CN104805405A

CN104805405A - 一种氮化铝压电薄膜及其制备方法

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Publication number: CN104805405A
Application number: CN201510150589.8A
Authority: CN
Inventors: 刘兴钊; 李川; 张万里; 彭斌; 舒琳
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2015-04-01
Filing date: 2015-04-01
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2035-04-01
Also published as: CN104805405B

Abstract

一种氮化铝压电薄膜及其制备方法，属于压电薄膜制备技术领域。该氮化铝压电薄膜，包括钛合金基片，所述钛合金基片上由下而上依次设置有氮化铝过渡层和氮化铝功能层，所述氮化铝过渡层中铝元素与氮元素的比例范围为1:1.3～1:1.5，氮化铝功能层中铝元素与氮元素的比例范围为1:0.9～1:1.1，氮化铝过渡层和氮化铝功能层的整体厚度范围为1.5～6μm，c轴取向，应力范围为50～500MPa。本发明采用同质过渡层技术，通过引入过渡层，提高了薄膜的附着性，克服了钛合金表面粗糙度大的不利影响，在与氮化铝晶格匹配度低的钛合金表面制备了高取向低缺陷的氮化铝薄膜。利用中频磁控溅射设备制备氮化铝薄膜，工艺简单易行，沉积速度快，成本低廉；适用于制备氮化铝压电薄膜。

Description

一种氮化铝压电薄膜及其制备方法

技术领域

本发明属于压电薄膜制备技术领域，涉及一种氮化铝压电薄膜及其制备方法，尤其是涉及一种在钛合金基片表面低温沉积的高取向氮化铝薄膜以及其制备方法。

背景技术

Ⅲ-Ⅴ族化合物氮化铝(AlN)是一种具有六角铅锌矿结构的宽禁带半导体材料，具有一系列优异的物理和化学特性，如：高热导率、低热膨胀系数、高电阻率、高压电系数、高声表面波传播速度、击穿电压高、化学性质稳定以及良好的光学性能等。因此氮化铝材料在机械、微电子、光学，以及电子元器件、声表面波器件(SAW)、薄膜体声波器件(FBAR)等通信和功率半导体器件领域有着广阔的应用前景。

声表面波传感器具有无线、无源的特点，因此可以用于高温、高压、电磁辐射及有害气体等各种极端环境下工作，对温度、压力、气体浓度、加速度等环境参量进行实时监测。在声表面波应用方面，氮化铝薄膜相对其他常用压电薄膜具有极高的声表面波传播速度，可以在不减小器件尺寸的情况下提高声表面波器件的中心频率。高质量的氮化铝薄膜声传播损耗小，机电耦合系数大，而且其制备和MEMS加工工艺可以和传统IC工艺兼容，这些优势奠定了AlN在声表面波器件领域的优势。

钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域，因此可以考虑将其应用在声表面波器件中。

而目前对AlN薄膜的研究主要停留在硅片、蓝宝石、碳化硅以及金刚石等单晶基片上，但其存在附着性差或晶体质量差的问题，而对于将钛合金作为基片并在其表面直接沉积氮化铝薄膜的研究还亟待研究开发。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在钛合金基片表面沉积高取向氮化铝层的氮化铝压电薄膜及其制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种氮化铝压电薄膜，包括钛合金基片，所述钛合金基片上由下而上依次设置有氮化铝过渡层和氮化铝功能层，所述氮化铝过渡层中铝元素与氮元素的比例范围为1:1.3～1:1.5，氮化铝功能层中铝元素与氮元素的比例范围为1:0.9～1:1.1，氮化铝过渡层和氮化铝功能层的整体厚度范围为1.5～6μm，c轴取向，应力范围为50～500MPa。

具体的，所述氮化铝过渡层的厚度范围为50～600nm。

为了制备上述氮化铝压电薄膜，所采用的制备方法，包括以下步骤：

A.对钛合金基片的表面进行抛光处理，清洁后将其放入中频溅射反应装置内；

B.将完成步骤A的钛合金基片加热到350～450℃，进行真空热处理，待钛合金基片的温度降至室温后，向中频溅射反应装置中通入纯氩气，对钛合金基片进行预溅射，预溅射条件如下：溅射气压为0.3～0.6Pa，功率为200～400W，溅射时间为10～30s；

