Cu-Nb納米多層膜制備及熱穩(wěn)定性研究.pdf

1、納米多層膜因其迥異的力學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、電學(xué)性能而得到廣泛應(yīng)用。由于納米多層膜要長(zhǎng)期處于高溫的苛刻環(huán)境中,因此納米多層膜的熱穩(wěn)定性研究具有很重要的意義。本課題選取不互溶型 Cu/Nb納米多層膜作為研究對(duì)象,制備了單層膜厚為75 nm的納米多層膜,并對(duì)其熱穩(wěn)定性進(jìn)行研究。同時(shí),設(shè)計(jì)了單晶或大晶?；咨襄兡さ娜纥c(diǎn)模型,計(jì)算三叉點(diǎn)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。
　　本文首先通過(guò)磁控濺射法在單晶硅(100)基體上制備單層膜厚為75 nm的Cu/Nb多層膜

2、,并對(duì)其進(jìn)行退火處理,退火溫度為700℃,退火時(shí)間為1 h。通過(guò)透射電鏡、X射線衍射儀及能譜儀表征了多層膜退火前后的界面形貌、結(jié)構(gòu)及成分。沉積態(tài)Cu/Nb多層膜界面結(jié)構(gòu)清晰,內(nèi)部晶粒為柱狀晶。Cu的擇優(yōu)沉積面為(111),Nb的擇優(yōu)沉積面為(110)。700℃退火后基底中的Si原子擴(kuò)散到多層膜中,破壞了多層膜原有的層狀結(jié)構(gòu),直接影響了多層膜的熱穩(wěn)定性。
　　在基底與多層膜之間通過(guò)反應(yīng)磁控濺射法鍍上厚度為100 nm的NbN薄膜作為

3、擴(kuò)散阻擋層可以有效延緩多層膜與Si基底之間的擴(kuò)散。利用X射線衍射儀、掃描電鏡、X射線光電子能譜分析等實(shí)驗(yàn)方法對(duì)(Cu/Nb多層膜)/NbN擴(kuò)散阻擋層/Si體系沉積態(tài)及退火之后的結(jié)構(gòu)、形貌及成分進(jìn)行了表征。結(jié)果表明,NbN是一種很有潛力的擴(kuò)散阻擋層的材料。即使退火溫度升高到700℃,(Cu/Nb多層膜)/NbN/Si體系中依然沒(méi)有明顯的Cu-Si化合物出現(xiàn),界面結(jié)構(gòu)依舊清晰。當(dāng)退火溫度為750℃時(shí),NbN擴(kuò)散阻擋層失效。NbN擴(kuò)散阻擋層失

4、效主要與原子沿晶界擴(kuò)散有關(guān)。同時(shí),退火過(guò)程中由于不同膜層材料的熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力加速了原子擴(kuò)散。
　　三叉點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)影響多層膜界面結(jié)構(gòu)演化,進(jìn)而影響多層膜的熱穩(wěn)定性。利用單晶或者大晶?；咨襄兡さ木Ы?、相界三叉點(diǎn)模型可以原位考察三叉點(diǎn)的平衡與不平衡運(yùn)動(dòng),計(jì)算三叉點(diǎn)的遷移率及其他動(dòng)力學(xué)參量。單晶和大晶粒Cu基底通過(guò)冷變形Cu異常晶粒長(zhǎng)大的方法制備。目前實(shí)驗(yàn)制備得到的最大晶粒尺寸為5.5 mm。同時(shí),本文還在Mullins理論