磁控濺射銅薄膜微觀結(jié)構(gòu)對其電爆性能的影響＊

胡云欽，邱林俊，代 波，魏賢華，任 勇，葛妮娜，龍 震

(西南科技大學 四川省非金屬復合與功能材料重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地，四川 綿陽 621010)

磁控濺射銅薄膜微觀結(jié)構(gòu)對其電爆性能的影響＊

胡云欽，邱林俊，代 波，魏賢華，任 勇，葛妮娜，龍 震

(西南科技大學 四川省非金屬復合與功能材料重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地，四川 綿陽 621010)

采用直流磁控濺射法在不同濺射功率和工作氣壓條件下沉積Cu薄膜，對其進行X射線衍射、原子力顯微鏡、電阻率測試，分析了工藝參數(shù)對Cu薄膜的沉積速率、微觀結(jié)構(gòu)和電阻率的影響。通過紫外光刻技術(shù)將Cu薄膜制成橋箔，采用電爆測試平臺獲得Cu橋箔的電爆參數(shù)，研究了Cu薄膜的晶粒尺寸、擇優(yōu)取向?qū)ζ潆姳阅艿挠绊?。結(jié)果表明：隨濺射功率的增大，Cu薄膜的沉積速率增加、晶粒尺寸增大、Cu(111)晶面擇優(yōu)取向特性變差，且電阻率降低；隨濺射工作氣壓增大，Cu薄膜的沉積速率降低、晶粒尺寸減小、Cu(111)晶面擇優(yōu)取向越明顯，且電阻率增加。對于相同橋區(qū)參數(shù)的Cu橋箔，晶粒尺寸越小，其爆發(fā)時刻就越早；Cu(111)晶面擇優(yōu)取向越明顯，其爆發(fā)電流和峰值功率就會越大。

Cu薄膜；磁控濺射；橋箔；電爆性能

0 引 言

爆炸橋箔是沖擊片雷管的核心元件，在起爆系統(tǒng)中起到能量轉(zhuǎn)換的作用：(1) 吸收起爆回路輸出的脈沖能量，產(chǎn)生金屬電爆炸[1]；(2) 通過電爆炸產(chǎn)生等離子體膨脹，剪切并驅(qū)動平整飛片高速飛行。國內(nèi)外實驗研究發(fā)現(xiàn)[2-4]，爆炸橋箔的材料、形狀、橋區(qū)尺寸及厚度等參數(shù)是影響能量利用率及驅(qū)動飛片質(zhì)量的關(guān)鍵因素。目前用于爆炸橋箔的材料主要為銅，因為銅具有良好的電爆性能，且加工方便，成本可控。不同的銅箔制造工藝，在微觀上會影響銅箔的晶體結(jié)構(gòu)，進而影響到銅箔的電爆性能。2009年張方等[5]比較了不同制造工藝包括壓延、電鍍、化學鍍以及磁控濺射對銅箔電爆性能的影響，發(fā)現(xiàn)磁控濺射銅箔具有較好的電爆性能和較低的50%發(fā)火電壓，薄膜的晶粒尺寸、晶界數(shù)量、晶界電阻、擇優(yōu)取向可能是影響薄膜電爆炸性能的重要敏感參量；2015年郭菲等[6]比較了磁控濺射與電子束蒸發(fā)制備的銅箔，發(fā)現(xiàn)磁控濺射銅箔的晶粒尺寸更小，電阻率高17%，沉積速率更快，制成的爆炸橋箔驅(qū)動飛片速度更高。由此可見，磁控濺射工藝是目前沖擊片雷管所用銅箔的最優(yōu)選制造工藝，而不同濺射參數(shù)對薄膜的結(jié)構(gòu)、形貌和性能有著重要影響[7]。但是關(guān)于磁控濺射工藝參數(shù)與銅薄膜生長、組織特征和電爆性能之間關(guān)系的系統(tǒng)研究還鮮有報道，有必要進行深入的研究。

為此，本文采用直流濺射法在不同磁控濺射功率和工作氣壓條件下沉積了Cu薄膜，分析了Cu薄膜的沉積速率、微觀結(jié)構(gòu)、電阻率與磁控濺射沉積條件的關(guān)系，并研究了Cu薄膜的晶粒尺寸、擇優(yōu)取向?qū)ζ潆姳阅艿挠绊憽?/p>

