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1、 纳米金属多层膜的微结构热稳定性的模拟 摘 要 本文首先对不互溶纳米金属多层膜中由扩散引起的微结构演化进行了模拟，建立了较高温度下各向异性多层膜的微结构演化模型。在该模型中，我们首先提出了多层膜阶梯堆垛构型，并提出了不同于传统模型（如 Anderson PM 等人提出的模型， Suo Z 等人提出的模型）中对多层膜界面、三叉点运动的处理方法。在我们的处理中，三叉点的运动由作用在其上的界面张力及扭转力的合力所驱动。 在该模型的数值模拟中，我们提出了一种新的数值方法（五点四次多项式法）模拟了微结构的演化。利用该模型，研究了不同纵横比、不同晶界相界能比的多层膜的热稳定结构和层内脱离现象， 同时我们还
2、研究了不同堆垛构型对多层膜热稳定性的影响。最后我们还对比了 Anderson PM模型和我们的模型， 对比结果表明： 我们的模型简单、 计算速度较快、灵活、适用面更宽，且具有更强的预测功能。 本文还研究了互溶多层膜的微结构热稳定性的模拟，重点讨论了共格应力对多层膜中的扩散的影响， 提出了多层膜中共格应力下的扩散控制方法的求解算法，并对下一步的研究工作提出了具体设想，提出此项研究对实现纳米多层膜的稳定结构的设计和制备这一目标的途径。 关键词：纳米金属多层膜，微结构热稳定性，微结构演化，扩散，模拟 THE SIMULATIONS ON THE MICROSTRUCTURAL THERMAL STA
3、BILITY OF THE NANOMULTILAYERED THIN METALLIC FILMS ABSTRACT In this thesis, first of all, the microstructural evolution induced by the diffusion in the nano-multilayered thin metallic films with two immiscible phases is discussed. A model for the microstructural evolution of the nano-multilayered th
4、in metallic films at elevated temperature is proposed. In this model, we developed a step-like stacking form of nano-multilayered thin film, and proposed a processing method (which is different from that of Anderson PMs model and Suo Zs model) for the motion of the triple point: the motion of the tr
5、iple point is driven by the resultant force of three interfacial tensions and three torches on it. Through this model proposed, we studied the influences of the impact factors of aspect ratio and the energy ratio of the interfaces on the thermal stable microstructures and pinch-off , and we also stu
6、died the thermal stable microstructures of various stacking forms of the nano-multilayered thin films. Finally, we compared the Anderson PMs model with ours, and the comparison shows that ours is more powerful than Anderson PMs. In this thesis, the microstructural evolution induced by the diffusion
7、in the nano-multilayered thin metallic films with two miscible phases is also discussed. We studied the influence of the coherent stress on the diffusion in the nano-multilayered thin films, proposed an algorithm for the diffusion governing equations under the coherent stress, put forward a detailed
8、 idea for our future work and found a way of how to realize the aim of the synthesis of the new stable nano-multilayered thin films. KEY WORDS: nano-multilayered thin metallic films, thermal microstructural stability, the microstructural thermal stability, diffusion, simulation 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 引言引
