一種高c軸取向AlN薄膜及其制備方法與應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種高c軸取向AlN薄膜及其制備方法與應(yīng)用。所述高c軸取向AlN薄膜的制備方法包括如下步驟：將石墨烯旋涂于襯底上得到石墨烯覆蓋的襯底；利用反應(yīng)濺射，在所述石墨烯覆蓋的襯底上進(jìn)行沉積得到所述AlN薄膜；所述反應(yīng)濺射的工作氣體為氮?dú)夂蜌鍤獾幕旌蠚怏w；所述反應(yīng)濺射的靶材為鋁靶。本發(fā)明方法采用石墨烯作緩沖層有效地緩解了襯底層與AlN層之間的晶格失配和熱膨脹系數(shù)失配的問(wèn)題，使得本發(fā)明制備的AlN薄膜中的應(yīng)力比較低。本發(fā)明擇優(yōu)取向的AlN壓電薄膜可用于制備高頻、大功率、高機(jī)電耦合系數(shù)的SAW器件，產(chǎn)品可靠性強(qiáng)、成品率高且成本低。本發(fā)明制備方法操作簡(jiǎn)單，成本低廉，易于實(shí)施，有利于大規(guī)模推廣應(yīng)用。
【專利說(shuō)明】
一種高C軸取向AIN薄膜及其制備方法與應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種高c軸取向AlN薄膜及其制備方法與應(yīng)用，屬于信息電子材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]AlN是一種應(yīng)用廣泛的、具有密排六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的II1- V族復(fù)合半導(dǎo)體材料，其具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能，如直接禁帶寬度大、高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率，高介電常數(shù)、高的溫度穩(wěn)定性、高的聲速等。在信息通訊領(lǐng)域里，聲表面波(SAW)器具有體積小、質(zhì)量輕、信號(hào)處理能力優(yōu)異、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，被廣泛用于移動(dòng)通信、電視廣播以及各種軍用通訊中。隨著4G網(wǎng)絡(luò)以及頻率更高的通訊網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)和發(fā)展，聲表面波器件的使用頻率不斷提高，而AlN薄膜具有所有無(wú)機(jī)非壓電材料中最高的聲表面波速度，因此可以成為有效提高聲表面波器件中心頻率的壓電材料。而與一般的AlN薄膜相比，高取向AlN薄膜具有許多優(yōu)異的性能，例如，沿c軸取向的AlN具有非常好的壓電性和聲表面波高速傳輸性，因此制備c軸取向AlN薄膜將會(huì)很大提升聲表面波器件相速和機(jī)電耦合系數(shù)。目前，AlN薄膜一般生長(zhǎng)在異質(zhì)襯底上。由于AlN與襯底存在較大的晶格失配度和熱膨脹失配度，導(dǎo)致AlN薄膜晶體質(zhì)量差，存在較高的位錯(cuò)密度和較大的應(yīng)力，嚴(yán)重影響了聲表面波器件的性能。所以根據(jù)以上問(wèn)題，生長(zhǎng)高c軸取向、低位錯(cuò)密度和低應(yīng)力的AlN薄膜是制備聲表面波器件的前提。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種高c軸取向AlN薄膜及其制備方法與應(yīng)用，本發(fā)明利用成本低廉的石墨烯作為緩沖層，采用直流反應(yīng)磁控濺射直接在覆蓋了石墨烯的襯底上沉積得到AlN薄膜，操作簡(jiǎn)單；本發(fā)明制備方法不但提高了 AlN薄膜的c軸取向，而且降低了 AlN薄膜的位錯(cuò)密度和應(yīng)力。本發(fā)明AlN薄膜在用作聲表面波器件的壓電薄膜時(shí)，可使機(jī)電轉(zhuǎn)換效率增大，插入損耗減小，因此適合制備高頻、大功率、高機(jī)耦合系數(shù)SAW器件。
[0004]本發(fā)明提供的高c軸取向AlN薄膜的制備方法，包括如下步驟:將石墨烯旋涂于襯底上得到石墨烯覆蓋的襯底；利用反應(yīng)濺射，在所述石墨烯覆蓋的襯底上進(jìn)行沉積得到所述AlN薄膜；
[0005]所述反應(yīng)濺射的工作氣體為氮?dú)夂蜌鍤獾幕旌蠚怏w；
