Ni基合金衬底上ScAlN薄膜的制备与研究

摘要

通过类似悬臂梁的机械结构对环境中振动能自动收集的微型器件对于日益小型化的微型系统具有非常重要的意义。其中，压电薄膜式系统具有体积微小、质量轻、转化率高等优势，是最有潜力的一种振动能收集方式。部分研究者将精力集中在高分子类的柔性衬底上。然而，高分子柔性衬底具有一些固有缺陷：不能承受高温、在机电系统中必须制备下电极从而形成金属-绝缘材料-金属（M-I-M）的结构。因此，一种哈氏合金（C276）将因其耐高温、导电的特性而成为具有研究意义的柔性衬底。在各种压电材料中，具有c轴取向的AlN薄膜因其各种优异性能（高应力、宽能带、热导率高等）而受到广泛重视。近年来，因Sc的掺入使压电系数和机电耦合系数都得到极大提高，ScAlN的研究也受到越来越多的重视。
　　因此本论文的研究目的是：利用反应磁控溅射法制备出基于合金衬底的Sc掺杂 AlN薄膜，掌握薄膜制备的相关工艺，得到磁控溅射各工艺参数对薄膜质量的影响规律。并与Si基ScAlN薄膜的制备相比较。
　　本论文主要研究内容为：
　　1、利用直流反应磁控溅射设备，结合 XRD、AFM、SEM、铁电测试仪，优化基于Si衬底的ScAlN薄膜溅射参数，并获取最佳参数。实验表明，溅射气氛、衬底温度、功率等对Si基ScAlN薄膜的沉积有非常明显的影响；并获得具有优异性能的ScAlN薄膜，其FWHM为1.9°、RMS为2.624nm，压电性能为7.3pC/N。
　　2、在上述最佳工艺参数的基础上，研究了Ni基合金衬底上(002)及(100)取向ScAlN薄膜的制备，并比较基于Si和Ni衬底上的ScAlN在晶格质量及电学性能上的异同，并进行相关理论探索。实验表明，在Ni基合金衬底上，同样可以获得性能优异的ScAlN薄膜。但Ni基衬底ScAlN薄膜的制备需要更高的溅射功率，原因在于表面能和晶格失配的不同；在射频反应溅射下，证实了薄膜沉积的Volmer-Weber岛状生长过程。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 AlN薄膜的特性与应用

1.3 AlN薄膜制备方法

1.4 ScAlN薄膜研究概况

1.5 本文的研究目的与主要工作

第二章 薄膜的制备与表征方法

2.1 薄膜的制备系统

2.2 实验步骤

2.3 薄膜测试

2.4 具体实施方案

第三章 Si基衬底上ScAlN薄膜的制备与研究

3.1溅射气氛对ScAlN薄膜制备的影响

3.2衬底温度对ScAlN薄膜制备的影响

3.3本章小结

第四章Ni基合金衬底上ScAlN薄膜的制备

4.1 引言

4.2 Ni基和Si基ScAlN薄膜制备的比较

4.3 射频磁控反应溅射制备Ni基合金衬底的(100)ScAlN薄膜

4.4 本章小结

第五章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果