一种高c轴取向AlN薄膜及其制备方法与应用
【专利摘要】本发明公开了一种高c轴取向AlN薄膜及其制备方法与应用。所述高c轴取向AlN薄膜的制备方法包括如下步骤：将石墨烯旋涂于衬底上得到石墨烯覆盖的衬底；利用反应溅射，在所述石墨烯覆盖的衬底上进行沉积得到所述AlN薄膜；所述反应溅射的工作气体为氮气和氩气的混合气体；所述反应溅射的靶材为铝靶。本发明方法采用石墨烯作缓冲层有效地缓解了衬底层与AlN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AlN薄膜中的应力比较低。本发明择优取向的AlN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。本发明制备方法操作简单，成本低廉，易于实施，有利于大规模推广应用。
【专利说明】
一种高C轴取向AIN薄膜及其制备方法与应用
技术领域
[0001]本发明涉及一种高c轴取向AlN薄膜及其制备方法与应用，属于信息电子材料技术领域。
【背景技术】
[0002]AlN是一种应用广泛的、具有密排六方纤锌矿结构的II1- V族复合半导体材料，其具有优异的物理化学性能，如直接禁带宽度大、高熔点、高热导率，高介电常数、高的温度稳定性、高的声速等。在信息通讯领域里，声表面波(SAW)器具有体积小、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，而AlN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AlN薄膜相比，高取向AlN薄膜具有许多优异的性能，例如，沿c轴取向的AlN具有非常好的压电性和声表面波高速传输性，因此制备c轴取向AlN薄膜将会很大提升声表面波器件相速和机电耦合系数。目前，AlN薄膜一般生长在异质衬底上。由于AlN与衬底存在较大的晶格失配度和热膨胀失配度，导致AlN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c轴取向、低位错密度和低应力的AlN薄膜是制备声表面波器件的前提。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种高c轴取向AlN薄膜及其制备方法与应用，本发明利用成本低廉的石墨烯作为缓冲层，采用直流反应磁控溅射直接在覆盖了石墨烯的衬底上沉积得到AlN薄膜，操作简单；本发明制备方法不但提高了 AlN薄膜的c轴取向，而且降低了 AlN薄膜的位错密度和应力。本发明AlN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]本发明提供的高c轴取向AlN薄膜的制备方法，包括如下步骤:将石墨烯旋涂于衬底上得到石墨烯覆盖的衬底；利用反应溅射，在所述石墨烯覆盖的衬底上进行沉积得到所述AlN薄膜；
[0005]所述反应溅射的工作气体为氮气和氩气的混合气体；
[0006]所述反应溅射的靶材为铝靶。
[0007]上述的制备方法中，所述衬底可为蓝宝石、碳化硅或硅片；
[0008]向所述衬底上旋涂所述石墨烯之前，所述方法还包括如下步骤:用丙酮、乙醇和/或去离子水清洗所述衬底，可采用超声清洗，然后用氮气吹干。
[0009]上述的制备方法中，采用如下步骤将所述石墨烯旋涂于所述衬底上:将石墨烯纳米片分散于N，N- 二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮中得到石墨烯的分散液；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。
[0010]所述分散液的浓度可为0.05?lmg/mL，具体可为0.lmg/mL ；
[0011]控制所述均胶机以1000?3000r/min的转速旋转5?10s，使石墨烯均匀分布在所述衬底上，之后将所述衬底迅速移到100?180°C的加热台上，烘5?1min后待用，具体可以2000r/min的转速旋转8s，之后将衬底迅速移到150°C的加热台上，烘干lOmin。
[0012]上述的制备方法中，所述反应溅射在真空度为10 6?10 4Pa的条件下进行，所述真空度具体可为5 X 10 5Pa ;
[0013]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 ;
[0014]所述氩气的纯度为99.999%，所述氮气的纯度为99.999%。
[0015]所述工作气体的通入方式为先通入所述氩气再通入所述氮气；
[0016]控制所述工作气体的流量可为6mL/min?60mL/min，具体可为36mL/min。
[0017]上述的制备方法中，所述反应溅射可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；
[0018]所述反应溅射的功率可为10W?200W，具体可为200W ；
[0019]所述反应溅射的温度可为500°C?600°C，具体可为500°C ;
[0020]所述反应派射的时间可为20min?60min，具体可为40min ；
[0021]所述靶材与所述石墨烯覆盖的衬底之间的距离可为6cm?8cm，具体可为6cm ;
[0022]所述工作气体的压力可为0.2Pa?0.8Pa，具体可为0.4Pa。
[0023]进行所述反应溅射时，是将所述石墨烯覆盖的衬底置于磁控溅射镀膜机的基片台上；所述反应溅射完成后，还包括如下步骤:待基片台温度低于100°C，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，取出所述AlN薄膜。
[0024]本发明还提供了由上述方法制备的AlN薄膜，其为压电薄膜，其厚度为600?800nm ;所述AlN薄膜具有高(002)晶面(即c轴)取向。
[0025]本发明提供的AlN薄膜可用于制备高频、大功率、高机电耦合系数的声表面波器件。
