[发明专利]一种超高强度纳米晶金属Ru薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明金属薄膜的制备方法，尤其是一种具有超高强度纳米晶金属Ru薄膜的制备方法，采用直流磁控溅射法，通过调节衬底温度与功率制备出不同晶粒尺寸的纳米晶金属Ru薄膜，最小晶粒尺寸可控制在20纳米，最高硬度可达18.1GPa。

背景技术

金属Ru由于具有优秀的力学、物理和化学性能而受到广泛关注。金属Ru是极好的催化剂，可用于氢化、异构化、氧化和重整反应中；在温度为100℃时，对普通的酸包括王水在内均具有良好的抵抗能力。另外，金属Ru还具有极高的熔点(2250℃)，热稳定性好，在600℃退火下与金属Cu的结合强度仍然很高，并且电阻率较低(7.6μΩ·cm，约为Ta的一半)。这些优秀的综合性能使金属Ru膜被广泛用作集成电路中的阻挡层材料，以及微机电系统中的组元结构材料。如何制备出高质量的纳米晶Ru薄膜是微电子器件设计制造过程中重要的关键步骤，Ru膜的力学性能直接决定了微电子器件的工作可靠性。常用的制备金属Ru薄膜的方法有CVD和PVD法，前者为了得到纯的金属Ru膜，必须在较高的工作温度下除去发生化学反应的配位体，其导入金属离子多使用金属卤化物，污染严重，而使用有机金属化合物则成本高昂，另外，衬底往往会因为反应中的高温而被损害，能量损耗也很高，系统操作和维护比较麻烦，并且难以获得纳米尺度的晶粒尺寸，强度较低，传统粗晶Ru的硬度仅为2.1GPa，大大地制约了Ru膜在实际使用中的可靠性。因此，探索出一种简单可控的制备高强度金属Ru薄膜的方法势在必行，我们这里提供一种简单可控的磁控溅射法制备具有超过强度纳米晶Ru膜的方法，通过控制其衬底温度和功率来得到具有不同晶粒尺寸的超高强度纳米晶Ru膜，并且重复率较好。

发明内容

本发明的目的是：提供一种超高强度的纳米晶金属Ru膜(hcp结构)制备方法，在不损伤衬底的情况下，采用直流磁控溅射法通过控制衬底温度与功率制备出不同晶粒尺寸的纯纳米晶Ru膜。

本发明的技术方案是：超高强度纳米晶金属Ru薄膜的制备方法，采用直流磁控溅射法。直流磁控溅射法制备纳米晶金属Ru膜的步骤为：衬底材料选用单晶Si片，先抽本底真空至1.5×10-5Pa，然后通入流量为20sccm的Ar气，通过分子泵阀门调节真空室真空度为5.0Pa，然后开始启辉，进行约30min的预溅射以保证薄膜的纯度，随后将真空度调至约1.1Pa开始生长Ru膜，我们通过调节衬底温度来实现不同晶粒尺寸纳米晶Ru膜的制备，直流磁控溅射功率保持为200W，对Ru靶进行约30min的预溅射；根据调节溅射时间来控制薄膜的厚度，薄膜厚度控制在1-2.5μm。

通过调节衬底温度制备出不同晶粒尺寸的超高强度纳米晶金属Ru膜，通过调节衬底温度制备出不同晶粒尺寸的超高强度纳米晶金属Ru膜，Ru膜的平均晶粒尺寸范围可以控制在20nm至100nm，其硬度18.1GPa至12.0GPa，衬底温度的范围为室温至500℃。

实施例表示Ru膜的平均晶粒尺寸范围可以控制在20nm、60nm和100nm，晶粒取向均以(002)和(101)为主导，其硬度分别为18.1GPa，13.1GPa和12.0GPa。也可以通过功率的适当调节来进行晶粒尺寸和不同强度的调节，衬底温度的范围分别为27℃、300℃、500℃，可以在薄膜厚度完成后再保温时间为8-20分钟。以制备出不同晶粒大小的纯纳米晶Ru薄膜。

本发明提供了一种制备不同晶粒尺寸的超高强度纳米晶金属Ru薄膜的方法，由于金属Ru膜常被用于集成电路与微机电系统中，工作环境常为温场和电场等多场条件，因此对其综合性能的要求是相当苛刻的。我们采用直流磁控溅射的方法，通过控制工艺参数，制备出不同晶粒尺寸的超高强度纳米晶金属Ru膜，最高硬度可达到18.1GPa，大约为传统粗晶Ru的8倍，其应变速率也高于粗晶金属Ru，极大的提高了金属Ru膜的工作可靠性。本发明为进一步地扩大纳米晶Ru的应用领域和更深入地研究纳米晶Ru膜的物理性能如力学性能和电学性能提供了基础。

与现有制备方法相比，本发明的有益效果是：

1.本发明通过调节衬底温度与功率来可制备出不同晶粒尺寸的超高强度纳米晶金属Ru膜，制出的Ru膜的平均晶粒尺寸范围可以控制在20nm、60nm和100nm，晶粒取向均以(002)和(101)为主导，其硬度分别为18.1GPa，13.1GPa和12.0GPa。硬度达到18.1GPa时大约为传统粗晶Ru的8倍。