气体压力对铝基体上氮化铝薄膜残余应力的影响

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溅射气压对DC磁控溅射制备AlN薄膜的影响

Ｆｅ２１ｂ．Ｏｌ
文章编号：０６— ４４２１）１— ０２— ５１００６（０１００５０
溅射气压对ＤＣ磁控溅射制备ＡＮ薄膜的影响１
赖珍荃，文祥，海翼，文兴邹李刘
（昌大学物理学系，南江西南昌３０３）３０１
摘
要：用Ｄ采Ｃ反应磁控溅射法，Ｓ（１）在ｉ１１和玻璃基底上成功的制备了ＡＮ薄膜。研究溅射过程中溅射气压对１
薄膜性能的影响。结果表明：薄膜中原子比Ｎ／１Ａ接近于１当溅射气压低于０６Ｐ时，；．ａ薄膜为非晶态；当溅射气压
数等特点。氮化铝独特的性质使它在机械、电子、微
光学、电子元器件以及声表面波（ＳＷ）件制造和Ａ器
流为０４溅射时间为１０ｍｎ溅射气压０５— ．０Ａ，８ｉ，．
１０Ｐ．ａ。
高频宽带通信等领域有着广阔的应用前景］。薄膜的性能依赖于薄膜的制备，高质量的薄膜
所需的属性与高品质的薄膜。因此，必要系统的有
研究溅射过程中工艺参数对ＡＮ薄膜性能的影响。Ｉ
本文将研究溅射气压对直流磁控反应溅射制备ＡＮ１薄膜结构及组分和光学性能的影响。
收稿日期：１０２。２０— ３— ２０
稳定性以及良好的光学及力学性能ｊ高质量，
１实验
利用ｃＪ一０Ｄ多靶磁控溅射镀膜设备，Ｋ５０直接

沉积功率和气压对低频氮化硅薄膜应力的影响

ＥｅｔｎｃｎｅａｄＴｃｎｌｇｈｎ，Ｃｅｇｕ６０５，Ｃｉ）ｌｒｉＳｉｃｎｅｈｏｙｏｉａｈｎｄ１０４ｈｎｃｏｃｅｏｆＣａ
ＡｓａｔＳＮｔｉｌｓｒｅｏｉｄｂｌｍｎａｃｄｃｅｉｌａｏｄｐｓｉｎ（ＥＶ）ｕｄｒａｏｓｏ — ｂｔｃ：ｉｎｆｍｅｄｐｓｅｙｐａａｅｈｎｅｈｍｃｐｒｅｏｉｏＰＣＤｎｅｒｕｗｒｈｉａｔｓａｖｔｖｉｐ
ｓｏｔａｈｈｎｅｏｏｒａｆｃｓｉｎｂｍｂｒｍｅｔｏｈｕｓｒｔｈｗｈｔｔｅｃａｇｆｐｗｅｆｅｔｏｏａｄｎｎｔｅｓｂｔａｅ，ａｄｔａｆｐｅｓｅｌａｏｔｅｃａｅｏｈｎｈｔｏｒｓｕｒｅｄｔｈｈｎｇｆｔｅ
ＨＮａｌＡＸｉｏｉｎ，Ｌｉｈ，ＹＡＫａ，ＪＡＩＷｅｉＵＮｉｚＩＮＧｙ
ｔｔｔＫｙＬｂｒｔｙｏｌｔｎｃＴｉｉｓａｄＩｔｒｔ记ｓＳｈｏＯｔｌｔｎｃＩｏｍｔｎＵｉｒｔＳａｅｅａｏａｏｒｆＥｅｒｉｈｎＦｌｎｅａｅＤｅ。ｃｏｌｐｏｅｒｉｎｒａｉｎｖｓｙｏｃｏｍｎｇｄｆｏｅｃｏｆｏｅｉｆ
ｅｎｒｓｕｅｃｎｉｏｓｈｏｎｅｔｏｆｔｅｅｔａａｔｒｔｈｅａｅｉｆｌｃａａｔｒｓｉｓｉｅｍａ－ｒａｄｐｅｓｒｏｄｔｎ．ＴｅｃｎｃｉｎｏｈｓｗｏｐｒｍｅｅｓｗｉｔｅｒｌｔｄＳＮｍｈｒｃｅｔｃ．．ｋｉｈｉｉ

溅射气压对氧化铝薄膜的沉积速率的影响

溅射气压对氧化铝薄膜的沉积速率的影响在磁控溅射镀膜过程中，溅射气压是一个重要的实验参数，它对溅射率、沉积速率以及薄膜的质量都有很大的影响。

溅射气压过低，气体分子浓度过低会影响辉光放电，导致灭辉。

溅射气压过高，气体分子浓度过大，使溅射粒子在迁移过程中与气体分子发生多次碰撞，这样既降低了靶材原子的动能，有增加了靶材的散射损失。

同时，溅射气压对薄膜的结构也有很大的影响。

所以，研究溅射气压的作用是很有意义的。

1 工艺参数本底真空度 5×10－5Pa 工具因子 1.62 基片不锈钢溅射功率: 200W 靶基距: 70mm 氧氩比: 1/10 基片温度: 20℃ 溅射时间: 50min 溅射气压: 0.15 Pa 0.3 Pa 0.5Pa 0.6Pa 0.8Pa 1.0 Pa 1.3 Pa结果：2 得图: 沉积速率与溅射气压的函数关系图 D e p o s i t i o n R a t e (n m /m i n )Sputtering Pressure(Pa)图2 Al 2O 3薄膜的沉积速率与溅射气压之间的关系图3 结果与讨论：图2 是Al 2O 3薄膜沉积速率与溅射气压的关系图。

由图可以看出，当溅射气压为0.15Pa 时，薄膜的沉积速率为60nm/min 。

随着溅射气压的增高，薄膜的沉积速率也随之增大。

在0.5Pa 时，薄膜的沉积速率达到最大值76nm/min ；此后沉积速率随溅射气压继续增加而开始呈下降的趋势。

呈现如上所述变化原因归结为两点：靶表面被溅射出的粒子数和溅射粒子到达衬底的几率。

溅射气压变化时，一方面，被溅射的工作气体原子数目变化，使得靶表面被溅射出的粒子数有所变化；另一方面，根据溅射粒子的平均自由程的表达式：溅射气压大的变化会引起溅射粒子的平均自由程的相应变化，从而影响溅射粒子到达衬底的()Pr r kT 2212+=πλ几率。

