一種高取向AlN薄膜的製備方法

2023-12-03 09:56:41

專利名稱：一種高取向AlN薄膜的製備方法
技術領域：
本發明涉及AlN薄膜，特指一種高取向AlN薄膜的製備方法。
背景技術：
氮化鋁(AlN)材料具有電子漂移飽和速率高、熱導率高、介質擊穿強度高等優異特性，使其在高頻、高溫、高壓電子器件領域有著巨大的應用潛力，可用於製備高頻表面波器件，特別適合於製作聲波傳感器、G赫茲頻 帶SAW器件和BAW器件。近幾年，高取向度AlN薄膜生長技術的研究受到了人們的高度重視，並且已經取得了較滿意的成果，但是這些方法絕大多數都是在高溫下進行的，目前亟待解決的難題是如何在較低的襯底溫度下製備高取向度薄膜。與一般的AlN薄膜相比，高取向AlN薄膜具有許多優異的性能，例如，沿C軸取向的AlN具有非常好的壓電性和聲表面波高速傳輸性。同時，不同晶面擇優取向的AlN薄膜物理化學性質不同，其表面狀態、負電子親和性、壓電應力係數均依賴於晶面取向，如AlN薄膜a軸、c軸表面聲波傳輸速度分別為5500m/s、11354m/s。經對現有文獻的檢索發現，Gustavo Sanchez B在其2009年的論文《Microstructure and mechanical properties of AlN films obtained by plasmaenhanced chemical vapor deposition》中提到在300°C以下的襯底溫度下,所製得的薄膜大多為非晶態；而在達到700°C襯底溫度及較長的時間時才能夠沉積〈0001〉面擇優取向並且性能良好的的AlN薄膜。

發明內容
為解決高取向度AlN薄膜現有製備方法中存在的上述不足，本發明提供了一種高取向度AlN薄膜的製備方法，能夠在較低溫度下製備出高取向的AlN薄膜。本發明採用的技術方案如下一種高取向AlN薄膜的製備方法，包括襯底Si (100)基片的準備和AlN薄膜的沉積，所述Si (100)基片的準備步驟為JtSi(IOO)基片進行表面拋光處理後再進行清洗(I)用HF和蒸餾水體積比為1:10的溶液浸泡20分鐘，以便去除矽表面粘附的氧化物，(2)放入分析純丙酮溶液中超聲清洗30分鐘，除去表面有機物，
(3)放入分析純酒精溶液中超聲清洗30分鐘，(4)用去離子水超聲清洗15分鐘，(5)在高純氮氣中吹乾後備用；所述AlN薄膜的沉積步驟為在控制櫃打開電源開關，輸入雷射器所需參數，安裝靶材，然後將固定好基片的襯底託放在生長室樣品臺上，調整靶材與基片距離到50mm，關閉活開門後，將生長室抽成10_4Pa高真空，然後往生長室內通入氮氣達到恆定壓強，壓強的範圍為0-100Pa，此時設定一個溫度值並開始加溫，溫度值範圍為室溫-800°C，待溫度不再波動到達設定數值後，設置各個實驗參數，靶的自轉速度為10轉/min，襯底的自轉速度為5轉/min，調整合適的雷射光斑入射位置，設置脈衝雷射能量密度為0. 77-1. 60 J/cm2，重複頻率設為5Hz，在開始進行薄膜沉積前，用擋板擋住襯底，對靶材用雷射轟擊十分鐘，以去掉表面的雜質氧化層，拿掉擋板，開始薄膜生長，時間為90min。本發明製備方法的有益效果主要體現在(1)本發明能在較低溫度下製備出高取向的AlN薄膜濺射粒子到達基底後，只有動能適當，才有利於原子在薄膜表面的擴散生成相對平整、光滑的薄膜，而隨著入射粒子動能的增加，原子在基底表面的遷徙速率增加，力口速了離子間的結合，更容易形成自由能較低的大顆粒，使得薄膜表面粗糙度增加，本發明採用較低的能量密度範圍(O. 77-1. 6 J/cm2),使得所製備的AlN薄膜在擁有高取向度的同時擁有較為平整光滑的表面；另外所用雷射器的單個脈衝能量較高，因此輻照靶材所形成的等離子體能量也較高，從而更易於結晶成膜。(2)製備高取向AlN薄膜的襯底溫度範圍廣，從室溫到800°C均能達到較高的取向度。(3)製備的高取向AlN薄膜尺寸及形貌可控。


圖1是本發明高取向AlN薄膜製備過程示意圖。
