摘要
随着5G通讯、电动车等领域对功率元件效能需求的提高，第一代、第二代半导体材料已难以满足需求。而第三代半导体材料如碳化硅、氮化铝等在高温、高频等严苛环境下仍表现出极佳效能，成为市场关注的焦点。这些材料具有高禁带宽度、低损耗和高频等优点，广泛用于功率、射频和光电器件的制备。其中氮化铝由于其优异的表面声波速度和压电性能，成为薄膜体声波谐振器等射频滤波器的理想选择。 目前制约射频滤波器制作的关键因素在于高质量压电氮化铝薄膜的制备。镀膜质量较差会导致薄膜与基体脱离、薄膜缺陷多、容易开裂等失效行为，这严重影响器件的工作性能及使用寿命。并且该材料对工艺参数极其敏感，不同镀膜工艺会导致氮化铝薄膜的生长取向和微结构不同，从而导致其压电性能差异显著。目前该材料的高质量制备尚未形成标准工艺，因此探索获得高机械强度高性能c轴取向氮化铝薄膜的工艺参数以及薄膜改性工艺至关重要。基于此，本文从基础研究出发，制备出c轴取向的高质量氮化铝薄膜，研究了反应磁控溅射工艺参数对薄膜的生长模式、成分以及微观结构的影响，并系统研究了薄膜的机械性能。最后，通过调控热处理温度实现对薄膜综合性能的优化，为氮化铝薄膜在射频滤波器件中的应用提供了理论基础。主要研究内容和成果如下： (1)通过反应磁控溅射在不同的沉积条件下制备氮化铝薄膜，并对薄膜的生长模式和择优取向进行了研究。研究发现，在反应磁控溅射过程中，氮化铝薄膜的生长模式为岛状生长。通过对不同沉积时间下薄膜的表面及横截面形貌分析，发现薄膜为竞争性晶粒生长，并且表面具有孔隙。此外，所制备的薄膜表现出明显的c轴取向，当工艺参数中氮气比例从20%增加至30%，受到粒子的动能和晶面原子堆积模式的双重影响，氮化铝薄膜出现从(101)晶面择优取向到(002)晶面择优取向的转变。 (2)探究了氮气流量对薄膜成分、表面结构的影响。结果表明，随着氮气流量逐渐增加，Al-N键相关的信号增强，而Al-O信号强度不随氮气含量而变化。低氮比例下沉积的薄膜表面质量较差，粗糙度过大。氮气流量为20sccm时，薄膜的表面起伏高度最小，表面粗糙度值最低且表面质量达到最佳。 (3)利用纳米压入技术系统性研究了氮化铝薄膜的机械性能。采用单次压入法和连续刚度法对薄膜的弹性模量值及硬度值进行了测量，并通过纳米划痕实验研究了薄膜表面的摩擦性能。研究结果表明，随着氮气比例的逐渐增大，薄膜弹性模量及硬度呈现出一致的变化趋势，当氮气比例从20%到30%时有所下降，在氮气比例继续增大时又呈现出增加的趋势。在划痕过程中，薄膜都发生了塑性变形，氮气比例为60%的薄膜样品具有最佳的膜基结合性。此外，利用数值分析软件模拟压入实验过程，发现在完全卸载后薄膜内部部分等效塑性应变超过了1，并且得知在试样被压区域锥底的部分塑性变形最为严重。 (4)通过热处理工艺对氮化铝薄膜进行结构调控，探究了不同热处理温度对薄膜综合性能的影响。结果表明，热处理可以增强内部吸附原子的流动性，提高薄膜沿(002)晶面生长的结晶度，改善晶体质量。尽管热处理温度对膜层厚度没有显著性影响，但却能降低薄膜的表面粗糙度，提高薄膜的表面质量。在不同热处理温度下，氮化铝薄膜的硬度和弹性模量均下降，但仍具有良好的机械性能，硬度范围在16~24GPa之间，弹性模量范围在200~250GPa之间。此外，在划痕实验中，氮化铝薄膜经过200℃的热处理后具有最小的塑性变形率，表现出最好的耐磨性，而在400℃的热处理条件下，薄膜的膜基结合力最优异。
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