CN105296924B - 高c轴取向氮化铝薄膜及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高c轴取向AlN薄膜及其制备方法与应用。本发明提供的高c轴取向AlN薄膜制备方法包括如下步骤：将二硫化钼旋涂于柔性衬底上得到二硫化钼覆盖的衬底；利用反应溅射，在所述二硫化钼覆盖的衬底上进行沉积得到所述AlN薄膜；所述反应溅射的工作气体为氮气和氩气的混合气体；所述反应溅射的靶材为铝靶。本发明采用二硫化钼做缓冲层有效地缓解了衬底层与AlN层之间的晶格失配和热膨胀系数失配的问题，使得本发明制备的AlN薄膜中的应力比较低得到的氮化铝薄膜具有高c轴取向、高压电系数d33和低的表面粗糙度，可应用于柔性电子等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种高c轴取向氮化铝薄膜及其制备方法与应用，属于信息电子材料技术领域。
背景技术
在过去的几十年里，柔性电子由于轻便、便宜、可一次性使用等特点得到了广泛关注。在平板显示、传感、生物等领域得到了广泛的应用。氮化铝由于其具有高热导率、高硬度、高熔点、色散小、声速高、高的化学稳定性、大的击穿场强和低的介电损耗，可广泛用于声表面波器件、各种传感器、能量搜集器中。通过材料的压电特性，进行声电、力电转换，进行信息的传递、处理和能源转换。
传统的氮化铝薄膜都是沉积在刚性基底上，如金刚石、蓝宝石、单晶硅基片等。但是这些基片都是高硬度，刚性不可弯曲且价格昂贵。通常为了得到高c轴取向的氮化铝薄膜，基片还必需加热到很高的温度。其工艺难以与传统的CMOS(Complementary MetalOxide Semiconductor)工艺兼容。柔性衬底具有轻便，易成型，可弯曲，可以卷绕式连续化生产等优点。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，因此制备高c轴取向AlN薄膜对柔性声表面波器件相速和机电耦合系数的提高具有重大意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种高c轴取向氮化铝薄膜及其制备方法与应用，本发明利用成本低廉的二硫化钼作为缓冲层，采用直流反应磁控溅射直接在覆盖了二硫化钼的柔性衬底上沉积得到AlN薄膜，操作简单；本发明制备方法不但提高了AlN薄膜的c轴取向，而且降低了AlN薄膜的应力。本发明AlN薄膜在用作声表面波器件的压电薄膜时，可使机电转换效率增大，插入损耗减小，因此适合制备柔性传感器等SAW器件。
本发明所提供的高c轴取向AlN薄膜的制备方法，包括如下步骤：将二硫化钼旋涂于柔性衬底上得到二硫化钼覆盖的衬底；利用反应溅射，在所述二硫化钼覆盖的衬底上进行沉积得到所述AlN薄膜；
所述反应溅射的工作气体为氮气和氩气的混合气体；
所述反应溅射的靶材为铝靶。
上述的制备方法中，所述柔性衬底可为柔性有机材料衬底；
所述柔性有机材料衬底可为有机材料薄膜；
所述有机材料薄膜可为聚酰亚胺薄膜或聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜；
所述有机材料薄膜的厚度可为5～200μm，具体可为125μm。
上述的制备方法中，向所述柔性衬底上旋涂所述二硫化钼之前，所述方法还包括用等离子体清洗所述柔性衬底的步骤；
所述等离子体为氩气等离子体；
利用所述等离子体进行清洗可按如下步骤进行：将粘在玻璃基片上的所述柔性衬底放入等离子体刻蚀机中，抽本底真空到10-4Pa以下，充入氩气使整个体系压力维持在10- 1Pa～10-3Pa，调屏极电压、加速电压、阳极电压和阴极电流分别为550V～750V、50V～130V、50V～100V和1A～20A，开挡板，刻蚀2～15分钟；刻蚀结束后，静置10分钟以上，充入氮气，取出粘在玻璃基片上的所述柔性衬底，其中，所述氩气的纯度为99.999％，所述氮气的纯度为99.999％。
上述的制备方法中，利用所述等离子体清洗所述柔性衬底之前，所述方法还包括如下步骤：用丙酮、乙醇和/或去离子水清洗所述柔性衬底，可采用超声清洗，然后用氮气吹干。
上述的制备方法中，采用如下步骤将所述二硫化钼旋涂于所述柔性衬底上：将所述二硫化钼分散于水或乙醇中得到二硫化钼的分散液；将所述分散液滴在放置于均胶机的所述柔性衬底上，使所述均胶机旋转，经烘干即可；
