本发明涉及一种经掺杂纤锌矿型铝氮化物压电薄膜材料的制备方法，该方法包括下列步骤：将靶材和衬底提供给沉积设备，例如脉冲激光沉积设备或物理气相沉积设备，其中该靶材材料是经掺杂的铝氮化物复合物，其中掺杂元素为稀土元素，优选为钪；通过操作该沉积设备而在该衬底上沉积该靶材材料的第一层，其中被沉积的等离子体颗粒的动能高于第一阈值；以及，通过操作该沉积设备而在该第一层的顶部上沉积该靶材材料的第二层，其中被沉积的等离子体颗粒的动能低于第二阈值。对于本发明而言，等离子体颗粒的动能通过以电子伏特(ev)所测量的等离子体温度所界定。等离子体温度是每个颗粒的热动能的通用量度(common measure)。
背景技术：
1、从例如本案申请人名下的ep 3340327中已知利用脉冲激光沉积装置来制造压电材料。从此公告物还可得知在针对每一层使用不同的处理参数的情况下将靶材材料的两或更多层涂覆于衬底上。
2、ep 3340327教导的是，针对第一层使用低沉积速率，而针对第二层及更后续的层使用高沉积速率。与仅使用高沉积速率而生长的压电材料相比，这确保该第二层具有较少的不规则晶体结构。
3、当经掺杂的铝氮化物复合物，特别是钪铝氮化物，被用于制造压电材料时，已知能通过提高钪的浓度而提高压电响应。(参见morito akiyama et.al.(2009)“influence ofgrowth temperature and scandium concentration on piezoelectric response ofscandium aluminum nitride alloy thin films”.applied physics letters 95,162107(2009))。
4、然而，如果将掺杂浓度提升至较高数值(＞20％钪)，则非所期望的特征便会开始出现在膜表面上。使用扫描式电子显微镜(sem)可以看到这些特征在已沉积层的表面上成为三角形区域，称为倒置领域。已知这些倒置领域会对钪铝氮化物薄膜的性质造成负面影响。因此，抑制倒置领域的数量是很重要的。
5、如果掺杂元素的浓度被进一步提升至超过某个数值(例如，＞43％)，则会观察到压电响应急剧下降。这是由于钪铝氮化物的非极性岩盐型结构的相转变所引起的，其中该非极性岩盐型结构不再具有压电性质。因此，期望的是，尽可能地在最高掺杂浓度下维持该纤锌矿相。在观察到压电响应急剧下降时的倒置领域数量和浓度取决于衬底与靶材材料层之间的界面。(参见:simon fitchner et.al.(2017)“identifying and overcoming theinterface originating c-axis instability in highly sc enhanced aln forpiezoelectric micro-electromechanical systems”journal of applied physics 122,035301(2017))。
6、为了改善该衬底与该靶材材料层之间的界面，已知可以使用物理气相沉积而在晶片的表面上，或上方需要应用钪铝氮化物薄膜的电极堆叠件的表面上施加预清洁处理，例如蚀刻、研磨或钝化。此外，可以使用另一靶材材料来涂覆第一薄层，该另一靶材材料通常是未经掺杂的铝氮化物，或是钪浓度比第二主体层的钪浓度更低的经钪掺杂铝氮化物。该第一层是作为稳定经高度掺杂的钪铝氮化物的第二主体层的纤锌矿相所用的模板。这些步骤需要额外的(昂贵的)设备，并且会使薄膜制造处理减慢。
7、利用这些额外步骤，能够在商业生产设施中使用钪作为掺杂元素且浓度高达约30％，而在实验室环境中浓度高达约43％。(参见:morito akiyama et.al.(2009)“influence of growth temperature and scandium concen-tration on piezoelectricresponse of scandium aluminum nitride alloy thin films”.applied physicsletters 95,162107(2009))。
8、根据理论计算，纤锌矿钪铝氮化物在浓度达到56％时是稳定的(参见:m.a.moram(2014)“scgan and scaln:emerging nitride materials”.journals of materialschemistry a,2014,2,6042-6050；miguel a caro et.al.(2015)“piezoelectriccoefficients and spontaneous polarization of scaln”journal of physics:condensed matter,27(2015)245901)。然而，至少在目前的情况下，使用清洁处理和/或具有较低sc掺杂的晶种层达到高达56％的高浓度似乎是不可能的。