溅射气压所产生的两种效果相互制约，共同影响薄膜的沉积速率。

溅射气压对Al2O3薄膜的结构与电性能的影响

成电路的绝缘层 ¨ 。制备Ａ薄膜的方法很Ｊ１Ｏ
多，阳极氧化法、如溶胶．胶法、学气相沉积法和凝化
磁控溅射法等 ’ 。直流磁控反应溅射制备薄膜具
有：靶制备方便；薄膜组分易于控制；膜速度快、成温度低；避免了应用复杂、贵的射频磁控溅射设昂备；无环境污染等优点，薄膜制备方面获得广泛在的应用。然而，不锈钢基体上应用直流反应磁在
江苏省科技厅项目（Ｋ０５２）Ｂ２０１８资助
速度为１５。ｍｉ，．／ｎ扫描角度为ｌ。ｌ０。薄膜的厚５一０。
第一作者简介：杨和梅（９４１６一），，女讲师，工学硕士，究方向：研材料表面涂层制备工艺与性能。Ｅｍａ：ａｇｅｅ＠ｎａ．ｄ．Ｂ－ｉｙｎｈｍｉｊｕｅｕＣ。ｌ
第ｌＯ卷
第２４期
２１００年８月
科
学
技
术
与
工
程
Ｖｏ．１Ｎｏ２１０．４Ａｕ．ｇ２０１０
１７ —８５２１）４５８ —４６１１１（００２ —９５０
ＳｉｎｅＴｃｎｌｇｎｎｉｅｒｇｃｅｃｅｈｏｏｙａｄＥｇｎｅｉｎ
⑥
２１ＳｉＴｃ．ｎｎ．００ｃｅｈＥｇｇ．
物理学
溅射气压对Ａ２３薄膜的结构与电性能的影响ｌｏ

(Ti,Al)N梯度薄膜中的残余应力分析

２２０３０９、．７０３，低于在１ｒ１ｉＭｏ．、．、．５０５、．８远ＣｌＮ２Ｗ２Ｖ
表面逐渐降低，晶体结构依然保持为面心立方结构，只是晶格常数线性递减Ｊ实现了成分和结构的梯度，
变化，多层薄膜之间的晶格不匹配程度很低，有利于溅射应力向基体传递；因为在陶瓷薄膜和基体之间又制备了具有较好塑性的１过渡层，ｒｉ有利于改善薄膜和基体之间的界面错配度，当薄膜中的应力较大时，可以借助于１过渡层以及基体的局部塑性变形实现ｒｉ
实验中基体厚度约３ｍ，度薄膜中各单层的厚ｍ梯度分别为１ｍ和２ｍ。薄膜和基体的厚度比小于１／１０所以薄膜和基体中温度一致的假设是合理的。０，可以用（）对多层膜各单层中的应力进行粗略的计２式算。考虑梯度薄膜是逐层沉积的，计算单层中的残余
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第３期
杨世伟等：Ｔ，１Ｎ梯度薄膜中的残余应力分析（ｉＡ）
１１Ｏ
表２（ｉＩＮ梯度薄膜中各单层化学成分（ｔ）Ｔ，）Ａａ％
ＴａｌＣｈｍｌａｏｐｓｔｆｍｏｏｌｙｒｂｅ２ｅｅｌｃｍｏｉｉｏｎａｅｓｏｎ
直接在１ｒ１ｉＷ２ｏ不锈钢基体上沉积ＣｌＮ２ＭＶ
Ｔ。Ａ０Ｎ时，（）计算得薄膜中残余热应力为ｉｌ由２式

等离子增强型化学气相沉积条件对氮化硅薄膜性能的影响

表 1 温度对氮化硅薄膜性质的影响
温度 / ℃
沉积速率 / ( nm ·m in - 1 )
折射率
缓冲 HF刻蚀速率 / ( nm ·m in - 1 )
25
2. 0
0. 50
410. 0
100
3. 5
0. 63
400. 0
200
5. 8
0. 83
320. 0
250
8. 7
1. 00
104. 0
300
当sin比大于6电阻率与sin的关系曲线氮化硅的绝缘耐压性能受气体流量比和沉积温度本底真空度等工艺参数的影响当si75时薄膜的绝缘性能可达到较高性能见图随着温度和sih的上升氮化硅薄膜的绝缘耐压性能上升到一个最大值后呈下降趋势因为随沉积温度上升和sih8绝缘耐压性能与温度的关系曲线解成活性粒子的几率增大活性粒子的能量增加薄膜中sin比逐渐趋于sin的标准化学计量配比
等离子增强型化学气相沉积条件对氮化硅薄膜性能的影响
李新贝 , 张方辉 , 牟强 (陕西科技大学电气与电子工程学院 , 陕西咸阳 712081)
[摘要 ] 等离子增强型化学气相沉积 ( PECVD )氮化硅技术是目前半导体器件在合金化后低温生长氮化硅的唯一方法。研究了由进口 PECVD 设备制备的氮化硅薄膜性质与沉积条件的关系 ,测定了生成膜的各种物理化学性能 ,详细探讨了各种沉积参数对薄膜性能的影响 ,提出了沉积优质氮化硅薄膜的工艺条件。
20476054)
沉积氮化硅薄膜 , 射频源频率是标准频率 13. 56 MHz,使用 SiH4 2NH3 (A r)气体系统 ,典型条件为 : 沉积温度 330 ℃;射频功率 100～200 W ;满载装片量 20. 32 cm 硅片 8片 ;工作气压 200 Pa;气体流量比 R [ SiH4 (mL /m in) / NH3 ( mL /m in) ] = 1 /10 , 根据工作气压调整 SiH4、NH3及保护气体 A r流量 , 一般情况下 NH3过饱和 ,根据折射率调整 SiH4流量。试验选用单面抛光的 P型硅片 ( 100 )晶面作衬底 ,薄膜沉积时对单晶硅片晶向电阻率无要求 , 抛光后的硅片从抛光机上卸下不必使其干燥 ,然后经过以下处理 : (1)用去离子水冲洗 10 m in; ( 2)在 120 ℃的 V (H2 SO4 ) ζ V ( H2 O2 ) = 3 ζ 1 溶液中浸泡 10 m in; (3)用去离子水冲洗 3 m in; ( 4)常温下在 V ( HF) ζ V ( H2 O ) = 5 ζ 1 000 溶液中浸泡 4 m in; (5)用去离子水冲洗 10 m in; ( 6)在热氩气流中干燥。

