（物理电子学专业论文）用于fbar技术的aln薄膜的研究.pdf

浙江大学硕l 毕业论文 摘要 随着个人通讯系统( p c s ) 的迅猛发展，通讯设备中心频率的提升成为一个引 人关注的问题。当前，操控频率已经提高到g h z 级别，介质滤波器和声表面波 ( s a w ) 滤波器由于自身的种种限制已经不能很好的适应频率的提升和器件的小 型化需要。f b a r 作为一种新型的滤波器，具有体积小、工作频率高、插入损耗 低、带外抑制大、高q 值、大功率容量、低温度系数、以及良好的抗静电冲击 能力和半导体工艺兼容性等优点，具有良好的发展前景。 a l n 薄膜是薄膜声体波滤波器( f b a r ) 器件的核心部分。a 1 n 具有高的声 体波波速、较好的压电性能、较低的介质损耗等特点，因此a 1 n 成为f b a r 压 电薄膜的理想材料。本文选择a 1 n 薄膜的制备为主要研究内容，从理论和实验 两个角度来研究不同的工艺参数对a l n 薄膜沉积速率和以( 0 0 2 ) 面择优取向的 影响。a 1 n 薄膜成膜速率过低是影响f b a r 技术发展的一个瓶颈，提高成膜速率 是本文的一个主要研究方向。理论使用b e r g 模型建模分析工艺参数对磁控反应 溅射迟滞效应的影响，实验使用射频和直流磁控反应溅射来制备所需的a l n 薄 膜，根据理论分析调整实验参数以获得较高速率和较好取向的a l n 薄膜。实验 中，用射频磁控溅射在6 0 分钟内制备出厚度达2 3 u m 的a l n 薄膜，沉积速率高 达3 8 7 n m m i n ，这样高的速率国内文献未见报道，完全满足f b a r 器件的需要。 择优取向关系到f b a r 的谐振特性，实验中制备的a l n 薄膜( 0 0 2 ) 面取向良好， x r d 衍射峰半高宽较小，s e m 截面图织构清晰。 结果表明：较小的氮气分压( 2 0 - 2 5 ) ，较低的反应气压，较高的溅射功率， 适当的基片加热和适当减小靶基距有利于提升a l n 薄膜的沉积速率和获得更理 想的( 0 0 2 ) 面择优取向。通过优化工艺参数，可以完成a l n 薄膜高速、高质量的 制各，对f b a r 器件的产业化有重要意义。实验最后还制备出较为粗略的大尺 寸压电震荡堆，并测试了其谐振频率。 关键字：f b a r ，a 1 n 薄膜，磁控反应溅射，沉积速率，( 0 0 2 ) 面择优取向 浙江大学硕上毕业论文 第1 章绪论 1 1 论文研究动机及章节安排 l ，1 f 1 本文研究动机 当前，个人通信系统，卫星传输和其他种类的无线数据通讯的快速发展使得 中心频率提升到了g h z 级。在g h z 频段，需要有更高性能和集成化的微型滤波 器与之适应，l c 振荡器、陶瓷振荡器、横波振荡器等对于射频通讯系统显得体 积实在太大了。 传统电子声学技术另一个缺点是在微波领域使用单晶压电材料形成压电陶 瓷，难以与i c 制造工艺相容，这些材料由自身性质所决定的特定声波传输速率 和器件体积一起限制了操作频率，并且减小器件体积会直接导致制造成本的巨大 增加。以压电薄膜为核心的s a w 和b a 、v 滤波器虽然可以更加微型化和适应更 高的中心频率，但是s a w 滤波器由于受限于光刻工艺精度而影响中心频率的进 一步提升，因此在更高的频段下( 2 g h z 2 0 g h z ) ，薄膜体声波振荡器( f b a r ) 目前被认为是更理想的解决方案。f b a r 拥有很多优异的性质，如小的体积，高 o 值，低的插入损耗，高的功率容量等，而且制造成本也可控制在较低的水平。 f b a r 技术同时运用了快速发展的薄膜制备技术，使得薄膜的性能参数可以得到 更加精确的控制。 在f b a r 技术中，压电薄膜材料的选择对f b a r 器件性能有很大影响，这些 材料应在宽频带下具有良好的压电性能，低的介质损耗以及高的稳定性，同时薄 膜材料制作工艺应符合i c 平面工艺要求。a l n 被认为是理想的f b a r 压电材料， 国外科研机构和大型企业投入大量人力和财力来研究f b a r 技术和a l n 薄膜， 并能实现产业化；而在国内，由于f b a r 器件设计的难度和a l n 薄膜本身成膜 速率较低，不易良好取向等诸多原因，致力于f b a r 的研究的机构还比较少， 拥有自主知识产权的产业化生产也未见进行。本文主要研究a 1 n 薄膜的制备工 艺，研究各种工艺条件下a l n 薄膜性能的改变，以期能快速高质量的制备出适 用于f b a r 技术的a l n 薄膜。下面是本论文的章节安排。 1 1 - 2 本文结构和主要工作 第一章绪论，概述f b a r 的原理和最新发展，重点论述f b a r 的研究进展和 浙江大学硕十毕业论文 发展前景。论述用于f b a r 技术的a l n 材料基本压电和电、热、光学特性，以 及a l n 在压电及其他领域的应用，概述a l n 薄膜的组织结构以及基本制备技术。 第二章，论述a l n 薄膜主要的制备技术一磁控反应溅射的原理和存在的问 题，并通过理论建模分析反应溅射，找出调整实验参数提高成膜速率和减轻迟滞 效应的方法。 第三章，结合理论分析和实验数据，论述a 1 n 薄膜的沉积速率，择优取向 与各种实验参数的关系。