離子源對中頻反應磁控濺射AlN 薄膜結構和性能的影響
                                                  作者:管理員    發布于:2016-12-14 11:33:52    文字:【】【】【
                                                  氮化鋁(AlN)是一種性能優良的寬能隙直接帶隙結構Ⅲ-V 族化合物半導體材料[1]。它具有很多
                                                  優異的物理、化學以及機械性能,如:高熱導率(300W/(m·K))、高禁帶寬度(6.2eV)、高擊穿
                                                  場強(14×106V/cm)[2]以及良好的光學和力學性能[3],且與Si、GaAs 等常用半導體材料的熱膨
                                                  脹系數相近等。如此優異的性能使得AlN 在光學、電子元器件、機械、微電子和高頻寬帶通信等
                                                  領域有著廣泛的應用[1,4]。
                                                  目前,大部分的成膜方法均可以用來制備AlN 薄膜,如:化學氣相沉積法[5]、反應分子束外
                                                  延法[6]、磁控濺射法[7,8]等。雖然化學氣相沉積法制備出的AlN 薄膜質量高,但是它要求的反應溫
                                                  度高,基體材料范圍受限制;反應分子束外延法也存在系統復雜,生長速度慢,生長面積小等問
                                                  題;磁控濺射法應用的最為廣泛,但由于磁控濺射技術離化率低,所制備的AlN 薄膜綜合性能不
                                                  佳。
                                                  李朝陽等人[9]對離子源輔助磁控濺射Cu 基鍍Cr 層機械性能的研究表明,運用離子源輔助沉
                                                  積之后,膜層附著性能良好,鉻膜硬度有了明顯增強,附著力、硬度等機械性能提高10%以上。
                                                  本研究采用中頻反應磁控濺射結合陽極型氣體離子源技術制備AlN 薄膜[10],通過中頻反應磁控濺
                                                  射法可解決因“靶中毒”引起的“打火”和沉積速率大幅度下降的問題,同時利用離子源提高離化率進
                                                  行輔助沉積,以期獲得綜合性能良好的AlN 薄膜,并著重研究了離子源功率對薄膜結構和性能的影響。
                                                  1 實驗部分
                                                  實驗采用ASM600MTG 多功能離子鍍膜設備。利用中頻反應磁控濺射結合陽極層流型矩形
                                                  氣體離子源進行AlN 薄膜沉積,其裝置結構如圖1 所示。該裝置有4 個尺寸為720mm×120mm
                                                  的非平衡磁控濺射靶(Unbalanced Magnetron,UBM),利用其中2 個靶裝上Al 靶;2 個長720mm
                                                  的陽極層流型氣體離子源 (Ion Beam Source,IBS),利用與靶同側的離子源通入反應氣體(N2)
                                                  離化后輔助沉積AlN 膜。實驗用的氣體為99.99%的高純氬和高純氮氣,靶材用99.5%的金屬Al?;w采用拋光的
                                                  (100)單晶硅片(用于微觀結構分析)和YG6 硬質合金(用于力學性能測試)。分別用金屬清
                                                  洗液及無水乙醇超聲波清洗,烘干后放進真空室,抽真空至5×10-3 Pa,通氬氣至5×10-1 Pa,用
                                                  離子源結合偏壓濺射清洗樣片表面。本實驗所采用的制備工藝如表1 所示:
                                                  分別采用Philips XˊPert MPGD X 射線衍射儀(XRD)分析膜層相結構,Zeiss supra 40
                                                  型場發射掃描電鏡觀察膜層表面及截面形貌,MH-5 型顯微硬度計測量膜/基硬度,HH-3000 薄膜
                                                  結合力劃痕試驗儀測量膜基結合力。
                                                   
                                                  表1. AlN 薄膜的制備工藝
                                                  Table 1.Summary of the deposition parameters for AlN thin films
                                                  ion source power(kW) target power(kW) N2 flow(sccm) bias(V) work pressure(Pa) temperature(℃)
                                                  0 6 50 100 0.5 200
                                                  0. 4 6 50 100 0.5 200
                                                  0. 7 6 50 100 0.5 200
                                                  1. 0 6 50 100 0.5 200
                                                  1. 3 6 50 100 0.5 200
                                                  2 結果與分析
                                                  2.1 薄膜的形貌及厚度
                                                  圖2 是不同離子源功率下所沉積薄膜的表面形貌圖。經檢測,圖中白色顆粒為富氮的AlN。
                                                  在離子源功率小于0.7kW 時,膜層較為疏松,并且隨著離子源功率的提高,膜層致密度明顯增加;
                                                  當離子源功率在0.7kW 的基礎上繼續增大,薄膜晶粒逐漸長大,膜層致密度增加,當離子源功率
                                                  達到1.3kW 時,晶粒非晶化趨勢較為明顯,在其表面看不出薄膜生長柱狀晶的截面,并且膜層非
                                                  常致密。從圖3 不同離子源功率下膜層截面形貌也可以得到一致的結果,離子源功率小于0.7kW
                                                  時,膜層柱狀晶明顯,并且排列不緊密,隨著離子源功率的逐步提高,膜層變得越來越致密細膩。
                                                  當離子源功率增加至1.0kW 時,晶粒長大,出現了片狀的晶形;當離子源功率達到1.3kW 時,
                                                  膜層更加致密,連成一片。這主要是由于離子源功率的增加,有效地提高了離化率,為沉積粒子提供更多的能量,致使沉積在薄膜表面的顆粒逐漸變大,當離子源功率大于一定程度后,膜層向
                                                  非晶化轉變。
                                                  腳注信息

                                                  聯系電話:0595-88803310

                                                  公司郵箱:qzqj01@163.com

                                                  郵政編碼:362700

                                                  公司地址:福建省泉州市石獅市寶蓋鎮寶蓋科技工業區

                                                   
                                                   
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