AlN压电薄膜材料研究进展.pdf

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1、!#$%&($)*+,+-.+/0110第%&卷第)期0110 年&0 月稀有金属材料与工程2324 54637 536428379 3(*4(:8(4428(:收到初稿日期：011&;1基金项目：教育部骨干教师资助计划项目和山西省青年科技研究基金（011&1&）联合资助作者简介：许小红，女，&?)年生，博士后，华中科技大学电子科学与技术系，湖北 武汉%11，现在山西师范大学工作，电话：1%)=，4;-AB#：CDCEF GHI$ICJD$+GD$,H!#压电薄膜材料研究进展许小红&0，武海顺0，张富强0，段静芳0，李佐宜&K&华中科技大学，湖北 武汉%11LK0 山西师范大学，山西 临汾 1

2、&11L摘要：3#(压电薄膜材料具有许多优异的物理化学性质，本文对该薄膜材料的发展，结构特征，制备方法进行了综述，并对其应用前景进行了展望。关键词：3#(压电薄膜；结构；制备；应用中图法分类号：6M%文献标识码：3文章编号：&110;&=NK0110L1);1);1$引言功能薄膜材料的诞生是材料界一次质的革命，它实现了器件的小型化和集成化，因而各种新型薄膜材料的研究吸引了越来越多的研究工作者。3#(薄膜具有多种突出的物理化学性能，如：击穿场强大，热导率高，化学稳定性好，是优异的介电材料，可用于电子器件和集成电路的封装、介电隔离和绝缘，尤其适用于高温高功率器件O&P%Q。3#(薄膜的另一优越性能

3、是其优异的压电和表声波特性。3#(薄膜的声表面波速度是所有无机非铁电性压电材料中最高的，几乎是表声波器件常用压电薄膜 RHS 和 TG9 的 0 倍O%Q。这样，采用 3#(薄膜在不减小叉指电极宽度的情况下，就可将中心频率提高&倍，达到当前通讯业发展所需要的:UV，可见 3#(薄膜有着重要和独特的应用前景。%压电薄膜材料的发展早在&=1 年，TD/B+W$和 TD/B+X$首次在!石英晶体上发现了压电效应。&?&)年 7AHY+ZBH 用压电石英晶体制成水下发射和接收超声波的换能器。&?&=年TAG 研究了罗息盐压电晶体在机械谐振频率附近的电性能，导致罗息盐电声器件问世。&?0&年相继研制成功

4、石英谐振器和滤波器，开创了压电效应在稳频、计时和电子技术方面的应用。&?Q。压电薄膜的应用历史是从 TG9 开始的，&?)年美国贝尔实验室的 IJ+/报道了利用 TG9 薄膜实现超高频带的体超声波换能器研究成果O Q。&?)年通过金属 RH 的反应蒸发制取了 RHS 压电薄膜O)Q。随着国防、通讯以及微电子行业的迅速发展，越来越需要高温高频压电器件。&?)=年 AD 和 BHI#_OQ首次采用真空蒸发的方法在(0和(U%气氛中蒸镀金属 3#制取了3#(压电薄膜。&?年日本的 9EBIAB 等人O=Q采用射频磁控溅射成功制备了性能较好的 3#(压电薄膜。01世纪1年代起，TG9 薄膜和 RHS

5、薄膜已经走向了实用化的阶段，而 3#(薄膜还正处在研究阶段。由于 3#(薄膜的声表 面波速度很高，是:UV 级声表面波K93L和体波器件KM3L的首选材料。因而 3#(薄膜在 93 和 M3 器件的应用又引起了一个新的研究热点O?P&0Q。&!#压电薄膜的结构特征压电效应的产生是和结构密切相关的。在%0 种点群的晶体中，只有 01 种点群的晶体可能具有压电性O&%Q。压电晶体要求结构具有不对称性，并且是介电的。3#(属六方晶系，)-点群，无对称中心，从其晶体结构上看，可以产生压电效应。对 3#(压电薄膜，由于其多为微晶择优取向结构，因而还需探讨其组织结构和表面结构。万方数据!期#$许小红等：%

