（材料加工工程专业论文）氮化铝薄膜制备及性能研究.pdf

两华大学硕+ 学位论文 氮化铝薄膜制备及性能研究 材料加工工程 研究生李瑞霞指导教师彭启才 在这篇论文中，a i n 薄膜是由中频脉冲磁控溅射制备，主要考察了不同衬 底温度和退火温度对a 1 n 薄膜结构和性能的影响，特别研究了a 1 n 薄膜的光 学性质和发光特性。 结晶材料a 1 n 具有6 2 8 e v 的直接带隙使得其在紫外光范围具有透光窗 口，如果进行掺杂还可能得到在紫外光范围内发光的光电器件。a 1 n 有许多十 分有用的机械和电学性质，它具有的高硬度、高热导性、耐高温、耐腐蚀，与 s i 和g a a s 有合理的温度适配性，使得a 1 n 能够作为很好的电子封装材料。同 时a l n 不受电磁辐射、电子和离子轰击的影响。另外，a 1 n 还能与g a n 形成 合金a 1 g a n ，从而能够制造出基于a 1 g a n g a n 的电子和光学器件，这种器件 能够在绿光波长到紫外光波长都有效，这是十分诱人的。 最常用于生长a 1 n 薄膜的技术是反应磁控溅射技术，用射频和直流磁控溅 射研究了a i n 薄膜的生长条件。该方法简单易行而且便宜。尽管使用的是纯 金属灿靶，但是如果直接用直流溅射，在工作一段时间之后靶表面和真空室 内其它部件上就会覆盖上一层绝缘的a 1 n 薄膜，导致靶中毒和阳极消失现象 出现。为了解决这些问题，我们在这里使用了中频电源和孪生靶技术，在这项 技术中，孪生靶在溅射过程中互为阴阳极。 由于a i n 薄膜的应用与其质量密切相关，为此我们研究在磁控溅射制备 a 1 n 薄膜的过程中，衬底温度和退火温度对薄膜的微结构及其性质的影响，以 及不同的衬底对微结构及性质的影响，从而找到a 1 n 薄膜的最佳制备工艺。 在不同衬底上沉积t k l n 薄膜，其薄膜的择优取向不同，所得到的性能也 不相同。在石英衬底上得到( 1 0 1 ) 择优取向的a 1 n 薄膜，由a f m 得出表面光 滑，晶粒细小；在玻璃衬底上得到c 轴垂直于基片生长的( 0 0 2 ) 晶向的a 1 n 西华人学硕士学位论文 薄膜，表面结晶状况良好，晶粒的尺寸较大；在硅衬底上得到平行于基片生长 的( 1 0 0 ) 晶向和倾斜于基片生长的( 1 1 0 ) 晶向的多晶薄膜。 在s i 衬底上，衬底温度为1 9 0 时表面粗糙度较大，生成了a 1 n ( 1 1 0 ) ， 其衍射峰强度较弱。随后随着衬底温度上升，有利于制备( 1 1 0 ) 面择优取向的 a 1 n 薄膜，但是表面粗糙度变大。 通过不同退火条件下的a 1 n 薄膜的表面形貌和结构分析，样品氮气保护 气下在不同退火温度退火后，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。 利用1 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 1 n 薄膜的反射 光谱进行光学拟合。折射率在1 9 2 3 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；说明较高的退火温度有利于高折射 率a 1 n 薄膜的生成。 对样品的发光特性进行分析，在紫光范围内用不同的激发波长照射同一样 品得出发光谱峰的位置几乎是相同的，发光谱峰相对强度是不同的，发光光谱 峰是和杂质能级相关的，结果显示样品中存在多种杂质。不同衬底上的薄膜的 发光谱峰的位置是不同的，意味着不同的杂质存在不同的衬底中。通过光致发 光研究了制备条件对发光和相关杂质的影响。 关键词：氮化铝；中频磁控反应溅射；结构和粗糙度；反射；光致发光 i i 两华大学硕士学 _ 奇= 论文 p r e p a r a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no f a i nt h i nf i l m s m a t e r i a lp r o c e s s i n gp r o j e c t p o s t g r a d u a t e l ir u i x i a s u p e r v i s o rp r o f p e n gq i c a i i nt h i st h e s i s ，a 1 nt h i nf i l m sa r ep r e p a r e db ym e d i u mf r e q u e n c ym a g n e t r o n s p u t t e r i n g t h ee f f e c t so ft h es u b s t r a t et e m p e r a t u r ea n da n n e a l i n gt e m p e r a t u r eo n t h es t u d i e da n dp r o p e r t i e so fa 1 nt h i nf i l m sh a v eb e e ns t u d i e d ，e s p e c i a l l y , t h e o p t i c a lp r o p e r t i e sa n dp h o t o l u m i n e s c e n c eo ft h ea 1 nt h i nf i l m sh a v eb e e ns t