AlN氮化铝薄膜 ——童桂杰

1、AlN薄膜的晶体结构，性质，特点，用途   6、不通溅射气压下制备AlN 薄膜 7、不同的溅射功率下制备AlN薄膜

AlN 是Al、N 稳定的化合物，属Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体。 AlN 的结构主要有两种：一种是立方晶系的闪锌矿型晶体结构；另一种是六方晶系的纤锌矿型晶体结构（AlN陶瓷和AlN薄膜都属于此种结构）。 AlN 六方纤锌矿晶体结构图

AlN 电学性质,光学性能,化学性质,机械性能 AlN 具有高硬度、高热导率、耐高温性、介电常数大、化学稳定性等优良的综合性能，与S i 和GaAs 有较好的热匹配，使得AlN 成为很有潜力的电子封装材料。同第一、二代半导体材料相比，作为宽禁带的第三代半导体材料，非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件，而利用其特有的禁带宽度，还可以制作蓝、绿光和紫外光的发光器件和光探测器件。 1.4.1 声表面波器件 1.4.2 冷阴极材料及高频大功率器件材料 1.4.3 磁光记录材料表面增透膜 1.4.4 做绝缘埋层 1.4.5 红外光学器件保护层

AlN作为一种具有优异性能的Ⅲ一V氮化物半导体材料，已引起人们极大的重视。目前，其应用主要体现在以下几个方面 (1)压电材料。由于氮化铝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，其在高频、高温、高压电子器件领域有着巨大的应用潜力，而纤锌矿结构的AIN薄膜具有高速率声波学的压电特性，其表面声学 波速达到6×105cm／s，在已知的压电材料中是最高的，并具有较大的机电耦合系数，因此氮化铝是作为吉赫兹级声表面波器件压电薄膜的优选材料，可用于制备高频表面波器件，特别适合于制作声波传感，用AIN压电薄膜取代Zn0薄膜制作吉赫兹频带SAW器件，其测试性能优于相应的ZnO薄膜SAW器件。

2)外延缓冲层材料。由于AlN具有高热导、低热膨胀以及较宽带隙的优点，而且与GaN、InN晶格有较好的匹配，用AlN作为缓冲层能显著提高GaN、InN外延薄膜质量，明显改善其电学与光学性能，因此成为GaN、InN薄膜外延缓冲层的理想材料，而GaN作为第三代半导体材料，是 国内外研究的热点。例如，在蓝宝石上外延生长一层AlN可以作为二维生长GaN层的模板层，减少因GaN与蓝宝石衬底之间大的晶格失配而引起的应变，大大提高了GaN器件的性能和寿命。 (3)发光层材料。A1N可以作为蓝光紫外光的发光材料，如果进行掺杂或者制作复合膜，发光光谱将覆盖整个可见光区域。例如，掺Er的AlN薄膜可以实现在1．54t-m处红外发光和在可见绿光区域发光，以此可以制成电致发光器件Ⅲ1；用A1N与OaN、InN组成三元系，其禁带宽度在0．7～6。2eV之间可调，适于制作从红外到紫外光的发光器件和探测器件。A1N还能与GaN形成合金AIGaN，从而用于制造基于A1GaN／GaN的电子和光电器件。

AlN 薄膜的制备技术 实用的AlN 薄膜生长技术只能是气相生长(主要)或液相生长 磁控反应溅射法(MRS） 化学气相沉积法(CVD) 反应分子束外延法(MBE) 离子束辅助沉积法（IBAD） 脉冲激光沉积法(PLD) 等离子体辅助化学气相沉积法(PACVD) 金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD)

磁控反应溅射方法沉积AlN 薄膜 沉积参数 衬底温度、氮气浓度、工作气压、溅射功率等 制备出具有高择优取向的AlN 薄膜，采取两步工艺法，首先采用多功能离子源溅射沉积Al、N 界面过渡层，调解界面工艺参数制备高择优取向的AlN 薄膜。 对于多晶择优取向薄膜，薄膜的择优取向度和晶粒度在很大程度上能够表征薄膜的质量。

从考察AlN 薄膜的择优取向和晶粒尺寸入手，研究了工艺参数对在45 钢衬底沉积的AlN 薄膜的组织结构和结晶性能的影响。 采用衍射强度R 的方法来表示薄膜的取向，取AlN 的PDF 卡片中(卡片号:25-1133)的三个特征线（100）、（002）、（101）的强度作为标准，定义R 为（hkl）晶面的择优取向度, 采取3.1 式计算：  

一、不同衬底温度下制备AlN 薄膜 本节试验采用单靶磁控反应溅射沉积AlN 薄膜,考察了衬底温度在20℃～490℃范围的影响。 其它的工艺参数为： 靶基距5.0cm， 溅射气压0.6Pa， 氮气浓度25%， 溅射功率150W， 沉积时间180min。

