基于磁控濺射共沉積技術(shù)的Cu-TiN納米復(fù)合薄膜的制作方法
【專利摘要】一種微電子和微機(jī)械【技術(shù)領(lǐng)域】的基于磁控濺射共沉積技術(shù)的Cu‐TiN納米復(fù)合薄膜，具有納米尺度且均勻混合的TiN添加物顆粒及Cu晶粒，TiN添加物顆粒的含量為1.0‐6.0at.％。本發(fā)明制備得到的復(fù)合薄膜的硬度為4.1‐5.1GPa，電阻率為3‐25μΩcm。在相同含量的添加物(對于Cu基合金薄膜指合金元素含量，對于Cu基復(fù)合薄膜則指所加入的化合物的含量)時(shí)，不但硬度顯著高于目前工業(yè)生產(chǎn)上采用的Cu基合金薄膜，而且導(dǎo)電率也不低于而更多的是高于合金薄膜。這種薄膜可用于現(xiàn)代工業(yè)特別是微電子和微機(jī)械【技術(shù)領(lǐng)域】對導(dǎo)電薄膜提出的高硬度要求。
【專利說明】基于磁控濺射共沉積技術(shù)的Cu-TiN納米復(fù)合薄膜

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種微電子和微機(jī)械【技術(shù)領(lǐng)域】的復(fù)合材料，具體是一種硬度達(dá)到 4. IGpa以上且電阻率小于25 μ Ω cm的Cu - TiN納米復(fù)合薄膜。

【背景技術(shù)】
[0002] 氣相沉積的Cu薄膜是一種重要的表面工程材料，其優(yōu)異的導(dǎo)電性和韌性在表面 工程中得到廣泛應(yīng)用，隨著微電子和微機(jī)械等高技術(shù)的發(fā)展，需要Cu薄膜在保持其高導(dǎo)電 性和高韌性的同時(shí)具有較高的硬度，而現(xiàn)有技術(shù)所獲得的Cu薄膜硬度較低，限制了這類薄 膜的應(yīng)用范圍。為了提高Cu薄膜的硬度，已有的技術(shù)是在Cu中加入各種合金元素形成合 金薄膜，雖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 提高則會較大地降低薄膜的導(dǎo)電性。目前微電子和微機(jī)械技術(shù)的發(fā)展急需一種能顯著提高 Cu薄膜硬度而不降低或較少降低其導(dǎo)電性的Cu基薄膜材料。
[0003] 經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)和文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，由K. Barmak，A. Gungor，C. Cabral Jr.和 J.M.E· Harper 在 Journal of Applied Physics，2003;94(3) :1605 中題為 Annealing behavior of Cu and dilute Cu - alloy films:Precipitation，grain growth，and resistivity的文獻(xiàn)提供了 Ag、Al、Sn、Ti、Nb等元素加入到Cu中形成合金的薄膜，在這些 Cu基的合金薄膜中，大多數(shù)薄膜的電阻率都會隨合金含量的少量加入（如< 3at. % )顯著 增加，只有高導(dǎo)電元素 Ag和Al的少量加入對Cu合金薄膜電阻率的增加較小，但包括Ag、 Al在內(nèi)的各合金元素在含量較低時(shí)對薄膜的硬度提高都不夠顯著。
[0004] 事實(shí)上，無論采用何種合金元素加入到Cu薄膜中所形成的固溶體薄膜都存在低 合金含量下硬度提高不大，而含量較高時(shí)導(dǎo)電率下降顯著的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0001] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種基于磁控濺射共沉積技術(shù)的 Cu - TiN納米復(fù)合薄膜，在相同含量的添加物（對于Cu基合金薄膜指合金元素含量，對于 Cu基復(fù)合薄膜則指所加入的化合物的含量）時(shí)，不但硬度顯著高于目前工業(yè)生產(chǎn)上采用的 Cu基合金薄膜，而且導(dǎo)電率也不低于而更多的是高于合金薄膜。這種薄膜可用于現(xiàn)代工業(yè) 特別是微電子和微機(jī)械【技術(shù)領(lǐng)域】對導(dǎo)電薄膜提出的高硬度要求。
