一種製備高度C軸取向的ScAlN薄膜的工藝的製作方法

2023-04-26 20:34:46 1

本發明涉及製備一種scaln薄膜的製備工藝，即使用射頻磁控濺射製備高c軸取向scaln薄膜的工藝及其優化。
背景技術：
：由磁電複合材料研製的磁場傳感器具有很高的靈敏度且體積很小，適應於微型化器件的趨勢，可以應用於地球物理、國防軍事以及生物醫療等眾多領域。近年來提出的多種結合磁電複合材料、聲表面波技術或者聲體波技術的傳感器結構，可以使傳感器在實現高靈敏度時，同時應用於dc和寬頻ac磁場探測，滿足了應用的要求。為了得到性能更加優異的磁場傳感器。在此結構中的的壓電薄膜成為了一個研究熱點，aln作為ⅲa族半導體氮化物，具有高彈性係數、低介電常數、高居裡溫度、高聲速等優點被作為上述結構中的壓電薄膜而研究，但是其壓電係數相比於zno和pzt來說相對較低。研究者對aln薄膜中摻雜sc元素使得其壓電係數相對於純aln薄膜提高了400％，同時還保留了aln薄膜的其他優越特性，使scaln薄膜被認為極具潛力成為最優的壓電薄膜。然而目前製備scaln薄膜的工藝大多數採用dc磁控濺射，製備過程中需要加熱到300攝氏度以上的高溫，通常製備時間在1小時以上，對於傳感器器件多層結構的襯底有著很大的限制，在高溫下製備壓電薄膜，要求襯底材料需要具有很好的耐高溫性能，這大大減少了襯底材料的選擇區間，同時製備薄膜的同時需要較高的功率和較好的真空空間，隨著製備薄膜的期間需要真空系統和濺射源的能量供給，製備薄膜的時間越長，其消耗的能量越多，在工業製備過程中就需要耗費巨大的能源，即不利於產業化生產，因此改進位備工藝對於後續製備多層結構的磁場傳感器製備有很重要的意義。技術實現要素：本發明的目的是在現有工藝的不足的基礎上，提出一種製備高度c軸取向的scaln薄膜的製備的工藝，能夠解決在製備高度c軸取向的scaln薄膜過程中，引入加溫對於襯底的要求和影響，拓寬了可以應用於多層結構傳感器製備的材料範圍，引入對襯底的氮化處理，可以將製備薄膜的工藝條件進一步的拓寬，在製備相同的高取向度的薄膜的目的下，製備的工藝對於設備的要求降低，對於製備技術的應用有積極作用。本發明的技術方案如下：步驟1：將si(100)基片，在常溫常壓下清洗並高純氬氣(99.999％)吹乾備用。步驟2：靶材採用貼片方式實現，將sc靶用銀漿對稱的粘貼於al靶的濺射軌道上，根據製備的sc含量的不同，粘貼的sc靶的數量和尺寸不同。步驟3：將步驟1處理完成的si襯底放入真空濺射室，在真空條件下使用rf磁控濺射方式濺射sc摻雜aln薄膜，靶材為步驟2所處理完成的複合靶材，通入一定流量比的高純氮氣和高純氬氣的混合氣體，在背底氣壓≤1×10-4pa，濺射功率為280w，濺射氣體為n2:ar＝1:4(流量比)，濺射氣壓為0.11pa的條件下濺射15分鐘。步驟4：使用pecvd方式在步驟1處理完成的si基片表面形成si3n4層，製備條件為如下：功率值為60w，壓強值為400mt，製備溫度300℃，氣體通入量為si/ar流量和n2流量分別為：250scccm和200sccm，製備時間為100s。步驟5：在氮化處理後的si襯底上濺射製備scaln薄膜：在步驟4處理完成後的si基片上製備薄膜，在背底氣壓≤1×10-4pa，濺射氣體為n2:ar＝1:4(流量比)，濺射氣壓0.11pa的條件下濺射15分鐘。以下對本發明進行進一步的說明上述步驟2中根據sc貼片為0、2、3、4、6、8的條件製備得到的scaln薄膜中的sc的相對原子含量為0、7.45％、11.45％、14.49％、21.50％、28.87％。上述步驟3中的濺射方式採用rf磁控濺射。本發明在si(100)上製備高度c軸取向的scaln薄膜，在室溫條件下採用rf磁控濺射方式製備sc相對原子含量可調的scaln薄膜。