PI衬底上电沉积Cu薄膜的晶面择优取向

2009-09-06 吉锐暨南大学物理系

　　采用硫酸盐电沉积法，利用X 射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）等手段研究了不同电沉积条件下在PI 膜表面制备的Cu薄膜的晶面择优取向、平均晶粒尺寸及表面形貌。结果表明，沉积层的晶面择优取向受Cu薄膜厚度和电流密度影响，电流密度较小（0.2A/dm2）和较大（3.5～5.5 A/dm2）时，电沉积Cu膜分别容易得到（111）和（220）晶面择优取向，较大电流密度有利于晶核的形成，薄膜表面平均颗粒尺寸较小。

　　柔性印刷电路板(Flexible Printed Circuitboard-FPCB) 因其轻、薄、柔韧性好而被广泛应用于电子产品中。柔性覆铜板(Flexible CopperClad Lamination FCCL)是生产柔性印刷电路板的基本材料，按产品结构不同，FCCL分为二层FCCL（2L-FCCL）和三层FCCL(3L- FCCL)。由于取消中间的胶粘剂，除了电性能和机械力学性能基本相同外，2L-FCCL 比3L-FCCL 更薄，而且耐温性能更好、尺寸稳定性更好、耐锡焊性更强。

　　目前2L-FCCL的生产工艺主要有溅镀法（Sputtering），层压法(Lamination)，预铸覆涂法(Casting)及电沉积法(electro- deposition)。电沉积法具有独特的优势，如设备简单，可在常温下进行大面积制备，效率高等，因此成为大规模工业生产的常用方法。Cu膜的电沉积过程中，由于各个晶面的生长速度不同，将会出现晶面的择优取向现象，织构度受电沉积条件影响。因此，Cu薄膜微观结构的研究对2L- FCCL 的生产工艺的探索非常重要。

　　本文采用磁控溅射———电沉积法在聚酰亚胺（PI）膜表面上制备Cu薄膜。采用直流磁控溅射法在PI膜表面上预镀Cu导电膜，为在PI膜表面上电沉积Cu膜提供导电层，然后通过电沉积方法，控制不同电沉积条件制备Cu薄膜，重点研究Cu薄膜的厚度和电流密度对Cu薄膜的晶面择优取向、平均晶粒尺寸及表面形貌的影响。

1、实验

1.1、样品制备

　　采用直流磁控溅射法在PI衬底上溅镀一层250nm 厚的Cu导电膜层，为在绝缘的PI表面上进行电沉积提供导电膜层，然后采用直流电沉积法，控制电流密度和沉积时间制备Cu薄膜。电解液为硫酸盐溶液，CuSO4浓度220g/L，H2SO4浓度1cc/L，Cl-离子100ppm/L，添加剂CS980适量，电解液温度30℃，电极间距150mm。电流密度范围选用0.2～5.5A/dm ，通过控制沉积时间得到不同膜厚的Cu 薄膜，样品编号见表1，其中8# 样品为只进行溅镀未进行电镀的PI-Cu膜。

表1 实验条件及样品

实验条件及样品

1.2、样品测试

　　采用日本理学Riguku-D/max-γB 型X 射线衍射仪（XRD）研究薄膜的晶体结构，X射线源采用Cu靶Kα 线（λ=0.15418 nm），用美国Ambios（XP-2）台阶仪测测试薄膜厚度，用广州半导体材料研究所SDY- 5 型双电测四探针测试仪测量薄膜的方块电阻，用荷兰Philips XL- 30FEG 型扫描电镜（SEM）表征样品表面形貌。

2、结果与讨论

2.1、Cu薄膜厚度对薄膜的方块电阻及电阻率的影响

　　用双电四探针测试仪测量1#、2#、3# 和4#样品的方块电阻，其结果如图1所示，电流密度为3.5A/dm2时，随着薄膜厚度的增大，薄膜方块电阻逐渐变小，薄膜厚度小于2um时，薄膜方块电阻受厚度的影响比较大，薄膜厚度大于2um时，薄膜的方块电阻逐渐趋于稳定，方块电阻值小于0.02Ω。

　　根据公式ρ=R□(d/F)计算薄膜电阻率ρ，式中R□为薄膜的方块电阻，d为薄膜厚度，F 为无量纲几何因子（F≈1），测量并计算得到样品1#、2#、3# 和4#的薄膜电阻率随薄膜厚度的变化关系图（图1）。薄膜厚度增大，薄膜电阻率变小，说明膜层电导性增强，当薄膜厚度小于2.0 um 时，薄膜电阻率受薄膜厚度的影响比较大，薄膜厚度大于2um时，薄膜的方块电阻率随厚度的变化比较缓慢，方块电阻率小于3.7uΩ·cm。

方块电阻和方块电阻率与薄膜厚度的关系