專利名稱：一種高取向AlN薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及AlN薄膜，特指一種高取向AlN薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
氮化鋁(AlN)材料具有電子漂移飽和速率高、熱導(dǎo)率高、介質(zhì)擊穿強(qiáng)度高等優(yōu)異特性，使其在高頻、高溫、高壓電子器件領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力，可用于制備高頻表面波器件，特別適合于制作聲波傳感器、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(shù)的研究受到了人們的高度重視，并且已經(jīng)取得了較滿意的成果，但是這些方法絕大多數(shù)都是在高溫下進(jìn)行的，目前亟待解決的難題是如何在較低的襯底溫度下制備高取向度薄膜。與一般的AlN薄膜相比，高取向AlN薄膜具有許多優(yōu)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(yōu)取向的AlN薄膜物理化學(xué)性質(zhì)不同，其表面狀態(tài)、負(fù)電子親和性、壓電應(yīng)力系數(shù)均依賴于晶面取向，如AlN薄膜a軸、c軸表面聲波傳輸速度分別為5500m/s、11354m/s。經(jīng)對現(xiàn)有文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，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,所制得的薄膜大多為非晶態(tài)；而在達(dá)到700°C襯底溫度及較長的時間時才能夠沉積〈0001〉面擇優(yōu)取向并且性能良好的的AlN薄膜。

發(fā)明內(nèi)容
為解決高取向度AlN薄膜現(xiàn)有制備方法中存在的上述不足，本發(fā)明提供了一種高取向度AlN薄膜的制備方法，能夠在較低溫度下制備出高取向的AlN薄膜。本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種高取向AlN薄膜的制備方法，包括襯底Si (100)基片的準(zhǔn)備和AlN薄膜的沉積，所述Si (100)基片的準(zhǔn)備步驟為JtSi(IOO)基片進(jìn)行表面拋光處理后再進(jìn)行清洗(I)用HF和蒸餾水體積比為1:10的溶液浸泡20分鐘，以便去除硅表面粘附的氧化物，(2)放入分析純丙酮溶液中超聲清洗30分鐘，除去表面有機(jī)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?dú)庵写蹈珊髠溆?；所述AlN薄膜的沉積步驟為在控制柜打開電源開關(guān)，輸入激光器所需參數(shù)，安裝靶材，然后將固定好基片的襯底托放在生長室樣品臺上，調(diào)整靶材與基片距離到50mm，關(guān)閉活開門后，將生長室抽成10_4Pa高真空，然后往生長室內(nèi)通入氮?dú)膺_(dá)到恒定壓強(qiáng)，壓強(qiáng)的范圍為0-100Pa，此時設(shè)定一個溫度值并開始加溫，溫度值范圍為室溫-800°C，待溫度不再波動到達(dá)設(shè)定數(shù)值后，設(shè)置各個實(shí)驗(yàn)參數(shù)，靶的自轉(zhuǎn)速度為10轉(zhuǎn)/min，襯底的自轉(zhuǎn)速度為5轉(zhuǎn)/min，調(diào)整合適的激光光斑入射位置，設(shè)置脈沖激光能量密度為0. 77-1. 60 J/cm2，重復(fù)頻率設(shè)為5Hz，在開始進(jìn)行薄膜沉積前，用擋板擋住襯底，對靶材用激光轟擊十分鐘，以去掉表面的雜質(zhì)氧化層，拿掉擋板，開始薄膜生長，時間為90min。本發(fā)明制備方法的有益效果主要體現(xiàn)在(1)本發(fā)明能在較低溫度下制備出高取向的AlN薄膜濺射粒子到達(dá)基底后，只有動能適當(dāng)，才有利于原子在薄膜表面的擴(kuò)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(jié)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(fā)明采用較低的能量密度范圍(O. 77-1. 6 J/cm2),使得所制備的AlN薄膜在擁有高取向度的同時擁有較為平整光滑的表面；另外所用激光器的單個脈沖能量較高，因此輻照靶材所形成的等離子體能量也較高，從而更易于結(jié)晶成膜。(2)制備高取向AlN薄膜的襯底溫度范圍廣，從室溫到800°C均能達(dá)到較高的取向度。(3)制備的高取向AlN薄膜尺寸及形貌可控。


圖1是本發(fā)明高取向AlN薄膜制備過程示意圖。
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是不同襯底溫度下制備的AlN薄膜的XRD圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體方式對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述。本發(fā)明的整個制備過程如圖1所示。實(shí)施例1
