专利名称：一种高取向AlN薄膜的制备方法
技术领域：
本发明涉及AlN薄膜，特指一种高取向AlN薄膜的制备方法。
背景技术：
氮化铝(AlN)材料具有电子漂移饱和速率高、热导率高、介质击穿强度高等优异特性，使其在高频、高温、高压电子器件领域有着巨大的应用潜力，可用于制备高频表面波器件，特别适合于制作声波传感器、G赫兹频 带SAW器件和BAW器件。近几年，高取向度AlN薄膜生长技术的研究受到了人们的高度重视，并且已经取得了较满意的成果，但是这些方法绝大多数都是在高温下进行的，目前亟待解决的难题是如何在较低的衬底温度下制备高取向度薄膜。与一般的AlN薄膜相比，高取向AlN薄膜具有许多优异的性能，例如，沿C轴取向的AlN具有非常好的压电性和声表面波高速传输性。同时，不同晶面择优取向的AlN薄膜物理化学性质不同，其表面状态、负电子亲和性、压电应力系数均依赖于晶面取向，如AlN薄膜a轴、c轴表面声波传输速度分别为5500m/s、11354m/s。经对现有文献的检索发现，Gustavo Sanchez B在其2009年的论文《Microstructure and mechanical properties of AlN films obtained by plasmaenhanced chemical vapor deposition》中提到在300°C以下的衬底温度下,所制得的薄膜大多为非晶态；而在达到700°C衬底温度及较长的时间时才能够沉积〈0001〉面择优取向并且性能良好的的AlN薄膜。
发明内容
为解决高取向度AlN薄膜现有制备方法中存在的上述不足，本发明提供了一种高取向度AlN薄膜的制备方法，能够在较低温度下制备出高取向的AlN薄膜。本发明采用的技术方案如下一种高取向AlN薄膜的制备方法，包括衬底Si (100)基片的准备和AlN薄膜的沉积，所述Si (100)基片的准备步骤为JtSi(IOO)基片进行表面抛光处理后再进行清洗(I)用HF和蒸馏水体积比为1:10的溶液浸泡20分钟，以便去除硅表面粘附的氧化物，(2)放入分析纯丙酮溶液中超声清洗30分钟，除去表面有机物，
(3)放入分析纯酒精溶液中超声清洗30分钟，(4)用去离子水超声清洗15分钟，(5)在高纯氮气中吹干后备用；所述AlN薄膜的沉积步骤为在控制柜打开电源开关，输入激光器所需参数，安装靶材，然后将固定好基片的衬底托放在生长室样品台上，调整靶材与基片距离到50mm，关闭活开门后，将生长室抽成10_4Pa高真空，然后往生长室内通入氮气达到恒定压强，压强的范围为0-100Pa，此时设定一个温度值并开始加温，温度值范围为室温-800°C，待温度不再波动到达设定数值后，设置各个实验参数，靶的自转速度为10转/min，衬底的自转速度为5转/min，调整合适的激光光斑入射位置，设置脉冲激光能量密度为0. 77-1. 60 J/cm2，重复频率设为5Hz，在开始进行薄膜沉积前，用挡板挡住衬底，对靶材用激光轰击十分钟，以去掉表面的杂质氧化层，拿掉挡板，开始薄膜生长，时间为90min。本发明制备方法的有益效果主要体现在(1)本发明能在较低温度下制备出高取向的AlN薄膜溅射粒子到达基底后，只有动能适当，才有利于原子在薄膜表面的扩散生成相对平整、光滑的薄膜，而随着入射粒子动能的增加，原子在基底表面的迁徙速率增加，力口速了离子间的结合，更容易形成自由能较低的大颗粒，使得薄膜表面粗糙度增加，本发明采用较低的能量密度范围(O. 77-1. 6 J/cm2),使得所制备的AlN薄膜在拥有高取向度的同时拥有较为平整光滑的表面；另外所用激光器的单个脉冲能量较高，因此辐照靶材所形成的等离子体能量也较高，从而更易于结晶成膜。(2)制备高取向AlN薄膜的衬底温度范围广，从室温到800°C均能达到较高的取向度。(3)制备的高取向AlN薄膜尺寸及形貌可控。
图1是本发明高取向AlN薄膜制备过程示意图。
