CN106756855A - 高c轴取向的ErAlN薄膜及其制备方法 - Google Patents

高c轴取向的ErAlN薄膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高c轴取向ErAlN薄膜及其制备方法，属于压电薄膜领域。本发明采用高纯度铒铝合金作为靶材，在反应腔室内充入氮气，使得氮气在电离后与靶材发生化学反应，从而在衬底表面沉积得到ErAlN薄膜；本发明制得的ErAlN薄膜的压电常数远大于现有技术中AlN薄膜的压电常数，并且薄膜机电耦合系数较高。本发明制得的ErAlN薄膜呈现高c轴取向，可以提高声电转换效率，并且薄膜粗糙度较小，可以减少声表面波的散射，降低声表面波的传播损耗，故而，本发明通过Er元素的掺杂能够有效提升压电薄膜的压电性能和机电耦合系数，达到了提升器件的工作效率并减少生产制备难度、降低成本的目的，有利于应用于声表面波器件中以实现提高声表面波的传播速度。

Description

高c轴取向的ErAlN薄膜及其制备方法
技术领域
本发明属于压电薄膜领域，具体涉及一种高c轴取向ErAlN薄膜及其制备方法。
背景技术
声表面波(SAW)器件具有体积小、结构简单、频率选择性强、性能稳定、可重复性好、易于批量生产等优点，能够适应现代通信***和设备微型化、高频化、高性能、高可靠性等方面的要求，特别是在以扩频技术为标志的新一代宽带无线***中，SAW器件因其大带宽、极佳的通带选择性、极小的带内畸变以及具有实时信号处理能力而备受青睐，成为目前世界通信领域关注的热点。故而，制备高频率、高耐受功率、大带宽、可集成的声表面波(SAW)器件更是成为了研究的关键。
压电薄膜材料作为声表面波器件的重要组成，其质量和性能决定着器件的性能优劣。首先，器件的中心频率与压电材料的声表面波传输速度成正比，声表面波(SAW)速度越快，则越易实现器件高频化；其次，压电材料具有好的热稳定性和高热导率，可保证器件在高功率状态下持续稳定工作；再者，压电材料的压电响应越大，则越容易实现器件大带宽；最后，压电薄膜制备工艺如果可以与CMOS工艺兼容，则有利于实现器件的可集成化。因此，在进行新型声表面波(SAW)器件材料选择时，具有高声速、高热导率、好的热稳定性、大的压电响应及可与CMOS工艺集成性的压电薄膜材料将成为理想材料。
A1N压电材料具有高声波波速、高热导率、低介质损耗、优异的温度稳定性、可与CMOS工艺兼容等优点，另外，在所有无机非铁性压电材料中，声表面波沿AlN晶体c轴方向的传输速度最大，远远优于氧化锌薄膜的声表面波传播速率，因此，具有高c轴取向的Al N薄膜成为制备高频、高功率及高集成化声表面波(SAW)器件的理想材料。然而，与另外两种常见压电材料：PZT、ZnO相比，A1N的压电系数(d33＝7.5pC/N)和机电耦合系数(k2＝6.1％)相对偏低，这在一定程度上限制了A1N的广泛应用。因此，如何提高A1N薄膜的压电响应和机电耦合系数成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明提供一种高c轴取向ErAlN薄膜及其制备方法，相比现有技术大多高取向压电薄膜制备工艺，本发明采用射频磁控反应溅射，具有简单、高速、价廉的优点，并且容易在大面积衬底上实现均匀沉积，同时，制得的薄膜致密、附着力强，有利于大规模工业化生产。
首先，本发明公开一个技术方案：
一种高c轴取向ErAlN薄膜，包括衬底以及沉积于衬底表面的ErAlN薄膜，其中：铒元素的含量为4％～10％，铝元素的含量为90％～96％。
本技术方案中ErAlN薄膜的粗糙度不高于2.0nm，压电常数为4.1～16.8pC/N。