u d i e d c r y s t a l l i z a t i o nm a t e r i a la 1 n ，w i t hd i r e c tb a n dg a po f6 2 8 e v , i st r a n s p a r e n ta t r e a rv i o l e tr e g i o n ，i fd o p e d ，a 1 nt h i nf i l m s ，c a nb e u s e df o rp h o t o e l e c t r o n i cd e v i c e s i nt h er a n g eo fv i o l e t b e c a u s eo fi t sh i g hh a r d n e s s ，h i g ht h e r m a lc o n d u c t a n c e ，h i g h t e m p e r a t u r er e s i s t a n c e ，c o r r o s i o nr e s i s t a n ta n dg o o dt e m p e r a t u r ea d a p t a t i o nw i t hs i a n dg a a s ，a 1 nm a t e r i a l sa r eg o o de l e c t r o n i cp a c k a g i n go n e s a 1 nm a t e r i a l sa r en o t i n f l u e n c e db ye l e c t r o m a g n e t i s mr a d i a t i o na n di o n sa n de l e c t r o n sb o m b a r d m e n t i n a d d i t i o n ，b ya l l o yo fa i n a n dg a n ，a 1 g a nc a nb ef o r m e d ，w h i c hi sv e r yi n t e r e s t i n g m a t e r i a l s ，f o rp h o t o e l e c t r o n i cd e v i c e si nt h er a n g eo fv i o l e ta n dg r e e n a i nt h i nf i l m sa r ep r e p e a r e dg e n e r a l l yb yr e a c t i o nm a g n e t r o ns p u t t e r i n g ，r f o rd cm o d e t h i st e c h n o l o g yi sc h e a p i nd cm o d e ，a l t h o u g hp u r ea 1t a r g e ti s u s e d ，i fs p u t t e r e dd i r e c t l y , i n s u l a t i n ga 1 nt h i nf i l m sw i l la l s ob ed e p o s i t e do nt h e t a r g e ts u r f a c ea n dt h ec o m p o n e n t si nv a c u u m ，r e s u l t i n gi nt a r g e tp o i s o na n da n o d e d i s a p p e a r a n c e i no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s ，m e d i u mf r e q u e n c y ( m f ) p o w e r s u p p l ya n dt w i nt a r g e t st e c h n i q u eh a v eb e e ne m p l o y e d i n t h i st e c h n i q u e ，t h et w i n t a r g e t sa c ta sn e g a t i v ea n dp o s i t i v ep o l em u t u a l l yd u r i n gs p u t t e r i n g t h ea p p l i c a t i o no fa1nt h i nf i l m si sr e l a t e dt ot h eq u a l i t yo ft h ef i l m s t h e r e f o r e ，t h ee f f e c to fp r e p a r a t i o nc o n d i t i o n ss u c ha sd i f f e r e n ts u b s t r a t ea n d s u b s t r a t et e m p e r a t u r ea n da n n e a l i n gt e m p e r a t u r eo nt h em i c r o s t m c t u r ea n dt h e i i i 两华大学硕士学位论文 p r o p e r t i e so ft h ef i l m sh a sb e e