图2是不同衬底温度下AlN薄膜的SEM图谱。(a)常温；(b) 200°C ； (C) 500°C ；(d) 800。。。图3是不同衬底温度下制备的AlN薄膜的XRD图。
具体实施例方式下面结合具体方式对本发明进行进一步描述。本发明的整个制备过程如图1所示。实施例1
原材料=Si (100)基片；高纯AlN靶(纯度99. 999%，质量分数)。步骤1:Si (100)基片衬底的清洗对Si (100)基片进行表面抛光处理后再进行清洗，(I)用HF、蒸馏水体积比为1:10的溶液浸泡20分钟，以便去除硅表面粘附的氧化物，(2)放入分析纯丙酮溶液中超声清洗30分钟，除去表面有机物，(3)放入分析纯酒精溶液中超声清洗30分钟，(4)用去离子水超声清洗15分钟，(5)在高纯氮气中吹干后备用。步骤2 :采用脉冲激光沉积技术将AlN沉积在Si(IOO)基片上，高纯AlN(纯度99. 999%，质量分数)作为靶材放置在靶托上，Si(IOO)基片放置在衬底托上，然后将固定好基片的衬底托放在生长室样品台上，调整靶材与基片距离到50mm，关闭活开门后，将生长室抽成10_4 Pa高真空，然后往生长室内通入氮气达到恒定压强，为5Pa，此时设定温度为500°C并开始加温，待温度不再波动到达设定数值后，设置各个实验参数，靶的自转速度为10转/min，衬底的自转速度为5转/min，调整合适的激光光斑入射位置，设置脉冲激光能量为1. 17 J/cm2，重复频率设为5Hz，在开始进行薄膜沉积前，用挡板挡住衬底，对靶材用激光轰击十分钟，以去掉表面的杂质氧化层，拿掉挡板，开始薄膜生长，时间为90min。实施例2
原材料=Si (100)基片；高纯AlN靶(纯度99. 999%，质量分数)。步骤1:Si (100)基片衬底的清洗对Si (100)基片进行表面抛光处理后再进行清洗，(I)用HF、蒸馏水体积比为1:10的溶液浸泡20分钟，以便去除硅表面粘附的氧化物，(2)放入分析纯丙酮溶液中超声清洗30分钟，除去表面有机物，(3)放入分析纯酒精溶液中超声清洗30分钟，(4)用去离子水超声清洗15分钟，(5)在高纯氮气中吹干后备用。步骤2 :采用脉冲激光沉积技术将AlN沉积在Si(IOO)基片上，高纯AlN(纯度99. 999%，质量分数)作为靶材放置在靶托上，Si(IOO)基片放置在衬底托上，然后将固定好基片的衬底托放在生长室样品台上，调整靶材与基片距离到50mm，关闭活开门后，将生长室抽成10_4 Pa高真空，然后往生长室内通入氮气达到恒定压强，为10Pa，此时设定温度为100°C并开始加温，待温度不再波动到达设定数值后，设置各个实验参数，靶的自转速度为10转/min，衬底的自转速度为5转/min，调整合适的激光光斑入射位置，设置脉冲激光能量为O. 77 J/cm2，重复频率设为5Hz，在开始进行薄膜沉积前，用挡板挡住衬底，对靶材用激光轰击十分钟，以去掉表面的杂质氧化层，拿掉挡板，开始薄膜生长，时间为90min。实施例3
原材料Si (100)基片；高纯AlN靶(纯度99. 999%，质量分数)。步骤1:Si (100)基片衬底的清洗对Si (100)基片进行表面抛光处理后再进行清洗，(I)用HF、蒸馏水体积比为1:10的溶液浸泡20分钟，以便去除硅表面粘附的氧化物，
(2)放入分析纯丙酮溶液中超声清洗30分钟，除去表面有机物，(3)放入分析纯酒精溶液中超声清洗30分钟，(4)用去离子水超声清洗15分钟，(5)在高纯氮气中吹干后备用。步骤2 :采用脉冲激光沉积技术将AlN沉积在Si (100)基片上，高纯AlN(纯度99. 999%，质量分数)作为靶材放置在靶托上，Si(IOO)基片放置在衬底托上，然后将固定好基片的衬底托放在生长室样品台上，调整靶材与基片距离到50mm，关闭活开门后，将生长室抽成10_4 Pa高真空，然后往生长室内通入氮气达到恒定压强，为30Pa，此时设定温度为200°C并开始加温，待温度不再波动到达设定数值后，设置各个实验参数，靶的自转速度为10转/min，衬底的自转速度为5转/min，调整合适的激光光斑入射位置，设置脉冲激光能量为O. 93 J/cm2,重复频率设为5Hz，在开始进行薄膜沉积前，用挡板挡住衬底，对靶材用激光轰击十分钟，以去掉表面的杂质氧化层，拿掉挡板，开始薄膜生长，时间为90min。实施例4
