对组合Pt-Ni薄膜进行高通量表征，揭示了多功能设计方案以及放大代表性样品的途径

《Surface and Coatings Technology》：High-throughput characterization of combinatorial Pt-Ni films reveals multi-functional designs and a path to upscaling exemplars

　　

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  对Pt-Ni二元薄膜体系进行了广泛的组合式研究。
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  高通量表征评估了力学和电学性能。
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  蒙特卡洛模拟评估了溅射沉积的原子层面机制。
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  揭示了薄膜的工艺-结构-性能关系。
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  将小面积示例薄膜放大至均匀覆盖150毫米直径晶圆。

引言

机械可靠的电接触需要具备高硬度，以抵抗磨损和咬合，且不会产生显著的摩擦损耗。在金属薄膜方面，其硬度与结构和成分密切相关。气相沉积涂层的强化通常通过晶界（GB）效应抑制位错在材料中的运动来实现[1]、[2]、[3]、[4]、[5]，固溶/析出强化[6]、[7]，成分调制[8]、[9]以及薄膜厚度效应[10]、[11]。摩擦学性能也会受到薄膜内部结构和成分变化的影响[12]。摩擦系数和磨损率通常受这些因素[5]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]以及表面粗糙度[18]、[19]和通过氧化物和/或摩擦化学反应形成润滑性界面层（即摩擦膜形成）的周围环境[5]、[20]、[21]、[22]的影响。

在某些应用中，电接触必须在高温下工作[23]。热应力带来了挑战，因为温度升高可增加原子的迁移率，改变结构，甚至诱发剥离。为此，工程师们不断探索改进的设计方案和可靠的制造工艺，以稳定机械涂层，用于不同的应用。向薄膜中添加不同的化学物种通常被认为可以改善热稳定性，我们的研究在此基础上展开。某些添加物种可能减缓互扩散，抑制晶界运动，或改变与结构相关的 Thermodynamics，从而使薄膜在高温下保持稳定[24]、[25]、[26]。

在本研究中，我们广泛研究了PtNi二元体系，探讨其作为硬且电导电涂层的潜在用途。与硬质金[27]及新兴PtAu合金相比[5]、[9]、[17]、[20]，该体系在成本方面具有实际优势。气相沉积纳米晶PtNi薄膜此前已有报道[28]、[29]、[30]，可通过溅射沉积制备，该工艺能够控制重要的工艺参数[31]、[32]。研究表明，PtNi薄膜具有低接触电阻率，且由于固溶体的形成而具有良好的微观结构稳定性[33]。晶界偏析的独立预测进一步指出，溶质可能在晶界处富集，从而增强微观结构稳定性[26]、[34]。此外，PtNi被认为是一种可行的摩擦学薄膜，可因碳质摩擦膜的形成而表现出低摩擦系数[5]。还考虑到Ni的掺入可能促使表面形成NiO（苯生矿），这是一种已知的干润滑剂[35]、[36]。

我们利用组合式溅射技术和高通量表征，研究了一个广泛的工艺参数空间，涵盖不同的薄膜成分和密度。主要评估了电学和力学性能，重点关注电阻率、硬度和稳态摩擦系数。我们通过结合组合式沉积、沉积原子层面蒙特卡洛模拟和薄膜结构测量，确定影响薄膜性能的关键因素。最后，我们尝试将组合式研究中确定的示例薄膜放大制备至更大面积上，均匀覆盖。对其电学和力学性能进行测试，并与小面积组合薄膜进行比较，以评估我们放大方法的可行性。还描述了这种多功能大面积涂层的热稳定性。

章节摘要

组合薄膜制备

设计了六组共沉积实验，以覆盖广泛的成分和沉积能量范围。实验从光刻图案化本征150毫米直径Si(100)衬底开始。每个衬底有112个1×1 cm²样品区域，以晶圆平边为基准进行标记，如图1a所示。图案化使用AZ 5214光刻胶、ACS200涂胶机和MA6手动对准器完成。衬底准备通过O₂等离子清洗完成，清洗时间为150秒，压力为120 Pa（0.9 Torr），功率为200 W，以去除残留

结果：组合PtNi薄膜的原子层面、性能和结构

SIMTRA模拟结果以热力图形式显示在图2中，与实验WDS测量结果一并展示。图中顶部展示了共沉积几何构型的俯视图，包括Ni和Pt源的位置及其功率和角度。这些图中的主晶圆平边与热力图中的对齐，以便于查看。前两行数据显示了横向分级成分。注意，仅在

组合薄膜的工艺-结构-性能关系

与传统的一次一种方法相比，组合式沉积在短时间内制备了各种Pt_xNi_1-x薄膜。所实施的组合方法在约半小时的沉积中同时制备了超过100种不同的薄膜，而使用标准方法完成此任务则需要数周时间。高通量表征进一步生成了大量数据，可用于挖掘有用的工艺-结构-性能关系并确定示例

结论

本研究采用的组合方法仅通过6次沉积就制备了672种共沉积PtNi薄膜，形成了多样化的数据集，使得对有意义的工艺-结构-性能关系的探究成为可能。工艺气体压力的影响通过溅射原子的入射动能增加和可能的入射角效应与密度相关联，这些效应在整个成分空间中均被观测到。低工艺气体压力产生了接近理论完全密度的致密薄膜

CRediT作者贡献声明

Kyle R. Dorman：撰写-初稿、可视化、软件、调查、数据整理。Mark A. Rodriguez：撰写-审阅与编辑、形式分析。Tomas F. Babuska：撰写-审阅与编辑、调查。Christian Harris：调查。Finley Haines：撰写-审阅与编辑、调查。Heekwon Lee：调查。Manish Jain：调查。Ping Lu：撰写-审阅与编辑、可视化、调查。Brad L. Boyce：监督、资金获取。John F. Curry：

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

作者感谢K. Ringler、C. Sobzcak、S. Weatherred、P. Finnegan、T. Bennet和L. Jauregui在实验中的技术支持，感谢N. Bianco在模拟方面的帮助，感谢R. Dingreville和A. Mings的讨论与建议。K.R. Dorman、H. Lee、M. Jain和B.L. Boyce得到美国能源部基础能源科学办公室及材料科学与工程系的资助。其余作者及部分K.R. Dorman的工作通过实验室

Kyle R. Dorman|Mark A. Rodriguez|Tomas F. Babuska|Christian Harris|Finley Haines|Heekwon Lee|Manish Jain|Ping Lu|Brad L. Boyce|John F. Curry|David P. Adams