一种增强AlN薄膜择优取向生长的沉积方法

摘要

一种增强AlN薄膜择优取向生长的沉积方法，步骤有：采用离子束辅助沉积技术制备AlN同质过渡层：在衬底上用2.0～2.5keV/20～50mA的Ar+离子束溅射沉积Al膜的同时，用20～35keV/2～8mA的中能N+离子束对Al膜进行辅助轰击；然后，采用磁控溅射沉积AlN薄膜：本底真空≤5×10-4Pa，工作气压0.5～10Pa，衬底温度为200℃～500℃。预沉积同质过渡层可有效减小薄膜与衬底间内应力，形成完全(002)取向的AlN薄膜，并降低薄膜的表面粗糙度，增加薄膜与衬底间的结合强度，使所得薄膜产品能满足在声表面波器件、体波器件以及其他微电子器件和功率器件中的应用。

说明书

技术领域

本发明涉及AlN薄膜制备工艺，进一步是指增强AlN薄膜择优取向生长的沉积方法。

背景技术

AlN(氮化铝)薄膜具有禁带宽、热导率高、电阻率高、击穿电场强度大、介电系数小、化学稳定性好和耐腐蚀性强等诸多优异的性能，具有广泛的应用，其中AlN薄膜因高的声波传播速度以及大的压电耦合系数而成为理想的压电材料，特别适合用于制作GHz频带的声表面波(SAW)器件和体波(BAW)器件。由于AlN薄膜c轴(002)取向的声表面波速率为11354m/s，大于a轴取向(100)的声表面波速率5500m/s，并且前者的压电应力系数也大于后者，因此用于声波器件的AlN薄膜须呈现c轴(002)择优取向。为此，人们采用许多工艺方法来制备(002)AlN薄膜，如已有的一些报道和专利(日本专利JP2008019140(A)，JP2006321705(A)，JP 3012364(A)和中国专利200810114598.1等)分别采用CVD、MOCVD、射频磁控溅射等方法在蓝宝石、Si、金刚石等衬底上直接沉积AlN薄膜。在这些制备过程中，由于衬底与AlN薄膜间存在晶格和热膨胀系数的不匹配，容易产生内应力，从而导致制备出的薄膜含有大量的缺陷、取向度不高、结晶质量差、薄膜与衬底结合强度低等问题；在薄膜与衬底之间引入一层过渡层，可以缓解上述问题，如Jung KWI Sang采用3C-SiC作为过渡层来缓解AlN薄膜与Si衬底间的晶格和热膨胀不匹配等问题，但需要采用化学气相沉积在1100℃的高温下预先在Si衬底上沉积3C-SiC过渡层，再利用磁控溅射沉积出的AlN薄膜，薄膜(002)晶面取向度不够理想，仍存在较弱的(101)晶面峰，且过渡层与AlN薄膜需要在不同的真空室中沉积，成本较高(KR20090106112(A))。Cheng-Hsien Chou等人在Si衬底上沉积金刚石薄膜，再采用射频磁控溅射引入TiN过渡层，然后再沉积AlN薄膜，能较好的增加AlN薄膜与金刚石薄膜之间的结合强度，提高(002)晶面取向度，但会在AlN薄膜中引入Ti元素(Cheng-Hsien Chou，Yung-Chen Lin，Jin-HuaHuang，Nyan Hwa Tai，I-Nan Lin.Growth of high quality AlN thin filmson diamond using TiN/Ti buffer layer.Diamond & Related Materials 15(2006)404-409)。Bong-Chul Ko等为了提高AlN薄膜的(002)晶面择优取向度，采用反应磁控溅射引入Al₂O₃作为过渡层，但会提高AlN薄膜的表面粗糙度(Bong-Chul Ko，Young-Shik Ro，Chang-Woo Nam.Effects of Al₂O₃ bufferlayer on the characteristics of the AIN thin film type SAW.2007 IEEEUltrason.Symp.pp.476-479.)。国内的王连卫等采用脉冲激光沉积ZnO等作为过渡层，再沉积AlN薄膜，能显著提高薄膜的(002)晶面择优取向度，降低薄膜表面粗糙度，但薄膜的粘接强度不够理想(ZL 99125749.9)。这些过渡层虽然能在一定程度上减小内应力提高薄膜质量，但是由于采用异质过渡层，AlN薄膜为异质外延生长，过渡层与AlN薄膜间仍然存在内应力、晶格不匹配以及相互扩散等问题。这些异质过渡层中，3C-SiC和TiN等过渡层的制备工艺与AlN薄膜不同，成本较高，如果在同一个真空室中沉积，Si、Ti等元素有可能污染AlN薄膜。ZnO和Al₂O₃等氧化物过渡层虽能显著提高AlN薄膜的择优取向度，但沉积AlN薄膜时应尽量避免氧的存在，因此氧化物过渡层与AlN薄膜是很难在同一个真空室中沉积的，这样使工艺变得复杂、工艺成本提高；也有研究采用同质过渡层，如刘昌等采用AlN缓冲层与AlN薄膜交替生长的方式来制备表面光滑的优质薄膜，但衬底温度偏高为500℃～780℃，并且工艺过程较复杂(ZL200810048681.3)。在所有这些过渡层中，ZnO和Al₂O₃增强AlN薄膜(002)晶面择优取向的效果最好。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的不足，提出一种增强AlN薄膜择优取向生长的沉积方法，它采用离子束辅助沉积技术在衬底表面预沉积AlN同质过渡层，再采用反应磁控溅射沉积的方法制备AlN薄膜，预沉积同质过渡层可有效减小薄膜与衬底间内应力，形成完全(002)取向的AlN薄膜，并降低薄膜的表面粗糙度，增加薄膜与衬底间的结合强度，使所得薄膜产品能满足在声表面波器件、体波器件以及其他微电子器件和功率器件中的应用。

