CN110144485A - 一种Cu-Ta合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Cu‑Ta合金及其制备方法，Cu‑Ta合金由以下成分组成，Ta原子百分比1.0～35.0，其余为Cu。制备方法具体步骤如下：步骤1：首先对硅基体表面进行超声清洗并烘干；步骤2：将基盘送入磁控溅射镀膜室抽真空；步骤3：采用直流电源共溅射制备Cu‑Ta合金；步骤4：待样品在真空室充分冷却后退出。本发明能够避免材料中合金元素分布不均匀的出现，根据成分不同，所得合金为纳米晶与非晶的复合材料，有效改善了合金材料的综合力学性能。

Description

一种Cu-Ta合金及其制备方法

技术领域

本发明属于金属结构材料领域，具体为一种Cu-Ta合金及其制备方法。

背景技术

微电子和微器件是当今社会支柱产业之一，作为信息时代的物质基础，是21世纪高新技术重点研究的对象。自上世纪60年代起，电子元器件的微型化进程一直遵循着摩尔定律迅猛的发展着，其微型化、轻量化和集成化成为新一代微电子技术的发展趋势和必然要求。微电子器件具有几何尺寸小、组装结构复杂等特点，目前已广泛应用于航空航天、医疗、通信、能源等领域。这些产品的共同特征是，其所用材料的特征尺寸逐渐由微米减至亚微米量级甚至到纳米量级，微纳器件的力学变形通常不稳定，容易发生突然失效。因此，为了确保微电子元器件的稳定正常服役，设计具有优异力学性能的纳米金属材料具有重要的应用价值和意义。

Cu由于具有较高的抗电迁移性能和良好的导热导电稳定性，作为互连线材料在微电子产业中被广泛应用。但其机械强度较低，在互连线制造过程中容易被刮伤，造成表面损坏，从而加速微纳器件的损坏。因此，针对提高微纳电子元器件的小尺寸材料机械强度和变形稳定性问题，亟待简单快捷的解决方案。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种Cu-Ta合金及其制备方法，所制备的合金材料具有均匀的微观组织和优异的机械强度，有效改善材料的服役寿命。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种Cu-Ta合金，所述Cu-Ta合金中组成原子百分比为：Ta1.0％～35.0％，其余为Cu；所述Cu-Ta合金的晶粒为柱状纳米晶。

优选的，所述柱状纳米晶中含有纳米孪晶纳，纳米孪晶的百分比不超过90％。

优选的，所述Ta的原子百分比为17％。

优选的，所述Cu-Ta合金的纳米压痕硬度为2.68GPa～5.97GPa。

本发明还提供上述Cu-Ta合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对基体表面进行清洗烘干；

步骤2：将基体送入磁控溅射镀膜室，然后抽真空；

步骤3：采用磁控溅射共溅射方法在基体上制备Cu-Ta合金；

步骤4：将步骤3得到的基体进行真空冷却，得到Cu-Ta合金。

优选的，步骤1中所述清洗烘干处理的方法具体如下；

将抛光的基体在丙酮和酒精中依次超声清洗10min，然后烘干，抛光面的粗糙度小于0.8nm。

优选的，步骤2中所述抽真空至背底真空度小于4.0×10^-4Pa。

优选的，所述磁控溅射共溅射方法为：Cu靶和Ta靶均采用直流电源进行溅射。

优选的，所述Cu靶纯度99.99wt％，直流电源功率200W，Ta靶纯度99.97wt％，直流电源功率5～250W，沉积气压0.5Pa，沉积温度为室温，基盘转速15r/min，沉积时间5000s。

优选的，步骤4制备的Cu-Ta合金厚度为1.5μm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种Cu-Ta合金，金属钽的密度为16.65g/cm3，熔点为2996℃，具有极高的硬度，且Ta的原子半径比Cu大，与Cu混溶后形成置换固溶体，使基体晶格常数变大，引起晶格畸变，对位错运动起到阻碍和钉扎的作用。铜元素和钽元素的混合焓接近零，铜钽合金中容易形成金属非晶，使得结构出现从晶体到非晶的转变，最终有效改善Cu合金的力学性能。