6、&压电薄膜材料研究进展图(%)薄膜的晶胞结构*+,-(./0 123456)655+10 78%)5/+9 8+):图;择优取向%)薄膜的组织结构*+,-;(?。!$%&薄膜的组织结构压电薄膜的组织结构分为单晶结构和微晶择优取向结构。由于制造单晶结构的压电薄膜要求的工艺条件比较苛刻，成本较高，而微晶择优取向结构的薄膜在压电性能方面近似于单晶薄膜，所以现在广泛应用的压电薄膜大多数为微晶择优取向薄膜。将%)薄膜应用于%A 和 B%A 器件，要求其结构必须为多晶择优取向。不同晶面取向的%)薄膜其理化性质和用途不同。以（CC;）面择优取向的%)薄膜，具有更好的表面抗氧化性，并且具有较高的压电耦合系数。

7、以（(CC）面择优取向的%)薄膜其表声波速度最高，更能满足高频表声波器件的要求(#?。可见对%)薄膜晶面择优取向机理的研究是有重要意义的。在择优取向研究方面，DE:757 等人报道用周期键链的方法（FG）来说明%)薄膜的取向机理(!?，%)0H69I2 根据各晶面之间的夹角关系，建立模型来解释薄膜的取向机理($?。本课题组则从化学键形成和分子平均自由程的角度来探讨%)薄膜的择优取向机理，得到了很有意义的结论(J?。对于微晶择优取向的%)薄膜，要求成膜之初就要择优取向，否则会造成其压电性能不良。图;是!轴垂直于基片的%)（CC;）薄膜的组织结构示意图。可以看出各微晶的!轴并非严格垂直于基片，而是

8、略有倾斜。为了测量这种薄膜的择优取向程度，通常采用以下方法，如：衍射强度比法，K 射线衍射回摆曲线法，极图法等。对于多晶体择优取向的压电薄膜，其择优取向程度在相当大的份量上表征着薄膜的质量。!表面结构薄膜表面的形貌与粗糙问题一直是人们关注的研究课题。为了降低传输损耗，提高机电耦合系数，保证叉指电极质量L 压电薄膜要求其表面有很高的光滑度。当%)薄膜在 B%A 器件中应用时，其表面粗糙度对器件质量的影响非常大。由于表声波仅在表面传播，全部能量几乎只集中在从表面向内部一个波长之内。当表面粗糙度超过一个波长时，表声波显然无法通过。传统的薄膜生长模型是描述在热力学平衡状态下的生长，也即假定原子的表面扩

9、散速度远远大于增原子的沉积速率。但是大多数实际的薄膜生长都是在远离平衡态的条件下进行(M，;C?。磁控溅射沉积薄膜是在低温高速下进行的，薄膜生长也处在非平衡状态下。探讨薄膜表面粗糙化机理有助于控制实验条件，制备出高质量、低表面粗糙度的薄膜。($%&薄膜制备技术随着科学技术的发展，薄膜的制造技术也在提高和更新。%)薄膜的制备方法很多，如真空蒸发$?、分子束外延;(?、脉冲激光溅射;?、磁控溅射;N?等物理气相沉积（FOP）方法及化学气相沉积（GOP）方法;?。各种方法都有其各自固有的优点和不足，具体选择哪一种制膜方法应该根据薄膜的用途来定。(Q 磁控溅射方法溅射这一物理现象是(NC多年前 R27

10、S0 发现的，现已广泛应用于各种薄膜的制备之中。所谓“溅射”是指荷能粒子轰击固体靶表面，使固体原子T或分子Q从表面射出的现象。溅射出的粒子多呈原子状态，常称为溅射原子。溅射技术的最新成就之一是磁控溅射，起源于;C 世纪$C 年代初。磁控溅射中引入了正交电磁场，改变电子的运动方向，提高了电子对工作气体的离化率，有效利用了电子的能量，从而实现了“低温、高速”的特点。万方数据!卷稀有金属材料与工程#$%&真空蒸发方法真空蒸发是在真空室中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到固体基片表面，凝结形成固态薄膜的方法。真空蒸发所需的设备简单、容易操作。这种方法成

