磁控溅射电源类型对过渡金属硫族化合物薄膜形成的影响及其在可扩展器件制造中的意义

本综述系统探讨了磁控溅射中不同电源类型（常规直流DC、射频RF、脉冲直流pulsed DC）对采用WS2等化合物靶材制备的过渡金属硫族化合物（TMD）薄膜化学计量比、结晶性及后续硫化过程的调控机制。研究发现脉冲直流与射频电源通过促进WO2形成显著提升硫掺入效率，而常规直流则导致薄膜降解。研究为TMD薄膜的可控制备提供了关键工艺优化路径。

引言

过渡金属硫族化合物（TMD）作为MX₂型二维材料（M为钨W、钼Mo等过渡金属，X为硫S、硒Se等硫族元素），因其可调能带结构及原子级厚度在场效应晶体管、光电器件及催化等领域展现潜力。当前机械剥离法难以控制层数均匀性，化学气相沉积（CVD）虽可提升均匀性但仍面临层数精确调控挑战。磁控溅射作为成熟沉积技术，具备晶圆级覆盖优势，但使用WS₂等化合物靶材时易因硫优先溅射导致薄膜硫缺失，需通过后续硫化处理修正化学计量比。

实验方法

研究通过磁控溅射系统（本底压力3×10^–8Torr）在SiO₂/Si衬底上沉积WS_x薄膜，对比常规DC、RF及脉冲DC三种电源在固定氩气流量（20 sccm）下的沉积效果。利用卢瑟福背散射谱（RBS）分析硫钨原子比（S/W），X射线光电子能谱（XPS）表征钨化学态（WS₂、WO₂、WO₃），结合光学显微镜（OM）、原子力显微镜（AFM）及拉曼/光致发光（PL）光谱评估薄膜形貌与光学性质。硫化处理在800°C氩氢混合气氛（Ar/H₂=90:10）中进行，持续20分钟。

结果与讨论

化学计量比调控：RBS结果显示脉冲DC电源在50W/10s条件下获得最高S/W比（约1.5），而常规DC电源沉积薄膜未检测到硫信号。使用WSe₂靶材时Se/W比接近1.9，证实硒的高吸附系数有利于化学计量控制。

硫化机制差异：XPS表明硫化前薄膜中钨以WO₃为主（占比超60%），脉冲DC与RF电源沉积薄膜含约20%的WO₂，而常规DC样品WO₂含量不足10%。硫化后脉冲DC与RF样品中WS₂组分占比超90%，且S/W比达2:1；常规DC样品则残留WO₃且表面出现孔洞（约占面积3%）。

形貌与结晶性：OM显示脉冲DC样品硫化后形成均匀连续薄膜，而常规DC样品存在边缘降解。PL光谱在1.97eV处出现单层/少层WS₂特征峰，AFM测得其厚度约1.4nm（对应双层结构）。掠入射X射线衍射（GIXRD）显示多晶畴尺寸约3.5–7nm，证实硫化后形成纳米晶WS₂。2薄膜的拉曼与PL光谱">

结论

电源类型通过调控沉积薄膜中WO₂/WO₃比例直接影响硫化效率：脉冲DC与RF电源促进WO₂生成，其低挥发性保障硫化过程中钨物种稳定存在，最终形成化学计量可控、均匀性良好的WS₂薄膜。该研究为TMD薄膜的规模化制备提供了电源选型与工艺优化的重要依据。