溅射沉积 CuMo 薄膜的结构和性能
郭中正，孙 勇，周 铖，沈 黎，殷国祥
(昆明理工大学 云南省新材料制备与加工重点实验室，昆明 650093)
摘 要：用磁控溅射法制备含钼2.19%~35.15%(摩尔分数)的CuMo合金薄膜，运用能谱仪(EDX)、X 射线衍射仪(XRD)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、显微硬度仪和电阻计对薄膜成分、结构和性能进行研究。结果表明：Mo 添加使CuMo薄膜晶粒显著细化，CuMo膜呈纳米晶结构，存在Mo 在Cu 中的FCC Cu(Mo)非平衡亚稳过饱和固溶体;随Mo 含量的增加，Mo 固溶度逐渐增加，而薄膜微晶体尺寸则逐渐减小，Mo 的最大固溶度为30.6%。与纯Cu 膜对比表明，CuMo膜的显微硬度和电阻率随Mo 含量的上升而持续增加。经200、400 和650 ℃热处理1 h 后，CuMo膜的显微硬度和电阻率均降低，降幅与热处理温度呈正相关;经650 ℃退火后，CuMo膜基体相晶粒长大，并出现亚微米−微米级富Cu 第二相。在CuMo膜的XRD 谱中观察到Mo(110)特征峰，CuMo薄膜结构和性能形成及演变的主要原因是添加Mo 引起的晶粒细化效应以及热处理中基体相晶粒的生长。
电子和航空航天等领域的发展要求材料兼具高导电、导热性和高温应力疲劳抗性，铜−难熔金属(如Mo、W 、N b和Ta等)合金因具备此类性能而受重视[ 1] 。Cu/Mo/Cu层状材料的热膨胀系数和弹性模量可调，导热、导电性和加工性能优异 [2] 。CuMo合金将高熔点、高强度的钼与高导电、导热性的铜复合 [3] ，通常钼弥散分布于铜基体，显著提高合金强度，导电、导热性和应力疲劳抗性优异，在微电子、航空、热交换、低散热发动机领域前景广阔。研究发现，CuMo薄膜电信号延迟小、电阻率低(<10 3 μΩ∙cm)、电迁移抗性(>10 6 A∙cm −2 )高于Al 基膜，可避免Cu/Si 间反应生成硅化铜，可用于ULSI 器件作无阻挡层互联 [4−5] 。PVD 法制备的CuMo膜呈纳米晶结构，力学性能优良，可用于光伏装置增加粘附性 [6] 。CuMo涂层耐磨损，可作为高温固体润滑膜 [7] 。虽 CuMo呈正生成焓(28kJ/mol)，属难混溶体系，但实验表明，因远离平衡态，溅射沉积的 CuMo[8] 和 CuNb[9] 等薄膜中存在固溶度延展、亚稳相形成、缺陷密度急剧变化、导电性及硬度增强[ 10] 等现象，与 机械合金化的CuMo[11−12]材 料相似，具有重要意义而受关注。本文作者采用磁控共溅射工艺制备 CuMo薄膜，探讨 Mo 含量及热处理对CuMo薄膜结构和性能的影响规律和内在原因。
