压电涂层和沉积工艺制造技术

具有用压电涂层(I)涂覆的表面的基材(S)，所述涂层包含A1‑

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】压电涂层和沉积工艺


[0001]本专利技术涉及根据权利要求1的具有用压电涂层涂覆的表面的基材，涉及根据权利要求16的生产这种涂层的方法，以及涉及在基材上沉积这种涂层的工艺系统。

技术介绍

[0002]对压电薄膜中更高机电耦合系数的追求是由用于多种应用的微机电装置(MEMS)中进展的商业需求所驱动；比如在高射频(高于2GHz)下运行的用于无线应用的宽频带滤波器、微型扬声器和麦克风，仅举几例。在提出的各种策略中，由于可达到的高品质因数和集成到CMOS结构中的可能性以及与前端半导体设备的相容性，纤锌矿AlN晶格中由Sc部分取代Al是杰出的。
[0003]AlN作为压电薄膜应用的主导材料已经很多年。这种材料的主要缺点，即相对其他类型的材料较低的机电耦合系数，可以通过纤锌矿晶格中的Sc取代来克服，因为对于高达40%的Sc/(Sc+Al)比率，纵轴压电活性增加到高达4倍 [Akyama等人, Adv. Mat. 21, 2009]。此外，理论上 [Tholander等人, PRB 87, 2013]和实验上[Yokohama等人, IEEE TUFFC 61, 2014;] 二者均已证明，利用金属元素“Me”(比如Y或(Mg
0.5
，Zr
0.5
))在III族元素“A”的氮化物(比如AlN、GaN和InN)的纤锌矿结构中的各种取代，此类材料中可成功引入在压电核心异常的结构不稳定性。然而，对于沉积A1‑
x
Me
x
N纤锌矿膜(比如 Al
(1<br/>‑
x)
Sc
x
N、Al
(1
‑
x)
(Mg，Zr)
x
N或In1‑
x
Y
x
N)的批量生产解决方法产生了新的挑战。由于耦合系数对膜应力的依赖性增强，因此在大表面基材上需要膜应力、结晶性和表面粗糙度极佳的均匀性。然而，随着Sc含量的增加，所需的具有c轴取向的纤锌矿结构的生长被升高锥状微晶的出现所干扰。几位作者 [Fichtner等人] [Deng等人, JVSTA, 30, 2012] 已证实了这种反常的晶粒生长的情况是对于不正常的沉积通量，由纤锌矿结构的不同平面的捕获横截面的表面各向异性所决定。这些不需要的晶粒仍为纤锌矿相，但它们为非c轴取向的。由于竞争性生长机制，因为这些表面的吸附原子的移动性较低，这些晶粒的生长被增强，那么结果是对膜的压电活性没有相关方式的贡献的尺寸反常的晶粒。随着膜中的Sc的量的增加，这种表面不稳定性增大。结果随着Sc的取代，不需要的晶粒的体积分数大幅增加。
[0004]这些不需要的微晶的出现的可能性此外还强烈取决于基材/A11‑
x
Sc
x
N界面。纤锌矿相的成核确实在很高的速率下发生：较高的表面粗糙度会因此导致较高的晶粒成核可能性，其中c轴指向不垂直于基材的方向，且显著偏离进入的吸附原子通量方向。对于生长在钼上的A11‑
x
Sc
x
N，当Sc浓度高于15原子%时，通常可观察到大量微晶，然而对于给定的膜厚度，铂由于表面光滑度更高而较少被这个问题影响。无论如何，基材表面的选择和微结构强烈受限于设备规格。因此，在A11‑
x
Sc
x
N层的沉积中，减少离轴晶粒形成的机会的稳健工艺解决方案是非常有利的。
[0005]由于纯AlN有限的表面不稳定性，不含钪的薄种子层的使用的结果是对确保在各种基材类型和材料上生长想要的A11‑
x
Sc
x
N品质有效。作为举例，在钼电极上25 nm AlN的初始生长容许沉积具有纯c轴取向纤锌矿结构的A1
75
Sc
25
N膜。也证实了在包括纯硅和SiO2的其
他基材表面上AlN种子层的积极影响。然而，随着Sc浓度增加到例如30原子%，种子层和A11‑
x
Sc
x
N层结构之间的错配趋向于促进再成核，且纯AlN种子层策略达到了其极限：不想要的微晶的生长不能被足够有效地抑制。因此本专利技术的一个要旨在于提供改善的引晶工艺，其确保A1‑
x
Me
x
N层、如提到的AlScN层的生长，且相比其他已知有相当的高“B”含量的层而言应不展示微晶数或展示可忽略的微晶数。本专利技术的另一个要旨在于提供生产这类层的方法以及提供实施该方法的工艺系统。
[0006]定义：A1‑
x
Me
x
N层指任意A1‑
x
Me
x
N非中心对称层，其由任意III族元素“A”(如硼、铝、镓、铟和铊)构成，且包含来自2到6b的过渡金属族(如Y、Zr)以及来自2a族的Mg或特别是这些族中的立方结晶种类(如Sc、Nb、Mo)、或者来自镧系(如La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Lu)或也特别是该组中的立方结晶种类(如Ce和Yb)的一种或更多种金属元素“Me”。只要没有提到精确数字，元素A和元素Me或元素Me混合物的原子百分数可变化，这意味着AMeN或AlScN涉及任意Me/(A+Me)或Sc/(Al+Sc)比率(也称为Me或Sc(钪)比率)，以及N可与化合物的金属组分呈化学计量关系、亚化学计量关系或超化学计量关系。
[0007]基材可为任何基础材料，也包括用以下称为预涂层的不同功能层结构预涂覆的基材，其可在不同或相同的涂覆系统中施加。这类预涂层可包含仅作为示例的声镜，其中例如硅基材包含来自如Sio
x
和W层的层堆叠或如SiO
x
、SiN
x
、SiN
x
O
y
、AlN
x
的蚀刻停止层。

