几种因素对磁控溅射AlN薄膜择优取向的影响

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AlN材料在微电子产业中有广泛的应用，AlN薄膜在多种器件中都扮演着重要角色。
晶体生长中的择优取向是指在多晶材料中，晶粒沿着某一特定晶向或晶面生长得更快或更优先的现象。这种取向通常与材料的制备工艺和生长条件有关，会影响材料的物理、化学和力学的性能。
AlN是一种具有纤锌矿结构的六方晶系材料，其晶体结构中包含三个主要的晶轴，分别是a轴、b轴和c轴。在晶体学中，a轴和b轴是与晶体的基面平行的晶向，而c轴是是垂直于基面的晶向。不同晶面择优取向的AlN薄膜，物理化学性质和用途不同。例如不同择优取向的AlN薄膜声传播速度不同，为满足声学器件中纵波和横波传输的需要，a轴和c轴取向的薄膜都是必要的。此外，AlN薄膜的表面状态、光学性质、负电子亲和性等性质均依赖于晶面取向。本文采用磁控溅射来生长AlN薄膜，涉及到的工艺参数有靶基距、衬底温度、溅射气压、氮气浓度、溅射功率、溅射时间等。用XRD测试生长到的AlN薄膜以表征其择优取向。探究了衬底温度、氮气浓度、溅射气压等因素对磁控溅射AlN薄膜择优取向的影响。

基于XRD测试结果表征AlN薄膜择优取向的方法

AlN晶体生长惯习晶面有（100）、（002）、（101）等，其中最密排晶面（002）和松排晶面（100）是最常见的择优取向晶面。用其PDF标准卡片（卡片号：25-1133）的三个特征线（100）、（002）、（101）的强度作为标准，定义R为（hkl）晶面的择优取向度，计算公式为：
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其中，R(hkl)为（hkl）晶面的择优取向度，I(hkl)为薄膜XRD图谱中（hkl）晶面衍射强度。根据PDF卡片中的AlN晶面标准强度I0(hkl)计算得到R0(100)和R0(002)分别为0.42和0.25。为进一步描述取向分布，定义取向指数P(hkl)=R(hkl)/R0(hkl)，当P(hkl)>1时，薄膜呈现出（hkl）晶面的择优取向，P(hkl)值越高，表明其择优取向度越高。

衬底温度对薄膜择优取向的影响

溅射沉积AlN薄膜时，衬底温度对溅射原子在表面上的附着或解吸以及在衬底表面的迁徙等都有着重要的影响。沉积温度较低时薄膜的结晶性能较差，薄膜多为非晶，好点的晶粒度也比较小，晶界较多。因而，温度是影响薄膜结构的重要因素。
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图为其他参数相同仅衬底温度不同的条件下下溅射生长的AlN薄膜的XRD图谱。
20度时，衍射图谱上无明显的衍射峰，表面不导电，此时衬底上形成的可能是一层非晶态的膜。。
85度左右时，衬底处于等离子体自加热状态，衍射图谱上同时有（100）、（002）晶面衍射峰，其中（100）衍射峰稍高。
130度时，薄膜主要呈现（002）晶面择优取向。
从200度升到400度的过程中，薄膜取向主要为（002）晶面，且峰不断锐化，说明在此过程中薄膜的晶粒不断增大。
而当温度到490度时，衍射图谱上又出现了（100）、（101）晶面的衍射峰，取向又趋于混合化。
不同衬底温度下AlN用谢乐公式计算得到的薄膜择优取向和晶粒度计算结果如表：
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可见，晶化的AlN薄膜都具有（002）晶面的择优取向，取向度随温度升高不断增加，在400度时达到最大。
溅射用的是低氮气浓度，20度-490度温度范围内，衬底温度对AlN薄膜择优取向的影响比较明显。随衬底温度增加，薄膜由（100）晶面择优取向逐渐转变为（002）晶面择优取向。
20度时，沉积在衬底表面的Al、N粒子扩散能力差，原子迁徙率过低，无法进行充分有序排列，薄膜就呈现出长程无序、短程有序的非晶结构，因此在衬底表面无法形成晶态AlN。同时溅射粒子还需要有足够的能力以形成结晶形态的AlN薄膜自身的能量如果不够，就还需要来源于衬底的能量供应，故衬底温度只有达到一定值才能使反应粒子获得足够的能量，当达到或超过AlN反应形成热时，衬底表面才会形成结晶良好的AlN薄膜。
衬底温度升高，吸附原子在衬底表面水平方向平行运动的动能随之增大，表面扩散能力增强，跨越表面势垒的几率增多，在衬底上更容易发生迁徙和重排，薄膜更容易结晶。衬底温度越高，原子就有更多的概率获得足够的激活能，使它在表面停留时间长，不仅能越过所谓的鞍点，还可以攀登势能峰并进行长距离的表面迁移。同时，衬底温度提高，也意味着溅射系统内能量增加，这不仅使得表面吸附原子的流动性好，晶面成核密度大，有利于薄膜的（002）晶面生长；而且，热力学因素对薄膜择优取向的影响会增加，也有利于具有密堆积特性的（002）晶面择优取向生长。原子达到所谓的鞍点之后，小范围的升温对薄膜的取向改变就不是很明显了。
当衬底温度升高到490度后，衬底表面吸附原子在各个晶面或晶界中扩散加快，薄膜生长过程中的应变能将会减少，使得热力学因素对薄膜择优取向的影响程度减弱，导致（100）、（101）等晶面相对（002）晶面生长速率加快，薄膜会再次由（002）晶面择优取向逐渐转变为混合晶面取向，取向性反而下降。有研究称，衬底温度升高到一定温度后，由于衬底表面吸附原子在各个晶面或晶界中扩散太快，导致（100）晶面和（002）晶面生长速率都很快，而没有一个晶面能够在生长速率的竞争中胜出，薄膜会再次由（002）晶面择优取向逐渐转变为混合晶面取向，其原因可能是高温时有其他物质扩散进入了晶格。

