专利名称：一种具有同质缓冲层的c轴倾斜AlN薄膜制备方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种c轴倾斜AlN薄膜的制备方法。
背景技术：
由于第一代硅半导体材料及第二代砷化镓半导体材料在器件应用方面趋于极限， 而A1N作为第三代直接宽带隙半导体材料的代表，具有高热导率、高硬度、高熔点以及化学 稳定性高、击穿场强大和介电损耗低的特点，尤其是AlN与Si、GaAs等常用半导体材料的热 膨胀系数相近且生长工艺兼容性强，因此受到了人们的极大关注。另外，在所有无机非铁性 压电材料中，声波沿AIN晶体c轴方向的传输速度最大。因此，具有良好c轴取向的AIN薄 膜还是优秀的声表面波器件和体波器件材料。当以AIN薄膜制成的体声波压电质量传感器 对液体微质量负载进行检测时，压电振子的长度伸縮振动模式使声波能量的绝大部分被液 体吸收从而降低传感器的测试灵敏度甚至造成传感器停振的现象，而以厚度剪切模式工作 的压电振子将减小声波在液体中的能量损耗小，有利于提高传感器的品质因数和灵敏度， 因此生长可激发厚度剪切模式体声波的c轴倾斜AlN取向薄膜十分必要。但是由于AIN薄 膜与Si、 GaAs等衬底之间较大的晶格失配以及c轴倾斜角度控制性较差，因此如何实现c 轴倾斜取向AIN薄膜的可控生长仍然是一个难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有同质缓冲层的c轴倾斜AIN薄膜的制备方法，能 够克服A1N薄膜与Si、GaAs等衬底之间较大的晶格失配以及c轴倾斜角度控制性较差的问 题。将该方法生长的AIN薄膜作为压电谐振传感器的压电层时，可减小声波在液体中的能 量损耗，有助于提高传感器的品质因数和灵敏度。
本发明是这样实现的，它包括以下步骤 1、一种具有同质缓冲层的c轴倾斜取向AlN薄膜制备方法，其特征在于，包括以下 步骤 1)、选取衬底，清洗衬底表面； 2)、将衬底固定在载有衬底托的转盘上，放入磁控溅射仪反应腔内，以99. 999%高 纯Al为靶材，反应腔内真空度抽到0. 4mPa ; 3)、通入氩气，使反应腔室的气压达到1 10Pa，对Al耙预溅射10min，除去Al耙 表面自然生成的氧化层，衬底温度控制在200 500°C ，通入N2，使真空腔室的气压为0. 2 20Pa ; 4)、旋转载有衬底的转盘，使衬底与靶材中心重合，调节工作气压为5 20Pa，
N2 : Ar = 18 : 12，在衬底上生长20 100nm非晶A1N薄膜作为缓冲层； 5)、继续旋转载有衬底的转盘，使衬底与靶材中心偏离5 20° ;6)、调低工作气压为0. 1 5Pa，生长温度为200 500°C ，在A1N同质缓冲层上生
长厚度为500 2000nm的c轴倾斜取向A1N薄膜。
其中，所述的衬底包括Si、Mo、Pt、Au或其组合，即在Si衬底上沉积一层金属层。
其中，所述的Si衬底上金属层利用物理气相沉积法生长，厚度为50 200nm。
本发明调节衬底与靶材中心偏离的角度，可得到倾斜角度不同的c轴取向A1N薄膜。 本发明的优点 本发明提供一种c轴倾斜取向AlN薄膜可控生长方法，采用磁控溅射沉积技术，在 不改变实验装置和增加辅助物的前提下，通过旋转载有衬底的转盘使衬底与靶材中心偏离 生长不同角度的c轴倾斜取向AIN薄膜，操作简单，控制更精确。采用在Si衬底上沉积一层金属层，厚度为50 200nm，缓解A1N薄膜与Si、 GaAs 等衬底之间的热失配及导电性的问题，亦可用作后期器件中的电极，简化器件的制备过程。
