常压冷等离子体喷涂铜薄膜工艺的研究

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1、分类号:TB310710-2015131028硕士学位论文常压冷等离子体喷涂铜薄膜工艺的研究刘向辉导师姓名职称郝建民教授申请学位级别工学硕士学科专业名称材料加工工程论文提交日期2018年5月1日论文答辩日期2018年5月22日学位授予单位长安大学ResearchonProcessofCopperThinFilmSprayedbyAtmosphericPressurePlasmaADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：LiuXianghuiSupervisor：Prof.HaoJianminCh

2、ang’anUniversity,Xi’an,China摘要目前制备金属薄膜的主要方法有物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、电镀和化学镀。对于传统的PVD和CVD而言，前驱体常为固态或气态且种类较少；使用的还原气体常为氢气，但氢气易燃易爆；制备金属薄膜时，反应温度高，易损坏基体，限制了基体种类，且薄膜常需退火处理；沉积时需要在真空环境中进行，限制了基体尺寸。对于电镀或化学镀而言，制备金属薄膜过程往往产生大量化学废液，对环境不友好。常压冷等离子体喷涂技术可以解决上述薄膜制备技术的不足，然而该技术在制备金属薄膜方面却鲜有报道。本文以制备铜薄膜作为研

3、究对象，探索了一种常压冷等离子体喷涂技术制备Cu薄膜的方法。利用NH3作为反应源气体，与N2按照一定比例混合，使用氩气作为保护气，Cu(NO3)2作为铜源，Cu(NO3)2溶液雾化后通入到等离子体射流下游，采用等离子体喷枪扫描方式喷涂铜薄膜。系统地研究了不同工艺参数对薄膜试样的宏观形貌、微观形貌、薄膜成分及薄膜电阻率的影响规律，并简要分析了常压冷等离子体喷涂铜薄膜的形成机理。结果表明：（1）喷枪扫描速率从7cm/s逐步提高到19cm/s时，沉积的薄膜样品中铜元素的化学状态逐渐从Cu2+过渡为Cu+最终变化为Cu，薄膜表面的晶粒尺寸逐渐减小，薄膜的电阻率也明

4、显减小。当喷枪扫描速率为16cm/s、19cm/s时，薄膜中铜元素为零价，薄膜表面晶粒排列紧密，薄膜的电阻率较小。分析认为，喷枪扫描速率参量在喷涂铜薄膜过程中起主导作用。（2）喷涂功率从300W逐步提高到600W时，薄膜中铜的氧化物含量由多减少，再由少增多，喷涂功率为400W时，薄膜中的铜的氧化物含量最少。300W时薄膜表面晶粒尺寸均匀性差，薄膜电阻率最大；400W时，薄膜表面晶粒尺寸最小、均匀且排列紧密，薄膜电阻率最小；喷涂功率为500W、600W时，膜层中通的氧化物含量增多，薄膜晶粒尺寸变大，薄膜电阻率也随之增大。（3）反应物硝酸铜浓度由60g/L逐步

5、增加到140g/L时，膜层中氧化亚铜的含量逐渐减小，薄膜表面晶粒排列紧密，薄膜比较致密，薄膜电阻率逐渐较小；当硝酸铜浓度从140g/L逐步增加到220g/L时，薄膜中氧化亚铜的含量并没有增加，但薄膜表面的晶粒尺寸变大，薄膜致密度降低，薄膜电阻率略微增大。I关键词：冷等离子体，喷涂，薄膜，电阻率，活性物质IIAbstractThecurrentmajormethodsforpreparingmetalthinfilmsincludephysicalvapordeposition(PVD),chemicalvapordeposition(CVD),electr

6、oplating,andelectrolessplating.ForconventionalPVDandCVD,precursorsareoftensolidorgaseousandhavefewerspecies;thereducinggasusedisoftenhydrogen,buthydrogenisflammableandexplosive;inthepreparationofmetalfilms,thereactiontemperatureishigh,andthematrixiseasilydamaged.Thetypeofsubstrate

7、,andthefilmoftenneedannealingtreatment;depositionneedstobecarriedoutinavacuumenvironment,limitingthesizeofthesubstrate.Forelectroplatingorelectrolessplating,thepreparationofmetalthinfilmsoftenproducesalargeamountofchemicalwasteliquid,andtheenvironmentisunfriendly.Thetechniqueofatm

8、osphericpressurecoldplasmasprayin