本发明的技术方案是，所述增强AlN薄膜择优取向生长的沉积方法有以下步骤：

(1)采用离子束辅助沉积技术制备AlN同质过渡层：在衬底上用(2.0～2.5)keV/(20～50)mA的Ar⁺离子束溅射沉积Al膜的同时，用(20～35)keV/(2～8)mA的中能N⁺离子束对Al膜进行辅助轰击，在衬底上预沉积一层AlN的同质过渡层；然后：

(2)采用磁控溅射沉积AlN薄膜：本底真空≤5×10^-4Pa，工作气压0.5Pa～10Pa，衬底温度为200℃～500℃，在所述同质过渡层上沉积AlN薄膜。

以下对本发明做出进一步说明

上述步骤(2)采用的溅射电源可以是直流、射频或脉冲等电源的任一种。

本发明采用离子束辅助沉积技术在衬底上预沉积一层AlN的同质过渡层，再在过渡层上采用脉冲磁控溅射沉积AlN薄膜。离子束辅助沉积技术既是一种离子束辅助镀膜过程，也是一种动态反冲离子注入过程。载能Al原子及其团簇通过中能N⁺的辅助轰击而形成Al-N键，同时由于N⁺的轰击作用，Al、N与衬底表层原子发生混合，从而改变衬底表面状态，使随后沉积的AlN发生同质外延生长，有利于提高AlN薄膜结晶度并增强其(002)晶面取向度，缓释膜基界面应力，增加薄膜结合力。通过中能离子束的轰击注入作用使过渡层与衬底结合紧密，同质过渡层的引入，使得再沉积的AlN薄膜为同质外延生长，能显著减少薄膜的缺陷，增强(002)晶面择优取向度，提高结晶性能以及薄膜与衬底之间的结合强度，并且不需要高的衬底温度，衬底温度为200℃～500℃。

表1对ZnO、Al₂O₃过渡层与本发明增强AlN薄膜(002)晶面择优取向的工艺及其效果进行了对比。

        表1 三种不同过渡层制备方法及其主要技术经济指标的比较

 过渡层  本发明  ZnO  Al₂O₃ 过渡层沉积方法  离子束辅助  激光脉冲沉积  射频磁控溅射

 过渡层  本发明  ZnO  Al₂O₃ 靶材  离子束溅射用Al  靶  ZnO陶瓷靶  磁控溅射用Al靶 所需气体  Ar、N₂  O₂  Ar、O₂ 衬底温度  200℃～500℃  600℃  500℃～600℃ 沉积速率  高  低  高 过渡层与衬底结 合强度  高  较高  低 成本  低  高  较低 主要技术经济指 标  本工艺  ZnO  Al₂O₃ 内应力  小  中  大 AlN膜C轴取向度  高  较高  较高 AlN膜表面粗糙度  低  较低  较高 AlN膜粘结强度  高  较高  低 AlN薄膜缺陷  少  较少  多 AlN膜质量稳定性  稳定  稳定  较稳定

