隨著電子信息和新興高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，薄膜科學(xué)應(yīng)用日益廣泛。電子、磁性、光電、光學(xué)薄膜等已經(jīng)廣泛應(yīng)用于以集成電路、分立器件等為主的半導(dǎo)體制造、以TFT-LCD、OLED等為主的平面顯示面板制造和以薄膜太陽(yáng)能電池為主的新能源制造等領(lǐng)域。近年來(lái)，在國(guó)家政策大力支持下，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，我國(guó)逐漸成為世界上薄膜材料的最大需求地區(qū)之一。貴金屬具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，高電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，特有的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)等性能，廣泛應(yīng)用于高性能薄膜材料的制備，各種高純單質(zhì)貴金屬及新型合金及化合物功能薄膜不斷得到開(kāi)發(fā)。

圖1 田中貴金屬工業(yè)TRuST 2段成膜工藝

物理氣相沉積(PVD)是制備薄膜材料的關(guān)鍵技術(shù)之一，濺射鍍膜和蒸發(fā)鍍膜是目前最主流的兩種 PVD 鍍膜方式。

一、釕在濺射鍍膜中的應(yīng)用-釕靶材

濺射靶材是用于PVD工藝中的一個(gè)非常重要的關(guān)鍵耗材。在半導(dǎo)體制造中常用的貴金屬靶材包括金、銀、鉑、釕等金屬及合金。隨著我國(guó)半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步和升級(jí)，貴金屬靶材作為工藝制程中的重要支撐材料，其需求量越來(lái)越大。

靶材材料與技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)與其應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)發(fā)展以及薄膜技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)息息相關(guān)。

圖2 濺射靶材鍍膜原理

隨著極大規(guī)模集成電路ULSI的發(fā)展，芯片特征尺寸縮小到深亞微米和納米時(shí)，互連線RC延遲和電遷移引起的可靠性問(wèn)題成為影響芯片性能的主要因素。與鋁相比，銅具有更高的抗電遷移能力及更低的電阻率，銅金屬互連在集成電路的設(shè)計(jì)和制造中正逐步取代鋁金屬互連。在130 nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)后銅是主流的布線材料。銅布線的過(guò)程包括阻擋層與種子層的沉積和銅的電化學(xué)鍍。當(dāng)銅互連工藝的特征尺寸到達(dá)45 nm節(jié)點(diǎn)及以下時(shí)，由于銅大馬士革工藝中通孔的橫向尺寸及界面積大大縮小，從而要求擴(kuò)散阻擋層減薄至5 nm甚至以下，因此傳統(tǒng)的擴(kuò)散阻擋層材料及其PVD制備方法已經(jīng)不能滿足需要。

對(duì)阻擋層的基本要求是：有很好的阻擋擴(kuò)散特性；高電導(dǎo)率，低歐姆接觸電阻；與上下層材料有很好黏附性；抗電遷移；很薄并高溫下的穩(wěn)定性。釕作為一種難熔的貴金屬，熔點(diǎn)約為2427℃，HCP結(jié)構(gòu)，具有良好的導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性，釕與銅在高溫下仍具有極低的互溶度且保持界面穩(wěn)定。同時(shí)還與銅具有良好的粘附性，在釕上有利于實(shí)現(xiàn)Cu(111)晶向的擇優(yōu)生長(zhǎng)。由于具有可直接電鍍特性，以及良好粘附性和良好擴(kuò)散阻擋特性的潛能，釕是無(wú)籽晶銅電鍍工藝中擴(kuò)散阻擋層兼籽晶層的理想選擇，采用Ru/Ta、Ru/Ti等的復(fù)合擴(kuò)散阻擋層將在無(wú)籽晶銅互連工藝中逐步得到應(yīng)用。

此外，由于具有較高的功函數(shù)(4.7 eV)及易刻蝕性，金屬釕可作為PMOS器件的柵電極材料，還可作為動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)和鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(FRAM)中電容的電極材料。

二、釕在蒸發(fā)鍍膜中的應(yīng)用-釕顆粒

真空蒸發(fā)鍍膜是指在真空條件下，通過(guò)蒸發(fā)源加熱蒸發(fā)某種物質(zhì)使其沉積在基板材料表面來(lái)獲得薄膜的一種技術(shù)。被蒸發(fā)的物質(zhì)被稱為蒸鍍材料。蒸發(fā)鍍膜最早由 M.法拉第在 1857年提出，經(jīng)過(guò)一百多年的發(fā)展，現(xiàn)已成為主流鍍膜技術(shù)之一。蒸發(fā)鍍膜是PVD真空鍍膜方式的一種，其特點(diǎn)是在真空條件下，材料蒸發(fā)并在玻璃表面上凝結(jié)成膜，再經(jīng)高溫?zé)崽幚砗?，在玻璃表面形成附著力很?qiáng)的膜層。

圖3 蒸發(fā)鍍膜原理

在電子制造領(lǐng)域，釕顆粒蒸發(fā)鍍膜材料被廣泛應(yīng)用于制造高性能的電子元件和電路。由于釕具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，它可以在高溫和惡劣環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能，確保電子設(shè)備的可靠運(yùn)行。例如，在制造高性能的集成電路時(shí)，釕顆粒蒸發(fā)鍍膜材料可以形成精確的導(dǎo)電層，提高電路的性能和可靠性。

在光學(xué)領(lǐng)域，釕顆粒蒸發(fā)鍍膜材料也發(fā)揮了重要作用。它可以用于制造光學(xué)薄膜，如反射鏡、濾波器等，以提高光學(xué)系統(tǒng)的性能。由于釕具有穩(wěn)定性和均勻性，它能夠在光學(xué)薄膜上形成均勻的鍍層，有效改善光學(xué)元件的反射和透射性能。

