W基W-Cu薄膜組織結(jié)構(gòu)演變及性能研究.pdf

1、W-Cu薄膜是典型的互不固溶的難混溶體系合金薄膜，具有高導(dǎo)熱、導(dǎo)電性和高強(qiáng)度、低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，在電子封裝及擴(kuò)散阻擋層等方面有廣闊的應(yīng)用前景。因此，研究W-Cu薄膜的組織結(jié)構(gòu)特征及其演變規(guī)律，并探討其對(duì)性能的影響具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和工程意義。本文通過(guò)XRD、TEM等方法對(duì)W含量為75at.％的W-Cu薄膜的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，研究了雙靶磁控濺射共沉積技術(shù)中不同襯底溫度及沉積時(shí)間對(duì)W-Cu薄膜微觀結(jié)構(gòu)的影響;并采用納米壓痕儀等對(duì)薄膜的力

2、學(xué)性能等進(jìn)行了測(cè)試。主要研究結(jié)果如下:
　　沉積初期，W-Cu薄膜處于亞穩(wěn)態(tài)，且在相同襯底溫度下沉積速率約為1.0nm/s時(shí)，隨沉積時(shí)間由10秒增加到30秒，薄膜微觀結(jié)構(gòu)由最初的非晶態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)。當(dāng)襯底溫度低于150℃時(shí)，Cu在W中的固溶度隨沉積時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸增加，但當(dāng)襯底溫度為400℃時(shí)，Cu的固溶度隨時(shí)間增加反而下降;當(dāng)沉積時(shí)間相同時(shí)，W-Cu薄膜隨襯底溫度升高逐漸由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)，Cu在W中的固溶度隨襯底溫度升高到15

3、0℃逐漸增加，到達(dá)400℃后固溶度反而減小。
　　采用磁控濺射技術(shù)濺射出來(lái)的靶材原子能量足以在到達(dá)襯底前進(jìn)行原子級(jí)混合，使沉積的W-Cu薄膜成分分布均勻，首先形成能量較低的非晶態(tài)，隨沉積時(shí)間延長(zhǎng)及襯底溫度升高，沉積原子能量因碰撞和溫升逐漸增大，足以克服Cu、W原子固溶的能量勢(shì)壘，因此薄膜逐漸晶化，并形成亞穩(wěn)態(tài)固溶體;通過(guò)阿倫尼烏斯方程和擴(kuò)散程公式計(jì)算，在沉積初期當(dāng)溫度低于150℃時(shí)，W原子擴(kuò)散距離小于10-7 nm，處于“冷凍”狀

4、態(tài)，Cu原子擴(kuò)散距離隨沉積時(shí)間及襯底溫度增加而增大，且均大于10-1 nm，固溶度隨之增加。隨著溫度進(jìn)一步增加到400℃，W原子被“激活”，減小了對(duì)Cu的束縛，從而使固溶于W中的Cu原子有團(tuán)聚的趨勢(shì)，導(dǎo)致固溶度下降。
　　分析薄膜電學(xué)性能發(fā)現(xiàn)，隨沉積時(shí)間和溫度增加，薄膜致密度及平整度逐漸提高，電阻不均勻度減小;同時(shí)，薄膜逐漸從非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)，薄膜有序度升高，故導(dǎo)致電阻率降低。分析相同沉積時(shí)間、不同襯底溫度下的W-Cu薄膜的力學(xué)性