高质量a面氮化铝薄膜及其制备方法与应用

摘要

本发明公开了高质量a面氮化铝薄膜及其制备方法与应用。该方法包括如下步骤：(1)在衬底表面制备二硫化钼涂层，得到二硫化钼覆盖的衬底；(2)在所述二硫化钼覆盖的衬底上沉积氧化锌，得到氧化锌缓冲层薄膜覆盖的衬底；(3)利用反应溅射，在所述氧化锌缓冲层薄膜覆盖的衬底上沉积氮化铝薄膜，即可得到所述a面氮化铝薄膜。由于采用二硫化钼衬底和氧化锌缓冲层，本发明制备得到的a面氮化铝薄膜，扫描其(1120)面摇摆曲线半高宽可低于1°，具有低的螺型和刃型位错密度，a面氮化铝晶体质量有明显提高；有效地缓解了氮化铝层与衬底层之间的晶格失配和热膨胀系数失配的问题；可用于制备高频、大功率、高机电耦合系数的SAW器件。

权利要求

1.一种a面氮化铝薄膜的制备方法，包括如下步骤：(1)在衬底表面制备二硫化钼涂层，得到二硫化钼覆盖的衬底；(2)在所述二硫化钼覆盖的衬底上沉积氧化锌，得到氧化锌缓冲层薄膜覆盖的衬底；(3)利用反应溅射，在所述氧化锌缓冲层薄膜覆盖的衬底上沉积氮化铝薄膜，即可得到所述a面氮化铝薄膜；

步骤(1)中，所述衬底为蓝宝石、铝酸镧或碳化硅。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述二硫化钼涂层通过如下步骤制备得到：将二硫化钼旋涂于所述衬底上。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述ZnO缓冲层薄膜的厚度为5nm～40nm。

4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述沉积利用金属有机化合物化学气相沉积。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述金属有机化合物化学气相沉积中，所采用的锌源为二乙基锌(DEZ)；

所述锌源的流量为300～400μmol/min；

所采用的氧源为氧气；

所述氧源的流量为450～500μmol/min；

反应气压为3～6Torr；

沉积温度为600～700℃；

沉积时间为1～5min。

6.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述反应溅射在真空度为10-6Pa～10-4Pa的条件下进行；

所述反应溅射的工作气体为氮气和氩气的混合气体；所述工作气体中，所述氮气与所述氩气的体积比为(0.5～1)：1；

控制所述工作气体的流量为6mL/min～60mL/min。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述反应溅射为直流反应磁控溅射，所述反应溅射的磁控溅射源为平面靶磁控溅射源；

