可控制薄膜成分的镶嵌靶材实验设计方法技术

本发明专利技术提供一种可控制薄膜成分的镶嵌靶材实验设计方法，根据磁场仿真得到靶材表面不同位置的磁场分布，以此来排列镶嵌孔在靶材上的位置，从而制备均匀性c轴取向AlN薄膜，并理论计算掺杂薄膜的含量；包含以下步骤：(1)根据磁场仿真计算靶材表面不同位置的磁场分布；(2)利用废旧靶材，测量靶材表面由于磁控溅射而凹下去的部分所形成的刻蚀跑道，记录凹陷位置高度沿径向的变化曲线；(3)比较磁场分布图和靶材表面刻蚀轨道，安排镶嵌孔的位置，并求得薄膜中Sc、Er、Al原子的理论含量。本发明专利技术使用镶嵌靶可实现多种元素掺杂，并能够准确控制和计算所沉积薄膜成分，相比传统合金靶能够实现掺杂浓度的调控，制备高度均匀一致性薄膜。

【技术实现步骤摘要】
可控制薄膜成分的镶嵌靶材实验设计方法
本专利技术属于磁控溅射工艺领域，具体涉及一种镶嵌靶的设计方法。
技术介绍
随着无线电通信技术的大力发展，滤波器趋向于集成化、高频化发展，AlN压电薄膜材料具有约10400m/s的纵波声速，以及约5500m/s的横波声速，可以制备中心频率为5Ghz的声波器件，同时AlN薄膜具有一系列优良的物理化学特性：机械强度高、硬度大，具有良好的化学稳定性和热稳定性(在1200℃下可以正常工作)，环境耐受力较好；而且，AlN可以与COMS工艺兼容，可以实现集成化、小型化，AlN对环境友好，不会有PZT做压电薄膜时的铅污染问题；AlN还具有较高的电气击穿强度、较小的介电损耗(10-4)以及高热导率。这些优良特性使得AlN压电薄膜成功吸引了科研工作者的注意。但是AlN相比于PZT、ZnO压电常数和机电耦合系数较小，这极大限制了其在电子领域的应用。因此，研究工作者通过掺杂稀土元素等来改性AlN薄膜，以期得到更大的压电响应和更高的机电耦合系数。薄膜制备方式、工艺参数等对AlN薄膜择优取向生长以及结晶质量、表面粗糙度具有举足轻重的影响，因此寻找一个合适的薄膜沉积工艺以及相关参数极为重要。目前，主要通过磁控溅射法来制备AlN薄膜。磁控溅射在航空航天、微电子、太阳能、生物以及机械加工领域获得广泛应用。相比于化学沉积法、溶胶-凝胶法，磁控溅射具有一系列优点。溅射所获得的薄膜纯度高、致密性好、成膜均匀性好；溅射工艺可重复性好，可以在大面积基片上获得厚度均匀的薄膜；能够精确控制镀层的厚度，同时可通过改变参数条件控制组成薄膜的颗粒大小；不同的金属、合金、氧化物能够进行混合，同时溅射于基材上；易于实现工业化等。在研究各种单掺杂或者多掺杂体系中，需要灵活控制掺杂元素的浓度或者含量比，然而合金靶材的成本偏高，镶嵌靶的优势就凸显出来，但是，镶嵌靶也具有一些缺点，镶嵌靶中存在缝隙，导致制备薄膜的氧含量较高，而另一个比较大的问题则是，不易控制沉积薄膜的成分。因为靶材上的磁场分布本身就是不均匀的，这直接导致靶材表面不同位置溅射效率不同，这也直接造成了薄膜沿c轴取向分布不均匀以及随之而来的质量差、表面粗糙度高等问题，因而镶嵌孔的排列方式就显得至关重要。通过规则排列镶嵌孔在纯Al靶上的位置，以提高薄膜生长取向的均匀性和减小理论计算沉积薄膜的含量与实际测量值的误差。由于靶材表面不同位置的溅射效率不同会使靶材表面产生特定的蚀刻跑道，溅射效率定义为单位靶面上Ar+入射离子的动能和数量。据方雪冰在《CPA型磁控溅射设备靶改进及磁场模拟分析研究》可知，当Ar+入射能量一定，金属的溅射产额基本不变的情况下，磁场强度的高低与溅射效率成正比。由此，可通过磁场仿真得到靶材表面的磁场强度分布，进而得到靶材表面不同位置的溅射效率。并根据磁场强度分布合理安排镶嵌孔的位置，放置金属锭Sc和Er，以此获得金属锭原子的最大溅射效率和薄膜生长的一致性，并理论计算掺杂薄膜的含量。综上所述，本专利技术基于低成本的要求，通过磁场仿真设计镶嵌靶，优化薄膜生长，提高薄膜生长均匀性和一致性，灵活控制并计算掺杂含量。
技术实现思路
