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本研究通过优化直流磁控溅射参数，采用Mayadas-Shatzkes模型定量分析钼薄膜晶界反射系数，确定最佳溅射压力为0.30 Pa。该压力下薄膜具有最低反射系数（0.6552）、最优电阻率（1.10×10^-5 Ω·cm）、硬度提升13.03 GPa、残余应力降低219.44 MPa，显著增强柔性TFT的机械拉伸性和电稳定性。
高雅娜|杨康|郑拓|彭聪|周星耀|凌晓|李锡峰|张建华
教育部先进显示与系统应用重点实验室，上海大学，上海200072，中国
摘要
本研究探讨了通过直流磁控溅射技术优化钼薄膜，用于制造柔性低温多晶硅薄膜晶体管（TFT）。采用Mayadas-Shatzkes模型得出的晶界反射系数作为定量描述指标，以指导工艺优化。系统分析了溅射压力（从0.20 Pa到0.40 Pa）对薄膜微观结构、电性能和机械耐久性的影响。结果表明，在0.30 Pa压力下沉积的钼薄膜具有最低的反射系数（0.6552）、最佳的电阻率（1.10 × 10^-5 Ω·cm）、较高的硬度（13.03 GPa）以及较低的残余应力（219.44 MPa）。相应的薄膜晶体管表现出优异的机械延展性，平均临界失效应变为3.61%；在2%应变下阈值电压偏移仅为0.12 V；并且在3600秒后负偏压应力稳定性得到提升，阈值电压偏移为-0.58 V。模拟结果显示背板内的应力分布较为均匀。这项工作提供了一种基于微观结构的策略，以提高柔性显示器的机械和电性能，从而支持高产量、大面积的应用。
引言
由于柔性显示器具有可穿戴、轻便和舒适的特点[1]、[2]、[3]、[4]，它们已被广泛应用于人机交互智能设备中，如折叠手机、智能手环和平板电脑。然而，值得注意的是，在实际使用过程中，由于反复折叠，柔性显示器会受到弯曲和拉伸应力的影响，这容易导致机械变形，并进而产生显示缺陷[3]、[5]、[6]、[7]。因此，为了满足智能设备多场景应用的需求，对柔性显示器中每个组件的机械耐久性提出了严格要求，尤其是对作为显示背板核心的薄膜晶体管（TFT）而言[8]、[9]、[10]、[11]。研究表明，TFT在弯曲应力下的失效机制极其复杂[3]、[10]、[12]、[13]。通常，环境中的水分和氧气会通过裂纹渗透到活性层，引发介电层/通道界面的吸附或电化学反应，从而导致设备性能下降[14]、[15]。这具体表现为柔性显示面板出现不均匀性或故障。因此，抑制裂纹的产生对于提高柔性显示器的机械耐久性至关重要。
在TFT器件的功能层中，钼（Mo）的杨氏模量明显高于Si3N4、SiO2和多晶硅[14]、[16]、[17]。因此，在器件拉伸过程中，钼承受了较大的应力，其高脆性进一步促进了裂纹沿晶界的快速扩展。因此，改善钼薄膜的机械性能被认为是提高柔性显示器可靠性的有效方法。通过溅射沉积的钼薄膜通常呈现垂直柱状晶粒结构，晶界垂直于基底延伸。钼的断裂抗力不是由平均晶粒强度决定的，而是由最弱的晶界决定的[18]。因此，优化薄膜性能需要精确控制晶界质量。传统的工艺优化依赖于电阻率和粗糙度等宏观参数的调整，但缺乏将钼的微观晶界质量与其宏观机械性能直接关联的定量描述[14]、[15]、[19]、[20]。为了解决这个问题，研究人员提出了Mayadas-Shatzkes（M-S）模型[21]、[22]、[23]、[24]。该模型通过晶界反射系数（R）定量描述了电子在晶界的散射情况。较低的R值表示较少的电子散射中心，即较低的晶界缺陷密度和较高的整体界面质量[21]、[22]。与电阻率相比，晶界反射系数能更准确地反映晶界的本质特性，因为电阻率是一个受晶粒尺寸和晶界质量共同影响的复合参数。通过分离晶界散射的贡献，R提供了一种更纯粹的微观结构测量方法，可以将微观结构与电性能和机械性能联系起来[23]、[24]。因此，M-S模型中的反射系数可以作为定量微观结构描述指标，有效桥梁工艺条件、微观晶界质量和宏观机械性能之间的关系。
在本研究中，我们讨论了溅射沉积过程对钼薄膜的影响，并采用M-S模型得出的反射系数作为定量微观结构描述指标来指导钼薄膜沉积的优化。同时，我们分析了沉积过程对TFT器件电性能和稳定性的影响，并在柔性显示面板的像素上进行了验证。这项研究为提高大面积柔性显示器的产量提供了宝贵的理论参考。
实验部分
实验
使用直流磁控溅射技术在（110）晶面的硅片上沉积钼薄膜。为减少杂质的影响，保持基底压力低于5 × 10^-4 Pa。由于较高的基底压力已被证明会增加钼薄膜的电阻率和表面粗糙度，因此首先将溅射功率密度设定为4.2 W/cm^2，然后分别设定溅射压力为0.40 Pa、0.35 Pa、0.30 Pa、0.25 Pa和0.20 Pa。
钼薄膜的结构性能
XRD分析提供了关于晶体学变化和晶粒尺寸的定量数据。如图1所示，衍射图谱呈现一系列清晰、定义明确的布拉格峰。观察到的衍射峰与体心立方结构的钼（ICDD PDF 42–1120）相对应，主要来自（110）晶面。将相对峰强度与标准参考图谱进行比较，发现（110）晶面的反射强度显著增强。
结论
本研究通过将M-S模型与工艺工程相结合，建立了一种优化柔性TFT用钼薄膜的可行方法。溅射压力显著影响了钼薄膜的晶界质量、残余应力以及器件的最终性能。最佳溅射压力为0.30 Pa，此时钼薄膜的晶界缺陷最少，反射系数最低，从而提高了TFT的机械耐久性和电稳定性。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（2024YFB3612103）和国家自然科学基金（62304128、U22A6002、62174105）的支持。