ns t u d i e dt og e to p t i m a lc o n d i t i o n sf o rg o o dq u a l i t y o ft h ef i l m s i ti sf o r m e dt h a ta 1 nt h i nf i l m so nd i f f e r e n ts u b s t r a t e ss h o wd i f f e r e n tp r e f e r r e d o r i e n t a t i o na n dt h ep e r f o r m a n c ea r ea l s od i f f e r e n t t h ef i l m so nq u a r t zc r y s t a l s u b s t r a t e sa r ew i t hp r e f e r r e do r i e n t a t i o no f ( 101 ) ，t h es u r f a c ea r es m o o t ha n dt h e c r y s t a l l i t e sa r ef i n e ，a se x a m i n e db ya f m t h ef i l m so n t h eg l a s ss u b s t r a t e ss h o w p r e f e r r e do r i e n t a t i o no f ( 0 0 2 ) w h i c hm e a n sca x l ei sv e r t i c a lt ot h es u r f a c eo ft h e s a m p l e s ，b e t t e rc r y s t a l l i z a t i o na n da r a t h e rl a r g eg r a i ns i z ei na v e r a g e t h ef i l m so n s is u b s t r a t es h o wp r e f e r r e do r i e n t a t i o no f ( 10 0 ) a n d ( 1lo ) ，t h eca x l eo fw h i c hi s p a r a l l e la n d d e c l i n et ot h es u r f a c eo ft h es a m p l e ，r e s p e c t i v e l y f o ra 1 nt h i nf i l m o ns is u b s t r a t e ，t h er o u g h n e s si sr e l a t i v e l yl a r g ew i t hap r e f e r r e do r i e n t a t i o no f ( 110 ) a n dt h ew e a ki n t e n s i t yo fx r d i sp e a kf o rt h es a m p l ew i t ht h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e o f19 0 。c t h es u r f a c er o u g h n e s s ，p r e f e r r e do r i e n t a t i o na n dt h e i n t e n s i t yo fx r dp e a kw o u l db ec h a n g e df o rd i f f e r e n ts u b s t r a t et e m p e r a t u r e w h e n t h et e m p e r a t u r e si n c r e a s e sf a r t h e r , i ti sh e l p f u lt op r e p a r et h et h i nf i l m sw i t ha p r e f e r r e do r i e n t a t i o no f ( 1 l0 ) ，h o w e v e r , t h es u r f a c er o u g h n e s sw i l lb el a r g e t h ee f f e c to ft h ea n n e a l i n gc o n d i t i o no nt h es t r u c t u r ea n ds u r f a c et o p o g r a p h y o fa 1 nt h i nf i l m si sd i s c u s s e di nt h i st h e s i s t h ea s - s p u t t e r e ds a m p l e sa r ea n n e a l e d a td i f f e r e n tt e m p e r a t u r ei na na t m o s p h e r eo fn 2 a f t e ra n n e a l i n gt h es u r f a c eo ft h e s a m p l e sw o u l db es m o o t h ，g e n e r a l l y i ti s f o