（材料学专业论文）磁控溅射制备压电氮化铝薄膜及声表面波滤波器研究.pdf

西华大学硕士学位论文磁控溅射制备压电氮化铝薄膜及声表面波滤波器研究材料学研究生陈璞指导老师彭启才副教授作为宽能隙直接能带结构的半导体材料，a 1 n ，g a n , i n n 等族氮化物由于高效率可见光和紫外光发射以及光响应特性而在全色光器件方面具有良好的应用前景。其中，a i n 还具有高热导、高硬度以及良好的介电性质、声学性质和化学稳定性，可望在短波光发射和光探测、表面声学、压电器件等光电子和微电子器件方面得到广泛应用。本文采用中频反应磁控溅射方法在s i ( 1 1 1 ) 上生长a i n 薄膜，主要考察了衬底温度和退火温度对薄膜结构性能等的影响，利用原子力显微镜( a f m ) 、x 射线衍射( x a d ) 等分析方法对薄膜的表面形貌、组织结构进行了检测与分析；利用紫外可见光分光光度计( u v v i ss p c t r o m e t c r ) 澳0得a i n 薄膜在可见光范围内的反射光谱，研究了a i n 薄膜的折射率、消光系数和膜厚等光学特性；同时，对薄膜s a w 滤波器的研制进行了初步探索，取得的主要结果如下：首先，我们采用中频反应磁控溅射设备。为了解决靶中毒和阳极消失现象，使用了中频电源。另外，为防止正电荷积累太多而引起弧光放电，影响镀膜工艺的稳定和薄膜的质量，我们加上了5 0 v 偏压。其次，由于a l n 薄膜的应用与其质量密切相关，为此我们研究了在磁控溅射制备a 1 n 薄膜的过程中，衬底温度和退火温度对薄膜结构性能等的影响，从西华大学硕士学位论文而找到a i n 薄膜的最佳制备工艺。表面粗糙度随衬底温度变化而变化，当衬底温度为2 3 0 c r m s 表面粗糙度达到最小，为5 7 5 1 n m 。通过不同退火条件下的a i n 薄膜的表面形貌和结构分析，在经氮气作为保护气退火后，薄膜的表面平整，基本上没有缺陷和空洞，薄膜表面致密晶粒大小比较均匀。7 0 0 。c 为合适的退火温度，过高的退火温度不但不利于薄膜的结晶取向反而使薄膜的结晶情况变差。，再次，利用l s t o p t 分析软件，采用f o r o u h b l o o m e r 色散模型对a i n 薄膜的反射光谱进行光学拟合。折射率在1 9 4 - - - 2 2 之间，且随波长增大而减小；消光系数小于0 0 0 6 ，说明该薄膜有良好的透光性：薄膜厚度在3 9 6 - 6 9 8 n m 之间。最后，对薄膜s a w 滤波器的研制进行了探索。研究结果表明，在薄膜s a w滤波器的制作过程中，压电薄膜极易受到损伤而直接影响到器件的性能，因此不能把利用压电单晶制作s a w 器件的工艺直接应用于薄膜s a w 滤波器的制作。关键词：氮化铝；中频磁控反应溅射：结构和粗糙度；反射：声表面波滤波器i i西华大学硕士学位论文r e s ( r c ho nd e p ( ；i t i o n0 fp i e z o e l e c t r i c a la i nthinresearcll0 n0 eo s | t i o nt l l i n0 id l e z 0 e i e c t r l c a lf i l m sb ym a g n e t r o ns p u t t e r i n ga n df a b r i c a t i o no fs a wf i l t e rc a n d i d a t ec h e np us u p e r v i s o rp r o f p c n gq i c a it h ei i i - n i t r i d e sa 1 n ，g a na n dh 1 nf o r ma ni n t e r e s t i n gc l a s so f w i d eb a n d g a pm a t e r i a l s ，w h i c ha r el i k e l yt ob et h eb a s i so fas t r o n gd e v e l o p m e n to fan o v e lf a m i l yo fs e m i c o n d u c t o rd e v i c e ，f o ro p t r o n i c sa sw e l la sf o re l e c t r o n i c s f o re x a m p l e ，t h ee n t i r es p e c t r a lr e g i o nf r o mu vt oi n f r a r e dc a nb ec o v e r e dw i t h i - no p t i c a ld e v i c e s f u r t h e r m o r e ，a 1 nh a ss o m eo u t s t a n d i n gp h y s i c a lp r o p e r t i e st l l a th a v ea t t r a c t e dm u c hi n t e r e s t i t sh a r d n e s s ，h i g ht h e r m a lc o n d u c t i v i t y , r e s i s t a n