本發(fā)明主要涉及磁控濺射鍍膜領(lǐng)域，進一步地，主要涉及在半導(dǎo)體器件散熱片的首選材料鉬上鍍覆釕薄膜。

背景技術(shù)：

由于具有良好的導(dǎo)電性等優(yōu)點，鉬為功率用半導(dǎo)體器件散熱片的首選材料。隨著國內(nèi)外半導(dǎo)體行業(yè)的飛速發(fā)展，對功率用半導(dǎo)體散熱片也提出了更為嚴苛的服役要求。純鉬基片耐蝕性能不佳，壓降不穩(wěn)定，而且抗疲勞壽命較短，不能夠長期保證芯片的正常運行。為提升功率用半導(dǎo)體器件運行的可靠性和服役壽命，目前，行業(yè)普遍在鉬基片表面鍍附釕或銠，以提升純鉬基片的耐蝕性能，延長其服役壽命。銠的價格是黃金的五倍，十分高貴，為降低生產(chǎn)成本，國內(nèi)外普遍選用與銠性質(zhì)基本相似的釕作為鍍層材料。然而目前的鍍覆工藝主要是電鍍，眾所周知電鍍存在較多的環(huán)境污染問題，因此需要尋求一種新型的在鉬基體傷鍍覆釕薄膜的制備工藝。此外，在鉬基體上鍍覆的薄膜還存在受熱膨脹、易脫落、力學(xué)性能不足等問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

解決的技術(shù)問題：針對上述問題，本發(fā)明提出了一種在鉬基片上沉積的釕薄膜及其制備方法。

技術(shù)方案：一種釕薄膜，在不同的溫度下對所述薄膜進行退火處理，所述薄膜的殘余應(yīng)力隨著退火溫度的升高而降低，所述薄膜的膜基結(jié)合力隨著退火溫度的升高而先升高后降低；所述薄膜中的氧原子百分含量隨著所述退火溫度的升高而呈現(xiàn)從沒有出現(xiàn)明顯變化到逐漸升高的變化趨勢；所述薄膜經(jīng)過退火后晶粒尺寸變大；不同退火溫度處理下的釕薄膜均未出現(xiàn)明顯的氧化物衍射峰，所述薄膜主要由六方釕相構(gòu)成；所述釕薄膜沉積在鉬基體上。

一種制備上述釕薄膜的方法，采用磁控濺射法沉積所述釕薄膜，純度為99.95％的釕靶安裝在直流濺射槍上；在不同的溫度下對所述薄膜進行退火處理，所述溫度為室溫至600℃。

有益效果：本發(fā)明的在鉬基體上鍍覆的釕薄膜，在一定溫度范圍內(nèi)的退火處理，改善薄膜結(jié)晶質(zhì)量，起到釋放殘余應(yīng)力及提升膜基結(jié)合力的作用，使得鍍覆的釕薄膜對鉬基體具有良好的保護作用。

附圖說明

圖1為不同退火溫度下ru薄膜氧原子百分含量；

圖2為不同退火溫度下ru薄膜xrd圖譜；

圖3為不同退火溫度下ru薄膜殘余應(yīng)力；

圖4為不同退火溫度下ru薄膜膜基結(jié)合力。

具體實施方式

實施例1

采用中國科學(xué)院沈陽科學(xué)儀器研究中心有限公司生產(chǎn)的jgp450型多靶磁控濺射儀制備的，它具有兩個rf濺射槍和一個dc濺射槍組成，基片架與濺射槍的間距為78mm。將直徑為75mm，純度為99.95％的ru靶安裝在dc濺射槍上，在單晶si及mo襯底上制備不同負偏壓的ru薄膜。其中，單晶si襯底制備的薄膜用于eds、xrd及殘余應(yīng)力測試；mo襯底用于膜基結(jié)合力測試。實驗過程如下：將mo襯底依次在無水乙醇和丙酮中超聲波清洗15min，用熱空氣吹干后裝入真空室中的可旋轉(zhuǎn)基底架上，固定靶到基底的距離固定為11cm；抽真空使真空室本底真空度優(yōu)于6.0×10-4pa后通入純度為99.999％的高純ar起弧，用擋板遮擋基底，對ru靶進行10min預(yù)濺射以除去靶材表面的氧化物和雜質(zhì)；移去擋板，制備過程中，恒定真空室氣壓0.3pa，濺射時間120min，ru靶功率120w，負偏壓100v。

采用日本電子生產(chǎn)的jem-6480型掃描電子顯微鏡配套的inca型能譜儀(eds)進行薄膜的成分分析。采用xrd-6000型x射線衍射儀(xrd，cukα)分析薄膜的微觀組織，電壓為40kv，電流為35ma。采用布魯克dektak-xt型臺階儀測量薄膜殘余應(yīng)力。采用cpx+nht2+mst納米壓痕儀/劃痕儀測試薄膜的膜基結(jié)合力。劃痕測試時加載力從0.3n線性增至20n，劃痕長度為3mm。

