一种铜镁合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铜镁合金及其制备方法，Cu‑Mg合金由以下成分组成，Mg原子百分比2.6～16.8，其余为Cu。制备时首先对硅基体表面进行超声清洗并烘干；然后将基盘送入磁控溅射镀膜室抽真空；再采用直流+射频电源共溅射制备Cu‑Mg合金；最后对得到的硅基体进行真空冷却后，得到铜镁合金材料，解决材料中合金元素分布不均匀的出现，所得合金为纳米孪晶材料，且孪晶片层尺寸细小，有效改善了合金材料的综合力学性能。

A Copper-Magnesium Alloy and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种铜镁合金及其制备方法
本专利技术属于金属结构材料领域，具体为一种铜镁合金及其制备方法。
技术介绍
随着电子工业和信息产业的快速发展，微电子元器件的微型化、轻量化和集成化成为新一代微电子技术的发展趋势和必然要求。微纳米器件作为信息时代的物质基础，成为21世纪高新技术重点研究的对象，其具有几何尺寸小、组装结构复杂等特点，目前已广泛应用于航空航天、医疗、通信、能源等领域。然而，微纳器件的力学变形通常不稳定，容易发生突然失效。因此，为了确保微电子元器件的稳定正常服役，设计具有优异力学性能的纳米金属材料具有重要的应用价值和意义。铜由于具有较高的抗电迁移性能和良好的导热导电稳定性，作为互连线材料在微电子产业中被广泛应用。但其机械强度较低，在互连线制造过程中容易被刮伤，造成表面损坏，从而加速微纳器件的损坏。因此，针对提高微纳电子元器件的小尺寸材料机械强度和变形稳定性问题，亟待简单快捷的解决方案。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种铜镁合金及其制备方法，所制备的铜镁合金具有均匀的微观组织和优异的机械强度，有效改善材料的服役寿命。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种铜镁合金，铜镁合金中原子百分比为：Mg2.8％～16.8％，其余为Cu；所述铜镁合金的晶粒为柱状纳米晶。优选的，所述柱状纳米晶中含有纳米孪晶纳，纳米孪晶的百分比不超过75％。优选的，所述Mg的原子百分比为8.2％。优选的，所述铜镁合金的纳米压痕硬度为2.97GPa～4.09GPa。本专利技术还提供了上述的铜镁合金的制备方法，包括以下步骤；步骤1：对基体表面进行清洗烘干；步骤2：将基体送入磁控溅射镀膜室，然后抽真空；步骤3：采用磁控溅射共溅射方法在基体上制备铜镁合金；步骤4：将步骤3得到的基体进行真空冷却，得到铜镁合金。优选的，步骤1中所述清洗烘干处理的方法具体如下；将抛光的基体在丙酮和酒精中依次超声清洗10min，然后烘干，抛光面的粗糙度小于0.8nm。优选的，步骤2中所述抽真空至背底真空度小于4.0×10-4Pa。优选的，步骤3中所述磁控溅射共溅射方法为：Cu靶采用直流电源进行溅射，Mg靶采用射频电源进行溅射。优选的，所述Cu靶纯度99.99wt％，直流电源功率200W，Mg靶纯度99.97wt％，射频电源功率10～45W，沉积气压1.0Pa，沉积温度为室温，基盘转速15r/min，沉积时间5000s，所得Cu-Mg合金厚度为1.5μm。优选的，所述基体为硅基体。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术提供的铜镁合金，其中金属镁的质量轻，密度仅为1.732g/cm3，且Mg的原子半径与Cu相差较大，与Cu混溶后形成置换固溶体，使基体晶格常数变大，引起晶格畸变，或者形成第二相颗粒，对位错运动起到阻碍和钉扎的作用。同时Mg元素的加入还可以降低Cu的层错能，有利于引入更多的纳米孪晶结构，以期达到轻质高强的强化效果，最终有效改善Cu合金的力学性能。解决了材料中合金元素分布不均匀的出现，所得合金为纳米孪晶材料，且孪晶片层尺寸细小，有效改善了合金材料的综合力学性能。本专利技术提供的铜镁合金的制备方法，利用磁控溅射技术的优势，通过不同靶材共溅射调控合金元素含量，制备合金元素分布均匀、具有不同微观组织且性能优异的Cu-Mg合金。附图说明图1为本专利技术Cu-Mg合金的TEM截面照片；图2为本专利技术Cu-Mg合金STEM照片；图3为本专利技术Cu-Mg合金EDS扫描Mg元素分布图；图4为本专利技术不同Mg含量Cu-Mg合金的载荷位移曲线；图5为本专利技术不同Mg含量Cu-Mg合金的纳米压痕硬度结果。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。一种Cu-Mg合金，其化学成分组成原子百分比为：Mg2.8％～16.8％，其余为Cu；采用磁控溅射共溅射方法制得，其晶粒为柱状纳米晶，柱状纳米晶的尺寸为9.7nm-46.2nm，并且细小柱状纳米晶中含有一定比例的纳米孪晶，纳米孪晶的百分比不超过75％。