所述反应溅射的功率为100W～250W；

所述反应溅射的温度为500℃～600℃；

所述反应溅射的时间为20min～60min；

所述反应溅射的靶材为铝靶；所述靶材与所述氧化锌缓冲层薄膜覆盖的衬底之间的距离为60mm～80mm；

所述反应溅射的工作气体的压力为0.2Pa～0.8Pa。

8.权利要求1-7中任一项所述的制备方法制备得到的a面氮化铝薄膜。

9.权利要求8所述的a面氮化铝薄膜在制备声表面波器件中的应用。

说明书

高质量a面氮化铝薄膜及其制备方法与应用

技术领域

[0001] 本发明属于信息电子材料技术领域，具体涉及高质量a面氮化铝薄膜及其制备方法与应用。

背景技术

[0002] 在过去几十年中，声表面波(SAW)器件由于具有体积小、质量轻、信号处理能力优异、稳定性好等特点，被广泛用于移动通信、电视广播以及各种军用通讯中。随着4G网络以及频率更高的通讯网络的出现和发展，声表面波器件的使用频率不断提高。氮化铝由于其具有高热导率、高硬度、高熔点、色散小、声速高、高的化学稳定性、大的击穿场强和低的介电损耗，可广泛用于声表面波器件、各种传感器、能量搜集器中。通过材料的压电特性，进行声电、力电转换，进行信息的传递、处理和能源转换。氮化铝薄膜具有所有无机非压电材料中最高的声表面波速度，因此可以成为有效提高声表面波器件中心频率的压电材料。而与一般的氮化铝薄膜相比，高取向氮化铝薄膜具有许多优异的性能。氮化铝薄膜通常沿着极性c轴[0001]方向生长，而关于非极性a面 氮化铝的报道很少。实际上，a面氮化铝比c面氮化铝具有更好的压电性和声表面波高速传输性，因此制备a面氮化铝薄膜将会提升声表面波器件相速和机电耦合系数。这对于制备高频声表面波器件有着重大的意义。目前，氮化铝薄膜一般生长在异质衬底上(蓝宝石、碳化硅、硅等)。但是，由于a面氮化铝与衬底之间存在较大的晶格失配度和热失配，导致氮化铝薄膜晶体质量差，存在较高的位错密度和较大的应力，严重影响了声表面波器件的性能。所以根据以上问题，生长高质量a面氮化铝薄膜是制备上述声表面波器件的关键。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供高质量a面氮化铝薄膜及其制备方法与应用，该方法利用二硫化钼衬底生长氮化铝薄膜不但提高了a面取向，而且降低了氮化铝薄膜的位错密度和应力，制备得到的a面氮化铝薄膜在用作声表面波器件的压电薄膜时，可使机电转换效率和传播声速增大，插入损耗减小，因此适合制备高频、大功率、高机耦合系数SAW器件。

[0004] 本发明提供的a面氮化铝薄膜的制备方法，包括如下步骤：(1)在衬底表面制备二硫化钼涂层，得到二硫化钼覆盖的衬底；(2)在所述二硫化钼覆盖的衬底上沉积氧化锌，得到氧化锌缓冲层薄膜覆盖的衬底；(3)利用反应溅射，在所述氧化锌缓冲层薄膜覆盖的衬底上沉积氮化铝薄膜，即可得到所述a面氮化铝薄膜。

[0005] 上述的制备方法，步骤(1)中，所述衬底可采用生长a面氮化铝所使用的常规衬底，包括但不限于：蓝宝石、铝酸镧或碳化硅。

[0006] 上述的制备方法，步骤(1)中，向所述衬底上旋涂所述二硫化钼之前，所述方法还可包括如下步骤：用丙酮、乙醇和/或去离子水清洗所述衬底，具体可包括如下步骤：依次用丙酮、乙醇和去离子水清洗所述衬底。

[0007] 上述的制备方法，步骤(1)中，所述二硫化钼涂层可通过如下步骤制备得到：将二硫化钼旋涂于所述衬底上。

[0008] 所述旋涂的具体步骤如下：将二硫化钼分散于乙醇或水中得到二硫化钼的分散液；将所述分散液滴在放置于均胶机的所述衬底上，使所述均胶机旋转，经烘干即可。

[0009] 所述分散液的浓度可为0.05～0.1mg/mL，具体可为0.05mg/mL；

[0010] 控制所述均胶机以1000～5000r/min的转速旋转5～10s，使二硫化钼均匀分布在所述衬底上，之后将所述柔性衬底迅速移到100～120℃的加热台上，烘5～10min后待用，具体可以2000～3000r/min、2000r/min或3000r/min的转速旋转10～20s、10s或20s，之后将衬底迅速移到150℃的加热台上，烘干10min。

