本文關鍵詞：濺射沉積納米W-Ti薄膜結構與性能研究

  更多相關文章： 磁控濺射 W-Ti薄膜 Cu/W-Ti/Si夾層結構 納米壓痕 膜基結合力 耐蝕性

【摘要】：W和Ti兩種金屬因為其自身所具有高耐磨、高硬度、優(yōu)異的耐蝕性以及較低的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點而被廣泛關注,而二者的復合又使綜合性能有了較大提升。由于二者的熔點較高(W的熔點為3400℃、Ti的熔點為1668℃),所以常規(guī)工藝很難制備出混合均勻的合金材料。隨著微型電子半導體、航天及汽車行業(yè)的不斷發(fā)展,諸多性能獨特的金屬基薄膜材料被廣泛應用。其中W-Ti薄膜由于熱穩(wěn)定性良好、電阻率較低、耐腐蝕性優(yōu)良、抗氧化性和化學穩(wěn)定性佳,并且與金屬接觸層及Si02或Si襯底之間粘附性強而廣受關注。本文利用磁控濺射技術并通過正交試驗的方法確定了純W、純Ti及W-Ti薄膜的濺射工藝的情況下制備了W、Ti薄膜以及Ti含量分別為9at.%、17at.%、 27at.%、35at.%的W-Ti薄膜。實驗使用了XRD、SEM、EDX、TEM、AFM等現(xiàn)代測試技術對薄膜的結構與形貌進行表征,并利用了四探針儀、納米壓痕儀、材料多功能表面分析儀、電化學工作站對W-Ti的電學、力學以及耐腐蝕性能進行測試分析,實驗最后通過不同溫度下熱退火的方式探索了不同Ti含量的Cu/W-Ti/Si夾層結構的失效機理。測試結果表明,Ti含量的變化會對W-Ti薄膜的結構與性能造成影響。XRD分析表明W-Ti薄膜呈現(xiàn)體心立方結構,當薄膜中的Ti含量較低時(9～17at.%),薄膜僅有兩個特征衍射峰,分別對應bcc固溶體W100-xTix的(110)和(211)面；當薄膜中Ti的含量大于較高時(27-35at.%),兼出現(xiàn)較弱的hcp Ti(100)峰。隨Ti含量的增加,相較純W薄膜,體心立方結構的W-Ti薄膜的(211)晶面衍射峰趨弱,(110)晶面衍射峰趨強,薄膜主要呈現(xiàn)(110)擇優(yōu)取向。SEM與AFM測試表明了W-Ti薄膜平均顆粒尺寸及面光潔度隨Ti含量的增加而變化。TEM的分析顯示W(wǎng)-Ti是呈超細多晶結構。薄膜的性能測試表明W-Ti薄膜的電阻率隨著Ti含量的增加而增大,薄膜的硬度與彈性模量隨著Ti含量的增加先增加后減小,在Ti含量為9at.%最高分別為25.1Gpa和273.1Gpa。W-Ti薄膜的摩擦系數(shù)與膜基結合力隨著Ti含量的增加而增大,在Ti含量為35at.%時達到最大分別為0.215和22N。Ti加入大大增加了W-Ti薄膜的缺陷密度,從而使薄膜的耐蝕性降低。Ti含量為35at.%時的腐蝕電流密度為0.0103mA/cm2,比Ti含量為9at.%時高了十倍。Cu/W-Ti/Si夾層結構的失效溫度隨著Ti含量的增加而降低,這說明了Ti加入降低了W-Ti的阻擋性。這是因為Ti的加入增加了薄膜自身的缺陷密度,使Cu與Si層發(fā)生互擴散現(xiàn)象更容易。并且W的自擴散激活能遠遠大于Ti的自擴散激活能,Ti的加入降低了薄膜整體的穩(wěn)定性。
【關鍵詞】：磁控濺射 W-Ti薄膜 Cu/W-Ti/Si夾層結構 納米壓痕 膜基結合力 耐蝕性
【學位授予單位】：昆明理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TB383.2
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 緒論13-25
• 1.1 引言13-14
• 1.2 納米薄膜的制備方法簡介14-18
• 1.2.1 物理氣相沉積法PVD14-16
• 1.2.2 化學氣相沉積法CVD16-18
• 1.3 納米薄膜的性能18-21
• 1.3.1 納米薄膜的力學性能18-19
• 1.3.2 納米薄膜的電學性能19-20
• 1.3.3 納米薄膜的磁學性能20
• 1.3.4 納米薄膜的光學性能20-21
• 1.4 W-Ti薄膜的研究及應用現(xiàn)狀21-22
• 1.5 本論文選題依據(jù)、研究內容及技術路線22-25
• 1.5.1 選題依據(jù)22-23
