离子源对中频反应磁控溅射AlN 薄膜结构和性能的影响
发布日期：2014-03-21 13:13 作者：admin
引 言
氮化铝(AlN)是一种性能优良的宽能隙直接带隙结构Ⅲ-V 族化合物半导体材料[1]。它具有很多
优异的物理、化学以及机械性能，如：高热导率（300W/(m·K)）、高禁带宽度（6.2eV）、高击穿
场强（14×106V/cm）[2]以及良好的光学和力学性能[3]，且与Si、GaAs 等常用半导体材料的热膨
胀系数相近等。如此优异的性能使得AlN 在光学、电子元器件、机械、微电子和高频宽带通信等
领域有着广泛的应用[1,4]。
目前，大部分的成膜方法均可以用来制备AlN 薄膜，如：化学气相沉积法[5]、反应分子束外
延法[6]、磁控溅射法[7,8]等。虽然化学气相沉积法制备出的AlN 薄膜质量高，但是它要求的反应温
度高，基体材料范围受限制；反应分子束外延法也存在系统复杂，生长速度慢，生长面积小等问
题；磁控溅射法应用的最为广泛，但由于磁控溅射技术离化率低，所制备的AlN 薄膜综合性能不
佳。
李朝阳等人[9]对离子源辅助磁控溅射Cu 基镀Cr 层机械性能的研究表明，运用离子源辅助沉
积之后，膜层附着性能良好，铬膜硬度有了明显增强，附着力、硬度等机械性能提高10%以上。
本研究采用中频反应磁控溅射结合阳极型气体离子源技术制备AlN 薄膜[10]，通过中频反应磁控溅
射法可解决因“靶中毒”引起的“打火”和沉积速率大幅度下降的问题，同时利用离子源提高离化率进
行辅助沉积，以期获得综合性能良好的AlN 薄膜，并着重研究了离子源功率对薄膜结构和性能的影响。
1 实验部分
实验采用ASM600MTG 多功能离子镀膜设备。利用中频反应磁控溅射结合阳极层流型矩形
气体离子源进行AlN 薄膜沉积，其装置结构如图1 所示。该装置有4 个尺寸为720mm×120mm
的非平衡磁控溅射靶（Unbalanced Magnetron，UBM），利用其中2 个靶装上Al 靶；2 个长720mm
的阳极层流型气体离子源 (Ion Beam Source，IBS)，利用与靶同侧的离子源通入反应气体（N2）
离化后辅助沉积AlN 膜。实验用的气体为99.99%的高纯氩和高纯氮气，靶材用99.5%的金属Al。基体采用抛光的
（100）单晶硅片（用于微观结构分析）和YG6 硬质合金（用于力学性能测试）。分别用金属清
洗液及无水乙醇超声波清洗，烘干后放进真空室，抽真空至5×10-3 Pa，通氩气至5×10-1 Pa，用
离子源结合偏压溅射清洗样片表面。本实验所采用的制备工艺如表1 所示：
分别采用Philips XˊPert MPGD X 射线衍射仪（XRD）分析膜层相结构，Zeiss supra 40
型场发射扫描电镜观察膜层表面及截面形貌，MH-5 型显微硬度计测量膜/基硬度，HH-3000 薄膜
结合力划痕试验仪测量膜基结合力。
表1. AlN 薄膜的制备工艺
Table 1．Summary of the deposition parameters for AlN thin films
ion source power(kW) target power(kW) N2 flow(sccm) bias(V) work pressure(Pa) temperature(℃)
0 6 50 100 0.5 200
0. 4 6 50 100 0.5 200
0. 7 6 50 100 0.5 200
1. 0 6 50 100 0.5 200
1. 3 6 50 100 0.5 200
2 结果与分析
2.1 薄膜的形貌及厚度
图2 是不同离子源功率下所沉积薄膜的表面形貌图。经检测，图中白色颗粒为富氮的AlN。
在离子源功率小于0.7kW 时，膜层较为疏松，并且随着离子源功率的提高，膜层致密度明显增加；
当离子源功率在0.7kW 的基础上继续增大，薄膜晶粒逐渐长大，膜层致密度增加，当离子源功率
达到1.3kW 时，晶粒非晶化趋势较为明显，在其表面看不出薄膜生长柱状晶的截面，并且膜层非
常致密。从图3 不同离子源功率下膜层截面形貌也可以得到一致的结果，离子源功率小于0.7kW
时，膜层柱状晶明显，并且排列不紧密，随着离子源功率的逐步提高，膜层变得越来越致密细腻。
当离子源功率增加至1.0kW 时，晶粒长大，出现了片状的晶形；当离子源功率达到1.3kW 时，
膜层更加致密，连成一片。这主要是由于离子源功率的增加，有效地提高了离化率，为沉积粒子提供更多的能量，致使沉积在薄膜表面的颗粒逐渐变大，当离子源功率大于一定程度后，膜层向
非晶化转变。