图1中展示了本专利技术的Cu-Mg合金TEM截面照片，图2和图3分别展示了本专利技术的Cu-Mg合金STEM照片及EDS扫描Mg元素分布图，图4展示了不同Mg含量Cu-Mg合金纳米压痕的载荷-位移曲线，图5展示了随Mg含量变化Cu-Mg合金的纳米压痕硬度变化趋势。根据本专利技术的Cu-Mg合金，内部合金元素分布均匀，晶粒为柱状细小纳米晶，并包含大量纳米孪晶结构，随Mg含量降低，晶粒尺寸减小，纳米孪晶在柱状细小纳米晶中的比例为0-75％，纳米孪晶百分数减小，纳米孪晶片层厚度降低。本专利技术的Cu-Mg合金具有高强度、良好塑性变形能力等优异力学性能。本专利技术还提供了一种Cu-Mg合金的制备方法，包括以下步骤；步骤1，取单面抛光的单晶硅基体，将其依次在化学纯丙酮和乙醇中超声清洗10min，然后使用暖风快速烘干，使其表面洁净无污渍、无灰尘附着，超声处理后的单晶硅基体表面粗糙度小于0.8nm，对抛光后的单晶硅基体进行超声清洗，有利于提高合金与基体结合力。步骤2，将超声清洗后的单晶硅基体固定到基盘上，自动机械伴送进入磁控溅射镀膜室，抽真空至背底真空度在4.0×10-4Pa以下，步骤3，采用磁控溅射共溅射方法在硅基体上沉积制备Cu-Mg合金；其中，Cu靶纯度99.99wt％采用直流电源，功率200W，Mg靶纯度99.97wt％采用射频电源，功率10-45W，沉积气压设定1.0Pa，沉积温度为室温，基盘转速15r/min，待真空度在4.0×10-4Pa以下，同时开启直流电源和射频电源开始共溅射沉积，沉积时间5000s，所得Cu-Mg合金的厚度为1.5μm。步骤4，由于沉积过程中溅射原子长时间轰击基体，导致制得的Cu-Mg合金有一定的温升，沉积结束后在高真空镀膜室中随炉充分冷却后再退出，可以确保样品内应力较小且表面不被空气氧化。采用磁控溅射共溅射方法在超声清洗洁净的单晶硅片表面沉积Cu-Mg合金，其原理是通过Ar气电离产生Ar+离子，在阴极电位吸引下加速轰击阴极靶材(Cu和Mg)，溅射出靶材原子以及二次电子，靶材原子朝相反方向沉积到阳极基板，二次电子在正交电磁场中的运动方向与电场、磁场垂直，呈现圆滚线运动轨迹，增强了同Ar分子的碰撞，提高了Ar电离的几率。该技术的突出优势是离化率高，沉积速率快，工作温度低且元素含量可调控，不易造成靶材元素的团聚和反溅射现象，造成微观组织的不均匀。最后在高真空镀膜室自然冷却至室温，避免快速暴露空气中的氧化，使沉积原子充分扩散形成最终的Cu-Mg合金。实施例1一种Cu-Mg合金的制备方法，包括以下步骤；步骤1，在分析纯丙酮和乙醇中依次对单晶硅基体进行超声清洗各10min，然后使用暖风迅速烘干。步骤2，将单晶硅基体固定在基盘上，机械自动伴送进入磁控溅射真空镀膜室，抽至背底真空度在4.0×10-4Pa以下，步骤3，采用磁控溅射直流和射频电源共溅射在单晶硅基体上沉积Cu-Mg合金；其中，Cu靶(纯度99.99wt％)采用直流电源，功率200W，Mg靶(纯度99.97wt％)采用射频电源，功率10W，沉积气压设定1.0Pa，沉积温度为室温，基盘转速15r/min，同时开启直流电源和射频电源开始共溅射沉积，沉积时间5000s。步骤4，将步骤3得到的单本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铜镁合金，其特征在于，铜镁合金中原子百分比为：Mg 2.8％～16.8％，其余为Cu；所述铜镁合金的晶粒为柱状纳米晶。

【技术特征摘要】
1.一种铜镁合金，其特征在于，铜镁合金中原子百分比为：Mg2.8％～16.8％，其余为Cu；所述铜镁合金的晶粒为柱状纳米晶。2.根据权利要求1所述铜镁合金，其特征在于，所述柱状纳米晶中含有纳米孪晶纳，纳米孪晶的百分比不超过75％。3.根据权利要求1至3任一项所述的铜镁合金，其特征在于：所述Mg的原子百分比为8.2％。4.根据权利要求3所述的铜镁合金，其特征在于：所述铜镁合金的纳米压痕硬度为2.97GPa～4.09GPa。5.一种权利要求1-4任一项所述的铜镁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤；步骤1：对基体表面进行清洗烘干；步骤2：将基体送入磁控溅射镀膜室，然后抽真空；步骤3：采用磁控溅射共溅射方法在基体上制备铜镁合金；步骤4：将步骤3得到的基体进行真空冷却，得到铜镁合金。6.根据权利要求5所述的铜镁合金的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：王亚强，张金钰，李晓格，吴凯，刘刚，孙军，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61