PI襯底上電沉積Cu薄膜的晶面擇優(yōu)取向

2009-09-06 吉銳暨南大學(xué)物理系

　　采用硫酸鹽電沉積法，利用X 射線衍射儀（XRD）、掃描電鏡（SEM）等手段研究了不同電沉積條件下在PI 膜表面制備的Cu薄膜的晶面擇優(yōu)取向、平均晶粒尺寸及表面形貌。結(jié)果表明，沉積層的晶面擇優(yōu)取向受Cu薄膜厚度和電流密度影響，電流密度較�。�0.2A/dm2）和較大（3.5～5.5 A/dm2）時，電沉積Cu膜分別容易得到（111）和（220）晶面擇優(yōu)取向，較大電流密度有利于晶核的形成，薄膜表面平均顆粒尺寸較小。

　　柔性印刷電路板(Flexible Printed Circuitboard-FPCB) 因其輕、薄、柔韌性好而被廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中。柔性覆銅板(Flexible CopperClad Lamination FCCL)是生產(chǎn)柔性印刷電路板的基本材料，按產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不同，F(xiàn)CCL分為二層FCCL（2L-FCCL）和三層FCCL(3L- FCCL)。由于取消中間的膠粘劑，除了電性能和機械力學(xué)性能基本相同外，2L-FCCL 比3L-FCCL 更薄，而且耐溫性能更好、尺寸穩(wěn)定性更好、耐錫焊性更強。

　　目前2L-FCCL的生產(chǎn)工藝主要有濺鍍法（Sputtering），層壓法(Lamination)，預(yù)鑄覆涂法(Casting)及電沉積法(electro- deposition)。電沉積法具有獨特的優(yōu)勢，如設(shè)備簡單，可在常溫下進行大面積制備，效率高等，因此成為大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的常用方法。Cu膜的電沉積過程中，由于各個晶面的生長速度不同，將會出現(xiàn)晶面的擇優(yōu)取向現(xiàn)象，織構(gòu)度受電沉積條件影響。因此，Cu薄膜微觀結(jié)構(gòu)的研究對2L- FCCL 的生產(chǎn)工藝的探索非常重要。

　　本文采用磁控濺射———電沉積法在聚酰亞胺（PI）膜表面上制備Cu薄膜。采用直流磁控濺射法在PI膜表面上預(yù)鍍Cu導(dǎo)電膜，為在PI膜表面上電沉積Cu膜提供導(dǎo)電層，然后通過電沉積方法，控制不同電沉積條件制備Cu薄膜，重點研究Cu薄膜的厚度和電流密度對Cu薄膜的晶面擇優(yōu)取向、平均晶粒尺寸及表面形貌的影響。

1、實驗

1.1、樣品制備

　　采用直流磁控濺射法在PI襯底上濺鍍一層250nm 厚的Cu導(dǎo)電膜層，為在絕緣的PI表面上進行電沉積提供導(dǎo)電膜層，然后采用直流電沉積法，控制電流密度和沉積時間制備Cu薄膜。電解液為硫酸鹽溶液，CuSO4濃度220g/L，H2SO4濃度1cc/L，Cl-離子100ppm/L，添加劑CS980適量，電解液溫度30℃，電極間距150mm。電流密度范圍選用0.2～5.5A/dm ，通過控制沉積時間得到不同膜厚的Cu 薄膜，樣品編號見表1，其中8# 樣品為只進行濺鍍未進行電鍍的PI-Cu膜。

表1 實驗條件及樣品

實驗條件及樣品

1.2、樣品測試

　　采用日本理學(xué)Riguku-D/max-γB 型X 射線衍射儀（XRD）研究薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，X射線源采用Cu靶Kα 線（λ=0.15418 nm），用美國Ambios（XP-2）臺階儀測測試薄膜厚度，用廣州半導(dǎo)體材料研究所SDY- 5 型雙電測四探針測試儀測量薄膜的方塊電阻，用荷蘭Philips XL- 30FEG 型掃描電鏡（SEM）表征樣品表面形貌。

2、結(jié)果與討論

2.1、Cu薄膜厚度對薄膜的方塊電阻及電阻率的影響

　　用雙電四探針測試儀測量1#、2#、3# 和4#樣品的方塊電阻，其結(jié)果如圖1所示，電流密度為3.5A/dm2時，隨著薄膜厚度的增大，薄膜方塊電阻逐漸變小，薄膜厚度小于2um時，薄膜方塊電阻受厚度的影響比較大，薄膜厚度大于2um時，薄膜的方塊電阻逐漸趨于穩(wěn)定，方塊電阻值小于0.02Ω。

　　根據(jù)公式ρ=R□(d/F)計算薄膜電阻率ρ，式中R□為薄膜的方塊電阻，d為薄膜厚度，F(xiàn) 為無量綱幾何因子（F≈1），測量并計算得到樣品1#、2#、3# 和4#的薄膜電阻率隨薄膜厚度的變化關(guān)系圖（圖1）。薄膜厚度增大，薄膜電阻率變小，說明膜層電導(dǎo)性增強，當(dāng)薄膜厚度小于2.0 um 時，薄膜電阻率受薄膜厚度的影響比較大，薄膜厚度大于2um時，薄膜的方塊電阻率隨厚度的變化比較緩慢，方塊電阻率小于3.7uΩ·cm。

方塊電阻和方塊電阻率與薄膜厚度的關(guān)系