[0006]所述反應(yīng)濺射的靶材為鋁靶。
[0007]上述的制備方法中，所述襯底可為藍(lán)寶石、碳化硅或硅片；
[0008]向所述襯底上旋涂所述石墨烯之前，所述方法還包括如下步驟:用丙酮、乙醇和/或去離子水清洗所述襯底，可采用超聲清洗，然后用氮?dú)獯蹈伞?br>[0009]上述的制備方法中，采用如下步驟將所述石墨烯旋涂于所述襯底上:將石墨烯納米片分散于N，N- 二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮中得到石墨烯的分散液；將所述分散液滴在放置于均膠機(jī)的所述襯底上，使所述均膠機(jī)旋轉(zhuǎn)，經(jīng)烘干即可。
[0010]所述分散液的濃度可為0.05?lmg/mL，具體可為0.lmg/mL ；
[0011]控制所述均膠機(jī)以1000?3000r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)5?10s，使石墨烯均勻分布在所述襯底上，之后將所述襯底迅速移到100?180°C的加熱臺(tái)上，烘5?1min后待用，具體可以2000r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)8s，之后將襯底迅速移到150°C的加熱臺(tái)上，烘干lOmin。
[0012]上述的制備方法中，所述反應(yīng)濺射在真空度為10 6?10 4Pa的條件下進(jìn)行，所述真空度具體可為5 X 10 5Pa ;
[0013]所述工作氣體中，所述氮?dú)馀c所述氬氣的體積比可為0.5?1:1，具體可為1:1 ;
[0014]所述氬氣的純度為99.999%，所述氮?dú)獾募兌葹?9.999%。
[0015]所述工作氣體的通入方式為先通入所述氬氣再通入所述氮?dú)猓?br>[0016]控制所述工作氣體的流量可為6mL/min?60mL/min，具體可為36mL/min。
[0017]上述的制備方法中，所述反應(yīng)濺射可為直流反應(yīng)磁控濺射，所述反應(yīng)濺射的磁控濺射源為平面靶磁控濺射源；
[0018]所述反應(yīng)濺射的功率可為10W?200W，具體可為200W ；
[0019]所述反應(yīng)濺射的溫度可為500°C?600°C，具體可為500°C ;
[0020]所述反應(yīng)派射的時(shí)間可為20min?60min，具體可為40min ；
[0021]所述靶材與所述石墨烯覆蓋的襯底之間的距離可為6cm?8cm，具體可為6cm ;
[0022]所述工作氣體的壓力可為0.2Pa?0.8Pa，具體可為0.4Pa。
[0023]進(jìn)行所述反應(yīng)濺射時(shí)，是將所述石墨烯覆蓋的襯底置于磁控濺射鍍膜機(jī)的基片臺(tái)上；所述反應(yīng)濺射完成后，還包括如下步驟:待基片臺(tái)溫度低于100°C，向所述磁控濺射鍍膜機(jī)的真空室中充入高純氮?dú)庵琳婵帐覂?nèi)壓力為大氣壓，取出所述AlN薄膜。
[0024]本發(fā)明還提供了由上述方法制備的AlN薄膜，其為壓電薄膜，其厚度為600?800nm ;所述AlN薄膜具有高(002)晶面(即c軸)取向。
[0025]本發(fā)明提供的AlN薄膜可用于制備高頻、大功率、高機(jī)電耦合系數(shù)的聲表面波器件。
[0026]通過(guò)本發(fā)明可以發(fā)現(xiàn)，以石墨烯作為緩沖層生長(zhǎng)AlN薄膜，不但提高了 AlN薄膜的c軸取向，而且降低了 AlN薄膜的位錯(cuò)密度和應(yīng)力。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0028]本發(fā)明利用石墨烯作為緩沖層在襯底上成功制備出AlN薄膜，所制備的AlN薄膜具有高度的c軸取向、低的位錯(cuò)密度和低的殘余應(yīng)力。本發(fā)明制備得到的AlN薄膜，掃描其
(002)面搖擺曲線半高寬可低于0.90°，其(102)面搖擺曲線半高寬可低于1.3°，具有低的螺型和刃型位錯(cuò)密度，AlN晶體質(zhì)量有明顯的提高。本發(fā)明方法采用石墨烯作緩沖層有效地緩解了襯底層與AlN層之間的晶格失配和熱膨脹系數(shù)失配的問(wèn)題，使得本發(fā)明制備的AlN薄膜中的應(yīng)力比較低。本發(fā)明擇優(yōu)取向的AlN壓電薄膜可用于制備高頻、大功率、高機(jī)電耦合系數(shù)的SAW器件，產(chǎn)品可靠性強(qiáng)、成品率高且成本低。本發(fā)明制備方法操作簡(jiǎn)單，成本低廉，易于實(shí)施，有利于大規(guī)模推廣應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1是本發(fā)明制備的AlN薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中將石墨烯納米片旋涂在襯底上的SEM照片