c et oh i g ht e m p e r t u r ea n dc a u s t i cc h e m i c a l s ，m a k e sa l na na t t r a c t i v em a t e r i a lf o re l e c t r o n i ca n do p t i c a ld e v i c e s i nt h i ss t u d y , a i nt h i l lf i l m sh a v eb e e nd e p o s i t e do ns i ( 1l1 ) s u b s t r a t e sb ym e d i u mf r e q u e n c ym a g n e t r o n ( m f ) r e a c t i o ns p u t t e r i n g t h ei n f l u e n c eo fs u b s t r a t et e m p e r t u r ea n da n n e a l i n gt e m p e r a t u r ei se s p e c i a l l ys t u d i e d t h em o r p h o l o g i c a la n ds t r u c t u r a lc h a c t e r i z a t i o n sh a v eb e e nd e t e r m i n e db ya t o m i cf o r c em i c r o s i s c o p y ( a f m ) ，x - r a yd i f f r a c t i o n o p t i c a lc o n s t a n t sa n dt h i c k n e s sh a v e b e e na n a l y z e df r o mu l t r a v i o l e t - v i s i b l es p e c t r o m e t r y i nt h em e a nt i m e ，w eh a v ea l s oe x p l o r e dt h ef a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yo fs a wf i l t e r 砀em e a nr e s u l t s 。c a nb ed e s c r i b e da sf o l l o w i n g ：f i r s t ，a l nt h i nf i l m sh a v eb e e ns u c c e s s f u l l yd e p o s i t e db ym fm a g n e t r o n1 i i西华大学硕士学位论文r e a c t i o ns p u t t e r i n g i no r d e rt os o l v et a r g e tp o i s o na n da n o d ed i s p p e a r a n c e ，m fp o w e rs u p p l yi su s e di no u rw o r k t op r e v e n ta r cd i s c h a r g e ，w h i c ha f f e c td e p o s i t i o ns t a b i l i t ya n dt h eq u a l i t yo ft h et h i nf i l m s ，d u et op o s i t i v ec h a r g ea c c u m u l a t i o n ，5 0 vp u l s e dd i s c h a r g es u p p l yi sa p p l i e d s e c o n d ，s i n c ei ti sv e r yi n t e r r e l a t e db e t w e e na p p l i c a t i o na n dq u a l i t yo fa 1 nt h i nf i l m s ，w es t u d yi n f l u e n c eo fs u b s t r a t et e m p e r t m ea n da n n e a l i n gt e m p e r a t u r ef o rm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so f 圳t h i nf i l m sb ym fm a g n e t r o ns p u t t e rt oo p t i m i z ea i nt h i nf i l m sd e p o s i t i o nc o n d i t i o n s i tw a s s h o w nb ya f mt h a ta l t e r i n gs u b s t r a t et e m p e r a t u r ee n a b l e st h es u r f a c er o u g h n e s st ob ec h a n g e d t h eo p t i m a ls u b s t r a t et e m p e r a t u r ef o rs m o o t hs u r f a c eo fa i nf i l m si s2 3 0 ，a n dt h er m si s5 7 51 n mf o r t h es a m p l ew i t hs u b s t r a t et e m p e r a t u r eo f2 3 0 。