高Sc含量ScAlN薄膜的制备与表征

杨数强; 王军强; 张超; 陈宇昕; 尚正国

doi:10.37188/OPE.20212901.0021

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高Sc含量ScAlN薄膜的制备与表征

现代应用光学 | 更新时间：2021-02-04

- 高Sc含量ScAlN薄膜的制备与表征
- Preparation and characterization of ScAlN thin film with high scandium concentration
- 光学精密工程 2021年29卷第1期页码：21-27
- 作者机构：
  
  1.洛阳师范学院物理与电子信息学院，河南洛阳 471000
  2.北京卫星环境工程研究所，北京 100094
  3.重庆大学光电工程学院，重庆 400044
- 作者简介：
  
  [ "杨数强（1979-），男，河南洛阳人，博士研究生，副教授，2009年于重庆理工大学获得硕士学位，主要从事信号获取与处理技术、机器视觉、物联网及自动控制方面的研究。E-mail：joanhn@163.com" ]
  [ "陈宇昕（1995-），男，河北邯郸人，硕士，2020年于重庆大学获得硕士学位，主要从事MEMS传感器、压电薄膜工艺等方面的研究。E-mail：20133013@cqu.edu.cn" ]
  [ "尚正国（1981-），男，河南洛阳人，博士，高级工程师，2014年于重庆大学获得博士学位，主要从事MEMS工艺、智能传感与系统方面的研究，尤其是对基于AlN、ScAlN薄膜的SAW、BAW、PMUT及能量收集器等器件方面的研究。E-mail：zhengry@cqu.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家863高技术研究发展计划资助项目(2015AA042603);重庆市基础科学与前沿技术研究项目(cstc2017jcyjAX0237);国家重点研发计划资助项目(2018YFF01011200);国家自然科学基金青年基金资助项目(61804016);国家自然科学基金资助项目(51775070)
- DOI：10.37188/OPE.20212901.0021
  中图分类号： O484.1;TB383.2
- 收稿日期：2020-08-10，
  
  修回日期：2020-09-21，
  
  纸质出版日期：2021-01-15
- 稿件说明：
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杨数强,王军强,张超等.高Sc含量ScAlN薄膜的制备与表征[J].光学精密工程,2021,29(01):21-27.

YANG Shu-qiang,WANG Jun-qiang,ZHANG Chao,et al.Preparation and characterization of ScAlN thin film with high scandium concentration[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(01):21-27.
杨数强,王军强,张超等.高Sc含量ScAlN薄膜的制备与表征[J].光学精密工程,2021,29(01):21-27. DOI： 10.37188/OPE.20212901.0021.

YANG Shu-qiang,WANG Jun-qiang,ZHANG Chao,et al.Preparation and characterization of ScAlN thin film with high scandium concentration[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(01):21-27. DOI： 10.37188/OPE.20212901.0021.

摘要

本文利用优化的种子层结构和工艺参数，以AlSc合金靶为靶源，以脉冲直流反应磁控溅射AlSc合金靶的方式在室温下制备了ScAlN薄膜，同时设计并制作了压电测试专用结构，解决了ScAlN腐蚀工艺不成熟的问题，结合X射线衍射仪、扫描电镜、能谱仪、准静态

分析仪、纳米压痕法等方法表征了薄膜的结晶质量、组成成分和机电耦合系数等性能。由表征结果可知，所制备的Sc

0.35

0.65

N薄膜具有高度c轴择优取向，摇摆曲线的半高宽低至2.167°，同时结晶致密，有少量贝壳状凸起。薄膜的压电常数

为

23.4 pC/N，机电耦合系数

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3.47133350

3.38666677

和

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2.70933342

3.38666677

分别为34.6%和25.7%，具有制备FBAR等高性能压电MEMS器件的潜力。

Abstract

In this study， a novel seed layer structure was used to prepare ScAlN piezoelectric thin films through pulsed DC reactive magnetron sputtering at room temperature with scandium aluminum alloy as the target source after optimizing the process parameters. A novel structure for

measurement was designed and fabricated to solve the problem that the wet etch process is still not mature. The crystal quality， components， and electromechanical coupling factor were measured using X-ray diffraction， scanning electron microscopy， energy-dispersive X-ray spectroscopy， quasi-static

analysis， and nanoindentation. The Sc

0.35

0.65

N film prepared was highly c-axis oriented， with a full width at half maximum of 2.167°. In addition， the film had a high crystal density with a few shell-like convex parts. The test results show that the piezoelectric constant

of the film is

23.4 pC/N， and the electromechanical coupling factors

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3.81000018

3.97933340

and

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3.04799986

3.97933340

are 34.6% and 25.7%， respectively. This result shows that the ScAlN film prepared in this study has great potential for the fabrication of high-performance microelectromechanical system piezoelectric devices， such as film bulk acoustic resonators.

关键词

Keywords

references

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