Cu-W、Cu-Mo非混溶合金均质薄膜的结构与性能研究

论文摘要

Cu-W、Cu-Mo均属典型二元难混溶合金,由于具有较大的正混合焓（铜钨体系AHmix>+35.5KJ/mol,铜钼体系AHmix>+28KJ/mol）,很难通过常规工艺制备出高度均质化的、实用性强的Cu-W和Cu-Mo合金。钨和钼具有熔点高、硬度大、强度高、热膨胀系数低等优点,而铜则具有良好的导电导热性能,二者的复合使Cu-W及Cu-Mo合金材料具备诸多优越性能而成为人们研究的热点。随着研究的不断深入,Cu-W、Cu-Mo合金及合金薄膜在微电子、航空、热交换等领域显示出广阔前景。本文采用磁控共溅射法制备了含2.12-53.14at.%W的Cu-W薄膜和含2.19～74.91at.%Mo的Cu-Mo薄膜,用EDX、XRD、TEM、SEM、AFM、显微硬度仪和电阻仪等研究其成分、结构、表面形貌及性能。结果表明,W、Mo的添加改变了Cu薄膜的结构,进而影响薄膜的力学及电学性能。W添加量低于6at.%的Cu-W薄膜和Mo添加量小于10at.%的Cu-Mo薄膜的XRD谱呈Cu（111）择优取向,薄膜呈超细晶结构。当W含量超过6at.%后,Cu-W薄膜XRD谱呈现由Cu（111）峰与W（110）峰构成的叠合峰,叠合峰的峰宽随W添加量的提高而增大,薄膜主要由超细铜单质微晶、钨单质微晶和一定量的非晶构成。Mo的添加量超过10at.%后,Cu-Mo薄膜XRD谱呈现由Cu（111）峰与Mo（110）峰组成的叠合峰,叠合峰的峰宽随Mo添加量的增加而增大,溥膜主要由超细铜单质微晶、钼单质微晶以及一定量的非晶组成。随着W、Mo添加量的进一步提高,薄膜XRD谱主要呈现W（110）或Mo（110）的主峰。TEM分析表明,Cu-2.12at.%W薄膜和Cu-4.27at.%Mo薄膜为多晶结构,而Cu-14.20at.%W薄膜和Cu-9.89at.%Mo薄膜中含有一定量的非晶。SEM和AFM分析结果表明,随W、Mo添加量的提高,薄膜表面光洁度增大,平整度提高。对薄膜显微硬度和电阻率的测试结果得出,沉积态纯铜膜的努氏超显微硬度为1GPa,电阻率为5.24μΩ·cm, W和Mo的添加可使Cu-W薄膜和Cu-Mo薄膜的显微硬度分别提高到7.0 GPa和8.76GPa,电阻率则分别增大到27.7μΩ·cm及32.32μΩ·cm。经200,400及650℃退火处理1h后,Cu-W薄膜和Cu-Mo薄膜XRD谱中出现Cu（111）、W（110）、Mo（110）和Cu（200）等峰,表明薄膜中微结构发生了变化。SEM分析表明,经热处理后薄膜中出现亚微米级的富铜颗粒,薄膜表面光洁度降低,平整性变差。经200,400和650℃退火处理1h后,薄膜的显微硬度及电阻率均降低,且退火温度越高,降幅越大,这是由于薄膜的微观结构随退火温度升高而发生了显著的变化。

论文目录

• 摘要
• Abstracts
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 难混溶合金及其合金化理论研究
• 1.2.1 难混溶合金简介
• 1.2.2 合金化理论研究
• 1.3 合金化薄膜材料的特性
• 1.3.1 力学性能
• 1.3.2 电学性能
• 1.3.3 磁学性能
• 1.3.4 光学性能
• 1.4 难混溶Cu-W,Cu-Mo合金薄膜的应用背景及研究现状
• 1.4.1 Cu-W,Cu-Mo合金薄膜材料的应用背景
• 1.4.2 Cu-W,Cu-Mo合金薄膜的国内外研究现状
• 1.5 本论文选题目的、研究内容及技术路线
• 1.5.1 选题目的
• 1.5.2 研究内容
• 1.5.3 技术路线
• 第二章 实验部分
• 2.1 薄膜制备方法选择
• 2.1.1 磁控溅射原理研究
• 2.1.2 影响薄膜制备的因素及其确定
• 2.1.3 本论文所设计的实验参数
• 2.2 实验原料的准备及实验设备简介
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 复合靶的制备
• 2.2.3 靶材及衬底的清洗
• 2.2.4 实验设备简介
• 2.2.4.1 FJL52O型高真空多靶磁控溅射仪
• 2.3 实验过程
• 2.4 样品分析测试方法
• 2.4.1 薄膜厚度测量
• 2.4.2 X射线衍射（XRD）分析
• 2.4.3 透射电镜（TEM）分析
• 2.4.4 扫描电子显微镜（SEM）分析
• 2.4.5 X射线能谱分析（EDX）
• 2.4.6 原子力显微镜（AFM）研究
• 2.4.7 薄膜显微硬度测试
• 2.4.8 薄膜电阻率的测量
• 第三章 沉积态薄膜结构与性能研究
• 3.1 薄膜成份,沉积率和W,Mo靶面积比的关系分析
• 3.2 薄膜结构及形貌分析
• 3.2.1 沉积态薄膜XRD分析
• 3.2.2 Cu-W、Cu-Mo薄膜的透射电镜（TEM）分析
• 3.2.3 Cu-W、Cu-Mo薄膜的SEM分析
• 3.2.4 Cu-W、Cu-Mo薄膜的原子力扫描镜像（AFM）分析
• 3.3 沉积态Cu-W、Cu-Mo薄膜的性能研究
• 3.3.1 Cu-W、Cu-Mo薄膜的显微硬度测试
• 3.3.2 Cu-W、Cu-Mo薄膜的电学性能研究
• 第四章 热处理对薄膜结构与性能的影响
• 4.1 退火温度对薄膜微观结构的影响
• 4.1.1 退火态Cu-W薄膜的XRD分析
• 4.1.2 退火态Cu-Mo薄膜的XRD分析
• 4.1.3 退火态Cu-W薄膜的SEM分析
• 4.1.4 退火态Cu-Mo薄膜的SEM分析
• 4.2 热处理对薄膜性能的影响
• 4.2.2 退火态Cu-W和Cu-Mo薄膜的力学性能研究
• 4.2.3 退火态Cu-W和Cu-Mo薄膜的电学性能研究
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录A:攻读硕士学位期间发表论文及合作专利申请
• 附录B:攻读硕士学位期间参加科研项目