圖1為不同退火溫度下ru薄膜氧原子百分含量。由圖1可知，未經(jīng)退火處理的ru薄膜(圖中為25℃)氧原子百分含量為0at.％。當退火溫度為300℃時，薄膜中氧原子百分含量未出現(xiàn)明顯變化；隨退火溫度的進一步升高至600℃，薄膜氧原子百分含量約為4.5at.％。

圖2給出了不同退火溫度下ru薄膜xrd圖譜。由圖可知，未經(jīng)退火處理的ru薄膜在 42°及44°附近出現(xiàn)兩個衍射峰，依次對應(yīng)為六方ru(002)以及(101)(pdf65-1863)，此時薄膜由六方ru構(gòu)成。不同退火溫度處理下的ru薄膜(101)衍射峰消失，具有(002)擇優(yōu)取向。不同退火溫度處理下的ru薄膜均未出現(xiàn)明顯的氧化物衍射峰，表明薄膜主要由六方ru相構(gòu)成。

結(jié)合圖1、2，當退火溫度高于300℃，eds檢測到薄膜中有氧元素存在，xrd中并無氧化物的衍射峰出現(xiàn)。這可能是由于高溫退火導(dǎo)致退火爐中殘余的氧向ru薄膜中擴散，與ru反應(yīng)生成微量的氧化相，從而導(dǎo)致了薄膜中檢測到了氧元素。

由圖2還可知，不同退火溫度處理下的ru薄膜的xrd半峰寬(fwhm)略有不同，這說明退火處理可能影響了薄膜的晶化程度，為進一步分析退火溫度對ru薄膜晶化程度的影響，利用圖2中數(shù)據(jù)，根據(jù)謝樂公式對不同退火溫度的ru薄膜晶粒了簡單的平均晶粒尺寸計算。未退火處理的ru薄膜的晶粒尺寸約為21nm，不同退火溫度下的ru薄膜平均晶粒尺寸在38-48nm之間，明顯高于未退火處理的ru薄膜，表明退火處理可以改善薄膜的結(jié)晶程度。

圖3為不同退火溫度下ru薄膜殘余應(yīng)力。由圖可知，所有ru薄膜均為殘余壓應(yīng)力(圖中以負號體現(xiàn))，且未經(jīng)退火處理的ru薄膜殘余壓應(yīng)力約為1.8gpa；隨退火溫度升高至300℃，薄膜殘余壓應(yīng)力先緩慢降低至1.5gpa；當退火溫度高于300℃，薄膜殘余壓應(yīng)力大幅降低，當退火溫度為600℃時，薄膜殘余壓應(yīng)力最低，其最低值約為0.3gpa。退火可以改善材料晶粒的結(jié)晶質(zhì)量，降低材料缺陷，釋放殘余應(yīng)力。

圖4為不同退火溫度下的ru薄膜膜基結(jié)合力。由圖可知，未經(jīng)退火處理的ru薄膜膜基結(jié)合力約為14.1n。隨退火溫度的升高，薄膜膜基結(jié)合力先升高后降低，當退火溫度為300℃時，薄膜膜基結(jié)合力最高，其最高值約為17.6n。當退火溫度為300℃時，退火釋放了薄膜的部分殘余應(yīng)力，改善了結(jié)晶程度，增加了薄膜與基體的結(jié)合力；隨著退火溫度的進一步提高，薄膜中氧化相的出現(xiàn)可能是此時膜基結(jié)合力降低的原因。為此，參照本文試驗參數(shù)，只改變本底真空度為6.0×10-2pa時，制備了ru薄膜，薄膜中出現(xiàn)了ruo2相，此時薄膜膜基結(jié)合力為4n。所以，退火溫度為600℃時，薄膜中微量氧化相的出現(xiàn)使得薄膜膜基結(jié)合力下降。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
一種在鉬基片上沉積的釕薄膜及其制備方法，采用磁控濺射法在Mo襯底上制備了Ru薄膜，利用真空退火爐、EDS、XRD，臺階儀及納米劃痕儀等設(shè)備研究了不同退火溫度對Ru薄膜化學(xué)成分、相結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力及膜基結(jié)合力的影響。結(jié)果表明，不同退火溫度處理下的Ru薄膜呈六方Ru結(jié)構(gòu)，具有擇優(yōu)取向。當退火溫度小于300℃時，退火有利于改善薄膜結(jié)晶質(zhì)量，起到釋放殘余應(yīng)力及提升膜基結(jié)合力的作用；隨退火溫度的進一步升高，殘余應(yīng)力進一步釋放，此外，Ru薄膜中檢測到了氧，薄膜中氧化相的出現(xiàn)導(dǎo)致膜基結(jié)合力降低。

技術(shù)研發(fā)人員：許俊華;陳敏;郭麗萍
受保護的技術(shù)使用者：江蘇科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2016.04.22
技術(shù)公布日：2017.10.31