铜基体上Ti/Ti_xC_y/DLC功能梯度材料的制备及性能的研究

论文摘要

随着电子技术、自动化技术、信息产业、数字网络产业飞速发展,铜在微电子,微电子机械系统（MEMS）,精密仪器散热装置等高新技术上的重要作用日益突显。铜在应用过程中存在强度低,易氧化,易磨损,耐腐性差等缺点,限制了铜的应用。本文针对铜在应用中的缺点,采用不同的等离子体制备技术,在铜基体上制备了Ti/TixCy/DLC功能梯度材料,实现了改善铜基体与DLC膜结合力的目的,并强化了铜的性能。对梯度过渡层的结构进行设计,将等离子体增强非平衡磁控溅射物理气相沉积（PEUMS-PVD）和电子回旋共振微波等离子体增强化学气相沉积（MW-ECRPECVD）技术相结合,分别采用Ti、Si作为过渡层元素制备梯度过渡层,来改善类金刚石（DLC）膜与铜基体之间的结合力。所制备的膜具有典型的类金刚石结构,厚度达到纳米量级,并且表面粗糙度低。DLC膜的硬度和弹性模量都远远的超过基体。以Si为过渡层元素沉积Si/SixNy/DLC膜时,Si靶会发生靶中毒现象而使溅射率降低。而Ti可以作为过渡层元素在铜基体上沉积DLC膜,但是过渡层中含有氢元素,残余应力较高,降低了膜与基体的结合力和表面硬度。采用等离子增强非平衡磁控溅射技术沉积Ti/TixCy梯度过渡层,避免了在过渡层中引入氢元素,减小了薄膜的应力集中,增加了过渡层的稳定性。XRD、XPS分析表明,过渡层中形成TiC纳米晶,高能Ti离子和一部分碳原子扩散到基体中,使得过渡层与基体的界面展宽,形成良好的界面混合,提高了DLC膜与基体的结合力。为了制备性能最优的DLC膜,对过渡层的制备参数进行了优化。随着过渡层沉积偏压、Ti靶输入电流和C靶功率的增大,活性粒子对基体的轰击和溅射作用增强。高能粒子对表面的轰击能够去除生长表面的杂质和弱键合原子,更有利于sp3键的形成以及得到更平整的表面。过渡层沉积偏压增大产生的辅助轰击效应,会加快界面处成分的扩散,有利于提高膜基间的结合力。随着Ti靶输入电流增大,DLC膜中的Ti含量也随之增多;Ti替代一个碳原子,造成平均配位数的减少,促使四配位的sp3键向sp2键转变。Ti靶电流过大时溅射下的大颗粒会形成富Ti区,成为局部腐蚀的阳极,而薄膜成为阴极,从而诱发局部腐蚀。C靶溅射产生浅注入现象,高能C离子注入到基体表层,薄膜的局部密度增加,引起压应力增大,从而促使sp3键的生成。当入射能量过大时,高能C离子在薄膜与基体界面进行扩散,恶化了薄膜的结合强度以及机械性能。综合上述结果,过渡层沉积偏压100V,Ti靶输入电流0.2A,C靶功率200W沉积的DLC膜,过渡层的Ti/C原子比为1,此时的DLC膜具有最优异的性能;粗糙度达到最小值2.11nm;硬度与弹性模量分别为17.6GPa和233.7GPa;在400mN正压力下磨损20分钟内仍然性能良好,摩擦系数为0.13:极化电阻值较未镀膜的铜基体提高2个数量级。采用最佳过渡层参数制备的DLC膜的热导率最大值为3.63Wm-1K-1;Ti/TixCy/DLC功能梯度材料可以强化铜基体的传热效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 铜在微型散热器等领域的应用
• 1.2.1 铜在微型散热器中的应用
• 1.2.1.1 计算机散热器基本情况
• 1.2.1.2 计算机散热器用铜材性能分析
• 1.2.2 铜在电子封装材料中的应用
• 1.2.2.1 电子封装材料
• 1.2.2.2 电子封装材料应用中存在的问题
• 1.2.3 铜在MEMS封装材料中的应用
• 1.2.4 铜在上述应用中存在的问题及解决办法
• 1.3 类金刚石膜（DLC）
• 1.3.1 DLC膜的结构
• 1.3.2 DLC膜的性能及应用
• 1.3.2.1 DLC膜的机械性能及应用
• 1.3.2.2 DLC膜的电学性能及应用
• 1.3.2.3 DLC膜的光学性能及应用
• 1.3.2.4 DLC膜的耐腐蚀性能及应用
• 1.3.3 DLC膜应用中存在的问题
• 1.3.3.1 内应力的解决方法及国内外研究现状
• 1.3.3.2 稳定性的解决方法及国内外研究现状
• 1.4 本文研究的主要内容
• 2 DLC膜的制备与表征
• 2.1 引言
• 2.2 微波电子回旋共振等离子体增强非平衡磁控溅射技术
