CN112760604B - 一种在金刚石衬底上沉积高c轴取向氮化铝薄膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在金刚石衬底上沉积高C轴取向氮化铝薄膜的方法，涉及压电薄膜制备技术领域。本发明采用射频反应磁控溅射技术，具体步骤包括真空预处理、衬底预处理、靶材预溅射、薄膜沉积，随着一次或多次沉积过程的进行，不固定可单独调节的工艺参数，而是在其原有基础上进行调整，从而控制靶材自偏压一直稳定在设定值。本发明在金刚石上沉积的氮化铝薄膜具有高C轴取向，且相较于传统方法具备较高的工艺稳定性和重复性，便于节约成本、保证薄膜性能的一致性，适用于工业大规模生产。

Description

一种在金刚石衬底上沉积高C轴取向氮化铝薄膜的方法

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的制备方法，尤其涉及一种在金刚石衬底上沉积高C轴取向氮化铝薄膜的方法。

背景技术

声表面波器件是现代无线移动通信系统的关键部件之一，它在实时通信、雷达监测、定位导航和电子对抗等领域均具有广泛的应用。随着信息和通讯技术的高速发展，声表面波器件的使用频率和功率不断提高，从最初的MHz级到现在的GHz级。高频声表面波器件要求基片材料不仅具有良好的压电性能，还要具有非常高的声表面波传播速度，单一的压电材料已不能满足需求，因此其基片不断向多层结构发展，即以高声速材料为基底，其上再沉积一层具有较高声速特性的压电薄膜，这种复合结构既可以保证器件整体的高声速，也能使器件具备良好的压电性能。所以，选择合适的高声速材料及压电薄膜材料，并在高声速材料表面制备出性能优异的压电薄膜是目前高频声表面波器件的研究关键。

金刚石具有高声传播速度(达10000m/s以上)、高弹性模量、高室温热导率和优良的耐热性，用其制作高频声表面波器件，对电极制备技术的要求大大降低，有利于声学波的高保真传输及改善器件的散热能力。目前采用化学气相沉积(CVD)技术已经能够在硅或金属衬底上生长高质量大面积的金刚石薄膜，且CVD金刚石薄膜的性能几乎能够与天然金刚石相媲美，可作为多层结构声表面波器件中的高声速材料。氮化铝(AlN)薄膜具备良好的压电性能，同时也具有较高的声传播速度，其沿C轴，即(002)晶面法线方向的声表面波传播速度高达6.2km/s，在所有无机非铁电的压电材料中几乎是最高的，约是传统压电材料LiNbO₃的2倍，作为声表面器件的压电薄膜材料既能保证器件具备良好的压电性，也能提高器件的频率，氮化铝还具有高电阻率和高化学稳定性，是高频声表面波器件的一种较为理想的压电基片材料。因此，氮化铝/金刚石复合结构在高频声表面波器件中具有极高的潜在应用价值。

目前，已经有多种方法可以在金刚石上制备C轴择优取向的氮化铝薄膜，其中最常用的方法是磁控溅射，其具有低成本、高生长速率、可实现大面积沉积、适合大规模工业化生产等优点。如CN 104862659 B公开了一种氮化铝薄膜的中频磁控反应溅射方法，其采用动态调节氮气含量的方法能够制备出高C轴取向的氮化铝薄膜，但该项专利并未就工艺的稳定性和重复性作详细说明。

对于工业生产来说，工艺的稳定性和重复性是非常关键的问题，而一般采用磁控溅射重复多次进行氮化铝沉积时，都是控制气体、功率等可单独调节的工艺参数保持一致，以尽可能保证薄膜性能的一致性，但实际上在每次沉积过程中腔体环境都会有微小变化，例如靶表面中毒情况、靶材损耗状态、电源匹配程度等，这些难以单独调节的因素会导致制备的氮化铝薄膜厚度、C轴结晶质量等性能出现明显的差异，造成工艺的稳定性和重复性较差，如果采用频繁更换新靶材等措施，又会增大生产成本，这非常不利于工业大规模生产。

在射频磁控溅射过程中，由于电子的迁移速度远大于离子的迁移速度，使得正半周期积累到靶上的电子数量远大于负半周期积累到靶材上的离子数量，从而会在靶材表面建立负的自偏压。靶材自偏压是射频辉光放电系统中等离子体状态、电源匹配状态、放电室结构等各方面因素的综合反映，不仅受系统环境的影响，也可以通过调节工艺参数改变其大小，使得靶材和衬底表面受到的离子轰击能量保持一致。因此，本发明通过控制射频反应磁控溅射过程中的靶材自偏压，来改善氮化铝薄膜制备工艺的稳定性和重复性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在金刚石衬底上沉积高C轴取向氮化铝薄膜的方法，该方法通过控制靶材自偏压，能降低一次或多次沉积过程中腔体内环境的变化对氮化铝薄膜生长的影响，具备较高的工艺稳定性和重复性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种在金刚石衬底上沉积高C轴取向氮化铝薄膜的方法，该方法包括以下步骤：

