反应磁控溅射法制备氮化铝钪薄膜
发布时间：2021-01-29 16:50
为了制备出压电性能良好、c轴择优生长的氮化铝钪压电薄膜,本文利用脉冲直流反应磁控溅射法制备了几组氮化铝钪薄膜,通过控制变量,并利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和压电系数测试仪等测试设备,研究了气体流量、功率、衬底温度、缓冲层结构以及掺钪对薄膜结晶质量及性能的影响,优化了工艺参数。结果表明,相比于钛铂缓冲层,使用氮化铝/钛/铂缓冲层制备薄膜,可以使摇摆曲线半高宽由2.62°降至2.38°。然后,对钪掺杂机理进行了简单分析,本文所制备氮化铝钪薄膜的纵向压电系数d33高达-10.5 pC/N,是纯氮化铝压电系数的1.9倍, XRD图谱及SEM图像表明,在该掺杂浓度下,压电系数的提高主要是通过钪掺杂产生的晶格畸变引起,而非改变了晶体结构。
【文章来源】：光学精密工程. 2020,28(09)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
不同气体流量下制备薄膜的扫描结果
在第二组实验中,气体流量比和衬底温度分别固定在了6/24和室温,溅射功率从300 W逐步提高到700 W。图2展示了氮化铝(002)峰的摇摆曲线FWHM和峰值强度随溅射功率的变化,由图可以看出,随着功率的提高,薄膜结晶质量先提高后降低。当功率较低时,金属粒子通过碰撞获得的能量较低,沉积到衬底时难以自发移动,因此排布较不规律。当功率满足粒子自发移动要求时,(002)晶面择优生长;而当功率过大时,薄膜沉积速率上升,粒子尚未充分移动就被新沉积的粒子覆盖,同样导致结晶质量变差。3.3 衬底温度对结晶质量的影响
在氮化铝的溅射实验中发现,氮化铝压电薄膜的生长质量与底电极密切相关,通过引入与底电极晶格失配较小的氮化铝缓冲层,在缓冲层上外延生长底电极,可以提高底电极生长质量,借此进一步提高氮化铝压电薄膜层的生长质量(见图4)[9,12]。由图1～图3的X射线衍射图谱可以看出,在本次实验过程中的所有参数条件下,实验组的薄膜生长质量几乎都优于对照组,且最优薄膜也是在实验组的缓冲层结构下所制备完成的,说明氮化铝种子层的引入的确可以改善薄膜生长质量。图5显示了最优参数下制备的氮化铝钪薄膜的2θ-θ扫描结果,虚线为实验组(氮化铝/钛/铂缓冲层上生长的氮化铝钪薄膜),实线为对照组(钛/铂缓冲层上生长的氮化铝钪薄膜)。由图5的θ扫描曲线可以看出,氮化铝种子层的存在改善了氮化铝钪压电薄膜的生长质量,实验组所制备薄膜的衍射图谱中氮化铝(002)峰明显较优,在未扣除仪器本征FWHM的情况下,FWHM达到2.38°,而对照组则为2.62°。由于薄膜的结晶质量和FWHM直接相关[12],该结果证明实验组薄膜的结晶质量优于对照组。同时,加入氮化铝层后可以明显观察到钛的衍射峰,证明这一现象的机理可能是氮化铝缓冲层的引入改善了底电极的结晶质量,从而进一步提高了薄膜的结晶质量[9]。该现象在氮化铝的制备中曾有出现,本文结果证明该机理在氮化铝钪的制备中同样有效。另外,在XRD扫描范围内未见明显氮化铝(100)峰出现[13],证明实验所制备的氮化铝钪薄膜具有明显的c轴择优取向[8]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]超薄硅衬底氮化铝Lamb波压电谐振器[J]. 李传宇,孔慧,唐玉国,张芷齐,郭振,张威,周连群. 光学精密工程. 2018(02)
[2]基于ZnO压电薄膜的柔性声表面波器件[J]. 周剑,何兴理,金浩,王德苗,骆季奎. 光学精密工程. 2014(02)
[3]硅基氮化铝薄膜风致振动MEMS能量采集单元[J]. 尚正国,李东玲,温志渝,赵兴强. 光学精密工程. 2013(12)
