一种磁控溅射制备C轴择优取向氮化铝多晶薄膜的方法和氮化铝多晶薄膜技术

本发明专利技术提供了一种磁控溅射制备C轴择优取向氮化铝多晶薄膜的方法和氮化铝多晶薄膜，涉及薄膜材料制备技术领域。本发明专利技术将半导体材料基片与高纯溅射铝靶相对垂直放置，可大幅提高溅射铝原子团到达基片后平行基片表面迁移运动的能量，有利于氮化铝薄膜C轴择优取向生长，提高薄膜的压电响应及机电耦合系数；本发明专利技术在半导体材料基片附近设置热丝，热丝产生的高温辐射对氮化铝薄膜进行快速热处理，能够提高薄膜的结晶程度。因此，本发明专利技术提供的方法能够实现较低温度下利用磁控溅射技术生长C轴择优取向氮化铝薄膜，得到的氮化铝薄膜结晶度高，具有较高的压电响应系数及机电耦合系数，能够作为芯片材料在声表面波器件或体声波器件中应用。

A method of preparing c-axis preferred orientation AlN polycrystalline films by magnetron sputtering and AlN polycrystalline films

【技术实现步骤摘要】
一种磁控溅射制备C轴择优取向氮化铝多晶薄膜的方法和氮化铝多晶薄膜
本专利技术涉及薄膜材料制备
，特别涉及一种磁控溅射制备C轴择优取向氮化铝多晶薄膜的方法和氮化铝多晶薄膜。
技术介绍
声表面波(SAW)及体声波(BAW)器件可用于各种射频器件、谐振器、传感器。压电薄膜作为声波激励及传输的基体，是器件的核心芯片材料。材料压电响应系数决定器件的整体性能，受材料种类及材料晶体学取向的制约。对于多晶薄膜，制备择优取向的薄膜材料，使所有晶粒特定晶体方向垂直于基片表面，可使薄膜对外表现最大的压电响应系数。氮化铝材料由于声波传输速度快，化学稳定性好，频散小，是优异的压电材料。对于氮化铝材料，其C轴(002)方向具有最大的压电响应系数，氮化铝晶体结构如图1所示。能否制备C轴取向氮化铝薄膜是其应用于声表面波及体声波器件的关键。由于C轴方向氮-铝键形成需要高的粒子能量，因此制备C轴择优取向氮化铝薄膜较困难，薄膜非常容易形成其它择优取向或无择优取向。磁控溅射技术是半导体工艺中常用的薄膜沉积技术，可用于制备氮化铝薄膜。传统的氮化铝薄膜磁控溅射沉积工艺如图2所示：基片与溅射靶相对放置于真空腔内(基片与溅射靶水平放置)，基片通过底座加热到达一定温度，在真空腔中通入一定比例的反应气体(氮气与氩气)，溅射靶上施加高电压使气体电离形成等离子体；等离子体轰击溅射靶，溅射产生的粒子以一定的方向及能量离开靶表面，到达基片表面，通过水平扩散到达平衡位置，不断生长形成薄膜。虽然传统磁控溅射工艺可以制备氮化铝薄膜，但是传统磁控溅射工艺到达基片表面的溅射粒子水平方向运动能量较低，不易形成C轴取向氮化铝薄膜。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术目的在于提供一种磁控溅射制备C轴择优取向氮化铝多晶薄膜的方法和氮化铝多晶薄膜。本专利技术提供的方法能够利用磁控溅射技术生长C轴择优取向氮化铝薄膜，并提高氮化铝薄膜的结晶程度。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种磁控溅射制备择优取向氮化铝多晶薄膜的方法，包括以下步骤：(1)将半导体材料基片水平放置在真空腔内；在所述半导体材料基片的周围垂直设置高纯溅射铝靶，所述高纯溅射铝靶为环状单靶或分布式多靶；所述高纯溅射铝靶上边缘与半导体材料基片边缘的连接线相对于高纯溅射铝靶法线方向的夹角小于65°；在所述半导体材料基片与高纯溅射铝靶之间或者在所述半导体材料基片的上方设置分布式热丝，所述热丝距离半导体材料基片边缘或上表面小于50mm；(2)将所述真空腔抽真空至真空度为10-4帕以下，通入氮气和氩气，在所述高纯溅射铝靶上施加500～600V的电压进行磁控溅射，得到C轴垂直半导体材料基片表面的氮化铝多晶薄膜；所述磁控溅射过程中，半导体材料基片绕中心旋转。优选地，所述半导体材料基片包括硅基片、碳化硅基片、金刚石基片或三氧化二铝基片；所述半导体材料基片的表面粗糙度小于10nm。优选地，所述半导体材料基片的厚度为0.1～1mm。优选地，所述半导体材料基片的温度为300～400℃。优选地，当所述高纯溅射铝靶为分布式多靶时，所述分布式多靶为柱状多靶，所述柱状多靶的直径为50～100mm。优选地，当所述高纯溅射铝靶为环状单靶时，所述环状单靶的壁厚为5～15mm。优选地，所述氩气和氮气的体积比大于0小于等于1/3。优选地，所述磁控溅射过程中，热丝的温度≥2000℃。优选地，所述磁控溅射的时间为1～3h。本专利技术提供了以上方案所述方法制备得到的氮化铝多晶薄膜。本专利技术提供了一种磁控溅射制备择优取向氮化铝多晶薄膜的方法，本专利技术将半导体材料基片与高纯溅射铝靶相对垂直放置，可大幅提高溅射铝原子团到达基片后平行基片表面迁移运动的能量，有利于氮化铝薄膜C轴择优取向生长，提高薄膜的压电响应及机电耦合系数；本专利技术在半导体材料基片附近设置热丝，热丝产生的高温辐射对氮化铝薄膜进行快速热处理，能够提高薄膜的结晶程度。因此，本专利技术提供的方法能够利用磁控溅射技术生长C轴择优取向氮化铝薄膜，且得到的氮化铝薄膜结晶度高。并且，本专利技术提供的方法操作简单，易于与大规模集成电路工艺设备兼容。进一步地，传统磁控溅射工艺为了利于形成C轴取向氮化铝薄膜，通常需要通过基片底座将基片加热至500℃以上，易造成基片材料及器件性能退化或失效；本申请将半导体材料基片的温度控制在300～400℃，能够使基片材料及器件性能不受影响，进而实现较低温度下利用磁控溅射技术生长C轴择优取向氮化铝薄膜。本专利技术提供了以上方案所述方法制备得到的氮化铝多晶薄膜，本专利技术提供的氮化铝多晶薄膜具有较高的C轴择优取向，能够作为芯片材料在声表面波器件或体声波器件中应用。附图说明图1为氮化铝晶体结构示意图；图2为传统的氮化铝薄膜磁控溅射沉积工艺示意图；图3为本专利技术提供的磁控溅射制备C轴择优取向氮化铝多晶薄膜的方法示意图；图4为本专利技术实施例中高纯溅射铝靶与半导体材料基片的位置关系；图5为铝原子溅射能量-角度分布图；图6为溅射粒子相对基片角度对水平动能分量的影响示意图；图7为实施例1基片上生长的氮化铝薄膜的X射线衍射图谱；图8为实施例1基片上生长的氮化铝薄膜的扫描电子显微镜照片；图9为实施例2基片上生长的氮化铝薄膜的X射线衍射图谱；图10为实施例2基片上生长的氮化铝薄膜的扫描电子显微镜照片。具体实施方式本专利技术提供了一种磁控溅射制备C轴择优取向氮化铝多晶薄膜的方法，包括以下步骤：(1)将半导体材料基片水平放置在真空腔内；在所述半导体材料基片的周围垂直设置高纯溅射铝靶，所述高纯溅射铝靶为环状单靶或分布式多靶；所述高纯溅射铝靶上边缘与半导体材料基片边缘的连接线相对于高纯溅射铝靶法线方向的夹角小于65°；在所述半导体材料基片与高纯溅射铝靶之间或者在所述半导体材料基片的上方设置分布式热丝，所述热丝距离半导体材料基片边缘或上表面小于50mm；(2)将所述真空腔抽真空至真空度为10-4帕以下，通入氮气和氩气，在所述高纯溅射铝靶上施加500～600V的电压进行磁控溅射，得到C轴垂直半导体材料基片表面的氮化铝多晶薄膜；所述磁控溅射过程中，半导体材料基片绕中心旋转。本专利技术提供的磁控溅射制备C轴择优取向氮化铝多晶薄膜的方法如图3所示：本专利技术将半导体材料基片水平放置在真空腔内。在本专利技术中，所述半导体材料基片优选包括硅基片、碳化硅基片、金刚石基片或三氧化二铝基片；所述半导体材料基片的表面粗糙度优选小于10nm，更优选小于8nm。在本专利技术中，所述半导体材料基片的厚度优选为0.1～1mm，更优选为0.5mm。在本专利技术中，所述半导体材料基片置于所述真空腔内的样品台上；所述半导体材料基片的温度优选为300～400℃，更优选为300℃。本专利技术在所述半导体材料基片的周围垂直设置高纯溅射铝靶，所述高纯溅射铝靶为环状单靶或分布式多靶。在本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁控溅射制备C轴择优取向氮化铝多晶薄膜的方法，包括以下步骤：/n(1)将半导体材料基片水平放置在真空腔内；/n在所述半导体材料基片的周围垂直设置高纯溅射铝靶，所述高纯溅射铝靶为环状单靶或分布式多靶；所述高纯溅射铝靶上边缘与半导体材料基片边缘的连接线相对于高纯溅射铝靶法线方向的夹角小于65°；/n在所述半导体材料基片与高纯溅射铝靶之间或者在所述半导体材料基片的上方设置分布式热丝，所述热丝距离半导体材料基片边缘或上表面小于50mm；/n(2)将所述真空腔抽真空至真空度为10