(1)真空预处理

将经过清洗的金刚石衬底放入磁控溅射设备样品台上，对腔体抽真空至5×10^-5Pa以下，并对样品台进行加热至300～500℃；

(2)衬底预处理

向腔体内通入纯度为99.999％的氩气，开启脉冲偏压电源，调节衬底负偏压大小为800～1000V，占空比为20％～40％，采用高能氩离子对金刚石衬底表面进行预处理，时间为10～20min；

(3)靶材预溅射

向腔体内通入纯度为99.999％的氩气和纯度为99.999％的氮气，开启射频电源及脉冲偏压电源，调节气体比例、溅射气压、溅射功率及衬底负偏压，对铝靶进行预溅射，直至靶材自偏压稳定在设定值；

(4)氮化铝薄膜沉积

开启样品台旋转，旋转速度为20～40r/min，打开挡板，开始沉积氮化铝薄膜，溅射时间为1～3h，在沉积过程中，每间隔10～30min对气体比例、溅射气压、溅射功率进行调整，控制靶材自偏压维持在设定值，结束溅射过程后，设置程序使样品台以5～10℃/min的速度降温至200℃，保温1～2h后自然冷却至室温。

优选地，所述步骤(3)中氮气体积分数为20％～50％，溅射气压为0.3～0.6Pa，溅射功率为300～500W，衬底负偏压大小为20～40V，占空比为50％～90％。

优选地，所述步骤(3)及步骤(4)中靶材自偏压设定值为240V～260V。

优选地，所述金刚石衬底为自支撑金刚石或硅基体上生长的金刚石薄膜，金刚石为(220)择优取向。

优选地，所用靶材为3英寸、质量纯度为99.999％的铝靶。

优选地，靶材与衬底的距离为65～75mm，其法线的夹角为20～30°。

本发明的有益效果为：

本发明通过调控靶材自偏压，使得靶材和衬底表面等离子体状态保持一致，在金刚石衬底上制备出了具有高C轴取向的氮化铝薄膜，降低了多次磁控溅射沉积过程中由于靶材使用状况等环境的变化对薄膜生长速率、C轴结晶质量的影响，显著提高了射频反应磁控溅射制备氮化铝的工艺稳定性和重复性，同时便于节约成本、保证薄膜性能的一致性，适用于工业大规模生产。

附图说明

图1是实施例1制备的#1氮化铝薄膜的截面形貌。

图2是实施例1制备的#1氮化铝薄膜的X射线衍射图谱。其中，插图为氮化铝(002)晶面的摇摆曲线图。

图3是实施例1制备的氮化铝薄膜的厚度变化曲线。

图4是实施例1制备的氮化铝薄膜的(002)晶面摇摆曲线半高宽变化曲线。

图5是对比例1制备的氮化铝薄膜的厚度变化曲线。

图6是对比例1制备的氮化铝薄膜的(002)晶面摇摆曲线半高宽变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

实施例1

以在单晶硅上生长的金刚石薄膜为衬底，金刚石为(220)择优取向，采用射频反应磁控溅射沉积高C轴取向氮化铝薄膜，所用靶材为3英寸、纯度为99.999％的铝靶，靶材与衬底的距离为71mm，其法线夹角为25°，具体步骤如下：

(1)真空预处理

将衬底依次用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗15min，用氮气吹干后放入磁控溅射设备样品台上，对腔体抽真空至5×10^-5Pa以下，并将样品台加热至400℃；

(2)衬底预处理

向腔体内通入纯度为99.999％的氩气，开启脉冲偏压电源，调节衬底负偏压大小为800V，占空比为30％，采用高能氩离子对金刚石衬底表面进行预处理以进一步除去衬底表面的残余污染物，时间为20min，之后关闭偏压电源；

(3)靶材预溅射

向腔体内通入纯度为99.999％的氩气和纯度为99.999％的氮气，调节氮气的体积分数为25％，溅射气压为0.4Pa，开启射频电源及脉冲偏压电源，调节溅射功率为400W，衬底负偏压大小为30V，占空比为70％，对铝靶进行预溅射，直至靶材自偏压稳定在250V；

(4)氮化铝薄膜沉积

开启样品台旋转，设置旋转速度为30r/min，打开挡板，开始沉积氮化铝薄膜，溅射时间为90min，在沉积过程中，每间隔15min对气体比例、溅射气压、溅射功率进行调整，控制靶材自偏压维持在250V，结束溅射过程后，设置程序使样品台以10℃/min的速度降温至200℃，保温1h后自然冷却至室温即得#1氮化铝薄膜。