c t h ee f f e c to ft h ea n n e a l i n gp r o c e s so nt h es t r u c t u r e 圳f i l mw a sa l s od i s c u s s e d t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s e ，t h ec r y s t a l l i z a t i o no ft h ef i l mb e c o m eb e t t e r ,a n dt h eo p t i m a la n n e a l i n gt e m p e r a t u r ei s7 0 0 9 c t h j r d ，ls t o p ts o f t w a r ei su s e d e dt oa t t a i nt h eo p t i c a lc o n s t a n t sa n dp h y s i c a lt h i c k n e s so fa l nf i l m sb yf i a i n gt h ee x p e r i m e n t a lo p t i c a lr e f l e c t i v ec u r v ew i t ht h eh e l po ft h ep h y s i c a lm o d e lp r o p o s e db yf o r o u h ia n db l o o m e r t h er a n g e so ft h eo p t i c a la t t a i n e df r o mt h er e f l e c t i v i t yi nt h es p e c t r a lr a n g eo f4 0 0 - - - 8 0 0n n la r ea sf o l l o w s ：t h i c k n e s sd = 3 9 6 - - 6 9 8 n m ，r e f r a c t i v ei n d e xn = 1 9 4 2 2 ，e x t i n c t i o nc o e f f i c i e n tk i o热蟹攀w ( c m 。c l3 j di 50 瑚60 4 651 3介电常教8 j1 1 97 9l 抽l ol j 1电阻攀( n 锄) l o i l o l o 一。1 0 i o i o1 0 2 2折射率2 1 5玉5抛3 f 4z 7z 3 31 1 3a 1 n 薄膜的应用与展望( 1 ) 声表面波器件纤锌矿结构的a i n 薄膜具有高速率声学波的压电性质，它的表面声学波速2西华大学硕士学位论文度达到6 1 0 3 m s n 2 1 。在已知的压电材料中，a 1 n 表面声学波速度是最高的，同时它又具有较大的机电耦合系数( 约1 ) 和较低的介电常数( 约8 6 ) ，可用于制作高频( g h z ) 表面波器件n 3 1 。( 2 ) 冷阴极材料及高频大功率器件材料由于a 1 n 薄膜具有良好的电子学性能、机械性能和高温稳定性，使它与金刚石、氮化硼( c - b n ) 等成为理想的高频大功率器件材料。它的表面具有负电子亲和势特性( n e a ) ，作为冷阴极材料已显示出诱人的应用前景，并已成为该领域的研究热点n 钔。( 3 ) 磁光记录材料表面增透膜稀土一过渡族金属( r e - t m ) 非晶垂直磁化膜被认为是第一代可擦写磁盘记录材料，但它仍然存在着稀土元素易氧化和磁光克尔角较小等缺点。a 1 n 薄膜具有致密( 高折射率) 、高稳定性和抗僦噬毽护磁光薄膜中稀土元素不受氧化，它的高透过率、低消光系数、恰当的膜厚对。r e - t m 磁光记录材料进行增透，增强了磁光克尔效应n 朝。( 4 ) 其他应用与展望氮化铝薄膜电阻率高、散热性好，使其在电子封装业中应用广泛。同时，氮化铝薄膜又是重要的蓝光、紫光发光材料。a 1 n 和g a n 的晶格常数比较接近，故外延生长的a l n 层常用作在蓝宝石上二维生长g a n 层模板层，以减少由于g a n和蓝宝石衬底之间存在大的晶格失配而导致的应变n 羽。另外，a 1 n 能够与g a n合成a 1 g a n 材料。用这种材料制作的光学器件对从蓝光到紫外的频谱都具有很高的响应度，从而能将普通半导体器件的频谱范围从红外一绿光扩展到红外一紫外，这样就使得半导体元件可发射或探测到可见光谱中的三元色，这些特性都将对光电成像及图形处理产生极其重要的意义。目前，氮化铝薄膜的制备尚且处于设备复杂、造价昂贵、难于商品化的阶段，并且所使用的制备薄膜的方法通常要求将衬底加热到较高的温度。虽然有报道在较低的温度下制备出氮化铝薄膜n 副，但这种方法还不成熟、不完善。而集成光学器件的发展，需要在较低的温度下进行薄膜制备，避免对衬底材料热损伤。