所述分散液的浓度可为0.05～1mg/mL，具体可为0.1mg/mL；
控制所述均胶机以1000～5000r/min的转速旋转5～10s，使二硫化钼均匀分布在所述柔性衬底上，之后将所述柔性衬底迅速移到100～120℃的加热台上，烘5～10min后待用，具体可以1000r/min的转速旋转5s，之后将衬底迅速移到120℃的加热台上，烘干10min。
上述的制备方法中，所述反应溅射在真空度为10-6～10-4Pa的条件下进行，所述真空度具体可为0.5×10-4Pa；
所述工作气体中，所述氮气与所述氩气的体积比可为0.2～0.7：1，所述氩气的纯度为99.999％，所述氮气的纯度为99.999％。
控制所述工作气体的流量可为6mL/min～60mL/min，具体可为6mL/min。
上述的制备方法中，所述反应溅射可为直流反应磁控溅射，所述反应溅射的磁控溅射源可为平面靶磁控溅射源；
所述反应溅射的功率密度可为1W/cm2～5.5W/cm2，具体可为3W/cm2；
所述反应溅射的温度可为20℃～25℃；
所述反应溅射的时间可为10min～150min，具体可为100min；
所述靶材与所述石墨烯覆盖的衬底之间的距离可为6cm～8cm，具体可为7cm；
所述工作气体的压力可为0.2Pa～0.8Pa，具体可为0.3Pa。
进行所述反应溅射时，是将所述二硫化钼覆盖的柔性衬底置于磁控溅射镀膜机的基片台上；所述反应溅射完成后，还包括如下步骤：待基片台温度低于100℃，向所述磁控溅射镀膜机的真空室中充入空气至真空室内压力为大气压，取出所述AlN薄膜。
所述反应溅射完成后，还包括向所述磁控溅射镀膜机的真空室中充入空气至真空室内压力为大气压，取出所制备的氮化铝薄膜的步骤。
本发明还提供了由上述方法制备的AlN薄膜，其为压电薄膜，其厚度为400～5000nm，如2500nm；所述AlN薄膜具有高c轴取向。
本发明提供的AlN薄膜可用于制备高灵敏度的声表面波传感器。
通过本发明可以发现，以二硫化钼作为缓冲层在柔性衬底上生长AlN薄膜，不但提高了AlN薄膜的c轴取向，而且降低了AlN薄膜的应力
与现有的技术相比，本发明具有如下优点：
本发明溅射过程中不必将柔性衬底进行加热或者冷却处理，且不需在柔性衬底与氮化铝之间插入任何金属过渡层，不需要加入任何辅助能量，比如紫外辐照等；二硫化钼缓冲层可以显著提高氮化铝的织构强度，降低表面粗糙度。此外，本发明方法简单，易于实施。本发明采用二硫化钼做缓冲层有效地缓解了衬底层与AlN层之间的晶格失配和热膨胀系数失配的问题，使得本发明制备的AlN薄膜中的应力比较低得到的氮化铝薄膜具有高c轴取向、高压电系数d33和低的表面粗糙度，可应用于柔性电子等领域。
附图说明
图1为本发明实施例1中所用磁控溅射镀膜机的剖面示意图，其中，1-进气口，2-激励线圈，3-磁场，4-电场，5-基片，6-屏蔽罩，7-基片架，8-靶，9-线圈盒，10-排气口。
图2为本发明实施例1制备的AlN薄膜的XRD图，其中，插图为AlN(0002)晶面的摇摆曲线图，其半高宽为3.34°。
图3为本发明实施例1制备的AlN薄膜的SEM图。
图4为本发明实施例1制备的AlN薄膜的表面形貌三维图。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1、覆盖有二硫化钼缓冲层的聚酰亚胺衬底上室温直流反应磁控溅射沉积高c轴取向2.5μm氮化铝薄膜
1)将厚度为125μm聚酰亚胺基片粘于玻璃基片上，然后依次用丙酮、酒精和去离子水各超声清洗4min，再用氮气吹干。将已清洗和吹干后的粘在玻璃基片上的柔性基片-聚酰亚胺基片，放入等离子体刻蚀机中，抽本底真空到10-4Pa以下。再充入高纯氩气使整个系统的压力为10-2Pa，调屏极电压、加速电压、阳极电压和阴极电流分别为710V、100V、60V和12A。开挡板，用氩气等离子体刻蚀5分钟，刻蚀结束后静置10分钟以上，充入高纯氮气，取出已用氩气等离子体刻蚀的聚酰亚胺基片。
2)将浓度为0.10mg/mL溶剂为乙醇的单层二硫化钼分散液逐滴滴在经步骤1)处理后的聚酰亚胺基片上，启动均胶机，使其以1000r/min的转速旋转5s，使二硫化钼均匀分布在衬底上，之后将衬底迅速移到120℃的加热台上，烘干10min后待用。