1 實 驗

1.1 Cu薄膜的制備

本文采用磁控濺射儀，沈科儀器廠，JGP450，選擇不同濺射功率和不同工作氣壓條件，在單面拋光氧化硅片(10 mm×10 mm×0.5 mm)上沉積Cu薄膜。濺射前，將硅片依次用丙酮、酒精、去離子水進行超聲清洗，時間均為10 min，然后用氮氣吹干，密封待用。濺射使用靶材為金屬Cu靶(純度99.99%)，靶與基片距離約為5 cm。本底真空度優(yōu)于4×10-4Pa，濺射工作氣體是高純氬氣(Ar，純度為99.999%)，氣體流量約為40.0 mL/min。首先固定工作氣壓為0.4 Pa，在濺射功率分別為50，110和240 W條件下進行濺射。然后固定濺射功率為110 W，在工作氣壓分別為0.2，0.4和0.8 Pa條件下進行濺射?；诇囟葹槭覝?，沉積Cu薄膜厚度均為500 nm。采用紫外光刻技術(shù)將Cu薄膜刻蝕成蝴蝶形的爆炸橋箔，其橋區(qū)的長為600 μm、寬為500 μm，橋膜厚度為500 nm。

1.2 樣品的性能及表征

采用X射線衍射儀，XRD，PANalytical，X’pertPro，表征薄膜的晶粒尺寸并分析擇優(yōu)取向；采用原子力顯微鏡，AFM，SEIKO，SPI3800N，研究薄膜表面形貌；采用臺階儀，BRUKER，Dektak-XT，測試薄膜厚度，用四探針法，BKT-1H磁電阻測量儀，測定薄膜的電阻率；采用電爆測試平臺獲得橋箔的電爆曲線，并得到橋箔的爆發(fā)時刻、爆發(fā)電流及峰值功率等。

2 結(jié)果與討論

2.1 Cu薄膜的沉積速率

沉積速率是表征磁控濺射技術(shù)制備薄膜的一個重要參數(shù)，它是指單位時間內(nèi)生長薄膜的厚度。在本文中，不同濺射工藝的沉積時間均為3 min，用臺階儀可測得所沉積Cu薄膜的厚度，利用公式

可計算得出Cu薄膜的平均沉積速率，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同濺射工藝下Cu薄膜的沉積速率曲線

Fig 1 The deposition rate curve with different sputtering process

由圖1(a)可知，隨濺射功率由50 W增大到240 W，Cu薄膜沉積速率由0.94 nm/s增加到4.93 nm/s。在較大的濺射功率條件下，陰陽極電壓增大，氬離子加速轟擊靶材，從而導致沉積速率增大。由圖1(b)可知，隨工作氣壓由0.2 Pa增大到0.8 Pa，Cu薄膜沉積速率由2.46 nm/s降低到1.81 nm/s。因為濺射工作氣壓增大，電離出的氬離子數(shù)量增加，導致濺射出的靶材粒子碰撞幾率增大、能量降低，致使粒子沉積到基片的數(shù)量減少。

2.2 不同濺射功率下Cu薄膜的微觀結(jié)構(gòu)及電阻率

本文采用X射線衍射儀表征了Cu薄膜的相結(jié)構(gòu)，利用X射線衍射數(shù)據(jù)，根據(jù)Scherrer公式[8]對Cu(111)晶面分析可得Cu薄膜的晶粒尺寸。Cu薄膜織構(gòu)可用(111)與(200)晶面衍射峰強的比值[I(111)/I(200)]來表征，比值越大，織構(gòu)越明顯[9]。

圖2所示是濺射工作氣壓為0.4 Pa，不同濺射功率條件下沉積Cu薄膜的X射線衍射圖。

圖2 不同濺射功率下Cu薄膜的XRD圖譜

Fig 2 XRD patterns of the Cu thin films deposited at different sputtering power

根據(jù)該結(jié)果計算出Cu薄膜的晶粒尺寸D及(111)與(200)晶面衍射峰的相對強度I(111)/I(200)見表1所示。圖2顯示，沉積的薄膜在2θ為43.3和50.5°附近均出現(xiàn)較強的衍射峰，分別對應(yīng)于Cu(111)和Cu(200)晶面衍射峰，且與面心立方Cu標準卡片峰位一致。結(jié)果表明，隨著濺射功率增大，Cu薄膜晶粒尺寸增大；且I(111)/I(200)逐漸減小，表明Cu薄膜沿(111)面擇優(yōu)取向取向特性變差。這是由于濺射功率的增加，到達基片表面濺射粒子的能量越大，越易導致T型、2型結(jié)構(gòu)向3型轉(zhuǎn)變[10]；同時沉積速率的增加，易導致薄膜結(jié)構(gòu)缺陷的出現(xiàn)，兩方面都能引起Cu薄膜(111)織構(gòu)減弱[11]。