改进氮化铝薄膜的制备方法，在较低的温度、较简单的工艺条件下得到更致密、3西华大学硕士学位论文更均匀、更高纯度、更低成本的氮化铝薄膜，还有大量的工作需要去做。随着研究工作的深入，氮化铝薄膜的应用领域将会日益广泛。1 1 4a i n 薄膜的制备方法简介目前，大多数成膜方法都已应用于a i n 薄膜的制备。其中比较成熟的主要有化学气相沉积法( c v d ) “巩憎1 、反应分子束外延法( m b e ) 汹1 、等离子体辅助化学气相沉积 法( p a c v d ) 托“2 引、激光化学气相沉积法( l c v d ) 呦1 、金属有机化合物化学气相沉积法( m o c v d ) 阻矧、脉冲激光沉积法( p l d ) 汹】、磁控反应溅射法( m r s ) 瞳 和离子注入法( i i ) 例等。1 化学气相沉积法( c v d )要使c v d 顺利进行，反应的生成物除了所需要的沉积物为固态外，其余都必须是气态：且在沉积温度下，反应物必须有足够高的蒸气压，基体本身的蒸气压应足够低，沉积物本身的蒸气压也应足够低，以保证在整个沉积反应过程中能使其保持在加热的基体上。化学气相沉积法制备的薄膜具有以下特点：( 1 ) 所得的薄膜一般纯度很高、很致密，而且很容易形成结晶定向好的材料。( 2 ) 能在较低的温度下制备难熔物质。( 3 ) 便于制备各种单质或化合物材料以及各种复合材料。主要缺点是，需要在高温下反应，基片温度高，沉积速率较低，一般每小时只有几微米到几百微米，使用的设备较电镀法复杂，基体难于进行局部沉积，以及参加沉积反应的源和反应后的余气都有一定的毒性等，因此它的应用不如溅射镀膜那样广泛。k a y a ，k i y o s h in 8 j 鲫等人利用化学气相沉积法采a i c i 。，n h 。，h ：，n 2 混合气体在宝石基体上合成c 轴取向性很好的a i n 薄膜，氧杂质的含量也非常让人满意。总的反应式为：a i c i 。+ n h , = a i n ( s ) + 3 h c i2等离子体辅助化学气相沉积法( p a c v d )由于等离子体中正离子、电子、中性分子反应相互碰撞，可以大大降低沉积温度。这一方法拓宽了c v d 技术的应用范围m 3 。有些薄膜的沉积如采用普通的c v d 方法，需要很高的温度，在这样的条件下往往会损坏基片，且高温下扩散作用显著，基体中的原子进入薄膜中，使制备的薄膜质量不高。而采用等离子体辅助可以在较低的温度沉积，具有沉积速率快、针孔少的特点，避免了薄膜与衬底材料间发生不必要的扩散与化学反应，避免薄膜或衬底材料的结构变化和性能4西华大学硕士学位论文恶化，并避免薄膜与衬底中出现较大的热应力。，从而得到了完全符合要求的、质量较高的a i n 薄膜。3反应分子束外延法反应分子束外延法( m b e ) 是新发展起来的外延制膜法，它是将真空蒸发镀膜加以改进和提高而形成的新的成膜技术。在超高真空环境下，通过薄膜诸组分元素的分子束流，直接喷到温度适宜的衬底表面上，在合适条件下就能沉积出所需的外延层。m b e 的突出优点在于能生长极薄的单晶膜层，并且能精确地控制膜厚和组分与掺杂。适于制作微波、光电和多层结构器件，从而为制作集成光学和超大规模集成电路提供了有力手段。m b e 不需要考虑中间的化学反应，又不受质量传输的影响，并且利用开闭挡板( 快门) 来实现对生长和中断的瞬时控制。因此膜的组分和掺杂浓度可随着源的变化而迅速调整。在所有的单晶薄膜的技术中，m b e 的衬底温度最低，因此有减少自掺杂的优点。缺点是生长速率低，大约i m h 。4金属有机化合物化学气相流获法( m o c v d )金属有机化学气相沉积( m 婀，又叫金属有机气相外延( m o v p e ) ，它是利用有机金属热分解进行气相外延生长的先进技术，目前主要用于化合物半导体( i i iv 族，i i 一族化合物) 薄膜气相生长上。a i n 薄膜的制备是利用氢气把金属有机化合物蒸气( 如三甲基铝) 和气态非金属氢化物( n h 。) 送入反应室，然后加热来分解化合物。总的反应式如下a 1 ( c h 。) 。+ n h 。= a i n + 3 c i 山。这一方法的优点是：( 1 )可以控制合成原子级厚度的薄膜，即新型纳米材料薄膜。( 2 ) 可制成大面积的均匀薄膜，是典型的容易产业化的技术。( 3 ) 纯净的材料生长技术，由于它不使用液体容器及低温生长的技术，使得污染源减到了最少，比其它半导体材料生长技术的材料纯度提高了一个数量级。这一方法的缺陷是缺乏实时原位检测生长过程的技术。5磁控反应溅射法磁控反应溅射综合了磁控溅射和反应溅射的优点。磁控溅射是指在与靶表面平行的方向上施加磁场，利用电场与磁场正交的磁控管原理，减少电子对基板的轰击，实现高速低温溅射。目前，磁控溅射已成为应用最广泛的一种溅射沉积方法，其主要的原因是磁控溅射法的沉积速率可以比其它溅射方法高出一个数西华大学硕士学位论文量级。在制备a i n 等薄膜时，靶体烧制困难，而且沉积的薄膜往往会出现氮含量偏低的情况。采用金属铝靶，并充入一定量的氮气作为反应气解决了单纯用磁控溅射法的缺点。因此，磁控反应溅射法是一种制备a i n 膜的理想方法之一。6脉冲激光沉积法( p l d )p l d 方法的优点之一，在于当聚集的高能量密度激光脉冲冲击靶材表面时，脉冲前部能量迅速气化剥离靶材表面，靶材气体吸收脉冲后部能量导致等离子体化而急剧膨胀飞行沉积于基体表面。