其次，本发明公开另一个技术方案：
一种制备高c轴取向的ErAlN薄膜的方法，包括以下步骤：
步骤A：将铒铝合金靶材和经过预处理的衬底放置在反应腔室中，调节反应腔室的真空度不高于5×10-4Pa；
步骤B：开启加热单元使得反应腔室内温度升高，并通入氩气以除去水蒸气；
步骤C：通过调节加热单元将衬底加热至溅射温度，调节气体流量计，通入工作气体，逐渐加大输入功率以起辉，再将输入功率调至溅射功率，维持工作气压，进行预溅射，预溅射后维持溅射条件开始溅射，溅射完成后，停止通入工作气体并关闭磁控溅射和加热单元，自然降温至室温，制得高c轴取向的ErAlN薄膜。
本技术方案中铒铝合金是由铒元素和铝元素组成，其中铒元素的含量为2％～8％，铝元素的含量为92％～98％。
本技术方案中衬底优选为蓝宝石衬底，蓝宝石衬底的面易于解理，经过化学抛光后可以获得特别光滑的表面形貌，并且蓝宝石衬底与ErAlN薄膜之间的热失配和晶格失配较小，此外高质量蓝宝石衬底已经实现了产业化，因此将其用作ErAlN薄膜的衬底材料具有现实意义。
本技术方案中在步骤A之前还包括衬底的预处理步骤，具体操作为：将衬底进行单面抛光和清洗步骤，清洗时依次采用丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声清洗，每次清洗时间为10～20分钟，然后采用高纯度氮气吹干。
本技术方案的步骤C中将衬底加热至温度为100～500℃。
本技术方案的步骤C中工作气体为氮气和氩气的混合气体。
本技术方案的步骤C中溅射工艺的具体参数如下：
衬底温度为100～500℃；靶基距为5～8cm；氮气与氩气的气体流量比为7∶13～28，优选为1∶3；工作气压为0.6～1.4Pa；溅射功率为140～260W；溅射时间为30～120分钟；。
本技术方案中氮气、氩气和铒铝合金靶材的纯度均为99.99％。
本技术方案制备工艺下制得的ErAlN薄膜的粗糙度不高于2.0nm，压电常数为4.1～16.8pC/N。
相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用高纯度铒铝合金作为靶材，在反应腔室内充入氮气，使得氮气在电离后与靶材发生化学反应，从而在衬底表面沉积得到ErAlN薄膜；根据本发明实施例可以看出：ErAlN薄膜的压电常数d33可达16.8pC/N，远大于现有技术中氮化铝(AlN)薄膜的的压电常数(7.5pC/N)，并且压电常数的提高，薄膜机电耦合系数也随之提高。故而，本发明通过Er元素的掺杂能够有效提升薄膜的压电性能和机电耦合系数，达到提升器件的工作效率并减少生产制备难度、降低成本的目的。
2、本发明制备的ErAlN薄膜呈现高c轴取向，薄膜粗糙度较小，具有优异的压电性能；本发明ErAlN薄膜基于良好的c轴取向可以提高声电转换效率，而平坦的薄膜表面可以减少声表面波(SAW)的散射，降低声表面波(SAW)的传播损耗，有利于应用于声表面波(SAW)器件中以实现提高声表面波(SAW)的传播速度。
附图说明
图1为本发明采用的磁控溅射原理图。
图2为本发明制备的高c轴取向ErAlN薄膜的结构示意图。
图3为本发明制备的高c轴取向ErAlN薄膜和纯AlN薄膜的XRD的对比图谱。
图4为本发明制备的高c轴取向ErAlN薄膜和纯AlN薄膜的AFM的对比图谱。
图5为本发明在不同溅射温度下分别制备高c轴取向ErAlN薄膜和纯AlN薄膜的压电响应的对比图谱。
具体实施方式
以下结合具体实施例和说明书附图对本发明作进一步阐述：
