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《大连理工大学》 2009年
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铜基体上Ti/Ti_xC_y/DLC功能梯度材料的制备及性能的研究

王静  
【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/Ti_xC_y/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/Si_xN_y/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/Ti_xC_y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sp~3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sp~3键向sp~2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sp~3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~(-1)K~(-1);Ti/Ti_xC_y/DLC功能梯度材料可以强化铜基体的传热效果。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TB34

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