由于飞行粒子携有巨大的动能，能够提供自身迁徙的需要，所以要求的基片温度较低，利于制备较理想的a i n 薄膜。但是过程中由于气化膨胀产生的反冲力对一部分熔融靶材的冲击，导致一些熔融的液滴溅射飞行沉积于基底，对膜的质量有一定的损害。7激光化学气相沉积法( l c v d )l c v d 方法是采用激光作为辅助的激发手段，促进或控制c v d 过程进行的一种薄膜沉积技术。激光在薄膜的制备过程中有两个作用：( 1 ) 热作用：利用激光所提供的能量对衬底进行加热，从而使衬底达到一定的温度，促进其表面的化学反应的进行以及提供表面粒子迁移所需要的能量，达到化学气相沉积的目的。( 2 )光作用：高能量的光子可以直接促进a i c i 。或a i b r 。，n h 。等气体分子分解为活性化学基团。因此，有效地降低了普通c v d 过程中的衬底温度。8粒子注入法( i i )粒子注入成膜法是用大量的离子注入基片成膜。当注入的氮气体离子浓度达到非常大，以至接近铝基片物质的原子密度时，由于受到铝基片物质本身固溶度的限制，将过剩的铝原子析出。这时注入离子将和铝基片原子发生化学反应，形成氮化铝薄膜。这种成膜方法可以在低温下进行，所成的薄膜质量很好。1 2a i n 薄膜光学常数测定随着半导体技术和薄膜制备工艺的发展，许多光学器件、电子器件和微光机电系统都需要应用到半导体薄膜。很多情况下，薄膜的光学参数和厚度对整个器件的性能有着很大的影响。因此，如何简单而精确地获得薄膜的这些参数就显得十分重要了。传统的通过台阶仪直接测量的方法对薄膜本身会造成一定的破坏，其测量结果也受仪器精度的影响较为严重，精确测量成本较高。随着6西华大学硕士学位论文薄膜及薄膜器件在科研和实际应用中的普及，用非破坏性的方法简单快速地测量薄膜的光学参数成为一个重要课题。同时，实现膜层的光学参数及膜厚的测量，特别是在线测量技术，对于提高薄膜性能和实现膜层设计都具有重要意义。已有多种光学方法可以用来测量薄膜的光学参数，例如：干涉法、椭偏法、反射光谱法和透射光谱法【3 2 】。干涉法利用光谱曲线上出现的多个峰谷值估算薄膜的光学参数，但此方法只适用于厚度在几百纳米以上的薄膜。椭偏法是应用最广泛的方法之一，它具有灵敏度高，适合于各种薄膜的优点，但是它需要建立比较复杂的测试设备和计算模型，并且其精度受到诸多因素的影响。反射光谱法和透射光谱法测量薄膜的光学参数简单，特别是在垂直入射的条件下，其测量结果受外罴影响小，测量值稳定，两者相结合可以提供更加丰富的信息，是一种测量薄膜光学性能的好方法。利用透射光谱法和反射光谱法测量薄膜的光学参数实质上起一个曲线拟合的过程，即通过拟合透射、反射光谱来确定一组待定参数，利用该组参数能够获得薄膜的光学参数。薄膜的光谱计算的特点是一个非线性曲线拟合问题。模拟退火法和迭代方法是针对此类问题的比较常用的计算方法，各有特点。在一定的降温速度下，模拟退火法可以收敛到全局最小值，而且计算结果与初值无关，但是收敛速度慢。迭代方法在求解优化问题时虽然收敛速度较快，但是结果的正确性依赖于给定的初值，往往是收敛到局域最小值的解。刘涌等人提出了一种垂直入射的透射、反射光谱测量薄膜光学参数的方法p 那。薄膜光学参数的色散关系适合于半导体材料的f o r o u h ib l o o m e r 模型。对薄膜厚度引入粗糙度修正，样品的表观透射、反射光谱是各个厚度的平均值。利用了模拟退火法和迭代方法相结合的方法。首先利用模拟退火法计算参数初值，然后再利用迭代法对参数进行精修，最后计算出薄膜的光学参数和厚度。使用该方法测量了三个硅系薄膜样品的光学参数，并与椭偏仪测量的厚度结果进行了比较，其结果是令人满意的。利用该方法研究和测量半导体薄膜的光学性能具有很高的实用价值。7西华大学硕士学位论文沈伟东等人借助f o r o u c h i b l o o m e r 色散模型，利用改进的单纯形方法拟合薄膜的透过率光谱曲线，从而获得薄膜厚度、折射率和消光系数f 3 4 j 。应用该法测试玻璃基板上不同条件溅射的无定形硅薄膜和反应溅射的z n o 薄膜，得到的结果同文献报道的数据和台阶仪测量的结果吻合得非常好，误差小于4 。当前许多先进的电子器件、光电器件和微光机电系统的制备过程中都涉及到沉积单层或者多层的半导体薄膜。一般来说，薄膜的光学性质不同于相应的块状材料，而且随不同的工艺变化很大，然而薄膜的光学常数和厚度有可能对整个器件的特性有很大的影响，因此简单而精确获得薄膜的这些信息是很重要的。1 3 声表面波技术简介声表面波( s u r f a c ea c o u s t i cw a v e ，简称s a w ) 器件是本世纪六十年代出现的一种新型的电子器件，经过四十多年的发展，声表面波器件己广泛应用于广播、电视、通信、雷达、声纳、传感技术、无线电遥测遥控及电子对抗等领域。a i n 具有优异的压电和介电特性，在声表面波器件等领域有着广泛的应用前景，在高频( g h z ) 声表面波器件领域有着重要的应用前景。现在的世界是信息的世界，能方便、及时地获取各种信息是人们的普遍愿望。随着电子设备信息处理量的扩大，通信载波频率必须向更高频的频率区移动。