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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
AlN 彈性波元件之研究子計劃二
在底層電極上以常溫成長氮化鋁薄膜之研究(II)
計畫編號：NSC 89-2216-E-110-046
執行期限：89 年 8 月 1 日至 90 年 7 月 31 日
主持人：謝光宇 國立中山大學材料科學研究所
一、中文摘要 為配合體波元件的製作，本計劃利用 反應式射頻磁控濺鍍法在矽單晶以及玻璃 基板上先行沉積金屬鋁作為底層電極，而 後再長 C 軸取向的氮化鋁薄膜，在三套不 同濺鍍系統中基板不加熱為其基本共通 點，調配基板偏壓，濺鍍壓力，濺鍍功率， 氮氣濃度等參數，以求得最佳成長條件。 實驗中藉由 x 光繞射技術決定薄膜的晶面 取向，掃描式電子顯微鏡用來觀察薄膜的 緻密度以及平整度，穿透式電子顯微鏡則 是用來觀察薄膜之微觀結構。本計劃乃是 先前計劃第二年的延續,除了繼續第一年計 劃參數最佳化的調整之外,本計劃乃是針對 氮化鎵順向性成長的控制條件作深入的探 討,實驗數據顯示濺射距離的長與短決定了 AlN 薄膜的結晶程度，而靶材的選擇則是 影響薄膜的擇優取向。實驗結果顯示當濺 射距離超過 24cm 之後，氮化鋁薄膜呈現非 結晶性，縱使功率加大依舊無法改良薄膜 之結晶性，當濺射距離所短之 17 cm 之後, 再配合 AlN 的靶材，則 C 軸的 AlN 之薄膜 則成功的被掌控之中。 關鍵詞：氮化鋁，磁控濺鍍 AbstractThe (002)AlN thin film has been successfully grown on Si (100) substrate using RF sputtering technique with AlN target . The results show that the sputtering power and sputtering distance determine the microstructure of AlN. The high sputtering power and short sputtering distance can assist the C axis AlN easily formed. The
micorstructure of AlN films can be controlled with sputtering distance.
Keywords: AlN, RF sputtering 二、緣由與目的
氮化鋁（Aluminum Nitride，AlN）乃 三五族半導體中能隙值（Energy band gap 約 6.2eV）最大的半導體〔1〕。具有高硬度、 高熱傳導率（100-170Wm-1 K-1室溫下）〔2〕 和抗高溫、抗化學腐蝕的特性〔3〕，不僅 應用在半導體上作為絕緣層〔4〕，同時也 應用在封裝材料之上。另外氮化鋁其單位 晶胞 C 軸取向（C-axis orientation）具有優 異的壓電性（piezoelectricity）〔4,6〕，其表 面聲波（SAW）波速高達 5670 m/sec〔2〕， 且其機電耦合係數也高〔7〕，因此在高頻 （GHz）範圍的元件時，可以不需要到次 微米尺寸的境界，便可輕易達到要求，如 此可以減少製程的複雜度與降低製作成 本。近年資訊工業的蓬勃發展，無線電傳 輸訊息無遠弗屆，被動元件中之濾波器的 地位也就相形重要；目前濾波器製作以 SAW 元件為最重要，傳統的濾波器通常由 電感（L）及電容（C）或其等效元件所組 合而成，當無線通訊系統之工作頻率提高 至微波（microwave）範圍時，LC 濾波器 的品質會大幅降低；同時 LC 濾波電路所佔 用面積太大與其他數位電路整合之經濟效 益不佳，因此限制了它在高頻無線通訊系 統中的應用。如果以聲波元件建構濾波 器，其大小必定遠小於以傳輸線所建構之 濾波器，在製程整合上較優，經濟效應較 佳。基於上述理由本實驗為配合表面聲波 元件的特殊設計，底層電極無法承受後段 的高溫成長過程，薄膜成長溫度將被控制 在室溫下進行，因此開發利用反應性射頻
