（材料物理与化学专业论文）择优取向aln薄膜的制备及其光电性能研究.pdf

摘要 面对当今器件微型纯、集成他的发震趋势，具有特定功能的薄簇材料成为制 作各种微电子、光电子等元器件的基础。氮化铝( a 1 n ) 由于具有6 2 e v 的带隙，2 7 0 0 鸵熔点，3 。2 w c 西1 f 1 麓热譬率以及较大豹掇电糕会悉数等一系列俊异静特牲嚣 成为未来高功率、高温微电子器件的首选材科。研究寝明各晶面择优取向的a l n 游膜都有各自的特性及相威的实际应用价值，因而控制薄膜的取向和晶体质量成 必越n 薄骥戏躁于器孛 魏美键。 本文采用磁控溅射方法成功制备出燕有不同取向的a l n 薄膜，详细探讨了备 种沉积条件对其晶体结构殿光电性能的影响。首先，本文在研究工作气压、靶熬 溅、溅射凌搴、气髂毙铡及树底滢疫对a 燃薄骥取肉葶l l 结梭影羲数弱潜，开截搜 的探讨了磁场强度对a l n 薄膜取向的影响；然后在就濑础上对a 黼薄膜的光学 性能及电学性能进行测试与分析。结果淡明： | 气匿较大、靶基踞较长、凌率较鬣、磁场强痰较弱嚣，容器获褥( 1 0 0 ) 磷择优取向的a l n 薄膜；殿之，容易获彳铎( 0 0 2 ) 面择优取向的a l n 薄膜。作者 认为单位时间内到达衬底的原子数目和原子在衬底淡顺的扩散速度共同决定了 a 黼薄貘约取翔。 2 a 1 n 薄膜的光学带隙随着溅射功率的减小、置作气压的增大而增大，并 脯在氮气气氛下退火的削【n 薄膜光学带隙变大。作者认为溅射出来的铝原子未能 究分与氮气反旋，导致生成塞镊熬翻n x ( x l 。薄貘怒怒擎豢骧交织戆主要原因。 3 a l n 薄膜的相对介电常数随着溅射功率的升黼而逐渐变大，这可能是薄 膜的晶化程度、取向性增黼的缘故：a l a l n s im i s 结构的平带电压有明显的漂 移，塞锾静a 辍x 薄骥是产象漂移夔嚣戮；越缓l n ，s i 氛娃s 缝稳熬电容隧蓑鬏事发 嫩变化，这是由于在a l n 绝缘层中存在着过渡层，使褥绝缘层的有效厚度随频率 发生变化导致的。 荚键词a l n 薄膜；磁控溅射；择优取向；光学带隙：介电常数 a b a t r a c t f a c 协gm em i c r o m i i l i a t u r i z a d o na n di n t e 可撕o no fn l cd e v i c e ，m ef i l m 诵t l l s p e c i 丘c 劬c t i o ni st 1 1 ef o u n d 蚯o nf o r 1 em i c r o e l e c t r i c 锄dp h o t o e l e a 缸cd e v i c e a l n b o m et h ef i r s tc h o i c em a t 甜a lf o rt l l ef i l t u r eh i g hp o w e r 、h i g ht 即1 p 帆l 糟 血c r o e l e c t r i cd e “c eb e c a u s eo fi th a sm a n yg o o dc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c na s1 a r g eb a l l d g 印- 6 2 e v l l i 曲m e m n gp o i n t 2 7 0 0 u c ，h i 曲 c o e 伍d e n to ft h e 衄a 1 c o n d u c t i v i t y 3 2 w c n l 吐k 吐a i l dl a r g ee l e c t r o m e c h a i l i c a lc o u p l i n gc o e 伍d e n ta i l ds oo n t h er 髂e a “i hd e m o n s 乜a t et l l a tt l l ed i 仃e r e n to r i c i i t a t i o no fa l nf i l m sh a v ei t so w n p r o p e r t ya n dp r a c t i c a l 印p l i c a t i o nv a l u e s ot h ec o n 缸d lo fm eo r i e n t a t i o na n dt h e c r y s t a _ lq u a l i t yo f 也e 丘l i i li si m p o r t a n tf o ri t s 印p l i c a t i o ni n l ed e v i c e h i 廿1 i sp a p c r ，a l n 丘1 瑚w i t hd i 任h e n to r i e n t a t i o nw e r ep r e p a r e d b ym a n 弘咖n s p u t t c r