找到一组较为合适的实验参数，此时，可以快速高质量 的制备c 轴定向的a l n 薄膜。制各出较为粗略的大尺寸压电震荡堆，测定它的 谐振曲线。 第四章，总结理论分析和实验结果，指出论文还存在的不足。 1 2 用于射频前端的f b a r 介绍 个人通讯系统的快速发展特别是多媒体技术在移动通信领域的广泛运用使 得移动电话已不仅仅满足通话，短消息等相对“低端”需要，而大量的多媒体模 块，如摄像头，m p 3 解码器，红外蓝牙适配器等等逐渐被容纳入本身体积就严 格受限的移动电话中。这样，射频前端就不得不朝着微型化发展。目前，射频集 成电路( r f i c ) 的发展已经可以使射频前端的很多原本分立的元件集成化，然而双 工器或者射频滤波器却很难被集成。如何使双工器和滤波器集成到射频前端芯片 中是一个技术难题。 1 2 - l 射频前端双工器 双工器是射频前端重要的器件，其作用是将发射和接收信号相隔离，保证接收和 发射都能同时正常工作。图1 1 是c d m a 的射频前端结构图。 2 浙江人学领十毕业论文 图1 lc d w a 的射频前端结构图 双工器主要有蕊种双工方式： 一种是“时分双工( t d d ) ”，发送和接受共用一个频率，基于时间划分，一半时 间用于发送，另一半时间用于接受，使用开关控制发送和接受的交替工作。t d d 的特点是接收通道和发送通道的隔离度很好；而缺点也是显而易见的，即收发共 用一个频段，这必将降低接收灵敏度。这种双工方式主要用于对讲机和g s m 手 机。 另一种是“频分双工( f d d ) ”，是将发送和接受放置在不同的频率点，为保证接 收通道和发送通道的隔离，必须在前端加入两个严格设计的射频带通滤波器。 f d d 可以实现同时进行发送和接受，避免接收机不受其它发射机产生的强干扰 信号的影响。这种双工方式主要用于c d m a 手机，如图1 1 所示。 1 2 2 用于f d d 的射频带通滤波器 滤波器是一种选频装置，它允许输入信号中的特定频率成分通过，同时抑制 或极大地衰减其它频率成分，带通滤波器即可以用来限定大功率发射机在规定频 带内辐射，反过来又可以用来防止接收机受到工作频带以外的干扰【1 】。图1 2 为 一个典型带通滤波器的频率相应图。 浙江大学硕士毕业论文 图1 2 一个典型带通滤波器的频率响应 由于f d d 方式的双工器需要隔离接受和发射频段，所以前端必须加上带通 滤波器。对滤波器的要求是需要降低插入损耗及抑制噪声，同时由于c d w a 的 频带间隙非常狭窄，例如北美p c s l o o o 系统发送和接受频段之间仅有2 0 m h z 的 频带间隔( 发送：1 8 5 帖1 9 1 0m h z ；接受：1 9 3 肛1 9 9 0 m i z ) ，也就是说这仅仅 l 的间隔对滤波器提出了极为苛刻的q 值要求；考虑到射频前端器件的体积， 微型化和集成化的滤波器也是必然的要求。 1 _ 2 2 1 介质滤波器，声表面波滤波器简介和发展 介质滤波器使电磁波在表面覆盖金属的电介质材料中谐振，谐振器在电磁波 的传播方向上的长度，近似等于谐振频率的半波长，而达到滤波目的。如图1 _ 3 所示。 卜1 一 图1 3 介质滤波器结构 介质滤波器具有良好的功率容量，较低的插入损耗，比较高的q 值等优点， 4 浙江人学硕士毕业论文 各，产业化前景比较广阔。 ( g ) ( h ) ( i ) 图1 6 空气腔制备流程 布拉格反射层型【7 】：布拉格反射层由厚度均为四分之一波长的高声学阻抗层和 低声学阻抗层交替叠加构成，一般采用w 和s i 0 2 这两种声阻差距较大的材料叠 层，见图1 7 。布拉格反射层较空气腔反射声波能力略差，压电震荡堆q 值较低， 优点在于结构比较牢固，工艺较简单，图l - 8 是布拉格反射层示意图。 图1 7 布拉格反射层 8 浙江大学硕士毕业论文 1 2 3f b a r 技术国内外研究进展及应用前景 1 2 3 1f b a r 技术研究历史及国内外研究进展 早在1 9 6 5 年，n e w e i l 便制成了布拉格反射形的薄膜谐振器。s l i c k e r 和r o b e n s 在1 9 6 7 年制成了c d s 薄膜谐振器。l a k i n 和w a n g 在1 9 8 0 年在s i 芯片上制成了 基波频率为4 3 5 m h z 的薄膜谐振器。美国的a g i l e m 公司经过长达十年的攻关研 究，于2 0 0 1 年首先将f b a r 技术商业化，推出了1 9 g h zp c s 的c d m a 双工器， 其见图1 8 8 】。 图1 8a 沓l e n t 的h p m d _ 7 9 0 4 型双工器 随后美国的t f r 公司、荷兰飞利浦公司、德国的i n f i n c o n 公司以及韩国的a n t 公司也相继推出了自己的f b a r 产品。截止2 0 0 5 年l o 月，美国f b a r 相关专 利已多达1 0 0 余项，其中以a g i l e n t 为最，同时，i n t e l ，富士通，意法半导体等 公司，以及美国南加州大学，韩国i c u 大学，欧洲u p p s a l a 等大学也积极跟进研 发f b a r 技术。