磁控溅射铜薄膜微观结构对其电爆性能的影响

12152_________________________________^^^______#____________________2016 年第 12 期（47)卷文章编号：1001-9731 (016) 12-12152-05磁控溅射铜薄膜微观结构对其电爆性能的影响~胡云钦，邱林俊，代波，魏贤华，任勇，葛妮娜，龙震(西南科技大学四川省非金属复合与功能材料重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地，四川绵阳621010)摘要：采用直流磁控溅射法在不同溅射功率和工作气压条件下沉积C U薄膜，对其进行X射线衍射、原子力 显微镜、电阻率测试，分析了工艺参数对C U薄膜的沉积速率、微观结构和电阻率的影响。

通过紫外光刻技术将 C U薄膜制成桥箔，采用电爆测试平台获得CU桥箔的电爆参数，研究了 CU薄膜的晶粒尺寸、择优取向对其电爆性 能的影响。

结果表明：随溅射功率的增大，CU薄膜的沉积速率增加、晶粒尺寸增大、〇!(111)晶面择优取向特性变 差，且电阻率降低；随溅射工作气压增大，C U薄膜的沉积速率降低、晶粒尺寸减小、C U(11)晶面择优取向越明显，且电阻率增加。

对于相同桥区参数的CU桥箔，晶粒尺寸越小，其爆发时刻就越早；C u(111)晶面择优取向越明 显，其爆发电流和峰值功率就会越大。

关键词：C u薄膜；磁控溅射；桥箱；电爆性能中图分类号：0484; T J450.4 文献标识码：A D O I：10.3969/j.issn.1001-9731.2016.12.0250引言爆炸桥箔是冲击片雷管的核心元件，在起爆系统 中起到能量转换的作用：（1)吸收起爆回路输出的脉冲能量，产生金属电爆炸[];2)通过电爆炸产生等离子体膨胀，剪切并驱动平整飞片高速飞行。

国内外实 验研究发现[4]，爆炸桥箔的材料、形状、桥区尺寸及厚 度等参数是影响能量利用率及驱动飞片质量的关键因 素。

目前用于爆炸桥箔的材料主要为铜，因为铜具有 良好的电爆性能，且加工方便，成本可控。

不同的铜箔 制造工艺，在微观上会影响铜箔的晶体结构，进而影响 到铜箔的电爆性能。

2009年张方等[]比较了不同制 造工艺包括压延、电镀、化学镀以及磁控溅射对铜箔电 爆性能的影响，发现磁控溅射铜箔具有较好的电爆性能和较低的50%发火电压，薄膜的晶粒尺寸、晶界数 量、晶界电阻、择优取向可能是影响薄膜电爆炸性能的 重要敏感参量；015年郭菲等[]比较了磁控溅射与电 子束蒸发制备的铜箔，发现磁控溅射铜箔的晶粒尺寸更小，电阻率高17%，沉积速率更快，制成的爆炸桥箔 驱动飞片速度更高。

由此可见，磁控溅射工艺是目前冲击片雷管所用铜箔的最优选制造工艺，而不同溅射 参数对薄膜的结构、形貌和性能有着重要影响[7]。

但 是关于磁控溅射工艺参数与铜薄膜生长、组织特征和 电爆性能之间关系的系统研究还鲜有报道，有必要进 行深入的研究。

为此，本文采用直流溅射法在不同磁控溅射功率和工作气压条件下沉积了 C u薄膜，分析了 C u薄膜的沉积速率、微观结构、电阻率与磁控溅射沉积条件的关 系，并研究了 C u薄膜的晶粒尺寸、择优取向对其电爆 性能的影响。

1实验1.1 C u薄膜的制备本文采用磁控溅射仪，沈科仪器厂，JG P450,选择 不同溅射功率和不同工作气压条件，在单面抛光氧化硅片（10 m m X10 m m X0.5 mm)上沉积C u薄膜。

溅 射前，将硅片依次用丙酮、酒精、去离子水进行超声清洗，时间均为10 min，然后用氮气吹干，密封待用。

溅 射使用靶材为金属C u靶（纯度99.99%)，靶与基片距 离约为5cm。

本底真空度优于4X10-4P a，溅射工作 气体是高纯氩气（A r，纯度为99. 999%)气体流量约为40.0mL/min。

首先固定工作气压为0.4Pa，在溅射 功率分别为50，110和240 W条件下进行溅射。

然后固 定溅射功率为110 W，在工作气压分别为0.2,0.4和 0.8Pa条件下进行溅射。

基底温度为室温，沉积C u薄 膜厚度均为500 nm。

采用紫外光刻技术将C u薄膜刻 蚀成蝴蝶形的爆炸桥箔，其桥区的长为600 ^!^、宽为 500 jum，桥膜厚度为500 nm。

1.2样品的性能及表征采用 X 射线衍射仪，X R D，P A N aly tiCa l，X’p ert- p r o，表征薄膜的晶粒尺寸并分析择优取向；采用原子 力显微镜，A F M，S E IK O，S P I3800N，研究薄膜表面形貌；采用台阶仪，B R U K E R，D e k ta k-X T，测试薄膜厚度，用四探针法，B K T-1H磁电阻测量仪，测定薄膜的*基金项目：四川省非金属复合与功能材料重点实验室开放基金资助项目（14Z X py04);四川省非金属复合有功能材料重点实验 室科研创新团队建设基金资助项目（14tdfk07)收到初稿日期：2015-12-22 收到修改稿日期：2016-05-13 通讯作者：代波，E-mail:daibo@ 作者简介：胡云钦（1991 -)，男，四川乐山人，在读硕士，师承代波教授，从事薄膜材料研究。

