纳米金属多层膜的热稳定性研究
发布时间：2021-01-17 18:46
Cu系纳米金属多层膜因其具有良好的导电性与力学性能,广泛用于微电子和微机械领域。这些微电子器件的实际服役环境往往较为恶劣,其中热环境最为典型。由于纳米金属多层膜本身处于热力学不平衡状态,温度变化会引起晶粒尺寸以及界面微观结构特征的改变,出现晶粒长大、界面失稳、层状结构破坏等现象,最终导致材料的失效,严重影响其服役寿命。因此,纳米金属多层膜在热环境下较差的稳定性己成为限制其在高性能器件领域应用的瓶颈。为突破这一瓶颈,确保纳米金属多层膜具有良好的服役寿命和稳定的使用性能,对其热稳定性的研究显得十分必要。本文针对多层膜在微电子领域的需求,设计了一系列特殊结构的Cu/X纳米金属多层膜。采用直流磁控溅射法制备了 fcc/fcc体系的Cu/Ag纳米多层膜,fcc/hcp体系Cu/Ru纳米多层膜和fcc/bcc体系的Cu/Mo、Cu/V纳米多层膜。研究了尺度效应对多层膜热稳定性的影响,主要包括多层膜的微观结构、电学性能和力学性能的稳定性。讨论了多层膜的微观结构和热稳定性之间的关系,特别是异质界面和层内结构与其热稳定性之间的关系,为Cu系金属多层膜的应用提供了实验依据和理论支持,而且对设计和研发热稳定...
【文章来源】：南京大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：122 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－２五种不同组分多层膜的硬度与调制周期的关系图Ｉ１＇??
Ａｇ／Ｎｉ［３９】，ｆｃｃ／ｂｃｃ?结构：Ｃｕ／Ｖ丨４０］、Ａｇ／Ｖ［４１］、Ｃｕ／Ｗ［８，４２】、Ｃｕ／Ｍｏ［４３］、Ｃｕ／Ｃｒｌ４４］，ｆｃｃ／ｈｃｐ??结构：Ｃｕ／Ｃｏ［３６］、Ｃｕ／Ｒｕ［４２］、Ｃｕ／Ｚｒ［４４】以及晶体／非晶：Ｃｕ／Ｃｕ－Ｚｒ［４５：■。实验结果证明，??绝大多数金属多层膜的力学行为具有明显的尺寸效应。从图１－４总结的多种金属??多层膜的硬度随单层厚度的变化趋势图中可以看出，即使同体系的多层膜，报道??的强度数值差别也很大，这一方面是因为所采用的实验测试方法不同，另一方面??也有可能是由于制备工艺的差异而导致材料内部结构和应力状态的不同［４６］。虽??然不同报道给出的实验数值具有分散性，但是根据金属多层膜的硬度与单层厚度??（Ａ）的变化趋势，总体上可以划分为三个区域，如图１－４?（Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ）所示。三??种不同区域所对应的强化机制所对应的示意图在图１－５中［４７１区域Ｉ，当在亚??微米级以上尺度时，硬度的增强符合Ｈａｌｌ－Ｐｅｔｃｈ（Ｈ－Ｐ）模型［４８］。区域ＩＩ，当／２减??小至几纳米到几十纳米时，硬度与层厚的关系偏离Ｈ－Ｐ模型。偏离原因是在这个??尺度范围内
温度对材料的结构与性能影响非常显著，是必须考虑的因素之一。??Ｗａｎｇｔ６３＾人制备了一系列不同尺度的Ｎｉ／Ｔｉ多层膜，并且系统地研宄了从低温到??高温退火过程中多层膜的强度增强或者软化机制，如图１－６所示。该研究发现，??在低温退火时，多层膜的硬度会增强，这是由于晶界弛豫造成的，而当温度提高??至ＩＪ?３００?°Ｃ时，尺寸效应更加显著。但是随着温度的进一步升高，不同尺度的Ｎｉ／Ｔｉ??多层膜的硬度变化会出现相反的现象，单层厚度小于１６?ｎｍ时，Ｎｉ／Ｔｉ多层膜由??于界面合金化硬度大大增强，而单层厚度大于１６?ｎｍ时，多层膜出现晶粒长大，??导致软化现象。由此可见，温度的变化对纳米金属多层膜的微结构造成很大的影??响，从而使材料的力学性能以及变形机制发生改变。??１０??