技术实现思路

[0008]惊奇地发现，当从基材侧开始时，包含从低或甚至零Me浓度到高Me/(A+Me)比率的Me上升的浓度梯度的AMeN涂层可有效帮助抑制不需要的升高锥状微晶的出现，所述微晶在以下也称为毛刺(spike)。
[0009]在本专利技术的一个实施方案中，所述基材具有用压电涂层涂覆的表面。所述涂层包含A1‑
x
Me
x
N，其中A为B、Al、Ga、In、Tl中的至少一种，且Me为来自过渡金属族3b、4b、5b、6b、镧系和Mg的至少一种金属元素，所述涂层厚度为d，且还包含过渡层，其中Me的原子百分数与A的原子百分数的比率沿着所述涂层的厚度范围δ3稳定上升，对于厚度范围δ3，以下是有效的：δ3 ≤ d。
[0010]在本专利技术的另一个实施方案中，Me可为Sc、Mg、Hf、Nb、Mo、Ce、Y和Yb中的至少一种，其中优选Sc。
[0011]所述涂层还可包括终止于过渡层的所述稳定上升的起点的种子层，其中沿着所述涂层的另一厚度范围δ2，所述比率是恒定的。
[0012]在另一个实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.具有用压电涂层(I)涂覆的表面的基材，所述涂层包含A1‑
x
Me
x
N，其中A为B、Al、Ga、In、Tl中的至少一种，且Me为来自过渡金属族3b、4b、5b、6b、镧系和镁的至少一种金属元素，所述涂层(I)厚度为d，且还包含过渡层(3)，其中Me的原子百分数与A的原子百分数的比率沿着所述涂层的厚度范围δ3稳定上升，对于厚度范围δ3，以下是有效的：δ3 ≤ d。2.根据权利要求1所述的基材，其中Me为Sc、Mg、Hf和Y中的至少一种。3.根据前述权利要求中一项所述的基材，其中Me为Sc。4.根据前述权利要求中一项所述的基材，其中所述涂层还包含终止于所述过渡层(3)的所述稳定上升的起点的种子层(2)，其中沿着种子层的厚度范围δ2，所述比率是恒定的。5.根据前述权利要求中一项所述的基材，其中所述涂层还包含起始于所述过渡层(3)的所述稳定上升的终点的顶层(4)，其中沿着顶层的厚度范围δ4，所述比率是恒定的。6.根据前述权利要求中一项所述的基材，其中所述过渡层(3)起始和/或终止于所述涂层的限制性表面之一。7.根据前述权利要求中一项所述的基材，其中δ3 = d。8.根据前述权利要求中一项所述的基材，其中过渡层(3)的所述稳定上升以所述比率为零起始。9.根据前述权利要求中一项所述的基材，所述稳定上升为至少近似线性。10.根据前述权利要求中一项所述的基材，其中所述涂层还包含直接沉积在基材表面上的粘附层(1)。11.根据权利要求10所述的基材，其中所述过渡层直接沉积在所述粘附层上。12.根据权利要求10或11所述的基材，其中所述粘附层(1)由以下材料中的至少一种组成：Si、Mo、W、Pt、Ru、Ti。13.根据权利要求4
‑
12中一项所述的基材，其中所述种子层(2)直接沉积在基材(S)表面之一上。14.根据前述权利要求中一项所述的基材，其中所述过渡层直接沉积在基材表面之一上。15.根据前述权利要求中一项所述的基材，所述基材包含种子层和粘附层，所述粘附层直接沉积在所述基材的一个表面上，且所述种子层直接沉积在所述粘附层上。16.根据前述权利要求中一项所述的基材，所述基材包含直接沉积在所述基材的一个表面上的粘附层，所述过渡层直接沉积在所述粘附层上。17.根据前述权利要求中一项所述的基材，其中至少要被涂覆的基材表面由Si、SiOx或GaAs组成。18.根据前述权利要求中一项所述的基材，其中所述基材包含预涂层，且压电涂层(I)直接沉积在预涂层上。19.根据前述权利要求中一项所述的基材，其中所述过渡层(3)的所述稳定上升的终点处的所述比率高于26% Me，优选等于或高于30% Me。20.根据前述权利要求中一项所述的基材，其中过渡层(3)和顶层(4)之一的表面在任意5
ꢀµ
m x 5
ꢀµ
m表面区域内具有少于50个毛刺的均匀表面品质。
21.沉积A1‑
x
Me
x
N涂层或制造具有A1‑
x
Me
x
N涂层的基材的方法，所述方法包含：从由A的至少一种元素制成的至少一个第一靶(10)，和从由Me的至少一种元素、或Me的至少一种元素和A的至少一种元素制成的至少一个第二靶(11)共溅射，其中溅射在包含氮气的气体气氛...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：瑞士艾发科技，
类型：发明
国别省市：