2 0 0 6 年1 月，美国安华高科技a v a g ot e c l l i l o l o g y ( 收购a g i l e n t 半导体部) 宣布f b a r 出货量突破2 亿只。而国内，2 0 0 4 年1 月沈阳科希一硅 技半导体技术第一有限公司( 由美国科希国际公司和韩国st l 株式会社合资创 办) 正式投产，标志着我国继美国，韩国之后成为世界上第三家可以生产f b a r 器件的国家。然而国内研发实力严重不足，目前尚无f b a r 相关专利( 除三星 等外国公司在华注册外) ，研究的机构、企业都还不多。国内只有清华大学，南 京大学，浙江大学，国立成功大学，台湾大学等寥寥几所大学有相应的论文、成 果发表，与国内 国公司在华注册外)，研究的机构、企业都还不多。国内只有清华大学，南 浙江大学硕十毕业论文 1 2 - 3 1 2f b a r 技术的发展前景 因为f b a r 的种种优势，f b a r 目前得到了越来越广泛的应用，全球各大手 机厂商对f b a r 相关产品需求旺盛，总计月出货量可达1 5 0 0 万只以上，例如三 星的手表式c d m a 手机和a i rp “m e 的带p d a 功能的c d m a 手机中均采用了 f b a r 器件【9 】。 一些著名的市场分析与预测机构，如美国的i s u p p l i 、日本的n a v i a l l 、德国 的w t c ( w i c h tt e c l l l l o l o g i ec o n s u l t i n g ) 等都对未来几年f b a r ，b a w 的市场作 出了乐观的估计，n a “a 1 1 的分析数据和w t c 的预测数据如图1 9 和图1 1 0 所示。 图1 9n a v i a n 公司提供的三种滤波器历年销售情况直方图 1 0 】 m a 俄e t 阳rr f 酣呈m s 纛a wd 9 v i c e s 图1 1 0w 1 对未来b a w 的市场预测【1 1 】 从中可以看出，f b a r 的发展潜力相当巨大，国内产业化前景极其广阔。 1 0 浙江大学硕士毕业论文 1 3 用于f b a r 技术的a i n 压电材料以及a l n 薄膜的结构特征 1 3 1 压电理论概述 1 3 1 1 压电效应及压电方程 压电效应是1 8 8 0 年由居里兄弟首先发现的。当介质在外力作用下发生形变 时，在某些相对应的两个表面产生符号相反的束缚电荷，没有电场作用只是由于 形变产生的极化现象就称之为正压电效应；反之，当有压电性的介质施加一电场 时，不仅产生了极化，同时还产生形变，这种有电场产生形变的现象称为逆压电 效应。压电体的正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。在三十二种点群的晶 体中，具有非对称中心点群的晶体才可能具有压电效应，而每种点群晶体不为零 的压电常数最多1 8 个。 对于弹性材料，根据胡克定律，应力t 和应变s 有简单的函数关系赶t ，s ) ： 弘铝，c 为弹性刚度常量( 1 1 ) 同理，介电理论中，电介质电场e 和产生电极化的电位移d 同样具有简单 的函数关系贝e ，d ) ： d = e ，为介电常数 n 2 1 对于非压电性介质，苁t ，s ) 与以e ，d ) 之间毫无关联。然而对于压电介质， 不仅和5 有关，还与d 或e 有关，d 也不仅与e 有关，还与r 或j 有关，因此 压电方程是用来描述这四个量之间的关系。 任取r 、s 中的个与e 、d 中一个作为一对自变量，剩余两个为应变量， 我们可得到四组压电方程： l s = s 6 t + d e，、i t = c 5 s e e d ；d t e ( 1 3 d ：蓉二：f ( 】4 ) 盛= 嚣s ，靡2 ：嚣6 ， 式( 1 3 ) 、( 1 4 ) 、( 1 5 ) 、( 】6 ) 分别称为第一类、第二类、第三类和第四类压电 方程。其中，为短路弹性顺度常数，j d 为开路弹性顺度常数，它们的量纲为 m 铆；，为短路弹性劲度常数，为开路弹性劲度常数，它们的量纲为n m 2 ：， 为自由介电常数，5 为夹持介电常数，它们的量纲为f y m ；为自由介质隔离 浙江大学硕l 毕业论文 常数，口5 为夹持介质隔离常数，它们的量纲为m ，f ；d 、d l 为压电应变常数，其 量纲为m ，v ( 或c n ) ；g 、g t 为压电电压常数，其量纲为v m ，n 或m 2 c ：p 、 ，为压电应力常数，其量纲为c m 2 ；矗、 。为压电劲度常数，其量纲为v m 或 n c 【1 2 】【1 3 】。 1 3 1 2 压电振子的参数 ( 1 ) 串联谐振频率与并联谐振频率 压电振子是最基本的压电元件，它是被覆激励电极的压电体。若压电振子是 具有固有振动频率五的弹性体，当施加于压电振子上的激励信号频率等于工时， 压电振子由于逆压电效应产生机械谐振，这种机械谐振又借助于正压电效应而输 出电信号【1 4 】。 压电振子谐振时，输出电流达最大值，此时的频率为最小阻抗频率厶，当信 号频率继续增大到工时，输出电流达最小值，石为最大阻抗频率，如图1 5 ( b ) 所 示。 