硅基氮化铝薄膜的制备及其表征

硅基氮化铝薄膜的制备及其表征AlN薄膜论文导读：目前国内外制备Al N薄膜的技术和方法有很多种。溅射电流为0.30-0.40A变化。图lAlN薄膜随溅射电流变化的XRD图。溅射电流对氮化铝薄膜表面形貌的影响。 论文关键词：AlN薄膜，溅射电流，XRD，表面形貌引言近年来，科研工作者们对iii-v族化合物半导体材料的研究发展迅速。其中氮化铝由于有其 优良的物理特性而倍受现代研究者的关注。氮化铝具有高硬度、高击穿场强（10kV/m）、高 热导率3.2W/（cm K）、高电阻率等物理特性。根据理论计算，氮化铝的本征禁带宽度为 6.2eV,是一种典型的宽能隙直接带隙半导体，所以其薄膜可作为基于GaAs和InP的微电子 器械中，也可在SiC大功率高温设备中作为一种绝缘物质替代SiOi。高质量的氮化铝还2具有极高的声传输速率、较小的声波损耗、大压电耦合常数、与Si及GaAs相近的热膨胀系 数等特点，特别是具有一定的择优取向的 AlN 薄膜具有高声波传输速度、优异的压电性质 和高温热稳定性，是GHz级表面声波（SAW）、体面声波器件（BAW）的首选物质。氮化 铝独特的性质使它在机械、微电子、光学、电子元器件以及声表面波（SAW）器件制造和高 频宽带通信等领域有着广阔的应用前景3。薄膜结晶状况和表面粗糙度大小依赖于薄膜的制备，高质量的薄膜有利于器件应用的发展。 目前国内外制备Al N薄膜的技术和方法有很多种。有脉冲激光沉积法（PL。）/过滤真空弧 等离子体沉积技术5;化学气相沉积法（CVD）*等。本文采用直流磁控反应溅射法直接在p型 Si （111）衬底上沉积AlN薄膜，通过三组实验着重研究在直流磁控溅射沉积氮化铝过程中 溅射电流对薄膜的影响。1. 实验利用CKJ-500D多靶磁控溅射镀膜设备，直接在Si衬底上沉积AlN薄膜，以100mm纯度 99.99%的金属铝为靶材AlN薄膜，以纯度为99.999%的氩气为工作气体，纯度99.999%的 氮气为反应气体。腔体的本底真空度5.0X10-Pa，溅射时腔体气压P为0.6Pa,氩气和氮气 流量比为1： 3,溅射时间为180min，衬底温度600*，溅射电流为0.30-0.40 A变化。采用英国Bede-D 1型X射线衍射仪(X-ray diffraction, XRD)来表征AlN薄膜结构。采用 NIC0LET380 傅里叶变换红外光谱仪(Fourier transformationinfrared spectra, FTIR) 测量薄膜红外吸收光谱。采用AJTII型原子力显微镜(Atomicforce microscopy, AFM)对 薄膜的表面形貌、表面粗糙度进行分析核心期刊。2. 结果与讨论2.1溅射电流对氮化铝薄膜结构的影响oj n. 0.35A30405060708020/d egret图1 AlN薄膜随溅射电流变化的XRD图Fig 1 The XRD of AlN thinfilms with the change of the deposition current图1为采用不同溅射电流制备的AlN薄膜样品的XRD图。由图可知，溅射电流对AlN薄膜的 取向有很大的影响。溅射电流较小时，薄膜呈非晶态，当电流增加到0.35A时，图谱中在 2q=33.2。出现h-AlN(100)衍射峰，电流增加到0.40A时，薄膜中已经有较强的h-AlN(100) 衍射峰，并在59.3。处出现AlN(110)衍射峰。溅射电流太小，能够电离的Ar离子很少，则 没有足够的Ar离子轰击靶材，无法从靶材溅射出Al原子，电离的氮原子也较少，则无法与 Al原子在基底表面反应形成AlN薄膜。增大溅射电流，会使气体的离化率增大，从而等离 子体的密度增大，溅射粒子Al与氮原子反应的充分性也会得到提高。2.2溅射电流对氮化铝薄膜表面形貌的影响一般情况下AlN薄膜，质量较高的AlN薄膜应用于SAW器件中要求薄膜表面粗糙度小于30nm7。表1是不同溅射电流下AlN薄膜的表面粗糙度、平均粒径和扫描区域内最大高度， 图2不同溅射电流制备AlN薄膜的AFM形貌。从图中可以看出样品的最大高度、表面均方 粗糙度、平均颗粒尺寸都随溅射电流的增大而减小，且样品的最大高度都小于30nm。随着 溅射电流的增加，溅射粒子动能增大，能够形成连续表面的迁移能相应增加，就有更多的粒 子到达基底表面结晶并形成较大颗粒8，逐渐形成较好的表面结构，这与XRD的结果相一 致。