郭中正， 閆萬珺， 張殿喜， 楊秀凡， 蔣憲邦， 周丹彤

(安順學(xué)院電子與信息工程學(xué)院， 貴州 安順 561000)

0 前 言

Cu-W 材料具有導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、強(qiáng)度高、抗燒蝕、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于電觸頭、熱沉、電火花加工及高溫耐磨材料等領(lǐng)域[1-3]。 正因Cu 和W 難混溶，Cu-W材料兼具二者性能優(yōu)勢(shì)且易調(diào)控[4]。 微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的勃興亟需結(jié)構(gòu)-功能型薄膜，而Cu-W 薄膜因具有特殊電學(xué)和力學(xué)性能而深受關(guān)注[5，6]。 研究發(fā)現(xiàn)，作為Cu-W 薄膜的主要制備工藝，濺射沉積的工藝參數(shù)顯著影響Cu-W 薄膜的結(jié)構(gòu)與性能。 Ai 等[7]研究了離子束濺射沉積Cu-W 薄膜時(shí)離子束能量對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明薄膜呈非晶W 骨架與Cu 晶粒的機(jī)械混合結(jié)構(gòu)，但當(dāng)Cu 靶的離子束轟擊能量高于1.5 keV 時(shí)，少量Cu 轉(zhuǎn)變?yōu)閱尉А?Beainou 等[8]考察了Cu和W 雙靶側(cè)傾共沉積制備的W-Cu 薄膜的柱狀晶傾斜情況，結(jié)果顯示傾斜程度與濺射氣壓呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)濺射氣壓為0.42 Pa 時(shí)傾斜角度大于41°，而濺射氣壓為1.0 Pa 時(shí)傾斜角度均不超過26°。 Xie 等[9]探討了襯底溫度對(duì)雙靶直流磁控濺射共沉積的W-Cu 薄膜結(jié)構(gòu)演變的影響規(guī)律，結(jié)果表明隨著襯底溫度的升高，Cu 原子的擴(kuò)散增強(qiáng)，使薄膜的結(jié)晶化程度得以提高。 Thomas等[10]的研究表明，在雙靶濺射共沉積含12%～45%(原子分?jǐn)?shù)) Cu 的Cu-W 膜中形成了單一的bcc 結(jié)構(gòu)固溶體相，且其力學(xué)性能隨Cu 含量而變化，即隨Cu 含量的增加，薄膜的硬度和彈性模量均呈先降低后提高，然后再略減小的趨勢(shì)，含22%Cu 的Cu-W 薄膜的硬度最低、彈性模量最小。 Zhao 等[11]指出，雙靶磁控濺射沉積的納米晶Cu-W 薄膜中出現(xiàn)了固溶度的延展，W 含量顯著影響其結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性及硬度。 田爽等[12]證實(shí)了高能束輻照可促進(jìn)Cu-W 體系固溶度的延展。 這些研究充分展示出Cu-W 薄膜廣闊的研究空間及應(yīng)用潛力。但目前Cu-W 薄膜的制備主要采用雙靶濺射共沉積的方法，采用組合靶濺射沉積的研究較少。 雙靶濺射的優(yōu)點(diǎn)在于兩靶的功率和傾角可獨(dú)立調(diào)整，從而分別調(diào)控薄膜成分與沉積角度，缺點(diǎn)在于操作較為復(fù)雜、可重復(fù)性較差。 而當(dāng)不易獲得均勻合金靶或化合物靶時(shí)，由多種組元所構(gòu)成的組合靶，則可制取多元薄膜，工藝簡單且重復(fù)性好。 其主要缺點(diǎn)表現(xiàn)為，若組合靶的各組元的濺射產(chǎn)額差距太大，則薄膜易出現(xiàn)明顯的成分偏離。 為此，本工作先設(shè)計(jì)鑲嵌組合型靶材，再采用磁控濺射工藝制備Cu-W 薄膜，調(diào)整W 靶的面積占比即可控制薄膜的W 含量。 通過較系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析、形貌觀察及力學(xué)性能測(cè)試探討W 含量對(duì)Cu-W 薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律，為Cu-W 薄膜制備工藝的改進(jìn)提供參考，為拓展其應(yīng)用領(lǐng)域提供實(shí)驗(yàn)支持。