【技术特征摘要】
1.一种磁控溅射制备C轴择优取向氮化铝多晶薄膜的方法，包括以下步骤：
(1)将半导体材料基片水平放置在真空腔内；
在所述半导体材料基片的周围垂直设置高纯溅射铝靶，所述高纯溅射铝靶为环状单靶或分布式多靶；所述高纯溅射铝靶上边缘与半导体材料基片边缘的连接线相对于高纯溅射铝靶法线方向的夹角小于65°；
在所述半导体材料基片与高纯溅射铝靶之间或者在所述半导体材料基片的上方设置分布式热丝，所述热丝距离半导体材料基片边缘或上表面小于50mm；
(2)将所述真空腔抽真空至真空度为10-4帕以下，通入氮气和氩气，在所述高纯溅射铝靶上施加500～600V的电压进行磁控溅射，得到C轴垂直半导体材料基片表面的氮化铝多晶薄膜；所述磁控溅射过程中，半导体材料基片绕中心旋转。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述半导体材料基片包括硅基片、碳化硅基片、金刚石基片或三氧化二铝基片；所述半导体材料基片的表面粗糙度小于10nm。


3.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢波玮，苏广辉，张建永，丁发柱，古宏伟，商红静，黄大兴，李太广，邹琪，
申请(专利权)人：郑州科之诚机床工具有限公司，中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：河南;41