基于磁控溅射制备技术面向大尺寸基板氮化铝薄膜的研究

【摘要】：微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System MEMS)是指可以批量制造的微设备或系统,主要包含微机械,微传感器,微执行器以及信号处理、控制电路,通信和电源等。其工作原理是外部环境物理、化学和生物等信号输入,通过微传感器转换成电信号,经过信号处理(模拟信号或数字信号)后,由微执行器执行动作,达到与外部环境“互动”的功能。薄膜体声波谐振器(Film-Bulk-Acoustic-Wave-Resonators FBAR)因具有体积小、损耗低、功率容量大、可集成等优异的性能,随着MEMS技术的发展得到广泛关注。氮化铝(AlN)薄膜作为常用的压电薄膜材料之一,具有多晶择优取向性,晶体表面声波沿c-轴方向的传输速度最大,是所有已知压电材料中声波波速最高的最快的压电材料,常被用来研究FBAR。本论文通过采用反应磁控溅射的方法,在大尺寸(8英寸)基板上通过改变不同电源功率、基板偏压、氮气流量、溅射靶材与基板的距离等成膜条件制备了AlN压电薄膜并对其性能进行深入研究。实验结果表明,溅射功率的大小影响着AlN薄膜的膜厚均一性和c轴取向,沉积速率对薄膜的均一性也有重要影响;基板偏压对膜厚均一性的影响可以忽略;氮气流量对AlN薄膜的膜厚均一性也有着重要影响;靶材与基板的距离影响着沉积过程中原子的碰撞次数和沉积分布,膜厚均一性的值随着靶材与基板距离变大先减小后增大,最终得到膜厚均一性的最优值为0.72%。使用X射线衍射仪(XRD)得到了AlN薄膜的取向、扫描电子显微镜(SEM)得到薄膜的表面晶粒生长形貌、膜厚仪得到薄膜的厚度,薄膜成膜均一性良好、应力测试仪对AlN薄膜的应力进行分析。使用Degas和PreClean手段对AlN薄膜的均一性和致密性进一步优化以及进行了两步成膜,最后研究发现薄膜均一性得到明显改善,均一性的值降低到0.55%,对以后薄膜的工业化生产具有重要意义。