热处理导致的Cu/Ni多层膜的扩散和微观结构变化

论文摘要

本文首先通过磁控溅射法在硅基体上制备了不同膜厚的Cu/Ni多层膜,对其进行不同工艺的热处理,采用TEM、STEM、XPS、纳米压痕等实验手段研究了多层膜中晶界、相界的演化规律和成分梯度的扩散变化,以及多层膜的硬度的变化。随后对扩散过程进行了模拟分析,研究了Cu/Ni多层膜扩散过程中Cu、Ni自扩散系数差异,空位源,以及共格应力对互扩散过程的影响。实验结果表明,多膜层内所有晶粒择优柱状生长。单层膜厚越小,则晶粒越小,界面结构排列越规则。单层膜厚10 nm的多层膜中晶粒排布规则,形成四叉点。但四叉点的运动违背了经典界面能守恒定则,即∑γ= 0。不同膜厚Cu/Ni多层膜纳米硬度值表明:随着退火温度的上升,退火时间的增长,硬度值逐渐下降,这与多层膜界面的最大浓度梯度密切相关:浓度梯度越大,硬度越高。模型首次考虑了多层膜中共格应力对互扩散系数值的影响。Cu/Ni多层膜中,Cu层处于压应力,空位浓度降低,扩散受到抑制;而Ni层处于拉应力,空位浓度升高,扩散受到促进。研究结果表明,在Darken模型和Nernst-Plank模型中,共格应力在整体上都加速了均匀化的进程。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 多层膜的简介
• 1.3 多层膜超硬效应及其强化机理
• 1.3.1 Hall-Petch 强化机理
• 1.3.2 交变应力场理论
• 1.3.3 模量差异理论
• 1.3.4 Orowan 机制
• 1.4 多层膜制备方法
• 1.4.1 物理气相沉积
• 1.4.2 电化学沉积法
• 1.5 多层膜表征方法
• 1.5.1 X 射线衍射
• 1.5.2 X 射线光电子能谱和俄歇电子能谱
• 1.5.3 纳米压痕
• 1.5.4 扫描透射电镜及其能谱
• 1.6 多层膜的热稳定性
• 1.7 研究目的和意义
• 第二章 Cu/Ni 多层膜制备和检测方法
• 2.1 Cu/Ni 纳米多层膜制备
• 2.2 热处理
• 2.3 薄膜检测设备及方法
• 2.3.1 X 射线光电子能谱仪
• 2.3.2 纳米压入硬度测试仪
• 2.3.3 透射电镜、扫描透射电镜
• 第三章 Cu/Ni 多层膜形貌表征及热处理导致的微结构，界面成分，硬度演化
• 3.1 单层膜厚10 nm Cu/Ni 多层膜的结构和成分形貌表征及其热处理下的演化
• 3.1.1 单层膜厚10 nm Cu/Ni 多层膜微结构表征
• 3.1.2 调制周期和调制比的测量
• 3.1.3 薄膜各点的均匀性
• 3.1.4 Cu/Ni 多层膜中的孪晶
• 3.1.5 退火真空度对表面氧化的影响
• 3.1.6 热处理导致的单层膜厚10 nm Cu/Ni 多层膜微结构演化
• 3.1.7 热处理导致多层膜界面成分梯度变化
• 3.2 单层膜厚为40 nm 的Cu/Ni 多层膜形貌表征
• 3.3 Ni/Cu/Ni（90/190/90）三明治结构形貌表征
• 3.4 单层膜厚和热处理工艺对多层膜纳米硬度的影响
• 3.4.1 纳米硬度和膜厚的关系
• 3.4.2 纳米硬度和热处理工艺的关系
• 3.4.3 多层膜中位错运动阻力和界面成分梯度的关系
• 3.5 本章小结
• 第四章 互溶型多层膜的互扩散模型
• 4.1 忽略应力的互扩散
• 4.1.1 空位源连续分布于晶体中的互扩散
• 4.1.2 空位源不连续分布于晶体中的互扩散
• 4.1.3 无空位源晶体中的互扩散
• 4.2 现有的考虑扩散导致的应力的互扩散模型
• 4.2.1 Larche 和Cahn 扩散处理
• 4.2.2 Stephenson 扩散模型中的应力处理
• 4.3 本文提出的考虑应力的互扩散模型
• 4.4 本章小结
• 第五章 互溶型Cu/Ni 多层膜互扩散的模拟与讨论
• 5.1 共格应力
• 5.1.1 共格应力简介
• 5.1.2 扩散模型中共格应力的处理
• 5.2 扩散模型中空位源的处理
• 5.3 多层膜应力的处理
• 5.3.1 多层膜中应力场的计算
• 5.3.2 无应力应变的处理
• 5.3.3 多层膜内各点弹性模量的处理
• 5.4 控制方程的单位转换及其差分形式
• 5.4.1 控制方程的单位转换
• 5.4.2 扩散方程差分形式推导
• 5.5 模型参数选择
• 5.5.1 周期和边界条件选择
• 5.5.2 弛豫体积ΔV 选择
• 5.6 模拟结果及讨论
• 5.6.1 组元扩散系数差异和空位源对多层膜扩散的影响
• 5.6.2 共格应力对多层膜扩散的影响
• 5.7 本章小结
• 第六章 结论和展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文目录