圖2是不同襯底溫度下AlN薄膜的SEM圖譜。(a)常溫；(b) 200°C ； (C) 500°C ；(d) 800。。。圖3是不同襯底溫度下製備的AlN薄膜的XRD圖。
具體實施例方式下面結合具體方式對本發明進行進一步描述。本發明的整個製備過程如圖1所示。實施例1
原材料=Si (100)基片；高純AlN靶(純度99. 999%，質量分數)。步驟1:Si (100)基片襯底的清洗對Si (100)基片進行表面拋光處理後再進行清洗，(I)用HF、蒸餾水體積比為1:10的溶液浸泡20分鐘，以便去除矽表面粘附的氧化物，(2)放入分析純丙酮溶液中超聲清洗30分鐘，除去表面有機物，(3)放入分析純酒精溶液中超聲清洗30分鐘，(4)用去離子水超聲清洗15分鐘，(5)在高純氮氣中吹乾後備用。步驟2 :採用脈衝雷射沉積技術將AlN沉積在Si(IOO)基片上，高純AlN(純度99. 999%，質量分數)作為靶材放置在靶託上，Si(IOO)基片放置在襯底託上，然後將固定好基片的襯底託放在生長室樣品臺上，調整靶材與基片距離到50mm，關閉活開門後，將生長室抽成10_4 Pa高真空，然後往生長室內通入氮氣達到恆定壓強，為5Pa，此時設定溫度為500°C並開始加溫，待溫度不再波動到達設定數值後，設置各個實驗參數，靶的自轉速度為10轉/min，襯底的自轉速度為5轉/min，調整合適的雷射光斑入射位置，設置脈衝雷射能量為1. 17 J/cm2，重複頻率設為5Hz，在開始進行薄膜沉積前，用擋板擋住襯底，對靶材用雷射轟擊十分鐘，以去掉表面的雜質氧化層，拿掉擋板，開始薄膜生長，時間為90min。實施例2
原材料=Si (100)基片；高純AlN靶(純度99. 999%，質量分數)。步驟1:Si (100)基片襯底的清洗對Si (100)基片進行表面拋光處理後再進行清洗，(I)用HF、蒸餾水體積比為1:10的溶液浸泡20分鐘，以便去除矽表面粘附的氧化物，(2)放入分析純丙酮溶液中超聲清洗30分鐘，除去表面有機物，(3)放入分析純酒精溶液中超聲清洗30分鐘，(4)用去離子水超聲清洗15分鐘，(5)在高純氮氣中吹乾後備用。步驟2 :採用脈衝雷射沉積技術將AlN沉積在Si(IOO)基片上，高純AlN(純度99. 999%，質量分數)作為靶材放置在靶託上，Si(IOO)基片放置在襯底託上，然後將固定好基片的襯底託放在生長室樣品臺上，調整靶材與基片距離到50mm，關閉活開門後，將生長室抽成10_4 Pa高真空，然後往生長室內通入氮氣達到恆定壓強，為10Pa，此時設定溫度為100°C並開始加溫，待溫度不再波動到達設定數值後，設置各個實驗參數，靶的自轉速度為10轉/min，襯底的自轉速度為5轉/min，調整合適的雷射光斑入射位置，設置脈衝雷射能量為O. 77 J/cm2，重複頻率設為5Hz，在開始進行薄膜沉積前，用擋板擋住襯底，對靶材用雷射轟擊十分鐘，以去掉表面的雜質氧化層，拿掉擋板，開始薄膜生長，時間為90min。實施例3
原材料Si (100)基片；高純AlN靶(純度99. 999%，質量分數)。步驟1:Si (100)基片襯底的清洗對Si (100)基片進行表面拋光處理後再進行清洗，(I)用HF、蒸餾水體積比為1:10的溶液浸泡20分鐘，以便去除矽表面粘附的氧化物，
(2)放入分析純丙酮溶液中超聲清洗30分鐘，除去表面有機物，(3)放入分析純酒精溶液中超聲清洗30分鐘，(4)用去離子水超聲清洗15分鐘，(5)在高純氮氣中吹乾後備用。步驟2 :採用脈衝雷射沉積技術將AlN沉積在Si (100)基片上，高純AlN(純度99. 999%，質量分數)作為靶材放置在靶託上，Si(IOO)基片放置在襯底託上，然後將固定好基片的襯底託放在生長室樣品臺上，調整靶材與基片距離到50mm，關閉活開門後，將生長室抽成10_4 Pa高真空，然後往生長室內通入氮氣達到恆定壓強，為30Pa，此時設定溫度為200°C並開始加溫，待溫度不再波動到達設定數值後，設置各個實驗參數，靶的自轉速度為10轉/min，襯底的自轉速度為5轉/min，調整合適的雷射光斑入射位置，設置脈衝雷射能量為O. 93 J/cm2,重複頻率設為5Hz，在開始進行薄膜沉積前，用擋板擋住襯底，對靶材用雷射轟擊十分鐘，以去掉表面的雜質氧化層，拿掉擋板，開始薄膜生長，時間為90min。實施例4
