一種銅銀合金薄膜及其制備方法與應(yīng)用技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種銅銀合金薄膜及其制備方法與應(yīng)用，涉及薄膜材料技術(shù)領(lǐng)域。該方法通過磁控濺射聚焦共沉積方法制備銅銀多層膜，薄膜銅元素與銀元素沿薄膜厚度方向呈連續(xù)周期性變化。該多層膜的厚度可以通過沉積時(shí)間控制，靶功率與樣品臺(tái)轉(zhuǎn)速的改變可制得不同調(diào)制周期的銅銀多層膜，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)膜層硬度的調(diào)節(jié)；該多層膜具有摩擦系數(shù)穩(wěn)定且磨損率低的特性，該特性有望在具有摩擦行為的服役條件下實(shí)現(xiàn)該膜層與摩擦副的硬度匹配并具備良好的摩擦學(xué)性能。該銅銀合金薄膜還存在多種強(qiáng)化機(jī)制，使其既保留了銅與銀的良好導(dǎo)電性能及潤(rùn)滑能力，又增強(qiáng)了薄膜的耐磨性能。同時(shí)，相比于純銀薄膜，該合金薄膜在成本上亦具有優(yōu)勢(shì)。該合金薄膜在成本上亦具有優(yōu)勢(shì)。該合金薄膜在成本上亦具有優(yōu)勢(shì)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種銅銀合金薄膜及其制備方法與應(yīng)用