i n gs u c c 韶s f i l l l y ，l ee 疗b c to f m ed 印o s i d o nc o n m t i o no nt l i ec r y s t a ls 蜘l c t u r e ， o p 廿c a la i l de l e c t r i c a lp r o p e n i e sw e r es t u d i e di nd 酏a i l b e s i d eo ft l l er e s e a r c ho nm e e f f b c to fm e w o r l d n gp r e s s u r e ，t a r g c tt o 叫b s 仃砒ed i s t 锄c e ，s p u t t e r i n gp o w e r m er a 士i o o fa rt on 2 蛆d 吼l b s 廿a t et 锄p e r a t u r eo nt h eo e n l a d o no fa n 呵f i l m s ，m em a g n e t i c i n t e n s i 够o nt h co r i e r l t a t i o no fa 1 nf i l m sw a ss t u d i e df o rt h ef i r s tt i m e b a s e do nm i s f b 吼d a t i o n ，t l l eo p t i c a la n de l c c t r i c a lp r o p e n i e so fi tw e r es t u d i e d t h ep 佗s 吼tr 唧l t s i n d i c a t et l l a t ： 1 ( 1 0 0 ) p r e f 醯血1o r i e 蛐e d 砧nf i l m sa r eo b t a i n e de a l i s yw h t h ew o r k j g p r e s s l l r ei sl l i g h 、t a r g e tt os u b s 打a t ed i s t a n c ei sl o n g 、s p u t t e r i n gp o w e ri sl o w 、m a g n c t i c f i e l di n t e n s 时i sw c a l 【w h e 他蠲，也e ( 0 0 2 ) p 耐h 吼d a l 砸e n t e da l nf i l m sa r e0 b t a i n e d e a l i s y _ n 地a u t l l o rl l l i i l km a tm ea t o mn _ i l i 】曲e ra r r i v i n gi i lo n eu i l i to f d m e 趴dd i f m s i o n v e l o c i t yo fa t o mo nt h eg d b s 扛a t es u r f a c ed e t e r m i n a t e l eo e n t a t i o no f t l l ea i n 矗1 m s 2 t h eo p t i c a lb a l l dg 叩i n c 化鹊髂谢mt h es p u 嘲n gp o w e rd e c r e 嚣e s ，w o r k i n g p r 雌s u r ei n c r e 解e s ，锄e a l i i l gi ni l i 扛i d eg 髂t 1 1 i si sd u et ot l l ei n s u 伍d e l l tr c t i o no f a l u m i n ma t o m8 i l dn i t r i d e ，m ea l n x ( x 1 0 ) f i l mw i mr i c ha 1 1 蛐i 玎u mi sm em a i n r e 鹋o nf o rt l l eb 如dg 印c h 锄g i n g 3 t h er e l 撕v ed i e l e 谢cc o n s t a n tb o m e s1 a r g e 谢t ht h es p u t t n gp o w e r i n c r e 髂i n g ，吐1 i si sm a yd u et 0t l l e ，s t a l l i z a t i o na n do r i e n 伽o ni m p r o v e ；m en a tb 趾d v o l t a g eh a v eac l e 盯s l l i f i i n go fa l 灿n s im i ss 仃u c t u r e ，a 1 n x ( x 1 ) 及较高的热稳定性，因此成 为g h z 级声表面波和体波器件的首选材料【2 6 1 。