W基W-Cu薄膜组织结构演变及性能研究

发布时间：2017-03-29 05:12

  本文关键词：W基W-Cu薄膜组织结构演变及性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：W-Cu薄膜是典型的互不固溶的难混溶体系合金薄膜,具有高导热、导电性和高强度、低热膨胀系数等优点,在电子封装及扩散阻挡层等方面有广阔的应用前景。因此,研究W-Cu薄膜的组织结构特征及其演变规律,并探讨其对性能的影响具有重要的学术价值和工程意义。本文通过XRD、TEM等方法对W含量为75at.%的W-Cu薄膜的微观结构进行了表征,研究了双靶磁控溅射共沉积技术中不同衬底温度及沉积时间对W-Cu薄膜微观结构的影响；并采用纳米压痕仪等对薄膜的力学性能等进行了测试。主要研究结果如下：沉积初期,W-Cu薄膜处于亚稳态,且在相同衬底温度下沉积速率约为1.0nm/s时,随沉积时间由10秒增加到30秒,薄膜微观结构由最初的非晶态逐渐转变为晶态。当衬底温度低于150℃时,Cu在W中的固溶度随沉积时间延长而逐渐增加,但当衬底温度为400℃时,Cu的固溶度随时间增加反而下降；当沉积时间相同时,W-Cu薄膜随衬底温度升高逐渐由非晶态转变为晶态,Cu在W中的固溶度随衬底温度升高到150℃逐渐增加,到达400℃后固溶度反而减小。采用磁控溅射技术溅射出来的靶材原子能量足以在到达衬底前进行原子级混合,使沉积的W-Cu薄膜成分分布均匀,首先形成能量较低的非晶态,随沉积时间延长及衬底温度升高,沉积原子能量因碰撞和温升逐渐增大,足以克服Cu、W原子固溶的能量势垒,因此薄膜逐渐晶化,并形成亚稳态固溶体；通过阿伦尼乌斯方程和扩散程公式计算,在沉积初期当温度低于150℃时,W原子扩散距离小于10-nm,处于“冷冻”状态,Cu原子扩散距离随沉积时间及衬底温度增加而增大,且均大于10-1nm,固溶度随之增加。随着温度进一步增加到400℃,W原子被“激活”,减小了对Cu的束缚,从而使固溶于W中的Cu原子有团聚的趋势,导致固溶度下降。分析薄膜电学性能发现,随沉积时间和温度增加,薄膜致密度及平整度逐渐提高,电阻不均匀度减小；同时,薄膜逐渐从非晶态转变为晶态,薄膜有序度升高,故导致电阻率降低。分析相同沉积时间、不同衬底温度下的W-Cu薄膜的力学性能发现,薄膜随衬底温度升高致密度及平整度逐渐提高,故粘接强度、硬度及弹性模量逐渐增加；当温度过高时晶粒不均匀长大,且缺陷减少,故硬度和弹性模量下降,且各点差异较大；同时,温度过高衬底与薄膜热膨胀系数差异增加导致应力较大,故薄膜粘接性能下降；薄膜力学性能随温度变化幅度不显著,薄膜热稳定性较好。
【关键词】：W-Cu薄膜 磁控溅射 沉积初期 微观结构 力学性能
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.411;TB383.2
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-13
• 第1章 绪论13-22
• 1.1 W-Cu薄膜非平衡相图13-15
• 1.2 W-Cu薄膜的非平衡制备方法与组织结构15-17
• 1.3 W-Cu薄膜亚稳态固溶体形成过程与机制17-19
• 1.4 W-Cu薄膜的性能与应用19-21
• 1.4.1 W-Cu薄膜的性能19-20
• 1.4.2 W-Cu薄膜的应用20-21
• 1.5 本课题研究背景及研究内容21-22
• 第2章 实验方法22-29
• 2.1 实验设备22
• 2.1.1 薄膜沉积设备22
• 2.2 实验材料22-23
• 2.2.1 靶材22
• 2.2.2 衬底的选择及预处理22-23
• 2.3 W-Cu薄膜的制备23-24
• 2.3.1 制备方法的选择23
• 2.3.2 薄膜的制备工艺23-24
• 2.4 W-Cu薄膜的组织结构表征24-25
• 2.4.1 X射线衍射分析24
• 2.4.2 W-Cu薄膜成分及形貌分析24
• 2.4.3 W-Cu薄膜组织结构分析24-25
• 2.5 W-Cu薄膜的性能测试25-29
• 2.5.1 W-Cu薄膜电阻率的测定25
• 2.5.2 W-Cu薄膜的粘接强度测试25-26
• 2.5.3 W-Cu薄膜的硬度及弹性模量的测量26-29
• 第3章 W-Cu薄膜组织结构演变分析29-56
• 3.1 引言29
• 3.2 W-Cu薄膜成分29-30
• 3.3 短时沉积超薄W-Cu薄膜表面与截面形貌分析30-33
• 3.4 沉积时间对W-Cu薄膜组织结构的影响33-49
• 3.4.1 水冷条件下沉积时间对W-Cu薄膜微观结构的影响33-37
• 3.4.2 自加热条件下沉积时间对W-Cu薄膜微观结构的影响37-39
• 3.4.3 150℃时不同沉积时间对W-Cu薄膜微观结构的影响39-45
• 3.4.4 400℃时不同沉积时间对W-Cu薄膜微观结构的影响45-49
• 3.5 W-Cu薄膜结构演变规律与机理分析49-55
• 3.6 小结55-56
• 第4章 W-Cu薄膜性能研究56-66
• 4.1 样品制备及组织结构分析56-57
• 4.2 W-Cu薄膜电学性能的研究57-58
• 4.3 W-Cu薄膜的硬度及弹性模量测试58-62
• 4.4 W-Cu薄膜的粘接性能研究62-65
• 4.4.1 动态载荷下W-Cu薄膜粘接强度测试结果62-65
• 4.5 本章小结65-66
• 结论66-68
• 参考文献68-74
• 致谢74-75
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录75

  本文关键词：W基W-Cu薄膜组织结构演变及性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：273744