[发明专利]一种制备高度C轴取向的ScAlN薄膜的工艺

说明书

技术领域

本发明涉及制备一种ScAlN薄膜的制备工艺，即使用射频磁控溅射制备高C轴取向ScAlN薄膜的工艺及其优化。

背景技术

由磁电复合材料研制的磁场传感器具有很高的灵敏度且体积很小，适应于微型化器件的趋势，可以应用于地球物理、国防军事以及生物医疗等众多领域。近年来提出的多种结合磁电复合材料、声表面波技术或者声体波技术的传感器结构，可以使传感器在实现高灵敏度时，同时应用于DC和宽频AC磁场探测，满足了应用的要求。为了得到性能更加优异的磁场传感器。在此结构中的的压电薄膜成为了一个研究热点，AlN作为ⅢA族半导体氮化物，具有高弹性系数、低介电常数、高居里温度、高声速等优点被作为上述结构中的压电薄膜而研究，但是其压电系数相比于ZnO和PZT来说相对较低。研究者对AlN薄膜中掺杂Sc元素使得其压电系数相对于纯AlN薄膜提高了400％，同时还保留了AlN薄膜的其他优越特性，使ScAlN薄膜被认为极具潜力成为最优的压电薄膜。然而目前制备ScAlN薄膜的工艺大多数采用DC磁控溅射，制备过程中需要加热到300摄氏度以上的高温，通常制备时间在1小时以上，对于传感器器件多层结构的衬底有着很大的限制，在高温下制备压电薄膜，要求衬底材料需要具有很好的耐高温性能，这大大减少了衬底材料的选择区间，同时制备薄膜的同时需要较高的功率和较好的真空空间，随着制备薄膜的期间需要真空系统和溅射源的能量供给，制备薄膜的时间越长，其消耗的能量越多，在工业制备过程中就需要耗费巨大的能源，即不利于产业化生产，因此改进制备工艺对于后续制备多层结构的磁场传感器制备有很重要的意义。

发明内容

本发明的目的是在现有工艺的不足的基础上，提出一种制备高度C轴取向的ScAlN薄膜的制备的工艺，能够解决在制备高度C轴取向的ScAlN薄膜过程中，引入加温对于衬底的要求和影响，拓宽了可以应用于多层结构传感器制备的材料范围，引入对衬底的氮化处理，可以将制备薄膜的工艺条件进一步的拓宽，在制备相同的高取向度的薄膜的目的下，制备的工艺对于设备的要求降低，对于制备技术的应用有积极作用。

本发明的技术方案如下：

步骤1：将Si(100)基片，在常温常压下清洗并高纯氩气(99.999％)吹干备用。

步骤2：靶材采用贴片方式实现，将Sc靶用银浆对称的粘贴于Al靶的溅射轨道上，根据制备的Sc含量的不同，粘贴的Sc靶的数量和尺寸不同。

步骤3：将步骤1处理完成的Si衬底放入真空溅射室，在真空条件下使用RF磁控溅射方式溅射Sc掺杂AlN薄膜，靶材为步骤2所处理完成的复合靶材，通入一定流量比的高纯氮气和高纯氩气的混合气体，在背底气压≤1×10-4Pa，溅射功率为280W，溅射气体为N₂:Ar＝1:4(流量比)，溅射气压为0.11Pa的条件下溅射15分钟。

步骤4：使用PECVD方式在步骤1处理完成的Si基片表面形成Si₃N₄层，制备条件为如下：功率值为60W，压强值为400mT，制备温度300℃，气体通入量为Si/Ar流量和N₂流量分别为：250scccm和200sccm，制备时间为100S。

步骤5：在氮化处理后的Si衬底上溅射制备ScAlN薄膜：在步骤4处理完成后的Si基片上制备薄膜，在背底气压≤1×10-4Pa，溅射气体为N2:Ar＝1:4(流量比)，溅射气压0.11Pa的条件下溅射15分钟。

以下对本发明进行进一步的说明

上述步骤2中根据Sc贴片为0、2、3、4、6、8的条件制备得到的ScAlN薄膜中的Sc的相对原子含量为0、7.45％、11.45％、14.49％、21.50％、28.87％。

上述步骤3中的溅射方式采用RF磁控溅射。

本发明在Si(100)上制备高度C轴取向的ScAlN薄膜，在室温条件下采用RF磁控溅射方式制备Sc相对原子含量可调的ScAlN薄膜。

本发明的有益效果为：

(1)本发明采用室温条件下RF磁控溅射制备ScAlN薄膜，避免了制备薄膜前对于基片的预加热对于基片材料的影响，同时省去加热和降温基片的时间，简化实验操作，节约能量。

(2)本发明制备的ScAlN薄膜含量可调，可以根据具体的需求制备所需的含量的薄膜，而不需要跟换不同含量的合金靶材，减少了实验原料的浪费。

(3)本发明在真空条件下制备所得的薄膜，只要在工作气压和溅射功率等稳定的情况下，薄膜的沉积速率稳定，因此制备的薄膜均匀。