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贵金属系列四《钌在薄膜材料中的应用》

贵金属系列四《钌在薄膜材料中的应用》

【概要描述】钌及其化合物在薄膜材料领域展现出了广泛的应用潜力和显著的优势,钌无疑为现代电子工业的发展提供了重要的支持。随着科技的进步和研究的深入,钌及其化合物在薄膜材料领域的应用将会更加广泛和多样化。我们期待着通过不断的创新和探索,进一步挖掘钌在薄膜材料中的潜力,为未来的电子产业发展注入新的活力。

贵金属系列四《钌在薄膜材料中的应用》

【概要描述】钌及其化合物在薄膜材料领域展现出了广泛的应用潜力和显著的优势,钌无疑为现代电子工业的发展提供了重要的支持。随着科技的进步和研究的深入,钌及其化合物在薄膜材料领域的应用将会更加广泛和多样化。我们期待着通过不断的创新和探索,进一步挖掘钌在薄膜材料中的潜力,为未来的电子产业发展注入新的活力。

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随着电子信息和新兴高技术产业的发展,薄膜科学应用日益广泛。电子、磁性、光电、光学薄膜等已经广泛应用于以集成电路、分立器件等为主的半导体制造、以TFT-LCD、OLED等为主的平面显示面板制造和以薄膜太阳能电池为主的新能源制造等领域。近年来,在国家政策大力支持下,高新技术产业实现了跨越式发展,我国逐渐成为世界上薄膜材料的最大需求地区之一。贵金属具有良好的化学稳定性,高电导率和热导率,特有的电学、磁学、光学等性能,广泛应用于高性能薄膜材料的制备,各种高纯单质贵金属及新型合金及化合物功能薄膜不断得到开发。

图1 田中贵金属工业TRuST 2段成膜工艺

物理气相沉积(PVD)是制备薄膜材料的关键技术之一,溅射镀膜和蒸发镀膜是目前最主流的两种 PVD 镀膜方式。

一、钌在溅射镀膜中的应用-钌靶材

溅射靶材是用于PVD工艺中的一个非常重要的关键耗材。在半导体制造中常用的贵金属靶材包括金、银、铂、钌等金属及合金。随着我国半导体工业技术的不断进步和升级,贵金属靶材作为工艺制程中的重要支撑材料,其需求量越来越大。

靶材材料与技术的发展趋势与其应用领域的产业发展以及薄膜技术的发展趋势息息相关。

图2 溅射靶材镀膜原理

随着极大规模集成电路ULSI的发展,芯片特征尺寸缩小到深亚微米和纳米时,互连线RC延迟和电迁移引起的可靠性问题成为影响芯片性能的主要因素。与铝相比,铜具有更高的抗电迁移能力及更低的电阻率,铜金属互连在集成电路的设计和制造中正逐步取代铝金属互连。在130 nm技术节点后铜是主流的布线材料。铜布线的过程包括阻挡层与种子层的沉积和铜的电化学镀。当铜互连工艺的特征尺寸到达45 nm节点及以下时,由于铜大马士革工艺中通孔的横向尺寸及界面积大大缩小,从而要求扩散阻挡层减薄至5 nm甚至以下,因此传统的扩散阻挡层材料及其PVD制备方法已经不能满足需要。

对阻挡层的基本要求是:有很好的阻挡扩散特性;高电导率,低欧姆接触电阻;与上下层材料有很好黏附性;抗电迁移;很薄并高温下的稳定性。钌作为一种难熔的贵金属,熔点约为2427℃,HCP结构,具有良好的导电性和热稳定性,钌与铜在高温下仍具有极低的互溶度且保持界面稳定。同时还与铜具有良好的粘附性,在钌上有利于实现Cu(111)晶向的择优生长。由于具有可直接电镀特性,以及良好粘附性和良好扩散阻挡特性的潜能,钌是无籽晶铜电镀工艺中扩散阻挡层兼籽晶层的理想选择,采用Ru/Ta、Ru/Ti等的复合扩散阻挡层将在无籽晶铜互连工艺中逐步得到应用。

此外,由于具有较高的功函数(4.7 eV)及易刻蚀性,金属钌可作为PMOS器件的栅电极材料,还可作为动态随机存储器(DRAM)和铁电随机存取存储器(FRAM)中电容的电极材料。

钌靶

二、钌在蒸发镀膜中的应用-钌颗粒

真空蒸发镀膜是指在真空条件下,通过蒸发源加热蒸发某种物质使其沉积在基板材料表面来获得薄膜的一种技术。被蒸发的物质被称为蒸镀材料。蒸发镀膜最早由 M.法拉第在 1857年提出,经过一百多年的发展,现已成为主流镀膜技术之一。蒸发镀膜是PVD真空镀膜方式的一种,其特点是在真空条件下,材料蒸发并在玻璃表面上凝结成膜,再经高温热处理后,在玻璃表面形成附着力很强的膜层。

