1、北京冠金利新材料科技有限公司,AIN靶材射频磁控溅射制备AIN薄膜及性质研究,引言,nl一V族半导体氮化物(GaN、AIN、BN、InN)在光学、电学和半导体领域具有很大应用潜能。氮化铝(AIN)具有许多突出的物理化学性能，如宽的直接带隙(5.96.2ev)，大的击穿场强 (10kV/m)，高的热导率3。2w/(cm.K)，良好的化学稳定性，高表面声波速度，高熔点，低的热膨胀系数等。这些性质使它成为微电子学和光学领域内光电器件的绝缘层和缓冲层的最佳材料。 在目前的111一v族半导体氮化物材料研究中，制备高质量AIN薄膜是人们关注的重要问题之一各国学者利用不同的方法合成具有一定择优取向的AIN薄
2、膜，例如，化学气相沉积法 (CvD)，分子束外延法(MBE)，激光烧蚀与沉积法，气相沉积法等，并取得了一些重要的进展。以上方法得到了具有一定应用前景的薄膜，但制备工艺复杂，所需衬底温度高，有的衬底温度甚至达到 1800OC。与以上方法比较而言，射频磁控溅射法是一种大面积、低成本的薄膜制备技术。它具有沉积温度低、可控性强、薄膜结构和表面比较均匀等特点而被广泛应用。 反应磁控溅射作为一种低温薄膜生长技术，近年来在AIN薄膜的制备中受到人们的广泛关注。然而，由于反应磁控溅射过程所涉及的控制参数比较多，所以在不同溅射条件下制备的薄膜在,结构、形貌和物理性质有所不同。目前反应磁控溅射制备AIN薄膜的主要
3、方法:靶材使用Al靶，Ar气作为工作气体，通人不同比例的Ar和NZ的混合气制备薄膜。虽然这种方法制备出来的薄膜具有优良物理性质，但不同的研究者报道的最佳制备条件有很大的差别，对实际应用带来一定的困难。如:Q.x.Guo等人报道制备c轴择优取向AIN薄膜的最佳条件为:工作气压 1。3Pa，功率loow，衬底温度100oC，NZ浓度20%。然而，KuaoHsunChiu等人l2服道最佳条件是:工作气压0.SPa，功率1400w，衬底温度400，NZ浓度80%。相对使用Al靶而言，使用AIN靶溅射AIN薄膜的报道较少，且直接使用AIN靶可以简化各种溅射参数。E.Dogheche等人用AIN作为靶材直
4、接溅射制备得到具有(0002)择优取向的AIN薄膜，并主要研究薄膜的物理性质及其在器件方面的应用，但没有详细讨论各种溅射条件对薄膜结构的影响。 本文在纯NZ气条件下使用AIN做为靶材，在si(100)和玻璃基片上制备(0002)择优取向的AIN薄膜并研究衬底温度对薄膜结构、形貌和光学性质的影响。,实验,氮化铝薄膜制备采用直接射频磁控溅射方法。实验中使用高纯氮化铝靶(AIN， 99.9%，scm)。衬底为Si(100)和普通玻璃。普通玻璃清洗采用传统的化学清洗，即在丙酮和酒精中分别超声清洗10min，然后使用去离子水冲洗于净。51表面的氧化物采用HZo、H2s04和HZoZ的配置混合溶液(配置比
5、例为HZo:HZso4:HZoZ=6:1:2)去除。首先把si片放人混合溶液中并在电炉煮沸10分钟后取出，使用去离子水冲洗，然后在10%的HF溶液中清洗10乡洲冲，最后再用乙醇和去离子水超声清洗备用。样品制备前，本底真空抽到 2xlo一4Pa，以高纯氮气(99.99%)为溅射气体，工作气压为2.oPa，样品生长时衬底温度为室温一370，溅射功率为300w，沉积时间为60min，衬底与靶之间的距离为6cm。表1列出了主要溅射参数。此外本实验中没有出现如董树荣等人网报道的由于高浓度氮气造成的靶中毒现象。 样品的结构是由x射线衍射仪(xRD，日本 Macscienc公司M18xHF22一sRA)测定
6、。薄膜表面形貌和成分用sEM(扫描电子显微镜，德国LEo公司LEo1430vP，附带能量色散x射线谱仪(EDXS)测量表征。薄膜的透射率用紫外一可见分光光度计 (tJv-vis，日本uv一2450)测量完成的。,结果与讨论,薄膜结构分析 图1给出的是不同衬底温度下分别在 si(100)和玻璃衬底上制备的AIN薄膜，用0/Ze祸合扫描衍射模式下扫描的X射线衍射谱(对玻璃衬底只给了370时沉积样品的XRD图)。图谱显示:Si基片沉积薄膜在室温(RT)、150和250时只有si衬底信号，没有任何AIN的特征峰，表明薄膜在此温度范围内均未晶化;当衬底温度加热到37ooe时，在两种衬底上沉积的样品均出现
