基金项目:国家自然科学基金青年科学基金(11504291); 西安科技大学博士启动基金(2014QDJ017); 西安科技大学培育基金(201343)
通讯作者:庞华锋(1980-),男,河南镇平人,博士,讲师,E-mail:panghuafeng@xust.edu.cn
(College of Sciences,Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China)
AlN multilayered films; microstructure; surface acoustic wave devices; temperature stability
DOI: 10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0623
采用直流磁控溅射方法,在硅衬底与超纳米晶金刚石衬底上沉积生长了氮化铝(0002)择优取向薄膜,研究了不同衬底对氮化铝薄膜应力的影响,并以此氮化铝多层膜为基础通过光刻加工得到声表面波器件,进而对其声学性能进行了分析。结果 表明,在硅基底上沉积的氮化铝薄膜存在压应力,而在超纳米晶金刚石薄膜上生长的氮化铝薄膜表现出拉应力,这可能是因为界面应力平衡诱导产生的结果。氮化铝多层膜声表面波器件表现出较强的共振信号,硅衬底上声表面波器件的频率温度系数为-38 ppm/℃,超纳米晶金刚石夹层的引入可有效改善器件的温度稳定性使频率温度系数减小到-28 ppm/℃,同时也显著地提高了机电耦合系数约达0.3%.
AlN multilayered films with and without an ultra-nanocrystalline diamond(UNCD)interlayer were deposited using DC reactive magnetron sputtering system.These films were characterized and applied for the fabrication of surface acoustic wave(SAW)devices.The results show that(0002)oriented AlN multilayered films are grown well on the Si and UNCD substrates.The compress stress of the AlN film exists on Si substrate; on the contrast extensile stress appears in the AlN film on the strained UNCD substrate due to the stress counterbalance at the interface.The obtained AlN multilayered SAW devices show a strong resonant signal with large side-lobe suppression.Temperature coefficient of frequency is -38 ppm/℃.However,the introduction of the UNCD interlayer can effectively improve the temperature stability of the SAW devices for -28 ppm/℃.The electromechanical coefficient is also increased up to 0.3%.
氮化铝薄膜因其硬度高、导热性和压电性优异而成为一种非常重要的功能薄膜材料。相对于单晶材料(如铌酸锂、钽酸锂、石英等)的易碎、加工难度高和成本不菲的特点,氮化铝薄膜在高频声表面波器件、体声波器件和高温超声波传感器等领域展现出诱人的应用前景。目前报导的氮化铝薄膜制备方法包括磁控溅射沉积、脉冲激光沉积、外延生长和化学气相沉积等[1],其中磁控溅射沉积方法因实验装置相对简单、易于操控、粘附性强以及便于规模化、大面积镀膜,逐渐成为当今氮化铝薄膜制备最常用技术之一。在用磁控溅射方法沉积氮化铝薄膜时,溅射功率、气体偏压、沉积时间和基底温度等沉积参数对薄膜结晶质量尤为关键[2],因纤锌矿结构的氮化铝晶体具有六方对称结构,在结晶生长中呈现出不同的结晶惯习面,而决定生长习性的最终生长面与生长环境条件密切相关。实验中如不适当的优化实验沉积参数很难得到c-轴结晶取向的氮化铝薄膜,因而抑制其它方向的取向生长是确保薄膜具有优异压电性能的关键,也是实现高性能氮化铝薄膜声波器件加工的重要前提。