氮气浓度对AlN薄膜择优取向的影响

反应磁控溅射沉积AlN薄膜一般都在Ar、N2混合气体气氛下进行。
Ar作为工作气体，在溅射时起到提高Al的产额和稀释N2浓度以增加沉积速率和减小靶中毒程度的作用。
N2主要作为反应气体，同时也起到溅射Al的作用。
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图示是不同浓度下沉积AlN薄膜的XRD衍射图谱。
由图可看出，当N2浓度为20%时，沉积的AlN薄膜为（100）取向，但图中同时出现了Al（111）晶面的衍射峰，说明N2浓度过低时，从靶面溅射出来的Al原子不能完全被氮化而沉积在衬底上。
25%时，薄膜仍为（100）晶面择优取向，但此时已看不到Al的衍射峰。
50%时，薄膜仍然以（100）晶面取向为主，但衍射强度逐渐变低，（100）晶面衍射峰逐渐变得秃平，衍射峰逐渐宽化。
75%时，图谱上各晶面衍射峰均不太明显，像是非晶态。
100%时没有出现任何AlN的衍射峰，说明此时生成薄膜为非晶态。
可见，要制备结晶性能良好的AlN薄膜，N2浓度不宜过低或过高，浓度过低会造成薄膜出现富铝现象，浓度过高会造成薄膜非晶化。N2浓度范围在20%-50%之间时，AlN薄膜结晶性能良好，且只具有（100）晶面择优取向，此时R(100)近似等于1，P(100)达到最大值为2.38，薄膜择优取向和晶粒度计算结果如表：
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由表中可看出，N2浓度25%时薄膜的晶粒度最大，为65.8nm。反应溅射最重要的过程是靶材的溅射和金属与活性气体间的反应，而反应过程基本上发生在衬底的表面。
一方面，反应气体含量较少时，衬底表面氮气含量不足，反应不完全，使薄膜中存在很多缺陷，表现为金属富集，影响薄膜的结晶性能。
另一方面，离子的轰击使靶表面金属原子变得异常活泼，加上靶面升温，使得靶面的反应速率大大增加。靶面同时进行着溅射和反应合成化合物两种过程。当反应气体含量过高时，化合物生成的速率就可能超过溅射速率而使溅射速率降低甚至停止溅射，造成薄膜结晶质量下降。此外，由于化合物的溅射阈值大且二次电子发射率很高，导致更多能量消耗于二次电子的产生和发射，从而使真正用于溅射的能量大幅度减少，造成散射和能量损失，使其到达基片表面后无足够的能量按其晶格结构排列。从而导致AlN薄膜的晶粒细化或呈非晶态，而且薄膜富N，使薄膜致密度下降，造成薄膜结晶质量下降。

气压对AlN薄膜择优取向的影响

直流磁控溅射过程中，溅射气压是一个重要的参数，对溅射速率以及薄膜的质量都具有很大的影响。
气压低于0.2Pa时，本试验采用的反应磁控溅射的放电状态开始变得不稳定，以至于不能自持放电。
随气压升高，电子的平均自由程减少，原子的电离率增加，溅射速率提高。
气压过高时，溅射出来的Al原子在飞向衬底的过程中将会受到过多的散射，这造成入射到衬底表面的原子或原子团的能量降低，使得沉积的粒子扩散能力降低，不利于AlN薄膜的结晶和致密化，而且也降低了溅射沉积的速率。
因此选择合适的溅射气压对控制薄膜的质量显得非常重要。
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图示是其他条件相同，工作气压不同条件下溅射沉积的AlN薄膜的XRD衍射谱图。
可以看出，当工作气压在0.3Pa时，薄膜呈（100）、（002）、（101）混合晶面取向，具有（002）晶面择优取向，其择优取向度为2.74。
当气压增至0.6Pa时，（100）衍生峰的强度随之有明显的增加，半高宽减小，衍射峰变得尖锐，而其他的衍射峰几乎消失，此时P(100)=2.26，晶粒度为92.1nm。
当工作气压继续升至0.9Pa时，（100）晶面衍射峰的强度急剧减弱，半高宽并没有太大的变化，这说明工作气压从0.6Pa下降到0.9Pa只是降低了薄膜的衍射强度，对薄膜的结晶质量并没有产生大的影响，此时P(100)=2.21，晶粒度为62.0nm。
溅射气压在1.2Pa时，薄膜XRD图谱仍有AlN（100）晶面的衍射峰，说明薄膜仍为结晶状态，此时P(100)=1.52，晶粒度为57.6nm。
当气压升至1.6Pa时，薄膜XRD图谱中就看不到AlN特征衍射峰，此时生成的薄膜可能为非晶态的AlN薄膜。
薄膜择优取向和晶粒度计算结果如表：
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