氮化铝热沉的缺点

氮化铝热沉的缺点以氮化铝热沉的缺点为标题，我们来探讨一下这一材料在热管理领域中存在的不足之处。

氮化铝热沉的一个主要缺点是其昂贵的成本。

相比其他热管理材料，如铜或铝，氮化铝的制造成本较高。

这主要是由于氮化铝材料的生产过程较为复杂，需要较高的温度和压力条件。

这使得氮化铝热沉在大规模应用方面面临一定的挑战，尤其是在低成本和大规模生产的需求下。

氮化铝热沉的导热性能相对较差。

虽然氮化铝具有较高的热导率，但在实际应用中，氮化铝热沉的导热性能受到了一些因素的限制。

首先，由于氮化铝材料的制备过程中存在一定的缺陷和杂质，这些缺陷和杂质会降低氮化铝的导热性能。

氮化铝热沉的机械强度相对较低。

氮化铝材料的硬度和脆性较高，容易发生开裂或断裂现象。

这在实际应用中限制了氮化铝热沉的长期稳定性和可靠性。

特别是在温度变化或机械应力作用下，氮化铝热沉容易出现热应力集中和热胀冷缩不匹配等问题，导致材料的破裂和失效。

氮化铝热沉在制造过程中也存在一定的技术难题。

由于氮化铝材料的高硬度和脆性，加工和制造过程较为困难。

特别是在需要进行复杂形状加工和细小结构加工时，容易出现材料的破损或加工精度不高等问题。

这对氮化铝热沉的制造工艺和生产效率提出了一定的要求和挑战。

氮化铝热沉在散热效果上也存在一些不足。

尽管氮化铝具有较高的热导率，但由于其导热性能受到结构设计和制造工艺的限制，氮化铝热沉在实际散热过程中存在一定的热阻。

这意味着在高功率应用或高温环境下，氮化铝热沉可能无法提供足够的散热效果，从而导致设备的过热和性能下降。

虽然氮化铝热沉具有许多优点，如高热导率和优异的耐高温性能，但在实际应用中仍存在一些不足之处。

高成本、导热性能受限、机械强度低、制造困难以及散热效果不足是氮化铝热沉的主要缺点。

针对这些缺点，我们需要进一步研究和改进氮化铝热沉的制备工艺、结构设计和加工技术，以提高其性能和降低制造成本，从而更好地满足热管理领域的需求。

cvd薄膜应力

cvd薄膜应力摘要：1.引言：介绍CVD 薄膜应力的重要性和背景2.CVD 薄膜应力的产生原因3.CVD 薄膜应力的影响4.CVD 薄膜应力的检测与控制方法5.结论：总结CVD 薄膜应力的研究现状和未来发展方向正文：一、引言化学气相沉积（CVD）是一种广泛应用于微电子、光电子和功能材料制备领域的薄膜生长技术。

然而，随着薄膜厚度的增加，CVD 薄膜应力问题日益凸显，对器件性能和可靠性产生严重影响。

本文将对CVD 薄膜应力的产生原因、影响、检测与控制方法进行探讨，以期为相关领域的研究和应用提供参考。

二、CVD 薄膜应力的产生原因CVD 薄膜应力的产生主要与薄膜生长过程中的温度、压力、气体成分等因素有关。

具体来说，薄膜应力可归因于以下几个方面：1.薄膜生长速率不均匀：在CVD 过程中，薄膜生长速率在各个方向上可能存在差异，导致内部应力产生。

2.温度梯度：薄膜生长过程中，基板和气体供应的温度差异会导致温度梯度，进而引发薄膜内部的热应力。

3.气体成分和压力：CVD 过程中，气体成分和压力的波动会影响薄膜的结构和性能，进而产生应力。

三、CVD 薄膜应力的影响CVD 薄膜应力会对器件性能和可靠性产生不利影响，具体表现在以下几个方面：1.薄膜翘曲：应力会导致薄膜产生翘曲，影响器件的尺寸稳定性和可靠性。

2.断裂和分层：应力过大时，可能导致薄膜出现断裂和分层现象，严重影响器件的使用寿命。

3.电性能下降：应力会影响薄膜的晶格结构和电子迁移率，导致器件的电性能下降。

4.光性能下降：对于光学薄膜，应力会导致其表面形貌和光学特性发生变化，进而影响光学性能。

四、CVD 薄膜应力的检测与控制方法为了确保CVD 薄膜的性能和可靠性，必须对其应力进行有效的检测和控制。

目前，常用的方法包括：1.椭圆偏振光谱法：通过测量薄膜的椭圆偏振光谱，可以获得其应力分布信息。

2.X 射线衍射法：通过分析X 射线衍射数据，可以确定薄膜的应力状态。

3.应力测量仪：利用应力测量仪可以直接测量薄膜的应力值。

压强对磁控溅射沉积铌膜耐磨和耐蚀性的影响(论文)

ｄｉｆ氨：ｒｅｎｔｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇｇａｓｐｒｅｓｓｕｒｅｓ
图５未经处理试样的磨痕照片Ｆｉｇ．５Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｗｅａｒｓｃａｒｏｆｕｎｔｒｅａｔｅｄｓａｍｐｌｅ
图８是经过腐蚀极化测试后试样表面的金相照片。由图８可见，在ＮａＣｌ溶液中铌膜的腐蚀的基本形式为孔蚀，随着腐蚀程度的加剧，圆形腐蚀坑变成了连续的条状。对比３种压强下的腐蚀形貌可以看出，０．９Ｐａ和０．３Ｐａ的腐蚀区较少，而在０．６Ｐａ压强时，试样表面的铌膜基本被腐蚀掉了，腐蚀非常严重。铌膜在腐蚀中可能发生如下反应［１４】：
见，沉积铌膜后试样的硬度都比基体高，基体的硬度在２０００ＭＰａ左右，而铌膜的硬度介于３５００～４０００ＭＰａ之间，其中０．６Ｐａ下铌膜的硬度较大。图４是不同压强时铌膜的摩擦磨损曲线。由图４可见，０．３Ｐａ下的耐磨性最好，Ｏ．９Ｐａ次之，而０．６Ｐａ下磨穿的最快，耐磨性较差。文献【１２】表明，在３１６不锈钢上沉积Ｎｂ膜，高压强下膜与基体界面没有形成扩散，膜基结合力差，同时高压强促使生成疏松多孔的薄膜结构，因此不有利于耐磨性提高；而０．６Ｐａ下沉积的铌膜表面缺陷较多，因此其耐磨性较差。由于Ｎｂ膜的厚度相差较小，因而对耐磨性的影响不大。图５和图６分别是基体和Ｏ．６Ｐａ下沉积铌膜的磨痕照片。由图５及图６可以看出，基体有明显的犁削痕迹。铌膜经过摩擦后，在未磨穿处（Ｔ区域）呈现出明显的擦伤迹象，形成了很多犁沟，表现出典型的磨粒磨损形貌。同时也可以看到，尽管体材料的铌塑性很好，但沉积后的塑
收稿日期：２００７．０１．２５基金项目：国家自然科学基金（Ｎｏ．５０３７３００７），新世纪优秀人才支持计划作者简介：崔江涛，男，１９７４年生，博士研究生，哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨１５０００１，电话：０４５１—８６４１８７８４，Ｅ－ｍａｉｌｏｉ髓ｇｔａｏｃｕｉ＠１２６．ｃｏｍ；

