激光冲击波诱发提高铜纳米薄膜电性能的工艺及机理

以磁控溅射后的铜纳米薄膜为对象，利用激光冲击波产生的应力和形变诱发其产生亚结构组织变化。借助于显微组织分析的试验手段，从孪晶生长理论、位错学理论和金属物理学等角度，进一步分析研究激光冲击波诱发纳米铜薄膜亚结构组织孪晶的生长方式、形态及分布的形成机理；探索激光冲击影响铜薄膜电学性能变化的微观机制；优化激光冲击提高薄膜材料电学性能的工艺参数与技术路径；从冲击动力学、界面力学、物理力学等出发，建立表征激光冲击工艺参数对薄膜与基体之间结合力相互影响的数学模型。通过该项研究预期能进一步丰富激光冲击诱发纳米薄膜相变机制理论，总结出激光冲击提高纳米薄膜电学性能的新机理，同时开辟激光冲击波技术在微纳米薄膜领域应用的新工艺新技术。

本项目重点以提高电子线路连线铜材料的机械和电学性能为目的，研究设计制备了一种电子线路所用的纳米铜薄膜材料，通过优化磁控溅射工艺参数，获得了高质量的纳米铜薄膜材料，其晶粒尺寸在20~50nm，屈服强度为600MPa，断裂强度为610MPa，平均电阻率为1.12×10-8 Ω•m。通过优化激光冲击纳米铜薄膜的工艺参数，其屈服强度为950MPa，断裂强度为1120 MPa，分别提高了58.3%，83.6%；平均电阻率为0.858×10-8 Ω•m，降低了22.5%左右。通过SEM、TEM和XRD分析，研究了磁控溅射参数和激光微冲击对纳米铜薄膜的组织织构、机械和电学性能的影响机理。结果表明：孪晶、空位点缺陷和层错的存在是其机械性能提高的根本原因；纳米铜薄膜中孪晶、孪晶界和晶粒“长大”的存在是其电学性能提高的原因。其次，我们还开展了激光冲击波诱发ZnO纳米压电薄膜电学性能的研究，结果表明：经激光冲击的ZnO纳米压电薄膜其压敏电压降低幅度为44.40%；非线性系数提高幅度为50.65%；漏电流密度降低幅度为30.77%。最后，开展激光冲击波诱发纳米铝薄膜电学性能的研究，结果表明，利用磁控溅射制备的铝纳米薄膜经激光冲击处理后其电阻率可以降低到20.42%。电子产品的集成化和微型化是所有具有控制系统的器件与装备的发展趋势，电子连线材料及器件的机械和电学性能的有效提高是集成电路能否实现大规模和高度集成的关键技术。因此，我们开展的激光冲击波诱发薄膜材料提高其电学性能机理与技术研究，丰富了在超高压和高应变率条件下应力和形变诱发提高纳米薄膜与器件材料电学性能的理论，同时也具有广阔的技术应用前景和潜在的社会和经济效益。