AlN薄膜改性技术与工艺研究

摘要

AlN薄膜具有优异的物理和化学性质，被广泛应用于薄膜器件和压电执行器，如无线通讯用RF滤波器和谐振器，MEMS微传感器，能量收集器，光发射器件等。随着无线通信技术向着高频、大宽带的方向发展，高数据传输速率，极速增大的数据量，对声学滤波器的工作频率和带宽提出了更高的要求。AlN薄膜的高声速可满足高频的要求，但其压电常数和机电耦合系数较低，不利于大带宽应用。近年来，稀土元素和过渡金属掺杂改性AlN薄膜是提高AlN压电响应和机电耦合系数的主要方式。 本论文的研究目的是：利用反应磁控溅射法在高声速的蓝宝石衬底上制备出不同含量比例的Er/Sc共掺AlN薄膜。通过调整金属锭的镶嵌位置和个数控制薄膜成分，并使用均匀法、正交法和控制变量法设计工艺参数，逐步优化薄膜性质。采用优化后合金薄膜制备出SAW谐振器，研究掺杂AlN薄膜的机电耦合与压电性质，为进一步提高AlN薄膜的压电响应提供理论指导。本论文主要研究内容为： 1.运用COMSOL软件仿真靶材表面的磁场分布，根据磁控溅射磁场强度分布与溅射效率的关系，设计镶嵌靶金属锭的个数和位置，从而控制Er/Sc共掺AlN薄膜的掺杂含量； 2.使用均匀法、正交法和控制变量法三种实验优化方法逐步优化Er/Sc共掺AlN薄膜的结晶质量和取向。系统性研究了工艺参数对Er/Sc共掺AlN薄膜性能的影响，总结出工艺参数与Er/Sc共掺薄膜沉积速率和结晶质量之间的经验公式，并通过沉积速率进一步优化Er/Sc共掺薄膜的性能； 3.系统性研究了Er/Sc比例对Er/Sc共掺AlN薄膜密度、结晶质量、结晶取向、表面形貌、内应力、晶体结构、介电性质以及光学性质的影响； 4.通过制备Er/Sc共掺AlN薄膜/蓝宝石基SAW谐振器，验证Er/Sc共掺AlN薄膜的电声性质。进一步讨论了薄膜晶体结构变化、Er和Sc在AlN晶体中的占位倾向、共价键强度ζ、刚度系数C33、波恩有效电荷ZB*以及双轴应力σxx/yy对薄膜机电耦合性质和压电响应的影响。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 本文研究背景及研究意义

1.2 AlN薄膜的压电性质

1.3.1 国内外研究现状

1.3.2 发展前景

1.4.1 研究目的

1.4.2 主要内容

第二章 AlN薄膜制备及表征方法

2.1.1 磁控溅射法

2.1.2 镶嵌靶设计

2.1.3 薄膜制备工艺流程

2.2.1 X射线衍射分析(XRD)

2.2.2 扫描电子显微镜(SEM)和X射线能量色散谱仪(EDS)

2.2.3 原子力显微镜(AFM)

2.2.4 椭偏仪

2.2.5 拉曼光谱(Raman)

2.2.6 光刻设备和矢量网络分析仪

2.3 本章小结

第三章 掺杂AlN薄膜优化实验设计及制备

3.1 掺杂AlN薄膜优化实验设计

3.2 均匀法优化Er/Sc共掺AlN薄膜的性能

3.2.1 工艺参数对底电极质量的影响

3.2.2 工艺参数对Er/Sc共掺AlN薄膜沉积速率的影响

3.2.3 工艺参数对Er/Sc共掺AlN薄膜结晶质量的影响

3.3 正交法优化ErAlN薄膜的性能

3.3.1 工艺参数对ErAlN薄膜结晶质量和取向的影响

3.3.2 环境温度对ErAlN薄膜结晶质量和取向的影响

3.4 控制变量法优化Er/Sc共掺AlN薄膜的性能

3.4.1 沉积速率对Er/Sc共掺AlN薄膜结晶质量与晶体结构的影响

3.4.2 Er/Sc共掺AlN薄膜的成分分布

3.5 本章小结

第四章 Er/Sc共掺AlN压电薄膜的结构形貌与介电性质

4.1 Er/Sc比例对Er/Sc共掺AlN薄膜双轴应力的影响

4.2.1 Er/Sc比例对Er/Sc共掺AlN薄膜结晶质量和取向的影响

4.2.2 Er/Sc比例对Er/Sc共掺AlN薄膜光学介电常数的影响

4.3 Er/Sc共掺AlN薄膜的膜厚与表面粗糙度

4.4 本章小结

第五章 Er/Sc共掺杂AlN压电薄膜的电声性质

5.1 Er/Sc比例对SAW谐振器中心频率和声速的影响

5.1.1 Er/Sc共掺AlN压电薄膜基SAW谐振器的S参数

5.1.2 Er/Sc比例对SAW谐振器中心频率和声速的影响

5.2 Er/Sc比例对SAW谐振器有效机电耦合性质的影响

5.2.1 Er/Sc比例对Er/Sc共掺AlN薄膜晶体结构的影响

5.2.2 薄膜晶体结构对有效机电耦合性质的影响

5.3 Er/Sc比例对Er/Sc共掺AlN薄膜压电响应的影响

5.3.1 Er/Sc比例对Er/Sc共掺AlN薄膜刚度系数C33的影响

5.3.2 Er/Sc比例对Er/Sc共掺AlN薄膜波恩有效电荷的影响

5.3.3 Er/Sc比例对Er/Sc共掺AlN薄膜压电响应的影响

5.4 本章小结

第六章 结论

6.1 全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间取得的成果