反应溅射法制备氮化铝薄膜及工作气压对其场发射性能的影响

ｐｒｃｓｒｍｅｅｓｈｅｔｉｋｎｅｓｏｆｔｉｓｃｎｇｄｖｒｍａｌｂｙｃｎｉｈｒｎｇｏｅｓｐａａｔｒ，ｔｈｃｓｈｅｆｌｈａｅｅｙｓｌｍｈａｇｎｇｔｅｗｏｋｉ
ｏ１ｏｈｅｅｆｌｅｒｄｕｎｅｈｅ１ｎｖｆｒｔｓｉｍｓｐｒｐａｅｄｒｔｏｗｅｒｗｏｒｅｓｅ０ｎ．７ＰａＴｈｅｓａｋｐｒｓｕｒ．５Ｐａａｄ０．ｃｎ— ｎｉｇｅｅｔｏｃｏｓｏｎｌｃｒｎｍｉｒｃｐｅ（ＥＭ）ｉｇｓｓｏｄｔａｈｅｆｌｓｐｒｐａｅｔｇｈｒｗｏｋｉｇＳｍａｅｈｗｅｈｔｔｉｅｒｄｗｉｈｈｉｅｒｎｍ
Ａｂｔａｔｓｒｃ：Ａｌｍｉｕｕｎｍｎｔｉｅ（Ｎ）ｔｉｉｗｅｅｒｐｒｄｙｒｄｏｆｅｕｎｙ（ｉｒｄＡ１ｈｎｆｌｍｓｒｐｅａｅｂａｉｒｑｅｃＲＦ）ｒａｔｖｅｃｉｅ
ｍａｅｒｐｕｔｒｎｔｔｒｓｕｅｒｎｎｒｍ５ｇｎｔｏｎｓｔｅｉｇａｈｅｐｅｓｒａｇｉｇｆｏ０．Ｐａｔ．０ＰａＫｅｐｎｈｅｉａｉｎｔｏ２．ｅｉｇｔｎｖｒａ
反应溅射法制备氮化铝薄膜及工作气压对其场发射性能的影响
李松玲，如志， பைடு நூலகம் 赵维，王波，严辉
（京工业大学材料科学与工程学院，京北北
摘

气压及偏压对磁控溅射TaN薄膜力学性能影响

书山有路勤为径，学海无涯苦作舟气压及偏压对磁控溅射TaN 薄膜力学性能影响采用电子回旋共振增强磁控溅射在不锈钢基体上制备六方相TaN 薄膜,并研究了气压及偏压对TaN 薄膜结构、力学性能的影响。

利用X 射线衍射、扫描电镜、原子力显微镜分析薄膜化学结构及形貌,利用纳米压痕、划痕实验仪对薄膜力学性能进行测定。

研究表明,制备气压上升影响六方TaN 相择优取向,气压、Ar/N2 流量比及偏压改变对TaN 薄膜力学性能有较大影响。

实验证明在1.1乘以10-1Pa,偏压100V 下制备的TaN 薄膜具有最高硬度32.4 GPa,最高结合力极限载荷27 N。

关键词：反应磁控溅射;TaN 薄膜;气压;偏压;力学性能TaN 薄膜由于其高硬度、高密度、高温化学稳定性以及良好的光电性能,一直以来受到人们关注。

目前TaN 薄膜的制备方式主要通过反应磁控溅射,离子束辅助沉积, 化学气相沉积等方法进行制备[ 1- 3] 。

近年来, TaN 薄膜在生物及集成电路阻扩散层技术方面展示出了较好的应用前景[ 4- 6] 。

TaN 薄膜的目前大量的工作主要集中在生物及集成电路阻扩散层技术方面, Jueng Bryner, V. R. K. Gorantla 等[ 5- 7]欧洲的研究者都制备了TaN 及Ta/TaN 薄膜并对其进行掺杂, 研究其对Cu 进行阻扩散的影响。

同时由于Ta 及其氮化物的高硬度及化学稳定性, 其力学机械性能也受到了人们的广泛关注。

Y. X.Leng, S. K. Kim, R.Westergard, Deok-kee Kim, Heon Lee 等[ 4, 8- 10] 通过反应磁控溅射等方式制备了TaN 薄膜并对其结合力及硬度同溅射工艺的关系进行了分析; 发现TaN 及Ta3N5 具有高的硬度及耐磨性并会随偏压发生改变; 薄膜中氮含量的增加导致Ta2N 相增加, 提高了薄膜硬度、内应力及耐蚀性, 同时也发现薄膜中氮含量增加提高了富氮热稳定相Ta4N5,Ta3N5。

