Cu-Zr和Cu-Ta納米多層膜的制備與電-力學(xué)性能研究.pdf

1、納米金屬多層膜由于其組元層的尺度約束與異質(zhì)界面的影響，表現(xiàn)出在力學(xué)，光學(xué)，磁學(xué)與電傳輸上不同于塊體材料的獨(dú)特性能。隨著電子器件的微型化發(fā)展，多層膜充分地體現(xiàn)了納米材料的尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)以及界面效應(yīng)，目前已經(jīng)在超大規(guī)模集成電路和微電子機(jī)械系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。本文采用磁控濺射離子鍍技術(shù)在微電子器件中常用的單晶Si片和柔性聚酰亞胺基片上沉積多層膜，制備了膜層總厚度為1μm，調(diào)制周期(λ=hCu+hx，X=Zr或Ta)為25～350nm，調(diào)制

2、比(η=hCu/hX，X=Zr或Ta)為0.2～10.5的Cu/Zr和Cu/Ta納米多層膜。使用X射線衍射技術(shù)(XRD)及透射電子顯微鏡技術(shù)(TEM)對(duì)多層膜的物相組成，晶體結(jié)構(gòu)以及微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察和分析，使用四探針測(cè)試儀對(duì)多層膜的電阻率進(jìn)行測(cè)量分析，探討微觀組織結(jié)構(gòu)對(duì)多層膜電學(xué)性能的影響，并通過(guò)模型對(duì)其影響機(jī)制進(jìn)行分析。采用微小力拉伸實(shí)驗(yàn)和納米壓入實(shí)驗(yàn)對(duì)多層膜的屈服強(qiáng)度、硬度和彈性模量等力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)量和討論，研究了屈服強(qiáng)度與調(diào)制

3、結(jié)構(gòu)之間的影響關(guān)系，以及硬度和彈性模量隨調(diào)制比的變化規(guī)律。通過(guò)深入研究Cu/Zr、Cu/Ta納米多層膜的微觀結(jié)構(gòu)與電/力學(xué)性能之間影響規(guī)律，其結(jié)果對(duì)實(shí)現(xiàn)納米多層膜性能優(yōu)化具有重要的實(shí)踐意義。
　　 經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在磁控濺射制備樣品的過(guò)程中，沉積速率隨著濺射功率的增大而增大。在濺射功率相等時(shí)，金屬共濺時(shí)的沉積速率比單濺時(shí)的要大。在Cu/Zr和Cu/Ta多層膜中，隨著調(diào)制周期的減小，衍射峰強(qiáng)度逐漸減弱且存在不同程度的寬化，表明晶粒尺

4、寸逐漸減小。隨著調(diào)制比的減小，衍射峰的擇優(yōu)取向趨勢(shì)明顯，Cu衍射峰強(qiáng)度逐漸減弱且寬化，說(shuō)明Cu晶粒尺寸逐漸減小，而Zr和Ta衍射峰寬化逐漸減弱，即Zr和Ta晶粒尺寸逐漸增大。由于本文選取不同晶格結(jié)構(gòu)組合的多層膜，晶格常數(shù)的不同導(dǎo)致晶格畸變，使得衍射峰發(fā)生不同程度的偏移。通過(guò)TEM觀察得知，所制備的多層膜均呈現(xiàn)周期性層狀結(jié)構(gòu)，層界面清晰而平直。隨著調(diào)制周期的減小，晶粒均以極為細(xì)小的納米晶形式存在。隨著調(diào)制比的減小，Cu晶粒尺寸減小，而Zr

5、和Ta的晶粒尺寸則增大。
　　 研究結(jié)果表明，隨著調(diào)制周期和調(diào)制比的減小，電阻率逐漸增大，存在臨界調(diào)制周期和調(diào)制比，使得電阻率增大趨勢(shì)更為顯著，表明多層膜的電學(xué)性能存在明顯的尺寸效應(yīng)。電阻率隨調(diào)制比的變化規(guī)律能較好的符合Fuchs-Sondheimer和Mayadas-Shatzkes(FS-MS)傳輸模型，結(jié)合模型分析可知，當(dāng)調(diào)制周期恒定時(shí)，電阻率隨著調(diào)制比的減小而增大。在小調(diào)制周期下，隨著調(diào)制比η的減小，Cu層厚度減小使得柱

6、狀納米晶的Cu晶粒尺寸減小且晶粒數(shù)量增多，Zr層厚度增大使得納米晶的Zr晶粒數(shù)量增多，多層膜內(nèi)晶界密度增大，晶界散射作用增強(qiáng)，使得電阻率增大。當(dāng)η<1時(shí)，晶面散射系數(shù)R的增大使得模擬值能更好的與η<1時(shí)的電阻率值吻合，晶界散射成為了多層膜電輸運(yùn)的主控機(jī)制。當(dāng)η>1時(shí)，R值和鏡面發(fā)射系數(shù)P值的變化都能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，此時(shí)，晶界散射和界面散射成為主控機(jī)制。因此，納米多層膜存在大量晶界和界面等微觀調(diào)制結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致多層膜晶界散射和界面散射行為的

7、不同，兩者的競(jìng)比關(guān)系導(dǎo)致多層膜存在臨界調(diào)制比，使得多層膜電輸運(yùn)行為的主控機(jī)制隨之發(fā)生轉(zhuǎn)變。
　　 研究表明，Cu/Zr多層膜的屈服強(qiáng)度隨著調(diào)制周期的減小而增大，符合Hall-Petch關(guān)系。而Cu/Ta多層膜的屈服強(qiáng)度隨著調(diào)制周期的減小而減小，符合ReverseHall-Petch關(guān)系。Cu/Zr和Cu/Ta納米多層膜的屈服強(qiáng)度隨調(diào)制周期的變化出現(xiàn)完全不同的規(guī)律，是由于不同金屬組合的臨界晶粒尺寸不同所導(dǎo)致的。隨著調(diào)制比的減小，多

8、層膜的屈服強(qiáng)度均呈現(xiàn)不同程度的先增大后減小的趨勢(shì)，而硬度逐漸增大，彈性模量逐漸減小。多層膜力學(xué)性能的主控因素是調(diào)制結(jié)構(gòu)對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用。調(diào)制比的變化導(dǎo)致調(diào)制結(jié)構(gòu)和界面狀態(tài)發(fā)生不同程度的變化，晶格錯(cuò)配和晶體結(jié)構(gòu)差異，位錯(cuò)鏡像力以及擴(kuò)散層對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用有所不同。當(dāng)Cu/Zr和Cu/Ta多層膜的軟硬兩調(diào)制層厚度相當(dāng)時(shí)，調(diào)制結(jié)構(gòu)對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用較好，此時(shí)，多層膜的力學(xué)性能較好。通過(guò)合理調(diào)控多層膜的微觀結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)其力/電綜合性能的最