CN103924204A - 一种在钛合金基片表面制备c轴取向氮化铝薄膜的方法 - Google Patents

Abstract

一种在钛合金基片表面制备C轴取向氮化铝薄膜的方法，属于薄膜材料制备技术领域。首先对钛合金基片表面进行抛光，以尽量降低其表面粗糙度；然后采用磁控反应溅射在350～450℃的基片温度范围内预溅射一层氮化铝，待预溅射氮化铝厚度超过钛合金基片的表面粗糙度后，让钛合金基片自然降温至120～150℃并持续溅射沉积氮化铝直至氧化铝薄膜达到需要的厚度。本发明在钛合金基片表面成功制备出C轴取向的氮化铝薄膜，该薄膜具有高度的C轴取向、较低的表面粗糙度和良好的压电效应，从而为氮化铝薄膜型声表面波器件直接做在钛合金材料表面提供了材料基础，并为氮化铝薄膜型声表面波传感器在航空、航天领域的高可靠性应用提供了一种可能。

Description

一种在钛合金基片表面制备C轴取向氮化铝薄膜的方法

技术领域

本发明属于薄膜材料制备技术领域，涉及氮化铝薄膜制备工艺以及薄膜型声表面波传感器件技术，尤其涉及在钛合金表面制备取向氮化铝薄膜的方法。

背景技术

氮化铝为典型的宽带隙III-V化合物，具有一系列优良的物理化学性质：化学稳定性好、硬度高、高压电系数、高热导率、低热膨胀系数、直带隙宽度比较宽、声波传播速度快等。在声表面波器件领域中，随着无线通信***和数据传输技术的快速发展，使声表面波器件向GHz以上的频段发展，而氮化铝薄膜具有所有无机非贴点性压电材料中最高的声表面波速度，因此可以成为有效提高声表面波器件中心频率的压电材料。而且制作声表面波器件所需要的高化学稳定性好、高热导率、低热膨胀系数、大击穿电场、高声速、高机电耦合系数以及与半导体工艺相兼容的压电材料，氮化铝薄膜能够很好的满足这些要求。因此氮化铝成为研制薄膜型声表面波器件的首选压电材料。

钛合金因其具有强度高、耐腐蚀性好、耐热性高等特点被广泛应用于各个领域。在航空领域特别是航空发动机压气机部件使用的大量的高温钛合金材料，因此能够准确测量出这些应用于各种部件的钛合金材料在日常工作中的所承受的应力和温度是当前研究的热点。而目前制作用于测量钛合金表面的应力与温度声表面波传感器的方法主要是：通过在单晶压电敏感块材上制作声表面波传感器，然后通过粘接剂将其贴附于待测的钛合金板材上来敏感钛合金所承受的应力与温度变化。由于这种方法对粘接剂的粘接强度还有人为的粘接操作有很高的要求，而且随着使用时间的推移，粘接剂的老化脱落也会导致传感器的性能减弱或消失，甚至脱落。这些都对传感器的可靠性和使用寿命有着巨大影响。

为了解决上述利用单晶压电块材制作声表面波传感器应用于测量钛合金应力与温度变化可靠性低、寿命短的问题，若能在钛合金表面直接沉积高(002)轴取向、低表面粗糙度的氮化铝压电敏感薄膜，则有望解决氮化铝薄膜型声表面波器件在航空、航天领域的应用中的可靠性问题。

发明内容

本发明提供一种在钛合金基片表面制备取向氮化铝薄膜的方法，该方法所制备的基于钛合金的氮化铝薄膜具有垂直于(002)晶面(即C轴)取向、低表面粗糙度的特点，适于在钛合金表面直接制作声表面波传感器，为氮化铝薄膜型声表面波传感器在航空、航天领域的高可靠性应用提供了一种可能。

本发明技术方案如下：

一种在钛合金基片表面制备C轴取向氮化铝薄膜的方法，包括以下步骤：

步骤1：对钛合金基片表面进行抛光处理，以尽量降低钛合金基片的表面粗糙度；

步骤2：高温阶段氮化铝薄膜的预溅射沉积。采用反应溅射薄膜制备工艺，在钛合金基片表面预溅射沉积氮化铝薄膜；预溅射时，钛合金基片温度控制在350～450℃温度范围内。

步骤2：低温阶段氮化铝薄膜的溅射沉积。当步骤2所述高温阶段氮化铝薄膜的预溅射沉积厚度超过步骤1抛光处理后钛合金基片的表面粗糙度后，让钛合金基片自然降温至100～150℃温度范围内，在钛合金基片自然降温及120～150℃温度范围内，持续进行磁控反应溅射沉积氮化铝薄膜直至氧化铝薄膜达到需要的厚度。