根据谐振理论，压电振子在最小阻抗频率岛附近，存在一个使信号电压与 电流同相位的频率，这个频率就是压电振子的串联谐振频率石，同样在五附近存 在另一个使信号电压与电流同相位的频率，这个频率叫压电振子的并联谐振频率 石。只有压电振子在机械损耗为零的条件下，厶亏，二坼。 ( 2 ) 机械品质因数及机电耦合系数 由于压电晶体具有压电效应，当对一个按一定取向和形状制成的有电极的压 电振子输入电讯号时，如果讯号频率与振子机械谐振频率相一致，就会使振子由 于逆压电效应而产生机械谐振。压电振子谐振时，要克服内摩擦而消耗能量，会 造成机械损耗。机械品质因数反映压电振子在谐振时的损耗程度，它的定义为： d ：! 堂堡堕量旦曼生查堡塑塑塑堂量“7 ) 。” 谐振时每周晶片机械损耗的能量 压电效应中应力t 和应变s 导出的力学量与电场e 和电位移d 导出的电学 量之问的相互转换关系，称为机电耦合。机电耦合系数足是反映压电材料的机 械能与电能之间相互耦合关系的物理量。很多压电器件的性能指标，诸如压电滤 浙江大学硕七毕业论文 波器的带宽、压电变压器的升压比、叉指换能器的辐射阻抗、多条耦合器最佳转 换长度等等，都直接与机电耦合系数有关。它的定义是： 如型鬻蒜学 s ， 或者 ，：通过正压电效应转换的电能，、o 、 2 1 莎溺丽丽蕊r ， 机电耦合系数客观反映了机械能与电能之间耦合的强弱，对于f b a r ，可以 引入等效机电耦合系数k 刍，定义式为： 三五 夸葙 t 锄j 一! o i ( 1 1 0 ) 跟p 近似，等效机电耦合系数k 刍用来表示f b a r 串联谐振频率石和并联 谐振频率石的距离，同时也表示f b a r 滤波器的带宽，k 越大，则构成滤波器 的带宽也越大。 1 3 2a l n 压电材料特性 1 3 2 1a l n 的晶胞结构和压电性 在f b a r 中，核心是三明治结构中的压电薄膜，压电薄膜的质量直接影响到 f b a r 的性能。对于压电薄膜材料的选择，我们选用氮化铝( 越n ) 作为压电材料。 越 x 塑兰查兰塑兰些笙苎 性能不良。图1 1 2 是c 轴垂赢于基片的a l n ( 0 0 2 ) 薄膜的组织结构示意图。可以 看出各微晶的c 轴并非严格垂直于基片，而是略有倾斜。后文将讨论薄膜制备条 件对a l n 薄膜择优取向的影响。 f 0 0 2 1 图1 1 2 择优取向a l n 薄膜组织结构 1 3 4a 1 n 薄膜的制备技术 为实现a l n 在微电子、光电子及s a w ，b a w 器件等方面的应用，在不同衬 底上制备a l n 薄膜是十分关键的。几乎所有成膜技术，包括溅射( s p u t t e r i n g ) 、化 学气相沉积( c v d ) 、脉冲激光沉积( p l d ) 和分子束外延( m b e ) 等都曾被人们 用于a 1 n 薄膜的生长 1 7 。 ( 1 ) 磁控溅射方法 溅射这一物理现象是1 3 0 多年前g r o v e 发现的，现已广泛应用于各种薄膜的制 备之中。所谓“溅射”是指荷能粒子轰击固体靶表面，使固体原子( 或分子) 从表 面射出的现象。溅射出的粒子多呈原子状态，常称为溅射原子。溅射技术的最新 成就之一是磁控溅射，起源于2 0 世纪7 0 年代初。磁控溅射中引入了正交电磁场， 改变电子的运动方向，提高了电子对工作气体的离化率，有效利用了电子的能量， 可以快速制备所需要的薄膜。 ( 2 ) 真空蒸发方法 真空蒸发是在真空室中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子 或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到固体基片表面，凝结形成固态薄膜 的方法。真空蒸发所需的设备简单、容易操作。缺点是蒸发不易获得结晶态结构 的薄膜，薄膜在基片上的附着力也较小。 ( 3 ) 激光溅射方法 用高能量密度的脉冲激光束在高真空中直接溅射固体样品以产生原子簇流， 1 7 浙江人学硕士毕业论文 入射到基片，从而形成了薄膜。激光源一般为脉冲激光，要求真空室本底气压至 少在l o 4 p a 以下，系统一般不引入任何气源，因而不能进行反应溅射。 ( 4 ) 分子束外延方法 在超高真空的条件下，将薄膜诸组分元素的分子束流直接喷到衬底表面，从 而在其上形成外延层。其突出的优点是能生长极薄的单晶膜层，且能够精确控制 膜厚、组分和掺杂。然而对于a 1 n 薄膜多晶薄膜制备难度极大。 ( 5 ) 化学气相沉积方法 化学气相沉积方法是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的气体供给 基片，利用加热等离子体等能源，借助气相作用或在基片表面的化学反应生成薄 膜的一种方法。这种方法不同于前面几种p v d 方法。由于c v d 法是利用各种气 体反应来组成薄膜，所以可任意控制薄膜组成，并且适宜于复杂形状的基片。缺 点是需要高温加热。 ( 6 ) 粒子注入法 粒子注入法是用大量的离子注入基片成膜。当注入的氮气离子浓度非常大 时，由于受到铝基片物质本身固溶度的限制，将过剩的铝原予析出。这是注入离 子将和铝原子发生反应，形成a l n 薄膜。但是粒子注入制备多晶薄膜成本较高， 不利于产业化应用。 