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高性能氮化铝钪薄膜的制备及性能表征

陈宇昕  
【摘要】:氮化铝钪(ScAlN)压电薄膜材料具有声速高,热稳定性好、带隙宽、尤其是与CMOS工艺兼容等显著优点,同时可以克服氮化铝(AlN)压电薄膜存在的压电系数小、机电耦合系数低等不足,在体声波、声表面波、能量收集、超声探测以及场效应晶体管中具有重要应用,是近年来各国争相研究的热点之一。论文针对高端MEMS/NEMS压电器件中氮化铝钪功能薄膜的制备及性能表征等关键科学技术问题开展研究,具有重要的需求背景。论文在分析研究氮化铝钪压电薄膜晶体结构、材料性能及现有制备方法基础上,确定了基于脉冲直流反应磁控溅射的薄膜制备方法,研制具有掺钪浓度高、结晶质量良好、压电响应强的氮化铝钪压电薄膜。在充分了解国内外研究现状的基础上,分析了磁控溅射的工作原理;研究了磁控溅射法制备氮化铝钪薄膜的成膜机理;分析了功率、气体流量比、总气体流量以及种子层等关键因素对薄膜性能的影响,优化了薄膜制备工艺参数;讨论了氮化铝钪晶体中钪的掺杂机理,解释了掺钪后压电性能增强的原因。在室温条件下制备出的Sc_(0.35)Al_(0.65)N压电薄膜半高宽为2.1°,纵向压电常数d_(33)高达27.5 pC/N。本文的主要研究内容及相关结论如下:(1)根据控制变量原则设计四组实验,采用控制变量法优化工艺参数,结合XRD和SEM的表征结果,研究溅射功率、氮氩比、总气体流量以及种子层对氮化铝钪薄膜结晶质量和微观形貌的影响,分析工艺参数影响薄膜生长的机理,拟合出相关参考曲线,并在室温条件下成功制备出Sc_(0.35)Al_(0.65)N压电薄膜,薄膜的摇摆曲线半高宽为2.1°,纵向压电常数d_(33)高达27.5 pC/N,是纯氮化铝的4倍。(2)设计专用测试结构,简化d_(33)压电常数测试流程,提高测试效率。(3)利用准静态压电测试仪、纳米压痕仪和压电测试仪中的介电分析模块分别测试了薄膜的压电常数d_(33)、杨氏模量和介电常数,并计算了薄膜的机电耦合系数(k_(33)~l)~2为42.2%,厚度伸展机电耦合系数(k_(33)~t)~2为29.5%,约为纯氮化铝的4倍。(4)结合XRD、SEM、EDS、XPS、拉曼光谱和纳米压痕仪分析了氮化铝钪薄膜的晶体结构及掺杂机理,阐释了ScAlN功能薄膜压电性能增强的根本原因:认为薄膜并非简单的由六方氮化铝和立方氮化钪晶胞堆叠而成,在晶体中铝、钪原子会竞争氮,导致c轴方向上弹性系数柔化,使得该方向上的压电响应灵敏度大大提升,同时氮化钪可能是以六方纤锌矿过渡态而非立方岩盐态存在于薄膜中,在实验所制备掺杂范围内的氮化铝钪薄膜整体仍然呈现纤锌矿结构。


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