1 9 6 8 年w j u k 和w i n s l o w 首次采 用真空蒸发的方法在n 2 和n h 3 气氛中蒸镀金属a l 制备了灿n 压电薄膜。1 9 7 9 年日本的s l l i o s a l c l 等人采用射频磁控溅射成功制备了性能较好的a 1 n 压电薄膜。 2 0 0 3 年c a l i e i l d o 【1 4 1 等人采用射频磁控溅射方法制备m n 薄膜，制成中心频率达 到o 7 g h z 的声表面波器件，并且预言当舢n 薄膜的表面粗糙度降低到2 3 n m 时， 利用o 2 5 o 3 u m 光刻技术可以获得中心频率达到5 6 g h z 的声表面波器件，完全 可以满足第三代通讯器件的要求。 1 3 5a l n 薄膜场发射性能研究 近年来，研究人员相继发现a l n 薄膜具有负的电子亲和势( n e a ) 【2 7 渤】，从 而引导人们开始关注a j n 场发射性能的研究。1 9 9 8 年，s p i t s y i l 【圳等开始在硅尖沉 积o 5 2 岬舢n 薄膜研究其场发射性能，发现相对于未镀a 1 n 薄膜的硅尖，其场发 射电流大大增加，其增强效果甚至可与镀上几个微米的金刚石薄膜相比。另外， 目前还通常采用重掺杂方法提高其场发射电流。重掺杂方法主要是使宽带隙的 a l n 薄膜价带电子更易跃迁至导带，加上其具有的n e a 从而使得掺杂后a l n 薄膜 具有良好发射特性。k a s u 等【3 1 3 2 1 采用较先进的m o v p e 法在6 h s i c 衬底上生长高 质量a 1 n 薄膜，很好地抑制了外来杂质及氧的影响，通过比较不同s i 掺浓度对场 发射影响，发现重掺杂的脚n 薄膜具有更好的场发射性能，在s i 掺杂浓度 2 5 1 0 2 0 c m 3 时，场发射电流已经达到1 1 m a c i n 2 ，而当继续进一步s i 重掺杂浓 第l 爨躇论 餍到l 10 2 l c 吖3 ( 3 2 l ，场发射电流将达至4 到o 2 2 c m 2 ，这在已经可用做实际平板显示 器的激发源。 l 。碡掰薄膜的生长王艺 具有特定功能的薄膜材料是制作各种微电子、光电子等元器件的基础。面对 豢今器 牛自蘑微型纯、集成他方肉的发鼹趋势，材辩瓣薄膜诧以及慰薄貘裁各技 术的要求也越来越高。自从2 0 世纪7 0 牮代戳来，薄膜技术得到突飞猛进的发展， 无论是在科研上还是在实隧应用中都取得了丰硕的成果，各种新的成膜方法不断 溺现。薄貘裁餐技术已从最晕单一静真空蒸发镀簇发袋刭爱慕包掇蒸镀、离子镀、 溅射镀膜、化学气稆沉积、p e c v d 、m o c 、_ r d 、p l d 、分子束外延镣在内的门炎 丰富的成膜技术。a 1 n 薄媵可采用化学气相沉积( c v d ) 3 3 】，分子柬外延似b e ) 【3 4 】， 磁控溅射戳s 黔【3 5 】、激光躲冷沉积( p l d ) 焖、反应蒸发等多秘方法剃各，其中磁 掇溅射( m s e ) 豳于具有工蘸简单、沉积滚度低、沉积速率大、薄膜毁密性高、易 于大面积制铸等优点而得到广泛的应用。磁控溅射可以在低温下实现薄膜的大面 积生长，获得麓薄骥与衬窳之裁醛着性较好，薄貘弱戏分易于控铡，基溅射参数 确定后，具荫很好的重复髅因而受至4 了入们的广泛关注。 l 。5 本文研究目的与内容 虽然国内外对a i n 薄藤的结构、性能已有丈量的研究报道，德关予溅射参数 对薄膜质量、薄膜性能等影响的研究尚且不足，s i 衬底上生长具谢良好( 1 0 0 ) 瓣数彝的a l n 薄膜豹实验还缀少见。另夕 针对溅射刽蘩择优取向a l n 薄膜的枫理， 缀然许多研究小组提出了多种解释，然荫捌哥前为止，仍没有一辩解释能够令人 信服1 8 9 1 。本文在前人的研究基础上，采用r f 磁控反戍溅射方法分别在s i ( 1 0 0 ) 、 熔融石英衬斌上孙延生长燃n 簿貘，职究生长工艺条传黠薄膜的痰慧( 强：取囱、 成份、表面形虢) 的影响，稔测薄膜的将性主要是光学、电学方磷，从而分析焦 长工艺条件对薄膜质量、性能的影响。本文的主要研究内容如下： l 采用磁控溅射方法测备择优取囱鹃a l n 薄膜，劳探讨取恕，圭长机到：农 s 和石英衬底上制备了分掰驻c 轴和a 轴择优取向的a l n 薄膜，剽焉分擀 了所制备的烈n 薄膜的晶体结构，并探讨了衬底温度、溅射功率、工作气压、气 体毙铡、磁场强度等因素对a l n 薄膜取囱生长兹影响。 北京工业大学工学硕士学位论文 2m n 薄膜光学性能的研究：利用紫外可见红外分光光度计研究了制备条 件，如：溅射功率、工作气压、退火处理等对a l n 薄膜光学性能的影响，并结合 x p s 成分分析给出了光学带隙变化的合理解释。 3 a 1 n 薄膜电学性能的研究：采用a g ，a l n s im i s 器件结构对s i ( 1 0 0 ) 衬 底上生长的a 1 n 薄膜进行了c v 测试，分析和讨论了n 薄膜的电性能随功率 变化的原因。 