鉴于磁控溅射沉积多元掺杂薄膜时成分难以控制，需最大限度减小薄膜含量的计算误差的需求，针对现有磁控溅射合金靶材存在的问题，本专利技术提供一种可以控制薄膜成分的镶嵌靶实验设计方法，经验证，该方法制备的Er0.07Sc0.04Al0.89N薄膜具有良好的c轴取向，表面粗糙度较小，能够满足器件的制备要求，并且薄膜的掺杂含量的理论计算值与实验值误差较小。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种可控制薄膜成分的镶嵌靶材实验设计方法，根据磁场仿真得到靶材表面不同位置的磁场分布，以此来排列镶嵌孔在靶材上的位置，从而制备均匀性c轴取向AlN薄膜，并理论计算掺杂薄膜的含量；所述设计方法包含以下步骤：(1)根据磁场仿真计算靶材表面不同位置的磁场分布；(2)利用废旧靶材，测量靶材表面由于磁控溅射而凹下去的部分所形成的刻蚀跑道，记录凹陷位置高度沿径向的变化曲线；(3)比较磁场分布图和靶材表面刻蚀轨道，安排镶嵌孔的位置，并求得薄膜中Sc、Er、Al原子的理论含量。使用废旧靶材是因为废旧靶材经过磁控溅射，已经有了明显的刻蚀轨道。作为优选方式，所述步骤(1)进一步包括如下步骤：(1.1)：绘制磁控溅射真空腔室以及内部磁钢的简单模型图；(1.2)：将步骤1所得的模型文件导入COMSOL软件，设定好材料、边界条件、物理场以及划分网格，最后计算靶材上的磁场分布，得到靶材表面不同位置的磁场分布图。作为优选方式，所述步骤(2)进一步包括如下步骤：(2.1)：利用废旧靶材3，使用万用表6、游标卡尺4、钢尺2、支架7、探针5、白纸板1搭建一个简易装置，将废旧靶材3放在白纸板1上，游标卡尺4竖直放置在废旧靶材3表面，探针5固定在游标卡尺4的底部，使用支架7固定住游标卡尺4上端，保持游标卡尺固定不动，将一个钢尺2放置在靶材表面直径方向，钢尺2连接万用表6的红接线柱，探针5头部接万用表6的黑接线柱，以此装置来测量靶材表面刻蚀跑道；当固定在游标卡尺底部的探针接触靶材表面时电路导通，万用表持续发出蜂鸣或出现电阻示数，此时表明卡尺和靶材接触良好，记录游标卡尺当前数值；(2.2)：在靶材边缘处将游标卡尺置零，通过左右移动放置靶材的白纸以及刚尺的刻度移动测量的位置；(2.3)：沿着靶材直径方向依次测量，最终得到靶材表面径向分布的一维刻蚀轮廓图。作为优选方式，所述步骤(3)进一步包括如下步骤：(3.1)：比较靶材表面刻蚀轨道和仿真得到的磁场分布图，磁场最强的地方即为刻蚀轨道最深的地方，刻蚀轨道为圆环状，在刻蚀轨道处规则排列镶嵌孔；(3.2)：以刻蚀轨道处为圆心，金属锭半径为半径，设置单环镶嵌孔或者多环镶嵌孔；(3.3)：利用matlab仿真计算具有一定能量的入射离子轰击下Al、Sc、Er的原子溅射产额分布图；(3.4)：结合放置Sc锭和Er锭的数量，Al、Sc、Er原子溅射产额和溅射效率在靶材表面径向的面积积分，来求得Sc、Er、Al原子的理论含量。作为优选方式，单环镶嵌时所沉积薄膜中Sc、Er、Al的含量比为：AtSc:AtEr:AtAl＝nScYScScIV:nErYErErIV:YAl(AlI+II+III-nScScIV-nErErIV)其中，nEr，nSc分别为单环镶嵌孔上Er锭和Sc锭的数量，YSc、YEr分别为一定能量入射离子轰击下Er和Sc原子的溅射产额，ScIV、ErIV分别为溅射效率函数在Sc锭和Er锭上的积分，AlI+II+III为溅射效率在Al靶材上Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ整个区域上的积分。作为优选方式，多环镶嵌时，所沉积薄膜中Sc、Er、Al的含量比为：AtEr:AtSc:AtAl＝YEr(nEr1S1+nEr2S2+nEr3S3):Ysc(nSc1S1+nSc2S2+nSc3S3):YAl[AlⅠ+Ⅱ+Ⅲ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可控制薄膜成分的镶嵌靶材实验设计方法，其特征在于：根据磁场仿真得到靶材表面不同位置的磁场分布，以此来排列镶嵌孔在靶材上的位置，从而制备均匀性c轴取向AlN薄膜，并理论计算掺杂薄膜的含量；/n所述设计方法包含以下步骤：/n(1)根据磁场仿真计算靶材表面不同位置的磁场分布；/n(2)利用废旧靶材，测量靶材表面由于磁控溅射而凹下去的部分所形成的刻蚀跑道，记录凹陷位置高度沿径向的变化曲线；/n(3)比较磁场分布图和靶材表面刻蚀轨道，安排镶嵌孔的位置，并求得薄膜中Sc、Er、Al原子的理论含量。/n