综上比较多钟制各工艺，磁控溅射被认为是a l n 薄膜最为理想的制备技术。 因为磁控溅射工艺简单，可以低温高速制备出不同组分的薄膜，非常适合a l n 薄膜的制备。 1 4 本章小结 本章论述了用于射频前端的f b a r 基本原理和研究进展，以及用于f b a r 技 术的a l n 材料在压电和其他方面的特征和特性，a l n 有着较好的压电性能，较 高的体波波速，较低的介质损耗和优越的稳定性。同时，a l n 在力学，热学，电 学等方面的良好特性使得a 1 n 在其他多方面得到了广泛的应用。本章还概述了 a l n 薄膜的择优取向和制备技术，由于磁控溅射制备a l n 薄膜方法简单，成本 较低，效率较高的特点，使磁控溅射成为a l n 薄膜的首选制备技术。 下一章将通过建模理论分析磁控反应溅射制备参数对薄膜性质的影响。 1 8 浙江大学颂毕业论文 为有小孔洞的连续状结构。因为核或岛的联并都有类似液体的特点，这种特性能 够使沟渠和孔洞很快消失，最后消除高表面曲率区域，使薄膜的总表面自由能达 到最小。 ( 4 ) 连续膜阶段。在沟渠和孔洞消除之后，再入射到基片表面上的气相原子 便直接吸附在薄膜上，通过联并作用而形成不同结构的薄膜。多数沟渠的填充， 被认为是从岛的较高处扩散，而不是新入射原子沉积的结果，整个过程必然导致 所沉积薄膜表面逐渐变得平滑。 2 2 磁控反应溅射 2 2 1 磁控反应溅射法介绍 我们采用磁控溅射的技术来制备a l n 薄膜。磁控溅射是七十年代发展起来 的一种新型溅射技术，目前已经在科研和生产中实际应用。 磁控溅射靶采用静止电磁场。磁场为曲线型。均匀电场和对称电场则分别用 于平面靶和同轴圆柱靶，而s 枪靶介于二者之间。它们的工作原理是相同的，以 图2 2 说明如下： 图2 2 磁控溅射原理图 电子在电场作用下，加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞。若电子有足 够的能量( 约3 0 e v ) 时，则电离出a r + 并产生电子。电子飞向基片，由于溅射镀 膜工作于辉光放电的异常辉光放电区。当异常辉光放电时，阴极位降区( 即辉光 浙江大学硕士毕业论文 放电形成的等离子鞘层) 变短，阴极位降升高( 既等离子鞘层中的电场强度变大) ， 通过阴极位降区的正离子a r + 的动能将增大，在电场作用下加速飞向阴极( 溅射 靶) 并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子( 或 分子) 沉积在基片卜形成薄膜；二次电子e l 在加速飞向基片的同时受到磁场b 的洛仑兹力作用，以摆线和螺旋线状的复台形式在靶表面作圆周运动。该电子的 运动路线很长，且被电磁场束缚在靠近靶的表面的等离子体区域内。在该区中电 离出大量的a r + 离子用来轰击靶材，因此磁控溅射具有沉积速率高的特点。随着 碰撞次数的增加，电子能量逐渐降低，同时远离靶面。低能粒子将如图中的e s 那样沿着磁力线来回震荡，待电子能量将耗尽时，在电场e 的作用下最终沉积在 基片上。由于该电子的能量很低，传给基片的能量很小，使基片温升较低。在磁 极轴线处电场与磁场平行，电子e 2 将直接飞向基片。但是，在磁控溅射装置中， 磁极轴线处离子密度很低，所以e 2 类电子很少，对基片升温作用不大。 综上所述，磁控溅射的基本原理就是以磁场改变电子运动方向，束缚和延长 电子的运动路径，提高电子的电离几率和有效的利用了电子的能量。因此，在形 成高密度等离子体的异常辉光放电中，正离子对靶材轰击所引起的靶材溅射更加 有效，同时受正交电磁场的束缚的电子只能在其能量将要耗尽时才能沉积在基片 上。这就是磁控溅射具有“低温”、“高速”两大特点的机理。 磁控溅射可分为直流磁控溅射，射频磁控溅射和中频磁控溅射。这三者的区 别在于加在阴极，也就是靶上的电压为直流电压，射频电压，和中频电压。 直流磁控溅射在靶上加的是负电压，这样，把作为阴极，可以吸引惰性原子 的的正离子轰击靶材，但是有一个缺点是只能用于导电靶材，因为一旦靶材不导 电，在把表面就会积累正离子，使得靶的电位升高，不能吸引正离子轰击，造成 溅射停止，我们也称为靶中毒。 为克服直流溅射只能制备导电膜的缺点，在靶上引入射频电压，此类溅射称 为射频溅射。射频溅射的电源频率可在1 3 0 m h z 范围内变化，通常使用的是 1 3 6 m h z 。与直流溅射靶上有正离子积累相反，射频溅射靶上有电子积累，靶表 面电压自动偏置为负值，从而能制得 体膜和介质膜。在射频电场的作用下， 电子在阴阳极之间的空间来回震荡，有更多的机会与气体分子碰撞电离，因此， 浙江大学硕十毕业论文 在溅射镀膜过程巾，有意识地将某种反应气体引入溅射窒并达到一定分压， 即可使靶材原子与反应气体原子发生反应，改变或控制沉积特性，从而获得不同 于靶材的新物质薄膜，如各种金属氧化物、氮化物碳化物及绝缘介质薄膜等，这 种制备薄膜的方法称为磁控反应溅射法。 制各多晶择优取向的a l n 薄膜采用磁控反应溅射，用高纯金属a l 靶材和高纯 n 2 反应气体在a r 气氛下制备a l n 薄膜，避免了制备高纯a l n 化合物靶的繁难，除 了上述提到的低温、高速等特点外，磁控反应溅射还有薄膜致密，内应力小，附 着力强等优点。