如图1为本发明采用的磁控溅射原理图，本发明采用射频反应磁控溅射法制备ErAlN(或者AlN)薄膜的工作原理：在铒铝合金靶材和基片之间施加一个与电场正交且平行于靶材表面的磁场，通入一定量的氩气(工作气体)和氮气(反应气体)，并施加一定的电压，此时会产生气体辉光放电，氩原子(Ar)电离产生氩离子(Ar+)和电子e，其中Ar+在电场作用下，加速飞向并轰击阴极靶(ErAl合金靶或者Al靶)，使靶材发生溅射，产生中性靶原子和二次电子等，被轰击出的高能中性靶原子沉积在基片表面形成薄膜；二次电子e在运动过程中，与Ar碰撞使其电离，且在正交电磁场的共同作用下，电子在空间中做回旋运动，运动轨迹被延长，提高了电子使工作气体Ar电离的几率；最后，高能靶原子与氮气(反应气体)发生化学反应，在衬底上沉积成膜。
实施例1：
一种高c轴取向的ErAlN薄膜的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：清洗基片；
本实施例选用蓝宝石(0001)作为ErAlN薄膜的衬底，根据本领域技术人员常识，衬底在实验前需进行预处理，预处理包括抛光处理和清洗处理，具体为：将待用衬底经过抛光处理，然后依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中进行超声清洗，每次清洗时间为15分钟，然后将清洗后的衬底用高纯氮气吹干，置于洁净处备用。通过上述预处理步骤能够去除吸附在衬底表面的油脂、颗粒物等，为薄膜生长提供具有原子量级洁净的衬底表面；
步骤2：抽真空；
在反应腔室内放置纯度为99.99％的铒铝合金靶材和蓝宝石衬底，靶基距为6.5cm，依次开启机械泵(抽真空至2Pa)和分子泵，将反应腔室的真空度控制在5×10-4Pa以下；
步骤3：除湿；
在反应腔室的真空度达到要求后，开启加热单元，使得反应腔室在200℃下保温30分钟，在保温完成后10分钟通入少量氩气，以除去反应腔室中的水蒸气；
步骤4：加热；
除湿后，保持反应腔室的温度为200℃；
步骤5：通气；
调节气体流量计，通入氮气和氩气组成的工作气体，其中：氮气与氩气的气体流量比为1∶3，维持工作气压为0.8Pa；
步骤6：溅射；
开启磁钢旋转，打开功率源，逐渐加大输入功率以起辉，再将功率调至250W，维持溅射条件，进行预溅射，预溅射后维持溅射条件开始溅射，溅射90分钟后，依次关闭功率源、加热单元、磁钢旋转和气体流量计，完成溅射；
步骤7：取样；
自然降温至室温，严格按照关闭真空***的操作规范，依次关闭分子泵、机械泵，然后通气，打开腔室，取出样品，即完成高c轴取向的ErAlN薄膜的制备。
实施例2：
本实施例除靶材为纯度为99.99％的金属铝靶外，其余操作与实施例1的操作相同。
如图2所示为本发明制得的高c轴取向的ErAlN薄膜，包括蓝宝石衬底以及沉积于蓝宝石衬底表面的ErAlN薄膜。
图3为本发明实施例1制得的高c轴取向ErAlN薄膜和本发明实施例2制得的纯AlN薄膜的XRD图谱；由上可知实施例2制得的纯AlN薄膜采用与本实施例相同的射频反应磁控溅射工艺制得，图3中的实验结果表明：在2θ＝36°左右，掺杂Er后的AlN峰强明显高于纯AlN对应角度的峰强，说明掺杂Er之后的AlN薄膜比纯AlN薄膜具有高度的c轴取向。
图4为本发明实施例1制得的高c轴取向ErAlN薄膜和实施例2制得的纯AlN薄膜的AFM的对比图谱。AFM性能测试具体操作为：利用轻敲模式，通过检测显微探针与薄膜样品表面原子间的相互作用力来表征薄膜的表面形貌。由图4结果可知：掺杂Er后的AlN薄膜晶体质量明显提高，表面粗糙度明显减小。
实施例3：
一种高c轴取向的ErAlN薄膜的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：清洗基片；
