Cu系納米金屬多層膜因其具有良好的導(dǎo)電性與力學(xué)性能,廣泛用于微電子和微機(jī)械領(lǐng)域。這些微電子器件的實(shí)際服役環(huán)境往往較為惡劣,其中熱環(huán)境最為典型。由于納米金屬多層膜本身處于熱力學(xué)不平衡狀態(tài),溫度變化會(huì)引起晶粒尺寸以及界面微觀結(jié)構(gòu)特征的改變,出現(xiàn)晶粒長大、界面失穩(wěn)、層狀結(jié)構(gòu)破壞等現(xiàn)象,最終導(dǎo)致材料的失效,嚴(yán)重影響其服役壽命。因此,納米金屬多層膜在熱環(huán)境下較差的穩(wěn)定性己成為限制其在高性能器件領(lǐng)域應(yīng)用的瓶頸。為突破這一瓶頸,確保納米金屬多層膜具有良好的服役壽命和穩(wěn)定的使用性能,對其熱穩(wěn)定性的研究顯得十分必要。本文針對多層膜在微電子領(lǐng)域的需求,設(shè)計(jì)了一系列特殊結(jié)構(gòu)的Cu/X納米金屬多層膜。采用直流磁控濺射法制備了 fcc/fcc體系的Cu/Ag納米多層膜,fcc/hcp體系Cu/Ru納米多層膜和fcc/bcc體系的Cu/Mo、Cu/V納米多層膜。研究了尺度效應(yīng)對多層膜熱穩(wěn)定性的影響,主要包括多層膜的微觀結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能和力學(xué)性能的穩(wěn)定性。討論了多層膜的微觀結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性之間的關(guān)系,特別是異質(zhì)界面和層內(nèi)結(jié)構(gòu)與其熱穩(wěn)定性之間的關(guān)系,為Cu系金屬多層膜的應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論支持,而且對設(shè)計(jì)和研發(fā)熱穩(wěn)定... 

【文章來源】：南京大學(xué)江蘇省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：122 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

圖１－２五種不同組分多層膜的硬度與調(diào)制周期的關(guān)系圖Ｉ１＇??

Ａｇ／Ｎｉ［３９】，ｆｃｃ／ｂｃｃ?結(jié)構(gòu)：Ｃｕ／Ｖ丨４０］、Ａｇ／Ｖ［４１］、Ｃｕ／Ｗ［８，４２】、Ｃｕ／Ｍｏ［４３］、Ｃｕ／Ｃｒｌ４４］，ｆｃｃ／ｈｃｐ??結(jié)構(gòu)：Ｃｕ／Ｃｏ［３６］、Ｃｕ／Ｒｕ［４２］、Ｃｕ／Ｚｒ［４４】以及晶體／非晶：Ｃｕ／Ｃｕ－Ｚｒ［４５：■。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，??絕大多數(shù)金屬多層膜的力學(xué)行為具有明顯的尺寸效應(yīng)。從圖１－４總結(jié)的多種金屬??多層膜的硬度隨單層厚度的變化趨勢圖中可以看出，即使同體系的多層膜，報(bào)道??的強(qiáng)度數(shù)值差別也很大，這一方面是因?yàn)樗捎玫膶?shí)驗(yàn)測試方法不同，另一方面??也有可能是由于制備工藝的差異而導(dǎo)致材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)的不同［４６］。雖??然不同報(bào)道給出的實(shí)驗(yàn)數(shù)值具有分散性，但是根據(jù)金屬多層膜的硬度與單層厚度??（Ａ）的變化趨勢，總體上可以劃分為三個(gè)區(qū)域，如圖１－４?（Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ）所示。三??種不同區(qū)域所對應(yīng)的強(qiáng)化機(jī)制所對應(yīng)的示意圖在圖１－５中［４７１區(qū)域Ｉ，當(dāng)在亞??微米級以上尺度時(shí)，硬度的增強(qiáng)符合Ｈａｌｌ－Ｐｅｔｃｈ（Ｈ－Ｐ）模型［４８］。區(qū)域ＩＩ，當(dāng)／２減??小至幾納米到幾十納米時(shí)，硬度與層厚的關(guān)系偏離Ｈ－Ｐ模型。偏離原因是在這個(gè)??尺度范圍內(nèi)

溫度對材料的結(jié)構(gòu)與性能影響非常顯著，是必須考慮的因素之一。??Ｗａｎｇｔ６３＾人制備了一系列不同尺度的Ｎｉ／Ｔｉ多層膜，并且系統(tǒng)地研宄了從低溫到??高溫退火過程中多層膜的強(qiáng)度增強(qiáng)或者軟化機(jī)制，如圖１－６所示。該研究發(fā)現(xiàn)，??在低溫退火時(shí)，多層膜的硬度會(huì)增強(qiáng)，這是由于晶界弛豫造成的，而當(dāng)溫度提高??至ＩＪ?３００?°Ｃ時(shí)，尺寸效應(yīng)更加顯著。但是隨著溫度的進(jìn)一步升高，不同尺度的Ｎｉ／Ｔｉ??多層膜的硬度變化會(huì)出現(xiàn)相反的現(xiàn)象，單層厚度小于１６?ｎｍ時(shí)，Ｎｉ／Ｔｉ多層膜由??于界面合金化硬度大大增強(qiáng)，而單層厚度大于１６?ｎｍ時(shí)，多層膜出現(xiàn)晶粒長大，??導(dǎo)致軟化現(xiàn)象。由此可見，溫度的變化對納米金屬多層膜的微結(jié)構(gòu)造成很大的影??響，從而使材料的力學(xué)性能以及變形機(jī)制發(fā)生改變。??１０??

【參考文獻(xiàn)】：
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碩士論文
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本文編號：2983405