衬底温度对薄膜结晶性能和组织结构的影响

从图3.1 中可以看出 1、衬底温度20℃（20℃水冷却）时，XRD 衍射图谱上无明显的衍射峰，万用表测试发现镀膜的表面不导电，此时衬底上形成可能是一层非晶态的AlN 膜。 2、当衬底处于等离子体自加热时，衍射图谱上同时有（100）、（002）晶面衍射峰，（100）衍射峰稍高。测试表明，反应磁控溅射镀膜时等离子体自加热的衬底温度在85℃左右。 3、当衬底温度增加到130℃时，薄膜主要呈现出（002）晶面择优取向。4、衬底温度从200℃升至400℃过程中，薄膜取向主要为（002）晶面，其峰不断锐化，说明在此过程中薄膜的晶粒不断的增大。 5、然而当温度到490℃时，衍射图谱上又出现了（100）、（101）晶面的衍射峰，取向又趋于混合化。，

不同衬底温度下AlN 薄膜的择优取向和晶粒度计算结果见表3.1

3、在300～400℃时，衬底温度对AlN 薄膜择优取向的影响甚微。 4、当衬底温度升高到490℃后，由于衬底表面吸附原子在各个晶面或晶界中扩散加快，薄膜生长过程中的应变能将会减少，使得热力学因素对薄膜择优取向的影响程度减弱，导致（100）、（ 101）等晶面相对（002）晶面生长速率加快，薄膜会再次由（002）晶面择优取向逐渐转变为混合晶面取向，取向性反而下降。   随着衬底温度的升高，吸附原子在衬底表面水平方向平行运动的动能随着增大，表面扩散能力增强，跨越表面势垒的几率增多，在衬底上容易发生迁徙和重排，衬底表面就会形成结晶良好的AlN 薄膜

不同基地温度下薄膜表面形貌的SEM 图 a) 20℃ b) 自加热（85℃） c) 260℃ d) 400℃

从图 3.2 中可以看出 1、不同温度下的AlN 薄膜表面形貌具有很大差异， 3、衬底处于等离子体自加热时, 薄膜的表面开始有均匀的颗粒生成，颗粒形状呈圆包状； 4、当衬底温度加热到260℃时，薄膜结晶化程度有着明显的改善，同时也更加致密化，但晶粒较为细小； 5、衬底温度进一步升高到400℃时，薄膜更加结晶化和致密化，表面生成规整的晶粒，呈圆柱状，其晶粒尺寸在100～200nm 之间

从XRD图可以看出：   结论：  

三、不通气压下制备AlN 薄膜 在直流磁控溅射过程中，溅射气压是一个重要的参数，它对溅射速率以及薄膜的质量都具有很大的影响。本节实验选择的双靶聚焦共沉积AlN 薄膜，工作气压的范围为0.3— 1.6 Pa。 其它的工艺参数为： 靶基距9.0cm， N2 浓度为25%， 衬底温度330℃， 溅射功率150W。 在相对较低气压条件下：阴极鞘层厚度较大，同时低压电子自由程较长，电子到达阳极的几率增大，原子的电离过程多发生在距离面较远的地方，因而阳离子的运动至靶材处的几率较小。在气压低于0.2 Pa 时，本试验采用的反应磁控溅射的放电状态开始变得不稳定，以至于不能自持放电。 随着气体压力的升高：电子的平均自由程减小，原子的电离率增加，溅射速率提 高。但气压过高时溅射出来的Al 原子在飞向衬底的过程中将会受到过多的散射，这造成入射到衬底表面的原子或原子团的能量降低，使得沉积的粒子扩散能力降低，不利于AlN 薄膜的结晶和致密化，而且也降低了溅射沉积的速率，因此选择 合适的溅射气压对控制薄膜的质量显得非常重要

结合图 3.4 和表3.3 的数据，可以看出： 1、当工作气压在0.3P a 时，薄膜呈(100)、(002)、(101)混合晶面取向，具有(002)晶面择优取向，其择优取向度为2.74 2、当气压增至0.6Pa 时，(100)衍射峰的强度随之有明显的增加，半高宽减小，衍射峰变得尖锐，而其他的衍射峰几乎消失，此时P100=2.26，晶粒度为92.1nm 3、当工作气压继续升至0.9P a 时， (100)晶面衍射峰的强度急剧减弱，半高宽并没有太大的变化，这说明工作气压从0.6Pa 下降到0.9Pa 只是降低了薄膜的衍射强度，对薄膜的结晶质量并没有产生大的影响，此时P100=2.21，晶粒度为62.0nm 4、溅射气压在1.2Pa 时，薄膜XRD 图谱仍有AlN（100）晶面的衍射峰，说明薄膜仍为结晶状态，此时P100=1.52，晶粒度为57.6nm。当气压升至1.6Pa 时，薄膜XRD 图谱中就看不到AlN 特征衍射峰，此时生成的薄膜可能为非晶态的AlN 薄膜。