1 試 驗(yàn)

1.1 薄膜制備

用MS560E 型高真空磁控濺射儀制樣，磁控濺射時(shí)Ar+主要作用于靶表面一定的環(huán)狀區(qū)域并形成環(huán)狀刻蝕區(qū)。 為了能制備出包含Cu 和W 的雙組元Cu-W 薄膜，設(shè)計(jì)了鑲嵌型靶材，如圖1 所示。 Cu 靶純度優(yōu)于99.99%，圓片狀Cu 靶尺寸φ50 mm×4 mm，其環(huán)狀刻蝕區(qū)內(nèi)徑φ24 mm、外徑φ36 mm，環(huán)寬度6 mm，刻蝕區(qū)的中線為φ30 mm 的徑跡。 以中線為圓心，鉆出φ3 mm、深3 mm 的坑，坑對(duì)稱且均布，坑的數(shù)目按實(shí)驗(yàn)需求而定。 W 靶純度99.95%，用線切割機(jī)將W 靶切割為φ3 mm、高3 mm 的小圓柱，再嵌入Cu 靶表面鉆出的坑內(nèi)，即可組合并構(gòu)成Cu-W 鑲嵌靶，由于坑深度與W 靶的高度相等，鑲嵌靶表面平整。 W 靶的有效面積占比是指其表面積與環(huán)狀刻蝕區(qū)面積之比，單個(gè)W 靶的表面積為7.07 mm2，環(huán)狀刻蝕區(qū)面積為565.49 mm2，故單個(gè)W 靶的有效面積占比為1.25%。 當(dāng)嵌入4 ～20 個(gè)W 靶時(shí)，相應(yīng)地，W 靶的面積占比被控制在5%～25%的范圍內(nèi)。 本底真空6.6×10-4Pa，工作氣體為分析純Ar，直流濺射。 主要工藝參數(shù):靶功率密度10 W/cm2、濺射氣壓2 Pa、靶材與基底間的距離為150 mm。 襯底選用聚酰亞胺、＜111＞向單晶硅及聚乙烯醇縮甲醛(PVF)3種，將聚酰亞胺和單晶硅依次放入乙醇和去離子水中，施加超聲波進(jìn)行清洗，烘干后分別安裝在儀器的襯底座上。 沉積前再用Ar 離子束轟擊襯底10 min，完成最終清洗。 利用表面張力剝離-濾紙黏附法，將PVF 溶液附著于透射電鏡觀察專用的φ3 mm 銅網(wǎng)上，經(jīng)干燥后形成PVF 膜并作為薄膜的襯底。 因其自身本已足夠清潔，而清洗則容易導(dǎo)致破損，故直接在其上沉積Cu-W薄膜。 沉積時(shí)襯底自轉(zhuǎn)速率為15 r/min，提高膜厚均勻性，襯底通循環(huán)水冷卻，襯底平均溫度為323 K。 用FTM107-A 型石英晶體振蕩儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)膜厚，Cu-W 薄膜的厚度均為900 nm。 相同工藝條件下，分別用純Cu和純W 靶，制備等厚的單質(zhì)Cu 膜和W 膜以便作對(duì)比。沉積在硅襯底上的薄膜用于成分和結(jié)構(gòu)分析、形貌觀察以及彈性模量和顯微硬度測(cè)試，沉積在聚乙烯醇縮甲醛(PVF)上的薄膜用于透射電鏡觀察，沉積在柔性聚酰亞胺上的薄膜則用于微力拉伸試驗(yàn)，測(cè)量屈服強(qiáng)度和裂紋萌生臨界應(yīng)變值。