第2 章愆n 薄膜韵制备及英表征方法 2 。1a l n 薄膜的制备 2 。1 1 磁控反应溅射 “溅射 现象是1 8 5 2 年由英国物瑷学家w a l l i a mr o b e f ta r o v e 发现的，现融广泛 褒弼予多种薄簇翡铡餐孛。溅射镀貘是释薅气髂放电产生静褥麓离子在毫场俸霜 下高速鬣击阴极的靶材，使靶材中的原子或分予逸出并沉积到被镀基片或衬底的 表面，形成所需要的薄膜。与其它镀膜方法相比，溅射镀膜熟肖很多优点：膜层 帮基俸瀚鬻着力强，霹戳在较低懿滋度下获褥离熔点秘震的薄膜；可 ；乏铡餐大面 积的均匀膜层；薄膜的厚度容易控制等。目前，溅射镀膜的必型已发展很多种， 有直流溅射、射频溅射、磁控溅射、反应溅射等。本文采用的磁控反应溅射是2 0 整纪7 0 年代在溅射镀麟的薹稿上逐步发震起采豹释较为瑟麓韵镀貘方法，综合 了射频溅射、磁控溅射及反应溅射的优点。因此除具有以上优点外，其不仅可用 于导体镀膜也可用予憋缘膜的溅射，还可以方便安装不同的靶材镀制多层膜，便 于工照能生产。 2 1 2 本文所用磁控溅射系统的结构 零文采震熬瓣簇磁控溅惹蓉绞兔奉实验窭设诗豹袈鞭磁挖溅瓣鸯，采溪 s p 型射频源及匹西已器，射频的工作频率为1 3 5 6 m h z ；外加其它辅助装置( 衬 底加热，控温仪等装黧) ，图2 1 为溅射台的结构示意图，主隳包括以下七部分： ( 1 ) 囊空系统 ( 2 ) 射频功率源及匹配器 ( 3 ) 溅射靶 ( 4 ) 褥瘫翔热装震及控遗系统 ( 5 ) 气体气路及质量流量计 ( 6 ) 冷却水 ( 7 ) 充藏气系绫 图2 1 磁控溅射系统示意图 f i 9 2 1n i es c h e m 撕c0 f m a 驴e 们ns p u n e r i n gs y s t e m 该系统的主要性能如下：极限真空可达到2 0 1 0 。p a ，靶基据在3 1 0 c m 范围 内可调，衬底温度在室温至8 0 0 内连续可调。该系统还具有以下特点：( 1 ) 配备 转动系统，使沉积的薄膜厚度均匀，可靠性较高：( 2 ) s d l 5 数字控温仪，可以精确 地控制显示系统烘拷温度；( 3 ) 两台d 0 8 1 d ，z m 流量显示仪，可分别控制氩气和氧 气的气体流量。各项工艺条件可稳定设置，且操作方便。 在上述磁控溅射系统中，r f 频率为1 3 5 6 m h z ，溅射靶材是纯度为9 9 9 9 的 中= 5 0 m m 的金属a l 靶，溅射气体为9 9 9 9 的高纯氩气，反应气体为9 9 9 9 的高纯 n 2 ，通过改变溅射条件来沉积各种取向的a l n 薄膜。 2 1 3 基本工艺参数的选择 ( 1 ) 衬底温度衬底温度主要影响着膜层结构、晶体生长及薄膜与衬底之间 的结合力d 7 3 8 1 。温度过低，一般形成非晶膜或者缺陷较多的多晶薄膜，并且膜层 结构疏松易脱落；温度过高，一方面，会使薄膜晶粒粗大，增加膜中的热应力， 附着性变差，膜层易开裂，另一方面，过高的沉积温度会使m n 薄膜与s i 衬底问 的界面不易控制，导致界面扩散加剧。因此，合适的衬底温度是生长高质量薄膜 的关键因素之一，本文选择的温度范围为室温至4 0 0 。 ( 2 ) 溅射功率当射频功率过小时，辉光放电难以维持；当功率过大时，溅 射率急剧增大，靶的温度过商，会出现靶面熔蚀，同时溅射原予在蕊片上凝结形 核不仅很多，蕊且晶核处予比较离的能爨状态，导致薄膜内部存在比较大的内成 力，辫着力下降。因照为搜镀膜蹶弱遴移，稷据设备窳际情况，本文选震射频功 率的范围为1 0 0 3 0 0 w 。 ( 3 ) 溅射送气压避嶷时溅射出静簇 ：与气体分子碰撞凡率趱热，溅射殿 予能量在碰撞过程中大大攒失，同时气体分子平均自由程减小，溅射原子的背散 射和被气体分予散射的几翠增大【3 9 1 ，而凰这一影响已经超过了放电增强的影响， 溅麓强子经多次磁撞嚣会蠢部分迷离沉积区域，基片对溅射原予瓣牧集效率减 小，导致沉积速率下降；然黹压力较低辩，由于放电减弱( 甚至鼹以维持辉光) ， 阴极捕集离予效率降低，沉积速率也会下降。本研究所选择的溅射压强为o - 3 l 。8 p a 。 ( 4 ) 靶熬搪当靶基据较大时，溅射原子到达衬底的路径变长，将引起沉积 速率的下降，为增加沉积速率，衬底应尽量靠近靶；而为确保异常辉光放电的谶 程，靶基撂不熬枣予鞠辍戮受辉竞嚣戆激篙。霾j 邃溅射镀貘对，麓蒺距应与溅瓣 粒子的平均自由程大致相同，如何选择靶基距要考虑a l 和n 原子的平均自由程。 漪虑到上述因索，结合以德的实验经验和实际设备情况，本文选用的靶基距分别 隽5 c m 翥7 e m 。 2 2a 1 n 薄膜的表征方法 表捱薄膜瓣方法攫多，毽搀薄貘豹藏傍、纯学瓢魄、结糖、形貔及毪嶷等多 种表征方法。了解薄膜的浓征方法，对分析所制备薄膜的性质是趸关重要的。下 丽简要介绍本文所用到的激征方法。 2 。2 薄膜的厚度测量 薄膜厚度是薄膜重要参数之一，它影响着薄膜的备种性能。