50100 150 200250Sputtering power/W(a) Different sputtering power率条件下沉积C u 薄膜的X 射线衍射图。

Sputtering pressure/Pa(b) Different sputtering pressure图1不同溅射工艺下C u 薄膜的沉积速率曲线Fig 1 The deposition rate curve with different sputte ­ring process由图1(a )可知，随溅射功率由50 W 增大到240 W ，C u 薄膜沉积速率由0.94 nm /s 增加到4.93 nm /s 。

在 较大的溅射功率条件下，阴阳极电压增大，氩离子加速 轰击靶材，从而导致沉积速率增大。

由图1(b )可知， 随工作气压由0.P a 增大到0.8P a ，C u 薄膜沉积速率 由2.46nm /s 降低到1.81nm /s 。

因为溅射工作气压 增大，电离出的氩离子数量增加，导致溅射出的靶材粒 子碰撞几率增大、能量降低，致使粒子沉积到基片的数 量减少。

2.不同溅射功率下C u 薄膜的微观结构及电阻率本文采用X 射线衍射仪表征了 C u 薄膜的相结 构，利用X 射线衍射数据，根据Scherrer 公式[8]对Cu (111)晶面分析可得C u 薄膜的晶粒尺寸。

C u 薄膜织 构可用（111)与（200)晶面衍射峰强的比值[Ja n ) /]来表征，比值越大，织构越明显[]。

图2所示是溅射工作气压为0.4 P a ，不同溅射功电阻率;采用电爆测试平台获得桥箔的电爆曲线，并得 到桥箔的爆发时刻、爆发电流及峰值功率等。

2结果与讨论2.1 C u 薄膜的沉积速率沉积速率是表征磁控溅射技术制备薄膜的一个重 要参数，它是指单位时间内生长薄膜的厚度。

在本文 中，不同溅射工艺的沉积时间均为3 min ，用台阶仪可 测得所沉积C u 薄膜的厚度，利用公式d v =—t可计算得出C u 薄膜的平均沉积速率，结果如图1所示。

图246 4820/(°不同溅射功率下C u 薄膜的X R D 图谱Fig 2 XRD patterns ff the Cu thin films deposited atdifferent sputtering power根据该结果计算出C u 薄膜的晶粒尺寸D 及 (111)与（200)晶面衍射峰的相对强度J (m )/J (2。

)见表 1所示。

图2显示，沉积的薄膜在20为43.3和50.5° 附近均出现较强的衍射峰，分别对应于Cu (111)和Cu (200)晶面衍射峰，且与面心立方C u 标准卡片峰位一 致。

结果表明，随着溅射功率增大，C u 薄膜晶粒尺寸 增大；且Jrn i )/J (200)逐渐减小，表明C u 薄膜沿（111)面 择优取向取向特性变差。

这是由于溅射功率的增加， 到达基片表面溅射粒子的能量越大，越易导致T 型、2 型结构向3型转变[10];同时沉积速率的增加，易导致 薄膜结构缺陷的出现，两方面都能引起C u 薄膜（111) 织构减弱[11]。

表1不同溅射功率下C u 薄膜的X R D 分析结果Table 1 XRD results of the Cu thin films deposited atdifferent sputtering power溅射功率/W晶粒尺寸/nmI (W ) / I (200)5036.62.5611039.519724050.0181图3为不同溅射功率条件下沉积C u 薄膜的AFM 图，可以看到，沉积的C u 薄膜均匀致密，呈尺寸均匀 的立方体颗粒；随着溅射功率增大，薄膜颗粒增大，裂 纹、孔洞等缺陷减少。

本文采用四探针法对C u 薄膜的电阻率进行测 定。

测试时，当电流源（Y L 4001A 电流源）输入小电流 J 时，会在薄膜表面产生电压降U (用H P 34401台式 数字万用表记录）。

对于方形四探针，根据公式2n U ,^ = ln 2X J X d式中，d 为样品薄膜的厚度，在本文中均为500 nm ，可计算薄膜的电阻率。

不同溅射功率条件下沉积C u 薄膜的电阻率测量 结果如表2所示。

由表2可以看出，随着溅射功率增 大，C u 薄膜的电阻率降低，高于铜块体的电阻率 (1.75X 10-8 n • m )。

一般情况下，薄膜材料的电阻率 高于块体材料，这主要是由于薄膜内部缺陷、晶界及晶 粒表面积等对电子传输产生的散射作用而导致的[2]。

胡云钦等：磁控溅射铜薄膜微观结构对其电爆性能的影响1215322222211T W • LUU/a )lBJ U o 5w o d 0a■n .e /-A -s u -u lTw • LUU/a )lBJU o 5w o d 0a图0.4 m 0.6ja m(b) 110 W不同溅射功率下C U 薄膜的A F M 图Fig 3 AFM images of the Cu thin films deposited at different sputtering power 40 42 44 4648 50 52 5420/(° )图4 不同工作气压下C u 薄膜的X R D 图谱 Fig 4 XRD patterns o f the Cu thin fi l ms deposited atdifferent sputtering pressure 表3不同工作气压下C u 薄膜的X R D 分析结果Table 3 XRD results of the Cu thin films deposited atdifferent sputtering pressure 工作气压/Pa晶粒尺寸/nmI (\W ) /1 (200)0.248.31.410.439.51970.836.83.96图5为不同溅射工作气压条件下沉积C u 薄膜的 A F M 图，可以看到，随着工作气压增大，薄膜颗粒减 小，裂纹、孔洞等缺陷增加。