纳米尺度金属薄膜氧化传质规律及其机理研究

论文摘要

传质特性是材料的基本性质之一,在电子器件的制造、工艺、失效分析与可靠性评估等诸多应用领域中,均涉及到传质问题。近年来由于金属薄膜在微电子器件互连等领域中的广泛应用,使得金属氧化腐蚀失效的传质过程成为一个非常值得关心的重要科学问题。澄清薄膜中的传质规律对特殊结构膜的制备、可控纳米结构的实现、薄膜结构的稳定性以及薄膜应用与失效分析等都具有重要意义。本文选取在互连领域中有广泛应用前景的Cu材料,利用真空蒸镀的方法制备成单层薄膜,研究了氧化传质前后薄膜组分、结构和形貌变化;建立了2种新的传质表征方法;着重研究了Cu薄膜氧化传质的实验规律及其理论模型,以期对该类薄膜的制备和应用以及失效机理等研究提供新的思路。取得成果如下:1.建立了基于方块电阻测量的原位表征Cu薄膜氧化反应动力学规律的方法。利用Cu薄膜方块电阻随氧化时间的变化情况,得到氧化产物厚度与氧化时间的关系,反应动力学表征结果符合抛物线规律。还利用不同的氧化反应温度条件和对应的抛物线常数之间的关系得到体系的扩散激活能,并利用激活能推测其微观扩散机制。结果表明,该方法适用于表征薄膜氧化反应体系。2.研究了140℃下纳米尺度Cu薄膜的氧化行为。采用真空蒸发法以不同沉积速率制备一系列Cu薄膜,利用原子力显微镜（AFM）观察其微观形貌,选取形貌良好的Cu薄膜样品。采用方块电阻和透射光谱两种方法为表征手段,测量16～22 nm范围内不同厚度Cu薄膜在140℃下完全氧化所需要的时间,得到了Cu薄膜氧化反应的动力学曲线,并利用X射线衍射（XRD）分析了氧化产物的晶相结构和成分。结果表明,纳米尺度下Cu薄膜在140℃下氧化反应的动力学表征结果满足特殊的反对数生长规律,反应产物为Cu2O。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第一章 研究背景与文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 扩散基本理论
• 1.2.1 扩散的宏观规律
• 1.2.2 扩散的热力学分析
• 1.2.3 反应扩散
• 1.2.4 扩散的微观机制
• 1.2.5 Arrhenius定律与扩散系数的影响因素
• 1.3 金属薄膜氧化中的科学问题
• 1.3.1 金属氧化过程的一般描述
• 1.3.2 金属薄膜氧化中的主要科学问题
• 1.4 相关研究现状
• 1.5 本章小结
• 第二章 CU薄膜制备与结构性能表征
• 2.1 引言
• 2.2 金属薄膜的制备方法——真空蒸发法
• 2.2.1 真空蒸发设备
• 2.2.2 薄膜厚度控制
• 2.3 薄膜表面形貌表征方法——AFM
• 2.4 薄膜表面结构和成分表征方法——XRD
• 2.5 薄膜氧化传质过程表征方法
• 2.5.1 方块电阻法
• 2.5.2 透射光谱法
• 2.6 本章小结
• 第三章 金属薄膜氧化传质规律研究
• 3.1 引言
• 3.2 氧化实验和动力学表征
• 3.3 扩散激活能和微观扩散机制
• 3.3.1 扩散激活能
• 3.3.2 微观扩散机制
• 3.4 本章小结
• 第四章 超薄金属薄膜特殊氧化规律研究和理论探索
• 4.1 引言
• 4.2 氧化实验和动力学表征
• 4.3 模型建立和理论分析
• 4.3.1 模型建立
• 4.3.2 理论分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 硕士期间发表论文清单
• 硕士期间申请专利清单
• 硕士期间获奖学金
• 后记