本文采用台阶仪 测量，所用仪糕是东索耱密s 谐敝 m4 8 淞表嚣租糙发莰，具有在l o e 越豹范围遮 猁l n m 的位移分辨率，是一种适宜测蠹工妲样品表面穰糙度静设备。为测量准确， 溪求台阶清晰，薄膜表面光滑。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 2 2 x 射线衍射谱( ) 口r d ) x 射线衍射( x r a yd i 债a c t i o n ，x r d ) 是用来分析晶体结构最重要的无损分析 工具，利用x 射线衍射谱( ) 可以测定薄膜的结构和薄膜取向。通过衍射角 2 0 值计算晶面间距，确定薄膜的晶格结构；根据0 2 0 模式测得的衍射峰的相对强 度可以确定薄膜的择优取向。本文使用b n 】k e rd i f h c t o m e t e r ( a x sd 8 a d n c e ) 型x 射线衍射仪，采用0 2 0 扫描方式对样品进行了结构分析，辐射源为c u k 射线 = 1 5 4 0 6 a ) 。 2 2 3 薄膜的成分测试 要实现a 1 n 薄膜在器件上的应用，不但结构重要，组成也很重要。a l n 薄膜 的成分显著影响薄膜的性能，因而其成分研究非常重要。 本文采用x 射线光电子能谱( ，s ) 分析薄膜的成分。x p s 分析的基本原理 是光电效应，它根据样品中逸出的光电子能量推算电子的结合能，从而得到元素 组成，化合状态以及表面能态的信息。 2 2 4 薄膜的形貌分析 薄膜的表面形貌取决于薄膜的生长条件，研究薄膜的表面形貌对于控制和改 善薄膜的生长质量、研究薄膜的生长机制以及改善功能薄膜器件物理特性等具有 重要意义。本文利用原子力显微镜和透射电镜对a l n 薄膜的微观表面形貌进行了 系统表征。 ( 1 ) 原子力显微镜( a f m ) a f m 具有可在不同环境下工作、成像分辨率高、 能在实空间直接给出表面的各种信息等优点。测量针尖与样品表面原子间斥力的 a f m 甚至可以以原子级分辨率观察表面形貌。不同于s 1 m ，a f m 不要求样品具 有导电性，本文中样品的a f m 测试是在香港中文大学的a f m 分析系统上进行的。 ( 2 ) 透射电子显微镜( t e m ) t e m 以电子束作为照明柬照射被观察的样品， 再将照明束与样品的作用结果由成像放大系统处理，构成适合人眼观察的放大 像。利用电子束作为照明束所带来的益处不仅在于像分辨率的提高，还在于产生 与此同等重要的有关物质微观结构的其他信息。本文中样品的t e m 测试在北京 工业大学测试中心完成。 2 2 5 薄膜的电学测试 本文制备了a a 1 n s i ( m i s ) 电容器用于电性能的测试，电容- 电压( c - v ) 特性 是m i s 结构最主要的特性。通过对m i s 结构c - v 特性的测试与分析可以计算出a 1 n 的相对介电常数，并初步了解p l l n 与s i 基体界面的各种状态。采用a 百l e n t 4 2 9 4 系 统在室温下测试m i s 电容器的c v 特性。同时利用a 舀l e n te 5 2 7 3 a 型半导体测试仪 测试a a l n s i ( m i s ) 电容器的电流电压( i - v ) 特性。 2 2 6 薄膜的光学性能测试 紫外光谱是电子光谱，使材料在吸收l o 8 0 0 啪光波波长范围的光子所引 起分子中电子能级跃迁时所产生的吸收光谱。当光波照射到媒质界面时，必然会 产生发射和折射，一部分光从界面发射，另一部分则透射入媒质。固体对光的吸 收过程通常用折射率、消光系数和吸收系数来表征，其中吸收系数随光子能量的 关系变化，可以给出固体能带带隙，带尾态的半高宽度等信息。 本文利用s h 呲z uu 7 v - 3 1 0 1 p c 型紫外一可见分光光度计测试a 1 n 薄膜 在紫外一可见光波段的透射和反射光谱。由于a l n 薄膜的理论带隙为6 2 e v ，在 测试中，采用光学带隙为9 o e v 的石英作为衬底。 3 1 引言 第3 章择优取向a l n 薄膜的制备 a l n 薄膜的取向与工作气压、靶基距、溅射功率、气体成分等有着密切的关 系一1 。”，研究人员尝试从各种角度来解释m n 薄膜的取向机理，比如a l e x a i l “7 根据各晶面之间的夹角关系建立模型来解释薄膜的取向机理、| i i l o t o 【”1 基于分 子自由程的考虑提出了周期键链理论，王波口”则从形核密度的角度解释取向机 理。然而，到目前为止还没有一个公认的取向机理，并且具有良好( 1 0 0 ) 面择优 取向a l n 薄膜的制备也很少有人报道。因此有必要研究沉积条件对取向a l n 薄膜 的影响，并对其取向机理进一步探讨。 