CN111599915A

CN111599915A - 一种基于种子层结构的高性能氮化铝钪的制备方法及其产品

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Publication number: CN111599915A
Application number: CN202010469592.7A
Authority: CN
Inventors: 尚正国; 陈宇昕
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2020-05-28
Filing date: 2020-05-28
Publication date: 2020-08-28

Abstract

本发明涉及一种基于种子层结构的高性能氮化铝钪的制备方法及其产品，属于微光机电系统技术领域。本发明采用物理气相沉积或化学气相沉积或脉冲激光沉积或分子束外延法依次在衬底层上生长种子层、氮化铝钪压电层，通过在引入的种子层上生长氮化铝钪压电层，能达到减小层间晶格失配、提高氮化铝钪晶体生长质量以及减小薄膜应力的目的；同时采用物理气相沉积、化学气相沉积、脉冲激光沉积或分子束外延的方法生长氮化铝钪压电层，通过调节生长工艺，能够进一步获得晶体生长质量优良、应力较低、具有高压电系数的高性能氮化铝钪。

Description

一种基于种子层结构的高性能氮化铝钪的制备方法及其产品

技术领域

本发明属于微光机电系统技术领域，具体涉及一种基于种子层结构的高性能氮化铝钪的制备方法及其产品。

背景技术

掺钪的氮化铝(简称氮化铝钪，ScAlN)压电薄膜具有高声速、耐高温、性能稳定、压电系数高，与CMOS工艺兼容等特性，受到国内外广泛关注。以掺钪的氮化铝压电薄膜制备为核心技术的MEMS和NEMS器件已被广泛应用于5G滤波器、传感器、谐振器及能量收集器等领域。

以反应溅射法、金属有机物化学气相沉积法或分子束外延法为核心技术制备的氮化铝钪压电薄膜，由于钪元素的存在，与纯氮化铝晶体相比会产生晶格畸变，导致生长的薄膜c轴取向较差，甚至出现氮化铝和氮化钪相分离的现象，会大大减低薄膜的压电系数以及器件的工作性能。

因此，制备晶体生长质量优良、应力较低、压电系数高的高性能氮化铝钪薄膜十分必要。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种基于种子层结构的高性能氮化铝钪的制备方法；本发明的目的之二在于提供一种基于种子层结构的高性能氮化铝钪。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1、一种基于种子层结构的高性能氮化铝钪的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)衬底层清洗：采用化学清洗或等离子清洗的方法去除基片表面污渍，然后在基片上通过物理气相沉积法、化学气相沉积法、脉冲激光沉积法或分子束外延法依次制备粘附层和下电极；

(2)在所述衬底层上表面生长种子层：采用物理气相沉积法、化学气相沉积法、脉冲激光沉积法或分子束外延法在所述衬底层上的下电极表面生长得到种子层；

(3)在所述种子层表面生长氮化铝钪压电层：采用物理气相沉积法、化学气相沉积法、脉冲激光沉积法或分子束外延法在所述种子层表面生长形成氮化铝钪压电层。

优选的，所述粘附层的厚度为30～80nm。

优选的，所述下电极的厚度为50～200nm。

优选的，所述粘附层和下电极均通过物理气相沉积法、化学气相沉积法、脉冲激光沉积法或分子束外延法进行制备。

优选的，所述基片采用MEMS基片或柔性衬底。

优选的，所述MEMS基片为硅、氧化硅、氧化铝、碳化硅或金属中的任意一种；所述柔性衬底为PET、BCB、PI或PDMS。

优选的，所述粘附层采用的材料与所述基片之间的膜基结合力不小于5N；所述下电极采用的材料为金属材料，所示金属材料与ScAlN的晶格失配度不大于30％。

优选的，所述粘附层采用的材料为AlN、TiW、Ti或Cr中的任意一种。

优选的，所述金属材料为Mo、Pt、Ir、Al、Ti或Au中的任意一种。

优选的，步骤(2)中，所述种子层采用AlN、GaN、ScAlN、YN、Al₂O₃或ScGaN材料中的任意一种。

优选的，所述种子层的厚度为10～50nm。

优选的，所述物理气相沉积法中，以铝、钪、铝钪合金、氮化铝钪或氮化铝中的任意一种或几种材料为靶源，以惰性气体氩气为工作气体、以活性气体如氮气为反应气体，通过能量源提供动能。