原材料=Si (100)基片；高純AlN靶(純度99. 999%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))。步驟1:Si (100)基片襯底的清洗對Si (100)基片進(jìn)行表面拋光處理后再進(jìn)行清洗，(I)用HF、蒸餾水體積比為1:10的溶液浸泡20分鐘，以便去除硅表面粘附的氧化物，(2)放入分析純丙酮溶液中超聲清洗30分鐘，除去表面有機(jī)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?dú)庵写蹈珊髠溆谩２襟E2 :采用脈沖激光沉積技術(shù)將AlN沉積在Si(IOO)基片上，高純AlN(純度99. 999%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))作為靶材放置在靶托上，Si(IOO)基片放置在襯底托上，然后將固定好基片的襯底托放在生長室樣品臺上，調(diào)整靶材與基片距離到50mm，關(guān)閉活開門后，將生長室抽成10_4 Pa高真空，然后往生長室內(nèi)通入氮?dú)膺_(dá)到恒定壓強(qiáng)，為5Pa，此時設(shè)定溫度為500°C并開始加溫，待溫度不再波動到達(dá)設(shè)定數(shù)值后，設(shè)置各個實(shí)驗(yàn)參數(shù)，靶的自轉(zhuǎn)速度為10轉(zhuǎn)/min，襯底的自轉(zhuǎn)速度為5轉(zhuǎn)/min，調(diào)整合適的激光光斑入射位置，設(shè)置脈沖激光能量為1. 17 J/cm2，重復(fù)頻率設(shè)為5Hz，在開始進(jìn)行薄膜沉積前，用擋板擋住襯底，對靶材用激光轟擊十分鐘，以去掉表面的雜質(zhì)氧化層，拿掉擋板，開始薄膜生長，時間為90min。實(shí)施例2
原材料=Si (100)基片；高純AlN靶(純度99. 999%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))。步驟1:Si (100)基片襯底的清洗對Si (100)基片進(jìn)行表面拋光處理后再進(jìn)行清洗，(I)用HF、蒸餾水體積比為1:10的溶液浸泡20分鐘，以便去除硅表面粘附的氧化物，(2)放入分析純丙酮溶液中超聲清洗30分鐘，除去表面有機(jī)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?dú)庵写蹈珊髠溆谩２襟E2 :采用脈沖激光沉積技術(shù)將AlN沉積在Si(IOO)基片上，高純AlN(純度99. 999%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))作為靶材放置在靶托上，Si(IOO)基片放置在襯底托上，然后將固定好基片的襯底托放在生長室樣品臺上，調(diào)整靶材與基片距離到50mm，關(guān)閉活開門后，將生長室抽成10_4 Pa高真空，然后往生長室內(nèi)通入氮?dú)膺_(dá)到恒定壓強(qiáng)，為10Pa，此時設(shè)定溫度為100°C并開始加溫，待溫度不再波動到達(dá)設(shè)定數(shù)值后，設(shè)置各個實(shí)驗(yàn)參數(shù)，靶的自轉(zhuǎn)速度為10轉(zhuǎn)/min，襯底的自轉(zhuǎn)速度為5轉(zhuǎn)/min，調(diào)整合適的激光光斑入射位置，設(shè)置脈沖激光能量為O. 77 J/cm2，重復(fù)頻率設(shè)為5Hz，在開始進(jìn)行薄膜沉積前，用擋板擋住襯底，對靶材用激光轟擊十分鐘，以去掉表面的雜質(zhì)氧化層，拿掉擋板，開始薄膜生長，時間為90min。實(shí)施例3
原材料Si (100)基片；高純AlN靶(純度99. 999%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))。步驟1:Si (100)基片襯底的清洗對Si (100)基片進(jìn)行表面拋光處理后再進(jìn)行清洗，(I)用HF、蒸餾水體積比為1:10的溶液浸泡20分鐘，以便去除硅表面粘附的氧化物，
(2)放入分析純丙酮溶液中超聲清洗30分鐘，除去表面有機(jī)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?dú)庵写蹈珊髠溆?。步驟2 :采用脈沖激光沉積技術(shù)將AlN沉積在Si (100)基片上，高純AlN(純度99. 999%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))作為靶材放置在靶托上，Si(IOO)基片放置在襯底托上，然后將固定好基片的襯底托放在生長室樣品臺上，調(diào)整靶材與基片距離到50mm，關(guān)閉活開門后，將生長室抽成10_4 Pa高真空，然后往生長室內(nèi)通入氮?dú)膺_(dá)到恒定壓強(qiáng)，為30Pa，此時設(shè)定溫度為200°C并開始加溫，待溫度不再波動到達(dá)設(shè)定數(shù)值后，設(shè)置各個實(shí)驗(yàn)參數(shù)，靶的自轉(zhuǎn)速度為10轉(zhuǎn)/min，襯底的自轉(zhuǎn)速度為5轉(zhuǎn)/min，調(diào)整合適的激光光斑入射位置，設(shè)置脈沖激光能量為O. 93 J/cm2,重復(fù)頻率設(shè)為5Hz，在開始進(jìn)行薄膜沉積前，用擋板擋住襯底，對靶材用激光轟擊十分鐘，以去掉表面的雜質(zhì)氧化層，拿掉擋板，開始薄膜生長，時間為90min。實(shí)施例4