圖1 Cu-W 鑲嵌型靶材示意圖Fig.1 Schematic diagram of Cu-W mosaic targets

1.2 測(cè)試分析

用AMETEK 能譜儀(EDS)測(cè)定Cu-W 薄膜成分，TD-3500 型X 射線衍射儀(XRD)分析薄膜結(jié)構(gòu)，Cu Kα線，波長0.154 06 nm，管壓36 kV，管流30 mA。 精細(xì)結(jié)構(gòu)觀察選用TECNAI G2S-TWIN 高分辨透射電鏡(HRTEM)，加速電壓200 kV，線分辨率0.1 nm。 用TESCAN VEGA 3 SBU 型掃描電鏡(SEM)觀察薄膜微觀結(jié)構(gòu)，SPA-400 型原子力顯微鏡(AFM)觀察表面精細(xì)形貌。 運(yùn)用MTS Tytron 250 型微力測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)定薄膜屈服強(qiáng)度值σ0.2，加載速率10-4/s，總位移量恒定[13]。 拉伸時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電阻，拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變稱裂紋萌生臨界應(yīng)變?chǔ)與，表征變形損傷抗性。 選用Nano Indenter XP 型納米壓痕儀測(cè)量彈性模量和顯微硬度，伯氏三棱錐金剛石壓頭，壓入深度200 nm，應(yīng)變速率0.05/s，壓入點(diǎn)4～6 個(gè)，各點(diǎn)相距100 μm 以上，結(jié)果取均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 W 靶的面積占比對(duì)Cu-W 薄膜沉積率和W 含量的影響

在鑲嵌靶的環(huán)狀刻蝕區(qū)內(nèi)，W 靶的面積占比為5%～25%時(shí)，Cu-W 薄膜的沉積率及W 含量示于圖2，也給出Cu 和W 單質(zhì)膜的沉積率以作對(duì)比。 可以看出，同工藝條件下，Cu-W 薄膜的沉積率總低于Cu 膜(15.8 nm/min)但高于W 膜的沉積率(7.0 nm/min)，且隨W 靶的面積占比從5%增至25%，Cu-W 薄膜的沉積率從14.5 nm/min 逐漸降至8.3 nm/min。 Cu 膜沉積率比W 膜高出2 倍多，是因?yàn)楫?dāng)Ar+轟擊能量相同時(shí)，Cu的濺射產(chǎn)額比W 高2.4 倍[14]。 而濺射沉積Cu-W 薄膜時(shí)，能量一致的Ar+同時(shí)轟擊Cu 和W 靶，當(dāng)W 靶的面積占比提高時(shí)，由于W 濺射產(chǎn)額較低，因此減少了濺射原子(含W 和Cu)的總通量，使得Cu-W 薄膜的沉積率下降。 圖2 還顯示，隨W 靶的面積占比從5%逐漸增至25%，相應(yīng)地，Cu-W 薄膜的W 含量(原子分?jǐn)?shù)，下同)從2.30%逐漸增加到15.10%，這顯然是由于W 靶的面積占比提高時(shí)，將濺射出更多的W 原子，致使W 原子與Cu 原子的相對(duì)比率增多。

圖2 W 靶的面積占比對(duì)Cu-W 薄膜沉積率和W 含量的影響Fig.2 Influence of the proportion of W target area on the deposition rate and W content of Cu-W thin films