图3 蒸发镀膜原理

在电子制造领域,钌颗粒蒸发镀膜材料被广泛应用于制造高性能的电子元件和电路。由于钌具有优异的导电性和稳定性,它可以在高温和恶劣环境下保持稳定的性能,确保电子设备的可靠运行。例如,在制造高性能的集成电路时,钌颗粒蒸发镀膜材料可以形成精确的导电层,提高电路的性能和可靠性。

在光学领域,钌颗粒蒸发镀膜材料也发挥了重要作用。它可以用于制造光学薄膜,如反射镜、滤波器等,以提高光学系统的性能。由于钌具有稳定性和均匀性,它能够在光学薄膜上形成均匀的镀层,有效改善光学元件的反射和透射性能。

在航空航天领域,钌颗粒蒸发镀膜材料同样具有广泛的应用。航空航天设备需要承受极端的环境条件,如高温、高压和强烈的辐射。钌颗粒蒸发镀膜材料可以在这些设备上形成耐腐蚀、耐高温的保护层,提高设备的耐用性和可靠性。例如,在制造发动机叶片和涡轮部件时,钌颗粒蒸发镀膜材料可以提供优异的抗氧化和耐腐蚀性能,延长设备的使用寿命。

此外,钌颗粒蒸发镀膜材料还可以用于制造其他高性能的产品,如精密仪器、医疗器械等。在这些领域,钌的稳定性和均匀性同样能够发挥重要作用,提高产品的性能和质量。

 

三、钌在厚膜技术中的应用-钌系电阻浆料

厚膜技术主要是指用丝网印刷的方法将导体浆料、电阻浆料或介质浆料等材料转移到陶瓷基板上,这些材料经过高温烧成后,会在陶瓷电路板上形成粘附牢固的膜。重复多次后,就会形成多层互连结构的包含电阻或电容的电路。

贵金属电阻浆料是以贵金属为导电相,用于制造厚膜电阻的浆料。主要用作厚膜电阻器、电阻网络、混合集成电路以及特殊用途的电阻器和电极。导电相包含扩散系数大、电阻系数低的贵金属导电组分和电阻系数高的铂族金属或其化合物电阻组分。现在有的已采用化学稳定性更高的金属及其硫化物和高分子有机化合物作为导电相。分为银钯浆料、二氧化钌浆料、钌酸盐浆料以及铱和铑的浆料。其中以钌系浆料应用最多。

图4 厚膜多层制作步骤

  1. 钌合金粉末

钌系电阻浆料的主要成分是钌合金粉末,其特性在于较高的电阻率和温度系数。这使得钌系电阻浆料在制造电阻元件时能提供精确的电阻值,并且阻值范围宽,能够满足不同电子器件对电阻值的需求。此外,其电阻温度系数低,确保了电路的稳定性和可靠性。

钌系电阻浆料还具有优异的化学稳定性和热稳定性,能够耐受多种化学腐蚀剂和高温环境。阻值重现性好,即在相同的制备条件下,不同批次的钌系电阻浆料所制成的电阻元件具有相近的电阻值,这有利于保证电子产品的一致性和可靠性。

钌系电阻浆料的应用广泛,包括制造高性能电阻和高可靠精密电阻网络,如厚膜混合集成电路、电阻网络等。同时,它还能应用于高温环境下的电阻加热器,如真空炉、高温熔炼炉和高温气体发生器等。在电化学传感器领域,钌系电阻浆料也用于制备电极材料,用于检测和测量环境中的化学物质浓度和pH值等。

  1. 二氧化钌浆料

二氧化钌在电阻浆料中的应用同样显著。其出色的化学稳定性和热稳定性保证了电阻元件在各种环境条件下都能保持稳定的性能。无论是高温、高湿还是其他极端条件,二氧化钌电阻浆料都能保持其电阻值的稳定性和可靠性。

通过精确控制二氧化钌的配比和工艺参数,可以制备出具有特定阻值范围的电阻浆料,以满足不同电子元件对电阻值的需求。同时,二氧化钌电阻浆料的阻值精度较高,确保了电阻元件的阻值精确可靠,从而提高了电子产品的性能和稳定性。

此外,二氧化钌电阻浆料还具有较小的电阻温度系数和低阻噪音的特点,这有利于保持电阻的稳定性和可靠性,并提高电子产品的性能和使用效果。与银基导带等常用导电材料具有良好的兼容性,使得在电子元件的制造过程中可以方便地将二氧化钌电阻浆料与其他导电材料集成在一起,形成完整的电路结构。

我们不难发现钌及其化合物在薄膜材料领域展现出了广泛的应用潜力和显著的优势,钌无疑为现代电子工业的发展提供了重要的支持。随着科技的进步和研究的深入,钌及其化合物在薄膜材料领域的应用将会更加广泛和多样化。我们期待着通过不断的创新和探索,进一步挖掘钌在薄膜材料中的潜力,为未来的电子产业发展注入新的活力。

 

参考文献:

  1. 何金江,陈明,朱晓光,罗俊锋,尚再艳,贺昕,熊晓东. 高纯贵金属靶材在半导体制造中的应用与制备技术[A].
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