W基W-Cu薄膜組織結構演變及性能研究.pdf

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

2、學性能等進行了測試。主要研究結果如下:
　　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，隨沉積時間由10秒增加到30秒，薄膜微觀結構由最初的非晶態(tài)逐漸轉變?yōu)榫B(tài)。當襯底溫度低于150℃時，Cu在W中的固溶度隨沉積時間延長而逐漸增加，但當襯底溫度為400℃時，Cu的固溶度隨時間增加反而下降;當沉積時間相同時，W-Cu薄膜隨襯底溫度升高逐漸由非晶態(tài)轉變?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400℃后固溶度反而減小。
　　采用磁控濺射技術濺射出來的靶材原子能量足以在到達襯底前進行原子級混合，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)，隨沉積時間延長及襯底溫度升高，沉積原子能量因碰撞和溫升逐漸增大，足以克服Cu、W原子固溶的能量勢壘，因此薄膜逐漸晶化，并形成亞穩(wěn)態(tài)固溶體;通過阿倫尼烏斯方程和擴散程公式計算，在沉積初期當溫度低于150℃時，W原子擴散距離小于10-7 nm，處于“冷凍”狀

4、態(tài)，Cu原子擴散距離隨沉積時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。隨著溫度進一步增加到400℃，W原子被“激活”，減小了對Cu的束縛，從而使固溶于W中的Cu原子有團聚的趨勢，導致固溶度下降。
　　分析薄膜電學性能發(fā)現(xiàn)，隨沉積時間和溫度增加，薄膜致密度及平整度逐漸提高，電阻不均勻度減小;同時，薄膜逐漸從非晶態(tài)轉變?yōu)榫B(tài)，薄膜有序度升高，故導致電阻率降低。分析相同沉積時間、不同襯底溫度下的W-Cu薄膜的力學性