9、言 近年来，多层膜已在微电子、光电及磁性记录等技术中得到了广泛的应用，因而受到了广泛的关注和研究。与传统块体复合材料相比，纳米多层膜具有迥异的力学1、光、电、磁性能2。一般情况下，在集成电路、芯片制造工业中，纳米金属多层膜常处于偏离常温的苛刻工作环境中，因此，为延长和预测多层膜的使用寿命，对纳米金属多层膜的微结构热稳定性的研究显得尤为重要。 纳米多层膜由其组成相的溶解度可以粗略分为互溶纳米多层膜和不互溶纳米多层膜两种。不互溶纳米多层膜已经得到了广泛的研究，例如 Cu/Nb 体系3, 4，Mo/V体系5等；互溶多层膜由于其在研究扩散机理、位错理论等基础理论研究中的重要地位也得到了一定程度的关注6
10、。 绪论部分中，将首先介绍纳米多层膜的一些基本概念，包括纳米多层膜的定义、参数及其特点；随后将介绍纳米多层膜在较高温度下的微结构热稳定性的研究进展，主要包括热稳定性的实验现象及理论模拟的进展两部分；最后将介绍本课题研究的目的、内容及意义。 1.2 纳米多层膜的基础概念纳米多层膜的基础概念 纳米多层膜是一种处于能量亚稳态的交替层状结构， 有着与普通块体材料不同的结构和性能。 2 1.2.1 纳米多层膜的定义纳米多层膜的定义 纳米多层膜是由两种及两种以上材料以纳米级厚度相互交替生长的成分或结构可调制的多层薄膜结构。图 1 展示的是两相、三相多层膜的的结构示意图：多层膜由 A、B 两层（或 A、B、
11、C 三层）交替堆砌而成，且 A、B、C 的单层厚度均为纳米数量级（几百纳米） 。 1.2.2 纳米多层膜的纳米多层膜的特征特征参数参数 如图 1 所示的多层膜结构示意图，假定各单层厚度分别为 l1、l2及 l3，则两相多层膜的调制周期 L、调制比 R 可以写成如下形式： 12Lll (1.1) 12lRl (1.2) 调制周期 L 和调制比 R 是纳米多层膜的特征参数，纳米多层膜的种种迥异于一般块体材料的力学、电学、光学等特性都与这两个特征参数有关。 图 1 纳米多层膜的结构 Fig 1 Structure of the nano-multilayered thin film 1.2.3 纳米
12、多层膜的特点纳米多层膜的特点 相比于块体材料，纳米多层膜具有较高的界面率及不同的组织、结构形式，从而具有不同于块体材料的超硬、光、电、磁等效应。其中最为常见的是纳米多层膜的3 超硬效应及巨磁阻效应。1977 年，Yang 等人1发现了 Au/Ni 和 Cu/Pd 的纳米金属多层膜中（周期约为几个纳米范围）存在着类似于图 2 所示的硬度异常升高的超硬效应。同时，1987 年 Barnett 等人7, 8发现了在纳米陶瓷多层膜（TiN/NbN 及 TiN/VN体系）中存在超硬效应。而 Baibich 等人2发现了 Fe/Cr 多层膜中存在着巨磁阻效应（Giant Magneto-resistanc
13、e effect） ，该效应现已广泛应用于信息存储技术中。 图 2 Cu/Ni 多层膜的杨氏模量-调制周期曲线 Fig 2 Yangs modulus vs the wavelength of Cu(50at%)/Ni(50at%) thin film 值得指出的是，只有某些特定组合的纳米多层膜才具有超硬效应9，在 Cu/Au、TiN/TiB2等组合中并未发现超硬效应。 由于纳米多层膜不同于块体材料的特点及其在集成电路、 机械加工刀具等方面应用，使得纳米多层膜的研究得到越来越多的关注及越来越广泛的研究。这些特殊性能通常都与纳米多层膜的高界面密度和额外存在的一系列如失配位错、失配应力等缺陷相关5
14、，因此研究理想纳米多层膜（如外延生长单晶层或非晶层）在各种外界条件下的结构变化显得很有必要。 1.3 纳米金属多层膜的微结构热稳定性实验纳米金属多层膜的微结构热稳定性实验及模拟的进展及模拟的进展 纳米金属多层膜在机械切割刀具及集成电路工业中得到了广泛的应用， 由于其工作环境大多处在偏离常温的较高温度条件下，多层膜在高温下的稳定性将决定材料4 的使用性能及使用寿命。因此，纳米金属多层膜的微结构热稳定性得到了广泛的关注与研究。 1.3.1 纳米金属多层膜的微结构热稳定性实验纳米金属多层膜的微结构热稳定性实验及一些经验规律及一些经验规律 纳米金属多层膜的微结构热稳定性得到了广泛的研究。 纳米金属多层
15、膜处于自由能较高的亚稳态，有向着低能量的稳定结构演化的趋势。一般说来，由于化学能、界面能和界面弹性应力的驱动， 发生两相混溶、 界面结构变化和层内脱离10等现象，从而破坏多层膜的交替层状结构。一般说来，互溶多层膜在较高温度下，将会发生由扩散控制的微观组织变化，最终将形成均匀的固溶体；而不互溶多层膜将在化学势的驱动下，发生内部界面的迁移、运动，从而发生如层内脱离等结构演变的现象。 1.3.1.1 微结构热稳定性实验微结构热稳定性实验 有关纳米金属多层膜的微结构热稳定性的实验主要研究了热沟槽引发的层内断裂机制及其影响因素。 Josell 等人11发现较高温度下在 Co/Cu、Fe/Cu 多层膜内的
16、三叉点产生了热沟槽（thermal grooving）现象，并很快导致层内脱离（pinch-off） 。而相同厚度的 Ni/Ag、Fe/Ag 和 Co/Ag 多层膜中则产生较浅的晶界沟槽，层内脱离的现象并不明显。他们又研究了不同厚度的 Ni/Ag 多层膜，发现调制周期越大，多层膜越不易发生层内脱离。 而Sperling等人12研究了在673 K、 1073 K的温度下热处理的调制周期为300 nm的3-Ni Al-Ni Al多层膜，也发现了同样的规律。Srinivasan 等人13研究了不同调制比的 Cu/Mo 纳米多层膜的微结构热稳定性。在 923 K 保温 1 h 后多层膜（Cu、Mo 的单层厚度： 50、 5 nm）出现初始沟槽，此时多层膜仍保持清晰的交替层状结构，直到保温 24 h 后才出现层内脱离的现象。对 Cu、Mo 单层厚度为 5、5 nm 的多层膜，在 923 K 保温下 4 h 后并没有出现明显的层内脱离。 而对调制层厚度各为 50 nm 的多层膜，1073 K 保温 1h
