本发明属于碳化物半导体
技术领域：
，尤其涉及一种透明导电WC晶态薄膜及其制备方法。
背景技术：
：碳化钨（WC）是一种典型的硬质合金材料，为简单六方结构，六方WC直到3049K的温度下都是稳定的。WC具有非常优异的物理和化学性能，如高硬度，高耐磨，热稳定性和化学稳定性好，抗氧化性好，热膨胀系数低，弹性模量高，具有一定程度的塑性，并且WC被大多数粘结相浸润的性能优于其它碳化物，且比其它碳化物韧性好。此外，WC还具有高导热性和高导电性，有利于切削应用。鉴于上述优点，WC作为一种硬质耐磨涂层，广泛应用于国防军工、航空航天、冶金、石化、电力、交通运输、水利、海洋开发等军事和民用工业领域，成为解决重要零部件耐磨耐蚀与防护的关键技术。目前，WC硬质合金涂层的主流制备技术是热喷涂方法，包括：等离子体喷涂、火焰喷涂、电弧喷涂、爆炸喷涂和超音速喷涂等。WC除了作为硬质合金应用外，它还是一种微电子材料，可在微电子领域有广阔的应用前景，如作为微电子器件的扩散阻挡层、透明导电薄膜等。WC薄膜有晶态和非晶态两种，与非晶态WC相比，晶态WC导热和导电特性显著优于非晶态WC，因而在实际应用中一般要求WC薄膜为结晶状态。目前，人们对WC的研究和开发主要集中于硬质合金领域，而对WC在微电子领域的应用研究很少。技术实现要素：基于WC材料的研发现状，本发明为了拓展WC材料应用领域，提供一种透明导电WC晶态薄膜及其制备方法。本发明采用磁控溅射方法，研制出透明导电WC薄膜，并提出了一种直接晶态生长的方法制备高性能的透明导电WC薄膜，所制备的WC薄膜不仅具有透明导电的光电特性，而且也具有硬质合金的特性，可在微电子和光电子领域具有巨大的应用价值。为了达到上述发明目的，本发明采用如下技术方案：本发明提供了一种透明导电WC晶态薄膜，所述WC薄膜为晶态薄膜，X射线衍射（001）峰为最强峰，薄膜沿c轴择优取向，单一的六方相结构；晶态WC薄膜可见光透射率高于89%，电阻率低于7.6×10–4Ωcm；WC薄膜中的W:C的原子百分比为50.1:49.9~50.7:49.3；透明导电晶态WC薄膜的显微硬度高于23GPa。本发明还提供了一种透明导电WC晶态薄膜的制备方法：采用射频磁控溅射方法，以高纯WC合金为靶材，Ar-CH4为工作气体；以石英为衬底，在使用前由Ar等离子体轰击处理；当反应室抽至本底真空度高于1×10–4Pa后，通入Ar-CH4混合气体，沉积过程中气体压强保持在1.0Pa，混合气体中CH4含量（以压强计）为6%；WC薄膜在Ar和CH4的等离子体气氛中生长；生长温度为450–550°C；生长过程中，靶材旋转速率为30转/分钟，衬底旋转速率为40转/分钟。上述制备方法中，石英衬底仅为例举，在实际操作中可选用其它衬底。上述工艺参数为发明人经多次试验确立的，需要严格和精确控制，在发明人的实验中若超出上述工艺参数的范围，则无法制得符合要求的透明导电WC晶态薄膜。本发明的有益效果在于：1）本发明的透明导电WC晶态薄膜，W:C的原子百分比为50.1:49.9~50.7:49.3，非常接近于WC的1:1的化学计量比，且X射线衍射（001）峰为最强峰，薄膜沿c轴择优取向，该WC薄膜具有优异的结晶质量，可具有高性能指标。2）本发明的透明导电WC晶态薄膜可见光透射率高于89%，电阻率低于7.6×10–4Ωcm，性能优异，可在发光二极管、太阳能电池、透明显示、集成电路等诸多微电子和光电子领域获得应用。3）本发明的透明导电晶态WC薄膜，显微硬度高于23GPa，是一种兼具透明导电和硬质合金两方面性能的功能薄膜，以透明导电晶态WC薄膜为功能层所制备的器件，具有良好的耐磨和耐蚀特性，从而可拓展微电子和光电子器件在恶劣环境中的应用。4）本发明所采用的磁控溅射方法，广泛应用于各工业领域，具有较低的沉积温度和较高的沉积速率，所形成的薄膜致密，且厚度可控，磁控溅射方法工艺参数可控性强，可实现透明导电WC晶态薄膜结构和光电性能的有效调控。