7、AIN的(0002)衍射峰(20=36.04opDF:65一1902).此时薄膜颜色为透明的淡黄色。从以上XRD结果可以看到，衬底温度是制备结晶薄膜的重要参数，提高基片温度可以促使薄膜的晶化。当衬底温度较低时，溅射出来的粒子能量不足形成有序的结晶态。当衬底温度增加到一定的值后，粒子可以得到足够的能量以克服表面势垒并重排，形成结晶态薄膜。 为了进一步研究薄膜的结构，我们对Si衬底上结晶的样品进行了采用广角x射线衍射样品倾斜扫描模式(sTD)。采用sTD模式扫描时，保持。不变，变化 20.sTD技术可以探测到不平行于样品表面的与深度有关的结构信息。 进行sTD扫描(。=0.60、一5。、2.0。、
8、300、3.50)时，(0002)峰的强度变化如图2所示从图中可以看出当x射线的人射角a二0.60时，探测不到明显信,号。当a=1.50时，AIN(0002)衍射峰开始出现且强度较强。从a=2.00开始，除了(0002)峰外，来自衬底si(3n)衍射峰呈逐渐增强趋势。在STD图谱中，除AIN的(0002)和衬底Si(311)衍射峰外，没发现其它晶面的衍射峰。说明AIN膜的表层和体内晶面是按照(0002)强择优排列的。 通过计算x射线的穿透深度可知，当 a=1.50和a=2.00时x射线的穿透深度分别约为400nm和700nm。从图2中可看出，Si的(311)衍射峰是a=2.0。时开始出现，表明
9、X射线已穿透薄膜并探测到si衬底，据此可以推测薄膜的厚度是在400nm一700nm范围之内。,薄膜成分与形貌分析 在Si衬底上沉积AIN薄膜的EDXS谱。图中可以看出，除衬底Si以外薄膜中含有Al和N两种元素。经过计算可知，AIN薄膜中Al的摩尔百分比略大于N的摩尔百分比，表明薄膜略缺氮。根据文献，表面声学波(SA、V)器件要求AIN的表面粗糙度应该小于30nm.AIN薄膜的表面平滑程度是影响其用于表面声波器件的一个重要因素。在370oC在Si衬底上沉积样品的，扫描范围为1拼 mxl拼m，薄膜表面达到了纳米级别的光滑程度，且均匀、致密，颗粒尺寸较小，呈鹅卵石状，均方根粗糙度(RMS)为4.83
10、nm.本实验是在纯NZ气条件下溅射的，NZ气的溅射率比Ar气低ls，溅射出来的AIN粒子少，薄膜生长速率慢，原子活性较小，这可能导致生长的晶粒尺寸较小。由上述分析可知所制备薄膜满足SAW器件的要求。制备的薄膜具有一定的生长取向，薄膜厚度约为500nm，与图Zx射线STD扫描推测的厚度范围4oonm一7O0nm是一致的.,光学性质分析 图6所示的是衬底温度为150oC、250、370时在玻璃基片上沉积所得AIN薄膜的紫外可见透射光谱图。从图中可以看出薄膜在可见光范围的透射率达80%以上，且随着衬底温度的升高，薄膜的透射率增加。当衬底温度达370时，透射率最大达到90%。图中还可以看出在高温沉积薄
11、膜透射谱的振荡比低温透射谱的振荡明显一般情况下，膜表面越平滑、均匀，光在薄膜表面产生的于涉作用增强，表明在高温沉积的AIN薄膜应该更加平滑和均匀。根据不同波长计算得到在衬底温度为250和370oC时沉积的薄膜的折射率平均值分别为182和 1.95，分别在非晶和多晶薄膜的折射率范围内 .Legrandetallzo报道，晶态AIN薄膜的折射率为 1.9、2.1，非晶态的折射率为1.8、1.9。本实验中高衬底温度下沉积的样品的折射率大于低温沉积的样品。这是因为高温下沉积的样品为结晶相，沉积的薄膜较紧密、均匀。,结论,利用射频磁控溅射法在不同衬底温度下，AIN为靶材制备了具有C轴择优取向的AIN薄膜.结果表明:以AIN靶沉积的薄膜的结构依赖于沉积时的基片温度.在衬底温度为室温、150和250下沉积的样品为非晶薄膜.当衬底温度为370时，在Si和玻璃衬底上所沉积样品均为钎型矿结构的(0002)择优的多晶AIN薄膜.在Si衬底上沉积的薄膜的表面较平滑，表面粗糙度是4.83nm在玻璃衬底上沉积薄膜的折射率随着衬底温度的提高而增加，衬底温度为370沉积的样品的折射率是 1.95。,谢谢观赏,北京冠金利新材料科技有限公司,
