Cu-Zr和Cu-Ta納米多層膜的制備與電-力學性能研究.pdf

1、納米金屬多層膜由于其組元層的尺度約束與異質界面的影響，表現(xiàn)出在力學，光學，磁學與電傳輸上不同于塊體材料的獨特性能。隨著電子器件的微型化發(fā)展，多層膜充分地體現(xiàn)了納米材料的尺寸效應、量子效應以及界面效應，目前已經在超大規(guī)模集成電路和微電子機械系統(tǒng)得到了廣泛應用。本文采用磁控濺射離子鍍技術在微電子器件中常用的單晶Si片和柔性聚酰亞胺基片上沉積多層膜，制備了膜層總厚度為1μm，調制周期(λ=hCu+hx，X=Zr或Ta)為25～350nm，調制

2、比(η=hCu/hX，X=Zr或Ta)為0.2～10.5的Cu/Zr和Cu/Ta納米多層膜。使用X射線衍射技術(XRD)及透射電子顯微鏡技術(TEM)對多層膜的物相組成，晶體結構以及微觀組織結構進行觀察和分析，使用四探針測試儀對多層膜的電阻率進行測量分析，探討微觀組織結構對多層膜電學性能的影響，并通過模型對其影響機制進行分析。采用微小力拉伸實驗和納米壓入實驗對多層膜的屈服強度、硬度和彈性模量等力學性能進行測量和討論，研究了屈服強度與調制

3、結構之間的影響關系，以及硬度和彈性模量隨調制比的變化規(guī)律。通過深入研究Cu/Zr、Cu/Ta納米多層膜的微觀結構與電/力學性能之間影響規(guī)律，其結果對實現(xiàn)納米多層膜性能優(yōu)化具有重要的實踐意義。
　　 經過研究發(fā)現(xiàn)，在磁控濺射制備樣品的過程中，沉積速率隨著濺射功率的增大而增大。在濺射功率相等時，金屬共濺時的沉積速率比單濺時的要大。在Cu/Zr和Cu/Ta多層膜中，隨著調制周期的減小，衍射峰強度逐漸減弱且存在不同程度的寬化，表明晶粒尺

4、寸逐漸減小。隨著調制比的減小，衍射峰的擇優(yōu)取向趨勢明顯，Cu衍射峰強度逐漸減弱且寬化，說明Cu晶粒尺寸逐漸減小，而Zr和Ta衍射峰寬化逐漸減弱，即Zr和Ta晶粒尺寸逐漸增大。由于本文選取不同晶格結構組合的多層膜，晶格常數(shù)的不同導致晶格畸變，使得衍射峰發(fā)生不同程度的偏移。通過TEM觀察得知，所制備的多層膜均呈現(xiàn)周期性層狀結構，層界面清晰而平直。隨著調制周期的減小，晶粒均以極為細小的納米晶形式存在。隨著調制比的減小，Cu晶粒尺寸減小，而Zr

5、和Ta的晶粒尺寸則增大。
　　 研究結果表明，隨著調制周期和調制比的減小，電阻率逐漸增大，存在臨界調制周期和調制比，使得電阻率增大趨勢更為顯著，表明多層膜的電學性能存在明顯的尺寸效應。電阻率隨調制比的變化規(guī)律能較好的符合Fuchs-Sondheimer和Mayadas-Shatzkes(FS-MS)傳輸模型，結合模型分析可知，當調制周期恒定時，電阻率隨著調制比的減小而增大。在小調制周期下，隨著調制比η的減小，Cu層厚度減小使得柱

6、狀納米晶的Cu晶粒尺寸減小且晶粒數(shù)量增多，Zr層厚度增大使得納米晶的Zr晶粒數(shù)量增多，多層膜內晶界密度增大，晶界散射作用增強，使得電阻率增大。當η<1時，晶面散射系數(shù)R的增大使得模擬值能更好的與η<1時的電阻率值吻合，晶界散射成為了多層膜電輸運的主控機制。當η>1時，R值和鏡面發(fā)射系數(shù)P值的變化都能與實驗結果相吻合，此時，晶界散射和界面散射成為主控機制。因此，納米多層膜存在大量晶界和界面等微觀調制結構，導致多層膜晶界散射和界面散射行為的

7、不同，兩者的競比關系導致多層膜存在臨界調制比，使得多層膜電輸運行為的主控機制隨之發(fā)生轉變。
　　 研究表明，Cu/Zr多層膜的屈服強度隨著調制周期的減小而增大，符合Hall-Petch關系。而Cu/Ta多層膜的屈服強度隨著調制周期的減小而減小，符合ReverseHall-Petch關系。Cu/Zr和Cu/Ta納米多層膜的屈服強度隨調制周期的變化出現(xiàn)完全不同的規(guī)律，是由于不同金屬組合的臨界晶粒尺寸不同所導致的。隨著調制比的減小，多

8、層膜的屈服強度均呈現(xiàn)不同程度的先增大后減小的趨勢，而硬度逐漸增大，彈性模量逐漸減小。多層膜力學性能的主控因素是調制結構對位錯運動的阻礙作用。調制比的變化導致調制結構和界面狀態(tài)發(fā)生不同程度的變化，晶格錯配和晶體結構差異，位錯鏡像力以及擴散層對位錯運動的阻礙作用有所不同。當Cu/Zr和Cu/Ta多層膜的軟硬兩調制層厚度相當時，調制結構對位錯運動的阻礙作用較好，此時，多層膜的力學性能較好。通過合理調控多層膜的微觀結構來實現(xiàn)其力/電綜合性能的最