射頻磁控反應(yīng)濺射低溫制備高C軸擇優(yōu)取向的氮化鋁薄膜.pdf

1、纖鋅礦結(jié)構(gòu)氮化鋁（AlN）薄膜作為一種重要的Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體材料，具有許多優(yōu)異的物理化學(xué)性能，使得 AlN薄膜成為碳化硅基和藍(lán)寶石基光電和聲電器件領(lǐng)域的理想材料，廣泛應(yīng)用在聲表面波器件、體聲波器件、場發(fā)射顯示和發(fā)光二極管領(lǐng)域。AlN薄膜的應(yīng)用一般要求其具有高 C軸取向或外延單晶結(jié)構(gòu)。然而，高 C軸取向和外延單晶 AlN薄膜需要采用金屬有機(jī)物氣相沉積、分子束外延、氫化物氣相外延等方法在高溫下制備，其缺點(diǎn)是沉積溫度高、毒性氣體的排放、制膜設(shè)

2、備昂貴，尤其是高溫沉積還會(huì)給襯底和薄膜帶來熱損傷，這嚴(yán)重限制了AlN薄膜在微電子學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。射頻磁控反應(yīng)濺射是沉積薄膜材料的一種重要方法，和其它制備技術(shù)相比，該技術(shù)具有簡單、低溫、價(jià)廉的優(yōu)點(diǎn)。因此，研究磁控濺射低溫制備高 C軸取向AlN薄膜具有非常重要的意義。本文首次采用射頻磁控反應(yīng)濺射法在6H-SiC單晶襯底上成功制備了高度 C軸取向及外延 AlN薄膜，研究了工藝參數(shù)對AlN薄膜的形貌、組成、晶體結(jié)構(gòu)以及光學(xué)性能的影響規(guī)律；采用

3、更加廉價(jià)但晶格失配度較大的藍(lán)寶石代替6H-SiC，同樣實(shí)現(xiàn)了高度 C軸取向的AlN薄膜生長，此外，探索了6H-SiC和藍(lán)寶石襯底上 AlN薄膜在300℃低溫和室溫條件下的生長。
　　采用射頻磁控反應(yīng)濺射技術(shù)在6H-SiC和藍(lán)寶石基體上制備了高 C軸取向的AlN薄膜，采用掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、X射線光電子能譜(XPS)和二維 X射線衍射(2D-XRD)等多種表征手段，研究了反應(yīng)氣壓、氮?dú)鉂舛?、射頻功率等工

4、藝參數(shù)對6H-SiC基體上的AlN薄膜的表面形貌、化學(xué)組成以及晶體結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，獲得了在6H-SiC單晶上生長高 C軸取向AlN薄膜的最佳生長條件。
　　發(fā)現(xiàn)所制備的AlN薄膜 Al/N原子比可達(dá)1.09:1，薄膜中Al、N元素含量可達(dá)96％。薄膜晶粒尺寸隨反應(yīng)氣壓和氮?dú)鉂舛鹊脑黾佣鴾p小，射頻功率在250W表現(xiàn)出最優(yōu)值，襯底溫度增加到500℃后趨于穩(wěn)定。表面粗糙度隨反應(yīng)氣壓、氮?dú)鉂舛群蜕漕l功率的增加而降低。隨氮?dú)鉂舛群蜕漕l功率的

5、增加，薄膜中Al原子濃度下降而 N原子濃度升高， Al/N原子比減小。較低的反應(yīng)氣壓有利于 AlN薄膜的C軸取向生長，增加反應(yīng)氣壓，薄膜的C軸取向生長變?nèi)?，?dāng)氣壓增加到1.0Pa時(shí)，生長的AlN薄膜呈非晶狀態(tài)；隨著氮?dú)鉂舛扔?0%增加到60%，AlN薄膜由 AlN（10-10）擇優(yōu)取向生長逐漸過渡到高 C軸擇優(yōu)取向；射頻功率增加到250W時(shí)，AlN薄膜的C軸取向達(dá)到最高，但射頻功率太大，會(huì)誘導(dǎo)其它晶面的生長。
　　采用射頻磁控反應(yīng)

6、濺射技術(shù)，以更加廉價(jià)的藍(lán)寶石取代昂貴的6H-SiC單晶作為薄膜生長基體，制備了高度 C軸取向的AlN薄膜，克服了藍(lán)寶石單晶襯底與AlN薄膜之間存在的較大晶格失配和熱失配所引起的生長問題，并研究了生長溫度對其形貌和結(jié)構(gòu)的作用。發(fā)現(xiàn)在藍(lán)寶石上生長高度 C軸取向的AlN薄膜的溫度窗口較窄，較高或較低的襯底溫度都不利于高 C軸取向的生長；另外，薄膜的表面粗糙度隨襯底溫度的升高而升高，較高的襯底溫度可以降低薄膜中的O原子含量。
　　首次探索

7、了射頻磁控反應(yīng)濺射法在低溫和室溫條件下高 C軸取向AlN薄膜的生長。在6H-SiC襯底上室溫條件下制備了高C軸取向的AlN薄膜，并在襯底溫度為300℃時(shí)成功獲得了外延 AlN薄膜。室溫下在藍(lán)寶石襯底上生長的AlN薄膜以C軸取向生長為主，同時(shí)出現(xiàn)少量其它晶面的微弱生長。
　　采用橢偏儀研究了制備的AlN薄膜的折射率和消光系數(shù)，發(fā)現(xiàn)制備的AlN薄膜的折射率 n都在1.83-2.15之間，AlN薄膜的折射率與其 C軸取向性密切相關(guān)，薄膜