虽然目前报道通过磁控溅射方法在硅衬底沉积能够得到取向性较好氮化铝薄膜,但是因为薄膜表面粗糙度大、薄膜致密性低,声表面波传播时在薄膜中和硅衬底均存在显著的声学损耗,这使得以硅衬底为基础的氮化铝薄膜声表面波器件声学性能普遍不高[3]。最近研究表明,在氮化铝薄膜和硅衬底之间引入高声学阻抗夹层如超纳米金刚石、类金刚石和碳化硅等可以有效减弱声波在衬底中的损耗,改善器件的声学性能[4-5]。然而,实验中氮化铝/纳米晶金刚石多层膜声波器件报道较少[6],文中采用化学气相沉积方法和直流磁控溅射方法结合沉积了氮化铝多层膜,研究了薄膜的微观结晶状态,并进一步表征了氮化铝多层膜声表面波面器件的性能。
实验中氮化铝多层膜制备步骤如下:首先通过美国SP3 Model650型热丝化学气相沉积系统,在(100)取向硅衬底上沉积不同厚度的超纳米晶金刚石薄膜; 其中在沉积过程中,真空腔室内0.12 mm的钨丝阵列与硅衬底平行,间距为20 mm,加热温度达到2 000 ℃; 工作气体为甲烷和氢气的混合气体,甲烷浓度为5%,腔室气压保持在1 066 Pa,衬底温度加热到600 ℃.然后用德国莱宝Z-550型直流反应磁控溅射系统分别在硅衬底和所得到纳米晶金刚石薄膜上沉积氮化铝薄膜,其中纯铝靶直径150 mm,衬底温度加热到400 ℃,腔室真空达到2.6×10-5Pa; 在沉积前衬底表面用氩离子和氮离子混合等离子清洗60 s,然后通入工作气体氩气和和反应气体氮气,气体流量比例为3:7,腔室气压保持在0.16 Pa,溅射功率为1.2 kW,沉积速率约40 nm/min; 为了降低薄膜应力,对衬底加100 W的射频偏置功率。所得到的氮化铝多层薄膜进一步通过标准光刻工艺加工成声表面波器件。
通过Hitachi S-4100型扫描电镜观测氮化铝多层膜微观结构与膜厚,进一步用Siemens D5000型X射线衍射仪(XRD,CuKα,40 kV)分析氮化铝薄膜的物相与取向。用Thermo Scientific DXR型拉曼光谱仪分析多层膜的结晶状态。声表面波器件的共振信号用安捷伦HP8752A型矢量网络分析仪测得,器件频率的温度稳定性能通过将器件置于控温腔室中并与矢量网络分析仪外联测得。
氮化铝薄膜在(100)取向 硅衬底和纳米晶金刚石薄膜上的断面微观结构如图1所示。由图可知,氮化铝薄膜在硅衬底和纳米晶金刚石衬底上紧密粘附生长,膜层界线清晰,柱状微结构明确显示c-轴结晶取向生长特征。为了分析纳米晶金刚石厚度对声表面波器件的影响,保持氮化铝薄膜沉积厚度接近。实验中在硅衬底上氮化铝薄膜厚度为3.63 μm(图1(a)),在0.618 μm厚的纳米晶金刚石衬底上沉积的氮化铝薄膜厚膜为3.11 μm(图1(b)),在1.05 nm厚的纳米晶金刚石衬底上沉积的氮化铝薄膜厚膜为3.24 μm(图1(c))。
为了进一步分析氮化铝薄膜的结晶取向和应力状态,测得样品的XRD图谱如图2所示。比对衍射图谱库图谱JCPDS No.25-1133卡数据可知,氮化铝薄膜均为纤锌矿六方相(0002)择优取向,硅衬底上氮化铝薄膜的(0002)衍射峰强度大且半高宽窄,但在纳米晶金刚石衬底上(0002)衍射峰强度减弱,半高宽变宽,说明结晶状态发生了改变; 进而通过Debye-Scherrer公式确定晶粒尺寸[7],硅衬底和纳米晶金刚石衬底上氮化铝薄膜的晶粒大小分别为80,29 nm.根据(0002)衍射峰的角度可相应确定出氮化铝薄膜c轴晶格常数,在硅衬底上0.618 μm厚和1.05 nm厚的纳米晶金刚石衬底上氮化铝薄膜分别为0.498 2,0.497 2和0.497 2 nm。相较于理想c轴晶格常数0.497 9 nm,硅衬底上氮化铝薄膜表现出压应力,而纳米晶金刚石衬底上氮化铝薄膜表现为拉应力,这种应力状态变化可能因为Volmer-Weber生长机制,在生长过程中硅衬底无应力,而纳米晶金刚石衬底具有应力作用,衬底应力使得表面具有较高的表面能,氮化铝晶粒长大过程中能够通过失配位错和应力弛豫显著减弱的表面能,同时也使得氮化铝薄膜拉应力迅速衰减至拉应力出现[8]。
图3(a)为氮化铝多层膜的拉曼光谱。比对谱峰归属分析可知,522 cm-1尖锐强峰对应于硅衬底的单声子振动模[9]。纤锌矿六方相氮化铝薄膜的2个典型特征峰,655 cm-1附近的弱峰对应E2(high)振动模,而894 cm-1附近的弱峰起因于A1(LO)振动模[10]。氮化铝薄膜的这2个特征峰对薄膜应力响应非常灵敏,谱峰偏移与氮化铝薄膜c轴晶格常数变化关系如图3(b)所示。对于氮化铝薄膜压应力,相应峰位低于655 cm-1; 而对于拉应力,相应峰位高于655 cm-1。对于A1(LO)振动模,894 cm-1附近弱峰也表现出类似的应力性质。这与XRD图谱分析结果一致。对于1 000~1 650 cm-1范围的拉曼光谱谱峰分析可知,1 150 cm-1谱峰和1 480 cm-1肩峰是超纳米晶金刚石衬底的sp3成键碳的典型特征峰。对于无衬底支撑的金刚石薄膜,一阶拉曼散射峰位于1 332 cm-1,0.618 μm和1.05μm厚超纳米晶金刚石衬底的峰分别位于1 336 cm-1和1 337 cm-1。应力大小可以根据以下公式计算