• 2.2.1 微波ECR等离子体源的原理及特点
• 2.2.2 磁控溅射原理
• 2.2.3 非平衡磁控溅射原理及特点
• 2.2.4 MW-ECR PEUMS系统在设计上的特点
• 2.3 DLC膜的制备
• 2.4 DLC膜的表征
• 2.4.1 DLC膜结构、表面形貌的表征
• 2.4.1.1 X射线光电子能谱
• 2.4.1.2 拉曼光谱
• 2.4.1.3 X射线衍射
• 2.4.1.4 电子探针
• 2.4.1.5 原子力显微镜
• 2.4.2 DLC膜机械性能的表征
• 2.4.2.1 纳米压痕检测
• 2.4.2.2 划痕检测
• 2.4.2.3 摩擦磨损检测
• 2.4.2.4 静态接触角测量
• 2.4.2.5 瞬态热反射检测
• 2.4.3 DLC膜耐腐蚀性能的表征
• 3 过渡层的结构设计与筛选
• 3.1 过渡层的结构设计
• 3.2 过渡层元素的选取及DLC梯度膜的制备
• 3.2.1 选择Ti作过渡层元素
• 3.2.1.1 选择Ti作过渡层元素的理由
• 3.2.1.2 以Ti为过渡层元素沉积DLC膜的制备工艺及参数
• 3.2.2 选择Si作过渡层元素
• 3.2.2.1 选择Si作过渡层元素的理由
• 3.2.2.2 以Si为过渡层元素沉积DLC膜的制备工艺及参数
• 3.3 不同过渡层元素制备的DLC膜结构的表征
• 3.3.1 以Ti为过渡层元素制备的DLC膜结构的表征
• 3.3.2 以Si为过渡层元素制备的DLC膜结构的表征
• 3.4 不同过渡层元素制备的DLC膜表面形貌的表征
• 3.4.1 以Ti为过渡层元素制备的DLC膜表面形貌的表征
• 3.4.2 以Si为过渡层元素制备的DLC膜表面形貌的表征
• 3.5 不同过渡层元素制备的DLC膜性能的表征
• 3.5.1 以Ti为过渡层元素制备的DLC膜纳米硬度的表征
• 3.5.2 以Si为过渡层元素制备的DLC膜纳米硬度的表征
• 3.6 本章小结
• 3.6.1 实验总结
• 3.6.2 结果讨论
• xC_y梯度过渡层结构与性能的研究'>4 Ti/Ti_xC_y梯度过渡层结构与性能的研究
• 4.1 引言
• xC_y过渡层的制备'>4.2 Ti/Ti_xC_y过渡层的制备
• xC_y过渡层成分、结构的研究'>4.3 Ti/Ti_xC_y过渡层成分、结构的研究
• xC_y过渡层成分的分析'>4.3.1 Ti/Ti_xC_y过渡层成分的分析
• xC_y过渡层相结构的分析'>4.3.2 Ti/Ti_xC_y过渡层相结构的分析
• xC_y过渡层导热性能研究'>4.4 Ti/Ti_xC_y过渡层导热性能研究
• 4.5 本章小结
• xC_y梯度过渡层制备参数的优化'>5 Ti/Ti_xC_y梯度过渡层制备参数的优化
• xC_y梯度过渡层上DLC膜的制备'>5.1 Ti/Ti_xC_y梯度过渡层上DLC膜的制备
• 5.2 改变过渡层沉积偏压制备的DLC膜
• 5.2.1 过渡层沉积偏压对DLC膜结构与表面形貌的影响
• 5.2.2 过渡层沉积偏压对DLC膜机械性能的影响
• 5.2.3 过渡层沉积偏压对DLC膜耐腐蚀性能的影响
• 5.3 改变过渡层的Ti靶输入电流制备的DLC膜
• 5.3.1 过渡层Ti靶输入电流对DLC膜结构与表面形貌的影响
• 5.3.2 过渡层Ti靶输入电流对DLC膜机械性能的影响
• 5.3.3 过渡层Ti靶输入电流对DLC膜耐腐蚀性能的影响
• 5.4 改变过渡层的C靶溅射功率制备的DLC膜
• 5.4.1 过渡层C靶溅射功率对DLC膜结构与表面形貌的影响
• 5.4.2 过渡层C靶溅射功率对DLC膜机械性能的影响
• 5.4.3 过渡层C靶溅射功率对DLC膜耐腐蚀性能的影响
• 5.5 过渡层成分的分析
• 5.6 本章小结
• 6 DLC膜制备参数的优化
• 6.1 在最佳过渡层上沉积DLC膜
• 6.2 DLC膜成膜机理的研究
• 6.3 基片偏压对DLC膜结构与表面形貌的影响
• 6.4 基片偏压对DLC膜性能的影响
• 6.4.1 基片偏压对DLC膜机械性能的影响
• 6.4.2 基片偏压对DLC膜传热性能的影响
• 6.4.3 基片偏压对DLC膜耐腐蚀性能的影响
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢
• 作者简介