一種減少柔性基體上高熔點金屬薄膜產(chǎn)生裂紋的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及到微、納米尺度材料的制備領域，具體的說是一種減少柔性基體上高熔點金屬薄膜產(chǎn)生裂紋的方法。
【背景技術】
[0002]高熔點金屬薄膜(鎢膜、鉬膜、鉭膜、鋯膜等)具有好的高溫穩(wěn)定性、耐腐蝕性、耐氧化性，而且由于熔點高、自擴散激活能大和自擴散系數(shù)小、彈性模量大，其電迀移抗力和應力迀移抗力都很大，廣泛應用于航空航天、微電子器件、太陽能電池、高端分析設備等領域，高熔點金屬薄膜具有較好的應用發(fā)展?jié)摿?。其中在微電子器件里主要用在電子電路的門接觸、歐姆接觸、電路多層布線之間的連接等方面。
[0003]眾所周知，薄膜內(nèi)存在殘余應力是采用濺射方法制備的薄膜中普遍存在的現(xiàn)象，幾乎所有薄膜都處于某種應力狀態(tài)之中。殘余應力的大小從幾十MPa到幾百MPa，甚至在一些高熔點薄膜內(nèi)存在GPa數(shù)量級的殘余應力。由于薄膜內(nèi)的應力狀態(tài)直接關系到微電子器件的設計和使用壽命，因而成為近年來的研究熱點。人們對薄膜殘余應力的演化行為已經(jīng)進行了深入的研究，結(jié)果表明，正常沉積情況下磁控濺射制備的幾百nm厚、低熔點薄膜(Al，Ag，Cu等)的殘余應力一般在幾十到幾百MPa，可能是拉應力也可能是壓應力，而高熔點的薄膜(W，Mo，Ta，Zr等)的產(chǎn)預應力要明顯高于低熔點薄膜，可能處于拉應力或者壓應力狀態(tài)。一般認為，拉應力是由晶界釋放機制引起的，而壓應力則是由噴丸效應產(chǎn)生的。
[0004]在很多關于高熔點金屬薄膜的研究報道中可以看到，磁控濺射沉積的高熔點薄膜內(nèi)部通常存在很高的殘余應力，殘余拉應力釋放極易導致薄膜出現(xiàn)裂紋等缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決現(xiàn)有技術中高熔點薄膜由于內(nèi)部殘余拉應力釋放導致薄膜出現(xiàn)裂紋的問題，本發(fā)明提供了一種減少柔性基體上高熔點金屬薄膜產(chǎn)生裂紋的方法，先對柔性基體上的高熔點金屬薄膜施加一定的預應力然后進行退火，以抑制由于殘余拉應力釋放導致的裂紋的產(chǎn)生。
[0006]本發(fā)明為解決上述技術問題采用的技術方案為:一種減少柔性基體上高熔點金屬薄膜產(chǎn)生裂紋的方法，將易產(chǎn)生裂紋的具有殘余拉應力的高熔點金屬薄膜和其附著的柔性基體進行退火處理，以減少裂紋的產(chǎn)生，所述的退火處理操作為:將柔性基體和其上的高熔點金屬薄膜以膜面朝上的方式兩端固定，中部用向上凸起的凸模頂起，使高熔點金屬薄膜與凸模緊密接觸，從而對金屬薄膜施加預應力，然后在真空爐內(nèi)或氣氛保護爐內(nèi)加熱退火，退火溫度為260°C _320°C，退火時間30-100min，以使薄膜內(nèi)部應力接近平衡狀態(tài)，從而減少由于應力釋放及熱能驅(qū)動薄膜原子擴散導致的薄膜開裂。
[0007]所述具有殘余拉應力的高熔點金屬薄膜是指，從外觀上看表面下凹的高熔點金屬薄膜。
[0008]對于柔性基體上的金屬薄膜來說，如果整個薄膜表面下凹，表明薄膜內(nèi)部處于殘余拉應力狀態(tài)；如果整個薄膜表面上凸，表明薄膜內(nèi)部處于殘余壓應力狀態(tài)。
[0009]所述柔性基體為柔性聚酰亞胺基體。
[0010]所述凸模具有一弧形的凸起部和位于兩側(cè)的用于卡緊柔性基體及其上金屬薄膜的卡緊部?？梢愿鶕?jù)需要制作不同的凸模，以滿足不同的凸起弧度。