虽然钛合金表面含有(002)晶面的钛原子，能够提供沿(002)晶面定向生长(即C轴取向)氮化铝的成核中心，但由于钛合金材料硬度很高，难以抛光至镜面标准，所以普通钛合金基片即使做了一定的抛光处理，仍然在其表面溅射沉积出C轴取向的氮化铝薄膜，得不到C轴取向的氮化铝薄膜，自然就无法在钛合金表面直接制作氮化铝薄膜型声表面波传感器。

本发明提供的在钛合金基片表面制备C轴取向氮化铝薄膜的方法，实质上是首先在高温段(350～450℃温度范围内)采用磁控反应溅射薄膜制备工艺在钛合金基片表面预溅射一层氮化铝，利用溅射粒子附着于基片表面时会因基片高温而带来粒子高表面迁移率、高流动性，而高的表面迁移率和高流动性会驱动溅射粒子优先去填补钛合金表面的不平整处，以弥补因钛合金材料高强度，高硬度所导致表面抛光难度高，基片表面难以达到镜面标准的缺陷；当预溅射的氮化铝薄膜厚度超过钛合金基片的表面粗糙度后，让钛合金基片自然降温至C轴取向氮化铝薄膜的最佳磁控反应溅射温度(100～150℃)，在钛合金基片自然降温及100～150℃温度范围内，持续进行磁控反应溅射沉积氮化铝薄膜直至氧化铝薄膜达到需要的厚度，最终得到C轴取向的氮化铝薄膜。

但是，在高温预溅射氮化铝时，过高的温度(大于470℃)时氮化铝薄膜会与钛合金逐渐发生反应，生成本发明不希望的化合物；而较低的温度(300℃左右)时，生长的氮化铝薄膜上会生成少量非(002)晶向，并且基片表面的粒子迁移率和流动性也会随之降低。综合考虑，本发明选择350～450℃的温度范围作为预溅射氮化铝薄膜的生长温度。

需要进一步说明的是：1、步骤1对钛合金基片表面进行抛光处理时，选择采用抛光机进行抛光，或者配合使用砂纸和抛光膏进行抛光；抛光完毕后应对钛合金基片表面进行清洁处理；2、所述清洁处理先后采用丙酮、酒精、去离子水对钛合金基片表面进行清洗，然后烘干待用；3、步骤2和步骤3中所述磁控反应溅射采用的靶材为铝靶，工作气体为氩气、反应气体为氮气；4、所述钛合金基片的表面粗糙度采用平均表面粗糙度或均方根表面粗糙度进行度量；步骤2中预溅射沉积的氮化铝薄膜厚度以不低于所述钛合金基片的表面粗糙度的两倍为宜。

本发明的有益效果是：

本发明在钛合金基片表面成功制备出C轴取向的氮化铝薄膜，所制备的氮化铝薄膜具有高度的C轴取向、较低的表面粗糙度和良好的压电效应，从而为氮化铝薄膜型声表面波器件直接做在钛合金材料表面提供了材料基础，并为氮化铝薄膜型声表面波传感器在航空、航天领域的高可靠性应用提供了一种可能。

附图说明

图1待沉积氮化铝薄膜的钛合金基板的XRD测试图。

图2400℃下预溅射30分钟所生长氮化铝薄膜的XRD测试图。

图3400℃自降温溅射6小时后所制最终样品的XRD测试图。

图4最终样品表面的SEM测试图。

图5最终样品表面的AFM测试图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

一种在钛合金基片表面制备C轴取向氮化铝薄膜的方法，包括以下步骤：

a.首先对经过抛光膏粗抛光的TC4钛合金基片用超声波清洗，依次采用丙酮，酒精，去离子水清洗基片，并用氮气吹干，将清洗干净的基板放入充入纯氮气的烘干箱中加热到120℃烘干1小时以除去基片表面的水分。防止污渍与水汽影响生长薄膜的质量。

b.将清洗与烘干好的基片利用夹具将其放置于中频磁控溅射仪的承片台上，然后关闭腔体。正常启动磁控溅射仪器，对腔体抽真空到5.0×10^-4Pa以下，并开启样品加热电源，将样品台加热至400°C并维持，然后再次将真空抽到5.0×10^-4pa以下即可。

