中頻磁控反應(yīng)濺射AlN薄膜及微觀結(jié)構(gòu)研究
采用中頻磁控反應(yīng)濺射工藝進(jìn)行了氮化鋁薄膜的制備，對(duì)沉積速率、晶體結(jié)構(gòu)和表面形貌與氮?dú)饬髁亢蜑R射功率之間的變化關(guān)系進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，通過調(diào)節(jié)N2流量和濺射功率選擇性地獲得非晶態(tài)和沿著c 軸方向擇優(yōu)生長(zhǎng)的晶態(tài)AlN 薄膜。在化合物沉積模式下，增加濺射功率和增加反應(yīng)氣體流量均有利于獲得非晶態(tài)AlN 薄膜，并且減小薄膜表面粗糙度，獲得光滑的AlN 薄膜，并采用薄膜生長(zhǎng)原理對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行了解釋。
氮化鋁（Aluminum Nitride，AlN）是一種具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的Ⅲ- V 族寬帶隙半導(dǎo)體(Eg=6.2 eV)，具有很多優(yōu)異的特性[1~2]，例如化學(xué)穩(wěn)定性高、熱傳導(dǎo)率高、機(jī)械強(qiáng)度高、電絕緣性能佳、熱膨脹系數(shù)低等，在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用。例如，可作為大功率半導(dǎo)體器件的絕緣基片[3]。
在大面積玻璃基片上制備AlN 薄膜的方法有化學(xué)氣相沉積法、真空蒸鍍、射頻磁控濺射和反應(yīng)磁控濺射等方法[4~5]。大面積基片的化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)昂貴；真空蒸鍍方法由于沉積的原子能量低，薄膜中含有較多的微觀缺陷；射頻濺射AlN 陶瓷靶材沉積AlN 膜的沉積速率太低。以金屬Al 為靶材，進(jìn)行中頻反應(yīng)濺射能夠?qū)崿F(xiàn)大面積AlN 薄膜的制備[6] ，具有很多優(yōu)點(diǎn)[7~8]：
�、倏朔忻娲蚧瓞F(xiàn)象，提高薄膜質(zhì)量；
�、诳朔�“陽(yáng)極消失”現(xiàn)象；
�、凼褂弥蓄l電源，能夠?qū)崿F(xiàn)電路的簡(jiǎn)單連接，而且避免對(duì)人體有害的電磁波泄漏；
�、苣軌蛲ㄟ^對(duì)鍍膜參數(shù)的調(diào)節(jié)，優(yōu)化薄膜質(zhì)量。
國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有較多利用反應(yīng)濺射制備AlN薄膜的報(bào)道。胡利民[9]等采用射頻磁控濺射制備AlN 薄膜，研究了其絕緣特性，但是射頻反應(yīng)濺射沉積速率比較慢；董浩[10]等利用中頻脈沖反應(yīng)濺射制備了AlN 薄膜。但是很少有人對(duì)中頻磁控濺射制備AlN 薄膜的進(jìn)行研究。此外，對(duì)于反應(yīng)濺射中濺射功率和反應(yīng)氣體流量對(duì)AlN 薄膜晶體結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)的影響也研究較少。本文采用中頻磁控反應(yīng)濺射制備AlN 薄膜，對(duì)不同濺射功率和N2 流量對(duì)薄膜沉積速率、晶體結(jié)構(gòu)及表面微觀結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)濺射功率和N2 流量能夠?qū)崿F(xiàn)晶態(tài)和非晶態(tài)AlN薄膜的可控生長(zhǎng)。
1、實(shí)驗(yàn)及測(cè)試方法
中頻反應(yīng)濺射是在JPGD- 1200 型磁控濺射鍍膜系統(tǒng)（北京儀器廠）上進(jìn)行的。兩塊孿生Al靶材純度為99.9%，靶面尺寸為600×120 mm，靶與基片間的距離為12 cm。采用德國(guó)Huettinger公司的TIG20/100PSC 中頻電源，最大輸出功率可達(dá)20 kW。以Ar （99.999%） 為濺射氣體，N2（99.999%）為反應(yīng)氣體，氣體的流量通過質(zhì)量流量計(jì)（北京建中機(jī)器廠）控制。采用深圳和科達(dá)超聲設(shè)備有限公司HKD- 14732 超聲清洗機(jī)進(jìn)行玻璃基片的超聲清洗。基片在130℃下烘烤半小時(shí)后，先進(jìn)行15 min 的預(yù)濺射，然后充入一定量的N2，可以看到輝光顏色由粉色變成橘紅色，說明已經(jīng)進(jìn)入了化合物濺射模式。將基片正向?qū)?zhǔn)靶面濺射鍍膜，20 min 后停止濺射并自然冷卻。采用Veeco 公司Dektek 6 M 臺(tái)階儀測(cè)量AlN 薄膜的厚度；采用Philips X’Pert Pro X 射線衍射儀分析薄膜晶體結(jié)構(gòu)；采用本原納米儀器公司的CSPM3000 型原子力顯微鏡及其圖像分析軟件Imager4.0 對(duì)制備的薄膜進(jìn)行表面微觀結(jié)構(gòu)分析。
3、結(jié)論
本文采用中頻反應(yīng)濺射制備了AlN 薄膜，研究了功率和N2 流量對(duì)沉積速率、晶體結(jié)構(gòu)和表面形貌的影響，觀測(cè)到了AlN 薄膜的晶態(tài)和非晶態(tài)轉(zhuǎn)變行為。在化合物濺射模式下，增加濺射功率和提高N2 流量，均有利于獲得非晶態(tài)AlN 薄膜；反之，有利于獲得晶態(tài)AlN 薄膜。此外，增加濺射功率和增加N2 流量都能夠減小薄膜表面粗糙度，獲得光滑的AlN 薄膜。通過調(diào)節(jié)反應(yīng)濺射功率和N2 流量，能夠?qū)lN 薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和表面微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效控制，對(duì)于AlN 薄膜在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用具有較大的參考價(jià)值。
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