W(N)薄膜的微观结构与力学性能研究

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W(N)薄膜具有高硬度、高熔点、高电导率等优异的物理性能以及稳定的化学性能。这些特点使其有着非常广泛的应用前景,具体可以应用于微电子器件的电阻扩散势垒,金属氧化物半导体场效应晶体管的门电极以及切削工具的硬质抗磨损保护涂层。除此之外,许多研究显示W(N)薄膜的应用性能是由相结构和组元成分所决定,也就是与制备工艺的参数有着非常密切的关系,但是因为它们之间的关系较为复杂,因此我们要想得到性能最优的薄膜结构就需要系统地研究它们之间的关系。到目前为止,制备W(N)薄膜的方法有很多,例如脉冲激光沉积、离子束溅射沉积、反应磁控溅射、原子层沉积、化学气相沉积等。在这些方法中,得到人们特别关注的是反应溅射,因为其能够在低沉积温度的条件下合成高质量大面积的薄膜。反应溅射沉积的W(N)薄膜的微观结构和力学性能受氮气流量(FN2)、基片偏压(Vb)以及温度(T)等实验参数的影响。由于WNx比TiN、NbN和ZrN具有更低的形成热,所以WNx应该比TiN、NbN和ZrN更难合成。所以为了明确薄膜的硬度与结构之间的关系,我们有必要进行系统的实验研究。在本论文中,我们采用射频磁控溅射的方法制备了W(N)薄膜,主要研究了相结构、表面形貌、沉积速率以及硬度等力学性能与氮气流量、衬底偏压、沉积温度和沉积时间的变化关系。在完成基本的实验参数的摸索之后,近期研究少量小原子掺杂过渡族金属的报道特别多,但都是通过共溅射方法制备掺碳或硼原子的过渡族金属过饱和固溶体,这种少量小原子掺杂对其力学性能有着很大的提高。而研究少量氮原子掺杂的研究还未见报道,所以在此基础上我们应用射频磁控溅射的方法制备掺入少量氮原子的W(N)薄膜,观察样品的硬度等力学性能随气体流量比的变化关系,通过测试分析看是否形成含氮的钨的过饱和固溶体。
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