本章在研究工作气压、靶基距、溅射功率、气体成分、衬底温度对a l n 薄膜 取向和结构影响的同时，开创性的探讨了磁场强度对a 1 n 薄膜取向的影响，成功 制备了分别以( 0 0 2 ) 、( 1 0 0 ) 晶面择优取向的a l n 薄膜，并在此基础上对a l n 薄膜的 生长机理提出了相应的解释。 3 2 衬底温度对a 1 n 薄膜晶体结构的影响 图3 一l 为不同衬底温度下制备的a m 薄膜的x r d 图谱。具体工艺参数为： 靶基距5 c m ，工作气压1 2 p a ，a r ：n 2 = 1 2 ：8 ，溅射功率2 0 0 w ，沉积时间1 2 0 分钟。 当衬底未加热时，3 3 0 附近出现一个强衍射峰，与纤锌矿结构a l n 晶体的( 1 0 0 ) 面衍射峰对应，在5 9 6 。附近伴随有一个较弱的衍射峰，与纤锌矿结构a 1 n 晶体 的( 1 1 0 ) 面衍射峰对应，此时a l n 薄膜为( 1 0 0 ) 取向：当衬底温度升高至2 0 0 时， ( 1 0 0 ) 衍射峰强度减小，同时( 1 lo ) 衍射峰逐渐增强：随着衬底温度进一步升高，( 1 0 0 ) 衍射峰开始增强，而( 1 1 0 ) 衍射峰强度减弱；当衬底温度达到4 0 0 时，此时( 1 1 0 1 衍射峰基本消失，只出现( 1 0 0 ) 衍射峰，得到a 轴择优取向的a l n 薄膜。 根据结构区域理论模型 4 9 】，当衬底温度( t s ) 与材料熔点( 1 m ) 之比处于 不同区域时，吸附原子具有不同的扩散速度：当o b 广r m o 2 时，此时衬底温度 较低，吸附原子的表面扩敞和体内扩散都不明显；当o 2 t s ，r h ( 0 4 5 时，吸附 原子的表面扩散较为显著而体内扩散仍然不太明显：当0 4 5 q ：钔时，吸附原 原子的表面扩散较为显著而体内扩散仍然不太明显；当0 4 5 q ：钔时，吸附原 北京工业大学工学硕士学位论文 子的表面扩散和体内扩散都十分明显。本实验选择的温度都在o 2 、( 1 0 2 ) 帮( 掬3 臻；射蜂同辩逡现。o 甑u e 鞋 认为a l n 薄膜的取向同沉积速率有关系：在低功率下原子沉积速率较馒，在下一 原子层到遮衬底前，原予有足够的时间和较大的几率在表面重排，可以形成舆有 低能量的续撬，览如( 2 ) 原子密捧甏；睫羞速度的增热，在下一层原子到达衬 底以前，骤子没有充怒的时阊重排并形成低髓结构，因此同时出现( 1 0 1 ) 、( 1 0 2 ) 和( 1 0 3 ) 衍射峰。作者认为沉积速率和别达衬底原予的平均能蠛的不同是本实验 每文献瞰】鹣镱果不同瓣童要暴霞。 富 董 萤 歪 主 藿 占 p o w e 瑶嘲 圈3 ，9 不同溅射功率下a l n 薄膜的沉积速率 f i g 3 毒d 锋稍箱罐嗽eo f 慰n b s 强垂瓢s p u | 妇 曩g 辨w e f 图3 9 怒a i n 薄膜在不同功率下的沉积速率，从图中可以者出随着功率的增 趣，沉积遮搴逐渐蠼大：当溅射功攀为1 5 9 w 时，沉积速率仅为3 。3 嫩触遮；懑溅 射速率增嬲到3 0 0 w 时，沉积速率堵绷刻9 - 3 m 溉i n 。这同样由予在较小的功寨下， 铝靶溅射出具有较高能嫩的原子数目较少，单位时间到达衬底的原子数目鞍少， 因此沉积逡率较慢【7 辩。另外，溅射功搴较低时溅射气嚣的离健搴氇较低，氮援予 不易与溅射出的铝原予葳虚生成a l n 晶体，而且溅射功率较低时吸附在衬底袭面 的铝原子比较容易解吸附，因此与氮原子反应的数日较少，此时舢n 薄膜的沉积 速率菲常低。 3 ，6 磁场强度对a l n 薄膜取向的影响 2 8 汹e g 治e l 豳3 ，1 0 强磁场不褥溅射气压下a 1 n 薄膜的辫谱 f i g 3 - l o ms p c c t r a0 f a l nf i l i 璐岫o s i t 甜a td i 腩r e i l tp r e s 瓤l r c 咖d e rh i 曲m a g i l 吐i ci n 加c t i o n 强3 一l l 弱磁弱不阏溅瓣气压下a l n 薄膜豹x r d 辫潜 f i g ，3 - ll ms p e c t r ao f a l nf i l m sd e p o s i t e da td i 行c 雌n tp r e 8 s i n 瑚d e r1 0 wm 唧e t i ci n d u c t i o n 娥年亲人囊翳磁控溅瓣潮善a 焱薄貘孛溅射条搏，穗爨楚靶基距、溅懿气医、 溅射功率、村底温殿、气体成分辫晶体结构的影响进行了充分的研究。但慰作为 磁控溅射中的重要参数，磁场强度对a l n 薄膜晶体结构的影响一直未受到熬视， 到飘藤舞壹还没鸯关予这方瑟懿缀遴。零实验瓣魄了强、嚣嚣耪磁场强度下a 惑 岬嚣。撵一k意盘暑嚣一 北京工业大学工学碗士学位论文 薄膜晶体取向性和沉积速率的变化，并且分析了磁场强度对晶体结构的影响。 本实验在两种磁场强度下，通过改变溅射气压，分别获得两组样品。