C.通入氩气和氮气的混合气体，其中氮气的分压不低于40％，在完成步骤B的钛合金基板表面沉积氮化铝过渡层，溅射条件如下：溅射气压为0.6～1Pa，溅射功率为1500～2000W，溅射时间为5～60min；

D.通入氩气和氮气的混合气体，其中氮气的分压为20％～30％，在氮化铝过渡层上沉积高(0002)择优取向的氮化铝薄膜，其溅射条件如下：溅射气压为0.7～1.1Pa，溅射功率为2000～3000W。

具体的，步骤A中的对钛合金基片的抛光处理具体包括

A1.依次使用P400、P600、P800、P1200及P2000的水磨砂纸对钛合金基片进行表面抛光处理；

A2.采用纳米氧化铝抛光膏对完成步骤A1的钛合金基片进行表面抛光处理。

具体的，所述步骤A中的清洁具体包括为，将抛光处理后的钛合金基片依次浸入丙酮、乙醇及去离子水中超声清洗，然后利用去离子水冲洗钛合金基片表面，最后用干燥的氮气吹干。

具体的，所述溅射靶靶材为纯度大于99.999％的铝靶，所述氩气为高纯氩气，氮气为高纯氮气。

进一步的，所述步骤B或C或D中，在通入纯氩气或氩气和氮气的混合气体之前，中频溅射反应装置的真空反应腔内的背底真空度小于3×10^-4Pa。

进一步的，所述步骤C和D中，通入氮气之后，先在氮气分压为40％～50％的条件下预溅射30min，然后将氮气分压调节至其工作点预溅射30min，使电压和电流稳定在工作点。

优选的，所述溅射靶为双铝靶平行布置，钛合金基片固定在溅射靶前方的夹具上，夹具在自转的同时围绕双铝靶中心做行星旋转。

本发明的有益效果是：本发明采用同质过渡层技术，先在钛合金基片上预溅射氮化铝过渡层，而后在该过渡层上溅射氮化铝功能层，通过引入过渡层，提高了薄膜的附着性，克服了钛合金表面粗糙度大的不利影响，在与氮化铝晶格匹配度低的钛合金表面制备了高取向低缺陷的氮化铝薄膜。利用中频磁控溅射设备制备氮化铝薄膜，工艺简单易行，沉积速度快，所采用的基片为普通钛合金工件，成本低廉，环保性能好，易于实现工业化应用。本发明适用于制备氮化铝压电薄膜。

附图说明

图1是本发明的氮化铝压电薄膜的结构示意图；

图2是本发明的氮化铝压电薄膜的制备流程示意图；

图3是本发明制得的氮化铝压电薄膜的X射线衍射θ-2θ扫描图和AlN(0002)峰摇摆曲线图；

图4是本发明的氮化铝压电薄膜的EDS分析图；

图5是本发明的氮化铝压电薄膜的SEM表面形貌图；

其中，1是钛合金基片，2是氮化铝过渡层，3是氮化铝功能层。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

如图1所示，本发明的氮化铝压电薄膜，包括钛合金基片1，所述钛合金基片1上由下而上依次设置有氮化铝过渡层2和氮化铝功能层3，所述氮化铝过渡层2中铝元素与氮元素的比例范围为1:1.3～1:1.5，即为富氮氮化铝层，氮化铝功能层3中铝元素与氮元素的比例范围为1:0.9～1:1.1，氮化铝过渡层2和氮化铝功能层3的整体厚度范围为1.5～6μm，c轴取向，应力范围为50～500MPa。

氮化铝薄膜择优方向有两种：a和c轴相互垂直。选择c轴取向生长是为了在合金表面制作声表面波传感器。具有择优取向的AlN薄膜，a轴方向声速约5600m/s，c轴声方向速约12000m/s，选择c轴取向生长是为了使表面波以a方向传播。

也可以选择其他过渡层，优先选用氮化铝过渡层(即与功能层同质的同质过渡层)的原因如下：(1)选择同质过渡层对设备和工艺的要求相对简单，不需要其他原料和加工工序，整个沉积过程连续可控；(2)过渡层的一个重要目的是为了增加AlN薄膜和钛合金的附着力，富氮过渡层中的氮原子可以与钛合金表面的原子发生反应，生成氮化钛，极大的增加了压电半导体薄膜在金属表面的的附着能力；(3)富氮过渡层中存在大量的缺陷，可以缓释由于AlN和合金晶格失配造成的应力，以及在高温应用时的热应力；(4)同质过渡层可以使合金表面平坦化，并且为功能层AlN薄膜生长提供具有初步择优方向的仔晶。

