磁控溅射制备钼、钨薄膜及其结构性能研究

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同属VIB族的金属钼和钨具有高的热稳定性,良好的机械性能及光电性能,而其薄膜材料也已广泛应用于微电子、新能源等领域。由于钼和钨的熔点高,不适合用蒸发沉积等技术,而磁控溅射技术由于沉积速率高、可实现低温沉积等优点为Mo、W薄膜的制备提供了可靠技术。   实验利用直流磁控溅射法制备Mo和W薄膜,研究了靶功率和离子清洗工艺对Mo膜结构形貌和性能的影响;同时分析了缓冲层厚度对W膜微观结构和性能的影响。   研究结果表明:沉积的Mo薄膜均沿着(110)晶面择优生长且呈现柱状;增加Mo靶功率可以促进Mo薄膜的晶粒长大,提高薄膜的致密性、降低电阻率;适当的基片脉冲宽度促进了晶核的形成、长大并且有助于沉积过程中Mo晶粒长大,进而降低了薄膜的电阻率;通过延长预清沈时间可获得致密性好、电阻率低的Mo薄膜。制备的Mo薄膜最低电阻率达到3.5×10-5Ω·cm。通过力学性能分析,离子清洗阶段Mo膜表现为拉应力,沉积阶段出现了从拉应力到压应力的转换。制备的Mo薄膜和衬底结合力经过测试达到了应用的标准。   由于溅射制备的W薄膜为亚稳态的β-W相,产生的应力超过了膜基结合强度,所以制备的W膜发生脱落。通过Mo缓冲层的引入,借助模板作用实验成功制备出了稳态相的α-W;制备的W薄膜呈柱状生长,且柱状晶的生长不随物相的改变而终止。Mo缓冲层厚度存在一个临界尺寸:厚度较小时,表面能起主要作用,W晶粒沿(110)方向择优生长;厚度较大时,应变能占主导地位,晶粒发生转动,择优取向下降。缓冲层厚度的增加进一步降低了W膜的电阻率。力学性能分析发现制备的W/Mo薄膜表现出压应力,随着缓冲层厚度的增加,应力得到释放。结合力测试结果表明制备的W/Mo膜和衬底的结合力达到标准。
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