[發明專利]一種超高強度納米晶金屬Ru薄膜的制備方法

無效

• 申請號: 201110419244.X
• 申請日: 2011-12-14
• 公開（公告）號: CN102418078A
• 公開（公告）日: 2012-04-18
• 發明（設計）人: 孟祥康;操振華;胡坤;汪蕾;佘茜瑋;李平云
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/14
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司 32112
• 代理人: 陳建和

技術領域

本發明金屬薄膜的制備方法，尤其是一種具有超高強度納米晶金屬Ru薄膜的制備方法，采用直流磁控濺射法，通過調節襯底溫度與功率制備出不同晶粒尺寸的納米晶金屬Ru薄膜，最小晶粒尺寸可控制在20納米，最高硬度可達18.1GPa。

背景技術

金屬Ru由于具有優秀的力學、物理和化學性能而受到廣泛關注。金屬Ru是極好的催化劑，可用于氫化、異構化、氧化和重整反應中；在溫度為100℃時，對普通的酸包括王水在內均具有良好的抵抗能力。另外，金屬Ru還具有極高的熔點(2250℃)，熱穩定性好，在600℃退火下與金屬Cu的結合強度仍然很高，并且電阻率較低(7.6μΩ·cm，約為Ta的一半)。這些優秀的綜合性能使金屬Ru膜被廣泛用作集成電路中的阻擋層材料，以及微機電系統中的組元結構材料。如何制備出高質量的納米晶Ru薄膜是微電子器件設計制造過程中重要的關鍵步驟，Ru膜的力學性能直接決定了微電子器件的工作可靠性。常用的制備金屬Ru薄膜的方法有CVD和PVD法，前者為了得到純的金屬Ru膜，必須在較高的工作溫度下除去發生化學反應的配位體，其導入金屬離子多使用金屬鹵化物，污染嚴重，而使用有機金屬化合物則成本高昂，另外，襯底往往會因為反應中的高溫而被損害，能量損耗也很高，系統操作和維護比較麻煩，并且難以獲得納米尺度的晶粒尺寸，強度較低，傳統粗晶Ru的硬度僅為2.1GPa，大大地制約了Ru膜在實際使用中的可靠性。因此，探索出一種簡單可控的制備高強度金屬Ru薄膜的方法勢在必行，我們這里提供一種簡單可控的磁控濺射法制備具有超過強度納米晶Ru膜的方法，通過控制其襯底溫度和功率來得到具有不同晶粒尺寸的超高強度納米晶Ru膜，并且重復率較好。

發明內容

本發明的目的是：提供一種超高強度的納米晶金屬Ru膜(hcp結構)制備方法，在不損傷襯底的情況下，采用直流磁控濺射法通過控制襯底溫度與功率制備出不同晶粒尺寸的純納米晶Ru膜。

本發明的技術方案是：超高強度納米晶金屬Ru薄膜的制備方法，采用直流磁控濺射法。直流磁控濺射法制備納米晶金屬Ru膜的步驟為：襯底材料選用單晶Si片，先抽本底真空至1.5×10-5Pa，然后通入流量為20sccm的Ar氣，通過分子泵閥門調節真空室真空度為5.0Pa，然后開始啟輝，進行約30min的預濺射以保證薄膜的純度，隨后將真空度調至約1.1Pa開始生長Ru膜，我們通過調節襯底溫度來實現不同晶粒尺寸納米晶Ru膜的制備，直流磁控濺射功率保持為200W，對Ru靶進行約30min的預濺射；根據調節濺射時間來控制薄膜的厚度，薄膜厚度控制在1-2.5μm。

通過調節襯底溫度制備出不同晶粒尺寸的超高強度納米晶金屬Ru膜，通過調節襯底溫度制備出不同晶粒尺寸的超高強度納米晶金屬Ru膜，Ru膜的平均晶粒尺寸范圍可以控制在20nm至100nm，其硬度18.1GPa至12.0GPa，襯底溫度的范圍為室溫至500℃。

實施例表示Ru膜的平均晶粒尺寸范圍可以控制在20nm、60nm和100nm，晶粒取向均以(002)和(101)為主導，其硬度分別為18.1GPa，13.1GPa和12.0GPa。也可以通過功率的適當調節來進行晶粒尺寸和不同強度的調節，襯底溫度的范圍分別為27℃、300℃、500℃，可以在薄膜厚度完成后再保溫時間為8-20分鐘。以制備出不同晶粒大小的純納米晶Ru薄膜。

本發明提供了一種制備不同晶粒尺寸的超高強度納米晶金屬Ru薄膜的方法，由于金屬Ru膜常被用于集成電路與微機電系統中，工作環境常為溫場和電場等多場條件，因此對其綜合性能的要求是相當苛刻的。我們采用直流磁控濺射的方法，通過控制工藝參數，制備出不同晶粒尺寸的超高強度納米晶金屬Ru膜，最高硬度可達到18.1GPa，大約為傳統粗晶Ru的8倍，其應變速率也高于粗晶金屬Ru，極大的提高了金屬Ru膜的工作可靠性。本發明為進一步地擴大納米晶Ru的應用領域和更深入地研究納米晶Ru膜的物理性能如力學性能和電學性能提供了基礎。

與現有制備方法相比，本發明的有益效果是：

1.本發明通過調節襯底溫度與功率來可制備出不同晶粒尺寸的超高強度納米晶金屬Ru膜，制出的Ru膜的平均晶粒尺寸范圍可以控制在20nm、60nm和100nm，晶粒取向均以(002)和(101)為主導，其硬度分別為18.1GPa，13.1GPa和12.0GPa。硬度達到18.1GPa時大約為傳統粗晶Ru的8倍。