[0011] 上述的制备方法，步骤(2)中，所述ZnO缓冲层薄膜的厚度可为5～40nm，具体可为40nm。

[0012] 上述的制备方法，步骤(2)中，所述沉积可利用磁控溅射、激光脉冲沉积、金属有机化合物化学气相沉积等氧化锌沉积方法。

[0013] 所述金属有机化合物化学气相沉积中，

[0014] 所采用的锌源可为二乙基锌(DEZ)；

[0015] 所述锌源的流量可为300～400μmol/min，具体可为342～360μmol/min、342μmol/min或360μmol/min；

[0016] 所采用的氧源可为氧气；

[0017] 所述氧源的流量可为450～500μmol/min，具体可为450μmol/min或500μmol/min；

[0018] 反应气压可为3～6Torr，具体可为5Torr；

[0019] 沉积温度可为600～700℃，具体可为600℃；

[0020] 沉积时间可为1～5min，具体可为3～4min、3min或4min。

[0021] 上述的制备方法，步骤(3)中，

[0022] 所述反应溅射可在真空度为10-6Pa～10-4Pa的条件下进行，具体可在真空度为5×10-5Pa的条件下进行；

[0023] 所述反应溅射的工作气体可为氮气和氩气的混合气体；所述工作气体中，所述氮气与所述氩气的体积比可为(0.5～1)：1，具体可为1：1；所述氩气的纯度可为99.999％，所述氮气的纯度可为99.999％；所述工作气体的通入方式可为先通入氩气再通入氮气。

[0024] 所述工作气体是通过流量控制器实时地动态地通入到所述磁控溅射镀膜机的真空腔中；控制所述工作气体的流量可为6～60mL/min，具体可为18mL/min。

[0025] 上述的制备方法，步骤(3)中，所述反应溅射为直流反应磁控溅射，所述反应溅射的磁控溅射源为平面靶磁控溅射源；

[0026] 所述反应溅射的功率可为100～250W，具体可为200～250W、200W或250W；

[0027] 所述反应溅射的温度可为500～600℃，具体可为500℃或600℃；

[0028] 所述反应溅射的时间为20～60min，具体可为40min；

[0029] 所述反应溅射的靶材可为铝靶，所述金属铝靶的直径可为75mm，纯度可为99.999％；所述靶材与所述氧化锌缓冲层薄膜覆盖的衬底之间的距离可为60mm～80mm，具体可为60mm；

[0030] 所述工作气体的压力可为0.2～0.8Pa，具体可为0.4～0.8Pa、0.4Pa或0.8Pa。

[0031] 所述反应溅射完成后，还包括待基片台温度低于100℃，向所述磁控溅射镀膜机的真空室中充入高纯氮气至真空室内压力为大气压，取出所制备的氮化铝薄膜的步骤。

[0032] 本发明进一步提供了一种由上述的制备方法制备得到的a面氮化铝薄膜。所述a面氮化铝薄膜的厚度可为600～800nm，如600nm或800nm。所述a面氮化铝薄膜的 面摇摆曲线半高宽可低于1°，具有低的螺型和刃型位错密度，a面氮化铝晶体质量有明显的提高。

[0033] 本发明还提供了一种上述a面氮化铝薄膜在制备声表面波器件中的应用。所述声表面波器件可为高频声表面波器件，如器件中心频率1.52GHz，声速可达6480m/s。

[0034] 本发明具有如下有益效果：

[0035] 1、由于采用本发明所用的二硫化钼衬底和氧化锌缓冲层，本发明制备得到a面氮化铝薄膜，扫描其(1120)面摇摆曲线半高宽可低于1°，具有低的螺型和刃型位错密度，a面氮化铝晶体质量有明显的提高。

[0036] 2、本发明采用二硫化钼衬底和氧化锌缓冲层，有效地缓解了氮化铝层与衬底层之间的晶格失配和热膨胀系数失配的问题，使得本发明制备的氮化铝薄膜中的应力比较低。

[0037] 3、本发明制备的高质量a面氮化铝压电薄膜可用于制备高频、大功率、高机电耦合系数的SAW器件，产品可靠性强、成品率高且成本低。本发明工艺操作简单，成本低廉，易于实施，有利于大规模推广应用。

