[发明专利]一种不同相结构的纳米晶金属Ta薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明提供了一种纯非晶、Beta和Alpha相及其混合相纳米晶金属Ta薄膜的制备方法，尤其是采用直流磁控溅射法并通过控制溅射功率和衬底温度来制备纯单相或混合相的纳米晶金属Ta薄膜。

背景技术

金属Ta和其他的难熔金属(如W)相比具有优良的物理性能，例如高熔点、低温延性、低的韧脆转变温度以及较高的弹性模量，另外Ta还具有良好的耐高温和耐化学腐蚀性。正是由于其具有这些良好的综合性能，使得Ta以及Ta合金被广泛的应用于电解电容器、弹道式火箭以及宇宙飞船用材料，同时还被用作各种防腐蚀的涂层。近年来，Ta，TaN等的薄膜还被广泛用于超大规模集成电路互连引线中的扩散阻挡层，用来阻止Cu与Si或SiO₂之间的扩散。

我们知道，包括非晶态的Ta在内，金属Ta共有三种结构相，另外两种分别为tetragonal结构的Beta相(β-Ta)和bcc结构的Alpha相(α-Ta)，通常α-Ta的电阻率较低，大约为20-30μΩ·cm，而非晶和β-Ta的电阻率相当，其值约为240-270μΩ·cm。α-Ta的晶格常数为，通常具有较好的韧性和延性，平均晶粒尺寸约为76.5nm纳米晶的α-Ta膜的硬度约为11.6GPa，杨氏模量约为178GPa；β-Ta是一种亚稳态结构，通常在700-800℃之间会发生向α-Ta的相变，其晶格常数，，亚稳态的β-Ta具有更高的硬度，平均晶粒尺寸约为32.3nm的β-Ta其硬度达到了15GPa，杨氏模量约为193.9GPa，但是相比α-Ta其脆性较大，这不利于其耐高温性能；故当同时具有β-Ta和α-Ta的混合相时，合适的相成分可能会得到较良好的性能。另外，不同相结构的Ta还会对其作为扩散阻挡层的性能有直接的影响，通常非晶和α-Ta具有良好的阻挡扩散的性能，这是因为非晶的Ta缺少晶界，α-Ta相对较致密所致的，而β-Ta通常在400℃时其就开始发生失效。

综上所述，如何制备和控制不同相结构的Ta直接决定了其综合性能的优劣，也直接的影响了其在实际应用中的可靠性。常用的制备方法为CVD和PVD制备法，前者在制备时为了得到不同相的Ta时，需要非常高的温度，大约为700-800℃，这么高的温度常常会损害到衬底的性能。

发明内容

本发明目的是：提供一种简单可控的磁控溅射法来制备不同相组成的Ta膜，通过控制其溅射功率和衬底的温度来得到不同相组成的纳米晶Ta膜，能够在较低衬底温度获得不同相组成的Ta膜，最高只需要500℃左右，远小于CVD方法的温度。本发明目的还在于，除了可以得到混合相Ta膜，通过控制溅射参数还可以得到高纯的单相纳米晶Ta，并且重复率较好。

本发明的技术方案是：不同相结构的纳米晶金属Ta薄膜的制备方法，采用直流磁控溅射法，溅射靶材为纯度达到99.9wt％以上的Ta，衬底为单晶Si片(111)，在沉积之前，将Si片清洗，然后对真空室抽真空，对Ta靶进行约30min的预溅射；Ta膜制备时采用直流磁控溅射，真空室本底真空抽至7.5×10^-5Pa以上，制备时真空室加Ar气，真空室的工作压力设置为1.5Pa；不同的溅射功率下Ta膜的生长速率不同，故根据溅射时间来控制薄膜的厚度；

衬底温度保持为室温，溅射功率150-250W，制备纯非晶和纯βTa膜；衬底温度范围为400℃到500℃，溅射功率范围都为250W；用于制备纯αTa、β与α混合相Ta膜。

直流磁控溅射法制备纳米晶金属Ta膜的主要参数为：在制备纳米晶Ta之前，先抽本底真空至7.5×10^-5Pa，然后通入Ar气，流量为20sccm，通过闸板阀调节真空室真空度为3.0Pa，然后开始气辉，为了除去Ta靶材表面的污渍和氧化物等，保证薄膜的纯度，先要进行约30min的预溅射，预溅射之后，在将真空度调至约1.5Pa开始生长Ta膜，为了生长出不同相结构的纳米晶Ta膜，我们通过调节溅射功率和衬底温度两个参数来实现，溅射功率的范围为150-250W，衬底温度的范围分别为室温和400-500℃，衬底温度为室温条件时主要是实现对非晶和Beta-Ta的制备，衬底温度为400-500℃时是实现对纯Alpha-Ta以及Beta和Alpha混合相Ta的制备。

直流磁控溅射制备不同相纳米晶Ta膜的实验方法步骤如下：

a.衬底材料选用单晶Si(111)片

b.先制备第一组为纯非晶和Beta相的纳米晶Ta，衬底温度为室温，溅射功率范围为150-250W。