雙靶磁控濺射共沉積Cu-W薄膜及結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、Cu-W薄膜具有高導(dǎo)熱導(dǎo)電性及低的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于微電子及電子器件領(lǐng)域。但銅和鎢互不固溶、浸潤(rùn)性差，常規(guī)方法很難制得Cu-W固溶體。本實(shí)驗(yàn)采用雙靶聚焦磁控濺射共沉積，制得Cu-W亞穩(wěn)態(tài)固溶體薄膜。
　　 首先，通過實(shí)驗(yàn)得到薄膜中W的原子含量隨W與Cu濺射功率比的變化曲線。通過EDS、XRD、SEM、TEM等測(cè)試，發(fā)現(xiàn)Cu-W薄膜由Cu固溶于W或W固溶于Cu的亞穩(wěn)固溶體組成，且隨著W含量的增加，Cu-W薄膜依次形成fc

2、c結(jié)構(gòu)的Cu基亞穩(wěn)固溶體、fcc和bcc結(jié)構(gòu)固溶體的雙相區(qū)以及bcc結(jié)構(gòu)的W基亞穩(wěn)固溶體，且其晶粒尺寸隨著溶質(zhì)原子濃度的增加而減小。分析得到Cu-W薄膜亞穩(wěn)固溶體的形成是由于濺射出的原子動(dòng)能足以克服Cu、W固溶所需的混合熱，以及濺射過程中粒子的納米化和成膜過程中引入的大量缺陷造成的。此外，研究了不同成分Cu-W薄膜形核生長(zhǎng)過程中的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在Cu-W薄膜形核和生長(zhǎng)初期，W呈晶態(tài)，而Cu呈非晶態(tài)，這樣有利于克服Cu和W的正混合熱，在隨后的

3、生長(zhǎng)過程中，由于濺射粒子的轟擊作用，Cu逐漸晶化，與W形成亞穩(wěn)固溶體。
　　 其次，討論了成分對(duì)Cu-W薄膜粘結(jié)性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩相區(qū)樣品的粘結(jié)性能最優(yōu)。通過界面處理工藝對(duì)W基Cu-W薄膜粘結(jié)性能的研究發(fā)現(xiàn)，襯底表面未經(jīng)離子束清洗的樣品粘結(jié)性能最差，采用離子束輔助轟擊對(duì)襯底表面注入W粒子，可顯著提高Cu-W薄膜的粘結(jié)強(qiáng)度，其臨界載荷比經(jīng)離子束清洗表面處理的樣品大1倍以上。離子束輔助轟擊W粒子注入能顯著提高W基Cu-W薄膜的

4、粘結(jié)強(qiáng)度，是因?yàn)樵谥心蹵r＋離子的輔助轟擊下，W原子可以注入到Fe襯底表層并與Fe原子交織在一起，在膜基界面形成原子尺度上的微觀機(jī)械結(jié)合和擴(kuò)散結(jié)合。同時(shí)混合層由于含有大量的W原子，其熱膨脹性能將更接近于W或以W為基的Cu-W薄膜，也有利于粘結(jié)強(qiáng)度的提高。
　　 最后，研究了Cu-W薄膜的電性能和熱性能。在電性能方面，由于溶質(zhì)原子的加入使晶格產(chǎn)生了畸變，因此Cu-W薄膜的電阻率隨著溶質(zhì)原子濃度的增加而增大。在熱性能發(fā)面，Cu-W薄