本發明的有益效果為：(1)本發明採用室溫條件下rf磁控濺射製備scaln薄膜，避免了製備薄膜前對於基片的預加熱對於基片材料的影響，同時省去加熱和降溫基片的時間，簡化實驗操作，節約能量。(2)本發明製備的scaln薄膜含量可調，可以根據具體的需求製備所需的含量的薄膜，而不需要跟換不同含量的合金靶材，減少了實驗原料的浪費。(3)本發明在真空條件下製備所得的薄膜，只要在工作氣壓和濺射功率等穩定的情況下，薄膜的沉積速率穩定，因此製備的薄膜均勻。(4)本發明可以使用氮化處理基片使得基片表面的n聚集，有利於後續scaln薄膜的生長。(5)本發明採用的濺射方式下，製備厚度為600nm的薄膜，只需要15min，減少了濺射薄膜的時間，節省了能量。(6)本發明在襯底的氮化處理之後，將製備scaln薄膜的工藝條件放寬，降低了製備高取向度scaln薄膜的難度。附圖說明圖1為濺射使用靶材的平面圖圖2為sc靶在al靶上貼片數對應於薄膜中不同的sc相對原子含量圖圖3為製備的scaln薄膜的sem圖圖4為製備的scaln薄膜的afm圖圖5為濺射功率為285w條件下在si基片(a)和si3n4/si基片(b)上製備的scaln薄膜的xrd圖圖6為濺射功率為260w條件下在si基片(a)和si3n4/si基片(b)上製備的scaln薄膜的xrd圖具體實施方式產品與用途：製備具有高度c軸取向的scaln薄膜，應用於磁電複合材料組成的磁場傳感器中。下面結合附圖和實施例，詳述本發明的技術方案。實施例一本實施例中的工藝步驟如下：步驟1：以si(100)作為襯底，在室溫常壓下首先將襯底浸泡在濃硫酸和雙氧水的混合液體(液體容積比h2so4：h2o2＝1：1)中30分鐘去除表面頑固汙漬，然後將襯底放入丙酮中超聲清洗20分鐘，在酒精中超聲清洗10分鐘去除表面有機汙染物，最後使用高純氬氣吹乾放入濺射室備用。步驟2：將直徑φ＝75mm的al靶(99.999％)和直徑φ8mm的sc靶(99.999％)表面用1000目的砂紙打磨至表面光亮，用酒精清洗表面汙漬，使用高純氮氣吹乾，將al靶的濺射軌道平分為四個區域，將4片sc靶的一面塗抹銀漿粘貼至al靶的濺射軌道上，sc靶對稱的固定在al靶表面，複合靶材平面圖如圖1。使用此複合靶材製備不同含量的scaln薄膜中sc的相對原子含量與貼片的sc靶材數量的關係如圖2所示。步驟3：scaln薄膜(sc相對原子含量為21.5％)的生長在雙室磁控濺射設備(型號：jpg560，生產企業：中國科學院瀋陽科學儀器股份有限公司)中實現，實驗的背底真空為1*10-4pa：將步驟(1)中處理過的襯底和步驟(2)處理過的靶材放入濺射室中，在真空條件下採用rf磁控濺射法在si襯底上生長scaln薄膜，首先將靶材上方的擋板關閉，將工作氣壓控制在0.5pa，通入流量為28sccm的高純氬氣，採用濺射功率100w，預濺射靶材20分鐘，去除表面汙染物，具體的預濺射工藝參數如下表1表1製備scaln薄膜預濺射靶材條件步驟4：通入流量為16sccm的高純氬氣(純度99.99％)和流量為4sccm的高純氮氣(純度99.99％)的混合氣體作為工作氣體，調節工作氣壓控制在0.11pa，，濺射功率285w，加dc偏壓至-30v，打開靶材上方的擋板，在襯底上生長薄膜15分鐘，ar發生電離生成ar+，在電磁場作用下轟擊靶材，ar+與靶材原子交換能量，當靶材原子能量大於金屬逃逸功時，離開靶材表面，靶材原子與氣體等離子體中的n結合形成二聚物或者在襯底表面與n反應沉積在襯底表面形成scaln薄膜。濺射完成後，製備第二批基片，其他條件保持不變，調節濺射功率為260w，濺射15分鐘。