2.2 Cu-W 薄膜的結(jié)構(gòu)分析與形貌觀察

2.2.1 Cu-W 薄膜結(jié)構(gòu)的XRD 分析

圖3 為Cu 單質(zhì)膜、W 單質(zhì)膜、Cu-W 薄膜的XRD譜。 用JADE 軟件分析XRD 譜，確定主峰位置，并測(cè)定主峰的半高寬。 結(jié)果顯示，Cu-W 薄膜的主峰位置相對(duì)Cu(111)標(biāo)準(zhǔn)峰向低角度偏移，且偏移量隨W 含量的增加而增大。 據(jù)Bragg 方程可知，峰位偏移主要源于晶格常數(shù)的變化。 王瑞等[15]在磁控濺射Cu-W 薄膜XRD 譜中也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象，并指出當(dāng)W 含量為13.70%～27.40%(原子分?jǐn)?shù))的Cu-W 膜內(nèi)形成了W 固溶于Cu 的亞穩(wěn)態(tài)Cu(W)固溶體。 Zong 等[16]用X 射線衍射法研究磁控濺射Cu-W 膜的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在Cu-14.00%(原子分?jǐn)?shù))W 膜中形成了fcc Cu(W)固溶體。 本工作認(rèn)為，由于W 的原子半徑(0.137 06 nm)大于Cu(0.127 81 nm)，因此W 原子在Cu 晶格中替位，形成fcc Cu(W)亞穩(wěn)準(zhǔn)固溶體，從而使Cu 的晶格常數(shù)增大，這是Cu-W 薄膜主峰向低角度偏移的主要原因。 另一方面，相比Cu 膜，Cu-W 薄膜的峰形狀寬化，且變寬的程度與W 含量呈正相關(guān)。 根據(jù)實(shí)測(cè)峰位值標(biāo)定晶面間距并計(jì)算晶格常數(shù)，再用Vegard 定律估算準(zhǔn)固溶度；根據(jù)主峰的半高寬評(píng)估薄膜平均晶粒尺寸，分析結(jié)果列于表1。 可以看出，隨W 含量從2.30%增至15.10%，Cu-W薄膜的平均晶粒尺寸從28 nm 逐漸減小至18 nm，說明W 的引入使Cu-W 薄膜晶粒細(xì)化，但均小于Cu 膜的晶粒尺寸(48 nm)而大于W 膜的(16 nm)。 而W 在Cu 中的準(zhǔn)固溶度則從1.30%逐漸提高到9.50%，準(zhǔn)固溶度值均小于對(duì)應(yīng)Cu-W 薄膜的W 含量，說明僅有部分W 參與形成fcc Cu(W)準(zhǔn)固溶體。 而相比W 膜，Cu-W薄膜均未現(xiàn)W 的特征峰，原因在于，部分W 存在于Cu 晶格內(nèi)，其余W 則彌散分布于Cu 基體中。

表1 Cu-W 薄膜的XRD 譜分析結(jié)果Table 1 XRD pattern analysis of Cu-W thin films

圖3 Cu-W 薄膜XRD 譜Fig.3 XRD patterns of Cu-W thin films

薄膜結(jié)構(gòu)與原子擴(kuò)散、原子荷能及形核與生長模式密切相關(guān)。 用Rizzo 等[17]提供的計(jì)算方法，得出W的表面擴(kuò)散激活能(0.286 eV)大于Cu 的(0.084 eV)，說明W 不易擴(kuò)散遷移。 同時(shí)，正因本工作濺射氣壓較高(2 Pa)，Ar 氣體的原子數(shù)密度較高；同時(shí)靶基距較遠(yuǎn)(150 mm)，使得Cu 和W 濺射原子從靶表面到襯底表面的輸運(yùn)距離延長，增加了與Ar 原子的碰撞幾率及能量損失，從而減弱了其到達(dá)襯底時(shí)的荷能及表面擴(kuò)散，這有利于形成細(xì)晶結(jié)構(gòu)并形成亞穩(wěn)準(zhǔn)固溶體。 形核與生長模式方面，據(jù)文獻(xiàn)[18]的公式計(jì)算可得，成膜時(shí)Cu 和W 的單位體積自由能分別為-4.00 和-5.82 kJ/cm3，氣相與薄膜間的界面能分別為1.85×10-4和3.3×10-4J/cm2，說明W 的形核率和核心數(shù)目明顯高于Cu。 結(jié)合Bangert 等[19]提出的雙組元金屬沉積模式，本工作認(rèn)為，當(dāng)Cu 和W 共沉積時(shí)，W 遷移率低而形核率高，W 的核心對(duì)Cu 的擴(kuò)散產(chǎn)生“形核誘生擴(kuò)散障礙”效應(yīng)，限制了Cu 的遷移及晶粒生長，因此使Cu-W薄膜晶粒細(xì)化。 另一方面，由于W 在生長表面上彌散分布且其遷移率低，數(shù)目占優(yōu)但遷移率高的Cu 原子可將其包圍，因此最終W 可在Cu 晶格內(nèi)替位，這是fcc Cu(W)亞穩(wěn)準(zhǔn)固溶體的一種形成途徑。

