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溅射沉积Cu/Mo纳米多层膜结构与性能研究

刘国涛  
【摘要】:近年来,随着微电子器件、微机械系统(MEMS)及互连材料领域的飞速发展,Cu/Mo纳米多层膜及复合薄膜广受关注。铜具有良好的导电及导热性能,而钼则具有高熔点、较大密度、高强度及较低的热膨胀系数等特点,因此Cu与Mo在性能上有很强的互补性,属理想的互连材料。服役可靠性是材料性能的重要保证,对其延性及力学性能的研究就十分有意义。随着研究的继续深入,Cu/Mo纳米多层膜在微电子、微机械及ULSI等领域将展现出广阔的应用前景。 本文采用磁控溅射法制备了调制周期分别为60nm、80nm、100nm,调制比分别为0.25、0.5、1、2、2.5、3的Cu/Mo纳米多层膜。采用XRD、AFM、截面HRTEM等技术对薄膜结构及形貌进行了表征,使用纳米压痕仪、微小力单轴拉伸仪、四探针测试仪等对薄膜的力学及电学性能进行了测试。XRD结果表明,Cu/Mo纳米多层膜具有明显的Cu(111)及Mo(110)择优取向。同一调制比时,随调制周期的增大,出现了Cu(200)及(220)峰,Cu层择优取向程度有所降低,同时Cu(111)峰强有所增加,Cu层晶粒变大,Mo(]10)峰随调制周期的减小向高角度方向存在一定偏移。同一调制周期时,随调制比增加,Cu子层厚度降低,晶粒变小,Cu(111)峰峰强减弱,峰形散宽明显;Mo子层厚度增加,Mo(110)择优取向增强。AFM结果显示Cu/Mo纳米多层膜表面Cu层平整度随调制周期的增加有所提高,随调制比的增加,Cu层厚度降低,晶粒尺寸减小,多层膜平整度有所提高。截面HRTEM观察表明,Cu/Mo纳米多层膜呈良好的层状周期性结构,铜、钼子层之间存在一定厚度的混合层,Cu层与Mo层是以非共格的方式生长。 实验结果表明,相同调制比下,Cu/Mo纳米多层膜硬度、弹性模量、屈服强度及电阻率值总体上均表现出随调制周期的减小而增强的现象。其中多层膜显微硬度的最大值达到了9.926GPa,弹性模量的最大值达到191.709GPa。随调制周期的减小,多层膜中的软相Cu层厚度降低,晶粒尺寸减小,晶界密度增加,塑性变形能力减弱是多层膜强度增强的主要原因。因总厚度一定,随调制周期的减小,多层膜的层间界面数量增加,对多层膜的强度也起到了一定程度的增强作用。塑性变形能力的减弱导致了多层膜的临界裂纹萌生应变值随调制周期的减小而减小。[Cu(80nm)/Mo(20nm)]8薄膜的临界裂纹萌生应变值达到1.71%。 研究结果表明,相同调制周期下,随调制比的增加,多层膜中软相Cu子层厚度减小,Cu晶粒尺寸降低,晶界密度增加,塑性变形能力减弱,电子晶界散射效应增强,导致多层膜显微硬度、弹性模量、屈服强度及电阻率总体上均随调制比增加而变大,同时延性随调制比的增加而有所降低。


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