附图说明

[0038] 图1是本发明制备的a面氮化铝薄膜的剖面结构示意图。

[0039] 图2是本发明实施例1中将二硫化钼旋涂在衬底上的SEM照片。

[0040] 图3是本发明实施例1中生长氧化锌后的AFM照片。

[0041] 图4是本发明实施例1制备的a面氮化铝薄膜的XRD图，插图为a面氮化铝 晶面的摇摆曲线图。

[0042] 图5是本发明实施例1制备的a面氮化铝薄膜的AFM图。

[0043] 图6本发明实施例1制备的a面氮化铝薄膜的TEM图。

[0044] 图7本发明实施例1制备的a面氮化铝薄膜的SAW器件信号。

[0045] 图8是本发明实施例2制备的a面氮化铝薄膜的XRD图，插图为a面氮化铝 晶面的摇摆曲线图。

[0046] 图9是本发明实施例2制备的a面氮化铝薄膜的AFM图。

具体实施方式

[0047] 下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

[0048] 下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

[0049] 实施例1、覆盖有二硫化钼的r面蓝宝石衬底上直流反应磁控溅射沉积高质量a面氮化铝薄膜

[0050] (1)将r面蓝宝石衬底依次用丙酮、酒精和去离子水各超声清洗5min，再用氮气吹干，将已清洗后的衬底放在均胶台上。

[0051] (2)配制浓度为0.05mg/mL二硫化钼与乙醇的分散液，将二硫化钼与乙醇的分散液逐滴滴在衬底上，启动均胶机，使其以3000r/min的转速旋转20s，使二硫化钼均匀分布在衬底上，之后将衬底迅速移到150℃的加热台上，烘干10min后待用。

[0052] 该步骤中，将二硫化钼旋涂于衬底上的SEM照片如图2所示，由该图可以看出，衬底上分布着一层很薄的二硫化钼片。

[0053] (3)将步骤(2)中的衬底放入金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室，将反应室温度升到600℃，将压力升高到5Torr，依次通入二乙基锌(DEZ)和氧气作为反应气源，DEZ的流量为342μmol/min，氧气流量为500μmol/min，沉积时间3min。将MOCVD反应室温度降至室温后取出样品，得到氧化锌缓冲层薄膜，其AFM照片如图 3所示，氧化锌表面平整，致密无孔，氧化锌薄膜表面的均方根粗糙度RMS＝0.3nm。

[0054] (4)将步骤(3)中的衬底用铁丝固定在磁控溅射的基片台上，基片连同基片台一起装入真空室。基片距离靶材60mm，靶材为高纯度的Al靶(直径为75mm，纯度为99.999％)。启-5动机械泵和分子泵抽真空至5×10 Pa，溅射氮化铝时工作气体为高纯氩气(纯度为
99.999％)与氮气(纯度为99.999％)混合气体，其中氩气流量为18mL/min，氮气流量为
18mL/min。工作气压为0.4Pa，射频功率为200W，反应温度为500℃，基片台的自转速度为5r/min，溅射时间为40min。在开始正式溅射前，用挡板挡住靶材。用250W入射功率轰击Al靶
5min，去除靶材表面杂质及氧化层。再通入高纯氮气，预溅射5min左右，待电源示数稳定后，打开靶挡板，开始薄膜生长。反应溅射完成后，停止对基片台加热，待温度低于100℃时，向磁控溅射镀膜机的真空室中充入空气至真空室内压力为大气压，开腔取出所制备的氮化铝薄膜，制备得到平均厚度为800nm的氮化铝薄膜，其结构示意图如图1所示。

[0055] 本实施例制备的氮化铝薄膜的XRD图谱如图4所示，从图4中可以看出除了衬底和缓冲层氧化锌的衍射峰外，只在59.4°有衍射峰，表明在利用二硫化钼过渡层和氧化锌缓冲层生长氮化铝薄膜具有 取向；由图4插图可以看出，其 面摇摆曲线半高宽为0.91°，明显优于没有加二硫化钼过渡层的样品，表明生长出的a面氮化铝薄膜晶体质量高。

[0056] 本实施例制备的氮化铝薄膜的AFM图如图5所示，由该图可以看出，氮化铝薄膜致密无孔，晶粒大小较为均匀，晶粒排列紧密；氮化铝薄膜表面的均方根粗糙度RMS＝1.59nm，完全达到了制作声表面波器件的要求。