濺射工藝條件如下表3，在濺射功率為285w的條件下，製備的薄膜的xrd如圖5(a)中所示，在濺射功率為260w的條件下，製備的薄膜的xrd如圖5(b)，在兩個條件下製備的scaln薄膜均有良好的c軸取向。表3射頻磁控濺射部分實驗條件背底真空/pa靶基距/mm濺射氣壓/pan2:ar(sccm)dcbias/vt/min1×10-4480.114:16-3015實施例二本實施例中的工藝步驟如下：步驟1：以si(100)作為襯底，襯底的處理方法與實施例一中一致。靶材處理：步驟2：以al靶(99.999％)和sc靶(99.999％)的貼片靶材為濺射靶材，貼片靶材實現與實例一中一致。步驟3：將si(100)基片處理與步驟1中處理一致在基片表面生長一層si3n4層，將處理完成的基片放入pecvd儀器中，表2為設置工藝參數。表2pecvd製備sin部分實驗條件power/wpressure/mtsi/ar/sccmn2/sccmtime/s60400250200100步驟4：將步驟2處理完成的靶材和步驟3製備完成後的si3n4/si基片放入真空腔體中，靶材的預濺射條件和處理方式與實例一中一致，預濺完成之後通入流量為16sccm的高純氬氣(純度99.99％)和流量為4sccm高純氮氣(純度99.99％)的混合氣體作為工作氣體，調節工作氣壓控制在0.11pa，，加dc偏壓至-30v，濺射功率調節285w，濺射15分鐘後將擋板關閉，調節濺射功率調節至260w，將下一批為濺射基片轉至靶材上方，打開擋板，濺射15分鐘，製備的scaln薄膜(sc相對原子含量為21.5％)的xrd如圖6其中圖中(a)濺射功率為285w，(b)濺射功率為260w。圖3為製備得到的scaln薄膜的sem圖，scaln薄膜的織構呈現垂直於基片表面生長的形狀，與圖5和圖6中的xrd結果相吻合，即薄膜呈比較良好的(002)取向。圖4為測試其表面粗糙度，scaln薄膜的afm圖，其表面粗糙度(rms)2.363nm，表面粗糙度較低有利於在其上製備聲表面波器件的叉指電極，對於整個多層聲表面波磁場傳感器的製備有積極意義。圖5為濺射功率為285w條件下在si基片和si3n4/si基片上製備的scaln薄膜的xrd圖，其中圖5(a)為si基片上製備的薄膜，從圖中可以看出，在35.2°處出現了scaln的(002)取向，且沒有其他的雜相，aln薄膜的(002)取向峰應該出現在36°處，本發明中製備的scaln薄膜中sc的相對原子含量達到20％造成了(002)峰出現偏離。在此條件下scaln薄膜(002)取向的峰強度值達到4000，圖5(b)為si3n4/si基片上製備的scaln薄膜，由於在si基片上的氮化處理使得(002)取向的峰強度值增加了600左右，此功率條件下基片表面的n化處理可以增強薄膜的c軸取向。圖6為濺射功率為260w條件下在si基片和si3n4/si基片上製備的scaln薄膜的xrd圖，其中圖6(a)為si基片上製備的薄膜，在相同的功率條件下，氮化處理之後的基片上製備的薄膜(002)取向峰增大700左右，在高功率條件下氮化處理的基片有更有利於scaln薄膜的c軸取向；圖6(b)為濺射功率260w條件下在si3n4/si基片上製備的scaln薄膜，其(002)取向的峰值達到4000，相對於濺射條件相同的si(100)基片上製備的scaln薄膜(002)取向峰值增加了700左右。在si3n4/si(100)基片上，採用濺射功率為260w製備的scaln薄膜與在si(100)基片上採用濺射功率285w製備的scaln薄膜的c軸取向程度一樣，基片的氮化處理有利於scaln薄膜的(002)取向的生長。使用si3n4/si(100)基片製備scaln薄膜可以使得濺射功率較小時達到高功率製備的效果。當前第1頁12