优选的，所述化学气相沉积法中，以含有铝或钪元素的金属有机物为前驱体，以氢气或氮气为载气。

优选的，所述脉冲激光沉积法中，以铝、钪、铝钪合金、氮化铝钪或氮化铝中的一种或几种材料为靶源，以氮气为反应气体，以激光光源为能量源；

优选的，所述分子束外延法中，以纯度高于99％的铝、纯度高于99％的钪或铝钪合金作为分子束源，以氮气或氨气为氮源提供氮离子。

2、上述制备方法制备得到的产品。

优选的，所述产品从下到上依次为：衬底层、种子层和氮化铝钪压电层。

优选的，所述衬底层从下到上依次包括基片、粘附层和下电极。

本发明的有益效果在于：

1、本发明提供了一种基于种子层结构的高性能氮化铝钪的制备方法，在种子层上生长氮化铝钪压电层，能达到减小层间晶格失配、提高氮化铝钪晶体生长质量以及减小薄膜应力的目的；同时采用物理气相沉积、化学气相沉积、脉冲激光沉积或分子束外延的方法生长氮化铝钪压电层，通过调节生长工艺，能够进一步获得晶体生长质量优良、应力较低、具有高压电系数的高性能氮化铝钪；

2、本发明还在下电极和基片之间引入粘附层，提高了氮化铝钪薄膜和基片之间的粘附性，同时不同的粘附层可以分别用于提高薄膜生长质量(氮化铝粘附层)和压电系数d₃₃测量(金属粘附层)；

3、本发明制备得到的高性能氮化铝钪具有良好的晶体生长质量、较低的应力以及较高的压电系数。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为一种基于种子层结构的高性能氮化铝钪的制备流程；

图2为制备得到的高性能氮化铝钪的截面示意图；

图3为实施例1中制备的高性能氮化铝钪的SEM图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

通过物理气相沉积法制备一种基于种子层结构的高性能氮化铝钪，其制备流程如图1所示，具体方法如下：

1、衬底层准备：首先采用化学清洗的方法去除硅基片表面污渍，然后通过物理气相沉积法在基片上依次生长制备厚度为40nm的Ti粘附层(Ti与衬底基片之间具有不小于5N的膜基结合力)和厚度为120nm的Pt下电极(Pt与ScAlN之间的晶格失配度不大于30％)；

2、同样采用物理气相沉积法继续在下电极层的表面生长厚度为40nm的AlN种子层；

3、采用物理气相沉积法在上述制备的种子层表面生长氮化铝钪压电层，得到的结构如图2所示；

上述物理气相沉积法中靶源材料为铝、钪、铝钪合金、氮化铝钪或氮化铝中的任意一种或几种、工作气体为惰性气体氩气、反应气体为活性气体氮气，同时通过能量源如电场提供薄膜分子沉积所需动能。

上述实施例中制备得到的SEM图如图3所示，测试得到其C轴对应特征峰摇摆曲线半高宽为2.1°，压电系数为27.5pC/N。

实施例2

通过化学气相沉积法制备一种基于种子层结构的高性能氮化铝钪，具体方法如下：

1、衬底层准备：首先采用化学清洗的方法去除氧化铝基片表面污渍，然后通过化学气相沉积法在基片上依次生长制备厚度为30nm的AlN粘附层(与衬底层中的基片之间具有不小于5N的膜基结合力)和厚度为50nm的Pt下电极(与ScAlN之间的晶格失配度不大于30％)；

2、同样采用化学气相沉积法继续在下电极层的表面生长厚度为10nm的GaN种子层；

3、采用化学气相沉积法在上述制备的种子层表面生长氮化铝钪压电层即可；

上述化学气相沉积法中前驱体为含有铝或钪元素的金属有机物、载气为氢气或氮气、制备过程中通过控制反应温度及反应时间来实现。

实施例3

通过脉冲激光沉积法制备一种基于种子层结构的高性能氮化铝钪，具体方法如下：

1、衬底层准备：首先采用化学清洗的方法去除碳化硅基片表面污渍，然后通过脉冲激光沉积法在基片上依次生长制备厚度为60nm的Ti粘附层(与衬底层中的基片之间具有不小于5N的膜基结合力)和厚度为150nm的Al下电极(与ScAlN之间的晶格失配度不大于30％)；