表1 不同濺射功率下Cu薄膜的XRD分析結(jié)果

Table 1 XRD results of the Cu thin films deposited at different sputtering power

濺射功率/W晶粒尺寸/nmI(111)/I(200)5036.62.5611039.51.9724050.01.81

圖3為不同濺射功率條件下沉積Cu薄膜的AFM圖，可以看到，沉積的Cu薄膜均勻致密，呈尺寸均勻的立方體顆粒；隨著濺射功率增大，薄膜顆粒增大，裂紋、孔洞等缺陷減少。

本文采用四探針法對Cu薄膜的電阻率進行測定。測試時，當電流源(YL4001A電流源)輸入小電流I時，會在薄膜表面產(chǎn)生電壓降U(用HP34401臺式數(shù)字萬用表記錄)。對于方形四探針，根據(jù)公式

式中，d為樣品薄膜的厚度，在本文中均為500 nm，可計算薄膜的電阻率。

不同濺射功率條件下沉積Cu薄膜的電阻率測量結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，隨著濺射功率增大，Cu薄膜的電阻率降低，高于銅塊體的電阻率(1.75×10-8Ω·m)。一般情況下，薄膜材料的電阻率高于塊體材料，這主要是由于薄膜內(nèi)部缺陷、晶界及晶粒表面積等對電子傳輸產(chǎn)生的散射作用而導致的[12]。

圖3 不同濺射功率下Cu薄膜的AFM圖

Table 2 Resistivity of Cu thin films at different sputtering power

濺射功率/W電流/mA電壓/mV電阻率/Ω·m50200.1042.36×10-8110200.1022.31×10-8240200.0861.95×10-8

綜合以上表征結(jié)果，濺射功率對Cu薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、電阻率的影響機理如下：濺射功率增大時，沉積速率和濺射粒子能量隨之增加，薄膜的形核速率和表面吸附原子擴散能力增加[13]，晶粒間相互連接而長大，使沉積的薄膜晶粒增大晶界和孔洞減少，電子傳輸時散射減少，電阻率隨之降低。

2.3 不同工作氣壓下Cu薄膜的微觀結(jié)構(gòu)及電阻率

圖4所示是濺射功率為110 W，不同濺射工作氣壓條件下沉積Cu薄膜的X射線衍射圖。根據(jù)該結(jié)果計算出Cu薄膜的晶粒尺寸D及(111)與(200)晶面衍射峰的相對強度I(111)/I(200)見表3所示。結(jié)果表明，隨著濺射工作氣壓增大，薄膜晶粒尺寸減小；且I(111)/I(200)逐漸增大，表明Cu薄膜沿(111)面擇優(yōu)取向取向更明顯。這是由于濺射氣壓的增加，入射氬離子具有較高的能量和較多的數(shù)量，其濺射出的銅原子具有合適的產(chǎn)額和能量，利于(111)織構(gòu)的發(fā)展。

圖4 不同工作氣壓下Cu薄膜的XRD圖譜

Fig 4 XRD patterns of the Cu thin films deposited at different sputtering pressure

表3 不同工作氣壓下Cu薄膜的XRD分析結(jié)果

Table 3 XRD results of the Cu thin films deposited at different sputtering pressure

工作氣壓/Pa晶粒尺寸/nmI(111)/I(200)0.248.31.410.439.51.970.836.83.96

圖5為不同濺射工作氣壓條件下沉積Cu薄膜的AFM圖，可以看到，隨著工作氣壓增大，薄膜顆粒減小，裂紋、孔洞等缺陷增加。

不同濺射工作氣壓條件下沉積Cu薄膜的電阻率測量結(jié)果如表4所示?？梢钥闯?，隨著工作氣壓增大，Cu薄膜的電阻率增加。

綜合以上表征結(jié)果，濺射工作氣壓對Cu薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、電阻率的影響機理如下：工作氣壓增大時，氬原子與濺射出的粒子碰撞次數(shù)增加，造成濺射粒子能量降低，粒子擴散能力下降[14]，使沉積薄膜的晶粒尺寸減小，裂紋、孔洞等缺陷增加。晶粒細化使晶界對電子的散射增加，形成的裂紋、孔洞等缺陷的增加進一步加劇了電子輸運過程的散射，因此電阻率隨工作氣壓增大而增加。

表4 不同工作氣壓下Cu薄膜電阻率

Table 4 Resistivity of Cu thin films at different sputtering pressure

工作氣壓/Pa電流/mA電壓/mV電阻率/Ω·m0.2200.0881.99×10-80.4200.1022.31×10-80.8200.1222.76×10-8

