双靶磁控溅射共沉积Cu-W薄膜及结构与性能研究

论文摘要

Cu-W薄膜具有高导热导电性及低的热膨胀系数等优点,广泛应用于微电子及电子器件领域。但铜和钨互不固溶、浸润性差,常规方法很难制得Cu-W固溶体。本实验采用双靶聚焦磁控溅射共沉积,制得Cu-W亚稳态固溶体薄膜。首先,通过实验得到薄膜中W的原子含量随W与Cu溅射功率比的变化曲线。通过EDS、XRD、SEM、TEM等测试,发现Cu-W薄膜由Cu固溶于W或W固溶于Cu的亚稳固溶体组成,且随着W含量的增加,Cu-W薄膜依次形成fcc结构的Cu基亚稳固溶体、fcc和bcc结构固溶体的双相区以及bcc结构的W基亚稳固溶体,且其晶粒尺寸随着溶质原子浓度的增加而减小。分析得到Cu-W薄膜亚稳固溶体的形成是由于溅射出的原子动能足以克服Cu、W固溶所需的混合热,以及溅射过程中粒子的纳米化和成膜过程中引入的大量缺陷造成的。此外,研究了不同成分Cu-W薄膜形核生长过程中的结构,发现在Cu-W薄膜形核和生长初期,W呈晶态,而Cu呈非晶态,这样有利于克服Cu和W的正混合热,在随后的生长过程中,由于溅射粒子的轰击作用,Cu逐渐晶化,与W形成亚稳固溶体。其次,讨论了成分对Cu-W薄膜粘结性能的影响。结果发现,两相区样品的粘结性能最优。通过界面处理工艺对W基Cu-W薄膜粘结性能的研究发现,衬底表面未经离子束清洗的样品粘结性能最差,采用离子束辅助轰击对衬底表面注入W粒子,可显著提高Cu-W薄膜的粘结强度,其临界载荷比经离子束清洗表面处理的样品大1倍以上。离子束辅助轰击W粒子注入能显著提高W基Cu-W薄膜的粘结强度,是因为在中能Ar+离子的辅助轰击下,W原子可以注入到Fe衬底表层并与Fe原子交织在一起,在膜基界面形成原子尺度上的微观机械结合和扩散结合。同时混合层由于含有大量的W原子,其热膨胀性能将更接近于W或以W为基的Cu-W薄膜,也有利于粘结强度的提高。最后,研究了Cu-W薄膜的电性能和热性能。在电性能方面,由于溶质原子的加入使晶格产生了畸变,因此Cu-W薄膜的电阻率随着溶质原子浓度的增加而增大。在热性能发面, Cu-W薄膜的热导率远远低于块体材料的热导率,主要是由于薄膜材料结构中微裂纹的存在以及薄膜边界散射和薄膜内部晶界散射造成的,有待进一步的研究;它的热膨胀系数基本符合混合规律,实验值明显低于理论值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 Cu-W 薄膜的性能
• 1.2 Cu-W 薄膜国内外研究现状
• 1.3 Cu-W 薄膜的制备技术
• 1.3.1 离子束沉积法
• 1.3.2 离子束辅助沉积法
• 1.3.3 磁控溅射法
• 1.3.4 电子束蒸发法
• 1.4 Cu-W 薄膜的实际应用
• 1.4.1 用作高温固体润滑剂
• 1.4.2 在电子设备中的应用
• 1.4.3 用作表面修饰材料
• 1.4.4 在军工、航天中的应用
• 1.5 本课题研究背景和意义
• 第2章 Cu-W 薄膜制备及分析测试方法
• 2.1 薄膜制备装置
• 2.2 薄膜样品的制备
• 2.2.1 衬底的选择及预处理过程
• 2.2.2 Cu-W 薄膜的制备方法及工艺条件
• 2.3 Cu-W 薄膜的表征
• 2.3.1 X 射线衍射分析
• 2.3.2 扫描电子显微镜分析
• 2.3.3 透射电子显微镜分析
• 2.3.4 光学显微镜
• 2.3.5 金相显微镜观察
• 2.4 Cu-W 薄膜的性能测试
• 2.4.1 Cu-W 薄膜电阻率测试方法
• 2.4.2 Cu-W 薄膜热膨胀率测试方法
• 2.4.3 Cu-W 薄膜热扩散测试方法
• 2.4.4 划痕法测试Cu-W 薄膜粘结强度
• 2.4.5 压痕法测试Cu-W 薄膜粘结强度
• 第3章 Cu-W 薄膜制备工艺及其结构分析
• 3.1 前言
• 3.2 Cu-W 薄膜的成分控制
• 3.3 Cu-W 薄膜结构分析
• 3.3.1 Cu-W 薄膜亚稳态固溶体结构分析
• 3.3.2 Cu-W 二元非平衡相图
• 3.4 Cu-W 薄膜表面形貌分析
• 3.5 Cu-W 薄膜的形核生长过程
• 3.6 小结
• 第4 章Cu-W 薄膜的粘结性能分析
• 4.1 前言
• 4.2 不同成分Cu-W 薄膜粘结性能研究
• 4.2.1 静载荷下Cu-W 薄膜粘结强度测试结果
• 4.2.2 动态载荷下Cu-W 薄膜粘结强度测试结果
• 4.2.3 不同成分Cu-W 薄膜粘结强度分析
• 4.3 离子束辅助轰击注入增强W 基Cu-W 薄膜粘结性能研究
• 4.3.1 静载荷下Cu-W 薄膜粘结强度表征及其失效过程
• 4.3.2 动态载荷下Cu-W 薄膜粘结强度表征及其失效过程
• 4.3.3 低能离子束清洗衬底表面提高薄膜粘结强度分析
• 4.3.4 离子束辅助轰击衬底制备过渡层对粘结强度的影响
• 4.4 小结
• 第5章 Cu-W 薄膜电性能与热性能研究
• 5.1 Cu-W 薄膜电性能分析
• 5.1.1 成分和电阻率的关系
• 5.1.2 Cu-W 亚稳态固溶体薄膜导电机理
• 5.2 Cu-W 薄膜的热性能分析
• 5.2.1 热厚衬底上Cu-W 薄膜热导率的计算
• 5.2.2 Cu-W 薄膜热导机制分析
• 5.2.3 Cu-W 薄膜的热膨胀
• 5.3 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读硕士期间所发表的学位论文目录