2.2.2 Cu-W 薄膜結(jié)構(gòu)的透射電鏡分析

運(yùn)用高分辨透射電鏡(HRTEM)觀察Cu-W 薄膜的精細(xì)結(jié)構(gòu)，用Ganta Digital Micrograph (DM)軟件分析處理數(shù)據(jù)。 圖4a 和4b 分別為Cu - 4.30%W 和Cu-15.10%W 膜 的HRTEM 明 場(chǎng)像。 圖4a 顯示，Cu-4.30%W膜有襯度較明顯的亮區(qū)和暗區(qū)，2 類區(qū)域均存在微晶粒，晶格條紋可辨，據(jù)TEM 像的質(zhì)厚襯度原理，Cu 較亮而W 較暗。 圖4a 的中上部和右上方的插圖分別為方形亮微區(qū)Ⅰ和暗微區(qū)Ⅱ的放大形貌，可以看出，小至幾十nm2范圍的微區(qū)Ⅰ和Ⅱ內(nèi)，較亮原子(Cu)和較暗原子(W)仍然共存，即Cu 和W 原子(團(tuán)簇)仍呈現(xiàn)相互彌散的特征。 這在相當(dāng)程度上表明，Cu和W 兩組元在微觀尺度上呈準(zhǔn)混溶狀態(tài)。 DM 軟件測(cè)量表明，在微區(qū)Ⅰ和Ⅱ內(nèi)，較亮原子(Cu)排列構(gòu)成的晶格條紋平均間距分別為0.209 2 和0.209 1 nm，均稍大于Cu(111)晶面間距標(biāo)準(zhǔn)值(0.208 8 nm)，即W 對(duì)Cu的晶面間距存在正影響。 分析認(rèn)為，這是由于W 存在于Cu 晶格內(nèi)并形成fcc Cu(W)亞穩(wěn)準(zhǔn)固溶體，增大了Cu 晶格常數(shù)。 對(duì)圖4a 中的微區(qū)1(亮區(qū))和微區(qū)2(暗區(qū))進(jìn)行能譜分析(見圖4c 和4d)，可知亮區(qū)Cu 含量為96.40%(原子分?jǐn)?shù))，高于該樣品平均Cu 含量(95.70%)；而暗區(qū)W 含量則達(dá)6.40%，高于該樣品平均W 含量(4.30%)，W 相對(duì)偏豐，這表明在Cu-4.30%W 膜內(nèi)，局域有W 偏聚現(xiàn)象。 如圖4b 所示，Cu-15.10%W膜的像襯度不甚突出，明、暗區(qū)不顯著，但微晶尺寸更小，晶格條紋較明晰。 圖4b 的右下和中上方的插圖分別為微區(qū)Ⅲ和Ⅳ的放大像。 可以看出，原子排列較整齊，但仍存在Cu 與W 原子(團(tuán)簇)交互彌散現(xiàn)象。 微區(qū)Ⅲ、Ⅳ內(nèi)較亮原子(Cu)排列構(gòu)成的晶格條紋平均間距均為0.210 7 nm(大于Cu-4.30%W 膜)，說明W 在Cu 中的準(zhǔn)固溶度有提高。 對(duì)圖4b 中的微區(qū)3 和4 進(jìn)行能譜分析(見圖4e 和4f)，顯示W(wǎng) 含量分別為14.90%和15.30%，均接近其平均W 含量(15.10%)，說明在該薄膜內(nèi)，Cu 和W 組元的相互彌散更均勻，故其微觀結(jié)構(gòu)較為均質(zhì)化。

圖4 Cu-W 薄膜的HRTEM 像及選區(qū)能譜分析Fig.4 HRTEM images of Cu-W thin films and selected area EDS analysis

