基于磁控溅射制备技术面向大尺寸基板氮化铝薄膜的研究
发布时间：2021-12-11 17:42
微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System MEMS）是指可以批量制造的微设备或系统,主要包含微机械,微传感器,微执行器以及信号处理、控制电路,通信和电源等。其工作原理是外部环境物理、化学和生物等信号输入,通过微传感器转换成电信号,经过信号处理（模拟信号或数字信号）后,由微执行器执行动作,达到与外部环境“互动”的功能。薄膜体声波谐振器（Film-Bulk-Acoustic-Wave-Resonators FBAR）因具有体积小、损耗低、功率容量大、可集成等优异的性能,随着MEMS技术的发展得到广泛关注。氮化铝（AlN）薄膜作为常用的压电薄膜材料之一,具有多晶择优取向性,晶体表面声波沿c-轴方向的传输速度最大,是所有已知压电材料中声波波速最高的最快的压电材料,常被用来研究FBAR。本论文通过采用反应磁控溅射的方法,在大尺寸（8英寸）基板上通过改变不同电源功率、基板偏压、氮气流量、溅射靶材与基板的距离等成膜条件制备了AlN压电薄膜并对其性能进行深入研究。实验结果表明,溅射功率的大小影响着AlN薄膜的膜厚均一性和c轴取向,沉积速率对薄膜的均一性也有重要影响;基...
【文章来源】：长春大学吉林省
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
压电效应和逆压电效应示意图
5施加电流，压电将改变其形状并在其晶体中产生应变。这是由于原子在晶体中的排列不均匀而发生的。通常，在普通的非压电材料中，其晶体中的电荷被平衡并抵消，从而在施加压力时使晶体中性充电。另一方面，当向压电材料施加压力时，晶体极化并且电荷中心严重失衡，并在晶体中产生所谓的偶极子。电荷的这种不平衡是使压电体像压电体一样工作的基本机制。与其感测能力相似，压电材料会产生与施加到压电材料的电量成比例的量的应变或位移。由于压电体与所施加的电荷成比例地运动，因此压电体通常用于进行难以置信的小而精确的运动，位移量仅受可施加到压电体的电荷量的限制。在使用压电进行致动的应用中，通常将多个压电陶瓷板相互堆叠，并平行布线成压电叠层。这样做会增加设备的电容，并降低引起位移的电压要求。图1-2压电坐标系在压电坐标系中（如图1-2），数字1、2和3分别代表x，y和z轴，数字4、5和6代表绕轴的剪切力。该坐标系对于压电特性是必不可少的，并且可以深入了解极化方向和电场方向。压电特性通常后跟两个下标。例如，压电电荷系数d33后面是数字33。压电电荷系数通常以皮特每伏特（pm/V）的单位表示，用于致动目的，因为它可以告诉我们压电的距离会随着每伏特的电进行移动。在压电坐标系中，第一个下标表示施加电场的方向，并且第二个下标代表位移的方向。这意味着对于d33，电场和位移都在3个方向上。在压电驱动中，该模式称为纵向或轴向模式。1.3氮化铝薄膜晶体结构氮化铝（AlN）是一种属类金刚石氮化物，具有六方纤锌矿结构的原子共价晶体，晶格常数a＝3.110，c=4.978。AlN的理论密度为3.26g/cm3，稳定性好，
6最高可稳定到2200℃。如图1-3所示，四个N原子与周围的一个Al原子形成一个包含四个SP3杂化轨道的四面体，Al原子有三个半满和一个空轨道，N原子有三个半满和一个全满轨道。Bl键由Al原子的半满轨道与N原子的半满轨道形成，键长为0.1885nm；B2键是由N原子的全满轨道与Al原子的空轨道形成沿c轴方向的Al-N0键，键长0.1917nm。N0-Al-Ni的键角为107.7°，Ni-Al-Ni的键角为110.5°。此外，纤锌矿结构AIN具有优异的物理性质，如表1-1所示。图1-3纤锌矿AlN的晶体结构表1-1纤锌矿结构AIN的物理参数表物理性质参数值禁带宽度（eV）6.2热膨胀系数/×10-6K-1Δa/a=4.2，Δc/c=5.3热导率（W/(cmk)）2.85介电常数8.5密度g/cm33.23声波传输速度（m/s）Va=5500Vc=11354电阻率（Ω.cm）＞1013熔点（℃）Tm=2800声波传输速度m/sVa=5500,Vc=111354击穿电压（106V/cm）14
【参考文献】：
期刊论文