原材料=Si (100)基片；高纯AlN靶(纯度99. 999%，质量分数)。步骤1:Si (100)基片衬底的清洗对Si (100)基片进行表面抛光处理后再进行清洗，(I)用HF、蒸馏水体积比为1:10的溶液浸泡20分钟，以便去除硅表面粘附的氧化物，
(2)放入分析纯丙酮溶液中超声清洗30分钟，除去表面有机物，(3)放入分析纯酒精溶液中超声清洗30分钟，(4)用去离子水超声清洗15分钟，(5)在高纯氮气中吹干后备用。步骤2 :采用脉冲激光沉积技术将AlN沉积在Si (100)基片上，高纯AlN(纯度99. 999%，质量分数)作为靶材放置在靶托上，Si(IOO)基片放置在衬底托上，然后将固定好基片的衬底托放在生长室样品台上，调整靶材与基片距离到50mm，关闭活开门后，将生长室抽成10_4 Pa高真空，然后往生长室内通入氮气达到恒定压强，为2Pa，此时设定温度为600°C并开始加温，待温度不再波动到达设定数值后，设置各个实验参数，靶的自转速度为10转/min，衬底的自转速度为5转/min，调整合适的激光光斑入射位置，设置脉冲激光能量为1. 37 J/cm2，重复频率设为5Hz，在开始进行薄膜沉积前，用挡板挡住衬底，对靶材用激光轰击十分钟，以去掉表面的杂质氧化层，拿掉挡板，开始薄膜生长，时间为90min。实施例5
原材料=Si (100)基片；高纯AlN靶(纯度99. 999%，质量分数)。步骤1:Si (100)基片衬底的清洗对Si (100)基片进行表面抛光处理后再进行清洗，(I)用HF、蒸馏水体积比为1:10的溶液浸泡20分钟，以便去除硅表面粘附的氧化物，
(2)放入分析纯丙酮溶液中超声清洗30分钟，除去表面有机物，(3)放入分析纯酒精溶液中超声清洗30分钟，(4)用去离子水超声清洗15分钟，(5)在高纯氮气中吹干后备用。步骤2 :采用脉冲激光沉积技术将AlN沉积在Si (100)基片上，高纯AlN(纯度99. 999%，质量分数)作为靶材放置在靶托上，Si(IOO)基片放置在衬底托上，然后将固定好基片的衬底托放在生长室样品台上，调整靶材与基片距离到50mm，关闭活开门后，将生长室抽成10_4 Pa高真空，然后往生长室内通入氮气达到恒定压强，为40Pa，此时设定温度为300°C并开始加温，待温度不再波动到达设定数值后，设置各个实验参数，靶的自转速度为10转/min，衬底的自转速度为5转/min，调整合适的激光光斑入射位置，设置脉冲激光能量为O. 85 J/cm2,重复频率设为5Hz，在开始进行薄膜沉积前，用挡板挡住衬底，对靶材用激光轰击十分钟，以去掉表面的杂质氧化层，拿掉挡板，开始薄膜生长，时间为90min。AlN薄膜的形貌观察在扫描电子显微镜(SEM)上进行。AlN薄膜的晶体取向用X射线衍射仪进行表征。 图2是衬底温度分别为室温、200°C、500°C和800°C时所制得的AlN薄膜的扫描电子显微镜(SEM)照片。从图中我们可以看出随着衬底温度的增加，薄膜表面粗糙度增加，晶化结构增多，小颗粒逐渐长大形成岛状结构。这是由于衬底温度将影响等离子体粒子在衬底表面的沉积，温度越高，需要形成的临界核心的尺寸就越大，形核的临界自由能势垒也越高，因而在高温时沉积的薄膜首先形成粗大的岛状组织，如图2d所示，薄膜表面粗糙度较大，在众多细晶中间有少量岛状大颗粒散落，并且较高的衬底温度使薄膜粒子更易于结晶成核。在较低温时，临界形核自由能下降，形成的核心数目增加，这将有利于形成晶粒细小而连续的薄膜组织，如图2b和c所示，薄膜表面相对平整光滑，结晶度较高，晶粒较小。而在常温下，如图2a所示，小颗粒分布不明显，结晶度并不高。因此，选择合理的衬底温度对于制备较高质量的AlN薄膜是非常必要的。温度增加了，虽然薄膜的结晶度将增高，但是温度过高，将有大颗粒出现，影响薄膜表面粗糙度。图3为不同衬底温度下AlN薄膜的XRD图谱。从图中我们可以看出在室温下(如样品a)，在(100)面产生了很弱的衍射峰；随着对衬底的加热，出现了(002)面衍射峰，在200°C时，相对于(100)面的衍射峰，(002)面峰值较强，取向占优；进一步增加衬底温度后，