原材料=Si (100)基片；高純AlN靶(純度99. 999%，質量分數)。步驟1:Si (100)基片襯底的清洗對Si (100)基片進行表面拋光處理後再進行清洗，(I)用HF、蒸餾水體積比為1:10的溶液浸泡20分鐘，以便去除矽表面粘附的氧化物，
(2)放入分析純丙酮溶液中超聲清洗30分鐘，除去表面有機物，(3)放入分析純酒精溶液中超聲清洗30分鐘，(4)用去離子水超聲清洗15分鐘，(5)在高純氮氣中吹乾後備用。步驟2 :採用脈衝雷射沉積技術將AlN沉積在Si (100)基片上，高純AlN(純度99. 999%，質量分數)作為靶材放置在靶託上，Si(IOO)基片放置在襯底託上，然後將固定好基片的襯底託放在生長室樣品臺上，調整靶材與基片距離到50mm，關閉活開門後，將生長室抽成10_4 Pa高真空，然後往生長室內通入氮氣達到恆定壓強，為2Pa，此時設定溫度為600°C並開始加溫，待溫度不再波動到達設定數值後，設置各個實驗參數，靶的自轉速度為10轉/min，襯底的自轉速度為5轉/min，調整合適的雷射光斑入射位置，設置脈衝雷射能量為1. 37 J/cm2，重複頻率設為5Hz，在開始進行薄膜沉積前，用擋板擋住襯底，對靶材用雷射轟擊十分鐘，以去掉表面的雜質氧化層，拿掉擋板，開始薄膜生長，時間為90min。實施例5
原材料=Si (100)基片；高純AlN靶(純度99. 999%，質量分數)。步驟1:Si (100)基片襯底的清洗對Si (100)基片進行表面拋光處理後再進行清洗，(I)用HF、蒸餾水體積比為1:10的溶液浸泡20分鐘，以便去除矽表面粘附的氧化物，
(2)放入分析純丙酮溶液中超聲清洗30分鐘，除去表面有機物，(3)放入分析純酒精溶液中超聲清洗30分鐘，(4)用去離子水超聲清洗15分鐘，(5)在高純氮氣中吹乾後備用。步驟2 :採用脈衝雷射沉積技術將AlN沉積在Si (100)基片上，高純AlN(純度99. 999%，質量分數)作為靶材放置在靶託上，Si(IOO)基片放置在襯底託上，然後將固定好基片的襯底託放在生長室樣品臺上，調整靶材與基片距離到50mm，關閉活開門後，將生長室抽成10_4 Pa高真空，然後往生長室內通入氮氣達到恆定壓強，為40Pa，此時設定溫度為300°C並開始加溫，待溫度不再波動到達設定數值後，設置各個實驗參數，靶的自轉速度為10轉/min，襯底的自轉速度為5轉/min，調整合適的雷射光斑入射位置，設置脈衝雷射能量為O. 85 J/cm2,重複頻率設為5Hz，在開始進行薄膜沉積前，用擋板擋住襯底，對靶材用雷射轟擊十分鐘，以去掉表面的雜質氧化層，拿掉擋板，開始薄膜生長，時間為90min。AlN薄膜的形貌觀察在掃描電子顯微鏡(SEM)上進行。AlN薄膜的晶體取向用X射線衍射儀進行表徵。 圖2是襯底溫度分別為室溫、200°C、500°C和800°C時所製得的AlN薄膜的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。從圖中我們可以看出隨著襯底溫度的增加，薄膜表面粗糙度增加，晶化結構增多，小顆粒逐漸長大形成島狀結構。這是由於襯底溫度將影響等離子體粒子在襯底表面的沉積，溫度越高，需要形成的臨界核心的尺寸就越大，形核的臨界自由能勢壘也越高，因而在高溫時沉積的薄膜首先形成粗大的島狀組織，如圖2d所示，薄膜表面粗糙度較大，在眾多細晶中間有少量島狀大顆粒散落，並且較高的襯底溫度使薄膜粒子更易於結晶成核。在較低溫時，臨界形核自由能下降，形成的核心數目增加，這將有利於形成晶粒細小而連續的薄膜組織，如圖2b和c所示，薄膜表面相對平整光滑，結晶度較高，晶粒較小。而在常溫下，如圖2a所示，小顆粒分布不明顯，結晶度並不高。因此，選擇合理的襯底溫度對於製備較高質量的AlN薄膜是非常必要的。溫度增加了，雖然薄膜的結晶度將增高，但是溫度過高，將有大顆粒出現，影響薄膜表面粗糙度。圖3為不同襯底溫度下AlN薄膜的XRD圖譜。從圖中我們可以看出在室溫下(如樣品a)，在(100)面產生了很弱的衍射峰；隨著對襯底的加熱，出現了(002)面衍射峰，在200°C時，相對於(100)面的衍射峰，(002)面峰值較強，取向佔優；進一步增加襯底溫度後，