例如，移动电话是当前人们进行通讯的一种重要手段，但随着移动电话的日益普及，几百兆h z 波段己几乎全部用满，这就要求移动电话的使用频率向更高的g h z 频段发展，正在开发的( 9 0 0 m 18 g h z ) g m s 系统就是一个例证。声表面波滤波器是现代无线移动通信系统的关键部件之一。由于所采用的材料及加工工艺的限制，目前的声表面波器件，如声表面波滤波器，其中心频率很难达到g h z 。当前，高频声表面波器件已成为国际上的一个研究热点。1 3 1 声表面波的定义所谓声表面波，是指一种能量只集中在弹性体表面附近传播的波。声表面波器件正是利用声表面波传播时的特殊性能而研制的一类器件。英国物理学家瑞利( l o r dr a y l e i g h ) 于1 8 8 5 年发表了一篇题为沿弹性体8西华大学硕士学位论文平滑表面传播的波的论文。文中，他从理论上阐明了除人们熟知的属于声体波的纵波和横波以外，还可能存在另一种形式的波，这种波沿着半无限厚弹性体表面传播，而且能量集中于表面。这篇短小的论文成为后来广泛研究声表面波的起点。为了纪念瑞利，人们把这种声表面波称为瑞利波。瑞利波是( p + s v )形式的的声表面波，它包括纵波( p 波) 分量以及质点位移方向与表面垂直的横波( s v 波) 分量。1 9 1l 乐甫住小叻发现，当半无限厚的弹性体表面上覆盖有慢声速介质层时，还可存在另一种声表面波即s h 型声表面波。这种声表面波仅由质点位移平行于表面的横波( s h ) 构成，现在把这种波称为乐甫波。目前的声表面波器件一般是利用瑞利波。1 3 2 声表面波器件声表面波器件是一种利用声表面波效应制成的具有精确选频件。虽然很早就发现了声表面波，但是很长时间内没有什么实际应用，瑞利根据对地震波的研究，从理论上阐明了在各向同性固体表面上弹后，声表面波在很长一段时间内，仅局限于在地震学领域的研究，应用于制作声表面波的延迟线等，应用范围狭窄。直到上个世纪6 体平面工艺以及激光技术的发展，出现了大量人造压电单晶，促进的发展。国外对声表面波技术大规模开发和研究始于1 9 6 7 年。这一年，在美国i e e e超声会议上，第一次成立了一个单独的声表面波分组会，提出了7 篇论文；同年，伦敦大学有人提出了把声表面波器件作为无源器件应用于电子技术的倡议；1 9 6 8 年的i e e e 超声会议上成立了一个特邀分会，提出了微波电磁器件的声学模拟的概念，并对它的前景作了明确的估计，从而开辟了声学和电子学相结合的声表面技术领域。此外，1 9 6 8 年还在技术上取得了重大进展，美国斯坦福大学的研究小组在l i n b o 。基片上，用叉指换能器取得了仅4 d b 的声电转换损耗，这使人们更清楚的看到了实际应用声表面波的可能性，从而大大促进了声表面波技术的研究工作。自此，声表面波技术走上了快速发展的道路。通过沉积在压电基片上的叉指换能器( i d t ，i n t e r d i g i t a l t r a n s d u c e r s )可以有效地激励和检测声表面波。随着半导体平面工艺的发展，采用光刻技术可以大批量制造出质量很好的i d t ，从而使声表面波横向滤波器具有十分出色9西华大学硕士学位论文的性能，得到广泛的应用。图1 2 给出了一种常见的i d t 结构。f i g 1 2t h ei d ts t r u c t u r eo fs a w图1 2 声表面波滤波器i d t 结构t p 砒在声表面波器件中，压电材料将输入的电磁波信号转换为声波，然后在输出端又将声波转换为电磁波信号，由于声速仅为光速( 电磁波的传播速度) 的十万分之一，可以利用此原理方便的获得信号的延迟，声表面波在压电介质表面传播时，通过控制表面的状况，可以对信号进行一定的处理、选择，实现带通滤波功能。声表面波器件主要特点有【3 5 】：( 1 ) 工作频率高、频率选择性好( 带通滤波器已达1 5 g h z ，振荡器已达3 g h z 。可选频率范围1 0 m h z 3 g h z ) ；( 2 ) 模拟数字兼容，设计灵活方便。器件的幅度和相位可分别设计，这大大提高了其设计的灵活性。采用声表面波器件能实现多种信号处理；( 3 ) 声表面波器件制造采用半导体平面工艺，适于批量生产，性价比高；( 4 ) 输入输出阻抗误差小、传输损耗小、抗电磁干扰( e m i ) 性能好、重复性好、可靠性高；( 5 ) 体积小、重量轻。由于压电材料的声表面波速率比电磁波慢1 0 5 ，因此，声表面波器件与电磁波器件相比，体积和重量都大大降低；其体积、重量分别l o西华大学硕士学位论文是陶瓷介质滤波器的w o 和1 3 0 左右。1 4 本论文的主要工作本文主要开展了以下几方面的研究工作：i采用中频反应磁控溅射法在s i 衬底上制备了a i n 薄膜，利用x r d 分析了所制备的a 1 n 薄膜的晶相结构，研究衬底温度、退火温度等因素对a 1 n 薄膜取向状况的影响；此外，利用a f m 观察了a l n 薄膜的表面形貌，研究衬底温度、退火温度等因素对a l n 薄膜表面形貌的影响。利用紫外可见光分光光度仪对a i n 薄膜进行反射谱分析( 条件为垂直入射) ，采用l s t o p t 作为曲线拟合和参数分析的工具，得到薄膜折射率n 、消光系数k 与波长九的关系表达式，以实现对膜层的光学参数及膜厚的确定，进一步反应薄膜的性能。