5）本发明所提供的制备方法工艺简单，制作成本低，易于操作，可实现大规模应用和产业化。附图说明图1为实施例1制得的透明导电WC晶态薄膜的X射线衍射（XRD）曲线。具体实施方式以下结合附图及具体实施例进一步说明本发明。实施例1：采用射频磁控溅射方法，以高纯WC合金为靶材，Ar-CH4为工作气体；以石英为衬底，在使用前由Ar等离子体轰击处理；当反应室抽至本底真空度高于1×10–4Pa后，通入Ar-CH4混合气体，沉积过程中气体压强保持在1.0Pa，混合气体中CH4含量（以压强计）为6%；WC薄膜在Ar和CH4的等离子体气氛中生长；生长温度为500°C；生长过程中，靶材旋转速率为30转/分钟，衬底旋转速率为40转/分钟。对制得的WC薄膜进行XRD、X射线能谱（EDX）、紫外-可见光分光光谱、Hall及显微硬度测试，测试结果为：如附图1为该实施例制得的WC薄膜的XRD图，出现三个衍射峰，分别对应WC的（001）、（100）和（101）峰，无其它相的衍射峰，所得的WC薄膜为单一的六方相结构，其中（001）峰为最强峰，薄膜沿c轴择优取向；附表1给出了各实施例制得的WC薄膜的可见光透射率、电阻率、组分含量和显微硬度的数值，本实施例制得的WC薄膜可见光透射率89.6%，电阻率7.1×10–4Ωcm，薄膜中的W:C的原子百分比为50.4:49.6，显微硬度24GPa。实施例2：采用射频磁控溅射方法，以高纯WC合金为靶材，Ar-CH4为工作气体；以石英为衬底，在使用前由Ar等离子体轰击处理；当反应室抽至本底真空度高于1×10–4Pa后，通入Ar-CH4混合气体，沉积过程中气体压强保持在1.0Pa，混合气体中CH4含量（以压强计）为6%；WC薄膜在Ar和CH4的等离子体气氛中生长；生长温度为450°C；生长过程中，靶材旋转速率为30转/分钟，衬底旋转速率为40转/分钟。对制得的WC薄膜进行XRD、X射线能谱（EDX）、紫外-可见光分光光谱、Hall及显微硬度测试，测试结果为：该实施例制得的WC薄膜为晶态薄膜，具有单一的六方相结构，X射线衍射（001）峰为最强峰，薄膜沿c轴择优取向；表1给出了各实施例制得的WC薄膜的可见光透射率、电阻率、组分含量和显微硬度的数值，本实施例的制得的WC薄膜可见光透射率90%，电阻率7.6×10–4Ωcm，薄膜中的W:C的原子百分比为50.1:49.9，显微硬度25GPa。实施例3：采用射频磁控溅射方法，以高纯WC合金为靶材，Ar-CH4为工作气体；以石英为衬底，在使用前由Ar等离子体轰击处理；当反应室抽至本底真空度高于1×10–4Pa后，通入Ar-CH4混合气体，沉积过程中气体压强保持在1.0Pa，混合气体中CH4含量（以压强计）为6%；WC薄膜在Ar和CH4的等离子体气氛中生长；生长温度为550°C；生长过程中，靶材旋转速率为30转/分钟，衬底旋转速率为40转/分钟。对制得的WC薄膜进行XRD、X射线能谱（EDX）、紫外-可见光分光光谱、Hall及显微硬度测试，测试结果为：该实施例制得的WC薄膜为晶态薄膜，具有单一的六方相结构，X射线衍射（001）峰为最强峰，薄膜沿c轴择优取向；表1给出了各实施例制得的WC薄膜的可见光透射率、电阻率、组分含量和显微硬度的数值，本实施例制得的WC薄膜可见光透射率89%，电阻率6.9×10–4Ωcm，薄膜中的W:C的原子百分比为50.7:49.3，显微硬度23GPa。表1可见光透射率电阻率W:C原子百分比显微硬度实施例189.6%7.1×10–4Ωcm50.4:49.624GPa实施例290%7.6×10–4Ωcm50.1:49.925GPa实施例389%6.9×10–4Ωcm50.7:49.323GPa当前第1页1 2 3