[1]AlN的近真空紫外非周期振荡发射（英文）[J]. 朱燕明,林日成,郑伟,冉军学,黄丰. Science Bulletin. 2020(10)
[2]基于ZnO/AlN/金刚石温补结构的研究[J]. 文武,刘传浩. 压电与声光. 2019(06)
[3]射频磁控溅射不锈钢衬底AlN薄膜的制备与特性研究[J]. 樊志琴,陈飞跃. 人工晶体学报. 2019(12)
[4]White light emission from Er, Pr co-doped AlN films[J]. 李祥,王晓丹,马海,陈飞飞,曾雄辉. Chinese Optics Letters. 2019(11)
[5]CMOS工艺兼容的8英寸硅光平台[J]. 李东浩,李彬,唐波,刘道群,张鹏,杨妍,刘若男,李志华. 微纳电子与智能制造. 2019(03)
[6]协同共振型薄膜体声波谐振器研究[J]. 张亚非,刘一剑,李忠丽,张耀中,苏言杰,刘刚. 上海交通大学学报. 2018(10)
[7]Parylene-MEMS technique-based flexible electronics[J]. Xiao DONG,Meixuan ZHANG,Yinhua LEI,Zhihong LI,Yufeng JIN,Wei WANG. Science China（Information Sciences）. 2018(06)
[8]薄膜体声波谐振器调频工艺研究[J]. 彭兴文,徐阳,杜波,张永川,司美菊,刘娅,何西良,卢丹丹. 压电与声光. 2018(02)
[9]射频磁控溅射AlN薄膜的场发射性能研究[J]. 吴成泽,汪剑波,龚楠,冯禹,连宇翔,孙贯成,于淼. 长春理工大学学报(自然科学版). 2017(01)
[10]薄膜体声波（FBAR）滤波器研究现状[J]. 段宗明. 电子世界. 2016(16)
博士论文
[1]低位错GaN及低温AlN的MOCVD外延生长研究[D]. 胡巍.中国科学院大学(中国科学院物理研究所) 2019
[2]氮化铝压电薄膜的反应磁控溅射制备与性能表征[D]. 毕晓猛.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014
[3]射频磁控反应溅射低温制备高C轴择优取向的氮化铝薄膜[D]. 邝许平.哈尔滨工业大学 2014
硕士论文
[1]基于AlN薄膜高频SAW器件的制备与研究[D]. 肖福亮.天津理工大学 2018
[2]氮化铝薄膜择优取向生长研究[D]. 侯明颖.大连理工大学 2017
[3]基于单晶AlN薄膜的FBAR制备研究[D]. 刘国荣.华南理工大学 2017
[4]大功率LED散热封装用铝基氮化铝薄膜基板研究[D]. 杨力.浙江大学 2013
本文编号：3535107
【文章来源】：长春大学吉林省
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
压电效应和逆压电效应示意图
5施加电流，压电将改变其形状并在其晶体中产生应变。这是由于原子在晶体中的排列不均匀而发生的。通常，在普通的非压电材料中，其晶体中的电荷被平衡并抵消，从而在施加压力时使晶体中性充电。另一方面，当向压电材料施加压力时，晶体极化并且电荷中心严重失衡，并在晶体中产生所谓的偶极子。电荷的这种不平衡是使压电体像压电体一样工作的基本机制。与其感测能力相似，压电材料会产生与施加到压电材料的电量成比例的量的应变或位移。由于压电体与所施加的电荷成比例地运动，因此压电体通常用于进行难以置信的小而精确的运动，位移量仅受可施加到压电体的电荷量的限制。在使用压电进行致动的应用中，通常将多个压电陶瓷板相互堆叠，并平行布线成压电叠层。这样做会增加设备的电容，并降低引起位移的电压要求。图1-2压电坐标系在压电坐标系中（如图1-2），数字1、2和3分别代表x，y和z轴，数字4、5和6代表绕轴的剪切力。该坐标系对于压电特性是必不可少的，并且可以深入了解极化方向和电场方向。压电特性通常后跟两个下标。例如，压电电荷系数d33后面是数字33。压电电荷系数通常以皮特每伏特（pm/V）的单位表示，用于致动目的，因为它可以告诉我们压电的距离会随着每伏特的电进行移动。在压电坐标系中，第一个下标表示施加电场的方向，并且第二个下标代表位移的方向。这意味着对于d33，电场和位移都在3个方向上。在压电驱动中，该模式称为纵向或轴向模式。1.3氮化铝薄膜晶体结构氮化铝（AlN）是一种属类金刚石氮化物，具有六方纤锌矿结构的原子共价晶体，晶格常数a＝3.110，c=4.978。AlN的理论密度为3.26g/cm3，稳定性好，