采用较高工作气压生长非晶AlN薄膜作为同质缓冲层，能减小AlN薄膜与Si、GaAs 等衬底之间的晶格失配，有助于倾斜c轴A1N薄膜的形成。 本发明所生长的AlN薄膜表面平整、结构致密，具有倾斜c轴择优取向，通过控制 转盘的旋转角度，可根据实际需要生长不同倾斜角度的A1N薄膜。
图1是本发明方法所生长薄膜的结构示意图。 图2是本发明方法实施例1中在p型(100)晶向Si与金属钼(Mo)的组合衬底上
生长c轴倾斜取向AlN薄膜的x射线衍射e-2e扫描曲线。 图3是本发明方法实施例1中在p型(100)晶向Si与金属钼(Mo)的组合衬底上 生长c轴倾斜A1N薄膜的截面形貌图。 图4是本发明方法实施例1中在p型(100)晶向Si与金属钼(Mo)的组合衬底上 生长c轴倾斜A1N薄膜的表面形貌图。 其中1一一Si衬底，2—一金属层，3—一非晶A1N薄膜缓冲层，4一一c轴倾斜取向 A1N薄膜层。
具体实施例方式
以下结合本发明的生长方法和附图对本发明进行详细说明。
实施例一 在p型(100)晶向Si衬底上沉积金属钼(Mo)后再生长c轴倾斜取向A1N薄膜的 具体步骤如下(结合参阅图，其中) 1、选取沉积一层100nm的金属钼(2)的p型(100)晶向Si衬底(l)，依次用丙酮、 无水乙醇和去离子水清洗； 2、将Si衬底(1)固定在载有衬底托的转盘上，放入磁控溅射仪反应腔内，以 99. 999%高纯Al为靶材，反应腔真空度抽到0. 4mPa ; 3、通入氩气，使真空腔室的气压达到5Pa，对Al靶预溅射10min，除去Al靶表面自 然生成的氧化层，衬底温度控制在30(TC，通入^，使真空腔室的气压为10Pa ;
4、旋转载有衬底的转盘，使衬底与靶材中心重合，调节工作气压为10Pa， N2 : Ar =18 : 12，生长厚50nm的非晶AlN薄膜(3)作为缓冲层；
5、继续旋转载有衬底的转盘，使衬底与靶材中心偏离5。； 6、调节工作气压为1Pa，在A1N缓冲层(3)上生长c轴倾斜取向A1N薄膜(4)，厚 度为lOOOnm ; 在该实施例中，我们对以沉积了金属钼(2)的p型(100)晶向硅为衬底生长c轴
倾斜取向A1N薄膜(4)进行了测试分析，包括x射线衍射e-2e扫描和场发射扫描电子显 微镜(FESEM)分析。其中，A1N薄膜的X射线如图2所示，在图中可以看到仅在36。处出现 (002)衍射峰，未见其它位置的衍射峰，表明所获得AlN薄膜沿c轴(002)晶面择优取向生 长，说明该薄膜结晶质量良好。图3和图4分别为所得c轴倾斜取向A1N薄膜截面SEM图 和表面SEM图，从图中可以看出，AlN薄膜与c轴倾斜30。，且柱状晶排列整齐、致密。通过 对转盘旋转角度的控制，使衬底与靶材中心偏离不同角度，可得到不同c轴倾斜取向AlN薄 膜，为进一步制作高性能A1N薄膜压电质量传感器及SAW器件奠定了良好的材料和工艺技 术基础。 实施例二 在p型(100)晶向硅衬底上沉积金属铂(Pt)后再生长c轴倾斜取向AlN薄膜的 具体步骤如下(结合参阅图，其中) 1、选取沉积一层100nm的金属铂(2)的p型(100)晶向Si衬底(l)，依次用丙酮、 无水乙醇和去离子水清洗； 2、将Si衬底(1)固定在载有衬底托的转盘上，放入磁控溅射仪反应腔内，以 99. 999%高纯Al为靶材，反应腔真空度抽到0. 4mPa ; 3、通入氩气，使真空腔室的气压达到5Pa，对Al靶预溅射10min，除去Al靶表面自
然生成的氧化层，衬底温度控制在30(TC，通入^，使真空腔室的气压为10Pa ; 4、、旋转载有衬底的转盘，使衬底与靶材中心重合，调节工作气压为10Pa， N2 : Ar