氮气含量对硅基AlN薄膜结构及性能的影响

氮气含量对硅基AlN薄膜结构及性能的影响刘永智;李海翼【摘要】研究了直流磁控溅射法沉积AlN薄膜过程中氮气含量对AlN薄膜结构及性能的影响.实验结果表明:当真空腔的氩气含量较低时,薄膜呈非晶态,在红外波段的傅里叶变换光谱中没有明显的吸收峰,当氮气流量为75％时薄膜中出现明显的六方AlN(100)和A1N(110)衍射峰,在波数为670～700 cm-1处有强烈的吸收峰;增加氮气含量,薄膜又呈现出非晶状态.薄膜的表面粗糙度和颗粒大小都随氮气含量的增加先增大后减小..【期刊名称】《物理实验》【年(卷),期】2012(032)002【总页数】4页(P10-13)【关键词】AlN薄膜;氮气含量;直流磁控溅射;非晶态;吸收【作者】刘永智;李海翼【作者单位】甘肃民族师范学院物理与水电工程系,甘肃合作747000;甘肃民族师范学院物理与水电工程系,甘肃合作747000【正文语种】中文【中图分类】O484.11 引言高性能的AlN在现代半导体产业中成为一种新型的多功能材料，其纤锌矿的AlN具有宽的直接带隙，其禁带宽度为5.9～6.2eV[1]，由于它的优越的物理和化学性能，如高击穿场强（10kV／m）、高热导率[3.2W／（cm·K）]、高电阻率、高化学和热稳定性以及良好的光学及力学性能[2]等，能应用于表声波（SAW）和体声波（BAW）器件、金属绝缘体半导体器件、MIS埋层、大规模的绝缘集成电路（ULSI）[3]等领域而吸引了众多半导体工作者.在很多器件的应用中，AlN薄膜的结构和粗糙度对其影响很大，要求其结构必须具有多晶择优取向，组成均匀，表面粗糙度小[4－5]，但是目前在沉积AlN薄膜过程中工艺参量对薄膜结构和粗糙度方面的实验研究的报道并不多[6－7].因此研究AlN薄膜的结构和表面粗糙度就比较有意义了.制备AlN薄膜的方法有化学气相沉积法（CVD）[8]、超高真空电子束蒸发法[9]、等离子体浸没离子注入技术[10]等，反应磁控溅射方法由于低成本且要求相对较低的生长温度而备受关注，已广泛用于大面积沉积各种半导体材料，如SiC和AlN.本文采用直流磁控反应溅射沉积AlN薄膜，以探索氮气含量在整个制备薄膜过程中的重要作用.2 实验采用CKJ－500D多靶磁控溅射镀膜设备，直接在p－Si（111）基底沉积3组AlN薄膜，用直径为100mm，纯度为99.999%的金属Al为靶材，以纯度99.999%的氩气为工作气体，99.999%的氮气为反应气体.真空腔的本底真空度5.0×10－4 Pa，沉积过程中溅射气压为0.6Pa，溅射电流为0.40A，基底温度为360℃，溅射时间为180min保持不变，保持氮气和氩气总量不变，改变氮气占总量的百分比.经过多次探索实验，氮气含量过低，薄膜中只有铝生成，而当氮气含量过高（＞87.5%）时，沉积过程中靶面严重中毒，实验无法进行，所以本实验的氮气含量范围为25%～87.5%较为合适.采用英国Bede－D1型X射线衍射仪（XRD）来测试薄膜结构.采用AJ－Ⅲ型原子力显微镜（AFM）对薄膜的表面形貌、表面粗糙度进行分析.采用NICOLET380傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）测量薄膜红外吸收光谱.3 实验结果及分析3.1 氮气含量对AlN薄膜结构的影响图1给出在氮气含量分别为25%，37.5%，50%，62.5%，75%，87.5%时制备的AlN薄膜的XRD图.从图1可以看出，薄膜呈现多晶态.可以看出，在25%的氮气含量下，只有金属铝的（311）的衍射峰被观察到，衍射角为2θ＝78.2°.37.5%时，渐出现六方相的AlN（002）衍射峰，氮气含量增加到50%时，出现六方AlN（100）、AlN（002）的混合相，随着氮气含量的增加，AlN（100）的衍射峰强度逐渐增大，且出现AlN（110）衍射峰，75%时峰强达到最强，说明此时薄膜的结晶度最好，但当氮气含量过大时（87.5%），薄膜中出现亚稳态的立方向的AlN（200）衍射峰，且六方相的其他衍射峰逐渐消失.这是由于增加氮气含量，样品可以和Al充分发生反应，使得AlN晶粒得以生长.对于给定的气压，增加氮气流量将导致中性粒子流的增加，从而增加了对薄膜的碰撞导致薄膜有了一定的取向.当氮气含量过大时，反应气体充当工作气体，氮气粒子轰击靶材，极易与靶材发生反应，在靶材表面生成不导电的AlN，到达基底表面的AlN粒子较少，从而在表面形成多晶态薄膜.图1 不同氮气含量下沉积AlN薄膜的XRD图3.2 氮气含量对AlN薄膜的表面形貌的影响如图2为6个样品在不同氮气含量下沉积的AlN薄膜原子力显微镜（AFM）三维视图，扫描范围为2 500nm.由AFM的离线软件可分别得到扫描区域内最大高度h、表面均方粗糙度RMS、平均粒径d，相应数据见表1.AlN薄膜应用于SAW器件中，由于SAW仅在表面传播，全部的能量几乎只在从表面向内部1个波长之内，当表面粗糙度超过1个波长时，SAW显然无法通过，一般要求薄膜表面粗糙度小于30nm[11].薄膜的表面粗糙度和颗粒大小都随氮气含量的增加先增大后减小，6个样品的粗糙度均小于30nm.在25%的氮气含量下，氮气浓度较低，不足以跟铝原子反应在基底表面生成AlN，其薄膜表面可能只有金属铝原子，所以其平均颗粒尺寸较小，37.5%的氮气浓度下，薄膜表面颗粒相对变大，颗粒之间存在一些直径较大的孔隙.再增大氮气浓度，到75%的氮气含量下，薄膜表面颗粒明显细化，直径减小，高度降低，颗粒之间孔隙变小.随着氮气含量由25%增加到62.5%，薄膜中逐渐生成了AlN，薄膜的厚度增加，表面均方粗糙度由2.6nm增加到3.8nm，之后氮气浓度达到75%时，其表面均方粗糙度减小到3.0nm.图2 不同氮气含量下沉积AlN薄膜的AFM图表1 不同氮气含量下沉积的AlN薄膜表面粗糙度和颗粒平均粒径氮气含量／%h／nm RMS／nm d／nm 25.0 15.8 2.6 50.5 37.5 17.1 2.9 53.6 50.0 17.9 3.8 61.6 62.5 19.2 3.8 68.8 75.0 16.6 3.0 62.9 87.5 16.8 3.1 62.73.3 AlN薄膜的FTIR分析图3给出了不同氮气含量下Si基底AlN薄膜在（500～3 500cm－1）红外波段的FTIR图（图中已扣除了Si基底的本底）.可以看出，随着氮气含量的增加，在670～700cm－1处出现Al—N的吸收峰，且吸收峰的强度随氮气含量的增加先逐渐增大，之后又逐渐减小.氮气含量为75%时，吸收峰最强，表明此时Al—N键的键密度最强，此结果与XRD图谱的结果相吻合.FTIR可以反映薄膜的晶格振动状态，入射光与光学横模的耦合导致了光在670～700cm－1处被强烈吸收，不能透过薄膜，由此也表明了此时的薄膜确为AlN薄膜.图3 不同氮气含量下Si基底沉积AlN薄膜的FTIR图4 结论利用直流磁控溅射技术成功地制备了AlN薄膜.分析了氮气含量对硅基制备的AlN 薄膜结构的影响.氮气含量比较低时，薄膜呈非晶态，随着氮气含量的增加，AlN 薄膜中出现了六方相的（100）AlN、（110）AlN和弱的亚稳态的（002）AlN 衍射峰；制备的6组薄膜都符合SAW器件的要求，薄膜表面粗糙度小于30nm；在氮气含量为75%时，薄膜的FTIR图谱中出现了强烈的吸收峰，表明薄膜中已经生成了AlN.据本组实验来看，氮气含量为75%时沉积的AlN薄膜质量比较好.【相关文献】[1] Ishihara M，Li S J，Yumoto H，et al.Control of preferential orientation of AlN films prepared by the reactive sputtering method[J].Thin Solid Films，1998，316（1／2）：152－157.[2] Qiao Bao－wei，Liu Zheng－tang，Li Yang－ping.Effect of technical parameters on deposition rate of AlN films prepared by magnetron reactive sputtering[J].Journal of Northwestern Polytechnical University，2004，22（2）：260－263.[3] Kar J P，Bose G，Tuli S.A study on the interface and bulk charge density of AlN films with sputtering pressure[J].Vacuum，2006，81（4）：494－498.[4] Liu F D，Kao K C.Piezoelectric，dielectric，and interfacial properties of aluminum nitride films[J].Vac.Sci.Technol.A，1998，16（4）：2360－2366.[5] Xu X H，Wu H S，Zhang C J，et al.Morphological properties of AlN piezoelectric thin 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气体压强对n型a-Si：H薄膜光学性能的影响