2 磁控濺鍍法在底層電極的金屬膜上沈積高 品質、壓電性強之高 C 軸順向性氮化鋁之 薄膜成長技術。本計劃乃是去年整合型計 劃的第二年持計化延續，本計劃除了持續 針對氮化鋁薄膜成長參數的最佳化調整 外，同時針對去年計劃中，最無法掌控氮 化鋁薄膜ｃ軸取向的部分作更深入的探討 與改良，實驗結果顯示我們已經有了一個 一個絕佳的方法解決了這樣的困擾。 圖一為本實驗室長距離濺鍍（17 cm）系統, 配合壓力自動控制系統,以 Al 為靶材所得 到之 AlN 薄膜之 x 光繞射圖。數據顯示氮 化鋁薄膜呈現多晶相。圖二則是該試片之 電子顯微鏡所獲得之微觀結構圖。電子繞 射圖提供了氮化鋁之結構，環狀圖告知該 薄膜呈現多晶態，從影像中可以看出氮化 鋁呈現細條狀。為了能夠得到更佳的氮化 鋁ｃ軸取向薄膜，施加偏壓乃為其中一個 選擇，其中我們也稍微改變濺射距離，但 是偏壓的存在，顯然對整個薄膜的成長有 絕對的影響。圖參為試片在施加偏壓的情 況下所獲得氮化鋁薄膜之ｘ光繞射圖，很 顯然的在偏壓越大的條件下，ｃ軸取向的 特性逐漸顯現出來。在第一年的計劃中， 我們發現，縱使加長濺鍍距離或是施以偏 壓，我們有機會得到Ｃ軸取向的氮化鋁， 但同時其他平面的氮化鋁也會出現，因此 如何抑制其他平面出現就成了這個計劃的 重點。 三，實驗方法 本實驗的方法依舊採用磁控式濺鍍法 來成長氮化鋁薄膜。成長儀器的外貌與架 構在去年的報告書已有詳細說明。由於第 一年的計劃執行中，我們採用鋁靶材，濺 射氣體乃是採用氬氣與氮氣的混合，來進 行濺鍍，企圖得到氮化鋁。由於氮化鋁的 形成必須配合氮原子的存在，而鋁原子的 出現又必須藉由氬原子撞擊鋁靶材而產生 出來，因此先前的實驗就必須仰賴這兩個 反應機制的相互搭配才有機會獲得最好的 結果。先前的實驗結果顯示我們必須投入 極大的心力在調整氮氣與氬氣的比例以及 濺射功率才能有機會獲得接近Ｃ軸取向的 氮化鋁薄膜，但是無法避免其他平面氮化 鋁的存在。因此在本計劃中我們採取了利 用氮化鋁的靶材，而濺射氣體則是只有氬 氣，這減少了實驗的複雜性。由於氮化鋁 其能隙值相當大，因此氮化鋁在被濺鍍後 其化學比組成是否會變化將不會令人擔 憂。實驗中所改變的參數包括濺鍍功率， 濺鍍距離與及濺鍍氣體的壓力。檢視薄膜 的儀器包括 X-Ray，電子顯微鏡，掃描式電 子顯微鏡以及薄膜後度量測儀等等。實驗 結果顯示如下。 四 實驗結果 圖一 壓力控制系統裝設前後，在矽單晶上沈積氮化 鋁之Ｘ光繞射圖。 20 25 30 35 40 45 50 Power=200W Distance=17cm N2 Conc.=80%
2 mTorr without APC 2 mTorr with APC
Al(200) Al(111) AlN(100) AlN(002) Int e ns it y 2 Theta(deg) 圖二 長距離之濺鍍系統所得之氮化鋁橫剖面之電 鏡照片。氮化鋁呈現多晶現象，晶粒呈現細長條狀。 圖三 不同偏壓下，在矽基板上沈積氮化鋁之Ｘ光繞 射圖。 20 30 40 50 60 Distance=7cm Power=1528W Pressure=1.4 mTorr AlN(101) AlN(100) AlN(102) Al(200) Al(111) AlN(002) bias-80V bias-50V In te n si ty 2 Theta(deg)
3 30 35 40 45 50 Two Theta (2Θ) In te n s it y ( a rb it ra ry u n it ) AlN (002) Target: AlN Substrate: Si Sputtering Power: 350W Sputtering Distance: 17 cm sputtering Gas:Ar 圖四為以氮化鋁為靶材，在濺鍍功率 350ｗ，濺鍍距離為 17 cm，濺鍍壓力為 10Mtorr 的條件下所獲得氮化鋁薄膜的 x 光繞射圖。該ｘ光繞射圖僅有一個在 36.8 度的鋒值存在，在鋒值乃是由氮化鋁(002) 的平面所提供。該結果與前者實驗的ｘ光 結果有迥然不同的地方，首先在此數據 中，沒有其任何平面的鋒值出現，這意味 著此乃真正ｃ軸取向的薄膜成長，其次該 實驗乃是在濺射距離高達 17 公分下的條件 所獲得，一般濺射的距離都是相當的短， 而長距離的濺射往往為了求得薄膜的均勻 度而犧牲了成長速率，同時也容易損失了 薄膜的結晶度，而本實驗確依舊可以獲得 不錯ｃ軸取向的結果。