[0031]圖3是本發(fā)明實(shí)施例1制備的AlN薄膜的AFM圖。
[0032]圖4是本發(fā)明實(shí)施例1制備的AlN薄膜的XRD圖，其中圖4 (a)為AlN的2 Θ - ω圖，圖4(b)為Α1Ν(002)晶面的搖擺曲線圖，圖4(c)為Α1Ν(102)晶面的搖擺曲線圖。
[0033]圖5是本發(fā)明實(shí)施例1制備的AlN薄膜的TEM圖，其中，插圖為AlN的選取衍射花樣。
[0034]圖6是本發(fā)明實(shí)施例1制備的AlN薄膜的Raman圖。
[0035]圖7是本發(fā)明實(shí)施例2制備的AlN薄膜的XRD圖，其中圖7 (a)為AlN的2 θ - ω圖，圖7(b)為Α1Ν(002)晶面的搖擺曲線圖，圖7(c)為Α1Ν(102)晶面的搖擺曲線圖。
[0036]圖8是本發(fā)明實(shí)施例2制備的AlN薄膜的AFM圖。
[0037]圖9是本發(fā)明實(shí)施例2制備的AlN薄膜的Raman圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]下述實(shí)施例中所使用的實(shí)驗(yàn)方法如無(wú)特殊說(shuō)明，均為常規(guī)方法。
[0039]下述實(shí)施例中所用的材料、試劑等，如無(wú)特殊說(shuō)明，均可從商業(yè)途徑得到。
[0040]實(shí)施例1、AlN薄膜的制備及其性能測(cè)試
[0041](I)將c面藍(lán)寶石襯底依次用丙酮、酒精和去離子水各超聲清洗5min，再用氮?dú)獯蹈?，將已清洗后的襯底放在均膠臺(tái)上。
[0042](2)配制濃度為0.10mg/mL石墨烯與N-甲基吡咯烷酮的分散液(采用的是石墨稀納米片，由小于50個(gè)原子層石墨稀納米片組成，其橫向尺寸為2?10 μ m)，將石墨稀與N-甲基吡咯烷酮的分散液逐滴滴在襯底上，啟動(dòng)均膠機(jī)，使其以2000r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)8s，使石墨烯均勻分布在襯底上，之后將襯底迅速移到150°C的加熱臺(tái)上，烘干1min后待用。
[0043]該步驟中，將石墨烯旋涂于襯底上的SEM照片如圖2所示，由該圖可以看出，襯底上分布著一層很薄的石墨烯片。
[0044](3)將步驟(2)中的襯底用鐵絲固定在磁控濺射的基片臺(tái)上，基片連同基片臺(tái)一起裝入真空室?；嚯x靶材60mm，靶材為高純度的Al靶(直徑為75mm，純度為99.999%) ο啟動(dòng)機(jī)械栗和分子栗抽真空至5X 10 5Pa,濺射AlN時(shí)工作氣體為高純氬氣(純度為99.999% )與氮?dú)?純度為99.999% )混合氣體，其中氬氣流量為18mL/min，氮?dú)饬髁繛?8mL/min。工作氣壓為0.4Pa，射頻功率為200W，反應(yīng)溫度為500°C，基片臺(tái)的自轉(zhuǎn)速度為5r/min，濺射時(shí)間為40min。在開(kāi)始正式濺射前，用擋板擋住靶材。用250W入射功率轟擊Al IE 5min，去除革E材表面雜質(zhì)及氧化層。再通入高純氮?dú)?，預(yù)派射5min左右，待電源示數(shù)穩(wěn)定后，打開(kāi)靶擋板，開(kāi)始薄膜生長(zhǎng)。反應(yīng)濺射完成后，停止對(duì)基片臺(tái)加熱，待溫度低于100°C時(shí)，向磁控濺射鍍膜機(jī)的真空室中充入空氣至真空室內(nèi)壓力為大氣壓，開(kāi)腔取出所制備的AlN薄膜，制備得到平均厚度為SOOnm的AlN薄膜，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
[0045]本實(shí)施例制備的AlN薄膜的AFM圖如圖3所示，由該圖可以看出，AlN薄膜致密無(wú)孔，晶粒大小較為均勻，晶粒排列緊密；A1N薄膜表面的均方根粗糙度RMS = 2.12nm，完全達(dá)到了制作聲表面波器件的要求。