(002)面的峰值也隨之增強，(100)峰消失，在500°C時，我們獲得了較好的C軸取向的AlN薄膜；加熱至800°C，(002)面的峰值達到最大。在薄膜取向方面，從圖3的XRD圖譜中可以看出在較低的襯底溫度下，薄膜是傾向於(100)面擇優取向的，當加熱至500°C後，AlN薄膜開始沿C軸生長，(002)面擇優取向。這是因為襯底溫度會增強鋁原子和氮原子的活性，使其擴散能力增加，從而改變其取向特性和結晶。AlN是由四個氮原子圍繞一個鋁原子疊合形成的四面體結構，在四面體中，Al原子的空軌道和N原子的滿軌道形成B2鍵，比等性的B1鍵能相對要小，且易斷裂，而B1鍵形成了 AlN (100)，82和&鍵則共同組成AlN (002)，因此AlN薄膜沿C軸方向生長需要更多的能量。隨著襯底溫度的升高，吸附原子的能力也將增加，從而易於形成B2鍵。同時，AlN
(002)是密排面，升高襯底溫度會使原子的遷徙能力增強，原子則容易往低能的位置擴散，從而有利於AlN薄膜在(002)面獲得擇優生長。
權利要求
1.一種高取向AlN薄膜的製備方法，包括襯底Si (100)基片的準備和AlN薄膜的沉積，其特徵在於， 所述Si (100)基片的準備步驟為對Si (100)基片進行表面拋光處理後再進行清洗(I)用HF和蒸餾水體積比為1:10的溶液浸泡20分鐘，以便去除矽表面粘附的氧化物，(2)放入分析純丙酮溶液中超聲清洗30分鐘，除去表面有機物，(3)放入分析純酒精溶液中超聲清洗30分鐘，(4)用去離子水超聲清洗15分鐘，(5)在高純氮氣中吹乾後備用； 所述AlN薄膜的沉積步驟為在控制櫃打開電源開關，輸入雷射器所需參數，安裝靶材，然後將固定好所述Si (100)基片的襯底託放在生長室樣品臺上，調整靶材與基片距離到50mm，關閉活開門後，將生長室抽成10_4Pa高真空，然後往生長室內通入氮氣達到恆定壓強，此時設定一個溫度值並開始加溫，待溫度不再波動到達設定數值後，設置各個實驗參數，靶的自轉速度為10轉/min，襯底託的自轉速度為5轉/min，調整合適的雷射光斑入射位置，設置脈衝雷射能量密度為O. 77-1. 60 J/cm2，重複頻率設為5Hz，在開始進行薄膜沉積前，用擋板擋住襯底託，對靶材用雷射轟擊十分鐘，以去掉表面的雜質氧化層，拿掉擋板，開始薄膜生長，時間為90min。
2.根據權利要求1所述的一種高取向AlN薄膜的製備方法，其特徵在於，所述AlN薄膜的沉積步驟中，恆定壓強的範圍為0-100Pa，設定的溫度值範圍為室溫-800°C。
全文摘要
本發明公開了一種高取向AlN薄膜的製備方法，包括兩個步驟先對Si(100)基片進行表面拋光處理後再進行清洗，然後在Si(100)基片的襯底上沉積AlN薄膜。具體為打開電源開關，輸入雷射器所需參數，安裝靶材，然後將襯底託放在生長室樣品臺上，調整靶材與基片距離，關閉活開門後，將生長室抽高真空，然後往生長室內通入氮氣達到恆定壓強，此時設定一個溫度值並開始加溫，待溫度不再波動到達設定數值後，設置各個實驗參數，調整合適的雷射光斑入射位置，在開始進行薄膜沉積前，用擋板擋住襯底託，對靶材用雷射轟擊十分鐘後拿掉擋板，開始薄膜生長。本發明製備高取向AlN薄膜的襯底溫度範圍廣，從室溫到800℃均能達到較高的取向度。
文檔編號C23C14/02GK103014622SQ20121052891
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月11日 優先權日2012年12月11日
發明者宋仁國, 李鑫偉, 祝斌, 王超 申請人:常州大學