u n dt h a t7 0 0 * ci so p t i m a la n n e a l i n g t e m p e r a t u r e f o rt h es a m p l e sa n n e a l e da tat e m p e r a t u r eh i g h e rt h a n7 0 0 c ，t h e c r y s t a l l i z a t i o nb e c o m ew o r s e 1s t o p ts o f t w a r ei su s e dt oo b t a i nt h eo p t i c a lc o n s t a n t so ft h ea 1 nt h i nf i l m s w 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 rb yf i t t i n g t h ee x p e r i m e n t a lr e f l e c t i v ec a lv e i nt h es p e c t r a lw a v e l e n g t hr a n g eo f4 0 0 - 8 0 0 n n l ，r e f r a c t i v ei n d e xni s1 9 2 3 ，a n di td e c r e a s e sw i t hw a v e l e n g t h ，e x t i n c t i v e c o e f f i c i e n tki sl e s st h a n0 0 0 6 w h i c hm e a n st h ef i l m sh a v eg o o dl i g h tt r a n s m i s s i o n i ti sf o u n dt h a tt h eh i g h e ra n n e a l i n gt e m p e r a t u r ei sh e l p f u lt oo b t a i nt h eh i g h r e f r a c t i v ei n d e xo ft h ea l nt h i nf i l m s i v 西华大学硕十学何论文 t h e p h o t o l u m i n e s c e n c e o ft h e s a m p l e s a r es t u d i e dt h e p o s i t i o n o f l u m i n e s c e n c es p e c t r u mp e a ki sn e a r l yi d e n t i c a la n dt h ei n t e n s i t yo ft h ep e a ki s d i f f e r e n tw h e nas a m p l ei si l l u m i n a t e dw i t hd i f f e r e n te x c i t a t i o nw a v e l e n g t hi nt h e r a n g eo fv i o l e t t h ep e a ko ft h ep h o t o l u m i n e s c e n c es p e c t r u mi sr e l a t i v e t ot h e i m p u r i t ye n e r g yl e v e l t h e r e f o r e ，t h er e s u l ts h o wt h a tv a r i o u sk i n d so fi m p u r i t y e x i s ti nt h es a m p l e f o rt h et h i nf i l m so nd i f f e r e n ts u b s t r a t et h ep o s i t i o no ft h ep e a k i sd i f f e r e n t t h i sm e a n st h a td i f f e r e n ti m p u r i t i e se x i s tf o rd i f f e r e n ts u b s t r a t e t h e e f f e c to fp r e p a r a t i o nc o n d i t i o no nt h ep h o t o l u m i n e s c e n c ea n di m p u r i t i e sr e l a t e di s a l s os t u d i e db vp l k e y w o r d s ：a 1 n ；m e d i u mf r e q u e n c ym a g n e t r o nr e a c t i o ns p u t t e r i n g ；s t r u c t u r ea n d r o u g h n e s s ；r e f l e c t i v e ；p h o t o l u m i n e s c e n c e v 两华人学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者签名：彦旆露 剔醛名。引盂爿 日日 、厶r1 月月 。 