金属铜膜的残余应力及电学特性研究

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本文运用射频和直流磁控溅射的方法,分别在Si基片和柔性聚偏二氟乙烯(PVDF)基片上制备金属Cu薄膜,在不同的溅射工艺参数下,制备Cu/Si薄膜样品和Cu/PVDF薄膜样品。运用X射线衍射、电子薄膜应力分布测试仪、霍尔效应测试仪、扫描探针原子力显微镜和扫描电子显微镜等仪器设备对金属Cu薄膜样品进行晶体结构、力学特性、电学特性和表面形貌的测试,得到不同溅射工艺参数下对金属Cu薄膜相关性能可能产生的影响。综合分析了金属Cu薄膜材料的微观结构和电学特性之间的内在联系,探讨了柔性PVDF基片上多孔Cu薄膜的表面形貌对电学特性的影响,主要的工作包括以下几个部分:一.不同溅射工艺参数对金属Cu薄膜性质的影响。(1)随着溅射时间的增加,金属Cu薄膜的膜厚以线性关系增加,并在Si基片上沉积的Cu薄膜表现非常良好的结晶特性;晶粒尺寸增加,表面粗糙度减小,电学性能显著提高,电阻率下降明显,最小值约为2.29μΩ2.cm;Cu薄膜的残余应力均表现为拉应力,且随着溅射时间的增加而逐渐减小;随着残余应力的增加,薄膜的电阻率也逐渐增加。(2)随着溅射气压的增加,Cu薄膜依然呈现良好的结晶特性,但是晶粒尺寸反而逐渐减小,电阻率也逐渐增加,薄膜的电学性能没有得到改善;薄膜的残余应力从压应力向拉应力转变,随溅射气压的增加,压应力减小,拉应力增加;随着残余应力的变化情况,Cu薄膜的电阻率也随之增加。(3)随着溅射功率的增加,Cu薄膜的结晶特性同样保持很好的变化规律,晶粒尺寸逐渐增加,电阻率明显下降,最小值出现在140W时的2.66μΩ.cm;薄膜的残余应力均表现为拉应力,随溅射功率的增加而逐渐增加,电阻率却是随着残余拉应力的增加而逐渐减小的。二.在PVDF基片上沉积的金属Cu薄膜,其结晶特性相比Si基片上沉积的Cu薄膜要差一些,出现的特征峰为Cu(220),随着溅射气压的增加,衍射峰的强度和晶粒尺寸均出现先增加后减小的变化规律;薄膜的表面形貌呈多孔疏松状,电阻率的变化范围非常大,在20μΩ.cm到240μΩ.cm之间,其电阻率呈现先减小后增加的情况,在气压为0.5Pa时薄膜的电学性能最好。三.从实验方面,结合理论模型对多孔Cu膜的电学性能进行了综合分析,验证了在PVDF基片上制备的Cu薄膜其电阻率在很大程度上依赖表面形貌的起伏波动,当起伏波动变化较大时,薄膜的电阻率也就很大,反之亦然。并从理论模型和实际实验结果两个方面较好的分析了金属Cu薄膜的微观结构与电学特性之间的相互影响。
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