(002)面的峰值也随之增强，(100)峰消失，在500°C时，我们获得了较好的C轴取向的AlN薄膜；加热至800°C，(002)面的峰值达到最大。在薄膜取向方面，从图3的XRD图谱中可以看出在较低的衬底温度下，薄膜是倾向于(100)面择优取向的，当加热至500°C后，AlN薄膜开始沿C轴生长，(002)面择优取向。这是因为衬底温度会增强铝原子和氮原子的活性，使其扩散能力增加，从而改变其取向特性和结晶。AlN是由四个氮原子围绕一个铝原子叠合形成的四面体结构，在四面体中，Al原子的空轨道和N原子的满轨道形成B2键，比等性的B1键能相对要小，且易断裂，而B1键形成了 AlN (100)，82和&键则共同组成AlN (002)，因此AlN薄膜沿C轴方向生长需要更多的能量。随着衬底温度的升高，吸附原子的能力也将增加，从而易于形成B2键。同时，AlN
(002)是密排面，升高衬底温度会使原子的迁徙能力增强，原子则容易往低能的位置扩散，从而有利于AlN薄膜在(002)面获得择优生长。
权利要求
1.一种高取向AlN薄膜的制备方法，包括衬底Si (100)基片的准备和AlN薄膜的沉积，其特征在于， 所述Si (100)基片的准备步骤为对Si (100)基片进行表面抛光处理后再进行清洗(I)用HF和蒸馏水体积比为1:10的溶液浸泡20分钟，以便去除硅表面粘附的氧化物，(2)放入分析纯丙酮溶液中超声清洗30分钟，除去表面有机物，(3)放入分析纯酒精溶液中超声清洗30分钟，(4)用去离子水超声清洗15分钟，(5)在高纯氮气中吹干后备用； 所述AlN薄膜的沉积步骤为在控制柜打开电源开关，输入激光器所需参数，安装靶材，然后将固定好所述Si (100)基片的衬底托放在生长室样品台上，调整靶材与基片距离到50mm，关闭活开门后，将生长室抽成10_4Pa高真空，然后往生长室内通入氮气达到恒定压强，此时设定一个温度值并开始加温，待温度不再波动到达设定数值后，设置各个实验参数，靶的自转速度为10转/min，衬底托的自转速度为5转/min，调整合适的激光光斑入射位置，设置脉冲激光能量密度为O. 77-1. 60 J/cm2，重复频率设为5Hz，在开始进行薄膜沉积前，用挡板挡住衬底托，对靶材用激光轰击十分钟，以去掉表面的杂质氧化层，拿掉挡板，开始薄膜生长，时间为90min。
2.根据权利要求1所述的一种高取向AlN薄膜的制备方法，其特征在于，所述AlN薄膜的沉积步骤中，恒定压强的范围为0-100Pa，设定的温度值范围为室温-800°C。
全文摘要
本发明公开了一种高取向AlN薄膜的制备方法，包括两个步骤先对Si(100)基片进行表面抛光处理后再进行清洗，然后在Si(100)基片的衬底上沉积AlN薄膜。具体为打开电源开关，输入激光器所需参数，安装靶材，然后将衬底托放在生长室样品台上，调整靶材与基片距离，关闭活开门后，将生长室抽高真空，然后往生长室内通入氮气达到恒定压强，此时设定一个温度值并开始加温，待温度不再波动到达设定数值后，设置各个实验参数，调整合适的激光光斑入射位置，在开始进行薄膜沉积前，用挡板挡住衬底托，对靶材用激光轰击十分钟后拿掉挡板，开始薄膜生长。本发明制备高取向AlN薄膜的衬底温度范围广，从室温到800℃均能达到较高的取向度。
文档编号C23C14/02GK103014622SQ20121052891
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月11日 优先权日2012年12月11日
发明者宋仁国, 李鑫伟, 祝斌, 王超 申请人:常州大学