钨含量对磁控溅射铜钨合金薄膜结构和性能的影响

用磁控溅射法制备铜钨合金薄膜,采用能谱仪、X射线衍射仪、透射和扫描电镜、电阻计和显微硬度仪等对合金薄膜的成分、结构和性能进行了表征,探讨了钨原子分数的影响。结果表明:含原子分数31.8%～54.8%钨的铜钨膜呈非晶态,表面较平整;含18%和60%钨的膜为晶态,且出现固溶度扩展,分别存在fccCu(W)亚稳过饱和固溶体和bccW(Cu)固溶体,铜钨膜电阻率高于纯铜膜的,非晶铜钨膜电阻率较晶态膜高1.9倍以上;铜钨膜硬度与钨含量呈正相关,非晶及晶态铜钨膜硬度分别低于和略高于Voigt公式的计算值。

铜钨合金具有优异的导电导热性、耐高温性、抗应力疲劳性,热胀系数稳定,在电子工业中的应用前景广阔,可作为新型高热流等离子体衬面热沉材料。研究表明,铜基薄膜较铝基的电阻低、信号延迟小、电迁移抗性高(>106A·cm-2),而铜钨微合金薄膜将熔点及强度高的钨与高导电导热性的铜复合,具备热稳定性高、电阻率低(<103μΨ·cm)、强度硬度高、避免铜硅间反应等特殊优点,可在ULSI器件领域用作无阻挡层互联,即用双金属镶嵌法在硅上沉积铜钨薄膜作为后续电镀铜引线的籽晶层,代替传统的TiN阻挡层。溅射的铜钨膜可制备MOS高场电导二极管,铜钨合金膜的耐磨性与钨含量相关[5]。WEN等[6]探讨了铜钨多层膜的硬度和弹性模量;ZHOU等[7]考察了离子束辅助轰击注入对铜钨膜粘附性的增强效应。研究表明,虽铜钨呈正生成焓(ΔH>35.5kJ·mol-1),属难混溶系,但因远离平衡态,溅射沉积的铜钨薄膜存在固溶延展、亚稳相形成甚至非晶化、力学性能及导电性增强等现象而显示出重要意义。然而迄今用粉末冶金复合靶材以溅射法制备宽成分范围的铜钨薄膜仍鲜见报道[10]。为此,作者用磁控溅射技术,以宽成分铜钨复合靶制备该合金薄膜,探讨了钨含量对薄膜结构和性能的影响。

(1)用磁控共溅射法制备的铜钨合金薄膜中,当钨原子分数为31.8%,45.7%和54.8%时,薄膜呈非晶态;而Cu-18%W和Cu-60%W薄膜呈晶态,出现固溶度扩展,分别存在fccCu(W)亚稳过饱和固溶体和bccW(Cu)固溶体,且表面粗糙度高于非晶膜的。
(2)铜钨薄膜电阻率均高于纯铜薄膜的,且非晶铜钨膜的电阻率较晶态膜的高1.9倍以上。
(3)铜钨薄膜硬度与钨含量呈正相关,非晶铜钨膜硬度低于Voigt公式计算值,而晶态铜钨膜硬度略高于计算值。