为了达到更好的薄膜附着性，所述氮化铝过渡层的厚度范围为50～600nm。如此设计是有两方面考虑：首先，过渡层在此厚度已经可以达到增加附着的效果，同时还可以将抛光后的合金表面平坦化，提供有C轴择优方向的仔晶，其次，如果过渡层太厚，会造成过渡层中AlN仔晶的长大，增大过渡层表面粗糙度，反而不利于功能层薄膜的一致生长。

如图2所示，制备上述氮化铝压电薄膜的方法包括以下步骤：首先，对钛合金基片的表面进行抛光处理，清洁后将其放入中频溅射反应装置内；其次，加热钛合金基片并进行真空热处理，待其温度降至室温后，通入纯氩气，进行预溅射，预溅射条件如下：溅射气压为0.3～0.6Pa，功率为200～400W，溅射时间为10～30s；再次，通入氩气和氮气的混合气体，氮气分压不低于40％，在钛合金基片表面沉积氮化铝过渡层，溅射条件如下：溅射气压为0.6～1Pa，溅射功率为1500～2000W，溅射时间为5～60min；最后，通入氩气和氮气的混合气体，氮气分压为20％～30％，在氮化铝过渡层上沉积高(0002)择优取向的氮化铝薄膜，溅射条件为：溅射气压0.7～1.1Pa，溅射功率2000～3000W。

实施例

制备上述氮化铝压电薄膜的具体操作步骤如下：

1.选取钛合金板作为基片，所述钛合金板可选用TC4合金板，并依次使用P400、P600、P800、P1200及P2000的水磨砂纸对钛合金基片进行表面抛光处理，而后再使用纳米氧化铝抛光膏对钛合金基片进行表面抛光处理。

P400、P600、P800、P1200及P2000是砂纸的粒度，数字越大表明砂粒越细数字越小表明砂粒越粗。

2.将钛合金基片依次浸入丙酮、乙醇及去离子水中超声清洗20min，然后利用去离子水冲洗钛合金基片表面3min后用干燥的氮气吹干，而后将其放入中频溅射反应装置内等待稍后进行磁控反应溅射。

3.将钛合金基片加热到350～450℃，优选的温度为400℃，而后对其进行30min的真空热处理，待其降至室温后且真空反应腔内的背底真空度小于3×10^-4Pa时，通入高纯氩气，通过Ar气辉光放电对铝靶表面进行轰击，进行预溅射，对钛合金基片表面进行活化处理，其中，溅射气压为0.3～0.6Pa，功率为200～400W，溅射时间为10～30s，优选的，气压为0.4～0.5Pa，中频溅射功率为400W。所述高纯氩气即纯度高于99.999％的氩气。

4.控制真空反应腔内的背底真空度小于3×10^-4Pa时，通入高纯氩气和高纯氮气的混合气体，其中高纯氮气的分压不低于40％，先在40％～50％氮气分压下预溅射30min，然后将氮气分压调节至其工作点预溅射30min，使电压和电流稳定在工作点。这个工艺步骤是为了让靶进入中毒状态。而后在钛合金基片表面沉积氮化铝过渡层，溅射条件如下：溅射气压为0.6～1Pa，溅射功率为1500～2000W，溅射时间为5～60min。由于本步骤沉积氮化铝过渡层，而过渡层本身对氮气的分压要求为不低于40％，因此40％～50％氮气分压就可以直接作为其工作点进行预溅射，而无需调整氮气分压。

一般而言，对于实验设备来说，3000W功率下，稳定后电压为563V，电流为5.3A，其工作点即为上述参数值。工作点的选取需要先测试溅射曲线，确定靶中毒对应的工作条件，然后选取接近靶中毒的一个点作为工作点，以达到最快的生长速度。

5.通入氩气和氮气的混合气体，先在40％～50％氮气分压下预溅射30min，然后将氮气分压调节至其工作点，即氮气分压为20％～30％，预溅射30min，使电压和电流稳定在工作点。而后，稳定氮气的分压为20％～30％时，在氮化铝过渡层上沉积高(0002)择优取向的氮化铝薄膜，其溅射条件如下：溅射气压为0.7～1.1Pa，溅射功率为2000～3000W。本步骤在生长氮化铝功能层时，需要通过前述步骤先将靶中毒，然后降低氮分压，使铝靶处于接近退出中毒态的工作点。