[0002] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0003] 本發(fā)明涉及一種基于磁控濺射共沉積技術(shù)的Cu - TiN納米復(fù)合薄膜，該薄膜具有 納米尺度且均勻混合的TiN添加物顆粒及Cu晶粒，其中TiN的含量為1. 0 - 6. Oat. %，Cu 晶粒尺寸小于50nm，TiN添加物顆粒在復(fù)合薄膜中形成尺寸小于IOnm的聚集態(tài)顆粒，并均 勻地分布于Cu晶粒之間。
[0004] 所述的復(fù)合薄膜的硬度為4. I - 5. IGPa,電阻率為3 - 25 μ Ω cm，薄膜的厚度為 200nm - 20 μ m〇
[0005] 本發(fā)明涉及上述Cu - TiN納米復(fù)合薄膜的制備，采用氣相沉積的磁控濺射方法得 到。
[0006] 所述的氣相沉積的磁控濺射方法是指：在Ar氣氛中通過直流陰極濺射金屬Cu靶， 以射頻陰極濺射TiN靶，使濺射所得的兩種氣相材料共同沉積于真空室中絕緣陶瓷或金屬 的基體上形成復(fù)合薄膜，其中TiN含量通過TiN或Cu靶陰極的濺射功率進(jìn)行控制。
[0007] 所述的基體為陶瓷或金屬。
[0008] 由于復(fù)合薄膜中的主要組分Cu由直流陰極提供，而Cu材料在直流陰極下可獲得 很高的濺射速率，因而這種復(fù)合薄膜有很高的生產(chǎn)效率。 技術(shù)效果
[0009] 本發(fā)明提供的Cu - TiN納米復(fù)合薄膜的特點(diǎn)包括：
[0010] 1)復(fù)合膜的硬度高于4. IGPa,最高為5. IGPa,明顯高于具有相同添加物含量的Cu 基合金薄膜。與此同時(shí)，復(fù)合薄膜的電阻率僅為3-25 μ Ω cm，明顯低于相同添加物含量 的Cu - Nb, Cu - Ti, Cu - Sn等多數(shù)合金薄膜，而與目前所知的，具有最低電阻率的Cu - Ag, Cu - Al合金薄膜相當(dāng)。
[0011] 2) Cu -TiN復(fù)合薄膜具有納米尺度的Cu晶粒（<50nm)和TiN顆粒（〈10nm)的兩相 均勻混合結(jié)構(gòu)，TiN以微小顆粒的形態(tài)存在于Cu的晶粒之間，特別是，Cu的納米晶粒內(nèi)部 不含或很少含有固溶的TiN。正是這種"雙納米"（指Cu的晶粒和TiN顆粒均為納米尺度） 的結(jié)構(gòu)特征，使得復(fù)合薄膜在獲得高硬度的同時(shí)較少地?fù)p失Cu薄膜原有的導(dǎo)電能力。
[0012] 3)在本發(fā)明的Cu-TiN復(fù)合薄膜中，添加物TiN的含量僅為1.0-6. Oat. %，低的 TiN含量使得本發(fā)明的復(fù)合薄膜能保持Cu金屬的塑性和韌性，而這類薄膜在采用磁控濺射 方法制備時(shí)也因 Cu材料在直流陰極濺射時(shí)的高速率可獲得很高的生產(chǎn)效率。
[0013] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的Cu - TiN納米復(fù)合薄膜同時(shí)具有高的硬度和高的導(dǎo)電 率，且制備方法高效，對于現(xiàn)代電子技術(shù)和微機(jī)械技術(shù)等需要高硬度、高導(dǎo)電薄膜的領(lǐng)域， 具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1為實(shí)施例中Cu - TiN納米復(fù)合薄膜硬度隨TiN含量的變化圖；
[0015] 圖2為實(shí)施例中Cu - TiN納米復(fù)合薄膜電阻率隨TiN含量的變化以及多種Cu合 金薄膜電阻率隨合金元素含量變化的對比圖；
[0016] 圖3為含2. 1% TiN納米復(fù)合薄膜的透射電子顯微鏡照片；
[0017] 圖中：a)明場像、b)電子衍射花樣、c) Cu晶粒的暗場像和d) TiN顆粒的暗場像。

【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。 實(shí)施例1