=18 : 12，生长厚50nm的非晶AlN薄膜(3)作为缓冲层； 5、继续旋转载有衬底的转盘，使衬底与靶材中心偏离10° ; 6、调节工作气压为1Pa，在A1N缓冲层(3)上生长c轴倾斜取向A1N薄膜(4)。 实施例三 在p型(100)晶向Si衬底上沉积金属金(Au)后再生长c轴倾斜取向A1N薄膜的 具体步骤如下(结合参阅图，其中) 1、选取沉积一层100nm的金属金(2)的p型(100)晶向Si衬底(l)，依次用丙酮、 无水乙醇和去离子水清洗； 2、将Si衬底(1)固定在载有衬底托的转盘上，放入磁控溅射仪反应腔内，以 99. 999%高纯Al为靶材，反应腔真空度抽到0. 4mPa 3、通入氩气，使真空腔室的气压达到5Pa，对Al靶预溅射10min，除去Al靶表面自
然生成的氧化层，衬底温度控制在30(TC，通入^，使真空腔室的气压为10Pa; 4、、旋转载有衬底的转盘，使衬底与靶材中心重合，调节工作气压为10Pa， N2 : Ar
=18 : 12，生长厚50nm的非晶AlN薄膜(3)作为缓冲层； 5、继续旋转载有衬底的转盘，使衬底与靶材中心偏离20° ; 6、调节工作气压为1Pa，在A1N缓冲层(3)上生长c轴倾斜取向A1N薄膜(4)。
权利要求
一种具有同质缓冲层的c轴倾斜取向AlN薄膜制备方法，其特征在于，包括以下步骤1)、选取衬底，清洗衬底表面；2)、将衬底固定在载有衬底托的转盘上，放入磁控溅射仪反应腔内，以99.999％高纯Al为靶材，反应腔内真空度抽到0.4mPa；3)、通入氩气，使反应腔室的气压达到1～10Pa，对Al靶预溅射10min，除去Al靶表面自然生成的氧化层，衬底温度控制在200～500℃，通入N2，使真空腔室的气压为0.2～20Pa；4)、旋转载有衬底的转盘，使衬底与靶材中心重合，调节工作气压为5～20Pa，N2∶Ar＝18∶12，在衬底上生长20～100nm非晶AlN薄膜作为缓冲层；5)、继续旋转载有衬底的转盘，使衬底与靶材中心偏离5～20°；6)、调低工作气压为0.1～5Pa，生长温度为200～500℃，在AlN同质缓冲层上生长厚度为500～2000nm的c轴倾斜取向AlN薄膜。
2. 根据权利要求1所述的一种具有同质缓冲层的c轴倾斜取向A1N薄膜制备方法，其 特征在于其中所述的衬底材料包括Si、Mo、Pt、Au或其组合。
3. 根据权利要求1所述的一种具有同质缓冲层的c轴倾斜取向A1N薄膜制备方法，其 特征在于所述的Si衬底上金属层利用物理气相沉积法生长，厚度为50 200nm。
4. 根据权利要求1所述的一种具有同质缓冲层的c轴倾斜取向A1N薄膜制备方法，其 特征在于调节衬底与靶材中心偏离5 20° ，可得到倾斜角度不同的c轴取向A1N薄膜。
全文摘要
本发明提供了一种具有同质缓冲层的c轴倾斜AlN薄膜的制备方法，它采用磁控溅射的方法在以Si、Mo、Pt、Au或其组合为衬底上，生成非晶AlN薄膜缓冲层，再以调节衬底与靶材中心偏离角度的方式，生长倾斜角度不同的c轴取向AlN薄膜。本发明能够克服AlN薄膜与Si、GaAs等衬底之间较大的晶格失配以及c轴倾斜角度控制性较差的问题。将该方法生长的AlN薄膜作为压电谐振传感器的压电层时，可减小声波在液体中的能量损耗，有助于提高传感器的品质因数和灵敏度。
文档编号C23C14/58GK101775584SQ20101002894
公开日2010年7月14日 申请日期2010年1月8日 优先权日2010年1月8日
发明者吴雯, 杜鹏飞, 熊娟, 胡明哲, 陈侃松, 顾豪爽 申请人:湖北大学