如图2 3 所示。 图2 - 3 反应溅射沉积a l n 薄膜示意图 浙江大学硕l 毕业论文 2 2 - 2 磁控反应溅射的迟滞效应 越 诗 繁 j 茜 图2 4 反应溅射中的迟滞回线 在反应溅射过程中，可以观察到图2 4 所示的现象：对一块新的金属靶而 言，随着注入真空室的反应气体流量q 的增加，最初溅射速率r 几乎保持不变， 其后虽有所减小，但其数值与纯m 状态下的溅射速率相比减小得不多，此时沉 积膜基本上是金属态。但是当q 的值增加到某一个临界值q ”时，溅射速率会发 生突然的跌落，如图3 - 3 所示由a 到b 的跌落。此时沉积膜呈化合物态。此后q 再进一步增加，r 的变化不大，b 点附近出现靶中毒态，沉积速率致保持很低 的水平【2 0 】。 在化合物态逐渐减小注入真空室反应气体的流浪q ，即使q q ”，溅射速 率也不会跳跃，而是呈现缓慢回升的状态，直到q 减小到q ，r 才会突然上升 到金属态的数值。 这种效应称之为反应溅射的迟滞效应。迟滞效应是不希望有的，因为在迟 滞回线对应的过渡区内有两种溅射状态，对溅射化合物而言，很可能要面临沉积 速率极低的情况。所以减轻迟滞效应，对提高反应溅射速率很有帮助。下一节， 我们将通过理论建模的方法，讨论减轻迟滞效应的方法。 2 3 磁控反应溅射的理论建模分析 2 _ 3 1 反应溅射工艺模型 2 3 1 1 模型的定义 我们采用b e r g 等人提出的b e 曜模型 2 l 】【2 2 】，分析反应溅射过程中各参量 之间的关系。 浙江大学硕士毕业论文 泵的抽速是s ，那么 q p = s p 反应气体总流量就是三部分的和： q f 。l = q q q p ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 2 3 1 8 建模分析反应溅射 由以上的分析和公式可以看出，反应气体流量9 d ，靶面刻蚀速率r ，薄膜沉 积速率d ，反应气体分压p 等相互有一定的关系，因此，通过建模分析可以更直 观的研究反应溅射，建模参数见表2 1 。 参数数值 抽速s ( u ) 8 0 化合物( a | n ) 溅射产额k 0 3 金属a i 溅射产额y m 1 5 基片上金属和气体分子的反应几率吼 1 靶面面积a ( c m 2 ) 1 5 0 基片面积a c ( c m 2 ) 2 5 0 0 电流，( a ) 0 5 电流密度ji ，a c 12 6 9 8 2 ，n a c 24 0 9 8 8 ，n a 常数数值 阿弗加德罗常数n a 6 0 2 1 0 2 3 波尔兹曼常数丘( j ，k ) 1 3 8 x 1 0 - 2 3 n 2 的摩尔质量( k g ，m o i e ) 0 ，0 2 8 基本电荷q ( c o u i ) 1 6 0 2 1 0 一9 表2 1 反应溅射过程的仿真参数 仿真结果如同图2 6 所示： 浙江大学硕十毕业论文 2 3 2 工艺参数对迟滞蓝线的影响 2 3 2 1 系统抽速对迟滞曲线的影响 图2 8 显示了不同抽速对迟滞曲线的影响，其也预示着当抽速足够高时，迟 滞现象将消失。因此，提高抽速是减轻迟滞效应的一个有力手段，不过想要完全 消除，系统抽速需要相当高。 皇“p ，1 2 唧，g “p ，4 珊，翰p ，8 0 ) 氨气流量( 。c c 岣 图2 8 系统抽速对迟滞曲线的影 2 3 2 2 靶功率对迟滞曲线的影响 增加溅射功率似乎可以减小迟滞效应，因为高的功率会提高靶材的溅射产 额，从而可以防止靶中毒，然而，事实并非如此。如图2 9 所示在不同的离子电 流下仿真得到的靶归一化刻蚀速率和氮气流量之间的曲线，靶功率的增大，即溅 射电流的增大，只是把曲线放大了而已。其实，从图上可以看出，在不同的溅射 电流下，反s 型迟滞曲线的两个拐点分别呈通过原点的线性放大，如图中的两条 细直线所示。因此，不可能通过增加溅射电流，即靶功率来减小迟滞效应。 斟覃甚幂芒1互恒辫 浙虹大学硕士毕业论文 如以o j ) ，如# p ，1 ) ，口“，l 筇，如妒2 ) 氨气流量( 。c c 岣 图2 9 靶功率对迟滞曲线的影响 从图中还可以看嗣瞄吲荆刖鬻：婺萄舔唏科翰鞴醚殛，囊拍荫声表面 波波：毫篓霾敝觋镩铲慧犁誊；譬璃嘣嘟愎蕴帚僻；音甜碧埚蔼萌萎凇鬟_ 几1 斟粉全= 囔逋罐壤m 漫唯畦i ! i 荽童划出佩猢截耐毫商照蕊幕 释樽拍茼* 氖高鬓翟甘甜，最巍波波速，使得相同大小的器件可以承载高得多 的频率，譬如刖n 的表 面波速是所有压电材料最高，几乎是l i n b 0 3 和l it a 0 3 的2 倍，这样，采用a l n 薄膜的s a w 器件在不减小叉指电极宽度情况下，就可将中心频率提高一倍。同 时，a l n 拥有效低的介电损耗和温度系数，有利于减小f b a r 器件的插损和温漂， 再者，a l n 薄膜制造工艺相对简单，可以大规模批量化制备，综上，a l n 是目前 浙江丈学顾十毕业论文 掣马 群o ) 彤功 掣o ) o 耳羹 爆； 攀i 善；i ；l ，；萎。羹l 寡：罄- ；i 2 ；! 冀i 嚯j i i 警甄! 瓢衢嚣稚萋：；蠹 耋； ! 