σ=-0.567(vm-v0)(GPa),(1)
其中 vm,v0分别为有、无应力作用下金刚石一阶拉曼散射峰位[11]。0.618和1.05 μm厚超纳米晶金刚石衬底分别为-2.268,2.8 35 GPa,两者均为压应力。另外,1 350 cm-1峰对应于sp2成键碳的D带振动,对应于无定形碳的1 511 cm-1谱峰的相对强度变大是因为超纳米晶金刚石衬底厚度增加所致。
实验中声表面波器件包含一对叉指换能器(IDT),空间周期为64 μm,叉指30对,孔径为4.9 mm.氮化铝多层膜声表面波器件的透射信号(S21)频谱如图4所示,硅基氮化铝薄膜声表面波器件的强共振峰的频率为80.35 MHz,插入损耗为33 dB,边带旁瓣抑制达15 dB,对应声学相速度为5 142 m/s.纳米晶金刚石基氮化铝薄膜声表面波器件共振信号强度相对变弱,边带旁瓣抑制变小,信号通带中的寄生峰明显减弱了声频信号的激发强度。这可能是由于表面声波的三重渡越回声信号多层膜界面间的辐射损耗引起,另外有文献表明纳米晶金刚石薄膜晶粒较大也会导致声表面波传播损耗增加[12]。器件共振频率和材料声波相速度Vp存在如下关系
f=Vp/λ.(2)
其中 λ为器件叉指换能器的空间周期。因文中中声表面波器件是应用于后续声表面波操控微流体研究,而此类文献使用的频率均不高,约在30~150 MHz范围内,所以叉指换能器的空间周期设计加工为64 μm,这是以上器件共振频率出现在80 MHz左右的主要原因。同时,氮化铝薄膜相速度也受衬底效应和膜厚效应影响,即氮化铝薄膜中的声波相速度依赖于基底的声学性质和薄膜本身厚度。文中为了降低声表面波在传播中穿入基底的耗散,氮化铝薄膜厚度沉积在3~4 μm范围。
图4 氮化铝多层膜声表面波器件的透射频谱(S21)
Fig.4 Transmission coefficient(S21)of the AlN SAW devices with and without the UNCD interlayer
图5 氮化铝多层膜声表面波器件的共振频率和谱峰强度随温度变化关系(其中纳米晶金刚石厚0.618 μm,氮化铝厚3.11 μm)
Fig.5 Frequency variation and the amplitude of the SAW device with 3.11 μm thick AlN and 0.618 μm thick UNCD films as a function of the temperature
氮化铝多层膜声表面波器件的共振信号的温度稳定性通过测量共振频率随温度变化确定,图5是0.618 μm厚纳米晶金刚石衬底上沉积3.11 μm厚氮化铝薄膜的声表面波器件的典型共振频率和谱峰强度随温度变化关系,可看出随温度升高共振频率向低频方向移动,谱峰强度衰减。根据如下关系式可计算出频率温度系数(TCF).
TCF=-Δf/(ΔT×f0).(3)
其中 f0为反射信号的共振频率; Δf为温度增加ΔT时的频移量[13]。硅基氮化铝薄膜声表面波器件的TCF为-38 ppm/℃,而引入纳米晶金刚石夹层后,氮化铝多层膜声表面波器件的TCF为-28.3 ppm/℃,这是因为纳米晶金刚石夹层由于具有最小的热胀系数,这能够有效改善氮化铝多层膜声表面波器件的温度稳定性[13],并且通过更深入的优化纳米晶金刚石薄膜沉积参数和多层膜的膜厚比例有可能氮化铝多层膜声表面波器件表现出更优异的温度稳定性。
机电耦合系数是评估声表面波器件能量转换效率的重要依据。机电耦合系数可以通过如下方程得到
K2=(π)/(4N)(G/B)f=f0.(4)
其中N为IDT的插指对数,G和B分别为在共振频率处的电导和电纳[13],它们可以通过矢量网络分析仪测量反射系数的施密特图,在对应共振频率位置直接获取导纳参数。根据方程(4),通过测得的导纳计算出硅衬底氮化铝薄膜声表面波器件的机电耦合系数为0.18%,而纳米晶金刚石衬底氮化铝薄膜声表面波器件的机电耦合系数分别为0.46%(0.618 μm UNCD/3.11 μm AlN)和0.48%(1.05 μm UNCD/3.24 μm AlN)。这说明纳米晶金刚石夹层能够有效降低声波辐射损耗,并提高电信号能量与声波能量之间的转换效率。
在优化沉积参数条件下,制备了氮化铝多层膜,表征结果显示氮化铝薄膜具有较好的(0002)结晶取向,在硅衬底上表现出压应力而在超纳米晶金刚石薄膜上表现出拉伸应力,说明薄膜夹层的应力状态对其上沉积的压电薄膜的应力影响显著。加工得到的氮化铝多层膜声表面波器件具有较强的共振信号。对频率温度系数测试分析表明,超纳米晶金刚石薄膜夹层能够有效提高多层膜器件的频率温度稳定性。同时,声表面波器件的机电耦合系数也显著地提高了约达0.3%.