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(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，并探討其對性能的影響具有重要的學(xué)術(shù)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(jié)構(gòu)進行了表征，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間對W-Cu薄膜微觀結(jié)構(gòu)的影響;并采用納米壓痕儀等對薄膜的力

2、學(xué)性能等進行了測試。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，隨沉積時間由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(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400℃后固溶度反而減小。
　　采用磁控濺射技術(shù)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(dǎo)致固溶度下降。
　　分析薄膜電學(xué)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(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)，薄膜有序度升高，故導(dǎo)致電阻率降低。分析相同沉積時間、不同襯底溫度下的W-Cu薄膜的力學(xué)性