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳米压痕表征技术的应用与发展[J]. 陈今龙,周素洪,叶兵,蒋海燕,丁文江. 热加工工艺. 2018(16)
[2]Cu系纳米金属多层膜微柱体的形变与损伤及其尺寸效应[J]. 孙军,张金钰,吴凯,刘刚. 金属学报. 2016(10)
[3]An Easy Way to Quantify the Adhesion Energy of Nanostructured Cu/X（X=Cr,Ta,Mo,Nb,Zr） Multilayer Films Adherent to Polyimide Substrates[J]. Kai Wu,Jin-Yu Zhang,Gang Liu,Jiao Li,Guo-Jun Zhang,Jun Sun. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2016(02)
[4]薄膜材料透射电镜截面样品的简单制备方法[J]. 马秀梅,尤力平. 电子显微学报. 2015(04)
[5]磁控溅射技术的原理与发展[J]. 王俊,郝赛. 科技创新与应用. 2015(02)
[6]尺度对金属材料电阻率影响的研究进展[J]. 张广平,李孟林,吴细毛,李春和,罗雪梅. 材料研究学报. 2014(02)
[7]高性能铜系层状金属材料设计:纳米尺度下强化能力与韧化能力思考[J]. 张广平,朱晓飞. 金属学报. 2014(02)
[8]金属纳米多层膜力学性能研究进展[J]. 朱晓莹,潘峰. 中国材料进展. 2011(10)
[9]磁控溅射技术及其发展[J]. 李芬,朱颖,李刘合,卢求元,朱剑豪. 真空电子技术. 2011(03)
[10]Effects of Interface and Grain Boundary on the Electrical Resistivity of Cu/Ta Multilayers[J]. M.Wang1,2,B.Zhang2),G.P.Zhang1),Q.Y.Yu1,2)and C.S.Liu2) 1)Shenyang National Laboratory for Materials Science,Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,72 Wenhua Road,Shenyang 110016,China 2)Key Laboratory for Anisotropy and Texture of Materials of Ministry of Education,School of Materials&Metallurgy, Northeastern University,3-11 Wenhua Road,Shenyang 110004,China. Journal of Materials Science & Technology. 2009(05)
博士论文
[1]Cu/Ta和Cu/V纳米多层膜块材的制备及性能研究[D]. 曾龙飞.中国科学技术大学 2018
[2]难混溶系（铜—钨、钼、铌）复合膜及多层膜的结构与性能研究[D]. 郭中正.昆明理工大学 2016
[3]金属多层膜微观结构与力学性能的尺度效应[D]. 魏明真.南京大学 2015
[4]纳米多层膜高温下微结构的演化[D]. 万海波.上海交通大学 2012
[5]若干金属纳米多层膜界面结构及力学性能研究[D]. 朱晓莹.清华大学 2010
硕士论文
[1]金属薄膜电学性能的尺度与温度效应[D]. 佘茜玮.南京大学 2012
本文编号：2983405
【文章来源】：南京大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：122 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－２五种不同组分多层膜的硬度与调制周期的关系图Ｉ１＇??