[0011]有益效果:本發(fā)明通過對柔性基體上高熔點金屬薄膜施加預應力并進行退火處理，有效抑制了退火過程中高熔點金屬薄膜由于較大殘余拉應力釋放導致的薄膜開裂現(xiàn)象，為獲得高穩(wěn)定性、高壽命柔性聚酰亞胺基體上高熔點金屬薄膜器件提供了技術支撐。施加預應力的大小可以根據(jù)需要通過調(diào)整模具彎曲弧度進行調(diào)控。本發(fā)明方法簡單，操作方便，成本低，綠色環(huán)保，能有效減少高熔點金屬薄膜由于殘余拉應力釋放導致的薄膜開裂，這種方法可應用于柔性電子器件領域。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明中凸模的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明中凸模的一種斷面圖；
圖3為本發(fā)明中凸模的另一種斷面圖；
圖4為本發(fā)明中凸模的又一種斷面圖；
附圖標記:1、凸起部，2、卡緊部。
【具體實施方式】
[0013]—種減少柔性基體上高熔點金屬薄膜產(chǎn)生裂紋的方法，將易產(chǎn)生裂紋的具有殘余拉應力的高熔點金屬薄膜和其附著的柔性基體進行退火處理，以減少裂紋的產(chǎn)生，所述的退火處理操作為:將柔性基體和其上的高熔點金屬薄膜以膜面朝上的方式兩端固定，中部用向上凸起的凸模頂起，使高恪點金屬薄膜與凸模緊密接觸，從而對金屬薄膜施加預應力，然后在真空爐內(nèi)或氣氛保護爐內(nèi)加熱退火，退火溫度為260°C _320°C，退火時間30-100min，以使薄膜內(nèi)部應力接近平衡狀態(tài)，從而減少由于應力釋放及熱能驅(qū)動薄膜原子擴散導致的薄膜開裂。
[0014]所述凸模具有一弧形的凸起部I和位于兩側(cè)的用于卡緊柔性基體及其上金屬薄膜的卡緊部2，可以根據(jù)需要制作不同的凸模，以滿足不同的凸起弧度。
[0015]下面結(jié)合以下具體實施例對本發(fā)明的技術方案做進一步的闡述。
[0016]實施例1
采用磁控派射方法在聚酰亞胺基體上(基體尺寸為長100mm，寬100mm，基體厚度0.6mm)制備230nm厚純鎢(W)薄膜，取出樣品發(fā)現(xiàn)整個薄膜表面下凹，可以判斷薄膜處于殘余拉應力狀態(tài)，利用X射線衍射應力儀測得樣品的實際殘余應力為壓應力768MPa。將兩個相同樣品中的一個樣品膜面朝上置于附圖2所示的凸模上，使膜基體系處于凸起狀態(tài)，兩端固定，然后在氬氣氣氛保護爐內(nèi)退火，退火溫度260°C，退火時間100分鐘，隨爐冷卻后取出薄膜。這樣可以使薄膜內(nèi)部應力接近處于平衡狀態(tài)，減少由于應力釋放驅(qū)動導致的裂紋形成。將另一個樣品直接放入氣氛爐內(nèi)不施加應力退火，退火溫度260°C，退火時間100分鐘，隨爐冷卻后取出薄膜。對2個樣品退火后進行掃描電鏡觀察，分析表明，與不施加預應力的傳統(tǒng)退火處理相比，施加預應力退火后樣品單位面積內(nèi)裂紋數(shù)量減少了51%，裂紋平均長度減小了 60%，達到了抑制退火過程中由于殘余拉應力釋放導致W薄膜表面開裂的效果。
[0017]實施例2
采用磁控派射方法在聚酰亞胺基體上(基體尺寸為長100mm，寬100mm，基體厚度0.6mm)制備300nm厚純鎢(W)薄膜，取出樣品發(fā)現(xiàn)整個薄膜表面下凹，可以判斷薄膜處于殘余拉應力狀態(tài)，利用X射線衍射應力儀測得樣品的實際殘余應力為壓應力709MPa。將兩個相同樣品中的一個樣品膜面朝上置于附圖4所示的凸模上，使膜基體系處于凸起狀態(tài)，兩端固定，然后在氬氣氣氛保護爐內(nèi)退火，退火溫度320°C，退火時間30分鐘，隨爐冷卻后取出薄膜。這樣可以使薄膜內(nèi)部應力接近處于平衡狀態(tài)，減少由于應力釋放驅(qū)動導致的裂紋形成。將另一個樣品直接放入氣氛爐內(nèi)不施加應力退火，退火溫度320°C，退火時間30分鐘。隨爐冷卻后取出薄膜樣品。對2個樣品退火后進行掃描電鏡觀察，分析表明，與不施加預應力的傳統(tǒng)退火處理相比，施加預應力退火后樣品單位面積內(nèi)裂紋數(shù)量平均減少了 56%，裂紋平均長度減小了 78%，達到了抑制退火過程中由于殘余拉應力釋放導致W薄膜表面開裂的效果。
