射频磁控反应溅射低温制备高C轴择优取向的氮化铝薄膜

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纤锌矿结构氮化铝（AlN）薄膜作为一种重要的Ⅲ族氮化物半导体材料，具有许多优异的物理化学性能，使得 AlN薄膜成为碳化硅基和蓝宝石基光电和声电器件领域的理想材料，广泛应用在声表面波器件、体声波器件、场发射显示和发光二极管领域。AlN薄膜的应用一般要求其具有高 C轴取向或外延单晶结构。然而，高 C轴取向和外延单晶 AlN薄膜需要采用金属有机物气相沉积、分子束外延、氢化物气相外延等方法在高温下制备，其缺点是沉积温度高、毒性气体的排放、制膜设备昂贵，尤其是高温沉积还会给衬底和薄膜带来热损伤，这严重限制了AlN薄膜在微电子学领域的广泛应用。射频磁控反应溅射是沉积薄膜材料的一种重要方法，和其它制备技术相比，该技术具有简单、低温、价廉的优点。因此，研究磁控溅射低温制备高 C轴取向AlN薄膜具有非常重要的意义。本文首次采用射频磁控反应溅射法在6H-SiC单晶衬底上成功制备了高度 C轴取向及外延 AlN薄膜，研究了工艺参数对AlN薄膜的形貌、组成、晶体结构以及光学性能的影响规律；采用更加廉价但晶格失配度较大的蓝宝石代替6H-SiC，同样实现了高度 C轴取向的AlN薄膜生长，此外，探索了6H-SiC和蓝宝石衬底上 AlN薄膜在300℃低温和室温条件下的生长。
　　采用射频磁控反应溅射技术在6H-SiC和蓝宝石基体上制备了高 C轴取向的AlN薄膜，采用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)和二维 X射线衍射(2D-XRD)等多种表征手段，研究了反应气压、氮气浓度、射频功率等工艺参数对6H-SiC基体上的AlN薄膜的表面形貌、化学组成以及晶体结构的影响规律，获得了在6H-SiC单晶上生长高 C轴取向AlN薄膜的最佳生长条件。
　　发现所制备的AlN薄膜 Al/N原子比可达1.09:1，薄膜中Al、N元素含量可达96％。薄膜晶粒尺寸随反应气压和氮气浓度的增加而减小，射频功率在250W表现出最优值，衬底温度增加到500℃后趋于稳定。表面粗糙度随反应气压、氮气浓度和射频功率的增加而降低。随氮气浓度和射频功率的增加，薄膜中Al原子浓度下降而 N原子浓度升高， Al/N原子比减小。较低的反应气压有利于 AlN薄膜的C轴取向生长，增加反应气压，薄膜的C轴取向生长变弱，当气压增加到1.0Pa时，生长的AlN薄膜呈非晶状态；随着氮气浓度由20%增加到60%，AlN薄膜由 AlN（10-10）择优取向生长逐渐过渡到高 C轴择优取向；射频功率增加到250W时，AlN薄膜的C轴取向达到最高，但射频功率太大，会诱导其它晶面的生长。
　　采用射频磁控反应溅射技术，以更加廉价的蓝宝石取代昂贵的6H-SiC单晶作为薄膜生长基体，制备了高度 C轴取向的AlN薄膜，克服了蓝宝石单晶衬底与AlN薄膜之间存在的较大晶格失配和热失配所引起的生长问题，并研究了生长温度对其形貌和结构的作用。发现在蓝宝石上生长高度 C轴取向的AlN薄膜的温度窗口较窄，较高或较低的衬底温度都不利于高 C轴取向的生长；另外，薄膜的表面粗糙度随衬底温度的升高而升高，较高的衬底温度可以降低薄膜中的O原子含量。
　　首次探索了射频磁控反应溅射法在低温和室温条件下高 C轴取向AlN薄膜的生长。在6H-SiC衬底上室温条件下制备了高C轴取向的AlN薄膜，并在衬底温度为300℃时成功获得了外延 AlN薄膜。室温下在蓝宝石衬底上生长的AlN薄膜以C轴取向生长为主，同时出现少量其它晶面的微弱生长。
　　采用椭偏仪研究了制备的AlN薄膜的折射率和消光系数，发现制备的AlN薄膜的折射率 n都在1.83-2.15之间，AlN薄膜的折射率与其 C轴取向性密切相关，薄膜的C轴择优取向性越好，其折射率越高，反之亦然。薄膜的消光系数受沉积条件的影响不明显，在波长大于300nm时其消光系数 k值为零，薄膜在该波段内具有高透光性；而在波长低于300nm时 k值迅速增大，在该波长光线范围内，薄膜表现出很强的吸收。

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作者
邝许平;
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作者单位

哈尔滨工业大学;

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授予单位哈尔滨工业大学;
学科材料学
授予学位博士
导师姓名韩杰才;
年度 2014
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类特种结构材料;
关键词
射频磁控反应溅射; 氮化铝薄膜; 低温生长; 二维X射线衍射;

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