由以上可知，本发明为一种增强AlN薄膜择优取向生长的沉积方法，它的主要优点有：

(1)可以在同一真空室中进行，无需分室沉积过渡层，工艺操作简单，生产成本低；

(2)制备的过渡层具有AlN结构，是一种同质过渡层，在随后的沉积AlN薄膜和工作过程中，不会发生过渡层与AlN薄膜间的扩散形为，即过渡层对AlN薄膜没有不利影响；

(3)制备的AlN薄膜(002)取向度高，即呈完全的c轴取向，有利于提高声波的传播速度；

(4)在衬底表面采用离子束辅助预沉积同质过渡层可以改变AlN薄膜表面形貌，降低其表面粗糙度，有利于提高薄膜的压电效应并降低声波的传播损耗；

(5)由于采用20keV以上的中能N⁺离子束辅助轰击，具有注入效应，沉积的同质过渡层与衬底结合紧密，从而明显提高外延生长的AlN薄膜粘接性能。

附图说明

图1为Si衬底上过渡层的XRD图谱；

图2为Si衬底上过渡层的XPS的拟合图谱；其中，(a)为Al_2p峰的窄扫描XPS拟合图谱，(b)为N_1s峰的窄扫描XPS拟合图谱；

图3为Si衬底上的AlN薄膜XRD图谱；其中，(a)为Si上直接沉积的AlN薄膜XRD图谱，(b)为Si上引入过渡层后沉积的AlN薄膜XRD图谱；

图4为在硅片上直接沉积的AlN薄膜的AFM图谱；

图5为引入同质过渡层后制备的AlN薄膜的AFM图谱；

图6为直接在Si衬底上沉积的AlN薄膜冷热循环后的SEM图，(a)、(b)、(c)分别为区域一、区域二、区域三；

图7为引入同质过渡层后沉积的AlN薄膜冷热循环后SEM图，(a)、(b)、(c)分别为区域一、区域二、区域三；

图8为金刚石衬底上的AlN薄膜的XRD图谱，其中(a)为金刚石上直接沉积的AlN薄膜XRD图谱，(b)为金刚石上引入过渡层后沉积的AlN薄膜XRD图谱；

图9为金刚石衬底上直接沉积的AlN薄膜AFM图；

图10为金刚石衬底上引入过渡层后的AlN薄膜AFM图。

具体实施方式

(1)产品及用途：制备具有高度(002)晶面取向度的AlN薄膜，应用于声表面波器件和体波器件中。

(2)设备和工艺路线：所用设备为离子束磁控溅射复合镀膜设备，需至少配置低能清洗离子源一台，用于清洗衬底；溅射离子源一台，用于溅射出铝原子或原子团；20keV以上中能离子源一台，用于离子束辅助轰击；磁控溅射靶一支用于磁控溅射制备AlN薄膜。其主要工艺包括采用离子束辅助沉积技术在衬底上预沉积一层AlN同质过渡层，再利用磁控溅射在过渡层上生长(002)择优取向的AlN薄膜。

(3)实施例

实施例1 Si衬底上沉积(002)取向AlN薄膜：采用(100)单晶硅片为衬底，依次经丙酮、酒精超声清洗，烘干后装入离子束磁控溅射复合镀膜设备真空室内的样品台上，镀膜前用600eV/50mA的Ar⁺束轰击清洗硅片表面15min。采用离子束辅助沉积同质过渡层，即在用离子束溅射Al靶的同时，用另一束中能N⁺离子束进行辅助轰击，具体工艺见表2。沉积过渡层后，在不破坏真空的情况下，将样品台通过旋转装置从离子束镀膜位置转到磁控溅射镀膜位置，并将工艺条件调整至磁控溅射镀膜条件，采用脉冲反应磁控溅射沉积AlN薄膜，磁控溅射镀膜工艺如表3所示。

表2 离子束辅助沉积的主要工艺参数

  中能离子束  溅射离子束  能量/kV  30  2.5

  中能离子束  溅射离子束  束流/mA  8  40  工作气体  N₂  Ar  工作气压/Pa  1.5×10^-2  1.5×10^-2

                 表3 脉冲反应磁控溅射的主要工艺参数

  电源  溅射工  作气压  /Pa  N2/(N2+Ar)  /％  靶功率  /W  靶基距  /cm  沉积时  间  /h  脉冲频  率  /kHz  占空比  /％  脉冲  0.5  50  150  5  4  27.728  50