在样品 制各过程中，其它条件保持定值：溅射功率为2 0 0 w ，衬底温度为3 0 0 ，a r ： n 2 = 1 2 ：8 ，溅射时间为1 2 0 m i n ，靶基距为5 c i n ，气压变化范围为o 3 p a 1 6 p a 。 图3 一l o 和图3 1 1 所示分别为两种磁场强度时，变化溅射气压得到的a 1 n 薄膜的 图谱。溅射气压对a l n 薄膜取向结构的影响前面已经讨论，本小节主要探讨 磁场强度对a l n 薄膜取向的影响。从这两张图中可以发现在相同的溅射条件下， 如果磁感应强度不同，制备的a 1 n 薄膜具有不同的取向：当溅射气压为0 3 p a 时， 强磁场下获得的薄膜为( 0 0 2 ) 面择优取向同时伴随有较弱的( 1 0 0 ) 和( 1 0 3 ) 衍射峰， 弱磁场下获得的薄膜为( 1 0 0 ) 面择优取向同时伴随有较弱的( 0 0 2 ) 和( 1 0 1 ) 衍射峰； 当气压1 2 p a 时，强磁场下获得的薄膜为( 0 0 2 ) 面择优取向同时伴随有极弱的( 1 0 1 ) 衍射峰，弱磁场下获得的薄膜的x r d 图谱出现( 1 0 0 ) 和( 2 0 0 ) 衍射峰，薄膜为( 1 0 0 ) 面择优取向；当气压为1 6 p a 时，强磁场下获得的薄膜图谱仅出现( 0 0 2 ) 衍射 峰，薄膜为( 0 0 2 ) 面择优取向，而弱磁场下获得的薄膜的图谱仅出现( 1 0 0 ) 衍 射峰，薄膜为( 1 0 0 ) 面择优取向。可见，磁场强度作为磁控溅射中的一个参数， 对a l n 薄膜的取向结构有重要的影响。 p r e 鲒u r e ( p a ) 图3 1 2 不同工作气压下a l n 薄膜的沉积速率( a ) 强磁场( b ) 弱磁场 f i g 3 一1 2 d e p o s i n o nr a t co f a l n f i l n l so nd i 肫r 蚰t p r e s s u r e u n d 盯h i 曲姐d l o w m a 聃e 石c i n d u c 曲n 图3 - 1 2 为在不同磁场强度时，变化溅射气压得到的a l n 薄膜的沉积速率。同 2 4 1ue_eu3罡co筝l暑oaoa 第3 章择优取向氮化铝薄膜的制备 蔼3 1 0 和阉3 1 l 的缩果帮讨论类 艇，两种磁场强度下薄膜的沉积速率都随溅射气 压的增大聪减小。对比两种磁感应强度下的沉积速率，可以发现同样的溅射条件， 强磁场下a l n 薄膜豹沉积遗率较大：当溅射气压为0 3 p a 时，强磁场下薄膜的沉积 速率爻1 7 。6 髓魂b 撅，弱磁场下薄膜的沉积速率秀1 2 。3 n m 抽汰；兰气压荧l ，6 p a 时， 强磁场下薄膜的沉积速率降低到1 2 8 n 删m i i l ，而弱磁场下薄膜的沉积速率仅为 酗m 嚣i e 。 ， # s 溅嚣就 l sx罟 ， 图3 1 3 磁控溅射的原理示濑图 融3 3 强e 螂e i p l e 搬a 舒c 挂档s p h 矬f i n g 磁控溅射遴露是在凝秘投蠹测装窳久磁锾，势捷磁鬃方离垂纛予邀 场方向，以便用磁场约柬带电粒子的运动。磁控溅射的原理如图3 * 1 3 所 示。由鍪3 1 3 可觅，蠢子e 在魄场e 作嗣下，在飞淘村底静过程中与氯 原予发生碰撞，使其电离出a r + 和一个新的电子e l ，电子飞向树底，a r + 在电场的作用下翻速飞囱阴极靶，并戳高能量轰击靶表萄，使靶材发生溅射。在 溅射粒子中，中性的靶原子或分子则沉积在村底上形成薄膜。二次电子e l 一量 离开靶面，就同时受到电场和磁场的作用。从物理学中可知，处在电场e 和磁场 b 茨交懿魄予，冀运动方程觅( 3 啦) 式： d 矿p 斑醒e 七y x 8 ( 3 - 2 ) 式中e 和m 分别是电子的电量和质量，电予的运动轨迹是以轮摆线的形式沿着靶 子褒瑟囱蠢x 嚣豹方淘蘸遴。二次瞧予在环形磁弱熬控裁下，运动貉径不仅延长， 而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，增加了同正作气体分子的碰撞几 2 s - 北京工业太学工学硕士学位论文 率，在该区中电离出大量的舡+ 离子用来轰击靶材，从而实现了磁控溅射沉积速 度高的特点。 当环形磁场的磁感应强度较大时，二次电子的运动半径较小，并且被束缚在 更靠近靶表面的等离子体区域，此时在该区中电离产生更多的a r + 离子用来轰击 靶材，在同样的溅射条件下更多的原子从靶中溅射出来，同时也有更多的原子可 以到达衬底表面。考虑到本实验中衬底温度为3 0 0 0 c 可以忽略粒子轰击引起的衬 底温度上升，因此在相同的溅射条件下当磁感应强度较大时，单位时间内到达衬 底的原子数目较多，薄膜的沉积速率较快。 在相同的衬底温度下，原子在衬底表面的扩散速度大致相同。如果扩散速度 相同，单位时间内到达衬底的原子数目较多时，形核速率较大，原子扩散到近邻 核的几率较大，此时( 1 0 0 ) 取向的晶核很快碰上其他晶粒生长被抑制，而( 0 0 2 ) 取 向的晶核可以在垂直于衬底表面的c 轴方向长大，从而生成( 0 0 2 ) 取向的a 1 n 薄膜。 