年年 叫呵 两华大学硕十学位论文 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密。适用本授权书。 ( 请在以上口内划) 学位论文作者签名：撇 指导教师签名：别 日期：呷- 3日期：吖f 子 乏刁 西华大学硕士学位论文 引言 材料在工农业生产和人民生活的各方面发挥着重要作用。在近几十年来， 材料科学取得了长足的进步，各种性能优异的材料层出不穷，用来满足人们生 产生活的需要。在材料科学的各个分支当中有一个非常重要的分支那就是薄膜 材料。薄膜材料之所以成为人们研究的重点那是因为薄膜能够具备特殊的材料 性能，它能够沉积在体材料表面改变其表面性质。随着制备技术和条件的不断 提高，几乎所有的材料都能被制成薄膜。目前，人们对薄膜材料的研究正在向 多种类、高性能、新工艺等方面发展，其基础研究也在向分子层次、纳米尺度、 原子层次等方向深入。特别在宽禁带半导体薄膜、纳米薄膜、超晶格和量子阱 薄膜、介质膜和巨磁阻薄膜等方面的发展更加突出。 最近研究表明氮化物半导体是很有希望被用作光电器件( 包括发光器件和 敏感器件) ，高功率和高温电子器件的材料n q 3 。a i n 具有6 2 8 e v 的直接带隙h 1 ， 使得其在紫外光范围具有透光窗口，如果进行掺杂还可能得到在紫外光范围内 发光的光电器件。它具有较高的非线性光学极化效应哺1 ，能够作为二阶谐波发 生器。a 1 n 的表面声波速度( 纵波速为v 。= 1 1 1 2 k m s 旧) 是所有发表的材料当中 最高的，同时具有很高的机电藕合系数( 达到l 盯3 ) 。a i n 有许多十分有用的机 械和电学性质，它具有高硬度、高热导性、耐高温、耐腐蚀，与s i 和g a a s 有合理的温度适配性，使得a 1 n 能够作为很好的电子封装材料瞄1 。同时a 1 n 不受电磁辐射、电子和离子轰击的影响，还能承受5 9 g p a 的震动旧1 。然而优质 a 1 n 的制备并不容易，因为a l 太活泼，极易与o 结合，为了得到高质量的 a 1 n ，需要高纯度的源和无氧的环境。早期对a 1 n 的一些特性的测量，如能隙、 晶格常数等，由于材料中含有0 杂质，使得测量结果可靠性差。随着科技的 发展，无污染的沉积环境与先进工艺相结合使得研究人员能够不断提高a 1 n 的质量，还能够合成a i n 晶体，从而能够可靠地测量a 1 n 的许多物理性质。 本工作第一章和第二章对a 1 n 薄膜的性能及制备方法做了综合性的概述； 第三章利用中频磁控溅射技术制备a 1 n 薄膜，研究制各过程中工艺参数对薄 膜性质的影响；第四章研究a 1 n 薄膜的光学特性，对其折射率和消光系数随 波长的变化进行了深入研究；第五章研究了中频磁控溅射制备a 1 n 薄膜的发 光特性，得到了薄膜内含有多种杂质缺陷，不同的杂质存在不同的衬底中。 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 - l a 1 n 薄膜的概述 a i n 薄膜属于一v 族化台物绝缘材料，一般以六方晶系中的纤锌矿结构 存在，其晶格常数a = 0 3 1 1 4 n m ，c = 0 1 4 9 4 7 n m 。氮化铝薄膜具有很多优异的物 理化学性质，如宽的带隙，高的电阻率，高的抗击穿电压，高的声传播速率和 低的传输损耗，并且具有高热导率，高化学和热稳定性以及良好的光学及力学 性能，相当大的压电耦合常数，与s i 、g a a s 相近的热膨胀系数等特点。a l n 是优异的介电材料可用于电子器件和集成电路的封装、介电隔离和绝缘，尤其 适用于高温高功率器件。a i n 薄膜的另一优越性能是其优异的压电和表声波特 性。a 1 n 薄膜的声表面波速度是所有无机非铁电性压电材料中最高的，几乎 是表声波器件常用压电薄膜z n o 和c d s 的2 倍。这样，采用a i n 薄膜在不减 小叉指电极宽度的情况下，就可将中心频率提高1 倍，达到当前通讯业发展所 需要的g h z 。可见a 1 n 独特的性质使它在机械、微电子、光学以及电子元器件、 声表面波器件( s a w ) 制造和高频宽带通信等领域有着广阔的应用前景”。 1 1 1a i n 薄膜的晶体结构与能带结构 a i n 是a l 和n 唯一稳定化合物，是一v 族中能隙值( e n e r 舒b a n dg a p 约6 2 e v ) 最大的半导体。其晶胞是一个以铝原子为中心，外部围绕四个氮原 子，叠合而成的变形四面体“”，如图11 所示。 f i 9 11 t h e q v s f 缸s n u d l 他o f a l n 图1 1a 1 n 的晶体结构 西华大学硕士学位论文 由图中可以看到，a i n 沿c 轴方向a 1 一n 键长为1 9 1 7 埃；其它方向a 1 n 键长为18 8 5 埃，即n l 、n 2 、n 3 是等价的；n r a l n i 的角度为1 0 7 7 。，n l “l - 的角度为1 1 0 5 。a i n 的晶格结构根据晶胞在沿( 1 1 1 ) 方向的堆叠顺序不同 而分成两种结构。其中以a b a b a b 的方式堆集的纤锌矿结构( 如图1 2 ) 是氮化铝常见的平衡晶体结构，纤锌矿结构属空间群矗( p 6 3 眦) ，其对称点 群属六方晶系纤锌矿结构( w u r t z i t e ) ，晶格常数分别为锄= 3 1 1 0 a ，= 4 9 8 0 a 。