[0046]本實(shí)施例制備的AlN薄膜的XRD圖譜如圖4所示，從圖4(a)中可以看出除了襯底的衍射峰外，只有在36.02°和76.38°有衍射峰，表明在利用石墨烯緩沖層在襯底生長(zhǎng)AlN薄膜具有很高的c軸取向；由圖4(b)和圖4(c)可以看出，其(002)和(102)搖擺曲線半高寬分別為0.78°和1.16°，表明生長(zhǎng)出的AlN薄膜晶體質(zhì)量高，具有較低的螺型和刃型位錯(cuò)密度。
[0047]本實(shí)施例制備的AlN薄膜的??Μ圖如圖5所示，其中，內(nèi)插圖為AlN的選取衍射斑點(diǎn)圖。由該圖可以看出，AlN薄膜膜厚平均為600nm，AlN薄膜致密無(wú)孔洞，且由高度平行的柱狀晶組成；衍射花樣由清晰銳利的衍射斑點(diǎn)組成，這些衍射花樣對(duì)應(yīng)纖鋅礦結(jié)構(gòu)，表明薄膜是單晶結(jié)構(gòu)，并且不含任何其他雜質(zhì)相。
[0048]本實(shí)施例制備的AlN薄膜的Raman圖如圖6所示，圖中星號(hào)(*)標(biāo)注的拉曼峰為AlN薄膜的拉曼峰，其中波數(shù)在655cm 1左右對(duì)應(yīng)的拉曼峰為AlN薄膜的E 2 (high)模和波數(shù)在886cm 1左右時(shí)對(duì)應(yīng)的拉曼峰為AlN薄膜的A ! (LO)模。與體AlN的E2 (high) (657.4cm ')相比，本實(shí)施制備的AlN薄膜的E2 (high)波數(shù)為657.5cm 1，沒(méi)有明顯的偏移，表明本實(shí)施例制備的AlN薄膜內(nèi)應(yīng)力比較小。
[0049]由上述測(cè)試結(jié)果可以看出，利用石墨烯作緩沖層在襯底上生長(zhǎng)的AlN薄膜，具有高度c軸取向，晶體質(zhì)量高，位錯(cuò)密度小，應(yīng)力小，表面平滑等優(yōu)點(diǎn)，完全達(dá)到聲表面器件的要求，具有良好的應(yīng)用前景。
[0050]實(shí)施例2、AlN薄膜的制備及其性能測(cè)試
[0051](I)將c面藍(lán)寶石襯底依次用丙酮、酒精和去離子水各超聲清洗5min，再用氮?dú)獯蹈?，將已清洗后的襯底放在均膠臺(tái)上。
[0052](2)配制濃度為0.10mg/mL石墨烯與N-甲基毗咯烷酮的分散液(采用的是石墨稀納米片，由小于50個(gè)原子層石墨稀納米片組成，其橫向尺寸為2?10 μ m)，將石墨稀與N-甲基吡咯烷酮的分散液逐滴滴在襯底上，啟動(dòng)均膠機(jī)，使其以2000r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)8s，使石墨烯均勻分布在襯底上，之后將襯底迅速移到150°C的加熱臺(tái)上，烘干1min后待用。
[0053](3)將步驟(2)中的襯底用鐵絲固定在磁控濺射的基片臺(tái)上，基片連同基片臺(tái)一起裝入真空室。基片距離靶材60mm，靶材為高純度的Al靶(直徑為75mm，純度為99.999% )。啟動(dòng)機(jī)械栗和分子栗抽真空至5X 10 5Pa,濺射氮化鋁時(shí)工作氣體為高純氬氣(純度為99.999% )與氮?dú)?純度為99.999% )混合氣體。其中氬氣流量為18mL/min，氮?dú)饬髁繛?8mL/min。工作氣壓為0.4Pa，射頻功率為200W，反應(yīng)溫度為500°C，基片臺(tái)的自轉(zhuǎn)速度為5轉(zhuǎn)/min，派射時(shí)間為40min。在開(kāi)始正式派射前，用擋板擋住革E材。用250W入射功率轟擊Al IE 5min，去除革E材表面雜質(zhì)及氧化層。再通入高純氮?dú)?，預(yù)派射5min左右，待電源示數(shù)穩(wěn)定后，打開(kāi)靶擋板，開(kāi)始薄膜生長(zhǎng)。反應(yīng)濺射完成后，停止對(duì)基片臺(tái)加熱，待溫度低于100°C時(shí)，向磁控濺射鍍膜機(jī)的真空室中充入空氣至真空室內(nèi)壓力為大氣壓，開(kāi)腔取出所制備的AlN薄膜，制備出平均厚度為600nm的AlN薄膜。
[0054]本實(shí)施例制備的AlN薄膜的XRD圖譜如圖7所示，從圖7(a)中可以看到除了襯底的衍射峰外，只有在36.04°和76.40°有衍射峰，表明AlN薄膜具有很高的c軸取向；由圖7(b)和圖7(c)可以看出，其(002)和(102)搖擺曲線半高寬分別為0.83°和1.26°，表明生長(zhǎng)出的AlN薄膜晶體質(zhì)量高，具有較低的螺型和刃型位錯(cuò)密度。
