微孔裂纹继续沿新的晶界方向扩展,与其他微孔裂纹连通;孔隙率越高,多孔微裂纹连通几率越高,薄膜力学性能就越差,且铜薄膜开裂可能性也越高。

负偏压功率对溅射沉积钛、铜薄膜电阻的影响

为了研究负偏压功率对直流溅射沉积铜、钛两种金属薄膜电阻率的影响,在采用相同的工艺条件溅射沉积两种金属薄膜的同时分别加上0、50、150 W的负偏压功率,发现随着偏压功率由0增加到150 W,制备的钛薄膜厚度下降了25%,电阻率下降到原来的18%,而对于铜薄膜随着偏压功率由0增加150 W,厚度下降了5%,电阻率却增加到原来的4倍。用原子力显微镜和X射线衍射仪器分析了不同负偏压功率下制备的两种金属薄膜的表面粗糙度和两种金属薄膜的结晶情况,并用Fuchs-Sondheimer理论和Mayadas-Shatzkes理论解释偏压功率引起两种金属电阻变化的原因。这为教学实验、真空镀膜工艺和集成电路生产领域沉积不同结构及电阻的金属薄膜提供参考。

金属铜薄膜的制备与红外发射率特性研究

利用化学镀铜工艺,以次亚磷酸钠为还原剂,在普通平板玻璃表面制备了金属铜薄膜。用扫描电子显微镜,X射线衍射仪,四探针电阻仪,红外光谱辐射计等对薄膜的表面形貌、晶体结构和光电特性进行了表征,重点研究了金属铜膜的红外发射率与波长以及电阻率的变化关系,并与经典的Hagen-Rubens关系式进行了对比。结果表明:铜膜的发射率随波长的增大而降低,在特定的波段,发射率随电阻率的升高而增大。

直流磁控溅射制备氮化铜薄膜的热稳定性研究

用直流磁控溅射方法,在氮气分压为0.5Pa、不同的基底温度下,于玻璃基底上制备了Cu_3N薄膜。当基底温度为100℃及以下时,温度越高薄膜的结晶程度越好。当基底温度在100℃以上时,随着基底温度的升高,薄膜的结晶程度逐渐减弱,200℃时结晶已很弱,300℃时已完全不能形成Cu_3N晶体。薄膜的电阻率随基底温度的变化不大,薄膜的沉积速率随基底温度的升高在18～30 nm/min之间近似地线性增大,薄膜的显微硬度随基底温度的升高而略有降低。对基底温度为室温和100℃下制备的氮化铜薄膜进行不同温度下的真空退火,研究了它们的热稳定性。XRD测试表明,薄膜在200℃时开始出现分解,350℃时完全分解。比较在基底温度为室温和100℃下制备的样品,发现室温下制备的氮化铜薄膜比100℃下制备的氮化铜薄膜稳定。

磁控溅射参数及基片材料对铜薄膜结合强度的影响

采用不同的溅射工艺参数及基片材料制备了铜薄膜,用划痕法测试了薄膜结合强度,研究了溅射功率、溅射气压、溅射时间、基片温度及基片材料对铜薄膜结合强度的影响。结果表明,在功率85W,溅射气压1.5 Pa,时间30 min,基片温度150℃的条件下,薄膜结合强度为26.9 N。与硅片相比,玻璃表面的铜薄膜具有更高的结合强度。

基于磁控溅射制备的纳米铜薄膜的激光微冲击试验

应用激光微冲击强化处理技术,对不同磁控溅射参数下制备的纳米铜薄膜进行了强化处理,并对其表面形貌、硬度、弹性模量进行了测试和分析.结果表明:纳米铜薄膜经激光微冲击处理后,SEM显示薄膜表层的铜晶粒发生了明显的塑性形变,在厚度方向上被压平,晶粒边界处的细小空隙被填充,表面变得致密,颗粒尺寸明显增大.在每组试样的冲击区和非冲击区进行了多组纳米压痕试验,以确定冲击后铜薄膜力学性能的变化.经测试,各组试样冲击处理的条件不同,薄膜力学性能变化有所差异;硬度最小的也增加了38.84%,硬度增加最大的达到106.58%;弹性模量最小提高了14.62%,弹性模量最大提高了134.82%.

氮化铜薄膜的制备及其物理性能

氮化铜薄膜的光学性能及其突出的低温热分解特性,使得它在信息存储方面有广阔的应用前景。本文概述了国际上制备多晶态氮化铜薄膜的研究进展及其物理性能,并对其应用前景进行展望。

纳米铜薄膜瞬态热输运过程试验研究与数值模拟分析

利用磁控溅射法制备厚度100 nm的铜薄膜,使用800 nm泵浦和400 nm探测瞬态反射技术,测量铜薄膜的时间分辨反射率,分析铜薄膜在飞秒激光作用下瞬态热输运过程。利用双温模型对铜薄膜热输运过程进行数值模拟,模拟结果显示电子和晶格体系温度变化过程,电声耦合系数为1.2×1016W·m-3K。变换参数进行模拟,分析薄膜厚度和电声耦合系数对非平衡热输运过程影响规律,为铜薄膜在集成电路中应用提供参考。

自组装单分子膜的末端基团对化学气相沉积铜薄膜的影响

利用化学气相沉积(CVD)的方法在自组装单分子膜(SAMs)修饰的SiO2表面沉积铜薄膜,并对得到的铜薄膜的性质进行表征与分析。通过比较研究发现:在沉积过程中,SAMs的末端基团作为铜沉积的反应位点,末端基团与铜之间的相互作用力越强,则铜在基材表面的沉积与附着能力越强,而且SAMs阻挡铜原子扩散进入硅内部的效果越好。而SAMs的生长取向也会对铜沉积时的晶型产生影响。