铜基体上titi,xc,ydlc功能梯度材料的制备及性能的研究

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1、大连理工大学博士学位论文铜基体上Ti/Ti<,x>C<,y>/DLC功能梯度材料的制备及性能的研究姓名：王静申请学位级别：博士专业：化学工艺指导教师：邓新绿;刘贵昌20090401大连理工大学博士学位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／Ti。C。／DLC功能梯度材料，实现了改善铜基体与DLC膜结合

2、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。Nv／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

3、，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。C。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s

4、p，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离予注入到基体表层，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

5、，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铜基体上TiffixC,yq3LC功能梯度材料的制备及性能的研究原子比为1，此时的DLC膜具有最优异的性能；粗糙度达到最小值2．1Inm；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O．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。K1；Ti／Ti。Cy／DLC功能梯度材料可以强化铜基体的传热效果。关键词：铜基体；类金刚石膜；梯度过渡

6、层；机械性能；热导率；耐腐蚀性能大连理工大学博士学位论文ThedepositionandpropertiesofTi／TixCy／DLCfunctionallygradedmaterialoncoppersubstrateAbstractInrecentyears，withsocietystrideforwardtoelectronictechnology，automatization，anddigitalnetworkinformationsociety．Andcopperarefindingincreasingapplicationsinmicro-ele

7、ctronics，micro-electro-mechanicalsystems(MEMS)andHi．techmaterialapplications．Howevercopperhasitsmateriallimitations．Inparticular．ithasrelativelylowhardness，hi曲oxidationandrateofweal"，badcorrosionresistancewhichhaveseverelylimiteditswidespreadapplications．Inthispaper，aimedatdifficult

8、iesofcopperapplicat