热退火对不同厚度铂薄膜微观结构与电阻率的影响机制研究及其高温稳定性优化

针对Pt薄膜在高温极端环境下易发生去湿(Dewetting)导致结构失效的问题，研究人员通过磁控溅射(Magnetron Sputtering)制备50/200/400 nm厚度Pt膜，系统研究真空/大气环境中773-1273 K退火对微观结构(岛状结构、蛇形纹)和电阻率的影响规律，发现厚度增加可提升抗去湿性，873 K为电阻率转折点，为高温MEMS器件中Pt薄膜的工艺优化提供关键实验依据。

　　

在微电子机械系统(MEMS)领域，铂(Pt)薄膜因其优异的电热性能被广泛应用于微型加热器和传感器。然而当这些器件应用于航空航天或工业高温环境时，Pt薄膜会面临严峻挑战——高温下金属原子迁移会导致薄膜发生去湿(Dewetting)，形成孔洞(Voids)甚至岛状结构(Island-like structures)，最终引发器件失效。更棘手的是，现有研究多局限于单一厚度或环境，对极端条件(如1273 K)下不同厚度薄膜的对比研究仍属空白。

针对这一技术瓶颈，中国科学院的研究团队在《Thin Solid Films》发表重要成果。他们采用直流磁控溅射(DC Magnetron Sputtering)在氮化硅基底上制备50/200/400 nm三种厚度Pt膜(分别标记为Pt-50/Pt-200/Pt-400)，通过真空与大气环境下的梯度退火实验(773-1273 K)，结合X射线衍射(XRD)和电阻率测试，首次系统揭示了厚度-温度-环境三因素协同作用规律。

关键技术包括：磁控溅射薄膜制备(基底温度150°C，靶材距离70 mm)、真空退火(10^-3
Pa)与大气退火对比实验、XRD物相分析、四探针法电阻率测试。

研究结果

1. 真空退火效应
   Pt-50在773 K即出现表面凸起(Bumps)和凹坑(Pits)，973 K时凹坑转化为孔洞，1173 K时形成岛状结构；而Pt-200/Pt-400分别在1173 K才出现孔洞，显示厚度增加显著延缓去湿进程。XRD显示所有样品在(111)晶面出现衍射峰增强，表明退火促进晶粒长大。

2. 大气退火优势
   相同温度下大气环境表现出更好的热稳定性：Pt-200在1073 K才出现孔洞，比真空环境延迟100 K；Pt-400直至1173 K仍保持完整，且在1273 K时仅Pt-50形成蛇形纹结构(Serpentine structure)，厚膜未出现岛状分离。

3. 电阻率双阶段变化
   所有样品在873 K以下因再结晶(Recrystallization)消除晶界(Grain boundaries)和位错(Dislocations)，电阻率下降；超过873 K后，去湿破坏结构连续性导致电阻率回升。Pt-400在1173 K大气退火后电阻率仅升高8%，显著优于薄膜。

结论与意义
该研究首次建立Pt薄膜"厚度-退火参数-性能"的定量关系：400 nm厚膜在1173 K大气环境下仍保持结构稳定，证实增加厚度是抑制去湿的有效策略；发现873 K是电阻率变化的临界温度，为器件工作温度划定安全阈值。这些发现不仅为高温MEMS器件中Pt薄膜的厚度设计提供理论依据(推荐>200 nm)，还优化了磁控溅射工艺参数，对航天器用温度敏感元件的可靠性提升具有重要指导价值。研究揭示的大气环境稳定效应，也为开发新型保护性退火工艺指明方向。