[发明专利]一种在金刚石衬底上沉积高C轴取向氮化铝薄膜的方法

说明书

本发明公开了一种在金刚石衬底上沉积高C轴取向氮化铝薄膜的方法，涉及压电薄膜制备技术领域。本发明采用射频反应磁控溅射技术，具体步骤包括真空预处理、衬底预处理、靶材预溅射、薄膜沉积，随着一次或多次沉积过程的进行，不固定可单独调节的工艺参数，而是在其原有基础上进行调整，从而控制靶材自偏压一直稳定在设定值。本发明在金刚石上沉积的氮化铝薄膜具有高C轴取向，且相较于传统方法具备较高的工艺稳定性和重复性，便于节约成本、保证薄膜性能的一致性，适用于工业大规模生产。

技术领域

本发明属于压电薄膜制备技术领域，涉及一种氮化铝压电薄膜的制备方法，尤其涉及一种在金刚石衬底上沉积高C轴取向氮化铝薄膜的方法。

背景技术

声表面波器件是现代无线移动通信系统的关键部件之一，它在实时通信、雷达监测、定位导航和电子对抗等领域均具有广泛的应用。随着信息和通讯技术的高速发展，声表面波器件的使用频率和功率不断提高，从最初的MHz级到现在的GHz级。高频声表面波器件要求基片材料不仅具有良好的压电性能，还要具有非常高的声表面波传播速度，单一的压电材料已不能满足需求，因此其基片不断向多层结构发展，即以高声速材料为基底，其上再沉积一层具有较高声速特性的压电薄膜，这种复合结构既可以保证器件整体的高声速，也能使器件具备良好的压电性能。所以，选择合适的高声速材料及压电薄膜材料，并在高声速材料表面制备出性能优异的压电薄膜是目前高频声表面波器件的研究关键。

金刚石具有高声传播速度(达10000m/s以上)、高弹性模量、高室温热导率和优良的耐热性，用其制作高频声表面波器件，对电极制备技术的要求大大降低，有利于声学波的高保真传输及改善器件的散热能力。目前采用化学气相沉积(CVD)技术已经能够在硅或金属衬底上生长高质量大面积的金刚石薄膜，且CVD金刚石薄膜的性能几乎能够与天然金刚石相媲美，可作为多层结构声表面波器件中的高声速材料。氮化铝(AlN)薄膜具备良好的压电性能，同时也具有较高的声传播速度，其沿C轴，即(002)晶面法线方向的声表面波传播速度高达6.2km/s，在所有无机非铁电的压电材料中几乎是最高的，约是传统压电材料LiNbO₃的2倍，作为声表面器件的压电薄膜材料既能保证器件具备良好的压电性，也能提高器件的频率，氮化铝还具有高电阻率和高化学稳定性，是高频声表面波器件的一种较为理想的压电基片材料。因此，氮化铝/金刚石复合结构在高频声表面波器件中具有极高的潜在应用价值。

目前，已经有多种方法可以在金刚石上制备C轴择优取向的氮化铝薄膜，其中最常用的方法是磁控溅射，其具有低成本、高生长速率、可实现大面积沉积、适合大规模工业化生产等优点。如CN 104862659 B公开了一种氮化铝薄膜的中频磁控反应溅射方法，其采用动态调节氮气含量的方法能够制备出高C轴取向的氮化铝薄膜，但该项专利并未就工艺的稳定性和重复性作详细说明。

对于工业生产来说，工艺的稳定性和重复性是非常关键的问题，而一般采用磁控溅射重复多次进行氮化铝沉积时，都是控制气体、功率等可单独调节的工艺参数保持一致，以尽可能保证薄膜性能的一致性，但实际上在每次沉积过程中腔体环境都会有微小变化，例如靶表面中毒情况、靶材损耗状态、电源匹配程度等，这些难以单独调节的因素会导致制备的氮化铝薄膜厚度、C轴结晶质量等性能出现明显的差异，造成工艺的稳定性和重复性较差，如果采用频繁更换新靶材等措施，又会增大生产成本，这非常不利于工业大规模生产。

在射频磁控溅射过程中，由于电子的迁移速度远大于离子的迁移速度，使得正半周期积累到靶上的电子数量远大于负半周期积累到靶材上的离子数量，从而会在靶材表面建立负的自偏压。靶材自偏压是射频辉光放电系统中等离子体状态、电源匹配状态、放电室结构等各方面因素的综合反映，不仅受系统环境的影响，也可以通过调节工艺参数改变其大小，使得靶材和衬底表面受到的离子轰击能量保持一致。因此，本发明通过控制射频反应磁控溅射过程中的靶材自偏压，来改善氮化铝薄膜制备工艺的稳定性和重复性。

发明内容