为了保证溅射效果，在溅射过程中选取的溅射靶靶材为纯度大于99.999％的铝靶。优选的，所述溅射靶采用双铝靶平行布置，钛合金基片固定在溅射靶前方的夹具上，夹具在自转的同时围绕双铝靶中心做行星旋转，从而实现大面积均匀制膜。溅射靶与钛合金基片的距离为7～9cm，以便实现最佳的溅射效果。

通过图3可知，通过本技术方案能够成功在TC4钛合金基板上生长出高(0002)择优取向的氮化铝薄膜，其Omega摇摆曲线半宽高FWHM＝2.469°，达到了制作高性能声表面波器件所需的高(0002)择优取向的氮化铝薄膜的要求。

图4为实例的AlN薄膜的能谱仪(EDS)分析图。从图中能谱分析结果可以看出，由本技术方案获得的AlN薄膜铝氮比接近理想值1:1。AlN薄膜绝缘，由于SEM检测需要做喷金处理，故而能谱上有导电材料金的峰，计算薄膜成份时可忽略。

图5由SEM(扫描电镜)表面形貌图可知，薄膜表面晶粒大小均匀，排列紧密，没有明显空隙，适合制作薄膜型SAW器件。

由上可知，本技术方案利用中频磁控溅射设备制备氮化铝薄膜，具有工艺简单，沉积速度快的优点，并且整个沉积过程在常温下进行，具有沉积温度低的优势；通过引入过渡层，提高了薄膜的附着性，克服了合金表面粗糙度大的不利影响，在与氮化铝晶格匹配度低的钛合金表面制备了高取向低缺陷的氮化铝薄膜。此外，该方法具有工艺简单、成本低、重现性好、可移植性强等优点。

Claims

1.一种氮化铝压电薄膜，其特征在于，包括钛合金基片，所述钛合金基片上由下而上依次设置有氮化铝过渡层和氮化铝功能层，所述氮化铝过渡层中铝元素与氮元素的比例范围为1:1.3～1:1.5，氮化铝功能层中铝元素与氮元素的比例范围为1:0.9～1:1.1，氮化铝过渡层和氮化铝功能层的整体厚度范围为1.5～6μm，c轴取向，应力范围为50～500MPa。

2.如权利要求1所述的一种氮化铝压电薄膜，其特征在于，所述氮化铝过渡层的厚度范围为50～600nm。

3.一种氮化铝压电薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

C.通入氩气和氮气的混合气体，其中氮气的分压不低于40％，在完成步骤B的钛合金基片表面沉积氮化铝过渡层，溅射条件如下：溅射气压为0.6～1Pa，溅射功率为1500～2000W，溅射时间为5～60min；

D.通入氩气和氮气的混合气体，氮气的分压为20％～30％时，在氮化铝过渡层上沉积高(0002)择优取向的氮化铝薄膜，其溅射条件如下：溅射气压为0.7～1.1Pa，溅射功率为2000～3000W。

4.如权利要求3所述的一种氮化铝压电薄膜的制备方法，其特征在于，步骤A中的对钛合金基片的抛光处理具体包括

5.如权利要求3所述的一种氮化铝压电薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤A中的清洁具体包括为，将抛光处理后的钛合金基片依次浸入丙酮、乙醇及去离子水中超声清洗，然后利用去离子水冲洗钛合金基片表面，最后用干燥的氮气吹干。

6.如权利要求3所述的一种氮化铝压电薄膜的制备方法，其特征在于，所述溅射靶的靶材为纯度大于99.999％的铝靶，所述氩气为高纯氩气，氮气为高纯氮气。

7.如权利要求3所述的一种氮化铝压电薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤B或C或D中，在通入纯氩气或氩气和氮气的混合气体之前，中频溅射反应装置的真空反应腔内的背底真空度小于3×10^-4Pa。

8.如权利要求3所述的一种氮化铝压电薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤C和D中，通入氮气之后，先在氮气分压为40％～50％的条件下预溅射30min，然后将氮气分压调节至其工作点预溅射30min，使电压和电流稳定在工作点。

9.如权利要求3所述的一种氮化铝压电薄膜的制备方法，其特征在于，所述溅射靶为双铝靶平行布置，钛合金基片固定在溅射靶前方的夹具上，夹具在自转的同时围绕双铝靶中心做行星旋转。