一种铜银合金薄膜及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供了一种铜银合金薄膜及其制备方法与应用，涉及薄膜材料技术领域。该方法通过磁控溅射聚焦共沉积方法制备铜银多层膜，薄膜铜元素与银元素沿薄膜厚度方向呈连续周期性变化。该多层膜的厚度可以通过沉积时间控制，靶功率与样品台转速的改变可制得不同调制周期的铜银多层膜，进而实现对膜层硬度的调节；该多层膜具有摩擦系数稳定且磨损率低的特性，该特性有望在具有摩擦行为的服役条件下实现该膜层与摩擦副的硬度匹配并具备良好的摩擦学性能。该铜银合金薄膜还存在多种强化机制，使其既保留了铜与银的良好导电性能及润滑能力，又增强了薄膜的耐磨性能。同时，相比于纯银薄膜，该合金薄膜在成本上亦具有优势。该合金薄膜在成本上亦具有优势。该合金薄膜在成本上亦具有优势。

【技术实现步骤摘要】
一种铜银合金薄膜及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及薄膜材料
，特别涉及一种铜银合金薄膜及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]铜银合金作为良导电材料，在微电子、航空航天、交通运输、电子仪器等诸多领域具有广泛应用。同时为了适应在不同领域的应用，在长期生产研究实践中衍生出了各种制备方法，立式半连续铸造/水平连铸
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不连续挤压/冷轧
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冷拉/冷轧三段法、连铸连轧常应用于工业化大规模生产、采用上引
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连续挤压
‑
轧制/拉拔工艺生产铜银合金板带材、采用化学还原法制备铜银合金粉末，此外还有热扩散法、高温高压烧结法、低温球磨法等用于制备应用于不用场景的铜银合金材料。以上制备方法需要在高温环境中进行或在制备过程中易引入杂质元素，存在高能耗、高污染、低纯度等缺点且其中多用于制备块体或粉末状铜银合金材料。并且铜、银均为质地较软的金属，铜银合金存在硬度低、不耐磨等问题，限制了其在工业工程中的应用场景，通常为了提高铜银合金硬度所采取的方法有控制Ag含量与微合金化，但两种方法均存在一定局限性，针对常用的制备铜银合金的方法，实现Ag含量的精确控制是具有较大难度的；而微合金化因引入了杂质元素而降低了电导率，对导电性能存在一定影响。
[0003]金属纳米多层膜在力学行为上存在尺寸效应，在一定尺度范围内，多层膜的硬度/强度将随着膜层调制周期的减小而升高，且在调制周期减小到几纳米时达到硬度/强度的最大值，峰值可达到理论值的1/3～1/2，可超过多层膜中任一组元的硬度，表现出超硬效应。金属纳米多层膜在不引入杂质元素的情况下，仅通过结构的改变来提高金属合金的力学性能，可以预见，以纳米多层膜形式存在的金属合金材料将在工程应用中具有重大意义。当前制备金属纳米多层膜的方法有电沉积、交叉累积压延、磁控溅射交替沉积等。
[0004]河南科技大学与河南省有色金属材料科学与加工技术重点实验室采用双槽电沉积法在纯铜基材上制备了厚度为2～50μm的铜银金属多层膜，通过调控阴极电流密度和阴极在电镀槽中的驻留时间将多层膜中铜层与银层的厚度比控制为1:1，其膜层截面的扫描电镜照片显示多层膜层间界面清晰、镀层平整。但是显微硬度仪测得膜层硬度在1.1～1.55GPa之间(图1)，数值偏低，且在电沉积过程中阴极需要频繁移动，工序复杂。
[0005]江西科技大学材料冶金与化学学院与广东省先进焊接技术重点实验室采取交叉累积压延法制得铜银多层膜。其具体实施方式为：首先在室温下将经表面清洁后堆叠的Cu
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Ag
‑
Cu三明治金属板通过双辊轧机(Φ200
×
300)，退火后清洁、减半、再堆叠，再次通过轧机，如此重复若干次得到单层厚度为20纳米至几百微米不等的铜银多层膜。其中单层厚度为20nm的铜银多层膜同时获得了高强度、高导电性，达到了938.1MPa的极限抗拉强度，沿厚度方向EDS线扫图显示多层膜元素分布在子层界面处存在突变。但SEM截面图(图2)显示轧制得到的铜银多层膜中子层厚度的均匀性较差，同一位置处的不同深度的同类子层的厚度不同，同一子层不同位置的厚度也有明显差异。