2.2.3 Cu-W 薄膜形貌的掃描電鏡分析

用掃描電鏡(SEM)觀察形貌時(shí)，對(duì)Cu 和W 單質(zhì)膜選用二次電子成像(SEI)模式(見圖5a 和5e)。 但對(duì)Cu-W 薄膜，由于Cu 和W 的原子序數(shù)分別為29 和74，相差較大，因此選用背散射電子(BSE)成像模式進(jìn)行觀察(如圖5b～5d 所示)，這樣既可考察Cu 和W 組元的分布狀況，也能在相當(dāng)程度上反映Cu-W 薄膜本身的微觀結(jié)構(gòu)與形貌。 由圖5a 和5e 可見，Cu 膜呈現(xiàn)柱狀晶膜的表面特征，晶界分明、晶粒均勻，平均尺寸約40～50 nm；W 膜的晶粒則明顯小于Cu 膜。 原因在于，襯底溫度Ts與沉積物質(zhì)熔點(diǎn)Tm之比(Ts/Tm)值越高，則原子在襯底表面的擴(kuò)散遷移能力越強(qiáng)，反之越弱[18]。 本工作襯底溫度僅323 K，Cu 的熔點(diǎn)(1 358 K)遠(yuǎn)低于W(3 695 K)，故Cu 的Ts/Tm值遠(yuǎn)高于W，其擴(kuò)散能力明顯更強(qiáng)。 Cu 膜形成時(shí)發(fā)生連續(xù)結(jié)構(gòu)演變，致晶粒發(fā)育較完善。 而形成W 膜時(shí)，結(jié)構(gòu)演變受限，初始細(xì)晶結(jié)構(gòu)得以保持。 如圖5b 所示，與Cu 膜相比，Cu-2.30%W膜的晶粒明顯細(xì)化，其BSE 像中偶現(xiàn)白亮點(diǎn)，但點(diǎn)測(cè)能譜分析表明其W 含量為2.26%，與復(fù)合膜平均W 含量接近，因此白色顆粒不是W 偏聚相，而是膜表面的微凸起。 如圖5c 所示，Cu-6.20%W 膜的晶粒更細(xì)小。 而圖5d 則顯示Cu-15.10%W 膜為細(xì)納米晶結(jié)構(gòu)，BSE 像未現(xiàn)明顯襯度，未現(xiàn)明顯W 偏聚相，組元分布均勻，結(jié)構(gòu)較為均質(zhì)化。 SEM 像與XRD 譜及TEM分析在一定程度上相互映證。

圖5 薄膜的SEM 形貌Fig.5 SEM images of thin films

2.2.4 Cu-W 薄膜表面的原子力顯微分析

圖6 為Cu-W 薄膜、Cu 和W 單質(zhì)膜表面的原子力顯微形貌(AFM)，掃描區(qū)域2 μm×2 μm。

分析顯示，Cu 膜表面的平均顆粒尺寸最大(70 nm)，W 膜則最小(36 nm)，而W 含量為2.30%、6.20%及15.10%的Cu-W 薄膜的平均顆粒尺寸分別為58、49、44 nm，呈減小趨勢(shì)，這與XRD 譜分析和SEM 形貌所觀察到的晶粒尺寸變化規(guī)律相同(顆粒由多個(gè)微晶粒構(gòu)成，因此其尺寸大于晶粒)，AFM 形貌更直觀地表現(xiàn)出W 的添加所引起的晶粒細(xì)化效應(yīng)。 均方根面光潔度(RMS)分析表明，Cu 膜的RMS值最大(3.50 nm)，W膜的則最小(2.60 nm)，這表明W 膜的表面光潔度優(yōu)于Cu 膜。 含2.30%、6.20%及15.10%W 的Cu-W 薄膜的RMS值分別為3.40、3.20、2.80 nm，說明W 的添加可提高Cu-W 薄膜表面的平整性，顯然這與W 核心限制Cu原子擴(kuò)散密切相關(guān)(2.2.1 節(jié))。

