编号：FTJS107684
篇名： 面向高性能滤波器的碳化硅基氮化铝单晶薄膜制备
作者： 李嘉辉
关键词： 氮化铝单晶薄膜; 薄膜体声波滤波器; 磁控溅射; 高温退火; 碳化硅衬底;
机构：广东工业大学
摘要： 随着无线通信技术的快速发展,人们对通信器件性能需求不断提升。基于薄膜体声波谐振器(FBAR)的滤波器器件因其小型化、高频段和可集成化等优势备受关注。FBAR器件主要依靠压电薄膜的压电效应工作,即通过引入高频电流从而引发压电薄膜的高频震动,从而产生声波并利用声波的反射与传导等特性产生作用。作为FBAR器件的关键功能材料,氮化铝(AlN)薄膜的晶体质量直接影响器件性能,所以高质量的AlN单晶压电薄膜十分重要。基于SiC衬底为基础的MEMS高集成化应用需求以及FBAR器件产业化需要,本文对不同斜切角的SiC衬底上不同厚度的AlN薄膜在高温退火前后薄膜结构质量的演变规律进行了研究。研究内容主要包括磁控溅射AlN薄膜制备工艺条件的摸索以及薄膜的测试表征,包括了溅射生长温度、AlN薄膜的厚度等条件对AlN薄膜晶体质量的影响。并且通过使用XRD、AFM、Raman等设备分析了AlN薄膜的结晶质量、择优取向、表面形貌和表面粗糙度以及残余应力等特性。本论文主要的研究内容为: (1)采用磁控溅射技术在4°斜切4H-SiC衬底上成功制备了具有高择优取向的AlN薄膜。通过系统调控溅射温度,显著改善了薄膜的结晶质量和表面形貌。在优化溅射温度至600°C的条件下,制备了系列不同厚度的AlN薄膜。表征结果显示:随着薄膜厚度的增加,其结晶质量显著提升,但伴随表面粗糙度增大及拉伸应力增强的现象。进一步在1700°C条件下进行高温退火处理后,薄膜晶体质量获得显著改善:位错密度降低1-2个数量级,达到单晶水平,表明退火过程有效消除了晶粒倾斜并降低了位错密度。值得注意的是,在斜切衬底与高温退火的协同作用下,薄膜表面形貌由初始的颗粒状转变为规则的山丘状,表面粗糙度得到明显改善。然而,退火后薄膜表现出更大的拉伸应力。本研究通过磁控溅射结合高温退火的技术路线,在4°斜切4H-SiC衬底上成功制备出高质量单晶AlN薄膜,为异质外延生长高质量氮化物薄膜提供了重要参考。 (2)为了进一步探究不同SiC衬底对薄膜制备的影响,本文在600°C的温度下通过磁控溅射的方法在0°斜切4H-SiC衬底上制备了不同厚度的AlN薄膜。表征结果显示:随着薄膜厚度的增加,AlN晶粒的倾斜和扭转程度加剧,导致结晶质量显著下降。并且可以观察到衬底表面有高低不一的聚集束状形貌,表面晶粒也在逐渐变大,导致表面粗糙度恶化。厚度的增加使得薄膜由最初的压应力转变为拉伸应力,并且应力大小随着厚度的增加而变大。经高温退火处理后,薄膜结晶质量获得显著改善。当薄膜厚度为200 nm时,AlN(002)和(105)晶面的X射线摇摆曲线半高宽分别达到151 arcsec和496 arcsec,表明晶体完整性显著提升。表面形貌分析显示,退火后薄膜呈现规则的台阶状结构,台阶高度增加,这归因于高温条件下晶粒的合并与重组。值得注意的是,退火后薄膜的拉伸应力进一步增大。本研究为在不同取向SiC衬底上制备高质量单晶AlN压电薄膜提供了重要的工艺参考和理论依据。