2.4 Cu薄膜微觀結(jié)構(gòu)對其電爆性能的影響

本文采用羅果夫斯基線圈電流探頭檢測回路的電流變化，用高壓探頭測試橋箔兩端的電壓變化，所得電壓、電流信號由數(shù)字示波器記錄，橋箔電爆測試平臺示意圖如圖6所示。選取樣品1(50 W，0.4 Pa)、樣品2(110 W，0.4 Pa)、樣品3(240 W，0.4 Pa)、樣品4(110 W，0.2 Pa)、樣品5(110 W，0.8 Pa)測試其電爆曲線，根據(jù)曲線可得不同參數(shù)的Cu橋箔的爆發(fā)時刻Tb、爆發(fā)電流Ib、爆發(fā)電壓并計算出峰值功率Pb，結(jié)果見表5所示。

圖6 電爆測試平臺示意圖

Fig 6 Schematic diagram of measurement of electrical explosion

表5 不同Cu橋箔樣品的電爆參數(shù)

通過比較不同樣品，可以看出，對于相同橋區(qū)參數(shù)的Cu橋箔：(1) 晶粒尺寸較小的樣品，其爆發(fā)時刻就越早。因為晶粒尺寸越小，薄膜的比表面積越大，表面自由能大，材料再融化需要的能量越低，橋箔到達爆發(fā)點的時刻就會提前；(2) 樣品沿Cu(111)晶面擇優(yōu)生長越明顯，其爆發(fā)電流和峰值功率越會大。因為Cu(111)晶面有良好的抗電遷移能力[15]，增加了晶界電阻；同時，薄膜晶體的擇優(yōu)生長會使晶粒間內(nèi)應(yīng)力減小，增強界面效應(yīng)，也增加了晶界電阻。晶界電阻的增加，有利于金屬在電爆過程中的能量轉(zhuǎn)換。

3 結(jié) 論

采用直流磁控濺射法在不同濺射功率和工作氣壓條件下沉積了Cu薄膜，分析了其速率、微觀結(jié)構(gòu)、電阻率與磁控濺射沉積條件的關(guān)系；研究了Cu薄膜的晶粒尺寸、擇優(yōu)取向?qū)ζ潆姳阅艿挠绊?。得到以下結(jié)論：

(1) 隨濺射功率增加，Cu薄膜的沉積速率增大、晶粒尺寸增大、Cu(111)晶面擇優(yōu)取向特性變差，且電阻率降低。

(2) 隨濺射工作氣壓增大，Cu薄膜的沉積速率減小、晶粒尺寸減小、Cu(111)晶面擇優(yōu)取向越明顯，且電阻率增加。

(3) 對于相同橋區(qū)參數(shù)的Cu橋箔，晶粒尺寸越小，其爆發(fā)時刻就越早；Cu(111)晶面擇優(yōu)取向越明顯，其爆發(fā)電流和峰值功率就會越大。

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Effects of microstructureof Cu thin films deposited by magnetron sputtering on electro-explosive performance

HU Yunqin，QIU Linjun，DAI Bo，WEI Xianhua，REN Yong，GE Nina，LONG Zhen

(State Key Laboratory Cultivation Base for Nonmetal Composites and Functional Materials,Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China)

Copper (Cu) thin films were deposited by DC magnetron sputtering method. The structure, morphology and resistivity of the deposited Cu films have been examined with respect to the sputtering power and sputtering pressure. The exploding bridge foils were fabricated with photolithography, and their electro-explosive performances were studied by the test circuit. Both increasing sputtering power and decreasing sputtering pressure result in quicker deposition rate, larger grain size and lower resistivity of the deposited Cu films. Besides, the samples have higher crystalline orientation along the (111) direction with decreasing sputtering power and increasing sputtering pressure. Moreover, the Cu bridge foils with larger grain size have an earlier burst moment. Meanwhile, the bridge foils have higher peak current and peak power with higher Cu (111) preferred orientation.

Cu films; magnetron sputtering; bridge foil; electro-explosive performance

1001-9731(2016)12-12152-05

四川省非金屬復合與功能材料重點實驗室開放基金資助項目(14zxpy04)；四川省非金屬復合有功能材料重點實驗室科研創(chuàng)新團隊建設(shè)基金資助項目(14tdfk07)

2015-12-22

2016-05-13 通訊作者：代 波，E-mail: daibo@swust.edu.cn

胡云欽 (1991-)，男，四川樂山人，在讀碩士，師承代波教授，從事薄膜材料研究。

O484; TJ450.4

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.12.025