為了制備出壓電性能良好、c軸擇優(yōu)生長的氮化鋁鈧壓電薄膜,本文利用脈沖直流反應磁控濺射法制備了幾組氮化鋁鈧薄膜,通過控制變量,并利用X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡和壓電系數(shù)測試儀等測試設備,研究了氣體流量、功率、襯底溫度、緩沖層結構以及摻鈧對薄膜結晶質量及性能的影響,優(yōu)化了工藝參數(shù)。結果表明,相比于鈦鉑緩沖層,使用氮化鋁/鈦/鉑緩沖層制備薄膜,可以使搖擺曲線半高寬由2.62°降至2.38°。然后,對鈧摻雜機理進行了簡單分析,本文所制備氮化鋁鈧薄膜的縱向壓電系數(shù)d₃₃高達-10.5 pC/N,是純氮化鋁壓電系數(shù)的1.9倍, XRD圖譜及SEM圖像表明,在該摻雜濃度下,壓電系數(shù)的提高主要是通過鈧摻雜產生的晶格畸變引起,而非改變了晶體結構。 

【文章來源】：光學精密工程. 2020,28(09)北大核心

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

不同氣體流量下制備薄膜的掃描結果

在第二組實驗中,氣體流量比和襯底溫度分別固定在了6/24和室溫,濺射功率從300 W逐步提高到700 W。圖2展示了氮化鋁(002)峰的搖擺曲線FWHM和峰值強度隨濺射功率的變化,由圖可以看出,隨著功率的提高,薄膜結晶質量先提高后降低。當功率較低時,金屬粒子通過碰撞獲得的能量較低,沉積到襯底時難以自發(fā)移動,因此排布較不規(guī)律。當功率滿足粒子自發(fā)移動要求時,(002)晶面擇優(yōu)生長;而當功率過大時,薄膜沉積速率上升,粒子尚未充分移動就被新沉積的粒子覆蓋,同樣導致結晶質量變差。3.3 襯底溫度對結晶質量的影響

在氮化鋁的濺射實驗中發(fā)現(xiàn),氮化鋁壓電薄膜的生長質量與底電極密切相關,通過引入與底電極晶格失配較小的氮化鋁緩沖層,在緩沖層上外延生長底電極,可以提高底電極生長質量,借此進一步提高氮化鋁壓電薄膜層的生長質量(見圖4)[9,12]。由圖1～圖3的X射線衍射圖譜可以看出,在本次實驗過程中的所有參數(shù)條件下,實驗組的薄膜生長質量幾乎都優(yōu)于對照組,且最優(yōu)薄膜也是在實驗組的緩沖層結構下所制備完成的,說明氮化鋁種子層的引入的確可以改善薄膜生長質量。圖5顯示了最優(yōu)參數(shù)下制備的氮化鋁鈧薄膜的2θ-θ掃描結果,虛線為實驗組(氮化鋁/鈦/鉑緩沖層上生長的氮化鋁鈧薄膜),實線為對照組(鈦/鉑緩沖層上生長的氮化鋁鈧薄膜)。由圖5的θ掃描曲線可以看出,氮化鋁種子層的存在改善了氮化鋁鈧壓電薄膜的生長質量,實驗組所制備薄膜的衍射圖譜中氮化鋁(002)峰明顯較優(yōu),在未扣除儀器本征FWHM的情況下,FWHM達到2.38°,而對照組則為2.62°。由于薄膜的結晶質量和FWHM直接相關[12],該結果證明實驗組薄膜的結晶質量優(yōu)于對照組。同時,加入氮化鋁層后可以明顯觀察到鈦的衍射峰,證明這一現(xiàn)象的機理可能是氮化鋁緩沖層的引入改善了底電極的結晶質量,從而進一步提高了薄膜的結晶質量[9]。該現(xiàn)象在氮化鋁的制備中曾有出現(xiàn),本文結果證明該機理在氮化鋁鈧的制備中同樣有效。另外,在XRD掃描范圍內未見明顯氮化鋁(100)峰出現(xiàn)[13],證明實驗所制備的氮化鋁鈧薄膜具有明顯的c軸擇優(yōu)取向[8]。

【參考文獻】：
期刊論文
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[3]硅基氮化鋁薄膜風致振動MEMS能量采集單元[J]. 尚正國,李東玲,溫志渝,趙興強.  光學精密工程. 2013(12)
[4]硅基PZT壓電功能結構[J]. 王蔚,田麗,劉曉為,任明遠,張穎.  光學精密工程. 2009(03)

博士論文
[1]氮化鋁薄膜體聲波諧振器（FBAR）的電場與紅外頻率調制特性研究[D]. 陳聰.重慶大學 2018

碩士論文
[1]ZnO薄膜制備及聲傳感器結構仿真[D]. 曾雄.電子科技大學 2007



本文編號：3007229