[发明专利]一种氮化铝薄膜的中频磁控反应溅射方法

说明书

技术领域：

本发明涉及压电薄膜制造领域,尤其涉及一种氮化铝薄膜的中频磁控反应溅射方法。

背景技术：

氮化铝(AlN)是铝(Al)和氮(N)形成的唯一稳定的化合物，为典型的III-V族元素化合物半导体。其晶胞属于六方纤锌矿结构，是以铝原子为中心，外部围绕四个氮原子，叠合而成的变形四面体。氮化铝具有一系列优良的物理化学性质，例如：大的禁带宽度(6.2eV)；高的热导率(320W/m·K)；低密度(3.26g/cm³)；大的电阻率(10¹³Ω·cm)；高的热稳定性(700℃以上才发生表面氧化)；高的声表面波传播速率(沿C轴为12000m/s,垂直于C轴为6000m/s)；大的机电耦合系数(K²＝3％～8％)；与CMOS工艺相兼容等等。这些优良的物理化学性质使得氮化铝压电薄膜在声表面波传感器和微机电系统(MEMS)中都有很好的应用前景。并且在当前的声表面波器件领域中，随着无线电通信与数据传输技术的高速发展，使得声表面波器件向GHz波段发展，而氮化铝薄膜的高声波传播速率使其成为制备高工作频率的薄膜声表面波器件首选的压电材料。因此制备出满足要求的高质量的氮化铝压电薄膜显得极为重要。

目前，已经有多种方法可以制备C轴择优取向的氮化铝薄膜，但其中最适合的方法为中频(40KHz)反应磁控溅射法。中频反应磁控溅射，相比于金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、脉冲激光沉积(PLD)、分子束外延(MBE)等薄膜制备方法具有低生长温度，高生长速率，低成本，可实现大面积薄膜沉积，并且符合大规模工业化生产的要求等优势。并且该制备方法可以在很大程度上避免直流溅射中靶面打火和靶中毒的现象，而且极大减少了射频溅射中射频源(5～30MHz)电磁波对人体的伤害。

但是在中频反应溅射技术中，溅射工艺参数对于氮化铝薄膜生长质量的影响非常大，存在等离子体以及溅射铝粒子对薄膜表面的轰击所造成的薄膜表面温度过高，以及相对较大的溅射功率都会使薄膜表面晶粒出现异常长大的现象，薄膜表面将会出现一些微米-亚微米级的氮化铝大颗粒。这将会对氮化铝薄膜的质量造成很大的影响，晶粒尺寸不均匀会影响氮化铝薄膜的压电性能和声波传播速率，并且表面的微米-亚微米级的大颗粒会对接下来的声表面波器件的制造带来灾难性的后果，使声表面波器件的叉指电极(IDT)发生断裂或者短路，从而造成器件性能失效。

发明内容：

针对上述存在问题或不足，本发明提供了一种氮化铝薄膜的中频磁控反应溅射方法。

具体包括以下步骤：

步骤1、基片清洗：依次用丙酮、酒精、去离子水对即将沉积薄膜的基片表面进行超声清洗，各清洗15分钟后，将清洗好的基片用氮气枪吹干后，放入充入纯氮气的烘干箱中加热至100℃烘干1小时。

步骤2、真空预处理：将步骤1处理得到的基片放置于中频磁控反应溅射系统的样品台上，关闭腔体。正常启动磁控溅射仪器，对腔体抽真空至5×10^-4Pa以下。

步骤3、预溅射：向真空腔体内通入70～80sccm的高纯氩气(氩气纯度为99.999％)，打开中频溅射电源预溅射清洗铝靶(铝靶纯度为99.999％)表面15分钟。

步骤4、沉积薄膜，包含三个步骤：

4.1、向真空腔体内同时通入高纯氩气(氩气纯度为99.999％)与高纯氮气(氮气纯度为99.999％)，并使其中氮气的含量保持在20％～30％之间，待辉光稳定后打开挡板，开始溅射沉积氮化铝薄膜，溅射沉积1～6小时。

4.2、在4.1过程结束后，逐步调节溅射腔体内氩气与氮气的比例，使氮气含量从先前4.1的含量增加到50％。调节速率保持在0.5sccm/min～4sccm/min之间，整个调节过程在10～20分钟内完成。

4.3、步骤4.2完成后即氮气含量稳定在50％，不调整溅射功率，再在此气氛下溅射沉积氮化铝10分钟后关闭仪器，结束薄膜生长。