气体压强对n型a-Si：H薄膜光学性能的影响第38卷第5期2009年9月电子科技大学JournalofUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaVlOl_38NO.5Sep.2009气体压强对n型aSi:H薄膜光学性能的影响李伟,陈宇翔2,金鑫2,姜宇鹏2,杨光2,蒋亚东(1.电子科技大学电子薄膜与集成器件围家重点实验室成都610054;2.电科技大学光电信息学院成都610054)【摘要】用射频等离子增强化学气相沉积(RF.PECVD)制备磷掺杂氢化非晶硅(a —Si:H)薄膜,研究了辉光放电气体压强(2O～80Pa)对薄膜折射率,消光系数,光学带隙以及氢含量的影响;用激光拉曼光谱研究了气体压强对a—Si:H薄膜微结构的影响,并与薄膜的光学性能进行了综合讨论.结果表明,随着辉光放电气体压强的增加,a.Si:H薄膜的光学带隙和氢含量都有不同程度的增大,但折射率和消光系数却逐步减小;与此同时,薄膜内非晶网络的短程和中程有序程度逐渐恶化.关键词傅里叶变换红外光谱;气体压强:氢化非晶硅:光学性能:拉曼光谱中图分类号0484.1文献标识码Adoi:lO.39690.issn.1001—0548.2009.05.037 EffectofGasPressure0ntheOpticalPropertiesofn—Typea-Si:H ThinFilmsDepositedbyPECVDLIWei,CHENYu—xiang,JINXin,JIANGYu—pengz,Y ANGGuangz,andJIANGY a—dong(1.StateKeyLaboratoryofElectronicThinFilmsandIntegratedDevices,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaChengdu610054;2.SchoolofOptoelectronicInformation,UniversityofElectronicScienceandTechnologyof ChinaChengdu610054)AbstractPhosphordoped(n—type)hydrogenatedamorphoussilicon(a—Si:H)thinfilmsweredepositedby radiofrequencyplasmaenhancedchemicalvapordeposition(RF.PECVD).Therefractivein dex,extinctioncoefficient,opticalbandgapandhydrogencontentofthetestingfilmswereinvestigatedbyme ansofellipsometryandFouriern.ansforminfraredspectrafFTIR)withgaspressurevariedfrom20Pato80Pa.Th emicrostructuralchangesofa.Si:Hthinfilmscausedbydifferentgaspressurewerestudiedanddiscussedusing Ramanspectraalongwithopticalpropertymeasurement.Theresultsshowthattheopticalbandgapandthehy drogencontentofa.Si:HthinfilmsincreasewiththeriseofgaspressureinPECVDsystem.whiletherefractivein dexandtheextinctioncoefficientdecreasegradually.Inthemeantime,theorderingofamorphousnetwor kofthetestingthin filmsontheshogandintermediatescalesisgettingworseasthegaspressuregoesup. KeywordsFouriertransforminfraredspectra;gaspressure;hydrogenatedamorphoussilico n;opticalproperties;Ramanspectra非制冷红外焦平面由于无需制冷,可以提高红外系统的便携性,大幅度降低成本,而在遥测遥感,目标识别与跟踪,夜视,制导,医学与环境监测等领域具有引人注目的应用前景,是目前研究的热点之一【』J.在众多红外敏感薄膜材料中,氢化非晶硅(a—Si:H)薄膜由于具有光吸收率高,电阻温度系数(TCR)相对较大(1.8%～8%),禁带宽度可控,可大面积低温(<400℃)成膜,基片种类不限且与硅半导体工艺兼容等优点,在非制冷红外焦平面器件的研发和应用等方面备受关注I21.射频等离子体增强化学气相沉积(RF—PECVD)是当前使用最多的a.Si:H薄膜制备方法,通过射频电源可以对硅烷(Sill4)等反应气体进行辉光放电,从而实现在低温衬底上沉积a.Si:H薄膜.研究表明,a.Si:H薄膜的光学性能强烈地受RF.PECVD沉积工艺参数的影响,如源气体,射频功率,基片温度,气体温度,气体流量和气体压强等,甚至同一工艺在不同的装置上也会出现不同的结果IjJ.因而,研究气体压强等对薄膜性能的影响及其机理,对深入了解a.Si:H薄膜制备工艺对薄膜结构和性能的影响,进而推动该薄膜材料在非制冷红外探测领域的应用,具有积极的意义.1实验方法a,Si:H薄膜在自制的PECVD装置中制备,制备工艺参数如下:反应室本底真空小于4x10-4Pa,基片温度250℃,气体温度160~C,射频频率l3.56MHz,射频功率20W.反应气体为磷烷(PH3)与Sill4的混合气体,其中PH3占混合气体体积比为l%,气体流量收稿日期:200904—20基金项目:部级基金(DZ0241作者简介:李伟(1961一),男,博l,教授,博上生导师,差要从事光电薄膜与器件,敏感"ilgN与传感器方面的研究第5期李伟等:气体压强对n型a—Si:H薄膜光学性能的影响73l40sccm.KBr基片用于傅里叶变换~]-(FTIR)光谱测试.选用1.1删n厚的K9玻璃为基片,在沉积薄膜前先经过洗涤剂擦拭,再依次用丙酮,无水乙醇,去离子水分别超声清洗15min,用N2吹干后放入反应室.基片升温至薄膜沉积温度后保温3h左右开始沉积薄膜.气体进入反应室后,在辉光放电前被迅速加热.基片置于等离子区的上方,以利于减少大颗粒粉末沉积到基片表面.用德国SENTECH公司SE850型椭偏仪进行薄膜厚度和折射率等测试,本文所用a—Si:H薄膜样品的厚度约为300nm.使用波长为473nm的JY-HR800型激光喇曼光谱仪获得a.Si:H薄膜的喇曼散射谱,测试范围为100～1200cm-,为了防止激光加热效应对a—Si:H薄膜喇曼散射谱的影响,测量时入射激光的功率小于0-3mW.使用Brucker公司的SENSOR27型傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪进行红外测试,测试范围为400~4000cm-.2结果与讨论2.1薄膜折射率与光学带隙研究图1给出了椭偏测试波长为630nm时薄膜的折射率和消光系数k随气体压强的变化规律.随着压强的增大,折射率从20Pa时的4.33减+~08oPa时的4.05,而且在60~80Pa之间变化较大.众所周知,折射率反映了物质对光波的阻碍程度,光在真空中的传播速度最快,在其他介质中都略有降低,所以在某种程度上,a—Si:H薄膜的折射率可作为评价材料致密度的一种手段.人们一般认为a—Si:H薄膜的结构特点是微孔洞镶嵌在非晶网络中,因而折射率的下降表明薄膜的孔隙率在增加,密度在减小.这可以从薄膜的生长过程来解释.在等离子增强化学气相沉积(PECVD)条件下,等离子体的运动处于粘滞流状态,粒子在入射到薄膜表面以前,已经过了无数次的散射,此时粒子的入射角度必然是混乱无规且具有一定的分布,这种情况下,阴影效应造成大量微孔洞的出现【4】.此外,沉积速率加快后,入射到薄膜表面的粒子未经充分表面扩散过程就被后来沉积的原子所掩埋,导致微孔洞现象更加严重L4J.因此,在一定工艺条件下不能为了单方面提高薄膜沉积速率而过多增大丁作压强.此外,吸收系数与消光系数和与之对应的波长有如下关系:口=47tk/(1)因此,可根据式(1)得到对应的吸收系数.图l气体压强对a—Si:H薄膜光学参数的影响文献[5]将非晶半导体材料的吸收谱分为高吸收区,指数吸收区和弱吸收区3个区域.