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1、湖南大学 硕士学位论文 磁控反应溅射制备AlN薄膜及其性能研究 姓名：刘新胜 申请学位级别：硕士 专业：材料物理 指导教师：周灵平 20070401 硕士学位论文 II 摘 要 AlN薄膜具有一系列独特的优良物理化学性质，在电学、光学、声学和力学 等方面有广阔的应用前景。尤其是AlN具有热导率高、电阻率高、击穿场强大、 介电系数小、热膨胀系数与GaN、GaAs等常用半导体材料匹配这些特性，使其被 广泛用作微电子和功率器件的基板、封装、介质隔离材料。 本研究工作采用MIS800型多功能离子束磁控溅射复合镀膜设备，分别在45 钢、硅、钼衬底上制备出了高质量的AlN薄膜。 首先用XRD和SEM测试手
2、段对沉积在45钢衬底上的AlN薄膜的结晶性能和组 织结构进行了表征。结果发现，衬底温度、氮气浓度和工作气压对AIN薄膜的结 晶性能和组织结构有很大的影响。通过引入AlN缓冲层，使薄膜的择优取向由原 本的（100）晶面向（002）晶面演变；并且使薄膜的生长模式从岛状生长向层状 生长过渡，从而增加了薄膜致密度，有效的提高了薄膜的结晶质量，为生长高质 量的AIN薄膜提供了实验依据。 其次，用划痕测试仪对各个衬底上薄膜的粘结强度进行表征，结果表明，薄 膜与基体界面处的结合状态是影响AlN薄膜的粘结强度的关键因素。一系列的对 比实验后发现，低能离子束清洗衬底表面、引入界面过渡层、对不同的衬底采用 不同工
3、艺都可以有效提高AlN薄膜的粘结强度。 AlN薄膜的制备方法和工艺对薄膜 的组织结构和应力等产生较大的影响，采用双靶磁控溅射共沉积能有效改善薄膜 的粘结性能，衬底温度和工作气压对双靶磁控溅射共沉积AlN薄膜粘结强度有一 定影响。 最后，用超高电阻测试仪和绝缘耐压仪对薄膜的电学性能进行了测试，AlN 薄膜的电阻率高达6.4 1013Om，击穿场强高达1.32MV/cm，薄膜中的Al/N比和薄 膜结晶质量是影响AlN薄膜电学性能的主要因素。 关键词：A l N 薄膜；磁控溅射；结晶质量；粘结强度；电阻率；击穿场强 反应磁控溅射 AlN 薄膜制备及性能研究 III Abstract Wurtzite
4、 Aluminum nitride (AlN) belongs to III V semiconductor compounds with a hexagonal wurtzite crystal structure. Because of its high thermal conductivity, chemical stability, high hardness, high acoustic velocity, large electromechanical coupling coefficient and a wide band gap, AlN thin films have rec
5、eived great interest as a promising candidate electronic material for thermal dissipation, dielectric and passivation layers, surface acoustic wave (SAW) devices and photoelectric devices. In this paper, high quality AlN thin films were deposited on the 45 steel, Si and Mo substrates, respectively,
6、by MIS800 ion beam sputtering and magnetron sputtering techniques simultaneously. Firstly, the crystallization properties and structures of AlN films deposited on the 45 steel were characterized by X- ray Diffraction (XRD) and Scanning Electronic Microscope (SEM). The results indicated that the sbus
7、trate temperature, the concentration of Nitrogen gas and the working pressure had great effects on the crystallization properties and structures of AlN films. By introducing AlN buffer layer, the preferred orientation of films changed from (100) to (002), and the growth model changed from island- li
8、ke to layer- like. These changes increased the density of films, improved the film s crystallization quality. Our experiment results supplied a guide to yield AlN films with high quality. Secondly, the scratch test was adopted to measure the adhesion of AlN thin films deposited on different substrat
9、es; this study demonstrated that the combination in the film/underlay interface was the key factor in influencing the adhesion of AlN thin films. The adehison of the films can be improved by cleaning the sbustrate surface by low- energy ion beam, introducing the transition buffer between the interfa
10、ce and different technics for different substrates. The structure and stress of AlN films were influenced by the preparation method and the technics, and the properties of AlN films can be improved by employing dual targets reactive magnetron sputtering deposition method, while the temperature of un
11、derlay and working pressure were the important parameters of this method. Finally, the electronic performance of AlN films were tested by superhigh resistor test apparatus and insulate voltage test apparatus. The resistance ratio of films can be as high as 6.4 1013Om, breakdown field can be high as
12、1.32MV/cm. The main 硕士学位论文 IV factors which effected the electronic performance of AlN films were ratio of Al/N and the crystallization quality of the films. Key Words: AlN films; magnetron sputtering; crystalline quality; adhesion; resistivity; breakdown electric field I 湖 南 大 学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈
13、交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学
14、位论文属于 1、保密，在五年解密后适用本授权书。 2、不保密。 （请在以上相应方框内打“ v” ） 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 硕士学位论文 1 第 1 章 绪 论 1.1 AlN 的晶体结构 AlN 是 Al、N 稳定的化合物，属- 族化合物半导体，AlN 的结构主要有两 种：一种是立方晶系的闪锌矿型晶体结构；另一种是六方晶系的纤锌矿型晶体结 构。闪锌矿型晶体 AlN 由两个分别只含 Al 和 N 的密排六方子格子沿体对角线平 移 0.25 个对角线长套构而成，其晶格常数约为 4.38 10- 101。纤锌矿型晶体结 构 AlN 具有不对称中心，是一种无机
15、非铁电材料，其结合能为 2.28 eV2，直接带 隙禁带宽度为 6.28eV， 属 6mm点群， P63mc 空间群， 晶格常数 a=3.1103.113 10- 10 ，c=4.9784.98210- 10；图 1.1 为 AlN 六方纤锌矿晶体结构图3 ，由两个分 别只含 Al 和 N 的密排六方子格子沿轴平移 0.375 C0套构而成，Al 原子与周围 4 个 N 原子形成一个四面体，其中 3 个 Al- Ni（i- 1,2,3）键，称之为 B1键，键长 为 0.1885nm；沿 c 轴方向的 Al- N0键长为 0.1917nm，称之为 B2键。N0- Al0- N1的 键角为 107
16、.7o，N1- Al0- N2的键角为 110.5o。同样以 N 原子为中心也形成一个四面 体，两个四面体形成具有 C3v堆成的三棱柱；在 AlN 晶胞中，Al 和 N 原子均形成 四个 SP3杂化轨道，Al 原子有三个半满和一个空轨道，N 原子有三个半满和一个 全满轨道，B2键就是由 Al 原子的空轨道与 N 原子的满轨道形成的。另外还有在 超高压（14GPa）下合成的具有氯化钠结构的晶型的 AlN，其晶格常数为 4.04 4.38 10- 104。 图 1.1 AlN 的晶格结构示意图 反应磁控溅射沉积 AlN 薄膜制备及其性能研究 2 1 . 2 A l N 的性质 AlN 具有高硬度、高热导率、耐高温性、介电常数大、化学稳定性等优良的 综合性能，与 Si 和 GaAs 有较好的热匹配，使得 AlN 成为很有潜力的电子封装材 料5- 8。同第一、二代半导体材料相比，作为宽禁带的第三代半导体材料，非常适 合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电