图 3.5 不同气压下薄膜的表面形貌 a)0.3Pa b)0.6 c) 0.9Pa d)1.2Pa

图 3.5 为不同气压下AlN 薄膜的颗粒形貌 1、溅射气压0.3Pa 时，薄膜生长速率较快，沉积衬底在表面的原子或原子团还没有来得及完全扩散就被下一个原子或原子团所掩盖，使得晶粒难以长大，表现为颗粒较小，如3.5a 所示。 2、从图3.5b、c 看出，溅射气压上升到0.6Pa、0.9Pa 时，薄膜的生长速率下降，为薄膜晶粒的长大赢得了时间，薄膜的晶粒尺寸明显的长大，溅射气压在0.6～0.9Pa 溅射范围内变化时，薄膜的表面形貌变化不明显； 3、在气压上升1.2Pa 时薄膜的晶粒变小，表面显得略微光滑。 薄膜的溅射气压的变化会影响粒子的平均自由程，溅射气压较低时，溅射粒子平均自由程长且与其他气体粒子碰撞几率小，系统内部能量高，有利于（002）晶面择优取向生长；溅射气压较高时，溅射粒子平均自由程短且与其他气体粒子碰撞几率增加，系统内部能量低，有利于（ 100）晶面择优取向；当溅射气压增加到一定程度时，到达衬底的溅射粒子能量低，系统内没有足够的能量生成晶态AlN 薄膜，XRD 衍射图谱上呈现出宽化的漫散射峰，但测试发现在此工艺条件下沉积的Al 薄膜的衬底表面电阻率显著增大，说明沉积得到的有可能是的非晶AlN 薄膜。

四、不同的溅射功率下制备AlN薄膜 采用直流磁控溅射的方法制备AlN薄膜，实验中选用铝靶材的纯度为99.995%直径为60mm,厚度为5mm,工作气体Ar和反应气体N2纯度均为99.995%,选用Si为基片。在沉积之前须用5%的IIF清洗Si片,除去其表面的氧化层,然后再用酒精和丙酮进行超声清洗。沉积前，挡上挡板，将靶材先预溅射15min以除去靶面的三氧化二铝层，通氮气后，再预溅射10min,待靶的电流和电压充分稳定再露出基片,以保证薄膜初始沉积就有良好的取向.

AlN压电薄膜应用于表声波器件,其结构必须具有良好的晶面择优取向。 当溅射功率为35W 和50W时，AlN薄膜均以(100)面择优取向，衍射峰强度高,半高宽窄。 当功率为65W 和80W时,AlN薄膜的择优取向程度变差,同时出现了(100),(002),(101),(110)。当功率继续增大到100W 时,由于溅射速率过快,溅射出的Al原子来不及氮化就飞向基片,造成Al多N少的Al薄膜,因而在XRD图出现了Al的（200） 和（220）衍射峰. AlN薄膜的XRD图

AlN薄膜的AFM（原子力显微镜视图）

图a和图b是溅射功率为35W时，原子力显微镜的平面视图和三维视图， 图c和图d分别是溅射功率为50W和60W时AlN薄膜试样的AFM三维视图。 从平面图可以看出AlN薄膜的晶粒尺寸均匀，致密，平均晶粒大小大约在60nm左右。从三维视图可以看出：随着溅射功率的增大，表面粗糙度逐渐增大。 功率 粗糙度 表面最高突起 AlN平均晶粒大小 35W 2.59nm 21.0nm 60nm 50W 3.09nm 26.3nm 60W 3.78nm 38.3nm 溅射功率的增大，薄膜表面粗糙度增大。

原因： 增大靶的功率的过程中对表面粗糙度的影响有两个方面： 一：由于沉积速率过快，减小Al和N原子在基片表面的扩散长度,使之晶化速度减慢,从而使表面粗糙。 二：为了降低总的表面能+细小晶粒间有一种聚合作用，溅射速率过快，使细小晶粒间的聚合作用减小，这一过程会使表面平滑。 结论： 1)溅射功率对薄膜的晶面取向影响较大，当功率在35W时60W薄膜以(100)面择优取向，随着溅射功率的增大，薄膜择优取向程度变差，甚至出现Al相。 2)通过对薄膜表面粗糙化机理的研究，发现随着溅射功率的增大，沉积速率加快，减小了原子在表面的扩散长度。使沉积原子的晶化速度减慢，从而导致表面粗糙。

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