本实施例选用蓝宝石(0001)作为ErAlN薄膜的衬底，根据本领域技术人员常识，衬底在实验前需进行预处理，预处理包括抛光处理和清洗处理，具体为：将待用衬底经过抛光处理，然后依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中进行超声清洗，每次清洗时间为15分钟，然后将清洗后的衬底用高纯氮气吹干，置于洁净处备用。通过上述预处理步骤能够去除吸附在衬底表面的油脂、颗粒物等，为薄膜生长提供具有原子量级洁净的衬底表面；
步骤2：抽真空；
在反应腔室内放置铒铝合金靶材和蓝宝石衬底，靶基距为7cm，依次开启机械泵(抽真空至2Pa)和分子泵，将反应腔室的真空度控制在5×10-4Pa以下；
步骤3：除湿；
在反应腔室的真空度达到要求后，开启加热单元，使得反应腔室在100℃下保温30分钟，在保温完成后10分钟通入少量氩气，以除去反应腔室中的水蒸气；
步骤4：加热；
除湿后，保持反应腔室的温度为100℃；
步骤5：通气；
调节气体流量计，通入氮气和氩气组成的工作气体，其中：氮气与氩气的气体流量比为1∶4，维持工作气压为1.4Pa；
步骤6：溅射；
开启磁钢旋转，打开功率源，逐渐加大输入功率以起辉，再将功率调至230W，维持溅射条件，进行预溅射，预溅射后维持溅射条件开始溅射，溅射120分钟后，依次关闭功率源、加热单元、磁钢旋转和气体流量计，完成溅射；
步骤7：取样；
自然降温至室温，严格按照关闭真空***的操作规范，依次关闭分子泵、机械泵，然后通气，打开腔室，取出样品，即完成高c轴取向的ErAlN薄膜的制备。
实施例4：
一种高c轴取向的ErAlN薄膜的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：清洗基片；
本实施例选用蓝宝石(0001)作为ErAlN薄膜的衬底，根据本领域技术人员常识，衬底在实验前需进行预处理，预处理包括抛光处理和清洗处理，具体为：将待用衬底经过抛光处理，然后依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中进行超声清洗，每次清洗时间为15分钟，然后将清洗后的衬底用高纯氮气吹干，置于洁净处备用。通过上述预处理步骤能够去除吸附在衬底表面的油脂、颗粒物等，为薄膜生长提供具有原子量级洁净的衬底表面；
步骤2：抽真空；
在反应腔室内放置铒铝合金靶材和蓝宝石衬底，靶基距为7.5cm，依次开启机械泵(抽真空至2Pa)和分子泵，将反应腔室的真空度控制在5×10-4Pa以下；
步骤3：除湿；
在反应腔室的真空度达到要求后，开启加热单元，使得反应腔室在200℃下保温30分钟，在保温完成后10分钟通入少量氩气，以除去反应腔室中的水蒸气；
步骤4：加热；
除湿后，调节加热单元，使得反应腔室的温度升至300℃；
步骤5：通气；
调节气体流量计，通入氮气和氩气组成的工作气体，其中：氮气与氩气的气体流量比为7∶13，维持工作气压为1.0Pa；
步骤6：溅射；
开启磁钢旋转，打开功率源，逐渐加大输入功率以起辉，再将功率调至200W，维持溅射条件，进行预溅射，预溅射后维持溅射条件开始溅射，溅射60分钟后，依次关闭功率源、加热单元、磁钢旋转和气体流量计，完成溅射；
步骤7：取样；
自然降温至室温，严格按照关闭真空***的操作规范，依次关闭分子泵、机械泵，然后通气，打开腔室，取出样品，即完成高c轴取向的ErAlN薄膜的制备。
实施例5：
一种高c轴取向的ErAlN薄膜的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：清洗基片；