[0001]本專利技術(shù)涉及薄膜材料
，特別涉及一種銅銀合金薄膜及其制備方法與應(yīng)用。

技術(shù)介紹

[0002]銅銀合金作為良導(dǎo)電材料，在微電子、航空航天、交通運(yùn)輸、電子儀器等諸多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。同時(shí)為了適應(yīng)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，在長(zhǎng)期生產(chǎn)研究實(shí)踐中衍生出了各種制備方法，立式半連續(xù)鑄造/水平連鑄
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不連續(xù)擠壓/冷軋
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冷拉/冷軋三段法、連鑄連軋常應(yīng)用于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)、采用上引
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連續(xù)擠壓
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軋制/拉拔工藝生產(chǎn)銅銀合金板帶材、采用化學(xué)還原法制備銅銀合金粉末，此外還有熱擴(kuò)散法、高溫高壓燒結(jié)法、低溫球磨法等用于制備應(yīng)用于不用場(chǎng)景的銅銀合金材料。以上制備方法需要在高溫環(huán)境中進(jìn)行或在制備過程中易引入雜質(zhì)元素，存在高能耗、高污染、低純度等缺點(diǎn)且其中多用于制備塊體或粉末狀銅銀合金材料。并且銅、銀均為質(zhì)地較軟的金屬，銅銀合金存在硬度低、不耐磨等問題，限制了其在工業(yè)工程中的應(yīng)用場(chǎng)景，通常為了提高銅銀合金硬度所采取的方法有控制Ag含量與微合金化，但兩種方法均存在一定局限性，針對(duì)常用的制備銅銀合金的方法，實(shí)現(xiàn)Ag含量的精確控制是具有較大難度的；而微合金化因引入了雜質(zhì)元素而降低了電導(dǎo)率，對(duì)導(dǎo)電性能存在一定影響。
[0003]金屬納米多層膜在力學(xué)行為上存在尺寸效應(yīng)，在一定尺度范圍內(nèi)，多層膜的硬度/強(qiáng)度將隨著膜層調(diào)制周期的減小而升高，且在調(diào)制周期減小到幾納米時(shí)達(dá)到硬度/強(qiáng)度的最大值，峰值可達(dá)到理論值的1/3～1/2，可超過多層膜中任一組元的硬度，表現(xiàn)出超硬效應(yīng)。金屬納米多層膜在不引入雜質(zhì)元素的情況下，僅通過結(jié)構(gòu)的改變來(lái)提高金屬合金的力學(xué)性能，可以預(yù)見，以納米多層膜形式存在的金屬合金材料將在工程應(yīng)用中具有重大意義。當(dāng)前制備金屬納米多層膜的方法有電沉積、交叉累積壓延、磁控濺射交替沉積等。
[0004]河南科技大學(xué)與河南省有色金屬材料科學(xué)與加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采用雙槽電沉積法在純銅基材上制備了厚度為2～50μm的銅銀金屬多層膜，通過調(diào)控陰極電流密度和陰極在電鍍槽中的駐留時(shí)間將多層膜中銅層與銀層的厚度比控制為1:1，其膜層截面的掃描電鏡照片顯示多層膜層間界面清晰、鍍層平整。但是顯微硬度儀測(cè)得膜層硬度在1.1～1.55GPa之間(圖1)，數(shù)值偏低，且在電沉積過程中陰極需要頻繁移動(dòng)，工序復(fù)雜。
[0005]江西科技大學(xué)材料冶金與化學(xué)學(xué)院與廣東省先進(jìn)焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采取交叉累積壓延法制得銅銀多層膜。其具體實(shí)施方式為：首先在室溫下將經(jīng)表面清潔后堆疊的Cu
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Ag
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Cu三明治金屬板通過雙輥軋機(jī)(Φ200
×
300)，退火后清潔、減半、再堆疊，再次通過軋機(jī)，如此重復(fù)若干次得到單層厚度為20納米至幾百微米不等的銅銀多層膜。其中單層厚度為20nm的銅銀多層膜同時(shí)獲得了高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性，達(dá)到了938.1MPa的極限抗拉強(qiáng)度，沿厚度方向EDS線掃圖顯示多層膜元素分布在子層界面處存在突變。但SEM截面圖(圖2)顯示軋制得到的銅銀多層膜中子層厚度的均勻性較差，同一位置處的不同深度的同類子層的厚度不同，同一子層不同位置的厚度也有明顯差異。
[0006]南京大學(xué)在高純硅基材上采用直流磁控濺射交替沉積了總厚度為1μm的銅銀多層膜并進(jìn)行退火處理。EDS線掃數(shù)據(jù)顯示，退火后的銅銀多層膜產(chǎn)生了界面寬化，形成了元素含量沿膜層厚度方向連續(xù)周期性變化的層狀結(jié)構(gòu)，截面的TEM明場(chǎng)像(圖3)顯示退火后的銅銀多層膜形成了波浪狀的子層結(jié)構(gòu)。匈牙利科學(xué)院技術(shù)物理研究所同樣采用直流磁控濺射交替沉積制備了標(biāo)稱調(diào)制周期為6、13、32、92nm的銅銀多層膜，所有薄膜的厚度均為50個(gè)周期，未經(jīng)退火處理。截面的TEM明場(chǎng)像(圖4)顯示銅銀多層同樣形成了波浪狀的子層結(jié)構(gòu)。交替沉積工藝需要頻繁移動(dòng)樣品臺(tái)位置或開關(guān)靶擋板，此過程需消耗大量的時(shí)間，且對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損耗較大，效率較低。
[0007]近年來(lái)，出現(xiàn)了采用磁控濺射雙靶聚焦共沉積法制備金屬納米多層膜的實(shí)例，該技術(shù)通過調(diào)整濺射靶材角度，使兩靶聚焦于樣品臺(tái)，在濺射過程中在樣品臺(tái)上方形成成分不均勻的沉積場(chǎng)，通過調(diào)整樣品臺(tái)轉(zhuǎn)速與沉積時(shí)間可以獲得具有一定調(diào)制周期的納米多層結(jié)構(gòu)，通過分別調(diào)節(jié)兩濺射靶的功率值可以方便且精確地控制膜層成分。目前采取共沉積的方法已經(jīng)制備得到的具有多層結(jié)構(gòu)的二元合金薄膜有Ru
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Ta、Ag
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Mo、Cu
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Ta、Fe
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W、Cu
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X(X＝W、Mo、Nb、Cr、V)等，分析發(fā)現(xiàn)以上二元體系可通過共沉積得到多層膜是因?yàn)閃、Ta、Cr等元素的擴(kuò)散能力很弱，如表1所示，即使是在800℃下，W、Cr的自擴(kuò)散系數(shù)也分別僅有4.1
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10
?
33
m2·
s
?1和1.7
×
10
?
23
m2·
s
?1，因此它們?cè)诙鄬幽そY(jié)構(gòu)形成過程中作為擴(kuò)散阻擋元素存在。針對(duì)Cu
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Al體系，有研究人員經(jīng)過理論計(jì)算得到Al在933K下自擴(kuò)散系數(shù)為7.44
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10
?9m2·
s
?1，Cu約為2.3
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17
m2·
s
?1(如表1)，可以發(fā)現(xiàn)Cu和Al的擴(kuò)散能力相較于W、Cr等都高得多，均屬于易擴(kuò)散元素，在同一溫度下，二者的自擴(kuò)散系數(shù)存在幾個(gè)數(shù)量級(jí)上的差別，人們認(rèn)為有可能在共沉積條件下獲得Al
?
Cu多層膜，但實(shí)際上通過實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)Cu
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Al體系無(wú)法通過聚焦共沉積法制備得到納米多層膜結(jié)構(gòu)。與Al
?
Cu體系類似，在Cu
?
Ag二元體系中，這兩種元素的自擴(kuò)散系數(shù)結(jié)果如表1所示，Ag和Cu均屬于易擴(kuò)散元素，所以根據(jù)Al
?
Cu體系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為無(wú)法通過磁控濺射聚焦共沉積方法得到Ag
?
Cu多層膜結(jié)構(gòu)。
[0008]表1一些元素的自擴(kuò)散系數(shù)(D)
[0009]溫度(℃)銀(m2/s)銅(m2/s)鎢(m2/s)鉻(m2/s)鉭(m2/s)252.8
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38
3.6
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41
7.4
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109
3.4
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81
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79
1001.6
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31
6.6
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34
9.1
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88
3.9
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65
4.2<本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】

【技術(shù)特征摘要】
1.一種銅銀合金薄膜，其特征在于，銅元素與銀元素沿該薄膜厚度方向呈連續(xù)周期性變化。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅銀合金薄膜，其特征在于，該銅銀合金薄膜中銀元素的成分范圍為11～89at.％。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅銀合金薄膜，其特征在于，該銅銀合金薄膜調(diào)制周期為11～140nm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅銀合金薄膜，其特征在于，該薄膜硬度為2.3～4GPa，電導(dǎo)率在3～7.5μΩ
·
cm。5.如權(quán)利要求1～4任一項(xiàng)所述的銅銀合金薄膜的制備方法，其特征在于，采用磁控濺射共沉積技術(shù)，濺射銅靶和濺射銀靶共同向同一自轉(zhuǎn)樣品臺(tái)濺射沉積。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的銅銀合金薄膜的制備方法，其特征在于，濺射沉積時(shí)，樣品臺(tái)自轉(zhuǎn)速度為1～10rpm...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：朱家俊，李昌會(huì)，周靈平，董正琛，王勇，符立才，楊武霖，李德意，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：湖南大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：