• 1.5.2 研究內容及目的23-25
• 第二章 實驗材料及其制備方法25-41
• 2.1 薄膜的制備25-27
• 2.1.1 磁控濺射鍍膜原理25-26
• 2.1.2 影響薄膜制備的因素26-27
• 2.2 實驗原料及實驗設備簡介27-30
• 2.2.1 沉積系統(tǒng)簡介27-28
• 2.2.2 實驗原材料28-29
• 2.2.3 靶材與襯底的預處理方法29-30
• 2.3 鍍膜的實驗過程30-33
• 2.3.1 實驗的工藝流程30-31
• 2.3.2 技術路線31-33
• 2.3.3 W、Ti、Cu三種金屬的基本性質33
• 2.4 樣品分析測試方法33-39
• 2.4.1 薄膜沉積率的測定33-34
• 2.4.2 薄膜的掃描電鏡(SEM)與能譜儀(EDS)測試34
• 2.4.3 薄膜結構的X射線衍射(XRD)測試34-35
• 2.4.4 薄膜表面形貌原子力顯微鏡(AFM)觀察35
• 2.4.5 薄膜結構的透射電鏡(TEM)分析35-36
• 2.4.6 薄膜的電學性能測試36
• 2.4.7 薄膜力學性能測試36-37
• 2.4.8 薄膜膜基結合力測試37
• 2.4.9 薄膜摩擦學實驗37-38
• 2.4.10 薄膜耐蝕性測試38-39
• 2.5 章末小結39-41
• 第三章 W、Ti及W-Ti薄膜的正交試驗與工藝優(yōu)化41-53
• 3.1 正交試驗簡介41
• 3.2 W薄膜的正交試驗與工藝優(yōu)化41-45
• 3.2.1 W薄膜的正交試驗41-43
• 3.2.2 W薄膜的正交試驗結果分析43-45
• 3.3 Ti薄膜的正交試驗與工藝優(yōu)化45-49
• 3.3.1 Ti薄膜的正交試驗45-46
• 3.3.2 Ti薄膜的正交試驗結果分析46-49
• 3.4 W-Ti薄膜的正交試驗與工藝優(yōu)化49-52
• 3.4.1 W-Ti薄膜的正交試驗49-50
• 3.4.2 W-Ti薄膜的正交試驗結果分析50-52
• 3.5 章末小結52-53
• 第四章 W-Ti薄膜結構及性能研究53-77
• 4.1 薄膜成分及沉積率與Ti靶面積分數(shù)的關系53-54
• 4.2 薄膜結構的XRD分析54-56
• 4.2.1 W-Ti薄膜的XRD分析55-56
• 4.3 薄膜結構的掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)分析56-58
• 4.3.1 薄膜的掃描電鏡(SEM)分析56-57
• 4.3.2 薄膜的透射電鏡(TEM)分析57-58
• 4.4 薄膜結構的原子力顯微鏡(AFM)分析58-60
• 4.5 W-Ti薄膜電學性能測試結果分析60-62
• 4.6 W-Ti薄膜硬度與彈性模量測試結果分析62-68
• 4.6.1 納米壓痕實驗原理62-64
• 4.6.2 W-Ti薄膜的硬度64-67
• 4.6.3 W-Ti薄膜的彈性模量67-68
• 4.7 薄膜的膜基結合力分析68-70
• 4.8 薄膜的摩擦磨損性能分析70-72
• 4.9 薄膜的耐腐蝕性能分析72-75
• 4.9.1 Tafel曲線簡介72-73
• 4.9.2 W-Ti薄膜在NaCl溶液中的耐蝕性研究73-74
• 4.9.3 W-Ti薄膜在NaCl溶液中的腐蝕形貌分析74-75
• 4.10 章末小結75-77
• 第五章 W-Ti薄膜熱穩(wěn)定性研究77-87
• 5.1 W-Ti薄膜的熱退火的結構分析77-79
• 5.1.1 薄膜退火后的XRD分析77-78
• 5.1.2 薄膜退火后的SEM分析78-79
• 5.2 W-Ti薄膜的擴散阻擋性能研究79-84
• 5.2.1 Cu/W-Ti/Si夾層結構退火后的XRD分析80
• 5.2.2 Cu/W-Ti/Si夾層結構退火后的SEM分析80-83
• 5.2.3 Cu/W-Ti/Si夾層結構的失效機理討論83-84
• 5.3 章末小結84-87
• 第六章 結論87-89
• 致謝89-90
• 參考文獻90-95
• 附錄：攻讀碩士學在位期間發(fā)表論文95

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