2.3 Cu-W 薄膜的力學(xué)性能

Cu-W 薄膜、Cu 和W 單質(zhì)膜的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見圖7。

圖7 薄膜的力學(xué)性能Fig.7 Mechanical properties of thin films

由于W 常溫呈脆性(其脆-韌轉(zhuǎn)變溫度為200℃)，故未對(duì)W 膜進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，僅測(cè)其屈服強(qiáng)度σ0.2和裂紋萌生臨界應(yīng)變?chǔ)與值。 如圖7a 所示，Cu-2.30%W膜的σ0.2值為0.35 GPa 高于Cu 膜(0.28 GPa)，添加W可提高屈服強(qiáng)度，且隨含W 含量的增加，Cu-W 薄膜的屈服強(qiáng)度漸增，Cu-15.10%W 膜σ0.2值達(dá)0.86 GPa。 這是因?yàn)?(1)添加W 使Cu-W 薄膜晶粒細(xì)化所引起的細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)；(2)fcc Cu(W)亞穩(wěn)準(zhǔn)固溶體的存在所引起的亞穩(wěn)相強(qiáng)化，以及W 彌散在Cu 基體內(nèi)所產(chǎn)生的彌散強(qiáng)化效應(yīng)。 對(duì)比薄膜裂紋萌生臨界應(yīng)變值(見圖7b)，Cu-W 薄膜的εc值均低于Cu 膜(3.05%)，Cu-2.30%W膜的εc值僅1.77%，含少量W 即可明顯降低Cu-W 薄膜的εc值。 但隨W 含量的增加，Cu-W 薄膜εc值下降較緩。 這是因W 呈脆性，含少量W 即可明顯增加Cu-W 薄膜內(nèi)的裂紋萌生源[20]。 當(dāng)W 含量增多時(shí)，由于Cu-W 薄膜的微觀結(jié)構(gòu)較為均質(zhì)化(圖4b)，裂紋源尺寸減小，故εc值減幅緩。 圖7c 為薄膜的彈性模量圖，當(dāng)W 含量從2.30%提高到15.10%時(shí)，Cu-W 薄膜的彈性模量E從117.0 GPa 略增至123.5 GPa，都僅稍高于Cu 膜的E值(116 GPa)而遠(yuǎn)小于W 膜E值(405 GPa)。 事實(shí)上，彈性模量對(duì)微觀結(jié)構(gòu)、結(jié)晶狀態(tài)等不甚敏感[21]，但由于W 的本征模量較高，據(jù)Reuss體積混合模型，W 含量增加時(shí)Cu-W 薄膜的E值將有所提高。 圖7d 則表明，含少量W 即可明顯提高Cu-W薄膜的顯微硬度H，Cu-2.30%W 膜的H值(3.9 GPa)明顯高于Cu 膜H值(2.6 GPa)，Cu-15.10%W 膜的H值則進(jìn)一步增至6.1 GPa，但都低于W 膜的H值(22.9 GPa)。 原因在于，部分高硬度W 在Cu-W 薄膜內(nèi)呈彌散分布，以及Cu-W 薄膜屈服強(qiáng)度的增強(qiáng)對(duì)硬度產(chǎn)生了正貢獻(xiàn)。

3 結(jié) 論

(1)將W 靶嵌入Cu 靶的環(huán)狀刻蝕區(qū)，組合成Cu-W鑲嵌靶，用磁控濺射工藝，制備出Cu-W 薄膜。調(diào)整環(huán)狀刻蝕區(qū)W 靶的面積占比，可控制Cu-W 薄膜的W 含量。 隨W 靶的面積占比從5%增至25%，Cu-W薄膜的W 含量從2.30%逐漸增至15.10%，沉積率則逐漸減小。

(2)Cu-W 薄膜的W 含量顯著影響薄膜結(jié)構(gòu)，Cu-W薄膜中存在fcc Cu(W)亞穩(wěn)準(zhǔn)固溶體。 隨W 含量從2.30%逐漸增至15.10%，Cu-W 薄膜的平均晶粒尺寸從28 nm 逐漸減小至18 nm，W 在Cu 中的準(zhǔn)固溶度從1.30%W 逐漸增至9.50%W。 而均方根面光潔度RMS值則從3.40 nm 逐漸減至2.80 nm，Cu-W 薄膜的表面趨于平整。

(3)Cu-W 薄膜的W 含量明顯影響薄膜的力學(xué)性能，隨W 含量從2.30%增至15.10%，Cu-W 薄膜的屈服強(qiáng)度σ0.2值從0.35 GPa 增至0.86 GPa，硬度H值從3.9 GPa 增至6.1 GPa，彈性模量E值略增加，而裂紋萌生臨界應(yīng)變?chǔ)與值則從1.77%降至0.84%。