原材料=Si (100)基片；高純AlN靶(純度99. 999%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))。步驟1:Si (100)基片襯底的清洗對Si (100)基片進(jìn)行表面拋光處理后再進(jìn)行清洗，(I)用HF、蒸餾水體積比為1:10的溶液浸泡20分鐘，以便去除硅表面粘附的氧化物，
(2)放入分析純丙酮溶液中超聲清洗30分鐘，除去表面有機(jī)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?dú)庵写蹈珊髠溆?。步驟2 :采用脈沖激光沉積技術(shù)將AlN沉積在Si (100)基片上，高純AlN(純度99. 999%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))作為靶材放置在靶托上，Si(IOO)基片放置在襯底托上，然后將固定好基片的襯底托放在生長室樣品臺上，調(diào)整靶材與基片距離到50mm，關(guān)閉活開門后，將生長室抽成10_4 Pa高真空，然后往生長室內(nèi)通入氮?dú)膺_(dá)到恒定壓強(qiáng)，為2Pa，此時設(shè)定溫度為600°C并開始加溫，待溫度不再波動到達(dá)設(shè)定數(shù)值后，設(shè)置各個實(shí)驗(yàn)參數(shù)，靶的自轉(zhuǎn)速度為10轉(zhuǎn)/min，襯底的自轉(zhuǎn)速度為5轉(zhuǎn)/min，調(diào)整合適的激光光斑入射位置，設(shè)置脈沖激光能量為1. 37 J/cm2，重復(fù)頻率設(shè)為5Hz，在開始進(jìn)行薄膜沉積前，用擋板擋住襯底，對靶材用激光轟擊十分鐘，以去掉表面的雜質(zhì)氧化層，拿掉擋板，開始薄膜生長，時間為90min。實(shí)施例5
原材料=Si (100)基片；高純AlN靶(純度99. 999%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))。步驟1:Si (100)基片襯底的清洗對Si (100)基片進(jìn)行表面拋光處理后再進(jìn)行清洗，(I)用HF、蒸餾水體積比為1:10的溶液浸泡20分鐘，以便去除硅表面粘附的氧化物，
(2)放入分析純丙酮溶液中超聲清洗30分鐘，除去表面有機(jī)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?dú)庵写蹈珊髠溆?。步驟2 :采用脈沖激光沉積技術(shù)將AlN沉積在Si (100)基片上，高純AlN(純度99. 999%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))作為靶材放置在靶托上，Si(IOO)基片放置在襯底托上，然后將固定好基片的襯底托放在生長室樣品臺上，調(diào)整靶材與基片距離到50mm，關(guān)閉活開門后，將生長室抽成10_4 Pa高真空，然后往生長室內(nèi)通入氮?dú)膺_(dá)到恒定壓強(qiáng)，為40Pa，此時設(shè)定溫度為300°C并開始加溫，待溫度不再波動到達(dá)設(shè)定數(shù)值后，設(shè)置各個實(shí)驗(yàn)參數(shù)，靶的自轉(zhuǎn)速度為10轉(zhuǎn)/min，襯底的自轉(zhuǎn)速度為5轉(zhuǎn)/min，調(diào)整合適的激光光斑入射位置，設(shè)置脈沖激光能量為O. 85 J/cm2,重復(fù)頻率設(shè)為5Hz，在開始進(jìn)行薄膜沉積前，用擋板擋住襯底，對靶材用激光轟擊十分鐘，以去掉表面的雜質(zhì)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(jìn)行。AlN薄膜的晶體取向用X射線衍射儀進(jìn)行表征。 圖2是襯底溫度分別為室溫、200°C、500°C和800°C時所制得的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(jié)構(gòu)增多，小顆粒逐漸長大形成島狀結(jié)構(gòu)。這是由于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(xì)晶中間有少量島狀大顆粒散落，并且較高的襯底溫度使薄膜粒子更易于結(jié)晶成核。