[发明专利]一种非晶Cu-Ta纳米多层膜及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种非晶Cu‑Ta纳米多层膜及其制备方法和应用。所述纳米多层膜由两种不同结构的非晶层交替叠加形成；任意一非晶层中同时含有Cu和Ta。所述纳米多层膜中，相接触的两种不同结构的非晶层成分连续过渡。其制备方法为：首先以纯Cu、纯Ta作为靶材；选择衬底；将靶材固定于靶头上，调整两靶的高度及角度使两靶中心聚焦于样品台的中心；将衬底放置于样品台的设定位置上；然后抽真空，通入保护气体；通过磁控溅射聚焦共沉积法在衬底上沉积薄膜；沉积薄膜时，转动样品台；得到设定结构的Cu‑Ta非晶纳米多层膜。本发明所设计和制备的产品，其应用领域包括将其用于材料表面抗摩擦磨损防护、固体润滑、电子封装扩散阻挡层、热电界面中的至少一种。

技术领域

本发明涉及一种非晶Cu-Ta纳米多层膜及其制备方法和应用；属于新结构材料设计制备技术领域。

背景技术

金属纳米多层膜是由两种或多种金属相互交替构成的人工材料。因单层厚度在纳米量级，常具有特殊的界面结构和应力状态，在力学、电学、光学和磁学等方面性能优良，在微电子和微机械领域得到广泛应用，如电子封装、磁记录、高强及硬质耐磨膜层等(Q Zhou,et al.The mechanical behavior of nanoscale metallic multilayers:A survey.ActaMech Sin,2015,31(3):319-337)。铜的导电导热性强、塑性良好，而Ta硬度和熔点高、耐蚀性好，因此与许多铜和过渡族元素构成的薄膜相似，Cu-Ta复合膜及多层膜亦因其特殊性能且可调控而深受关注。例如，Cu-Ta多层膜被报道在电阻率和力学性能等方面都存在尺寸效应(MZ.Weiet al.Anomalous plastic deformation in nanoscale Cu/Tamultilayers.Materials Science&Engineering A,2014,598(6):355-359.)。

Cu-Ta合金由于其混合焓为正，是一种典型的难混溶合金。采用溅射方法制备的合金其结构与成分相关，一般来说，对于复合单层膜，富Cu部分为面心立方结构固溶体(α-Cu(Ta))，富Ta部分为体心立方或β-相固溶体(α-或β-Ta(Cu))，余下中间成分为非晶结构。而Cu-Ta多层膜多为单层的Cu和Ta交替堆垛，结构呈交替有序生长，平直清晰，无明显的成分混合区存在。

目前，采用磁控溅射法制备金属纳米多层膜大多为交替沉积法，即通过切换样品台位置依次在不同溅射靶材下沉积纳米尺度的薄膜层，或交替开关不同溅射靶材的电源及其靶罩下的挡板达到沉积成分周期性变化的目的(CM.Müller,et al.Nanoscale Cu/Tamultilayer deposition by co-sputtering on a rotating substrate.Empiricalmodel and experiment.Surface&Coatings Technology,2016,302:284-292.)。该类方法实施较为繁琐，且制备的多层膜界面明显，成分波动大。特别是当多层膜组分的晶体结构不同或者晶格错配度大时易形成缺陷较多非共格异质界面。此类界面是影响多层膜稳定性以及塑韧性的重要因素。

此外，目前研究较多的金属多层膜多是由单层纯金属堆垛而成，从晶体结构可分为单晶/单晶，多晶/多晶，非晶/多晶，非晶/非晶纳米多层膜。其中非晶多层膜由于其优异的磁学、力学、以及光电性能，已经在多个领域得到应用。但单层膜为非晶合金且成分连续变化的多层膜还尚未见报道。基于此，一种由单层为不同Cu-Ta非晶结构堆垛而成的、两相界面平滑、成分连续波动的非晶纳米多层膜的新结构材料在此背景下被提出。