其亚稳结构属于立方晶系的闪锌矿结构( z i n c - b l e n d e ) ( 如图1 3 ) ， 晶胞在( 1 1 1 ) 方向以a b c a b c 的方式堆集而成，其晶格常数a o = 4 3 8 a 。通常 立方相的a i n 很难得到瑚1 f i g1 2 t h e c r y s t a ls t r u c t u r eo f w u r t j t e a i n 图1 2a i n 纤锌矿的立体结构示意图 西华人学硕士学位论文 f i g1 3t h ec r y s t a ls t r u c m r eo fz i n c - b l e n d e 图1 3a i n 闪锌矿立体结构示意图 为了推进a 1 n 在光学、电子学等方面的广泛应用，近年来许多研究人员 利用非局域赝势法陋、平面波法眨别、m u m n t i n 轨道线性组合法、从头算晗钆 2 6 3 等方法对a i n 的能带和状态密度进行了深入的研究。m a g u a d a l u p e 等心钔人利 用原子轨道线性组合法和h a r t r e e f o c k 近似对a 1 n 进行了全电子的从头计算， 由于h a r t r e e f o c k 方法常常高估光学隙和带宽，所以又用后密度函数( p o s t d f t ) 修正。图1 4 和图1 5 分别为理论计算所得到的a 1 n 的能带结构和总状态密度。 表1 - 1 为a 1 n 的最小能隙( e g ) ，价带宽度，反对称能隙( e a ) 。对这两种结构 进行比较可以发现，它们的d n - n ( 最邻近n 原子距离) 非常接近，分别为 3 0 7 a ( 纤锌矿结构) 和3 0 9 a ( 闪锌矿结构) 。而纤锌矿结构a 1 n 为直接能隙， 闪锌矿结构a l n 为间接能隙。 4 西华大学硕士学位论文 表卜1a i n 的最小能隙( e g ) ，价带宽度，反对称能隙( e a ) t a b l el 一1t h e e n e r g yg a pa n d v a l e n c eb a n dw i d t ha n da n t i s y m m e t r i c a le n e r g yg a po fa i n c o m p o u n d e g ( e v v a l e n c e ( e v ) v a l e n c eb a n d w i d t h ( e v ) e ( e v ) a l n ( w u n i z e )d i r e c t ( r ) u p p e r 1 0 t a l c a l5 2 55 。9 31 5 3 2 6 s 6 e x p 6 2 8 6 o o1 6 o d a i n ( z i n cb l e n d e )l n d i r e c t ( r x ) 4 2 6 5 6 3 1 5 0 】6 8 9 从图1 4 和图1 5 我们可以看出价带被离子隙分为两个子带：上半部分子 带主要是n 的2 p 态，而a l 的s 、p 态的贡献则要小些；下半部分子带主要是 n 的2 s 态，而a l 的s 轨道的贡献则可以忽略。导带底主要是a l 的s 和p 态。 ； 曼 畚 _ l o 熬蟹攀w h o m 。c ) 3 d l 5 0 伪60 4 651 3 赍f 乜需数 8 j】1 97 91 2 81 01 1 1 也戮摩o n ) 1 0 1 1 0 0 d1 0 1 l 矿 1 0 o o 1 0 2 ：； 折射睾2 1 53 52 03 42 72 3 3 1 1 3a 1 n 薄膜的制备方法 目前，大多数成膜方法都已应用于a 1 n 薄膜的制各。其中比较成熟的主要 有化学气相沉积法( c v d ) z 7 , z s 、反应分子束外延法( m b e ) 啪1 、等离子体辅助化学 气相沉积法( p a c v d ) 3 0 , 3 1 、激光化学气相沉积法( l c v d ) m 3 、金属有机化合物化 6 两华人学硕七学位论文 学气相沉积法( m o c v d ) 啪 矧、脉冲激光沉积法( p l d ) 口副、磁控反应溅射法( m r s ) 啪1 和离子注入法( i i ) 刀等。 ( 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瑚3 。k a y a ，k i y o s h i 等人利用化学气相沉积法采 用a 1 c 1 3 ，n h 3 ，h 2 ，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 1 c 1 3 + n h 3 = a i n ( s ) + 3 h c l ( 2 ) 金属有机化合物化学气相沉积法( m o c v d ) 金属有机化学气相沉积( m o c v d ) 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 i - v 族，i i 一族化合物) 薄膜气相生长上。a 1 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 3 ) 送入反应室，然后 加热来分解化合物。