采用X射线衍射仪和X射线光电子能谱仪(XPS)对仅用离子束辅助沉积的过渡层进行分析。图1为过渡层的XRD图谱，图1中可以看到过渡层中存在AlN的(100)和(002)两个衍射峰。图2为过渡层的XPS的拟合图谱，从图谱中可以发现Al与N形成了Al-N键，综合分析可知，利用离子束辅助沉积的过渡层为AlN同质过渡层。

采用X射线衍射仪分析测试Si衬底上生长的AlN薄膜择优取向度，如图3所示。图3(a)为未引入过渡层时薄膜的XRD图，从图中可看出，存在(100)，(002)两个晶面衍射峰，为混合晶面取向，薄膜取向性差。图3(b)为引入同质过渡层后薄膜的XRD图谱，图中可以看出其为完全(002)晶面择优取向，(100)晶面衍射峰消失，薄膜的择优取向度明显提高。

图4为在硅片上直接沉积的AlN薄膜的AFM图谱，从图4中可以看到未引入同质过渡层时，薄膜表面起伏较大，表面较粗糙。其表面粗糙度为6.4nm，均方根粗糙度为8.7nm。图5为引入同质过渡层后制备的AlN薄膜的AFM图谱，图5中薄膜表面起伏较小，表面粗糙度为2.2nm，均方根粗糙度为2.8nm。表面粗糙度明显减小。

薄膜的粘接强度采用冷热循环法来表征。样品在0℃的冰水混合物中保温五分钟后立即放入100℃沸水中保温五分钟，转换时间小于10s，。实验时室温22℃，湿度73％RH。当冷热循环到第十三个周期时，未引入过渡层的AlN薄膜开始大面积脱落。而引入同质过渡层的样品表面较好，未出现膜的大面积脱落。图6为直接在Si衬底上沉积的AlN薄膜冷热循环后的SEM图。图7为Si衬底上引入同质过渡层后沉积的AlN薄膜冷热循环后的SEM图。可以看出引入过渡层制备出的AlN薄膜的粘接强度明显要高于直接沉积的AlN薄膜的粘接强度。

实施例2金刚石衬底上制备AlN薄膜：在声表面波器件的应用中，金刚石衬底具有高的声波速率(18000m/s)，最高的弹性模量(1200GPa)，在不需要减小叉指电极宽度的情况下就能提高器件的工作频率，因此采用金刚石作为衬底制备AlN薄膜。

工艺流程：金刚石衬底→丙酮超声清洗十分钟→酒精超声清洗十分钟→烘干→装入离子束磁控溅射复合镀膜装置真空室内的样品台上(衬底温度500℃并旋转)→用600eV、50mA低能Ar⁺束轰击清洗硅片表面15min→离子束辅助沉积同质过渡层(具体工艺见表2)→脉冲反应磁控溅射沉积AlN薄膜四小时(具体工艺见表3)

测试结果：

1.择优取向度：

图8为金刚石衬底上生长的AlN薄膜的XRD图谱，其中图8(a)为直接在金刚石衬底上沉积的AlN薄膜的XRD图谱，从图8(a)中发现薄膜存在(100)(33.263°)，(002)(36.02°)，(101)(38.02°)混合晶面取向，且其中(002)晶面衍射峰半高宽较宽，为0.38°，各衍射峰峰强较弱，说明薄膜结晶性能较差，(002)晶面择优取向度不高。图8(b)为引入过渡层后再沉积AlN薄膜的XRD图谱，从图谱中发现薄膜为(002)晶面择优取向，未出现(100)，(101)晶面，并且(002)晶面衍射峰明显增强，衍射峰半高宽明显变窄，为0.28°，说明引入过渡层后，(002)晶面取向度增强，AlN薄膜的结晶性能明显变好，表现为垂直衬底表面c轴择优取向生长。

2.表面粗糙度：

图9为在金刚石上直接沉积的AlN薄膜的AFM图谱，从图中可以看到未引入同质过渡层时，薄膜表面起伏较大，表面较粗糙。其表面粗糙度为160.2nm，均方根粗糙度为200.9nm。图10为引入同质过渡层后制备的AlN薄膜的AFM图谱，图中薄膜表面起伏减小，表面粗糙度为128.3nm，均方根粗糙度为187.8nm。表面粗糙度明显减小。