TC4鈦合金上制備C軸取向AlN薄膜研究.pdf

1、聲表面波傳感器由于具有高精度、高靈敏度、高分辨率、抗電磁干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定性好、易于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，為了準(zhǔn)確測試金屬結(jié)構(gòu)件的溫度、應(yīng)變等物理信息，需要研制和金屬結(jié)構(gòu)件集成的薄膜型聲表面波傳感器。AlN壓電薄膜具有機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率高、聲速快等優(yōu)點(diǎn)，是制作薄膜型聲表面波傳感器的首選材料。因此，本文開展在TC4鈦合金表面生長擇優(yōu)取向的AlN薄膜研究，對(duì)于開發(fā)

2、與TC4合金集成的聲表面波傳感器具有重要意義。
　　首先，本文采用中頻磁控反應(yīng)濺射，研究了濺射功率、濺射氣壓、靶基距、襯底溫度對(duì)在TC4鈦合金基片上制備AlN薄膜C軸取向的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)濺射功率、濺射氣壓、靶基距對(duì)TC4基片上AlN薄膜的C軸取向影響不明顯，而襯底溫度是影響TC4基片上AlN薄膜C軸擇優(yōu)取向的關(guān)鍵工藝參數(shù)。并且在襯底溫度為400℃，靶基距為8 cm，濺射氣壓為0.94 Pa，濺射功率為2000 W，濺射時(shí)間為2小時(shí)

3、的實(shí)驗(yàn)參數(shù)下制備出了（002）晶面搖擺曲線半高寬FWHM=8.2°的AlN薄膜。
　　其次，本文提出一種先以400℃襯底溫度恒溫生長，然后再自然降溫生長的兩步法工藝，研究了恒溫時(shí)間與自然降溫時(shí)間對(duì)薄膜質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，AlN薄膜（002）晶面搖擺曲線半高寬FWHM、晶粒尺寸、表面均方根粗糙度均隨恒溫時(shí)間的延長，先減小后增大，并在恒溫時(shí)間為30分鐘時(shí)達(dá)到最小；而AlN薄膜（002）晶面的FWHM、晶粒尺寸、表面均方根粗糙度隨自降

4、溫時(shí)間的增加而逐漸減小，并在4.5小時(shí)后逐漸趨于穩(wěn)定。
　　最后，本文利用優(yōu)化的兩步法工藝，先以400℃襯底溫度恒溫生長30分鐘，再自然降溫生長5.5小時(shí)，成功在TC4鈦合金襯底上制備出了質(zhì)量優(yōu)異的AlN薄膜。通過對(duì)AlN薄膜的XRD、AFM、SEM分析發(fā)現(xiàn)，所制備AlN薄膜的（002）晶面搖擺曲線半高寬FWHM=4.1°，表面均方根粗糙度RMS=4.3 nm，薄膜在TC4襯底表面呈纖維柱狀生長，滿足在TC4鈦合金襯底上直接制作薄