蓝宝石基Er掺杂AlN薄膜材料制备研究

摘要

近来，众多MEMS器件，比如谐振器、滤波器、开关、能量收集器、超声换能器、麦克风、应力传感器、化学传感器和加速计等，在人们的生产生活中得到了广泛应用。随着通讯行业的快速发展，通讯系统和通讯设备越来越倾向于高性能、高频、可集成、高稳定性以及小型便携等特点，因此，如何改善和提高压电薄膜的各项性能成为了相关人员的研究目标。 本文利用射频反应溅射法在蓝宝石衬底上沉积生长了Er掺杂的AlN薄膜，结合XRD、SEM、AFM、PFM、铁电测试仪以及自动划痕仪等测试结果，系统研究并分析了多种溅射工艺参数对蓝宝石基 ErAlN 薄膜晶体结构，表面形貌以及电、力学性能的影响。主要的研究结论如下： 1、不同溅射参数对薄膜晶体结构和表面形貌影响研究： 随着功率的增加，晶体取向一开始变好，在功率为250W时达到最佳，之后（002）峰强开始减弱，结晶质量下降；另外，随着功率从140W升到250W，晶粒的均匀性和致密性逐渐提高，表面粗糙度下降，之后，当功率继续增加到 300W 时，晶粒异常长大，出现团簇，孔洞等现象，表面粗糙度也因此变大。 当氮气浓度由 20%升到 25%时，(002)峰强明显变高，c 轴取向变好，当氮气浓度继续增加后，(002)峰强不再继续提高，晶体质量下降；随着氮气浓度的增加，薄膜的晶粒渐渐变得均匀致密，氮气过量后，晶粒开始异常长大，并出现团簇现象。与之相对应，薄膜的表面粗糙度也呈现先减小后变大的趋势。 随着气压从0.6Pa增加到0.8Pa，薄膜的（002）取向越来越好，继续增大气压后，（002）峰强开始减弱，并伴有（100）弱峰的出现，晶体质量下降；同时，随着溅射气压的上升，晶粒较为均匀致密，表面平整度较高；继续增高气压后，会出现有些晶粒异常变大及团簇现象，表面粗糙度变大。 在100-500℃的范围内，随着基片温度的增加，(002)峰的强度一开始增强，之后开始下降，在200℃时有最大的强度，晶体取向最佳；另外，随着温度的增加，一开始，晶粒变得越来越均匀，致密，表面平整度变高，之后，温度继续上升，晶粒开始异常变大，一些空洞，织构，位错等缺陷开始出现，造成表面粗糙度变大。 2、薄膜电学性能研究：薄膜绝缘性能随着溅射参数的变化规律与结晶质量随溅射参数的变化趋势相一致。晶体质量越高，薄膜的电阻率越高，漏电流越小，绝缘性越好。介电常数和压电常数随着摇摆曲线半高宽的增加呈逐渐下降的趋势。FWHM半高宽越小，晶体取向越好，介电与压电性能越优异。本文中，ErAlN薄膜的压电常数d33最大值为9.41pm/V，接近是AlN薄膜压电常数的2倍。 3、元素组分及膜基结合力研究：我们对ErAlN薄膜的元素组分进行EDS分析后，发现薄膜中存在掺杂的Er元素，其含量与理论值相近。另外通过利用自动划痕仪来研究 ErAlN 薄膜与蓝宝石衬底间的附着力，研究结果表明，ErAlN 薄膜与蓝宝石衬底间的临界载荷为22.6N，完全满足器件的使用要求。

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