11、膜速率快，不易获得晶态结构的薄膜，薄膜在基片上的附着力也较小。为了避免薄膜原材料与蒸发加热器发生反应，应选用耐热的陶瓷坩埚。!激光溅射方法用高能量密度的脉冲激光束在高真空中直接溅射固体样品以产生原子簇流，入射到基片，从而形成了薄膜。激光源一般为()：*+,脉冲激光，体系在-.#/0 的真空下工作，系统一般不引入任何气源，因而不能进行反应溅射。几乎所有在室温下是固态，又不易升华的物质，都可以成为实验样品。#分子束外延方法外延是一种制备单晶薄膜的新技术，它是在适当的基片和合适的条件下，沿基片材料晶轴方向生长一层结构完整的新单晶层薄膜的方法。分子束外延是新发展起来的外延制膜方法，也是一种特殊的真空镀

12、膜工艺。在超高真空的条件下，将薄膜诸组分元素的分子束流直接喷到衬底表面，从而在其上形成外延层。其突出的优点是能生长极薄的单晶膜层，且能够精确控制膜厚、组分和掺杂。$化学气相方法化学气相沉积方法是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的气体供给基片，利用加热等离子体等能源，借助气相作用或在基片表面的化学反应生成薄膜的一种方法。这种方法不同于前面几种/12 方法。由于 312 法是利用各种气体反应来组成薄膜，所以可任意控制薄膜组成，并且适宜于复杂形状的基片。目前制备多晶择优取向的+4(薄膜多采用磁控反应溅射，由于反应溅射可以采用高纯金属+4 靶材和高纯(&反应气体制备高纯+4(化合物薄膜，避免了制备

13、高纯+4(化合物靶的繁难，另外磁控溅射还有成膜速率高，基片温度低，薄膜致密，内应力小，附着力强等优点。!#$压电薄膜的应用微晶择优取向的压电膜兼备单晶和陶瓷的优点，即表面光滑致密，易于制成，价格低廉，便于调变性能，可靠稳定。此外，还可以通过调变薄膜厚度、基片类型和电极形状等来调整器件的性能。更重要的是使用压电薄膜可以使器件达到平面化和集成化，可以使压电材料与半导体材料密切结合，实现压电与载流子，声波与光波的相互作用，制成各种新型的压电和声光的单片集成器件。随着微电子技术和光电子技术的发展，压电薄膜得到越来越广泛的应用。+4(薄膜的最大应用场合是表声波器件和体声波器件。图!为薄膜体波和表声波器件

14、的示意图。现在已使用压电薄膜制造出多种体波器件，如微波延迟线5复合谐振器，音叉震荡器，微音器，以及多种（温度、应力、加速度等）敏感器件6&$7。各种器件的核心部分就是压电体波换能器。在表声波器件中，关键部分是由压电薄膜和叉指电极构成的叉指换能器。这种换能器直接激励和接受表声波。表声波器件一般分为无源器件和有源器件，无源器件包括滤波器，延迟线，谐振器等，有源器件包括放大器，振荡器和卷积器等6&$7。+4(薄膜具有优异的表声波特性，它的声表面波速度是所有无机非铁电性压电材料中最高的。随着刻蚀技术的发展，+4(薄膜将成为当前通讯业发展所需要,89 表面波器件的首选材料。它在国防、通讯及信息技术等方面

15、都有着很大的潜力和独特的应用前景。参考文献%&(&)*&+67 2:;:5?0AB0 2 5 2CDECB 2+F!#$%6G75 HH%5图!薄膜体波和表声波器件示意图I:JF!KEC LDEC;0:D)=0M:J AN O+P 0)L+PQ R0 O+P 0SS0=0TU 0)RV L+P 0SS0=0TU万方数据!期#$许小红等：%&压电薄膜材料研究进展$()*+,$)-,$./01 233 4 56 789:;!#$?%&$()*+/16,$6!.($*+#)-#)#/)1:A38B9%6&CD E F?%&$()*+/16,$!G6)$(,0*+#.G-#G0/1 H9CD=CI8C

