[發明專利]一種在金剛石襯底上沉積高C軸取向氮化鋁薄膜的方法

有效

• 申請號: 201911064779.2
• 申請日: 2019-11-01
• 公開（公告）號: CN112760604B
• 公開（公告）日: 2022-12-02
• 發明（設計）人: 劉皓;徐瑤華;張曉;趙文瑞;魏峰
• 申請（專利權）人: 有研工程技術研究院有限公司
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/06;C23C14/02
• 代理公司: 北京北新智誠知識產權代理有限公司 11100
• 代理人: 劉秀青

本發明公開了一種在金剛石襯底上沉積高C軸取向氮化鋁薄膜的方法，涉及壓電薄膜制備技術領域。本發明采用射頻反應磁控濺射技術，具體步驟包括真空預處理、襯底預處理、靶材預濺射、薄膜沉積，隨著一次或多次沉積過程的進行，不固定可單獨調節的工藝參數，而是在其原有基礎上進行調整，從而控制靶材自偏壓一直穩定在設定值。本發明在金剛石上沉積的氮化鋁薄膜具有高C軸取向，且相較于傳統方法具備較高的工藝穩定性和重復性，便于節約成本、保證薄膜性能的一致性，適用于工業大規模生產。

技術領域

本發明屬于壓電薄膜制備技術領域，涉及一種氮化鋁壓電薄膜的制備方法，尤其涉及一種在金剛石襯底上沉積高C軸取向氮化鋁薄膜的方法。

背景技術

聲表面波器件是現代無線移動通信系統的關鍵部件之一，它在實時通信、雷達監測、定位導航和電子對抗等領域均具有廣泛的應用。隨著信息和通訊技術的高速發展，聲表面波器件的使用頻率和功率不斷提高，從最初的MHz級到現在的GHz級。高頻聲表面波器件要求基片材料不僅具有良好的壓電性能，還要具有非常高的聲表面波傳播速度，單一的壓電材料已不能滿足需求，因此其基片不斷向多層結構發展，即以高聲速材料為基底，其上再沉積一層具有較高聲速特性的壓電薄膜，這種復合結構既可以保證器件整體的高聲速，也能使器件具備良好的壓電性能。所以，選擇合適的高聲速材料及壓電薄膜材料，并在高聲速材料表面制備出性能優異的壓電薄膜是目前高頻聲表面波器件的研究關鍵。

金剛石具有高聲傳播速度(達10000m/s以上)、高彈性模量、高室溫熱導率和優良的耐熱性，用其制作高頻聲表面波器件，對電極制備技術的要求大大降低，有利于聲學波的高保真傳輸及改善器件的散熱能力。目前采用化學氣相沉積(CVD)技術已經能夠在硅或金屬襯底上生長高質量大面積的金剛石薄膜，且CVD金剛石薄膜的性能幾乎能夠與天然金剛石相媲美，可作為多層結構聲表面波器件中的高聲速材料。氮化鋁(AlN)薄膜具備良好的壓電性能，同時也具有較高的聲傳播速度，其沿C軸，即(002)晶面法線方向的聲表面波傳播速度高達6.2km/s，在所有無機非鐵電的壓電材料中幾乎是最高的，約是傳統壓電材料LiNbO₃的2倍，作為聲表面器件的壓電薄膜材料既能保證器件具備良好的壓電性，也能提高器件的頻率，氮化鋁還具有高電阻率和高化學穩定性，是高頻聲表面波器件的一種較為理想的壓電基片材料。因此，氮化鋁/金剛石復合結構在高頻聲表面波器件中具有極高的潛在應用價值。

目前，已經有多種方法可以在金剛石上制備C軸擇優取向的氮化鋁薄膜，其中最常用的方法是磁控濺射，其具有低成本、高生長速率、可實現大面積沉積、適合大規模工業化生產等優點。如CN 104862659 B公開了一種氮化鋁薄膜的中頻磁控反應濺射方法，其采用動態調節氮氣含量的方法能夠制備出高C軸取向的氮化鋁薄膜，但該項專利并未就工藝的穩定性和重復性作詳細說明。

對于工業生產來說，工藝的穩定性和重復性是非常關鍵的問題，而一般采用磁控濺射重復多次進行氮化鋁沉積時，都是控制氣體、功率等可單獨調節的工藝參數保持一致，以盡可能保證薄膜性能的一致性，但實際上在每次沉積過程中腔體環境都會有微小變化，例如靶表面中毒情況、靶材損耗狀態、電源匹配程度等，這些難以單獨調節的因素會導致制備的氮化鋁薄膜厚度、C軸結晶質量等性能出現明顯的差異，造成工藝的穩定性和重復性較差，如果采用頻繁更換新靶材等措施，又會增大生產成本，這非常不利于工業大規模生產。

在射頻磁控濺射過程中，由于電子的遷移速度遠大于離子的遷移速度，使得正半周期積累到靶上的電子數量遠大于負半周期積累到靶材上的離子數量，從而會在靶材表面建立負的自偏壓。靶材自偏壓是射頻輝光放電系統中等離子體狀態、電源匹配狀態、放電室結構等各方面因素的綜合反映，不僅受系統環境的影響，也可以通過調節工藝參數改變其大小，使得靶材和襯底表面受到的離子轟擊能量保持一致。因此，本發明通過控制射頻反應磁控濺射過程中的靶材自偏壓，來改善氮化鋁薄膜制備工藝的穩定性和重復性。

發明內容