2、同样脉冲激光沉积法继续在下电极层的表面生长厚度为50nm的ScAlN种子层；

3、采用脉冲激光沉积法在上述制备的种子层表面生长氮化铝钪压电层即可；

上述脉冲激光沉积法中靶源材料为铝、钪、铝钪合金、氮化铝钪或氮化铝中的一种或几种、反应气体为活性气体氮气，能量源为激光光源。

实施例4

通过分子束外延法制备一种基于种子层结构的高性能氮化铝钪，具体方法如下：

1、衬底层准备：首先采用等离子清洗的方法去除PDMS基片表面污渍，然后通过分子束外延法在基片上依次生长制备厚度为80nm的Cr粘附层(与衬底层中的基片之间具有不小于5N的膜基结合力)和厚度为200nm的Au下电极(与ScAlN之间的晶格失配度不大于30％)；

2、同样采用分子束外延法继续在下电极层的表面生长厚度为40nm的YN种子层；

3、采用分子束外延法在上述制备的种子层表面生长氮化铝钪压电层即可；

上述物理气相沉积法中分子束源为高纯(纯度大于99％)铝和钪或铝钪合金、以氮气或氨气为氮源提供氮离子。

在以上实施例1～4中，涉及到的基片可以为MEMS基片(硅、氧化硅、氧化铝、碳化硅或金属中的任意一种)或柔性衬底(PI或PDMS)；粘附层采用的材料要求与衬底层中的基片之间具有不小于5N的膜基结合力的材料，如AlN、Ti或Cr中的任意一种；下电极采用的材料要求与ScAlN之间的晶格失配度不大于30％，如Mo、Pt、Al、Ir、Ti或Au中的任意一种；种子层则采用AlN、GaN、ScAlN、YN、Al₂O₃或ScGaN中的任意一种作为材料。

经过测试发现实施例2～4中制备的高性能氮化铝钪的性能与实施例1中相似，均能通过在种子层上生长氮化铝钪压电层，达到减小层间晶格失配、提高氮化铝钪晶体生长质量以及减小薄膜应力的目的。

本发明提供了一种基于种子层结构的高性能氮化铝钪的制备方法，在种子层上生长氮化铝钪压电层，能达到减小层间晶格失配、提高氮化铝钪晶体生长质量以及减小薄膜应力的目的；同时采用物理气相沉积、化学气相沉积、脉冲激光沉积或分子束外延的方法生长氮化铝钪压电层，通过调节生长工艺，能够进一步获得晶体生长质量优良、应力较低、具有高压电系数的高性能氮化铝钪；另外本发明还在下电极和基片之间引入粘附层，提高了氮化铝钪薄膜和基片之间的粘附性，同时不同的粘附层可以分别用于提高薄膜生长质量(氮化铝粘附层)和压电系数d₃₃测量(金属粘附层)；本发明制备得到的高性能氮化铝钪具有良好的晶体生长质量、较低的应力以及较高的压电系数。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种基于种子层结构的高性能氮化铝钪的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)准备衬底层：采用化学清洗或等离子清洗的方法去除基片表面污渍，然后在基片上通过物理气相沉积法、化学气相沉积法、脉冲激光沉积法或分子束外延法依次制备粘附层和下电极；

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述粘附层的厚度为30～80nm，所述下电极的厚度为50～200nm，所述种子层的厚度为10～50nm。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述基片采用MEMS基片或柔性衬底。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述MEMS基片为硅、氧化硅、氧化铝、碳化硅或金属中的任意一种；所述柔性衬底为PI或PDMS。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述粘附层采用的材料与所述基片之间的膜基结合力不小于5N；所述下电极采用的材料为金属材料，所示金属材料与ScAlN的晶格失配度不大于30％。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述粘附层采用的材料为AlN、TiW、Ti或Cr中的任意一种。

7.据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述金属材料为Mo、Pt、Ir、Al、Ti或Au中的任意一种。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述种子层采用AlN、GaN、ScAlN、YN、Al₂O₃或ScGaN材料中的任意一种。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述物理气相沉积法中，以铝、钪、铝钪合金、氮化铝钪或氮化铝中的任意一种或几种材料为靶源，以惰性气体氩气为工作气体、以活性气体如氮气为反应气体，通过能量源提供动能；

所述化学气相沉积法中，以含有铝或钪元素的金属有机物为前驱体，以氢气或氮气为载气；

所述脉冲激光沉积法中，以铝、钪、铝钪合金、氮化铝钪或氮化铝中的一种或几种材料为靶源，以氮气为反应气体，以激光光源为能量源；

所述分子束外延法中，以纯度高于99％的铝、纯度高于99％的钪或铝钪合金作为分子束源，以氮气或氨气为氮源提供氮离子。

10.根据权利要求1～9任一项所述的制备方法制备得到的产品。