通过微调气体比例、溅射气压、溅射功率及衬底负偏压，控制靶材自偏压为250V，同时保持溅射时间为90min，按照上述步骤依次制备得到#2～#10氮化铝薄膜。

实施例1制备的#1氮化铝薄膜截面形貌如图1所示。其厚度为1.15μm，柱状晶特征比较明显。

实施例1制备的#1氮化铝薄膜X射线衍射图谱如图2所示。其(002)晶面的摇摆曲线半高宽(FWHM)为2.49°，结合图1说明氮化铝薄膜具备较高的C轴择优取向。

实施例1制备的#1～#10氮化铝薄膜厚度如图3所示。#1～#10氮化铝薄膜的厚度分别为1.15μm、1.18μm、1.19μm、1.14μm、1.18μm、1.11μm、1.15μm、1.12μm、1.09μm、1.18μm，薄膜厚度最大差值为0.1μm，沉积速率一致性较好。

实施例1制备的#1～#10氮化铝薄膜(002)摇摆曲线半高宽FWHM如图4所示。#1～#10氮化铝薄膜(002)取向FWHM分别为2.49°、2.52°、2.55°、2.51°、2.45°、2.44°、2.46°、2.50°、2.52°、2.44°，FWHM最大差值为0.08°，C轴取向差异较小。

对比例1

本对比例与实施例1的不同之处在于：步骤(3)中不控制靶材自偏压，固定氮气的体积分数为25％，溅射气压为0.4Pa，溅射功率为400W，衬底负偏压大小为30V，占空比为70％。依次制备#11～#20氮化铝薄膜。

对比例1制备的#11～#20氮化铝薄膜厚度如图5所示。#11～#20氮化铝薄膜的厚度分别为1.15μm、1.1μm、1.21μm、1.06μm、1.12μm、1.06μm、0.95μm、0.99μm、0.82μm、0.91μm，薄膜厚度最大差值为0.39μm，沉积速率一致性较差，整体呈下降趋势。

对比例1制备的#11～#20氮化铝薄膜(002)摇摆曲线半高宽FWHM如图6所示。#11～#20氮化铝薄膜(002)取向FWHM分别为2.49°、2.72°、2.66°、2.94°、3.33°、3.24°、3.55°、4.06°、3.68°、3.85°，FWHM最大差值为1.57°，薄膜C轴取向差距较大，C轴结晶质量整体逐渐下降。

结合图3与图5，图4与图6可知，本发明提供的一种在金刚石衬底上沉积高C取向氮化铝薄膜的方法，相较于常规工艺能降低多次沉积过程中由于靶材使用状况等环境的变化对薄膜生长速率、C轴结晶质量的影响，具备较高的工艺稳定性及重复性。

Claims (6)

1.一种在金刚石衬底上沉积高C轴取向氮化铝薄膜的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)真空预处理

将经过清洗的金刚石衬底放入磁控溅射设备样品台上，对腔体抽真空至5×10^-5Pa以下，并对样品台进行加热至300～500℃；

(2)衬底预处理

向腔体内通入纯度为99.999％的氩气，开启脉冲偏压电源，调节衬底负偏压大小为800～1000V，占空比为20％～40％，采用高能氩离子对金刚石衬底表面进行预处理，时间为10～20min；

(3)靶材预溅射

向腔体内通入纯度为99.999％的氩气和纯度为99.999％的氮气，开启射频电源及脉冲偏压电源，调节气体比例、溅射气压、溅射功率及衬底负偏压，对铝靶进行预溅射，直至靶材自偏压稳定在设定值240V～260V；

(4)氮化铝薄膜沉积

开启样品台旋转，旋转速度为20～40r/min，打开挡板，开始沉积氮化铝薄膜，溅射时间为1～3h，在沉积过程中，每间隔10～30min对气体比例、溅射气压、溅射功率进行调整，控制靶材自偏压维持在设定值240V～260V，结束溅射过程后，设置程序使样品台以5～10℃/min的速度降温至200℃，保温1～2h后自然冷却至室温。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中氮气体积分数为20％～50％，溅射气压为0.3～0.6Pa，溅射功率为300～500W，衬底负偏压大小为20～40V，占空比为50％～90％。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)及步骤(4)中靶材自偏压设定值为250V。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金刚石衬底为自支撑金刚石或硅基体上生长的金刚石薄膜，金刚石为(220)择优取向。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所用靶材为3英寸、质量纯度为99.999％的铝靶。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，靶材与衬底的距离为65～75mm，其法线的夹角为20～30°。

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