Analysis of the influence of structure on mechanical properties of multilayer Ni/Cu thin films for use in microelectronic technologies

Abstract

Multilayer Ni/Cu thin films were produced by dual-bath electrodeposition technique (DBT) on polycrystalline cold-rolled Cu substrate. Different Ni/Cu multilayer structures were realized by changing of process parameters such as total film thickness, sublayer thickness and Ni/Cu sublayer thickness ratio. The mechanical properties of Vickers microhardness and interfacial adhesion in the films were investigated. Decreasing of sublayer thickness down to 300 nm and increasing of Ni:Cu sublayer thickness ratio to 1:4, lead to higher values of Vickers microhardness compared to monolayer metal films. Thin films with sublayer thicknesses from 75 nm to 5 μm show strong interfacial adhesion. A weak adhesion and sublayer exfoliation for the films with sublayer thickness greater than 5μm were found. Three-dimensional Ni microstructures can be fabricated using multilayer Ni/Cu film by selective etching of Cu layers in an acidic thiourea solution ('surface micromachining' technique).

Tehnikom elektrohemijske depozicije iz dva kupatila (dual-bath technique, DBT), dobijeni su višeslojni filmovi Ni i Cu, naizmeničnim deponovanjem na polikristalni, hladno-valjani bakarni supstrat. Različite strukture Ni/Cu višeslojnih filmova su ostvarene promenom procesnih parametara kao što su ukupna debljina filma, debljina pojedinačnog sloja u filmu i odnos debljina pojedinačnih slojeva Ni i Cu u filmu. Ispitana su mehanička svojstva mikrotvrdoće po Vikersu i adhezije filma na supstratu i kontaktnim površinama slojeva u filmu. Smanjenjem debljine pojedinačnog sloja do 300 nm i povećanjem odnosa debljina slojeva Ni:Cu na 1:4, došlo se do višestrukog povećanja vrednosti Vikersove mikrotvrdoće u odnosu na jednoslojne metalne filmove. Tanki slojevi Ni i Cu sa debljinom od 75 nm do 5 μm pokazuju dobru međuslojnu adheziju. Filmovi sa debljinom slojeva većom od 5 μm, nemaju dobru međuslojnu adheziju i uočava se delaminacija (razdvajanje) slojeva. Sve strukture višeslojnih filmova Ni i Cu se mogu primeniti za izradu trodimenzionalnih MEMS struktura od Ni, metodom selektivnog nagrizanja slojeva Cu u kiselom rastvoru tiouree tehnikom 'površinskog mikromašinstva'.