在較低溫時，臨界形核自由能下降，形成的核心數(shù)目增加，這將有利于形成晶粒細(xì)小而連續(xù)的薄膜組織，如圖2b和c所示，薄膜表面相對平整光滑，結(jié)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(jié)晶度并不高。因此，選擇合理的襯底溫度對于制備較高質(zhì)量的AlN薄膜是非常必要的。溫度增加了，雖然薄膜的結(jié)晶度將增高，但是溫度過高，將有大顆粒出現(xiàn)，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(chǎn)生了很弱的衍射峰；隨著對襯底的加熱，出現(xiàn)了(002)面衍射峰，在200°C時，相對于(100)面的衍射峰，(002)面峰值較強(qiáng)，取向占優(yōu)；進(jìn)一步增加襯底溫度后，
(002)面的峰值也隨之增強(qiáng)，(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(dá)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，薄膜是傾向于(100)面擇優(yōu)取向的，當(dāng)加熱至500°C后，AlN薄膜開始沿C軸生長，(002)面擇優(yōu)取向。這是因?yàn)橐r底溫度會增強(qiáng)鋁原子和氮原子的活性，使其擴(kuò)散能力增加，從而改變其取向特性和結(jié)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(jié)構(gòu)，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，從而易于形成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(qiáng)，原子則容易往低能的位置擴(kuò)散，從而有利于AlN薄膜在(002)面獲得擇優(yōu)生長。
權(quán)利要求
1.一種高取向AlN薄膜的制備方法，包括襯底Si (100)基片的準(zhǔn)備和AlN薄膜的沉積，其特征在于， 所述Si (100)基片的準(zhǔn)備步驟為對Si (100)基片進(jìn)行表面拋光處理后再進(jìn)行清洗(I)用HF和蒸餾水體積比為1:10的溶液浸泡20分鐘，以便去除硅表面粘附的氧化物，(2)放入分析純丙酮溶液中超聲清洗30分鐘，除去表面有機(jī)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?dú)庵写蹈珊髠溆茫? 所述AlN薄膜的沉積步驟為在控制柜打開電源開關(guān)，輸入激光器所需參數(shù)，安裝靶材，然后將固定好所述Si (100)基片的襯底托放在生長室樣品臺上，調(diào)整靶材與基片距離到50mm，關(guān)閉活開門后，將生長室抽成10_4Pa高真空，然后往生長室內(nèi)通入氮?dú)膺_(dá)到恒定壓強(qiáng)，此時設(shè)定一個溫度值并開始加溫，待溫度不再波動到達(dá)設(shè)定數(shù)值后，設(shè)置各個實(shí)驗(yàn)參數(shù)，靶的自轉(zhuǎn)速度為10轉(zhuǎn)/min，襯底托的自轉(zhuǎn)速度為5轉(zhuǎn)/min，調(diào)整合適的激光光斑入射位置，設(shè)置脈沖激光能量密度為O. 77-1. 60 J/cm2，重復(fù)頻率設(shè)為5Hz，在開始進(jìn)行薄膜沉積前，用擋板擋住襯底托，對靶材用激光轟擊十分鐘，以去掉表面的雜質(zhì)氧化層，拿掉擋板，開始薄膜生長，時間為90min。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高取向AlN薄膜的制備方法，其特征在于，所述AlN薄膜的沉積步驟中，恒定壓強(qiáng)的范圍為0-100Pa，設(shè)定的溫度值范圍為室溫-800°C。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高取向AlN薄膜的制備方法，包括兩個步驟先對Si(100)基片進(jìn)行表面拋光處理后再進(jìn)行清洗，然后在Si(100)基片的襯底上沉積AlN薄膜。具體為打開電源開關(guān)，輸入激光器所需參數(shù)，安裝靶材，然后將襯底托放在生長室樣品臺上，調(diào)整靶材與基片距離，關(guān)閉活開門后，將生長室抽高真空，然后往生長室內(nèi)通入氮?dú)膺_(dá)到恒定壓強(qiáng)，此時設(shè)定一個溫度值并開始加溫，待溫度不再波動到達(dá)設(shè)定數(shù)值后，設(shè)置各個實(shí)驗(yàn)參數(shù)，調(diào)整合適的激光光斑入射位置，在開始進(jìn)行薄膜沉積前，用擋板擋住襯底托，對靶材用激光轟擊十分鐘后拿掉擋板，開始薄膜生長。本發(fā)明制備高取向AlN薄膜的襯底溫度范圍廣，從室溫到800℃均能達(dá)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(yōu)先權(quán)日2012年12月11日
發(fā)明者宋仁國, 李鑫偉, 祝斌, 王超 申請人:常州大學(xué)