总的反应式如下a l ( c h 3 ) 3 + n h 3 = a i n + 3 c h 4 。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。 ( 3 ) 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 技术的应用范围口9 。有些薄膜的沉积如采用普通 7 两华人学硕士学位论文 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 和性能恶化，并避免薄膜与衬底中出现较大的热应力m 3 ，从而得到了完全符合 要求的、质量较高的a i n 薄膜。 ( 4 ) 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1 n m h 。 ( 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 个数量级。在制备a 1 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 8 西华人学硕士学位论文 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 1 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 l 3 或a 1 b r 3 、n h 3 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 1 4a 1 n 薄膜的应用前景和发展方向 氮化铝薄膜性能的特殊性和优异性决定了其在多方面的应用。氮化铝薄膜 已经被广泛应用作为电子器件和集成电路的封装中隔离介质和绝缘材料；作为 l e d 工程中最为瞩目的蓝光、紫外发光材料，被人们大量的研究；氮化铝薄膜 还是一种优秀的热释电材料；而用于氮化镓与碳化硅等材料外延生长的过渡 层，s o i 材料的绝缘埋层以及g h z 级声表面波器件压电薄膜则是氮化铝薄膜今 后具有竞争力的应用方向。 ( 1 ) 过渡层 作为重要的宽禁带半导体材料，氧化锌( z n o ) 、氮化镓( g a n ) 与碳化 硅( s i c ) 都是目前国际上的研究热点。由于和蓝宝石、硅的晶格失配度过大， 直接在这两种衬底上生长的z n o 、g a n 和s i c 薄膜质量较差，很难达到器件 工艺要求。i a k a s a k i h 报道了用氮化铝作为缓冲层能显著提高g a n 薄膜外延 9 西华大学硕十学位论文 质量，电学和光学性能也有明显改善。a 1 n 和z n 0 晶格结构相同，晶格失配 度小，热膨胀系数相差不大，因此，a 1 n 薄膜是制备z n o 薄膜的最合适的缓 冲层。a i n 与g a n 晶格失配度小，且可形成连续固溶度的固溶体g a 。a i l 找n ( x 在0 1 问变化) ，其禁带宽度e g 可随之在3 4 - 一6 2 e v 间变化。因此，可根据 器件需要确定x 值，制备出合适的固溶体材料。因此g a l a l l x n 是短波长光电 子学领域的优选材料。在此基础上可研制具有更优异性能的g a n g a 。a 1 1 x n 异 质结。d g z h a o h 2 3 等人发现：用作过渡层的a 1 n 薄膜经过长时间退火并且当 其具有理想的厚度时可以促进g a n 的岛状生长和小岛联并；g a n 的质量取决 于a 1 n 薄膜的表面形貌，特别是a 1 n 的晶粒大小和形核密度。a i n 与s i c 的 晶格失配小于1 ，并且二者可以以任意组分互溶。显然，将a 1 n 用于s i c 延 过渡层，外延质量可明显提高。 ( 2 ) s o i 材料的绝缘埋层 s o l ( s i l i c o no ni n s u l a t o r ) 器件具有高速、功耗小及抗辐照等突出优点，并 且是未来三维集成电路的基础。因而，s o i 技术被视为二十一世纪的硅集成电 路技术。目前，s o i 材料制备技术采用s i 0 2 作为埋层，但由于s i 0 2 导热性极 差，限制了s o i 技术在高温与大功耗情况下的应用。显然，用另外一种导热 性能更好且与硅衬底能较好匹配材料代替s i 0 2 可以进一步提高s o l 技术的应 用范围，使得在不提高s o i 器件温度的前提下，可允许器件的功耗增大。由 于氮化铝具有较高的介电常数以及氮化铝与s i 具有良好的兼容性使其成为取 代s i 0 2 的首选材料。s b e n g t s s o n h 3 3 等人用在s i 衬底上通过反应磁控溅射沉积 a 1 n 薄膜和另一硅薄膜，首次用b e s o i 技术制成功用a 1 n 作埋层的s o i 新结 构，为制作新型s o i 结构材料和拓宽s o i 技术应用范围开辟一条新路。另外， 由于s i c 器件的出现，a 1 n 薄膜突出的导热绝缘性能使得s i c a 1 n 结构也成为 s i c o i ( s i co ni n s u l s t o r ) 的一种形式，是一种新型s o i 材料h 4 j 。 ( 3 ) 声表面波器件( s a w ) 用压电薄膜 s a w ( s u f a c ea c o u s t i cw a v e ) 器件是利用材料的压电特