【技术特征摘要】
1.一种可控制薄膜成分的镶嵌靶材实验设计方法，其特征在于：根据磁场仿真得到靶材表面不同位置的磁场分布，以此来排列镶嵌孔在靶材上的位置，从而制备均匀性c轴取向AlN薄膜，并理论计算掺杂薄膜的含量；
所述设计方法包含以下步骤：
(1)根据磁场仿真计算靶材表面不同位置的磁场分布；
(2)利用废旧靶材，测量靶材表面由于磁控溅射而凹下去的部分所形成的刻蚀跑道，记录凹陷位置高度沿径向的变化曲线；
(3)比较磁场分布图和靶材表面刻蚀轨道，安排镶嵌孔的位置，并求得薄膜中Sc、Er、Al原子的理论含量。


2.根据权利要求1所述的可控制薄膜成分的镶嵌靶材实验设计方法，其特征在于所述步骤(1)进一步包括如下步骤：
(1.1)：绘制磁控溅射真空腔室以及内部磁钢的简单模型图；
(1.2)：将步骤1所得的模型文件导入COMSOL软件，设定好材料、边界条件、物理场以及划分网格，最后计算靶材上的磁场分布，得到靶材表面不同位置的磁场分布图。


3.根据权利要求1所述的可控制薄膜成分的镶嵌靶材实验设计方法，其特征在于所述步骤(2)进一步包括如下步骤：
(2.1)：利用废旧靶材(3)，使用万用表(6)、游标卡尺(4)、钢尺(2)、支架(7)、探针(5)、白纸板(1)搭建一个简易装置，将废旧靶材(3)放在白纸板(1)上，游标卡尺(4)竖直放置在废旧靶材(3)表面，探针(5)固定在游标卡尺(4)的底部，使用支架(7)固定住游标卡尺(4)上端，保持游标卡尺固定不动，将一个钢尺(2)放置在靶材表面直径方向，钢尺(2)连接万用表(6)的红接线柱，探针(5)头部接万用表(6)的黑接线柱，以此装置来测量靶材表面刻蚀跑道；当固定在游标卡尺底部的探针接触靶材表面时电路导通，万用表持续发出蜂鸣或出现电阻示数，此时表明卡尺和靶材接触良好，记录游标卡尺当前数值；
(2.2)：在靶材边缘处将游标卡尺置零，通过左右移动放置靶材的白纸以及刚尺的刻度移动测量的位置；
(2.3)：沿着靶材直径方向依次测量，最终得到靶材表面径向分布的一维刻蚀轮廓图。


4.根据权利要求1所述的可控制薄膜成分的镶嵌靶材实验设计方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨成韬，孙贤，谢易微，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51