珀孙茧而裂即雾屿脐曲瀵 雪善鼍j 萋肄融曙喜霹塑谋劣柳模集威 电路军喜磕糙辕甫暇葛竿镐型蠢霹隔强籍磐瞀箬；嫡浚陪i 囊冀撵篱蚤 譬i 笔“；嵫馐淄蠢蔼淬冶璃崔偻嗜滢攫泌烛哆髀鲢。峒拍骺叫力。虢阱翡懿班 娥骐率 模块。a l n 陶瓷还可用作 熔炼有色金属和半导体材料砷化镓的坩埚、蒸发舟、热电偶的保护管、高温绝缘 件、微波介电材料、耐高温及耐腐蚀结构陶瓷及透明a l n 微波陶瓷制品。 a l n 属于直接带隙半导体，其禁带宽度为6 2 e v ，是重要的蓝光、紫外无机发 光材料，还易与g a n 、i r l n 等发光材料形成固溶体实现由红光到紫外的全色显示。 国内外对a l n 以及a l n 的复合材料光学性能的广泛研究，必将推动半导体光学 器件的发展。 1 3 - 3a l n 薄膜的组织结构 浙江大学硕+ 毕业论义 第3 章实验过程及讨论 3 1 实验设备 3 1 1 镀膜设备 实验采用浙江大学信电系薄膜研究室制造的多靶溅射仪。该设备为直流磁控 溅射仪，由镀膜室、真空系统、水路、气路及电控部分组成。镀膜室内配置三个 6 0m m 的平面磁控溅射靶，每个靶均可接6 0 0 w 的直流溅射电源或5 0 0w 的 射频溅射电源。真空系统采用前级机械泵+ 涡轮分子泵抽取真空。基片置于可旋 转的基片台之上，可通过升降样品台束调节靶基距。用真空测量系统采用z d f 一1 微机型数显复合真空计，全量程自动切换，超量程自动过载保护。充气系统可同 时充入两种气体，采用针阀控制气体流量。冷却系统分为镀膜室水路，分子泵水 路，磁控溅射靶水路。水路装有水压继电器，断水时会发出警报。加热单元为不 锈钢电热丝加热器，用p i d 智能温控仪控制基片温度。 本设备真空度可达1 0 4 p a ，基片温度从室温可加至5 0 0 ，均满足实验所需 条件。 图3 1 为镀膜系统原理图。 图4 1 镀膜系统原理图 3 1 2 实验测试设备 s i 刚o n 一1 0 0 型场发射扫描电子显微镜：用来测定薄膜厚度及形貌 气 气 浙江大学硕 毕业论文 d m a x r a 型x 射线衍射仪：用来测定薄膜的择优取向 盘= 嘲巷辇；髭h 帽n 附毖藐甏蔗 蠹爨。；嚆冀f 吲塑誊薪霪馕茬；嗡鬻裂嘈劐薷柴隶任凰瀚弼睿 鼋i 曼霪薹羹鬻 墨获彰疋鬻熠诺_ = | ；爨罐譬嫂圈岌强淄n 拜；蓦；若妻傣擘嘶蕞淄镬嘞：茎龟雩 喙耩m 津嘻耍赫前滗镬。曙煨僻燮羽弘晶剐矾k 雕豇蠢；鎏饼餐茨要感骤翼纂鲤i 葙茸教嚣受娶 乐鳓鬻浮磊 我永远爱你! 其次要感谢我的导师，千德苗教授。本文在王老师的悉心指导r ，进行得非 常顺利。王老师亲切和蔼，工作非常讲究求是和创新，在整个课题过程中，我随 时随地都能感受到王老师严谨的学风，渊博的学识和不断创新的精神。王老师对 我的本科毕业设计和整个研究生阶段的关怀和指导，使我终身受益，在此向王老 师表达深深的感谢。 再次要感谢我的实验室诸位老师，任高潲老师，顾为民老师和董树荣老师。 诸位老帅对于我课题中的很多困难给予了无私的帮助，特* 是董老师，对我的进 展非常关心和照顾，时常给与一些非常好的建议和指导。在此对诸位老师表示由 衷 的感谢。 然后要感谢我的实验室诸位师兄弟，余厉阳博士，金浩博士，徐文彬博士， 杜晓阳博士，金炯师兄，陈伟师兄，薛子光师兄，以及俞科挺、陈海宾、尹金锒 同学和郭煌、袁想洋、王伟华师弟师妹等，对我课题的帮助。特别是金浩博上和 俞科挺硕士与我是同一个课题组，对课题的研究和本文的写作给我很大的帮助， 在此一并衷心感谢。 最后要感谢我的寝室“哥们儿”，王卓远、纪磊和尹金锒硕：j ：。一个和谐互 助的寝室环境对于本文的写作是非常必要的。我们四人相处得非常融洽，他们对 我也有很大的支持和帮助，在此表示衷心感谢。 我从复旦大学来到浙江大学，完成了由高中生到研究生的转变，渡过了人生 浙江大学硕士毕业论文 向a l n 薄膜。 3 3 - 3 1a l n 薄膜择优取向机理的理论分析 a l n 薄膜的择优取向取决于薄膜沉积过程中晶面生长速率的各向异性。 r r o d r i g u e z c l e m e m e 等人根据由周期价键链式，认为理论上若单纯从a 1 n 键结 合能考虑， 1 0 1 1 ) 和 l o l l 生长速率高于 o 0 0 1 ) 和 1 0 1 1 ) ，原因在于在其生长过程 中，同一粒子结合到不同晶面时所形成的共价键数目不等。如图2 1 所示，a l n 晶胞中，( 1 0 0 ) 面由b l 键组成，( 0 0 2 ) 和( 1 0 1 ) 面有b j 键、b 2 键组成，c 轴方 向的b 2 键比其余方向的b 2 键键能要小，因而此方向的沉积所需溅射粒子能量较 大。因此，溅射粒子能量的大小是决定越n 薄膜择优取向的关键因素。溅射气 压增大有利于( 1 0 0 ) 面择优取向，溅射气压减小有利于( 0 0 2 ) 面择优取向；( 0 0 2 ) 面取向时，溅射功率比( 1 0 0 ) 面取向时要高。对于靶基距，根据自由程长度分配 公式可以看出，靶基距增大会使溅射离子在沉积到基片之前发生碰撞的几率大大 加大而降低能量，使得薄膜会按( 1 0 0 ) 面择优取向，反之，则按( 0 0 2 ) 面择优取向， 因此，本实验中，靶基距都控制在1 0 c m 以下【2 5 】【2 6 】。 