i i i 对薄膜s a w 滤波器的研制进行了探索。西华大学硕士学位论文2中频磁控溅射制备a l n 薄膜的原理磁控溅射技术是一种高速、低温的溅射技术，本质上是磁控模式下进行的二极溅射。它的发展是从强化放电理论出发的，既收到了提高溅射速率的效果，又达到了降低基片温升的目的。与其他成膜技术相比，磁控溅射技术具有沉积速率高、功率效率高、向基片的入射能量低、可以制备任意物质的薄膜等特点，因此近年来获得了快速的发展。在国外，对于磁控溅射的新发展和应用，研究人员在文献【3 6 , 3 7 1 做了较为详细的叙述。他们指出磁控溅射从7 0 年代初的“常规磁控 、“平衡磁控”技术发展到8 0 年代的“非平衡磁控”技术、9 0 年代的“非平衡磁控 技术与“多源闭合磁场”系统的结合以及现在的“脉冲磁控”技术( p m s ) ，“可变场磁控 、“复合磁控”技术。与国外相比，国内的磁控技术的发展比较落后。鉴于本实验采用的是中频磁控反应溅射法，所以下面主要介绍它的基本原理。2 1 磁控溅射在真空系统中通入少量惰性气体( 如a t ) 使它放电产生离子，惰性气体离子在偏压的加速作用下轰击到靶材上将靶材表面的原子击出的现象称为溅射。溅射出靶材的原子飞到衬底上形成薄膜。在溅射的过程中通入少量的活性气体，使它与溅射出的靶原子在衬底上反应形成化合物薄膜，就被称为反应溅射。溅射的效率不高，为了提高溅射效率，就需要增加气体的离化效率。因为溅射用于轰击靶材的离子来源于等离子体，提高溅射镀膜速率的关键在于如何提高等离子体的密度或电离度，以降低气体放电的阻抗，从而在相同的放电功率下获得更大的电流，即获得更多的离子以轰击靶材。离子轰击靶表面时除了会击出原子外还会击出电子，即二次电子，这些电子在电场中加速后，由于气体的原子或分子碰撞，使其电离，从而使等离子体得以维持。提高等离子体的密度或电离度的关键在于如何充分利用电子的能量，使其最大限度地用于电离。在靶材表面加上一平行的磁场，就可以将电子的运动限制在靶的表面区域，从而增加气体的离化效率，这种方法称为磁控溅射。磁控溅射靶的特点是其靶面具有一个如图2 1 所示的环形跑道磁场【3 8 】。其磁力线由跑道外圈穿出靶面，再由内圈进入靶面，每条磁力线都贯穿跑道。二次电子一旦离开靶面就受到电1 2西华大学硕士学位论文场和磁场的共同作用( 正交电磁场作用) 产生e x b 漂移，沿着跑道作跳栏式运动 4 0 l ，这会使电子在到达阳极前的行程大为延长。于是二次电子在跑道磁场的控制下将其全部能量用于气体电离，当其能量耗尽后才被阳极收集。1 i a , o r 丽if i 9 2 2p r i n c i p l eo f m a g n e t r o ns p u t t e d n gt a r g e t图2 1 磁控溅射靶的工作原理尽管磁控溅射具有成膜致密均匀，不会造成液滴喷溅等优点，但是与阴极电弧离子镀相比，普通磁控溅射成膜速度慢，靶材利用率低，在反应溅射时容易出现靶中毒、弧光放电和阳极消失等缺点。针对上述缺点，现代磁控溅射技术对溅射装置进行了改进。通过改进溅射靶磁场的分布使得靶材不会在跑道区形成溅射沟道，而是整块靶材几乎均匀地刻蚀，溅射靶材的利用率从传统的2 0 3 0 上升到现在的9 5 。普通磁控溅射阴极的磁场将等离子体紧密地约束在靶面附近，而工件附近的等离子体很弱，只受到轻微的离子和电子轰击。研究人员提出了非平衡磁控溅射阴极，使得通过磁控溅射阴极的内、外两个磁极端面的磁通量不相等，则杂散磁场将等离子体带到工件附近，使其浸没其中，这有利于磁控溅射实现离子镀。西华大学硕士学位论文：l之0=暑三n2墨1 0l j 4 0l or l h 丫 a c c x ，l o w 一f i 9 2 2c u r v eo ft a r g e tp o i s o n图2 2 靶中毒曲线在直流反应磁控溅射过程中，当反应气体较少时靶的溅射率较高( 如图2 2 a ) ，沉积的膜基本上是金属态的，所以将这种溅射状态称为金属模式，当反应气体增加到某一个极限值( 如图2 2 b ) 时，靶的溅射速率会迅速下降，此时沉积的膜呈现为化合物膜，所以将此时的溅射状态称为反应模式。这是因为随着反应气体不断增加，靶面上也形成了一层化合物，而由于化合物的二次电子发射系数一般高于金属，入射离子的能量的很大一部分用于激发和加速二次电子，相应的用于轰击靶的能量减少很多，造成溅射产额随之大幅降低( 如图2 2 c ) 。当再减少反应气体时沉积速率会有一个迟滞的过程( 如图2 2 d ) ，只有反应气体减少更多一些才能回到金属态沉积模式，这种现象被称为“靶中毒。需要说明的是由于反应气体与溅射出来的靶材原子形成化合物是一种放热反应，只能在固体表面才能进行有效的反应合成，不是在靶表面就是在样品表面或真空室内的其它部件表面。所以靶中毒实际上是非常正常的现象。但是毕竟靶中毒时的沉积速率太低，在实际生产过程中，我们既希望得到优质的薄膜又希望能有较高的沉积速率。利用靶中毒回滞曲线能对工艺有非常重要的指导作用。另外，通过改变电源的供电方式，采用中频电源能取得较好的效果。在磁控溅射中需要阳极表面清洁，畅通接地。等离子体中的二次电子在能量耗尽后将飘逸到阳极表面，形成回路，维持溅射运行正常。反应磁控溅射沉1 4西华大学硕士学位论文积的化合物都是绝缘的，在工作过程中，阳极表面逐渐被化合物覆盖，使接地电阻越来越高，直到完全被绝缘物覆盖，造成二次电子没有去处，形成“阳极消失”现象。