[0057] 本实施例制备的氮化铝薄膜的高分辨TEM图如图6所示，插图为衍射斑点。由该图可以看出，氮化铝和氧化锌界面清晰，没有反应层。ZnO薄膜膜厚平均为40nm；衍射花样由清晰锐利的衍射斑点组成，这些衍射花样对应纤锌矿结构，表明薄膜是单晶结构，并且不含任何其他杂质相。

[0058] 本实施例制备的氮化铝SAW器件信号如图 7所示。器件中心频率1.52GHz，声速可达6480m/s，可见利用a面氮化铝可以制备高频的SAW器件。

[0059] 由上述测试结果可以看出，利用二硫化钼衬底及氧化锌缓冲层上生长的a面氮化铝薄膜晶体质量高，表面平滑等优点，完全达到声表面器件的要求，具有良好的应用前景。

[0060] 实施例2、覆盖有二硫化钼的铝酸镧衬底上直流反应磁控溅射沉积高质量a面氮化铝薄膜

[0061] (1)将铝酸镧衬底依次用丙酮、酒精和去离子水各超声清洗5min，再用氮气吹干，将已清洗后的衬底放在均胶台上。

[0062] (2)配制浓度为0.05mg/mL二硫化钼与乙醇的分散液，将二硫化钼与乙醇的分散液逐滴滴在衬底上，启动均胶机，使其以2000r/min的转速旋转10s，使二硫化钼均匀分布在衬底上，之后将衬底迅速移到150℃的加热台上，烘干10min后待用。

[0063] (3)将步骤(2)中的衬底放入金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室，将反应室温度升到600℃，将压力升高到5Torr，依次通入二乙基锌(DEZ)和氧气作为反应气源，DEZ的流量为360μmol/min，氧气流量为450μmol/min，沉积时间4min。将MOCVD反应室温度降至室温后取出样品，得到氧化锌缓冲层薄膜。

[0064] (4)将步骤(3)中的衬底用铁丝固定在磁控溅射的基片台上，基片连同基片台一起装入真空室。基片距离靶材60mm，靶材为高纯度的Al靶(直径为75mm，纯度为99.999％)。启动机械泵和分子泵抽真空至5×10-5Pa，溅射氮化铝时工作气体为高纯氩气(纯度为99.999％)与氮气(纯度为99.999％)混合气体，其中氩气流量为18mL/min，氮气流量为
18mL/min。工作气压为0.8Pa，射频功率为250W，反应温度为600℃，基片台的自转速度为5r/min，溅射时间为40min。在开始正式溅射前，用挡板挡住靶材。用250W入射功率轰击Al靶
5min，去除靶材表面杂质及氧化层。再通入高纯氮气，预溅射5min左右，待电源示数稳定后，打开靶挡板，开始薄膜生长。反应溅射完成后，停止对基片台加热，待温度低于100℃时，向磁控溅射镀膜机的真空室中充入空气至真空室内压力为大气压，开腔取出所制备的氮化铝薄膜，制备得到平均厚度为600nm的氮化铝薄膜。

[0065] 本实施例制备的氮化铝薄膜的XRD图谱如图8所示，从图8中可以看出除了衬底和缓冲层氧化锌的衍射峰外，只在59.4°有衍射峰，表明在利用二硫化钼过渡层和氧化锌缓冲层生长氮化铝薄膜具有 取向；由图8插图可以看出，其 面摇摆曲线半高宽为1.1°，表明生长出的a面氮化铝薄膜晶体质量高。

[0066] 本实施例制备的氮化铝薄膜的AFM图如图9所示，由该图可以看出，氮化铝薄膜致密无孔，晶粒大小较为均匀，晶粒排列紧密；氮化铝薄膜表面的均方根粗糙度RMS＝1.65nm，完全达到了制作声表面波器件的要求。

[0067] 由上述测试结果可以看出，利用二硫化钼衬底及氧化锌缓冲层上生长的a面氮化铝薄膜，晶体质量高、晶粒大小均匀、表面平滑等优点，完全达到声表面器件的要求，具有良好的应用前景。