[0018]實施例3
采用磁控派射方法在聚酰亞胺基體上(基體尺寸為長100mm，寬100mm，基體厚度0.6mm)制備260nm厚純鉬(Mo)薄膜，取出樣品發(fā)現(xiàn)整個薄膜表面下凹，可以判斷薄膜處于殘余拉應力狀態(tài)，利用X射線衍射應力儀測得樣品的實際殘余應力為拉應力629MPa。將兩個相同樣品中的一個樣品膜面朝上置于附圖3所示的凸模上，使膜基體系處于凸起狀態(tài)，兩端固定，然后在氬氣氣氛保護爐內(nèi)退火，退火溫度280°C，退火時間50分鐘，隨爐冷卻后取出薄膜。這樣可以使薄膜內(nèi)部應力接近處于平衡狀態(tài)，減少由于應力釋放驅(qū)動導致的裂紋形成。將另一個樣品直接放入氣氛爐內(nèi)不施加預應力退火，退火溫度280°C，退火時間50分鐘，隨爐冷卻后取出薄膜樣品。對2個樣品退火后進行掃描電鏡觀察，分析表明，與不施加預應力的傳統(tǒng)退火處理相比，施加預應力退火后樣品單位面積內(nèi)裂紋數(shù)量平均降低了 49%，裂紋平均長度減小了 75%，達到了抑制退火過程中由于殘余拉應力釋放導致Mo薄膜表面開裂的效果。
【主權項】
1.一種減少柔性基體上高熔點金屬薄膜產(chǎn)生裂紋的方法，其特征在于，將易產(chǎn)生裂紋的具有殘余拉應力的高熔點金屬薄膜和其附著的柔性基體進行退火處理，以減少裂紋的產(chǎn)生，所述的退火處理操作為:將柔性基體和其上的高熔點金屬薄膜以膜面朝上的方式兩端固定，中部用向上凸起的凸模頂起，使高恪點金屬薄膜與凸模緊密接觸，從而對金屬薄膜施加預應力，然后在真空爐內(nèi)或氣氛保護爐內(nèi)加熱退火，退火溫度為260°C -320°c，退火時間30-100min，以使薄膜內(nèi)部應力接近平衡狀態(tài)，從而減少由于應力釋放及熱能驅(qū)動薄膜原子擴散導致的薄膜開裂。2.根據(jù)權利要求1所述的一種減少柔性基體上高熔點金屬薄膜產(chǎn)生裂紋的方法，其特征在于:所述具有殘余拉應力的高熔點金屬薄膜是指，從外觀上看表面下凹的高熔點金屬薄膜。3.根據(jù)權利要求1所述的一種減少柔性基體上高熔點金屬薄膜產(chǎn)生裂紋的方法，其特征在于:所述柔性基體為柔性聚酰亞胺基體。4.根據(jù)權利要求1所述的一種減少柔性基體上高熔點金屬薄膜產(chǎn)生裂紋的方法，其特征在于:所述凸模具有一弧形的凸起部(I)和位于兩側(cè)的用于卡緊柔性基體及其上金屬薄膜的卡緊部(2)。
【專利摘要】一種減少柔性基體上高熔點金屬薄膜產(chǎn)生裂紋的方法，將易產(chǎn)生裂紋的具有殘余拉應力的高熔點金屬薄膜和其附著的柔性基體施加一定的預應力，然后在真空爐內(nèi)或氣氛保護爐內(nèi)加熱退火，退火溫度為260℃-320℃，退火時間30-100min，以使薄膜內(nèi)部應力接近平衡狀態(tài)，從而減少由于應力釋放及熱能驅(qū)動薄膜原子擴散導致的薄膜開裂。本發(fā)明通過對柔性基體上高熔點金屬薄膜施加預應力并進行退火處理，有效抑制了退火過程中高熔點金屬薄膜由于較大殘余拉應力釋放導致的薄膜開裂現(xiàn)象，為獲得高穩(wěn)定性、高壽命柔性聚酰亞胺基體上高熔點金屬薄膜器件提供了技術支撐。
【IPC分類】B32B27/28, B32B37/06, B32B37/10, B32B15/08
【公開號】CN105082662
【申請?zhí)枴緾N201510444591
【發(fā)明人】孫浩亮, 何孟杰, 王廣欣, 宋忠孝, 魏明, 謝敬佩
【申請人】河南科技大學
【公開日】2015年11月25日
【申請日】2015年7月27日