CN104313543A - 基于磁控溅射共沉积技术的Cu-TiN纳米复合薄膜 - Google Patents

Abstract

一种微电子和微机械技术领域的基于磁控溅射共沉积技术的Cu‐TiN纳米复合薄膜，具有纳米尺度且均匀混合的TiN添加物颗粒及Cu晶粒，TiN添加物颗粒的含量为1.0‐6.0at.％。本发明制备得到的复合薄膜的硬度为4.1‐5.1GPa，电阻率为3‐25μΩcm。在相同含量的添加物(对于Cu基合金薄膜指合金元素含量，对于Cu基复合薄膜则指所加入的化合物的含量)时，不但硬度显著高于目前工业生产上采用的Cu基合金薄膜，而且导电率也不低于而更多的是高于合金薄膜。这种薄膜可用于现代工业特别是微电子和微机械技术领域对导电薄膜提出的高硬度要求。

Description

基于磁控溅射共沉积技术的Cu-TiN纳米复合薄膜

技术领域

本发明涉及的是一种微电子和微机械技术领域的复合材料，具体是一种硬度达到4.1Gpa以上且电阻率小于25μΩcm的Cu‐TiN纳米复合薄膜。

背景技术

气相沉积的Cu薄膜是一种重要的表面工程材料，其优异的导电性和韧性在表面工程中得到广泛应用，随着微电子和微机械等高技术的发展，需要Cu薄膜在保持其高导电性和高韧性的同时具有较高的硬度，而现有技术所获得的Cu薄膜硬度较低，限制了这类薄膜的应用范围。为了提高Cu薄膜的硬度，已有的技术是在Cu中加入各种合金元素形成合金薄膜，虽然合金化的方法可以使Cu薄膜的硬度得到提高，但是合金元素的加入和含量的提高则会较大地降低薄膜的导电性。目前微电子和微机械技术的发展急需一种能显著提高Cu薄膜硬度而不降低或较少降低其导电性的Cu基薄膜材料。

经对现有技术和文献检索发现，由K.Barmak，A.Gungor，C.Cabral Jr.和J.M.E.Harper在Journal of Applied Physics，2003；94(3):1605中题为Annealing behavior of Cu and diluteCu‐alloy films:Precipitation，grain growth，and resistivity的文献提供了Ag、Al、Sn、Ti、Nb等元素加入到Cu中形成合金的薄膜，在这些Cu基的合金薄膜中，大多数薄膜的电阻率都会随合金含量的少量加入(如＜3at.％)显著增加，只有高导电元素Ag和Al的少量加入对Cu合金薄膜电阻率的增加较小，但包括Ag、Al在内的各合金元素在含量较低时对薄膜的硬度提高都不够显著。

事实上，无论采用何种合金元素加入到Cu薄膜中所形成的固溶体薄膜都存在低合金含量下硬度提高不大，而含量较高时导电率下降显著的问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于磁控溅射共沉积技术的Cu‐TiN纳米复合薄膜，在相同含量的添加物(对于Cu基合金薄膜指合金元素含量，对于Cu基复合薄膜则指所加入的化合物的含量)时，不但硬度显著高于目前工业生产上采用的Cu基合金薄膜，而且导电率也不低于而更多的是高于合金薄膜。这种薄膜可用于现代工业特别是微电子和微机械技术领域对导电薄膜提出的高硬度要求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于磁控溅射共沉积技术的Cu‐TiN纳米复合薄膜，该薄膜具有纳米尺度且均匀混合的TiN添加物颗粒及Cu晶粒，其中TiN的含量为1.0‐6.0at.％，Cu晶粒尺寸小于50nm，TiN添加物颗粒在复合薄膜中形成尺寸小于10nm的聚集态颗粒，并均匀地分布于Cu晶粒之间。

所述的复合薄膜的硬度为4.1‐5.1GPa，电阻率为3‐25μΩcm，薄膜的厚度为200nm‐20μm。

本发明涉及上述Cu‐TiN纳米复合薄膜的制备，采用气相沉积的磁控溅射方法得到。

所述的气相沉积的磁控溅射方法是指：在Ar气氛中通过直流阴极溅射金属Cu靶，以射频阴极溅射TiN靶，使溅射所得的两种气相材料共同沉积于真空室中绝缘陶瓷或金属的基体上形成复合薄膜，其中TiN含量通过TiN或Cu靶阴极的溅射功率进行控制。

所述的基体为陶瓷或金属。

由于复合薄膜中的主要组分Cu由直流阴极提供，而Cu材料在直流阴极下可获得很高的溅射速率，因而这种复合薄膜有很高的生产效率。

技术效果

本发明提供的Cu‐TiN纳米复合薄膜的特点包括：

1)复合膜的硬度高于4.1GPa，最高为5.1GPa，明显高于具有相同添加物含量的Cu基合金薄膜。与此同时，复合薄膜的电阻率仅为3‐25μΩcm，明显低于相同添加物含量的Cu‐Nb，Cu‐Ti，Cu‐Sn等多数合金薄膜，而与目前所知的，具有最低电阻率的Cu‐Ag，Cu‐Al合金薄膜相当。