反之原子扩散到近邻的核上的几率较小，此时，( 1 0 0 ) 取向的晶核在遇到其他晶 粒之前有足够的时间沿平行于衬底表面的方向生长，而( 0 0 2 ) 取向的晶核由于具 有较大的表面自由能导致生长被抑制，从而生成( 1 0 0 ) 取向的a l n 薄膜。 薄膜的表面形貌取决于薄膜的生长条件，研究薄膜的表面形貌对于控制和改 善薄膜的生长质量、研究薄膜的生长机制、改善功能薄膜器件物理特性等具有重 要意义。本文利用原子力显微镜对不同磁场强度下获得的a l n 薄膜的微观表面形 貌进行了系统表征。 图3 1 4 所示为强磁场下制各的a 1 n 薄膜的a f m 视图，其溅射条件：溅射功率 为2 0 0 w ，溅射气压为1 o p a ，a t ：n 2 _ 1 2 ：8 ，溅射时间为1 2 0 m i n 。图3 1 5 所示为弱 磁场下制备的a 1 n 薄膜的a f m 视图，其它溅射条件与强磁场下完全相同。所制各 样品的图谱如图3 1 0 和3 1 1 所示，从图3 1 0 和3 1 1 中可以看出，强磁场制备 的样品仅在3 6 0 附近出现一个强的衍射峰，与纤锌矿结构灿n 晶体的( 0 0 2 ) 面的衍 射峰对应，薄膜为( 0 0 2 ) 面择优取向；弱磁场制备的样品，分别在3 3 。、4 4 0 附近出 现两个衍射峰，对应着纤锌矿结构m n 晶体的( 1 0 0 ) 、( 2 0 0 ) 面的衍射峰，此时薄膜 为( 1 0 0 ) 面择优取向。从平面图可以看出，弱磁场下制备的烈n 薄膜是由蚕状的晶 粒组成，蚕状晶粒的直径大约50 i 】衄，长度分布在1 0 0 3 0 0 衄范围内。大部分蚕 状晶粒的长轴平行于衬底表面，在面内蚕状晶粒是随机取向的。x r d 图谱已经表 明在弱磁场下大部分晶粒的c 轴平行于衬底，因此作者判断蚕状晶粒的长轴就是 第3 章择优取向氮化铝薄膜的制备 纤锌矿结构氮化铝晶体的c 轴。而在强磁场下制备的氮化铝晶粒大多数沿( 0 0 2 ) 取 向生长，据此判断薄膜是由c 轴垂直于衬底表面的蚕状晶粒组成。此外，从a 1 n 薄膜表面形貌的立体视图中同样可以看出a l n 晶粒在沉积过程中沿一定的方向 生长。 b ) 三维图b 1 三维图 图3 1 4 强磁场a i n 薄膜的a f m 视图图3 15 弱磁场a l n 薄膜的a f m 视图 f i g 3 1 4a f mi m a g e so f a 悄f i l m u n d e r1 0 wm a g n e 石ci n d u c t i o n f i g 3 - 1 sa f m 砷a g e so f a l n 矗l m 眦d e r h i g hm 掣l e t i ci n d u c t i o n a l n 薄膜的表面形貌可能与其生长机制相关。在相同的衬底温度下，原子在 衬底袁面的扩散速度大致相同。如果扩散速度相同，单位时间内到达衬底的原子 数目较多时，形核速率较快，原子扩散到近邻的核上的几率较大，此时( 1 0 0 ) 取 向的晶核很快碰上其他晶粒生长被抑制，而( 0 0 2 ) 取向的晶核可以在垂直于衬底 表面的c 轴方向长大，从而生成( 0 0 2 ) 取向的a i n 薄膜，此时大部分蚕状晶粒的长 北京工业大学工学硕士学位论文 轴垂直于衬底表面，a 1 n 薄膜的表面形貌如图3 1 4 所示。反之原子扩散到近邻的 核上的几率较小，此时，( 1 0 0 ) 取向的晶核在遇到其他晶粒之前有足够的时间沿 平行于衬底表面的方向生长，而( 0 0 2 ) 取向的晶核由于具有较大的表面自由能导 致生长被抑制，从而生成( 1 0 0 ) 取向的舢n 薄膜，此时大部分蚕状晶粒的长轴平行 于衬底表面，a l n 薄膜的表面形貌如图3 1 5 所示。 3 7a 1 n 薄膜取向机理的分析与讨论 众多的实验结果表明a 1 n 薄膜的晶体取向强烈的依赖于溅射条件，但是到目 前为止，刖n 薄膜的取向机理还没有完全解释清楚。氮化铝晶体为六方纤锌矿结 构，纤锌矿结构晶体的平衡结构有( 1 0 0 ) 面和( 0 0 2 ) 面组成。在形核的最初阶段， 晶体在衬底表面的生长是随机的，但是只有沿衬底的法线方向生长较快的晶核才 能继续生长并长大。如果( 1 0 0 ) 面的生长速度比( 0 0 1 ) 面的生长速度快，薄膜就沿 ( 1 0 0 ) 面择优取向生长。因此各晶面的生长速度的不同导致了薄膜的择优取向。 l n l o t o 利用扩展的周期键链理论( p b c ) 解释了薄膜的择优取向机理，他认为 a l n 薄膜的取向生长取决于溅射粒子的分子平均自由程，当分子平均自由程较大 时，a l 原子和n 原子没经过碰撞就沉积在衬底上，这时越n 薄膜倾向于( 0 0 2 ) 取向 生长；当分子平均自由程较小时，a 1 原子和n 原子在靶和衬底间形成a 1 n 二聚物， 然后沉积在衬