技术实现思路
1、因此，本发明的目的是减少上述缺点，同时能够使用例如脉冲激光沉积设备或物理气相沉积设备之类的沉积设备来制造由经掺杂的铝氮化物复合物所制成的压电薄膜材料。
2、根据本发明，该目的是利用根据前言的方法来实现的，其特征在于第一阈值大于第二阈值。因此，第一层中的应力通常低于第二层中的应力。
3、通过沉积具有靶材材料的第一层，其中被沉积的等离子体颗粒的动能高于第一阈值(即，高层级)，该衬底实际上被清洁和平滑化，使得形成倒置领域的机会因为衬底的质量而显著降低。当随后沉积靶材材料的第二层时，其中所沉积的等离子体颗粒的动能低于第二阈值(即，低层级)，靶材材料的该第二层可以在最佳条件下生长，同时减少形成倒置领域的机会，且因此比起未利用高层级的颗粒动能沉积第一层的情况而可以在纤锌矿铝氮化物中使用较高浓度的掺杂元素。
4、根据本发明的方法的进一步优点在于仅使用单一靶材材料，这有助于提高制造的压电薄膜材料的质量，且不会因为更换靶材材料或针对第一层的形成使用额外反应器而造成处理延迟。此外，提高制造设备成本的清洁室的使用也被避免。
5、进一步地，靶材材料的第二层被直接涂覆于靶材材料的第一层上，而无需先将衬底移动到清洁位置，进行清洁处理后，再将具有清洁后衬底或电极表面的衬底移动至涂覆另一靶材材料的层的位置。因此，与已知的物理气相沉积方法相比(其中使用三个单独的室(清洁、第一层，以及使用与该第一层不同的靶材材料的第二层))，本发明的方法可以使用于单一室。
6、在根据本发明的方法的优选实施方案中，该靶材材料的该第一层是在未对该衬底进行任何临时处理(interim treatment)的情况下而被沉积于该衬底上。该衬底可以是晶片、任何钝化层，或者可以是电极层。
7、利用本发明，仅改变第一层和第二层之间的处理参数，而不需要衬底和/或靶材材料的物理位移以得到经掺杂的铝氮化物薄膜。
8、在根据本发明的方法的进一步优选的实施方案中，该第一阈值大于90ev，优选落在100ev至160ev的范围内。这导致第一层的应力小于-400mpa(百万帕)。利用具有如此高动能的等离子体颗粒沉积靶材材料可以确保在其上生长靶材材料的第二层所用的最佳表面，这允许高浓度的掺杂元素，而这以其他方式是不可能的，因为许多倒置领域可能会形成和/或将会发生相转变，且所制造的薄膜材料将失去压电性质。
9、在根据本发明的方法的又进一步优选的实施方案中，该第二阈值小于90ev，优选落在40ev至80ev的范围内。这导致第二层的薄膜应力通常落在-400mpa至+600mpa的范围内。这种相对较低的等离子体颗粒动能确保靶材材料的第二层的最佳生长，而这最终将会为薄膜材料提供所期望的压电性质。
10、虽然，等离子体颗粒到达衬底时所具有的动能与本发明所达到的效果直接相关，但实际上已证实等离子体颗粒的动能难以被准确测量。目前使用探针来测量等离子体颗粒的动能。这种探针需要被设置在靠近衬底表面。此外，如果要测量由脉冲激光沉积设备所产生的等离子体颗粒的动能，则非常短暂的激光脉冲，以及因此产生的等离子体会进一步提高可靠地测量动能的困难性。
11、因此，常用的方法是从由所述等离子体颗粒而沉积的层中所产生的应力推导出等离子体颗粒的动能。该应力可以通过使用例如曲度计(bow meter)而被准确测量。
12、与上文一致，这为根据本发明的方法的替代实施方案，其中等离子体颗粒的动能是从所述等离子体颗粒所沉积的该层中的应力推导出，且其中在沉积该第一层时，通过将该第一层中的该应力保持低于-500mpa，优选低于-1000mpa，而使所述等离子体颗粒的该动能高于该第一阈值。
13、在根据本发明的方法的另一替代实施方案中，其中所述等离子体颗粒的该动能是从所述等离子体颗粒所沉积的该层中的应力推导出，且其中在沉积该第二层时，通过将该第二层中的该应力保持高于-500mpa，较佳系落在-400mpa至+600mpa的范围内，而使所述等离子体颗粒的该动能低于该第二阈值。
14、在根据本发明的方法的进一步实施方案中，该靶材材料的该第一层的厚度落在10nm至50nm(纳米)的范围内。在高动能下沉积如此厚度的膜期间，晶片或电极的暴露足以提供必需的表面清洁。此外，这样的厚度足以提供对于第二层的高质量界面，且允许高浓度的掺杂元素，而没有相转变的机会。
15、在根据本发明的方法的进一步的实施方案中，该掺杂元素的浓度为该靶材材料的至少20％。