[發明專利]一種透明導電WC晶態薄膜及其制備方法

有效

• 申請號: 201711434847.0
• 申請日: 2017-12-26
• 公開（公告）號: CN108130517B
• 公開（公告）日: 2019-10-29
• 發明（設計）人: 呂建國;胡睿
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/06
• 代理公司: 杭州宇信知識產權代理事務所(普通合伙) 33231
• 代理人: 梁群蘭

本發明公開了一種透明導電WC晶態薄膜，所述WC薄膜的X射線衍射（001）峰為最強峰，薄膜沿c軸擇優取向，單一的六方相結構；晶態WC薄膜可見光透射率高于89%，電阻率低于7.6×10^–4Ωcm；WC薄膜中的W:C的原子百分比為50.1:49.9~50.7:49.3；透明導電晶態WC薄膜的顯微硬度高于23GPa。本發明還公開了該薄膜的制備方法：采用射頻磁控濺射方法，以WC合金為靶材，Ar?CH₄為工作氣體；WC薄膜在Ar和CH₄的等離子體氣氛中生長；生長溫度為450–550°C；生長過程中，靶材旋轉速率為30轉/分鐘，襯底旋轉速率為40轉/分鐘。本發明制得的WC薄膜，是一種兼具透明導電和硬質合金兩方面性能的功能薄膜，以其為功能層所制備的器件，具有良好的耐磨和耐蝕特性，可拓展微電子和光電子器件在惡劣環境中的應用。

技術領域

本發明屬于碳化物半導體技術領域，尤其涉及一種透明導電WC晶態薄膜及其制備方法。

背景技術

碳化鎢（WC）是一種典型的硬質合金材料，為簡單六方結構，六方WC直到3049K的溫度下都是穩定的。WC具有非常優異的物理和化學性能，如高硬度，高耐磨，熱穩定性和化學穩定性好，抗氧化性好，熱膨脹系數低，彈性模量高，具有一定程度的塑性，并且WC被大多數粘結相浸潤的性能優于其它碳化物，且比其它碳化物韌性好。此外，WC還具有高導熱性和高導電性，有利于切削應用。鑒于上述優點，WC作為一種硬質耐磨涂層，廣泛應用于國防軍工、航空航天、冶金、石化、電力、交通運輸、水利、海洋開發等軍事和民用工業領域，成為解決重要零部件耐磨耐蝕與防護的關鍵技術。目前，WC硬質合金涂層的主流制備技術是熱噴涂方法，包括：等離子體噴涂、火焰噴涂、電弧噴涂、爆炸噴涂和超音速噴涂等。

WC除了作為硬質合金應用外，它還是一種微電子材料，可在微電子領域有廣闊的應用前景，如作為微電子器件的擴散阻擋層、透明導電薄膜等。WC薄膜有晶態和非晶態兩種，與非晶態WC相比，晶態WC導熱和導電特性顯著優于非晶態WC，因而在實際應用中一般要求WC薄膜為結晶狀態。目前，人們對WC的研究和開發主要集中于硬質合金領域，而對WC在微電子領域的應用研究很少。

發明內容

基于WC材料的研發現狀，本發明為了拓展WC材料應用領域，提供一種透明導電WC晶態薄膜及其制備方法。本發明采用磁控濺射方法，研制出透明導電WC薄膜，并提出了一種直接晶態生長的方法制備高性能的透明導電WC薄膜，所制備的WC薄膜不僅具有透明導電的光電特性，而且也具有硬質合金的特性，可在微電子和光電子領域具有巨大的應用價值。

為了達到上述發明目的，本發明采用如下技術方案：

本發明提供了一種透明導電WC晶態薄膜，所述WC薄膜為晶態薄膜， X射線衍射（001）峰為最強峰，薄膜沿c軸擇優取向，單一的六方相結構；晶態WC薄膜可見光透射率高于89%，電阻率低于7.6×10^–4Ωcm；WC薄膜中的W:C的原子百分比為50.1:49.9~50.7:49.3；透明導電晶態WC薄膜的顯微硬度高于23GPa。

本發明還提供了一種透明導電WC晶態薄膜的制備方法：采用射頻磁控濺射方法，以高純WC合金為靶材，Ar-CH₄為工作氣體；以石英為襯底，在使用前由Ar等離子體轟擊處理；當反應室抽至本底真空度高于1×10^–4Pa后，通入Ar-CH₄混合氣體，沉積過程中氣體壓強保持在1.0 Pa，混合氣體中CH₄含量（以壓強計）為6%；WC薄膜在Ar和CH₄的等離子體氣氛中生長；生長溫度為450–550°C；生長過程中，靶材旋轉速率為30轉/分鐘，襯底旋轉速率為40轉/分鐘。

上述制備方法中，石英襯底僅為例舉，在實際操作中可選用其它襯底。

上述工藝參數為發明人經多次試驗確立的，需要嚴格和精確控制，在發明人的實驗中若超出上述工藝參數的范圍，則無法制得符合要求的透明導電WC晶態薄膜。