[0026]通过本发明可以发现，以石墨烯作为缓冲层生长AlN薄膜，不但提高了 AlN薄膜的c轴取向，而且降低了 AlN薄膜的位错密度和应力。
[0027]与现有技术相比，本发明具有如下优点:
[0028]本发明利用石墨烯作为缓冲层在衬底上成功制备出AlN薄膜，所制备的AlN薄膜具有高度的c轴取向、低的位错密度和低的残余应力。本发明制备得到的AlN薄膜，扫描其
(002)面摇摆曲线半高宽可低于0.90°，其(102)面摇摆曲线半高宽可低于1.3°，具有低的螺型和刃型位错密度，AlN晶体质量有明显的提高。本发明方法采用石墨烯作缓冲层有效地缓解了衬底层与AlN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AlN薄膜中的应力比较低。本发明择优取向的AlN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。本发明制备方法操作简单，成本低廉，易于实施，有利于大规模推广应用。
【附图说明】
[0029]图1是本发明制备的AlN薄膜的结构示意图。
[0030]图2是本发明实施例1中将石墨烯纳米片旋涂在衬底上的SEM照片
[0031]图3是本发明实施例1制备的AlN薄膜的AFM图。
[0032]图4是本发明实施例1制备的AlN薄膜的XRD图，其中图4 (a)为AlN的2 Θ - ω图，图4(b)为Α1Ν(002)晶面的摇摆曲线图，图4(c)为Α1Ν(102)晶面的摇摆曲线图。
[0033]图5是本发明实施例1制备的AlN薄膜的TEM图，其中，插图为AlN的选取衍射花样。
[0034]图6是本发明实施例1制备的AlN薄膜的Raman图。
[0035]图7是本发明实施例2制备的AlN薄膜的XRD图，其中图7 (a)为AlN的2 θ - ω图，图7(b)为Α1Ν(002)晶面的摇摆曲线图，图7(c)为Α1Ν(102)晶面的摇摆曲线图。
[0036]图8是本发明实施例2制备的AlN薄膜的AFM图。
[0037]图9是本发明实施例2制备的AlN薄膜的Raman图。
【具体实施方式】
[0038]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。
[0039]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。
[0040]实施例1、AlN薄膜的制备及其性能测试
[0041](I)将c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。
[0042](2)配制浓度为0.10mg/mL石墨烯与N-甲基吡咯烷酮的分散液(采用的是石墨稀纳米片，由小于50个原子层石墨稀纳米片组成，其横向尺寸为2?10 μ m)，将石墨稀与N-甲基吡咯烷酮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8s，使石墨烯均匀分布在衬底上，之后将衬底迅速移到150°C的加热台上，烘干1min后待用。
[0043]该步骤中，将石墨烯旋涂于衬底上的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石墨烯片。
[0044](3)将步骤(2)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%) ο启动机械栗和分子栗抽真空至5X 10 5Pa,溅射AlN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°C，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 IE 5min，去除革E材表面杂质及氧化层。再通入高纯氮气，预派射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°C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AlN薄膜，制备得到平均厚度为SOOnm的AlN薄膜，其结构示意图如图1所示。
[0045]本实施例制备的AlN薄膜的AFM图如图3所示，由该图可以看出，AlN薄膜致密无孔，晶粒大小较为均匀，晶粒排列紧密；A1N薄膜表面的均方根粗糙度RMS = 2.12nm，完全达到了制作声表面波器件的要求。
[0046]本实施例制备的AlN薄膜的XRD图谱如图4所示，从图4(a)中可以看出除了衬底的衍射峰外，只有在36.02°和76.38°有衍射峰，表明在利用石墨烯缓冲层在衬底生长AlN薄膜具有很高的c轴取向；由图4(b)和图4(c)可以看出，其(002)和(102)摇摆曲线半高宽分别为0.78°和1.16°，表明生长出的AlN薄膜晶体质量高，具有较低的螺型和刃型位错密度。
[0047]本实施例制备的AlN薄膜的??Μ图如图5所示，其中，内插图为AlN的选取衍射斑点图。由该图可以看出，AlN薄膜膜厚平均为600nm，AlN薄膜致密无孔洞，且由高度平行的柱状晶组成；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。
[0048]本实施例制备的AlN薄膜的Raman图如图6所示，图中星号(*)标注的拉曼峰为AlN薄膜的拉曼峰，其中波数在655cm 1左右对应的拉曼峰为AlN薄膜的E 2 (high)模和波数在886cm 1左右时对应的拉曼峰为AlN薄膜的A ! (LO)模。与体AlN的E2 (high) (657.4cm ')相比，本实施制备的AlN薄膜的E2 (high)波数为657.5cm 1，没有明显的偏移，表明本实施例制备的AlN薄膜内应力比较小。