本实施例选用蓝宝石(0001)作为ErAlN薄膜的衬底，根据本领域技术人员常识，衬底在实验前需进行预处理，预处理包括抛光处理和清洗处理，具体为：将待用衬底经过抛光处理，然后依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中进行超声清洗，每次清洗时间为15分钟，然后将清洗后的衬底用高纯氮气吹干，置于洁净处备用。通过上述预处理步骤能够去除吸附在衬底表面的油脂、颗粒物等，为薄膜生长提供具有原子量级洁净的衬底表面；
步骤2：抽真空；
在反应腔室内放置铒铝合金靶材和蓝宝石衬底，靶基距为5.5cm，依次开启机械泵(抽真空至2Pa)和分子泵，将反应腔室的真空度控制在5×10-4Pa以下；
步骤3：除湿；
在反应腔室的真空度达到要求后，开启加热单元，使得反应腔室在200℃下保温30分钟，在保温完成后10分钟通入少量氩气，以除去反应腔室中的水蒸气；
步骤4：加热；
除湿后，调节加热单元，使得反应腔室的温度升至400℃；
步骤5：通气；
调节气体流量计，通入氮气和氩气组成的工作气体，其中：氮气与氩气的气体流量比为3∶7，维持工作气压为1.2Pa；
步骤6：溅射；
开启磁钢旋转，打开功率源，逐渐加大输入功率以起辉，再将功率调至140W，维持溅射条件，进行预溅射，预溅射后维持溅射条件开始溅射，溅射60分钟后，依次关闭功率源、加热单元、磁钢旋转和气体流量计，完成溅射；
步骤7：取样；
自然降温至室温，严格按照关闭真空***的操作规范，依次关闭分子泵、机械泵，然后通气，打开腔室，取出样品，即完成高c轴取向的ErAlN薄膜的制备。
实施例6：
一种高c轴取向的ErAlN薄膜的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：清洗基片；
本实施例选用蓝宝石(0001)作为ErAlN薄膜的衬底，根据本领域技术人员常识，衬底在实验前需进行预处理，预处理包括抛光处理和清洗处理，具体为：将待用衬底经过抛光处理，然后依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中进行超声清洗，每次清洗时间为15分钟，然后将清洗后的衬底用高纯氮气吹干，置于洁净处备用。通过上述预处理步骤能够去除吸附在衬底表面的油脂、颗粒物等，为薄膜生长提供具有原子量级洁净的衬底表面；
步骤2：抽真空；
在反应腔室内放置铒铝合金靶材和蓝宝石衬底，靶基距为6cm，依次开启机械泵(抽真空至2Pa)和分子泵，将反应腔室的真空度控制在5×10-4Pa以下；
步骤3：除湿；
在反应腔室的真空度达到要求后，开启加热单元，使得反应腔室在200℃下保温30分钟，在保温完成后10分钟通入少量氩气，以除去反应腔室中的水蒸气；
步骤4：加热；
除湿后，调节加热单元，使得反应腔室的温度升至500℃；
步骤5：通气；
调节气体流量计，通入氮气和氩气组成的工作气体，其中：氮气与氩气的气体流量比为1∶3，维持工作气压为0.6Pa；
步骤6：溅射；
开启磁钢旋转，打开功率源，逐渐加大输入功率以起辉，再将功率调至260W，维持溅射条件，进行预溅射，预溅射后维持溅射条件开始溅射，溅射40分钟后，依次关闭功率源、加热单元、磁钢旋转和气体流量计，完成溅射；
步骤7：取样；
自然降温至室温，严格按照关闭真空***的操作规范，依次关闭分子泵、机械泵，然后通气，打开腔室，取出样品，即完成高c轴取向的ErAlN薄膜的制备。
实施例7：
本实施例中溅射温度分别为100℃、300℃、400℃和500℃，其余操作与实施例1的操作相同，得到四组不同溅射温度下制得的高c轴取向ErAlN薄膜。
实施例8：
本实施例中溅射温度分别为100℃、300℃、400℃和500℃，，其余操作与实施例2的操作相同，得到四组不同溅射温度下制得的纯AlN薄膜。