阳极消失现象使辉光放电阻断，放电过程变得越来越不稳定，最后导致频繁的异常弧光放电，这对成膜是非常有害的。采用孪生靶和中频磁控溅射已经能很好地解决这个问题了。2 1 2 中频磁控溅射的特点为了解决直流反应磁控溅射中遇到的问题，一般采用传统的射频磁控溅射技术。射频磁控溅射是将两个电极接在射频电源上，在射频电场的作用下工作气体被电离成等离子体，从而实现溅射成膜。射频磁控溅射不但可以溅射金属靶材，还可以溅射绝缘体靶材。但射频磁控溅射的电源昂贵，而且泄漏的射频辐射对人体有害，所以未能在工业上广泛应用。为此在直流供电模式的基础上一种新型的供电模式被开发出来一中频磁控溅射技术。中频电源使用的是1 0 1 5 0 k h z 的矩形波或正弦波，可以是对称的也可以是非对称的。在中频反应溅射过程中，当靶上所加的电压处于负半周时，靶面被正离子轰击溅射t 而在正半周时，等离子体中的电子被加速到达靶面，中和了靶面上绝缘层上积累的正电荷，从而抑制了打火。通常频率需要大于1 0k h z 。对于绝缘层来说高频电流是可能穿透导通的。在确定的工作场强下，频率越高，等离子体中正离子被加速的时间越短，正离子从外电场吸收的能量就越少，轰击靶的正离子能量也越低，靶的溅射速率也越低。ge s t e 3 7 】研究了a l靶磁控溅射中溅射电源频率与溅射速率的关系，得出在频率为6 0 k h z ，8 0 k h z ，5 0 0 k h z 和1 3 5 6 m h z 时的溅射速率为直流溅射时的1 0 0 ，8 5 ，7 0 和5 5 。因此，为了维持较高的溅射速率，在满足抑制靶面打火的前提下，电源的频率应取较低的值，一般不超过6 0 8 0 k h z 。经过工业化实验之后，德国l e y b o l d公司将中频交流电源的频率定为4 0 k h z ，目前这一频率已基本成为工业标准。在中频溅射的基础上发展出来的孪生靶技术是将两个完全相同的靶在真空室中悬浮( 电位) 安装。在溅射过程中双靶互为阴阳极，这样既抑制了靶面打火，又消除了直流反应溅射中的阳极消失现象。利用靶中毒曲线，通过先进的反馈控制系统，锁定中频磁控溅射工艺过程1 5西华大学硕士学位论文的工作点，能够实现稳定的反应溅射过程，得到高的沉积速率和高质量的薄膜。2 2a i n 薄膜生长原理2 2 1 引言在蒸积、溅射或其它方法制备薄膜时，首先外来原子在基底表面相遇结合在一起，称这种集合为原子团。只有具有一定数量原子的原子团才能不断吸收新加入原子而稳定地长大，这个具有临界数量原子的原子团称为临界核。继续蒸积，假如原子，临界核生长成大的粒子。通常将2 - 2 0 0 个原子组成的粒子称为原子团：粒子直径在1 0 - 1 0 0 0 , h , 的称为超微粒子；体积再大的称为颗粒。按传统的说法，把薄膜形成过程中的粒子称为“岛 。随着蒸积继续进行，外来原子增加，岛不断长大，进一步发生岛的接合，很多岛接合起来形成通道网络结构，也成为迷津结构。在继续蒸积，原子将填补迷津通道间的空洞，称为连续薄膜。如果还继续蒸积，将在连续膜的基础上重复上述过程，使薄膜不断增加厚度。这样，我们把薄膜的形成过程分为四个阶段：临界核的形成，粒子的长大，形成迷津结构和连续薄膜【3 9 l 。2 2 2 临界核形成具有一定能量的原子( 分子或原子团) 来到基底表面，这个入射到表面的原子可以是中性的，也可以是荷电的。通常，离子与表面接触时，还发生电荷交换作用。如果入射到表面的原子能够失去它垂直表面向外的动量，那么这个原子就停留在表面上( 称为原子被粘附) ，否则原子将会离开表面再进入空间( 称为原子再蒸发) 。原子从到达基底到再蒸发离开，为其在基底上停留的时间，称为居留寿命。只有停留在表面上的原子才可能对薄膜的形成有贡献。为描述入射到基底表面的原子可能停留在表面的几率，引用粘附系数，它是停留在表面的原子数与入射原子数之比。粘附系数入射粒子的性质、能量以及基底的性质和温度有关。粘附在表面上的原子，在表面上的移动( 称为徙动) ，这个运动过程通常认为是原子由一个位置跃迁到另一个位置。在这个过程中原子可能和表面交换能量，甚至可以进入基底点阵中去( 称为界面扩散) 。当原子1 6西华大学硕士学位论文徙动到表面台阶或缺陷处时，便容易停留在该处，在原子徙动过程中，可能遇到其他原子的几率更大，这样形成原子团。如果这个原子团满足一定的能量关系，就会增加它们在基底表面上的停留时间，就有与其他原子集合的更大几率，这就是成核。成核以后形成的原子团并不是稳定的，还存在与原子离解的过程。只有在一定条件下满足一定的能量关系，原子团才不再离解，随外来原子加入或热处理，原子团不断长大。这个一定数量原子构成的原子团即为前述的临界核。达到临界核以后，若继续入射原子到达基底表面，那么原子团就不断长大成为粒子。这个不断长大的粒子可能是晶体的，也可能是无定形的。主要决定于粒子与基底的性质和能量状态。临界核所含原子数量和形状取决于薄膜原子之间和薄膜原子与基底原子间的键能，也受制备条件的影响。临界核是扁平( 二维) 的，还是立体( 三维) 的，对所受薄膜的粒子生长模式有决定性的作用。通常有三种粒子生长的模式，第一种是层状生长( 或称f r a n kv a n d e rm e r w e )模式。当分子覆盖率e 小于l 时，是在基底上一些