16、D(方俊 鑫*6 58CD 4J8K3C(殷 之文*?,-!$!./-.()*+-.+(介电物理学*/71?L38M8CD+16,$!6,+!)-!G/!1 H:PQ3A H6 R:SD:CT8 U%?&$()*+5!/16,$!6 G($*+00,-00)/.1 E9=B 7 V6 E8CPW:K F X?&$()*+5!/16,$!G6,)+0G!-0GG/G1 16,$G6)!(G*+!)-!#/$1 28=F6 X9:X?%6#.0.-7!.)21$&/16,$G6,!(*+0)!-0)!/,1 F=:AP 7%6 7=A9WQ O?%&$()*+5!/16,$6.(0*+)0-)/,

17、1;=;89:J:CD(许小红*，E=_98PJ=C(武海顺*，4J9CD:CDM83(张聪杰*!#$?8)-2!+!%19/2#$1:&$-!3 8)!;-+/*(应用化学*/16 0,6,G()*+0)-0)#/,01;=;89:J:CD(许小红*，E=_98PJ=C(武海顺*，4J9CD:CDM83(张聪杰*!#$?(-!16 06 00(*+0#!-0#G/,)1 VJ9C O?=2!/2#-12#$:1/8/*+#$1/#)*61$9;!&?0#.!A/19 0*;!/*/71?L:PQ:C6a89CD 83M89C(姜节俭*!#$?B$!./12-.7)-2 C-$;+D#!/-#

18、$+(电子薄膜材料*/71?L38M8CD+X6 29B8C X 76 E9CD X 2?%&$()*+/16,$.#6!($*+).)-).!/,!1 5=Y:Q:_6&PJ8J9A9 76 X9C3B:V?%2&+1.8/*+A/1E)/16,$!6 0)+)G0-)G./,.1%W3I9CA _ d?%A/*+#$A/1E)/16,$!$6#+,#-,0,/,G1;=;_6 E=_ !#$?7)-2 01$-3 C-$;+/160,6)GG+!0-!./,$1 59C _6 X3PPW3A F6 16,$6!+$0!-$0G/01;=;89:J:CD(许 小 红*，E=_98PJ=C(武

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20、6 006),()*+0$-0,0/01%W3I3T 56 V8Y:PJB8C _ H L6 _3CAT H 16,$.6,$+#!G-#!.$/0#1;=J9CDB=C(许昌昆*，73CD;8=W8C(孟秀林*?&.19+-.!#$#%#&()*+#%*,-./)0#1*#.#(20(!03 40.5%;=;89:J:CD,，06 E=_98PJ=C06 4J9CD H=e89CD06 F=9C 8CD9CD06 28 4=:T8,(,_=9SJ:CD aC8f3AP8QT:N83CN3 9C V3NJC:W:DT6 E=J9C).6 J8C9*(0 J9CI8:AY9W aC8f3AP8Q

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22、AQY3CQ:hW3NQA:C8N N83CN3 9C V3NJC:W:DT6 _=9SJ:CD aC8f3AP8QT:N83CN3 9C V3NJC:W:DT6E=J9C).6 O?R?J8C96 V3W+G!0.G.#0G$)6 hY98W+I=IJi CP?PIQ=?3=?NC万方数据AlN压电薄膜材料研究进展AlN压电薄膜材料研究进展作者：许小红，武海顺，张富强，段静芳，李佐宜作者单位：许小红(华中科技大学,湖北武汉,430074;山西师范大学,山西临汾,041004)，武海顺,张富强,段静芳(山西师范大学,山西临汾,041004)，李佐宜(华中科技大学,湖北武汉,430074)刊名：

23、稀有金属材料与工程英文刊名：RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING年，卷(期)：2002,31(6)被引用次数：4次 参考文献(25条)参考文献(25条)1.许昌昆;孟秀林 声表面波器件及其应用 19842.Lee Z Y;Miao X S;Liu X J 查看详情 1990(09)3.Dimitrira V I;Manova D I;DECHEV D A 查看详情 19984.Liufu D;Kao K C 查看详情 1998(04)5.Shiosaki T;yamamoto T;Oda T 查看详情外文期刊 1980(08)6.Wauk M T;Winsl

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