图5为本发明在不同溅射温度下分别制备高c轴取向ErAlN薄膜和纯AlN薄膜的压电响应的对比图谱。基本操作是：分别将制备好带电极石英标样和通过实施例1和实施例7在不同溅射温度下(100℃、200℃、300℃、400℃、500℃)制得的ErAlN薄膜样品放入测试台，对原子力显微镜的导电探针施加0～5V的电压使样品发生形变，根据电压和样品z轴形变量的相对关系来计算不同溅射温度下制得的ErAlN薄膜的压电系数；然后采用相同的方式计算采用通过实施例2和实施例8在不同溅射温度下(100℃、200℃、300℃、400℃、500℃)制得的AlN薄膜的压电系数。结果显示：通过对本实施例不同溅射温度下制得的ErAlN薄膜进行压电响应测试后，发现掺杂Er后的AlN薄膜压电常数远大于纯AlN薄膜的压电常数。
根据下述公式：
式中，为机电耦合系数，e33为压电系数，C33为柔顺系数，ε33为介电系数；
可知：压电薄膜的压电性能越好，其机电耦合系数越高。因此，实验研究表明：对AlN薄膜进行Er掺杂改性可以有效提升薄膜的压电性能，从而提高薄膜机电耦合系数。本发明制得ErAlN薄膜的性能完全符合声表面波器件的要求，能够达到提升器件的工作效率并减少生产制备难度、降低成本的目的。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，并不用与限制本发明。凡在本发明的申请范围内所做的任何修改，等同替换和改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高c轴取向的ErAlN薄膜，其特征在于，包括衬底以及沉积于衬底表面的ErAlN薄膜，其中铒元素的含量为4％～10％，铝元素的含量为90％～96％。
2.根据权利要求2所述的一种高c轴取向的ErAlN薄膜，其特征在于，ErAlN薄膜的粗糙度不高于2.0nm，压电常数为4.1～16.8pC/N。
3.一种制备高c轴取向的ErAlN薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：将铒铝合金靶材和经过预处理的衬底放置在反应腔室中，调节反应腔室的真空度不高于5×10-4Pa；
步骤B：开启加热单元使得反应腔室内温度升高，并通入氩气以除去水蒸气；
步骤C：通过调节加热单元将反应腔室加热至溅射温度，调节气体流量计，通入工作气体，逐渐加大输入功率以起辉，再将输入功率调至溅射功率，维持工作气压，进行预溅射，预溅射后维持溅射条件开始溅射，溅射完成后，停止通入工作气体并关闭磁控溅射和加热单元，自然降温至室温，制得高c轴取向的ErAlN薄膜。
4.根据权利要求1所述的一种制备高c轴取向的ErAlN薄膜的方法，其特征在于，铒铝合金是由铒元素和铝元素组成，其中：铒元素的含量为2％～8％，铝元素的含量为92％～98％。
5.根据权利要求1所述的一种制备高c轴取向的ErAlN薄膜的方法，其特征在于，所述衬底为蓝宝石衬底。
6.根据权利要求3至5任一项所述的一种制备高c轴取向的ErAlN薄膜的方法，其特征在于，所述步骤C中将反应腔室加热至温度为100～500℃。
7.根据权利要求3至5任一项所述的一种制备高c轴取向的ErAlN薄膜的方法，其特征在于，所述步骤C中工作气体为氮气和氩气形成的混合气体。
8.根据权利要求7所述的一种制备高c轴取向的ErAlN薄膜的方法，其特征在于，所述步骤C的溅射工艺的具体参数如下：衬底温度为100～500℃；靶基距为5～8cm；氮气与氩气的气体流量比为7∶13～28；工作气压为0.6～1.4Pa；溅射功率为140～260W；溅射时间为30～120分钟。
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