[4]硅基PZT压电功能结构[J]. 王蔚,田丽,刘晓为,任明远,张颖. 光学精密工程. 2009(03)
博士论文
[1]氮化铝薄膜体声波谐振器（FBAR）的电场与红外频率调制特性研究[D]. 陈聪.重庆大学 2018
硕士论文
[1]ZnO薄膜制备及声传感器结构仿真[D]. 曾雄.电子科技大学 2007
本文编号：3007229
【文章来源】：光学精密工程. 2020,28(09)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
不同气体流量下制备薄膜的扫描结果
在第二组实验中,气体流量比和衬底温度分别固定在了6/24和室温,溅射功率从300 W逐步提高到700 W。图2展示了氮化铝(002)峰的摇摆曲线FWHM和峰值强度随溅射功率的变化,由图可以看出,随着功率的提高,薄膜结晶质量先提高后降低。当功率较低时,金属粒子通过碰撞获得的能量较低,沉积到衬底时难以自发移动,因此排布较不规律。当功率满足粒子自发移动要求时,(002)晶面择优生长;而当功率过大时,薄膜沉积速率上升,粒子尚未充分移动就被新沉积的粒子覆盖,同样导致结晶质量变差。3.3 衬底温度对结晶质量的影响
在氮化铝的溅射实验中发现,氮化铝压电薄膜的生长质量与底电极密切相关,通过引入与底电极晶格失配较小的氮化铝缓冲层,在缓冲层上外延生长底电极,可以提高底电极生长质量,借此进一步提高氮化铝压电薄膜层的生长质量(见图4)[9,12]。由图1～图3的X射线衍射图谱可以看出,在本次实验过程中的所有参数条件下,实验组的薄膜生长质量几乎都优于对照组,且最优薄膜也是在实验组的缓冲层结构下所制备完成的,说明氮化铝种子层的引入的确可以改善薄膜生长质量。图5显示了最优参数下制备的氮化铝钪薄膜的2θ-θ扫描结果,虚线为实验组(氮化铝/钛/铂缓冲层上生长的氮化铝钪薄膜),实线为对照组(钛/铂缓冲层上生长的氮化铝钪薄膜)。由图5的θ扫描曲线可以看出,氮化铝种子层的存在改善了氮化铝钪压电薄膜的生长质量,实验组所制备薄膜的衍射图谱中氮化铝(002)峰明显较优,在未扣除仪器本征FWHM的情况下,FWHM达到2.38°,而对照组则为2.62°。由于薄膜的结晶质量和FWHM直接相关[12],该结果证明实验组薄膜的结晶质量优于对照组。同时,加入氮化铝层后可以明显观察到钛的衍射峰,证明这一现象的机理可能是氮化铝缓冲层的引入改善了底电极的结晶质量,从而进一步提高了薄膜的结晶质量[9]。该现象在氮化铝的制备中曾有出现,本文结果证明该机理在氮化铝钪的制备中同样有效。另外,在XRD扫描范围内未见明显氮化铝(100)峰出现[13],证明实验所制备的氮化铝钪薄膜具有明显的c轴择优取向[8]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]超薄硅衬底氮化铝Lamb波压电谐振器[J]. 李传宇,孔慧,唐玉国,张芷齐,郭振,张威,周连群. 光学精密工程. 2018(02)
[2]基于ZnO压电薄膜的柔性声表面波器件[J]. 周剑,何兴理,金浩,王德苗,骆季奎. 光学精密工程. 2014(02)
[3]硅基氮化铝薄膜风致振动MEMS能量采集单元[J]. 尚正国,李东玲,温志渝,赵兴强. 光学精密工程. 2013(12)
[4]硅基PZT压电功能结构[J]. 王蔚,田丽,刘晓为,任明远,张颖. 光学精密工程. 2009(03)
博士论文
[1]氮化铝薄膜体声波谐振器（FBAR）的电场与红外频率调制特性研究[D]. 陈聪.重庆大学 2018
硕士论文
[1]ZnO薄膜制备及声传感器结构仿真[D]. 曾雄.电子科技大学 2007
本文编号：3007229
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