3)将步骤2)中准备好的聚酰亚胺基片用铁丝固定在磁控溅射的基片台上，基片连同基片台一起装入真空室。图1为所用磁控溅射镀膜机示意图。启动机械泵和分子泵抽真空至5×10-5Pa；通入氩气，调节高纯氩气(纯度为99.999％)流量为4.5sccm，使得氩气气压为0.3Pa；在不打开靶挡板的条件下，接通直流溅射电源，调节电流为0.8A，清洗金属铝靶(纯度为99.999％)5min，再通入高纯氮气(纯度为99.999％)，调节氮气流量为1.5sccm,再次调节高真空阀门使磁控溅射镀膜机真空室中的总气压为0.3Pa。
4)对靶材预溅射5min左右，待电源示数稳定后，打开靶挡板，在20℃下，控制磁控溅射镀膜机真空室中的反应体系内总气压为0.3Pa、反应溅射的功率密度为3W/cm2和金属铝靶到聚酰亚胺基片的距离为7cm，开始进行反应溅射，反应溅射时间为100min，反应溅射完成后，停止对基片台加热，待温度低于100℃时，向磁控溅射镀膜机的真空室中充入空气至真空室内压力为大气压，开腔取出所制备的氮化铝薄膜，制备出平均厚度为2.5μm的氮化铝薄膜。
本发明实施例1制备的AlN薄膜的XRD图如图2所示，其中插图为AlN(0002)晶面的摇摆曲线图，其半高宽为3.34°，由theta-2theta扫描可以看出，本发明AlN薄膜只出现了(0002)和(0004)峰具有单轴取向且(0002)峰位接近标准衍射峰位，这表明薄膜应力很小，且具有高的c轴取向。由内插图可以看出，(0002)峰摇摆曲线半高宽为3.34°，明显优于未加过渡层时的样品。
本发明实施例1制备的AlN薄膜的SEM图如图3所示，由该图可以看出，本发明AlN薄膜厚度均匀，断面光滑，而且具有柱状晶结构。
本发明实施例1制备的AlN薄膜的表面形貌三维图如图4所示，由该图可以看出，本发明AlN薄膜表面的晶粒大小均匀，粗糙度较小。
Claims (9)
1.一种高c轴取向AlN薄膜的制备方法，包括如下步骤：将二硫化钼旋涂于柔性衬底上得到二硫化钼覆盖的衬底；利用反应溅射，在所述二硫化钼覆盖的衬底上进行沉积得到所述AlN薄膜；
所述反应溅射的工作气体为氮气和氩气的混合气体；
所述反应溅射的靶材为铝靶。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述柔性衬底为柔性有机材料衬底；
所述柔性有机材料衬底为有机材料薄膜；
所述有机材料薄膜为聚酰亚胺薄膜或聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜；
所述有机材料薄膜的厚度为5～200μm。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：向所述柔性衬底上旋涂所述二硫化钼之前，所述方法还包括用等离子体清洗所述柔性衬底的步骤；
所述等离子体为氩气等离子体。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：利用所述等离子体清洗所述柔性衬底之前，所述方法还包括如下步骤：用丙酮、乙醇和/或去离子水清洗所述柔性衬底；
采用如下步骤将所述二硫化钼旋涂于所述柔性衬底上：将所述二硫化钼分散于水或乙醇中得到二硫化钼的分散液；将所述分散液滴在放置于均胶机的所述柔性衬底上，使所述均胶机旋转，经烘干即可。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述反应溅射在真空度为10-6～10-4Pa的条件下进行；
所述工作气体中，所述氮气与所述氩气的体积比为0.2～0.7：1；
控制所述工作气体的流量为6mL/min～60mL/min。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述反应溅射为直流反应磁控溅射，所述反应溅射的磁控溅射源为平面靶磁控溅射源；
所述反应溅射的功率密度为1W/cm2～5.5W/cm2；
所述反应溅射的温度为25℃～30℃；
所述反应溅射的时间为10min～150min；
所述靶材与所述衬底之间的距离为6cm～8cm；
所述工作气体的压力为0.2Pa～0.8Pa。
7.权利要求1-6中任一项所述制备方法制备的AlN薄膜；所述AlN薄膜的厚度为400～5000nm。
8.权利要求7所述的AlN薄膜在制备声表面波器件中的应用。
9.二硫化钼在制备AlN薄膜中的应用；所述二硫化钼作为所述AlN薄膜的缓冲层。
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