磁控溅射双靶共沉积制备的自组装金属纳米多层膜,由于特殊的尺寸效应和界面结构,薄膜不仅具有较高的硬度还具有较好的韧性,在微电子器件领域具有广泛的应用前景。目前国内外关于自组装金属纳米多层膜的研究主要集中在镀膜工艺参数对薄膜微观结构和力学性能的影响,并未深入探究自组装多层膜的形成机理。本文主要根据热力学和动力学计算探究Cu-Cr自组装多层膜的形成机制,借助实验结果对理论计算进行验证并探究自组装多层膜力学性能与薄膜微观结构之间的联系。根据热力学计算,分别得到Cu-Cr体系固溶体相和非晶相的吉布斯自由能,以及多层结构不同调制周期所对应的界面能,最终绘制了平衡态下Cu-Cr体系的吉布斯自由能图。计算结果表明调制周期越小,其对应多层结构的界面能越高。估算了实际镀膜工艺参数下,沉积原子的能量,并从动力学角度计算了Cu原子上坡扩散的距离。重点模拟了Cu-48at.%Cr自发形成纳米多层膜时,沉积原子的能量、不同调制周期所对应的界面能和Cu原子上坡扩散距离之间的关系。研究发现,只有当沉积原子的能量大于调制周期所对应的界面能时,Cu-Cr体系才能自发形成纳米多层结构,且沉积原子能量不宜太高或调制周期不宜太小。当沉积原子的能量大于Cr原子的扩散能或Cu原子上坡扩散的距离大于单层膜的厚度时,Cu-Cr原子之间趋向于混合状态,也会破坏多层结构的自发形成。分析不同工艺参数Cu-Cr薄膜的微观结构可知,当镀膜功率等工艺参数相同时,随着工作气压降低到1 Pa以下,薄膜逐渐自发形成交替堆叠的层状结构;当工作气压等工艺参数相同时,随着样品台转数降低到8 rpm以下,薄膜内部逐渐自发形成交替堆叠的层状结构。该实验结果进一步验证了热力学理论计算。由实验结果还可知较低的工作气压、较大的镀膜功率和较小的靶基距都能增加沉积原子的能量,从而提升薄膜自发形成多层结构的能力。由力学性能测试可知,随着薄膜结构由混合状态过渡到多层结构（λ=7 nm）,Cu-Cr薄膜的纳米压痕硬度由4.2±0.1 GPa逐渐增加到9.3±0.2 GPa。硬度增加的主要原因是大量界面对于位错的钉扎作用。除此之外,硬度增加还与薄膜的结晶性和晶粒取向等因素有关。通过对压痕形貌的分析可知,当工作气压为0.2 Pa时,Cu-Cr薄膜不仅具有较高的硬度还具有较好的韧性。