Ａｇ／Ｎｉ［３９】，ｆｃｃ／ｂｃｃ?结构：Ｃｕ／Ｖ丨４０］、Ａｇ／Ｖ［４１］、Ｃｕ／Ｗ［８，４２】、Ｃｕ／Ｍｏ［４３］、Ｃｕ／Ｃｒｌ４４］，ｆｃｃ／ｈｃｐ??结构：Ｃｕ／Ｃｏ［３６］、Ｃｕ／Ｒｕ［４２］、Ｃｕ／Ｚｒ［４４】以及晶体／非晶：Ｃｕ／Ｃｕ－Ｚｒ［４５：■。实验结果证明，??绝大多数金属多层膜的力学行为具有明显的尺寸效应。从图１－４总结的多种金属??多层膜的硬度随单层厚度的变化趋势图中可以看出，即使同体系的多层膜，报道??的强度数值差别也很大，这一方面是因为所采用的实验测试方法不同，另一方面??也有可能是由于制备工艺的差异而导致材料内部结构和应力状态的不同［４６］。虽??然不同报道给出的实验数值具有分散性，但是根据金属多层膜的硬度与单层厚度??（Ａ）的变化趋势，总体上可以划分为三个区域，如图１－４?（Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ）所示。三??种不同区域所对应的强化机制所对应的示意图在图１－５中［４７１区域Ｉ，当在亚??微米级以上尺度时，硬度的增强符合Ｈａｌｌ－Ｐｅｔｃｈ（Ｈ－Ｐ）模型［４８］。区域ＩＩ，当／２减??小至几纳米到几十纳米时，硬度与层厚的关系偏离Ｈ－Ｐ模型。偏离原因是在这个??尺度范围内
温度对材料的结构与性能影响非常显著，是必须考虑的因素之一。??Ｗａｎｇｔ６３＾人制备了一系列不同尺度的Ｎｉ／Ｔｉ多层膜，并且系统地研宄了从低温到??高温退火过程中多层膜的强度增强或者软化机制，如图１－６所示。该研究发现，??在低温退火时，多层膜的硬度会增强，这是由于晶界弛豫造成的，而当温度提高??至ＩＪ?３００?°Ｃ时，尺寸效应更加显著。但是随着温度的进一步升高，不同尺度的Ｎｉ／Ｔｉ??多层膜的硬度变化会出现相反的现象，单层厚度小于１６?ｎｍ时，Ｎｉ／Ｔｉ多层膜由??于界面合金化硬度大大增强，而单层厚度大于１６?ｎｍ时，多层膜出现晶粒长大，??导致软化现象。由此可见，温度的变化对纳米金属多层膜的微结构造成很大的影??响，从而使材料的力学性能以及变形机制发生改变。??１０??
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳米压痕表征技术的应用与发展[J]. 陈今龙,周素洪,叶兵,蒋海燕,丁文江. 热加工工艺. 2018(16)
[2]Cu系纳米金属多层膜微柱体的形变与损伤及其尺寸效应[J]. 孙军,张金钰,吴凯,刘刚. 金属学报. 2016(10)
[3]An Easy Way to Quantify the Adhesion Energy of Nanostructured Cu/X（X=Cr,Ta,Mo,Nb,Zr） Multilayer Films Adherent to Polyimide Substrates[J]. Kai Wu,Jin-Yu Zhang,Gang Liu,Jiao Li,Guo-Jun Zhang,Jun Sun. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2016(02)
[4]薄膜材料透射电镜截面样品的简单制备方法[J]. 马秀梅,尤力平. 电子显微学报. 2015(04)
[5]磁控溅射技术的原理与发展[J]. 王俊,郝赛. 科技创新与应用. 2015(02)
[6]尺度对金属材料电阻率影响的研究进展[J]. 张广平,李孟林,吴细毛,李春和,罗雪梅. 材料研究学报. 2014(02)
[7]高性能铜系层状金属材料设计:纳米尺度下强化能力与韧化能力思考[J]. 张广平,朱晓飞. 金属学报. 2014(02)
[8]金属纳米多层膜力学性能研究进展[J]. 朱晓莹,潘峰. 中国材料进展. 2011(10)
[9]磁控溅射技术及其发展[J]. 李芬,朱颖,李刘合,卢求元,朱剑豪. 真空电子技术. 2011(03)
[10]Effects of Interface and Grain Boundary on the Electrical Resistivity of Cu/Ta Multilayers[J]. M.Wang1,2,B.Zhang2),G.P.Zhang1),Q.Y.Yu1,2)and C.S.Liu2) 1)Shenyang National Laboratory for Materials Science,Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,72 Wenhua Road,Shenyang 110016,China 2)Key Laboratory for Anisotropy and Texture of Materials of Ministry of Education,School of Materials&Metallurgy, Northeastern University,3-11 Wenhua Road,Shenyang 110004,China. Journal of Materials Science & Technology. 2009(05)
博士论文
[1]Cu/Ta和Cu/V纳米多层膜块材的制备及性能研究[D]. 曾龙飞.中国科学技术大学 2018
[2]难混溶系（铜—钨、钼、铌）复合膜及多层膜的结构与性能研究[D]. 郭中正.昆明理工大学 2016
[3]金属多层膜微观结构与力学性能的尺度效应[D]. 魏明真.南京大学 2015
[4]纳米多层膜高温下微结构的演化[D]. 万海波.上海交通大学 2012
[5]若干金属纳米多层膜界面结构及力学性能研究[D]. 朱晓莹.清华大学 2010
硕士论文
[1]金属薄膜电学性能的尺度与温度效应[D]. 佘茜玮.南京大学 2012
本文编号：2983405
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