本发明还提供了上述Cu-Ta合金的制备方法，利用磁控溅射技术的优势，通过不同靶材共溅射调控合金元素含量，制备合金元素分布均匀、具有不同微观组织且性能优异的Cu-Ta合金。

附图说明

图1为本发明Cu-Ta合金TEM截面照片；

图2为本发明Cu-Ta合金STEM照片；

图3为本发明Cu-Ta合金EDS扫描Ta元素分布图；

图4为不同Ta含量Cu-Ta合金的载荷位移曲线；

图5为不同Ta含量Cu-Ta合金的纳米压痕硬度结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

一种Cu-Ta合金，其化学成分组成原子百分比为：Ta 1.0～35.0，其余为Cu；采用磁控溅射共溅射方法制得，在Ta含量低于一定原子百分比时，具有晶体结构且晶粒为细小柱状纳米晶，所述细小柱状纳米晶中含有一定比例的纳米孪晶；在Ta含量高于一定原子百分比时，具有非晶结构。

图1中展示了本发明的Cu-Ta合金TEM截面照片，图2和图3分别展示了本发明的Cu-Ta合金STEM照片及EDS扫描Ta元素分布图，图4展示了不同Ta含量Cu-Ta合金纳米压痕的载荷-位移曲线，图5展示了随Ta含量变化Cu-Ta合金的纳米压痕硬度变化趋势。根据本发明的Cu-Ta合金，内部合金元素分布均匀，在Ta含量低于一定原子百分比时，具有晶体结构且晶粒为柱状细小纳米晶，并包含大量纳米孪晶结构，随Ta含量增加，晶粒尺寸减小，纳米孪晶在柱状细小纳米晶中的比例为0-90％，孪晶百分数减小，孪晶片层厚度降低。本发明的Cu-Ta合金具有高强度、良好塑性变形能力等优异力学性能。

本发明的Cu-Ta合金的制备方法，包括以下步骤；

步骤1，取单面抛光的单晶硅基体，将其依次在化学纯丙酮和乙醇中超声清洗10min，然后使用暖风快速烘干，使其表面洁净无污渍、无灰尘附着，超声处理后的硅基体表面粗糙度小于0.8nm。对抛光后的单晶硅基体进行超声清洗，有利于提高合金与基体结合力。

步骤2，将超声清洗后的单晶硅基体固定到基盘上，自动机械伴送进入磁控溅射镀膜室，抽真空至背底真空度在4.0×10^-4Pa以下。

步骤3，采用磁控溅射共溅射技术在硅基体上沉积制备Cu-Ta合金；

其中，Cu靶纯度99.99wt％，采用直流电源，功率200W，Ta靶纯度99.97wt％，采用直流电源功率5～250W，沉积气压0.5Pa，沉积温度为室温，基盘转速15r/min。待真空度在4.0×10^-4Pa以下，开启直流电源开始共溅射沉积，沉积时间5000s，所得Cu-Ta合金厚度～1.5μm。

步骤4，由于沉积过程中溅射原子长时间轰击基体，导致制得的Cu-Ta合金有一定的温升，沉积结束后在高真空镀膜室中随炉充分冷却后再退出，可以确保样品内应力较小且表面不被空气氧化。

采用磁控溅射共溅射技术在超声清洗洁净的单晶硅片表面沉积Cu-Ta合金，其原理是通过Ar气电离产生Ar⁺离子，在阴极电位吸引下加速轰击阴极靶材(Cu和Ta)，溅射出靶材原子以及二次电子，靶材原子朝相反方向沉积到阳极基板，二次电子在正交电磁场中的运动方向与电场、磁场垂直，呈现圆滚线运动轨迹，增强了同Ar分子的碰撞，提高了Ar电离的几率。该方法的突出优势是离化率高，沉积速率快，工作温度低且元素含量可调控，不易造成靶材元素的团聚和反溅射现象，造成微观组织的不均匀。最后在高真空镀膜室自然冷却至室温，避免快速暴露空气中的氧化，使沉积原子充分扩散形成最终的Cu-Ta合金。