6最高可稳定到2200℃。如图1-3所示，四个N原子与周围的一个Al原子形成一个包含四个SP3杂化轨道的四面体，Al原子有三个半满和一个空轨道，N原子有三个半满和一个全满轨道。Bl键由Al原子的半满轨道与N原子的半满轨道形成，键长为0.1885nm；B2键是由N原子的全满轨道与Al原子的空轨道形成沿c轴方向的Al-N0键，键长0.1917nm。N0-Al-Ni的键角为107.7°，Ni-Al-Ni的键角为110.5°。此外，纤锌矿结构AIN具有优异的物理性质，如表1-1所示。图1-3纤锌矿AlN的晶体结构表1-1纤锌矿结构AIN的物理参数表物理性质参数值禁带宽度（eV）6.2热膨胀系数/×10-6K-1Δa/a=4.2，Δc/c=5.3热导率（W/(cmk)）2.85介电常数8.5密度g/cm33.23声波传输速度（m/s）Va=5500Vc=11354电阻率（Ω.cm）＞1013熔点（℃）Tm=2800声波传输速度m/sVa=5500,Vc=111354击穿电压（106V/cm）14
【参考文献】：
期刊论文
[1]AlN的近真空紫外非周期振荡发射（英文）[J]. 朱燕明,林日成,郑伟,冉军学,黄丰. Science Bulletin. 2020(10)
[2]基于ZnO/AlN/金刚石温补结构的研究[J]. 文武,刘传浩. 压电与声光. 2019(06)
[3]射频磁控溅射不锈钢衬底AlN薄膜的制备与特性研究[J]. 樊志琴,陈飞跃. 人工晶体学报. 2019(12)
[4]White light emission from Er, Pr co-doped AlN films[J]. 李祥,王晓丹,马海,陈飞飞,曾雄辉. Chinese Optics Letters. 2019(11)
[5]CMOS工艺兼容的8英寸硅光平台[J]. 李东浩,李彬,唐波,刘道群,张鹏,杨妍,刘若男,李志华. 微纳电子与智能制造. 2019(03)
[6]协同共振型薄膜体声波谐振器研究[J]. 张亚非,刘一剑,李忠丽,张耀中,苏言杰,刘刚. 上海交通大学学报. 2018(10)
[7]Parylene-MEMS technique-based flexible electronics[J]. Xiao DONG,Meixuan ZHANG,Yinhua LEI,Zhihong LI,Yufeng JIN,Wei WANG. Science China（Information Sciences）. 2018(06)
[8]薄膜体声波谐振器调频工艺研究[J]. 彭兴文,徐阳,杜波,张永川,司美菊,刘娅,何西良,卢丹丹. 压电与声光. 2018(02)
[9]射频磁控溅射AlN薄膜的场发射性能研究[J]. 吴成泽,汪剑波,龚楠,冯禹,连宇翔,孙贯成,于淼. 长春理工大学学报(自然科学版). 2017(01)
[10]薄膜体声波（FBAR）滤波器研究现状[J]. 段宗明. 电子世界. 2016(16)
博士论文
[1]低位错GaN及低温AlN的MOCVD外延生长研究[D]. 胡巍.中国科学院大学(中国科学院物理研究所) 2019
[2]氮化铝压电薄膜的反应磁控溅射制备与性能表征[D]. 毕晓猛.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014
[3]射频磁控反应溅射低温制备高C轴择优取向的氮化铝薄膜[D]. 邝许平.哈尔滨工业大学 2014
硕士论文
[1]基于AlN薄膜高频SAW器件的制备与研究[D]. 肖福亮.天津理工大学 2018
[2]氮化铝薄膜择优取向生长研究[D]. 侯明颖.大连理工大学 2017
[3]基于单晶AlN薄膜的FBAR制备研究[D]. 刘国荣.华南理工大学 2017
[4]大功率LED散热封装用铝基氮化铝薄膜基板研究[D]. 杨力.浙江大学 2013
本文编号：3535107
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