我們為了證實氮化 鋁的薄膜成長並不受制於基材的影響，我 們同時也置入玻璃基材同時成長以利比 較，圖六為該薄膜的ｘ光繞射圖。其結果 顯示在玻璃的基材上同樣呈現(002)的ｃ 軸取向成長，雖然有微小的(100)的平面鋒 值出現,但相較於(002)平面則是微乎其 微，這說明利用氮化鋁的靶材的確有利於 氮化鋁(002)平面的薄膜成長。 濺射功率的大小影響到薄膜的沉積速 率以及薄膜的結晶程度。在我們的實驗 中，我們降低濺鍍功率，由 350W 調降到 250W，所得的結果列於圖七。該結果與圖 六大致相同，唯獨背景訊號逐漸拉高，意 味著薄膜厚度不夠以及結晶度較差（從ｘ 光的半高寬也可以判斷）。 當功率持續下降，ｃ軸取向的成長並沒有 太大的變化，僅有 AlN(002)面所提供的訊 號越來越弱。 薄膜的結晶程度與濺射功率在本實驗 中，發現當濺射功率大於 200W 之後，薄膜 ｃ軸取向的成長才會發生，否則由於能量 不足則無法成為晶體結構。然而決定晶體 的結構，濺鍍功率並非唯一的要件，濺鍍 距離也會影響薄膜的微觀組織。圖八乃是 採取濺鍍功率為 300W，濺鍍距離成為 21cm 的條件下所得之氮化鋁薄膜。圖八與圖五 就有很大的差異，不僅ｃ軸取向的特性消 圖七 濺鍍功率下降，沉積速率減緩，ｃ軸取 向成長依舊存在 30 35 40 45 50 Two Theta (2Θ) In ten s it y (ar bi tr ary un it) AlN (002) Target: AlN Substrate: Glass Sputtering Power: 250W Sputtering Distance: 17 cm sputtering Gas:Ar AlN(100) 30 35 40 45 50 Two Theta (2Θ) In ten s it y (ar bi tr ary un it) AlN (002) Target: AlN Substrate: Glass Sputtering Power: 350W Sputtering Distance: 17 cm sputtering Gas:Ar AlN(100) 30 35 40 45 50 Two Theta (2Θ) Int en s it y (arbi tr ary un it ) Target: AlN Substrate: Si Sputtering Power: 300W Sputtering Distance: 21 cm sputtering Gas:Ar AlN(002) AlN(100) 圖八 濺射距離增長為 21cm，薄膜微 觀組織轉變成非晶系結構 圖五，靶材為 AlN，濺射距離為 17cm 濺射功 率為 350W 所得氮化鋁薄膜之ｘ光繞射圖
4 失，同時呈現出多平面繞射的現象，另外 晶格結構顯示鬆散，這說明當濺射距離變 長時，被濺射而出的原子或分子，以擴散 的行為慢慢附著在基本之上，由於沒有足 夠的能量，因此在結晶成長時，無法有效 的排列與成核，最後導致結晶度變差。 結論： 本實驗我們利用射頻磁控濺鍍法成功 的在長距離的濺射條件下(17cm)，不對試 片基座加熱成長出Ｃ軸取向的氮化鋁薄 膜。我們採用 AlN 靶材,氬氣氣體,在 250W 至 350W 的濺鍍功率的工作條件，能夠在 不同的基材上都成長極佳的 AlN C 軸取向 之薄膜，其中藉由調整濺鍍距離，能夠有 效掌控 AlN 的微觀組織，從結晶性轉為非 結晶性。濺射距離加長則薄膜結晶性將會 由結晶轉為非結晶。 誌謝： 最後感謝中山大學貴儀中心技術員李 秀月小姐，陳貴香小姐以及王良珠小姐在 Ｘ光繞射，電子顯微鏡上的技術協助，同 時 也 感 謝 國 科 會 的 經 費 輔 助 (NSC89-2216-E-110-019) 才 能 順 利 完 成 此 實驗。 參考資料：
〔1〕B. Wang,Y. N. Zhao and Z. He, vacuum, vol.48, NO.5, (1997) 427-429
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