在航空航天領(lǐng)域，釕顆粒蒸發(fā)鍍膜材料同樣具有廣泛的應(yīng)用。航空航天設(shè)備需要承受極端的環(huán)境條件，如高溫、高壓和強(qiáng)烈的輻射。釕顆粒蒸發(fā)鍍膜材料可以在這些設(shè)備上形成耐腐蝕、耐高溫的保護(hù)層，提高設(shè)備的耐用性和可靠性。例如，在制造發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和渦輪部件時(shí)，釕顆粒蒸發(fā)鍍膜材料可以提供優(yōu)異的抗氧化和耐腐蝕性能，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

此外，釕顆粒蒸發(fā)鍍膜材料還可以用于制造其他高性能的產(chǎn)品，如精密儀器、醫(yī)療器械等。在這些領(lǐng)域，釕的穩(wěn)定性和均勻性同樣能夠發(fā)揮重要作用，提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。

三、釕在厚膜技術(shù)中的應(yīng)用-釕系電阻漿料

厚膜技術(shù)主要是指用絲網(wǎng)印刷的方法將導(dǎo)體漿料、電阻漿料或介質(zhì)漿料等材料轉(zhuǎn)移到陶瓷基板上，這些材料經(jīng)過(guò)高溫?zé)珊?，?huì)在陶瓷電路板上形成粘附牢固的膜。重復(fù)多次后，就會(huì)形成多層互連結(jié)構(gòu)的包含電阻或電容的電路。

貴金屬電阻漿料是以貴金屬為導(dǎo)電相，用于制造厚膜電阻的漿料。主要用作厚膜電阻器、電阻網(wǎng)絡(luò)、混合集成電路以及特殊用途的電阻器和電極。導(dǎo)電相包含擴(kuò)散系數(shù)大、電阻系數(shù)低的貴金屬導(dǎo)電組分和電阻系數(shù)高的鉑族金屬或其化合物電阻組分?，F(xiàn)在有的已采用化學(xué)穩(wěn)定性更高的金屬及其硫化物和高分子有機(jī)化合物作為導(dǎo)電相。分為銀鈀漿料、二氧化釕漿料、釕酸鹽漿料以及銥和銠的漿料。其中以釕系漿料應(yīng)用最多。

圖4 厚膜多層制作步驟

1. 釕合金粉末

釕系電阻漿料的主要成分是釕合金粉末，其特性在于較高的電阻率和溫度系數(shù)。這使得釕系電阻漿料在制造電阻元件時(shí)能提供精確的電阻值，并且阻值范圍寬，能夠滿足不同電子器件對(duì)電阻值的需求。此外，其電阻溫度系數(shù)低，確保了電路的穩(wěn)定性和可靠性。

釕系電阻漿料還具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，能夠耐受多種化學(xué)腐蝕劑和高溫環(huán)境。阻值重現(xiàn)性好，即在相同的制備條件下，不同批次的釕系電阻漿料所制成的電阻元件具有相近的電阻值，這有利于保證電子產(chǎn)品的一致性和可靠性。

釕系電阻漿料的應(yīng)用廣泛，包括制造高性能電阻和高可靠精密電阻網(wǎng)絡(luò)，如厚膜混合集成電路、電阻網(wǎng)絡(luò)等。同時(shí)，它還能應(yīng)用于高溫環(huán)境下的電阻加熱器，如真空爐、高溫熔煉爐和高溫氣體發(fā)生器等。在電化學(xué)傳感器領(lǐng)域，釕系電阻漿料也用于制備電極材料，用于檢測(cè)和測(cè)量環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)濃度和pH值等。

2. 二氧化釕漿料

二氧化釕在電阻漿料中的應(yīng)用同樣顯著。其出色的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性保證了電阻元件在各種環(huán)境條件下都能保持穩(wěn)定的性能。無(wú)論是高溫、高濕還是其他極端條件，二氧化釕電阻漿料都能保持其電阻值的穩(wěn)定性和可靠性。

通過(guò)精確控制二氧化釕的配比和工藝參數(shù)，可以制備出具有特定阻值范圍的電阻漿料，以滿足不同電子元件對(duì)電阻值的需求。同時(shí)，二氧化釕電阻漿料的阻值精度較高，確保了電阻元件的阻值精確可靠，從而提高了電子產(chǎn)品的性能和穩(wěn)定性。

此外，二氧化釕電阻漿料還具有較小的電阻溫度系數(shù)和低阻噪音的特點(diǎn)，這有利于保持電阻的穩(wěn)定性和可靠性，并提高電子產(chǎn)品的性能和使用效果。與銀基導(dǎo)帶等常用導(dǎo)電材料具有良好的兼容性，使得在電子元件的制造過(guò)程中可以方便地將二氧化釕電阻漿料與其他導(dǎo)電材料集成在一起，形成完整的電路結(jié)構(gòu)。

我們不難發(fā)現(xiàn)釕及其化合物在薄膜材料領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣泛的應(yīng)用潛力和顯著的優(yōu)勢(shì)，釕無(wú)疑為現(xiàn)代電子工業(yè)的發(fā)展提供了重要的支持。隨著科技的進(jìn)步和研究的深入，釕及其化合物在薄膜材料領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛和多樣化。我們期待著通過(guò)不斷的創(chuàng)新和探索，進(jìn)一步挖掘釕在薄膜材料中的潛力，為未來(lái)的電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新的活力。

參考文獻(xiàn)：

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