2)Cu‐TiN复合薄膜具有纳米尺度的Cu晶粒(<50nm)和TiN颗粒(<10nm)的两相均匀混合结构，TiN以微小颗粒的形态存在于Cu的晶粒之间，特别是，Cu的纳米晶粒内部不含或很少含有固溶的TiN。正是这种”双纳米”(指Cu的晶粒和TiN颗粒均为纳米尺度)的结构特征，使得复合薄膜在获得高硬度的同时较少地损失Cu薄膜原有的导电能力。

3)在本发明的Cu‐TiN复合薄膜中，添加物TiN的含量仅为1.0‐6.0at.％，低的TiN含量使得本发明的复合薄膜能保持Cu金属的塑性和韧性，而这类薄膜在采用磁控溅射方法制备时也因Cu材料在直流阴极溅射时的高速率可获得很高的生产效率。

与现有技术相比，本发明的Cu‐TiN纳米复合薄膜同时具有高的硬度和高的导电率，且制备方法高效，对于现代电子技术和微机械技术等需要高硬度、高导电薄膜的领域，具有很大的应用价值。

附图说明

图1为实施例中Cu‐TiN纳米复合薄膜硬度随TiN含量的变化图；

图2为实施例中Cu‐TiN纳米复合薄膜电阻率随TiN含量的变化以及多种Cu合金薄膜电阻率随合金元素含量变化的对比图；

图3为含2.1％TiN纳米复合薄膜的透射电子显微镜照片；

图中：a)明场像、b)电子衍射花样、c)Cu晶粒的暗场像和d)TiN颗粒的暗场像。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例在双靶磁控溅射仪的真空室中放置金属基片，抽去真空室中的气体达到10^‐4Pa的压强后，对真空室充入Ar气并使其保持为0.4‐3Pa的压强，采用直流阴极溅射金属Cu，射频阴极溅射TiN，溅射靶的尺寸均为通过Cu和TiN两种溅射材料的共沉积在基片上形成Cu‐TiN纳米复合薄膜，并通过控制直流和射频阴极的溅射功率获得不同TiN含量的复合薄膜。

Cu‐TiN纳米复合薄膜中的TiN含量为1.0at.％，余为Cu，复合薄膜的硬度为4.1GPa，电阻率为2.5μΩcm。

实施例2

本实施例采用与实施例1类似的操作，Cu‐TiN纳米复合薄膜中的TiN含量为2.0at.％，余为Cu，复合薄膜的硬度为4.7GPa，电阻率为3.0μΩcm。

实施例3

本实施例采用与实施例1类似的操作，Cu‐TiN纳米复合薄膜中的TiN含量为5.0at.％，余为Cu，复合薄膜的硬度为5.1GPa，电阻率为15μΩcm。

实施效果：如图1～图3所示，上述实施例制备得到的Cu‐TiN纳米复合薄膜硬度在较低TiN含量时就明显提高；并且该薄膜与合金薄膜相比在相同的添加物含量下具有较低的电阻率，且具有小于50nm的Cu晶粒和小于10nm的TiN颗粒形成均匀分布的混合结构。

Claims (8)

1.一种基于磁控溅射共沉积技术的Cu‐TiN纳米复合薄膜，其特征在于，具有纳米尺度且均匀混合的TiN添加物颗粒及Cu晶粒，该复合薄膜的硬度为4.1‐5.1GPa，电阻率为3‐25μΩcm。

2.根据权利要求1所述的Cu‐TiN纳米复合薄膜，其特征是，所述的Cu‐TiN纳米复合薄膜中的TiN添加物颗粒的含量为1.0‐6.0at.％。

3.根据权利要求1所述的Cu‐TiN纳米复合薄膜，其特征是，所述的Cu晶粒尺寸小于50nm。

4.根据权利要求1所述的Cu‐TiN纳米复合薄膜，其特征是，所述的Cu‐TiN纳米复合薄膜的厚度为200nm‐20μm。

5.根据权利要求1所述的Cu‐TiN纳米复合薄膜，其特征是，所述的TiN添加物颗粒在复合薄膜中形成尺寸小于10nm的聚集态颗粒，并均匀地分布于Cu晶粒之间。

6.一种根据上述任一权利要求所述Cu‐TiN纳米复合薄膜的制备方法，其特征在于，采用气相沉积的磁控溅射方法得到。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征是，所述的气相沉积的磁控溅射方法是指：在Ar气氛中通过直流阴极溅射金属Cu靶，以射频阴极溅射TiN靶，使溅射所得的两种气相材料共同沉积于真空室中绝缘陶瓷或金属的基体上形成复合薄膜，其中TiN含量通过TiN或Cu靶阴极的溅射功率进行控制。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征是，所述的基体为陶瓷或金属。