3 _ 3 3 2 a l n 薄膜样品的x r d 图 分析薄膜择优取向的一个有效方法是x 射线衍射( x r d ) 。可以测量晶 体的晶面取向，面间距，晶粒大小，材料内应力，材料晶粒细化和点阵畸变等等 f 2 7 】，在本实验中，用来测定a l n 薄膜的取向。 x r d 测试条件：x 射线激发电压2 0 k v ，掠射角5 。 图3 4 、图3 5 为两个样品的x r d 衍射图，附沉积条件。 浙江大学硕上毕业论文 2 呵酶t ( ) 图3 4 样品一的x r d 衍射图 实验条件：氮气分压2 5 ，溅射功率4 8 0 w ，反应气压o 3 p a 衍射图下方为j c p d s 标准中a 1 n 粉末各衍射峰位置 图3 4 各个衍射峰的位置及峰高计数： 晶面2 护( 。) 计数c p s ( 1 0 3 ) 相对强度们o ( 1 0 0 ) 3 3 2 5 81 1 1 ( 0 0 2 ) 3 6 o1 5 0 l o o 0 ( 1 0 1 ) 3 7 9 3 71 6 ( 1 0 2 ) 4 9 84 11 0 5 ( 1 1 0 ) 5 9 32 83 2 ( 1 0 3 ) 6 6 o4 81 7 6 ( 1 1 2 ) 7 1 3 2 53 o 表3 _ 3 样品一各峰位置及峰高计数 ( 0 0 2 ) 衍射峰半高宽为0 7 。，根据谢乐公式，计算出品粒大小为6 5 蚴。 衍蕾uvh甘椭m_hq扣舞h 浙江丈学硕土毕业论文 2 _ 丁b e t 蠹) 图3 6 非晶态a i n 薄膜x r d 衍射图 3 3 - 3 - 3x r d 衍射图讨论 综合图3 4 、3 5 、3 6 ，前两张图，( 0 0 2 ) 衍射峰高而尖锐，除( 0 0 2 ) 峰外， 无与它高度相当的衍射峰，( 0 0 2 ) 峰的相对强度( 本峰衍射线强度与衍射线强度 最大值之比) 至少为其他峰的3 倍，同时，谱图上无其他杂质的结晶相。可以认 为，前两个样品结晶完整，并较好的向( 0 0 2 ) 面取向。而图4 6 则为非晶态薄膜衍 射图。 从图3 6 可知，反应气压对薄膜择优取向影响很大，当气压为0 5 5 p a 时，薄 膜表现为非晶态，无取向可言。这是因为反应气压的增大，会增加a l ，n 原子 与m 粒子的碰撞几率，使a l ，n 原子能量下降，导致沉积的a l n 薄膜晶粒细化， 直至非晶态。在图上的表现是，衍射峰半高宽持续增大，峰高持续降低， 最后没入本底中，形成一个慢散射峰。因此为了避免出现非晶态薄膜，反应气压 要降低至一个合理的值，图3 4 ，图1 7 中o 3 p a 的气压可使薄膜保持多晶相，并 且以( 0 0 2 ) 面取向。但是，反应气压也不可过度减小，因为过低的气压会使粒子 能量过大而使溅射系统无法放电起辉，中断反应进行。 比较图3 4 和图3 5 ，发现图3 4 的( 0 0 2 ) 峰比图3 5 半高宽窄而峰尖锐，但 其余各个晶面( 除1 0 3 面外) 的衍射峰的相对强度也有所增加，而且出现了( 1 1 2 ) 峰，可以认为，减小氦气分压和增大溅射功率有利于以( 0 0 2 ) 晶面择优取向。我 。衍射线强度即为峰项至本底的距离 浙江人学硕上毕业论文 们推测减小氮气分压对( 0 0 2 ) 面择优取向贡献更大， 一个依据是( 1 0 3 ) 面相对强 度由3 5 ，6 下降为1 7 6 ；增加溅射功率，可以加快( 0 0 2 ) 晶面的生长，而过高的 溅射功率，可能会使a l n 晶面在各个晶向上自由生长，从而使有些峰相对强度 增加。所以适当减小氮气分压和增加溅射功率，既可以加快成膜速率，又可保持 以( 0 0 2 ) 面择优取向。实验结果也与了3 3 3 1 节理论相符。 3 3 3 4 样品晶面间距与j c p d s 衍射卡片( 2 5 1 1 3 3 ) 标准相比较 j c p d s 是粉末衍射标准化联合会制定的物质晶体x 射线衍射标准图谱，目 前此标准共收录了1 1 万3 千种物质的完整粉晶衍射数据。j c p d s ( 2 5 一1 1 3 3 ) 即为 a l n 粉末晶体的标准衍射卡片【2 8 】。 表3 5 列出了两个样品的晶面间距d 和相对强度i i o 与j c p d s ( 2 5 1 1 3 3 ) 数据 的比较。 j c p d s 数据样品一样品二 晶面 d ( m )i i o ( 哟d ( i l l n ) l i “)d ( m )l n o ( ) 1 0 00 1 2 6 9 5l o oo 2 7 1 2 l1 1 1o 2 7 0 5 8 7 o 0 0 2o 2 4 9 0 6 00 2 5 0 8 81 0 0 oo 2 5 0 4 7l o o 1 0 10 2 3 7 1 8 0o 2 3 9 0 41 6o 2 3 9 0 42 5 1 0 2o 1 8 2 92 5o 1 8 4 1 31 0 5 o 1 8 3 2 24 9 1 1 0o 1 5 5 5 9 4 00 1 5 5 7 93 2o 1 5 5 2 34 1 1 0 3 o 1 4 1 3 3 3 00 1 4 2 1 21 7 60 1 4 1 8 53 5 6 2 0 0o 1 3 4 7 55 未出现 未出现未出现未出现 1 1 20 1 3 1 9