[0049]由上述测试结果可以看出，利用石墨烯作缓冲层在衬底上生长的AlN薄膜，具有高度c轴取向，晶体质量高，位错密度小，应力小，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。
[0050]实施例2、AlN薄膜的制备及其性能测试
[0051](I)将c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。
[0052](2)配制浓度为0.10mg/mL石墨烯与N-甲基毗咯烷酮的分散液(采用的是石墨稀纳米片，由小于50个原子层石墨稀纳米片组成，其横向尺寸为2?10 μ m)，将石墨稀与N-甲基吡咯烷酮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8s，使石墨烯均匀分布在衬底上，之后将衬底迅速移到150°C的加热台上，烘干1min后待用。
[0053](3)将步骤(2)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% )。启动机械栗和分子栗抽真空至5X 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0.4Pa，射频功率为200W，反应温度为500°C，基片台的自转速度为5转/min，派射时间为40min。在开始正式派射前，用挡板挡住革E材。用250W入射功率轰击Al IE 5min，去除革E材表面杂质及氧化层。再通入高纯氮气，预派射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°C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AlN薄膜，制备出平均厚度为600nm的AlN薄膜。
[0054]本实施例制备的AlN薄膜的XRD图谱如图7所示，从图7(a)中可以看到除了衬底的衍射峰外，只有在36.04°和76.40°有衍射峰，表明AlN薄膜具有很高的c轴取向；由图7(b)和图7(c)可以看出，其(002)和(102)摇摆曲线半高宽分别为0.83°和1.26°，表明生长出的AlN薄膜晶体质量高，具有较低的螺型和刃型位错密度。
[0055]本实施例制备的AlN薄膜的AFM图如图8所示，由该图可以看出，AlN薄膜表面光滑平整，薄膜致密无孔；膜表面的均方根粗糙度RMS = 6.94nm，完全达到了制作声表面波器件的要求。
[0056]本实施例制备的AlN薄膜的Raman图如图9所示，图中星号(*)标注的拉曼峰为AlN薄膜的拉曼峰。其中波数在655cm 1左右对应的拉曼峰为AlN薄膜的E2(high)模和波数为886cm 1左右时对应的拉曼峰为AlN薄膜的A ! (LO)模。与体AlN的E2 (high) (657.4cm ')相比，本实施例制备的AlN薄膜的E2 (high)波数为657.7cm 1，没有明显的偏移，表明本实施例制备的AlN薄膜内应力比较小。
[0057]由上述测试结果可以看出，利用石墨烯作缓冲层在衬底上生长的AlN薄膜，具有高度c轴取向，晶体质量高，位错密度小，应力小，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。
【主权项】
1.一种高C轴取向AlN薄膜的制备方法，包括如下步骤:将石墨烯旋涂于衬底上得到石墨烯覆盖的衬底；利用反应溅射，在所述石墨烯覆盖的衬底上进行沉积得到所述AlN薄膜； 所述反应溅射的工作气体为氮气和氩气的混合气体； 所述反应溅射的靶材为铝靶。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:所述衬底为蓝宝石、碳化硅或硅片； 向所述衬底上旋涂所述石墨烯之前，所述方法还包括如下步骤:用丙酮、乙醇和/或去离子水清洗所述衬底。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于:采用如下步骤将所述石墨烯旋涂于所述衬底上:将石墨烯纳米片分散于N，N- 二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮中得到石墨烯的分散液；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。4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于:所述反应溅射在真空度为10 6?10 4Pa的条件下进行； 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。5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，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?200W ； 所述反应溅射的温度为500°C?600°C ； 所述反应派射的时间为20min?60min ； 所述革E材与所述石墨稀覆盖的衬底之间的距离为6cm?8cm ； 所述工作气体的压力为0.2Pa?0.8Pa。6.权利要求1-5中任一项所述方法制备的AlN薄膜。7.根据权利要求6所述的AlN薄膜，其特征在于:所述AlN薄膜的厚度为600?800nm。8.权利要求6或7所述的AlN薄膜在制备声表面波器件中的应用。9.石墨烯在制备AlN薄膜中的应用。10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于:所述石墨烯作为所述AlN薄膜的缓冲层。
【文档编号】C23C14/35GK106011759SQ201510801540
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2015年11月18日
【发明人】曾飞, 傅肃磊, 潘峰, 李起, 王敏涓
【申请人】清华大学