实施例1

一种Cu-Ta合金的制备方法，包括以下步骤；

步骤1，在分析纯丙酮和乙醇中依次对单晶硅基体进行超声清洗各10min，然后使用暖风迅速烘干。

步骤2，将单晶硅基体固定在基盘上，机械自动伴送进入磁控溅射真空镀膜室，抽至背底真空度在4.0×10^-4Pa以下。

步骤3，采用磁控溅射直流电源共溅射在超声清洗的单晶硅片上沉积Cu-Ta合金；

其中，Cu靶(纯度99.99wt％)采用直流电源，功率200W，Ta靶(纯度99.97wt％)采用直流电源，功率5W，沉积气压设定0.5Pa，沉积温度为室温，基盘转速15r/min，同时开启直流电源开始共溅射沉积，沉积时间5000s。

步骤4，将步骤3得到的单晶硅基体在高真空镀膜室中自然冷却2-3小时至室温退出，得到Cu-1.0at％Ta合金，厚度～1.5μm。

对所制备的Cu-1.0at％Ta合金进行微观组织表征和力学性能测试，晶粒呈现柱状晶且存在细小的纳米孪晶结构，合金元素Ta均匀分布，柱状纳米晶的尺寸为45nm，纳米孪晶的百分比为90％，在4500μN载荷下纳米压入测得其硬度为2.68±0.15GPa。

实施例2

一种Cu-Ta合金的制备方法，包括以下步骤；

步骤1，在分析纯丙酮和乙醇中依次对单晶硅基体进行超声清洗各10min，然后使用暖风迅速烘干。

步骤2，将单晶硅基体固定在基盘上，机械自动伴送进入磁控溅射真空镀膜室，抽至背底真空度在4.0×10^-4Pa以下。

步骤3，采用磁控溅射直流电源共溅射在超声清洗的单晶硅片上沉积Cu-Ta合金；

其中，Cu靶(纯度99.99wt％)采用直流电源、功率200W，Ta靶(纯度99.97wt％)采用直流电源、功率40W，沉积气压设定0.5Pa，沉积温度为室温，基盘转速15r/min，同时开启直流电源开始共溅射沉积，沉积时间5000s。

步骤4，将步骤3得到的单晶硅基体在高真空镀膜室中自然冷却2-3小时至室温退出，得到Cu-9.4at％Ta合金，厚度～1.5μm。

对所制备的Cu-9.4at％Ta合金进行微观组织表征和力学性能测试，晶粒呈现柱状晶且存在细小的纳米孪晶结构，合金元素Ta均匀分布，柱状纳米晶的尺寸为15nm，纳米孪晶的百分比为22％，4500μN载荷下纳米压入测得其硬度为4.56±0.09GPa。

实施例3

一种Cu-Ta合金的制备方法，包括以下步骤；

步骤1，在分析纯丙酮和乙醇中依次对单晶硅基体进行超声清洗各10min，然后使用暖风迅速烘干。

步骤2，将单晶硅基体固定在基盘上，机械自动伴送进入磁控溅射真空镀膜室，抽至背底真空度在4.0×10^-4Pa以下。

步骤3，采用磁控溅射直流电源共溅射在超声清洗的单晶硅基体上沉积Cu-Ta合金；

其中，Cu靶(纯度99.99wt％)采用直流电源，功率200W，Ta靶(纯度99.97wt％)采用直流电源，功率80W，沉积气压设定0.5Pa，沉积温度为室温，基盘转速15r/min，同时开启直流电源开始共溅射沉积，沉积时间5000s。