[0019] 本實(shí)施例在雙靶磁控濺射儀的真空室中放置金屬基片，抽去真空室中的氣體達(dá)到 KT4Pa的壓強(qiáng)后，對真空室充入Ar氣并使其保持為0. 4 -3Pa的壓強(qiáng)，采用直流陰極濺射金 屬Cu,射頻陰極濺射TiN，濺射靶的尺寸均為φ76π?Γη，通過Cu和TiN兩種濺射材料的共沉積 在基片上形成Cu -TiN納米復(fù)合薄膜，并通過控制直流和射頻陰極的濺射功率獲得不同TiN 含量的復(fù)合薄膜。
[0020] Cu-TiN納米復(fù)合薄膜中的TiN含量為LOat. %，余為Cu,復(fù)合薄膜的硬度為 4. IGPa,電阻率為 2. 5 μ Ω cm。 實(shí)施例2
[0021] 本實(shí)施例采用與實(shí)施例1類似的操作，Cu-TiN納米復(fù)合薄膜中的TiN含量為 2. Oat. %，余為Cu,復(fù)合薄膜的硬度為4. 7GPa，電阻率為3. 0 μ Ω cm。 實(shí)施例3
[0022] 本實(shí)施例采用與實(shí)施例1類似的操作，Cu - TiN納米復(fù)合薄膜中的TiN含量為 5. Oat. %，余為Cu,復(fù)合薄膜的硬度為5. lGPa，電阻率為15 μ Ω cm。
[0023] 實(shí)施效果：如圖1?圖3所示，上述實(shí)施例制備得到的Cu - TiN納米復(fù)合薄膜硬 度在較低TiN含量時(shí)就明顯提高；并且該薄膜與合金薄膜相比在相同的添加物含量下具有 較低的電阻率，且具有小于50nm的Cu晶粒和小于IOnm的TiN顆粒形成均勻分布的混合結(jié) 構(gòu)。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于磁控濺射共沉積技術(shù)的Cu - TiN納米復(fù)合薄膜，其特征在于，具有納米尺 度且均勻混合的TiN添加物顆粒及Cu晶粒，該復(fù)合薄膜的硬度為4. 1 - 5. IGPa,電阻率為 3 - 25 u Q cm〇
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的Cu -TiN納米復(fù)合薄膜，其特征是，所述的Cu -TiN納米復(fù)合 薄膜中的TiN添加物顆粒的含量為I. O - 6. Oat. %。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的Cu - TiN納米復(fù)合薄膜，其特征是，所述的Cu晶粒尺寸小于 50nm〇
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的Cu -TiN納米復(fù)合薄膜，其特征是，所述的Cu -TiN納米復(fù)合 薄膜的厚度為200nm - 20 ii m。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的Cu -TiN納米復(fù)合薄膜，其特征是，所述的TiN添加物顆粒在 復(fù)合薄膜中形成尺寸小于IOnm的聚集態(tài)顆粒，并均勻地分布于Cu晶粒之間。
6. -種根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述Cu -TiN納米復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于，采 用氣相沉積的磁控濺射方法得到。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征是，所述的氣相沉積的磁控濺射方法是指：在Ar 氣氛中通過直流陰極濺射金屬Cu靶，以射頻陰極濺射TiN靶，使濺射所得的兩種氣相材料 共同沉積于真空室中絕緣陶瓷或金屬的基體上形成復(fù)合薄膜，其中TiN含量通過TiN或Cu 靶陰極的濺射功率進(jìn)行控制。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征是，所述的基體為陶瓷或金屬。
【文檔編號】C23C14/35GK104313543SQ201410639613
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月13日
【發(fā)明者】祝新發(fā), 張岸, 勵政偉, 張安明, 李戈揚(yáng) 申請人:上海工具廠有限公司, 上海交通大學(xué)