在指数吸收区, 吸收系数与光子能量向∞的关系为:.,/ahco=C(hco—Eo.)(2)式中C是与材料性质有关的常数;.为光学带隙. (∞)"与的关系基本呈线性,把这个直线外推到jj∞轴上,其截距就是光学带隙该方法也称为"Tauc作图法".图1右上角插入的小图给出了气体压强对a.Si:H薄膜光学带隙的影响.可以看出,随着气体压强的增大,磷掺杂a.Si:H薄膜的光学带隙随之增大.2.2薄t]~Raman光谱研究图2给出了用RF—PECVD系统沉积的a—Si:H薄膜的拉曼谱图及其高斯拟合结果,基于该计算得到的拉曼散射谱特征参数如表1所示.由图中的小图可以看出,标准的非晶硅薄膜拉曼谱由4个特征峰组成: 峰位在150cm-附近的类横声学模(类TA模),峰位在300cm附近的类纵声学模(类LA模,峰位在400cm附近的类纵光学模(类LO模)以及峰位在480cm-附近的类横光学模(类TO模).类TO模包含2 个Si原子的键拉伸模,对a—Si:H薄膜短程有序度很灵敏,由其半高宽厂T可以获得a.Si:H薄膜中Si.Si键角的偏差[61:AO=(厂T0—15)/6(3)厂T和△p值的增加,以及峰位向低波数方向的移动,反映了短程无序程度的增加J.类TA模包含3个Si原子的键弯曲模(bond.bendingmode),其强度是中程有序程度的度量.人们常用类TA模的强度和类TO模的强度比值来表征薄膜的中程有序度,比值的降低,反映了非晶硅薄膜中程有序程度的提高L8J.类LA模和类LO模则与非晶硅薄膜材料的缺陷有关, 缺陷越多则类LA模的强度和类TO模的强度比值A‰与类LO模的强度和类TO模的强度比值732电子科技大学第38卷A.值越大[9Jo图2气体压强对aSi:H薄膜拉曼谱的影响表1不同气体压强下a.Si:H薄膜的拉曼谱特征参数压强COTOoAOI1I1O1LIOlm/1To/Pa/cm/cm)从图2和表1的结果可知,随着气体压强的升高,a.Si:H薄膜的非晶网络结构逐渐发生变化.当气压从20Pa上升N8oPa时,ITA/I~oLL值从0.5766提高到0.8375,类TO模向低波数方向偏移了4.6cm-,并且类TO模的半高宽厂To增加了约3.29cm-,键角偏差AO增加了0.55..这些变化意味着a—Si:H薄膜非晶结构的短程和中程有序程度随着气体压强的升高而降低了.同时,从表1结果还可看出,随着气体压强从2OPa上升到8OPa,a-Si:H薄膜拉曼散射谱中类LA模和类LO模与类TO模的相对强度都有不同程度的增加.这意味着,随着气体压强的升高,a—si:H薄膜非晶网络中的缺陷逐渐增多.拉曼分析表明,随着气体压强从低到高,a.Si:H薄膜的短程有序和中程有序结构逐渐劣化,同时薄膜内的缺陷增多.因而,在设备和其他成膜工艺允许的条件下,采用较低的气体压强可以获得质量较好的a—Si:H薄膜.2.3薄膜FTIR光谱研究a.Si:H薄膜的红外吸收谱可分成吸收峰位于630~640ClTI-的摇摆模,880~890ClTI-的剪切模和2090~2100cm的伸展模.图3给出了气体压强对a.Si:H薄膜摇摆模的影响.a.Si:H薄膜中的氢能降低非晶网络中悬挂键的数量,对薄膜的性能有显着的影响.氢含量过少,作用较小,氢含量过多,又会产生其他新的缺陷态,影响a.Si:H薄膜的应用[10J.因而,测定a.Si:H薄膜中的氢含量,对指导制备性能优良的薄膜非常重要.文献【ll】发展了用红外吸收谱"硅氢键摇摆模"来计算氢含量的方法(称为BCC方法):∞=∞(4)H(63o1rI～\.,』V式中系数630=2.1×10cm-;硅原子密度N=5.O×10cm-.另外,文献[12】提出了a—Si:H薄膜光学带隙与氢含量之间的经验关系为:Eop=1.56+1.27×cH(5)式中Clq(opt)为氢含量.可以利用以上两种方法来估计所制各薄膜样品的氢含量,结果如图3所示.由图可知,通过两种方法得出的薄膜氢含量相差不大,并且氢含量随气体压强的增大而增大,CH(opt)从20Pa时的6.3%缓慢上升~1J60Pa时的13.4%,再急剧增大N8oPa时的23.6%.有研究表明,a.Si:H薄膜中的氢大部分覆盖于微孔洞的内表面【l引,氢含量的增大也反映出薄膜中微孔洞的增加,与本文得到的薄膜折射率在20PAN60Pa时缓慢下降,6OPa到80Pa时迅速下降的结果相一致.气体压强较低时,SiH4气体裂解的主要产物是Sill3基团,Sill3基团在形成a.Si:H薄膜时,大部分的氢原子会被清除掉,得到含氢量很低的a—Si:H薄膜lJ引.气体压强较高时,不仅产生大量对薄膜生长至关重要的Sill3基团,提高薄膜生长速率,同时还增加了Sill2,Sill等基团,它们能与Sill4反应,形成(Sill2)聚合物颗粒,进而沉积在薄膜上形成缺陷,并引入大量的氢原子【l.图3气体压强对a,Si:H薄膜红外吸收谱的影响第5期李伟等:气体压强对n型a.Si:H薄膜光学性能的影响733 3结论本文采用RF.PECVD]2艺,在不同气体压强下制备磷掺杂(n型)a—Si:H薄膜,通过对薄膜光学参数的测试和计算,以及对红外光谱性能的表征,发现在20~80Pa范围内,随着辉光放电气体压强的增加,a.Si:H薄膜的折射率和消光系数有所降低,且光学带隙和含氢量都有不同程度的增加.激光拉曼光谱研究表明,相对较高的气体压强不利于aSi:H薄膜短程和中程有序结构的改善,非晶网络中的缺陷也相对较多.本文的研究工作得到了电子科技大学学生创新基金的资助,在此表示感谢.参考文献【1]Y0NJJ,Mo.I"I'INE,testamorphous siliconmicrobolometerdevelopmentsatLETI—LIR[J].Proc SHE,2008,6940:69401W一1?69401W一8.[2]MINASSIANC,TISSOTJL,VILAINM,eta1.Uncooled amorphoussilicon1/4VGAIRFPAwith25gmpixel—pitch forhigh—endapplications[J].ProcSPIE,2008,7113:7l1303.1—7l1303.6.【3]刘卫国,金娜.集成非制冷热成像探测阵列[M].北京: 国防工业出版社,2004.LIUWei—guo,JINNa.Detectingarraysusedforintegrated uncooledthermalimages[M].Beijing:NationalDefence IndustryPress,2004.[4]唐伟忠.薄膜材料制备原理,技术及应用[M].北京:冶金工业出版社.2003.TANGWei-zhong.Fabricationprinciple,techniqueand applicatiouofthinfilms[M].Beijing:MetallurgicalIndustry Press,2003.【5】何宇亮,陈光华,张仿清,等.非晶态半导体物理学[M]. 北京:高等教育出版社,1989.HEYu—liang,CHENGuang—hua,ZHANGFang—qing,eta1. 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Controlofplasmachemistryforpreparinghighlystabilized amorphoussiliconathi【ghgrowthrate[J].SolarEnergy Materials&SolarCells.2002.78:3.26.编辑漆蓉李伟,博士,教授.1978年9月至1982年7Pl,四川大学(成都科技大学)金属材料系本科;1982年8B至2004年3月,四川大学助教,讲~(1990),副教授(19941,教授(2002),曾任教研室副主任,主任,系主任.l986年9月至1989年7月在四川大学在职攻读"材料加工工程"研究生,获工学硕士学位;1998年9月~2003年12B在四川大学在职攻读"材料学"博士研究生,获工学博士学位.2004.4调入电子科技大学光电信息学院电子薄膜与集成器件国家重点实验室工作.四川省学术和技术带头人后备人选,四川省机械工程学会理事.在四川大学期间,主要从事金属材料及金属基复合材料的科学研究.进入电子科技大学后,主要从事光电薄膜材料与器件,敏感薄膜材料与传感器等方面的科研和教学工作.目前的研究兴趣和主攻方向是: 硅基薄膜材料的制备和性能改性研究;基于硅基薄膜材料的光电探测器件研究.获国家科技进步二等奖1项,省部级科技进步二等奖3项.在国内外学术刊物及国际学术会议上发表论文100余篇,其中SCI检索l0余篇,EI检索3O余篇.。