说明所沉积的薄膜符合SAW器件的要求。表2不同溅射电流下AlN薄膜的表面粗糙度、平均粒径和扫描区域内最大高度(Table 2 The surface roughness, averagegrain diameter and maximal hight of scanning area of AlN thin films at different deposition current)Deposition currentSurfaceAverage grainMaximum hight of/ Aroughness/nmdiameter /nmscanning area /nm0.303.475.518.40.353.272.216.60.403.062.916.6I=0.30A I=0.35AI=0.40A图2不同溅射电流制备AlN薄膜的AFM形貌Fig 2 The AFM morphologies of AlN thin films at different deposition current2.3氮化铝薄膜的FTIR光谱分析本实验利用傅里叶变换红外光谱仪测试了不同溅射电流下Si基底AlN薄膜在(500-3500cm-1)红外波段的透射谱，如图3所示。贸 nss-sF15942 ODOZ5Q04 Hvtnuiiilcr/t ibr13MJO3 BOD图3不同溅射电流下AlN薄膜的FTIR曲线Fig 3 FTIR curve of the AlNthin films with different deposition current由图可知电流较小时，在整个测试波段，无明显的吸收峰，直到溅射电流增大到0.35A时， 在波数为678.85cm-1处，出现较强的吸收峰，0.4A时，在677.12cm-1处出现强烈的吸收峰， 这是由于入射光与光学横模的耦合导致了光被强烈吸收，不能透过薄膜，这与文献回对AlN 薄膜的研究结果一致，说明所制备薄膜的确为AlN薄膜。3. 结论本文的实验利用DC反应磁控溅射技术，在腔体气压为0.6Pa, Ar/N2流量比为1 ：3AlN薄 膜，溅射时间为180min，衬底温度为600*，溅射电流为0.35-0.40A的工艺参数下沉积了 三组氮化铝薄膜。XRD测试表明溅射电流对薄膜的结晶性影响较大，当溅射电流大于0.35A 时，薄膜中才出现六方AlN(100)和AlN(110)取向；当薄膜结晶性较好时，薄膜表面光滑， 表面粗糙度较小，在溅射电流为0.40A时，薄膜的结晶性最好，表面粗糙度最小。FTIR光 谱分析表明当溅射电流为0.40A时，在677.12cm-1附近出现一个强烈的吸收峰，说明薄膜中 已经有N-Al键生成了。参考文献1 Jarrendahl K, Smith S A, Zheleva T,et al. Growth of highly(0001)-oriented aluminum nitride thin films with smooth surfaces on siliconcarbide by gas-source molecular beam epitaxyJ. Vacumm, 1998, 49： 189191.2 Shiosaki T, Yamamoto T, Oda T, et al. Low-temperature growth ofpiezoelectric AlN film by rf reactive planar magnetron sputteringJ. Journal of Applied Physics Letter,1997, 36： 643645.3 Fabio Chale-Lara, Mario H.Farias, Conett Huerta-Escamilla，et al. Opticalproperties of pulse laser deposited AlN thin ?lms on siliconJ.Materials Letters, 2009, 63： 20932096.4 M.Ishihara, K.Yamamoto, F.Kokai, et al. Aluminumnitride thin films prepared by649656.radical-assisted pulsed laser deposition J. Vacuum, 2000, 59（23）:-全文完-