（002）取向AIN薄膜研究

论文摘要

AlN薄膜具优异的物理化学性质，在光学、电学、力学和声学等方面有广阔的应用前景。尤其是(002)取向的AlN薄膜具有表面声波速率高，压电性能好，机电耦合系数大等特性，被广泛用作声表面波器件中的压电薄膜。本文采用MIS800型多功能离子束磁控溅射复合镀膜设备，分别在金刚石/Si、Si、玻璃衬底上制备出了高质量的AlN薄膜，并对其性能进行了研究。首先，采用反应磁控溅射、离子束辅助沉积、离子束溅射方法分别制备了AlN薄膜，反应磁控溅射和离子束辅助沉积制备的薄膜为晶态，且呈现出较高的(002)晶面择优取向度，而离子束溅射制备的薄膜为非晶态。脉冲磁控溅射沉积的AlN薄膜的表面光滑致密，而直流磁控溅射沉积的AlN薄膜的表面则存在较多的大颗粒。离子束辅助在金刚石/Si、硅、玻璃衬底均沉积出高(002)晶面择优取向的薄膜，但Si衬底上的薄膜表面较为疏松多孔。脉冲磁控溅射沉积AlN薄膜的速率最快，并且沉积的AlN薄膜的粘接性能较好，而离子束辅助和离子束溅射的沉积速率较低。其次，在衬底与薄膜之间引入异质过渡层，研究了过渡层对AlN薄膜结构和性能的影响。引入Al、Mo、Ti等过渡层后，AlN薄膜为(002)晶面择优取向，但薄膜的粘接强度将会降低。引入TiN过渡层后，薄膜仍为(002)晶面择优取向，但取向度较低。引入ZnO过渡层，能够显著的提高AlN薄膜的(002)晶面择优取向度，薄膜为高(002)晶面择优取向。虽然Si衬底上TiN和ZnO过渡层的引入能在一定程度上提高薄膜的粘接强度，但薄膜的粘接强度仍然不够理想。最后，为提高AlN薄膜的(002)晶面择优取向度以及薄膜的粘接强度，采用离子束辅助沉积的方法引入一层同质过渡层。同质过渡层的引入，使得在不同的靶基距和不同衬底温度的条件均能诱导生长出高度(002)取向的AlN薄膜，并且制备出的AlN薄膜具有高的粘接强度和低的表面粗糙度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 AlN 的晶体结构
• 1.2 AlN 薄膜的制备技术
• 1.2.1 反应磁控溅射法
• 1.2.2 分子束外延法
• 1.2.3 化学气相沉积（CVD）
• 1.2.4 离子束辅助沉积法（IBAD）
• 1.2.5 脉冲激光沉积法（PLD）
• 1.3 AlN 薄膜的性质
• 1.3.1 AlN 薄膜的电学性能
• 1.3.2 AlN 薄膜的光学性能
• 1.3.3 AlN 薄膜的机械性能
• 1.3.4 AlN 薄膜的压电性能
• 1.4 AlN 薄膜的应用
• 1.4.1 绝缘埋层材料
• 1.4.2 场发射材料
• 1.4.3 发光材料
• 1.4.4 传感器材料
• 1.4.5 声表面波器件用压电材料
• 1.5 （002）取向 AlN 薄膜的研究现状
• 1.6 本文的研究背景和内容
• 第2章 AlN 薄膜制备及分析测试方法
• 2.1 薄膜制备装置
• 2.2 薄膜样品的制备
• 2.2.1 衬底的选择及预处理过程
• 2.2.2 AlN 薄膜及过渡层的制备方法及工艺条件
• 2.3 AlN 薄膜表征方法
• 2.3.1 X 射线衍射分析
• 2.3.2 X 射线光电子能谱分析
• 2.3.3 扫描电子显微镜分析
• 2.3.4 光学显微镜
• 2.4 AlN 薄膜性能测试
• 2.4.1 薄膜厚度的测量
• 2.4.2 薄膜粘结强度测试
• 2.4.3 薄膜表面粗糙度测试
• 第3章 AlN 薄膜制备工艺方法研究
• 3.1 制备方法对 AlN 薄膜（002）取向度的影响
• 3.1.1 反应磁控溅射制备 AlN 薄膜的（002）取向度
• 3.1.2 离子束辅助沉积制备 AlN 薄膜的（002）取向度
• 3.1.3 离子束溅射方法制备 AlN 薄膜的结构分析
• 3.2 制备方法对 AlN 薄膜表面形貌的影响
• 3.2.1 反应磁控溅射制备 AlN 薄膜的表面形貌
• 3.2.2 离子束辅助沉积制备 AlN 薄膜的表面形貌
• 3.2.3 离子束溅射制备 AlN 薄膜的表面形貌
• 3.3 制备方法对 AlN 薄膜沉积速率和化学计量比的影响
• 3.3.1 制备方法对 AlN 薄膜沉积速率的影响
• 3.3.2 制备方法对 AlN 薄膜化学计量比的影响
• 3.4 制备方法对 AlN 薄膜粘接性能的影响
• 3.5 小结
• 第4章 异质过渡层对 AlN 薄膜（002）取向结构、表面形貌和粘接性能的影响
• 4.1 异质过渡层对 AlN 薄膜（002）取向度的影响
• 4.1.1 金属过渡层对 AlN 薄膜（002）取向度的影响
• 4.1.2 无机非金属过渡层对 AlN 薄膜（002）取向度的影响
• 4.2 异质过渡层对 AlN 薄膜表面形貌的影响
• 4.2.1 金属过渡层对 AlN 薄膜表面形貌的影响
• 4.2.2 无机非金属过渡层对 AlN 薄膜表面形貌的影响
• 4.3 异质过渡层对 AlN 薄膜粘接性能的影响
• 4.3.1 金属过渡层对 AlN 薄膜粘接性能的影响
• 4.3.2 无机非金属过渡层对 AlN 薄膜粘接性能的影响
• 4.4 小结
• 第5章 同质过渡层诱导生长高（002）取向度 AlN 薄膜
• 5.1 诱导生长对 AlN 薄膜（002）取向度的影响
• 5.1.1 靶基距对诱导生长 AlN 薄膜（002）取向度的影响
• 5.1.2 衬底温度对诱导生长 AlN 薄膜（002）取向度的影响
• 5.1.3 高（002）取向度 AlN 薄膜诱导生长机制分析
• 5.2 诱导生长的 AlN 薄膜表面形貌分析
• 5.3 诱导生长的 AlN 薄膜粘接性能研究
• 5.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读硕士期间的研究成果