步骤4，将步骤3得到的单晶硅基体在高真空镀膜室中自然冷却2-3小时至室温退出，得到Cu-17.0at％Ta合金，厚度为1.5μm。

对所制备的Cu-17.0at％Ta合金进行微观组织表征和力学性能测试，晶粒呈现柱状晶，合金元素Ta均匀分布，柱状纳米晶的尺寸为8.0nm，并且不还有纳米孪晶在4500μN载荷下纳米压入测得其硬度为5.97±0.07GPa。

实施例4

一种Cu-Ta合金的制备方法，包括以下步骤；

步骤1，在分析纯丙酮和乙醇中依次对单晶硅基体进行超声清洗各10min，然后使用暖风迅速烘干。

步骤2，将单晶硅基体固定在基盘上，机械自动伴送进入磁控溅射真空镀膜室，抽至背底真空度在4.0×10^-4Pa以下。

步骤3，采用磁控溅射直流电源共溅射在超声清洗的单晶硅片上沉积Cu-Ta合金；

其中，Cu靶(纯度99.99wt％)采用直流电源，功率200W，Ta靶(纯度99.97wt％)采用直流电源，功率250W，沉积气压设定0.5Pa，沉积温度为室温，基盘转速15r/min，同时开启直流电源开始共溅射沉积，沉积时间5000s。

步骤4，将步骤3得到的单晶硅基体在高真空镀膜室中自然冷却2-3小时至室温退出，得到Cu-35.0at％Ta合金，厚度～1.5μm。

对所制备的Cu-35.0at％Ta合金进行微观组织表征和力学性能测试，呈非晶结构，合金元素Ta均匀分布，在4500μN载荷下纳米压入测得其硬度为4.97±0.10GPa。

本发明提供的一种Cu-Ta合金及其制备方法，避免合金元素在基体中的非均匀分布，所制备的合金材料具有均匀的微观组织和优异的机械强度，有效改善材料的服役寿命。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种Cu-Ta合金，其特征在于，所述Cu-Ta合金中组成原子百分比为：Ta 1.0％～35.0％，其余为Cu；所述Cu-Ta合金的晶粒为柱状纳米晶。

2.根据权利要求1所述的Cu-Ta合金，其特征在于：所述柱状纳米晶中含有纳米孪晶纳，纳米孪晶的百分比不超过90％。

3.根据权利要求1所述的Cu-Ta合金，其特征在于：所述Ta的原子百分比为17％。

4.根据权利要求1-3任一项所述的Cu-Ta合金，其特征在于：所述Cu-Ta合金的纳米压痕硬度为2.68GPa～5.97GPa。

5.一种权利要求1-4任一项所述的Cu-Ta合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对基体表面进行清洗烘干；

步骤2：将基体送入磁控溅射镀膜室，然后抽真空；

步骤3：采用磁控溅射共溅射方法在基体上制备Cu-Ta合金；

步骤4：将步骤3得到的基体进行真空冷却，得到Cu-Ta合金。

6.根据权利要求5所述的Cu-Ta合金的制备方法，其特征在于，步骤1中所述清洗烘干处理的方法具体如下；

将抛光的基体在丙酮和酒精中依次超声清洗10min，然后烘干，抛光面的粗糙度小于0.8nm。

7.根据权利要求5所述的Cu-Ta合金的制备方法，其特征在于，步骤2中所述抽真空至背底真空度小于4.0×10^-4Pa。

8.根据权利要求5所述的Cu-Ta合金的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射共溅射方法为：Cu靶和Ta靶均采用直流电源进行溅射。

9.根据权利要求8所述的Cu-Ta合金的制备方法，其特征在于，所述Cu靶纯度99.99wt％，直流电源功率200W，Ta靶纯度99.97wt％，直流电源功率5～250W，沉积气压0.5Pa，沉积温度为室温，基盘转速15r/min，沉积时间5000s。

10.根据权利要求8所述的Cu-Ta合金的制备方法，其特征在于，步骤4制备的Cu-Ta合金厚度为1.5μm。