[0055]本實(shí)施例制備的AlN薄膜的AFM圖如圖8所示，由該圖可以看出，AlN薄膜表面光滑平整，薄膜致密無(wú)孔；膜表面的均方根粗糙度RMS = 6.94nm，完全達(dá)到了制作聲表面波器件的要求。
[0056]本實(shí)施例制備的AlN薄膜的Raman圖如圖9所示，圖中星號(hào)(*)標(biāo)注的拉曼峰為AlN薄膜的拉曼峰。其中波數(shù)在655cm 1左右對(duì)應(yīng)的拉曼峰為AlN薄膜的E2(high)模和波數(shù)為886cm 1左右時(shí)對(duì)應(yīng)的拉曼峰為AlN薄膜的A ! (LO)模。與體AlN的E2 (high) (657.4cm ')相比，本實(shí)施例制備的AlN薄膜的E2 (high)波數(shù)為657.7cm 1，沒(méi)有明顯的偏移，表明本實(shí)施例制備的AlN薄膜內(nèi)應(yīng)力比較小。
[0057]由上述測(cè)試結(jié)果可以看出，利用石墨烯作緩沖層在襯底上生長(zhǎng)的AlN薄膜，具有高度c軸取向，晶體質(zhì)量高，位錯(cuò)密度小，應(yīng)力小，表面平滑等優(yōu)點(diǎn)，完全達(dá)到聲表面器件的要求，具有良好的應(yīng)用前景。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高C軸取向AlN薄膜的制備方法，包括如下步驟:將石墨烯旋涂于襯底上得到石墨烯覆蓋的襯底；利用反應(yīng)濺射，在所述石墨烯覆蓋的襯底上進(jìn)行沉積得到所述AlN薄膜； 所述反應(yīng)濺射的工作氣體為氮?dú)夂蜌鍤獾幕旌蠚怏w； 所述反應(yīng)濺射的靶材為鋁靶。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:所述襯底為藍(lán)寶石、碳化硅或硅片； 向所述襯底上旋涂所述石墨烯之前，所述方法還包括如下步驟:用丙酮、乙醇和/或去離子水清洗所述襯底。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于:采用如下步驟將所述石墨烯旋涂于所述襯底上:將石墨烯納米片分散于N，N- 二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮中得到石墨烯的分散液；將所述分散液滴在放置于均膠機(jī)的所述襯底上，使所述均膠機(jī)旋轉(zhuǎn)，經(jīng)烘干即可。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于:所述反應(yīng)濺射在真空度為10 6?10 4Pa的條件下進(jìn)行； 所述工作氣體中，所述氮?dú)馀c所述氬氣的體積比為0.5?1:1。 控制所述工作氣體的流量為6mL/min?60mL/min。5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于:所述反應(yīng)濺射為直流反應(yīng)磁控濺射，所述反應(yīng)濺射的磁控濺射源為平面靶磁控濺射源； 所述反應(yīng)濺射的功率為100W?200W ； 所述反應(yīng)濺射的溫度為500°C?600°C ； 所述反應(yīng)派射的時(shí)間為20min?60min ； 所述革E材與所述石墨稀覆蓋的襯底之間的距離為6cm?8cm ； 所述工作氣體的壓力為0.2Pa?0.8Pa。6.權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述方法制備的AlN薄膜。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的AlN薄膜，其特征在于:所述AlN薄膜的厚度為600?800nm。8.權(quán)利要求6或7所述的AlN薄膜在制備聲表面波器件中的應(yīng)用。9.石墨烯在制備AlN薄膜中的應(yīng)用。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的應(yīng)用，其特征在于:所述石墨烯作為所述AlN薄膜的緩沖層。
【文檔編號(hào)】C23C14/35GK106011759SQ201510801540
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2015年11月18日
【發(fā)明人】曾飛, 傅肅磊, 潘峰, 李起, 王敏涓
【申請(qǐng)人】清華大學(xué)