[发明专利]一种低应力氮化铝薄膜的制备方法

说明书

本发明公开了属于压电薄膜制备技术领域的一种低应力氮化铝薄膜的制备方法。所述方法将靶材和衬底装入磁控溅射设备，调节磁控溅射靶材法线方向与基片台法线方向的夹角X，靶基距为Y，在工作气体气氛下调节气体流量、溅射功率和溅射气压Z，稳定后进行氮化铝薄膜沉积，结束沉积后，降温获得低应力的C轴取向氮化铝薄膜；确保Z＝5.5e^{(‑Y‑X/2)/43}‑0.03，其中，0≤X≤30°；120mm≤Y≤200mm。本发明采用的方法在使溅射粒子保持较高的能量的同时，还使其在基片台能够充分扩散，制备的氮化铝薄膜具有C轴择优取向的同时具备低应力，有利于提高氮化铝器件的可靠性，且操作流程简单，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，尤其涉及一种低应力氮化铝薄膜的制备方法。

背景技术

氮化铝是一种性能优异的压电材料，其沿C轴，即(002)晶面法线方向的声传播速度在所有无机非铁电的压电材料中几乎是最高的，且具有高热导率、优异的热稳定性、化学稳定性以及与微纳制造工艺良好的兼容性，其作为压电薄膜材料，在日益小型化的微机电(MEMS)器件领域具有巨大的应用前景。

MEMS器件大多数具有悬空结构，其对薄膜材料的残余应力有较高要求，而目前氮化铝薄膜的制备工艺主要以获得高度C轴择优取向为目的(一般高度C轴取向的氮化铝薄膜(002)摇摆曲线半高宽小于4°)，但其需要在300～500℃下生长，薄膜残余应力难以控制，通常为几百MPa甚至超过1GPa，会影响MEMS器件的稳定性与可靠性，甚至会造成器件失效。现有技术一般采用多层过渡结构降低氮化铝生长时的应力，但工艺较为复杂，且稳定性有待提高，因此迫切需要研制新方法，降低氮化铝薄膜的应力。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种低应力氮化铝薄膜的制备方法，所述方法包括以下步骤：

将靶材和衬底装入磁控溅射设备，调节磁控溅射靶材法线方向与基片台法线方向的夹角X，靶基距为Y，在工作气体气氛下调节气体流量、溅射功率和溅射气压Z，稳定后进行氮化铝薄膜沉积，结束沉积后，降温获得低应力的C轴取向氮化铝薄膜；

确保Z＝5.5e(-Y-X/2)/43-0.03，

其中，0≤X≤30°；120mm≤Y≤200mm。

所述靶材法线方向与基片台法线方向夹角X＝0°，靶基距150mm≤Y≤160mm。

所述溅射气压Z取值范围为0.01Pa≤Z≤0.3Pa。

将靶材和衬底放入磁控溅射设备后，对腔室抽真空，同时对基片台进行加热并保温。

所述基片台加热温度为350～500℃，腔室真空降至1×10^-5Pa以下。

所述靶材为铝靶，工作气体为氩气和氮气，氩气体积分数为50％～70％，溅射功率为100～200W。

所述降温速率为5～10℃/min，降温至300℃、200℃、100℃时分别保温1～2h再继续降温。

所述稳定时间为1～5min。

所述靶材直径为基片台直径的1/2。

进行氮化铝薄膜沉积之前，先对各个靶材进行预溅射，除去表面杂质。

本发明的有益效果在于：

1.本发明通过建立磁控溅射时靶材与基片夹角、靶基距和溅射气压三者的相互联系，使溅射粒子保持较高的能量能形成C轴择优取向，同时使其在基片台上充分扩散，降低氮化铝薄膜生长时的内应力，保证氮化铝薄膜(002)摇摆曲线半高宽控制在4°以下的基础上，控制其平均应力的绝对值在100MPa以内，有利于提高氮化铝器件的可靠性，操作方法简单，工艺稳定性好，适用于工业大规模生产。

附图说明