c.关闭溅射挡板，开启样品台旋转电源，开启中频频电源进行预热5min中，腔体内通入氩气90SCCM左右进行，调节真空度到0.94Pa左右并调节电源电压使其产生辉光，并调节溅射功率为400瓦以对铝靶材进行预溅射15min中，清除靶材表面可能含有的杂质，然后通入氮气，控制氮气与氩气的总流量为130SCCM，氮气比例为40％等参数，并维持真空度在0.94Pa下进行预反应溅射。

d.待腔体内气氛稳定后打开挡板，调节溅射功率为2000瓦进行30分钟的400℃恒温薄膜生长过程。

e.同时，因为TC4钛合金相对于单晶块材来说近乎于非晶材料，材料表面晶格表面能与界面能的不同，薄膜能在任何位置成核，不能像单晶块材表面一样形核受到周期性晶格的约束。因此为了提高薄膜的生长质量，我们在保证薄膜表面不开裂、粗糙度满足制作声表面波传感器要求的情况下延长生长时间至6小时。

图1展示了TC4钛合金基板的XRD测试图，显示出TC4钛合金中含有少量(002)与(101)晶向的Ti。

图2展示了400℃恒温溅射30分钟所生长氮化铝薄膜的XRD测试图，图中显示出经历30分钟恒温生长后，钛合金表面开始形成少量的(002)取向的氮化铝薄膜。

图3展示了400℃自降温溅射6小时后所制最终样品的XRD测试图，图中显示了我们成功在TC4钛合金基板上生长出了高(002)晶向的氮化铝薄膜，其Omega摇摆曲线半高宽

FWHM＝4.1°，基本上达到了制作高性能薄膜型声表面波器件所需要的高(002)取向氮化铝薄膜要求。

图4由SEM测试图可知，薄膜表面晶粒大小较为均匀，晶粒排列紧密。虽然晶粒形状与理想的正六边形有差距，但是薄膜表面晶粒排列致密，没有明显的空隙，这样就很适合我们自作薄膜型SAW器件。

图5由AFM测试图可知，最终样品薄膜表面的均方根粗糙度RMS＝8.943nm，达到了制作薄膜型声表面波器件小于30nm的一般要求。因此我们在现有工艺条件下在TC4钛合金基片上生长的薄膜的表面粗糙度达到了制作薄膜型SAW器件的要求。

Claims (6)

1.一种在钛合金基片表面制备C轴取向氮化铝薄膜的方法，包括以下步骤：

步骤1：对钛合金基片表面进行抛光处理，以尽量降低钛合金基片的表面粗糙度；

步骤2：高温阶段氮化铝薄膜的预溅射沉积；采用磁控反应溅射薄膜制备工艺，在钛合金基片表面预溅射沉积氮化铝薄膜；预溅射时，钛合金基片温度控制在350～450℃温度范围内；

步骤2：低温阶段氮化铝薄膜的溅射沉积；当步骤2所述高温阶段氮化铝薄膜的预溅射沉积厚度超过步骤1抛光处理后钛合金基片的表面粗糙度后，让钛合金基片自然降温至120～150℃温度范围内，在钛合金基片自然降温及100～150℃温度范围内，持续进行磁控反应溅射沉积氮化铝薄膜直至氧化铝薄膜达到需要的厚度。

2.根据权利要求1所述在钛合金基片表面制备C轴取向氮化铝薄膜的方法，其特征在于，步骤1对钛合金基片表面进行抛光处理时，选择采用抛光机进行抛光，或者配合使用砂纸和抛光膏进行抛光；抛光完毕后应对钛合金基片表面进行清洁处理。

3.根据权利要求2所述在钛合金基片表面制备C轴取向氮化铝薄膜的方法，其特征在于，所述清洁处理先后采用丙酮、酒精、去离子水对钛合金基片表面进行清洗，然后烘干待用。

4.根据权利要求1所述在钛合金基片表面制备C轴取向氮化铝薄膜的方法，其特征在于，步骤2和步骤3中所述磁控反应溅射采用的靶材为铝靶，工作气体为氩气、反应气体为氮气。

5.根据权利要求1所述在钛合金基片表面制备C轴取向氮化铝薄膜的方法，其特征在于，所述钛合金基片的表面粗糙度采用平均表面粗糙度或均方根表面粗糙度进行度量；步骤2中预溅射沉积的氮化铝薄膜厚度不低于所述钛合金基片的表面粗糙度的两倍。

6.根据权利要求4所述在钛合金基片表面制备C轴取向氮化铝薄膜的方法，其特征在于，所述铝靶采用纯度为99.999％的高纯铝靶；工作气体和反应气体的体积比为Ar:N₂＝3:2，总的气体流量为130SCCM；磁控反应溅射采用中频磁控反应溅射设备，溅射功率为2000W。