中频磁控反应溅射AlN薄膜及微观结构研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)福州大学物理与信息工程学院 作者:陈勇

  采用中频磁控反应溅射工艺进行了氮化铝薄膜的制备,对沉积速率、晶体结构和表面形貌与氮气流量和溅射功率之间的变化关系进行了研究。结果表明,通过调节N2流量和溅射功率选择性地获得非晶态和沿着c 轴方向择优生长的晶态AlN 薄膜。在化合物沉积模式下,增加溅射功率和增加反应气体流量均有利于获得非晶态AlN 薄膜,并且减小薄膜表面粗糙度,获得光滑的AlN 薄膜,并采用薄膜生长原理对这种现象进行了解释。

  氮化铝(Aluminum Nitride,AlN)是一种具有纤锌矿结构的Ⅲ- V 族宽带隙半导体(Eg=6.2 eV),具有很多优异的特性[1~2],例如化学稳定性高、热传导率高、机械强度高、电绝缘性能佳、热膨胀系数低等,在很多领域都有应用。例如,可作为大功率半导体器件的绝缘基片[3]

  在大面积玻璃基片上制备AlN 薄膜的方法有化学气相沉积法、真空蒸镀、射频磁控溅射和反应磁控溅射等方法[4~5]。大面积基片的化学气相沉积系统昂贵;真空蒸镀方法由于沉积的原子能量低,薄膜中含有较多的微观缺陷;射频溅射AlN 陶瓷靶材沉积AlN 膜的沉积速率太低。以金属Al 为靶材,进行中频反应溅射能够实现大面积AlN 薄膜的制备[6] ,具有很多优点[7~8]

  ①克服靶面打火现象,提高薄膜质量;

  ②克服“阳极消失”现象;

  ③使用中频电源,能够实现电路的简单连接,而且避免对人体有害的电磁波泄漏;

  ④能够通过对镀膜参数的调节,优化薄膜质量。

  国内外已经有较多利用反应溅射制备AlN薄膜的报道。胡利民[9]等采用射频磁控溅射制备AlN 薄膜,研究了其绝缘特性,但是射频反应溅射沉积速率比较慢;董浩[10]等利用中频脉冲反应溅射制备了AlN 薄膜。但是很少有人对中频磁控溅射制备AlN 薄膜的进行研究。此外,对于反应溅射中溅射功率和反应气体流量对AlN 薄膜晶体结构和微观结构的影响也研究较少。本文采用中频磁控反应溅射制备AlN 薄膜,对不同溅射功率和N2 流量对薄膜沉积速率、晶体结构及表面微观结构的影响进行了系统研究,发现通过调节溅射功率和N2 流量能够实现晶态和非晶态AlN薄膜的可控生长。

1、实验及测试方法

  中频反应溅射是在JPGD- 1200 型磁控溅射镀膜系统(北京仪器厂)上进行的。两块孪生Al靶材纯度为99.9%,靶面尺寸为600×120 mm,靶与基片间的距离为12 cm。采用德国Huettinger公司的TIG20/100PSC 中频电源,最大输出功率可达20 kW。以Ar (99.999%) 为溅射气体,N2(99.999%)为反应气体,气体的流量通过质量流量计(北京建中机器厂)控制。采用深圳和科达超声设备有限公司HKD- 14732 超声清洗机进行玻璃基片的超声清洗。基片在130℃下烘烤半小时后,先进行15 min 的预溅射,然后充入一定量的N2,可以看到辉光颜色由粉色变成橘红色,说明已经进入了化合物溅射模式。将基片正向对准靶面溅射镀膜,20 min 后停止溅射并自然冷却。采用Veeco 公司Dektek 6 M 台阶仪测量AlN 薄膜的厚度;采用Philips X’Pert Pro X 射线衍射仪分析薄膜晶体结构;采用本原纳米仪器公司的CSPM3000 型原子力显微镜及其图像分析软件Imager4.0 对制备的薄膜进行表面微观结构分析。

3、结论

  本文采用中频反应溅射制备了AlN 薄膜,研究了功率和N2 流量对沉积速率、晶体结构和表面形貌的影响,观测到了AlN 薄膜的晶态和非晶态转变行为。在化合物溅射模式下,增加溅射功率和提高N2 流量,均有利于获得非晶态AlN 薄膜;反之,有利于获得晶态AlN 薄膜。此外,增加溅射功率和增加N2 流量都能够减小薄膜表面粗糙度,获得光滑的AlN 薄膜。通过调节反应溅射功率和N2 流量,能够对AlN 薄膜的晶体结构和表面微观结构进行有效控制,对于AlN 薄膜在不同领域中的应用具有较大的参考价值。

参考文献

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