[0006]南京大学在高纯硅基材上采用直流磁控溅射交替沉积了总厚度为1μm的铜银多层膜并进行退火处理。EDS线扫数据显示，退火后的铜银多层膜产生了界面宽化，形成了元素含量沿膜层厚度方向连续周期性变化的层状结构，截面的TEM明场像(图3)显示退火后的铜银多层膜形成了波浪状的子层结构。匈牙利科学院技术物理研究所同样采用直流磁控溅射交替沉积制备了标称调制周期为6、13、32、92nm的铜银多层膜，所有薄膜的厚度均为50个周期，未经退火处理。截面的TEM明场像(图4)显示铜银多层同样形成了波浪状的子层结构。交替沉积工艺需要频繁移动样品台位置或开关靶挡板，此过程需消耗大量的时间，且对实验设备的损耗较大，效率较低。
[0007]近年来，出现了采用磁控溅射双靶聚焦共沉积法制备金属纳米多层膜的实例，该技术通过调整溅射靶材角度，使两靶聚焦于样品台，在溅射过程中在样品台上方形成成分不均匀的沉积场，通过调整样品台转速与沉积时间可以获得具有一定调制周期的纳米多层结构，通过分别调节两溅射靶的功率值可以方便且精确地控制膜层成分。目前采取共沉积的方法已经制备得到的具有多层结构的二元合金薄膜有Ru
‑
Ta、Ag
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Mo、Cu
‑
Ta、Fe
‑
W、Cu
‑
X(X＝W、Mo、Nb、Cr、V)等，分析发现以上二元体系可通过共沉积得到多层膜是因为W、Ta、Cr等元素的扩散能力很弱，如表1所示，即使是在800℃下，W、Cr的自扩散系数也分别仅有4.1
×
10
‑
33
m2·
s
‑1和1.7
×
10
‑
23
m2·
s
‑1，因此它们在多层膜结构形成过程中作为扩散阻挡元素存在。针对Cu
‑
Al体系，有研究人员经过理论计算得到Al在933K下自扩散系数为7.44
×
10
‑9m2·
s
‑1，Cu约为2.3
×
10
‑
17
m2·
s
‑1(如表1)，可以发现Cu和Al的扩散能力相较于W、Cr等都高得多，均属于易扩散元素，在同一温度下，二者的自扩散系数存在几个数量级上的差别，人们认为有可能在共沉积条件下获得Al
‑
Cu多层膜，但实际上通过实验已经证实Cu
‑
Al体系无法通过聚焦共沉积法制备得到纳米多层膜结构。与Al
‑
Cu体系类似，在Cu
‑
Ag二元体系中，这两种元素的自扩散系数结果如表1所示，Ag和Cu均属于易扩散元素，所以根据Al
‑
Cu体系的实验结果认为无法通过磁控溅射聚焦共沉积方法得到Ag
‑
Cu多层膜结构。
[0008]表1一些元素的自扩散系数(D)
[0009]温度(℃)银(m2/s)铜(m2/s)钨(m2/s)铬(m2/s)钽(m2/s)252.8
×
10
‑
38
3.6
×
10
‑
41
7.4
×
10
‑
109
3.4
×
10
‑
81
5.9
×
10
‑
79
1001.6
×
10
‑
31
6.6
×
10
‑
34
9.1
×
10
‑
88
3.9
×
10
‑
65
4.2<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铜银合金薄膜，其特征在于，铜元素与银元素沿该薄膜厚度方向呈连续周期性变化。2.根据权利要求1所述的铜银合金薄膜，其特征在于，该铜银合金薄膜中银元素的成分范围为11～89at.％。3.根据权利要求1所述的铜银合金薄膜，其特征在于，该铜银合金薄膜调制周期为11～140nm。4.根据权利要求1所述的铜银合金薄膜，其特征在于，该薄膜硬度为2.3～4GPa，电导率在3～7.5μΩ
·
cm。5.如权利要求1～4任一项所述的铜银合金薄膜的制备方法，其特征在于，采用磁控溅射共沉积技术，溅射铜靶和溅射银靶共同向同一自转样品台溅射沉积。6.根据权利要求5所述的铜银合金薄膜的制备方法，其特征在于，溅射沉积时，样品台自转速度为1～10rpm...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱家俊，李昌会，周灵平，董正琛，王勇，符立才，杨武霖，李德意，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：