显示面板工艺中氮化硅薄膜应力的控制和影响

在显示面板工艺中，高质量的氮化硅薄膜扮演重要角色，本文研究了利用等离子增强型化学气相沉积制备的氮化硅薄膜应力情况。

通过改变沉积工艺条件，如射频功率，腔室压强，沉积温度，基于曲率变化法利用Stony公式测得不同条件下的应力值并绘制应力变化曲线。

详细分析了镀膜工艺条件改变对氮化硅薄膜应力的影响。

并通过实验测试三种条件下薄膜的脱落和龟裂情况，表明随着薄膜压应力向张应力转化，薄膜脱落数量逐渐减少，龟裂数量逐渐增加。

此外，还总结了薄膜应力造成玻璃基板收缩或扩张形变量的公式，给成盒工艺中对位提供基础。

氮化硅薄膜由于具有致密性好，沉积速率快，较好的绝缘性和台阶覆盖性，良好的阻挡金属离子特性，大的介电常数，良好的工艺重复性等优异的性能，作为显示器件的重要材料而拥有广泛的应用。

薄膜应力的存在对薄膜的力学性能产生影响，使器件的微结构发生变化，例如过大应力的氮化硅薄膜容易发生膜层龟裂或者褶皱翘曲甚至脱落，引起器件失效。

大的应力同样会使基底发生收缩或扩张，使得电子线路发生偏移。

为了得到稳定的氮化硅薄膜，提升产品性能，增强器件的可靠性，研究薄膜应力与不同反应条件的关系及其影响具有重要的意义。

式中，T d和T m为沉积和测量时基底的温度，αf 和αs为薄膜和基底的热膨胀系数；E代表薄膜材料的杨氏模量。

假定E、αf 和αs不随温度变化，则式(2)可改写为：S T =E(αf－αs)(T d－T m) (3)本征应力则是在薄膜沉积生长环境中产生的。

晶格失配、杂质介入、晶格重构、相变等均会产生内应力。

本征应力与沉积条件，如射频功率，腔室压强，反应温度等息息相关。

本实验采用美国应用材料公司生产的AKT 20KPX PECVD沉积系统，改变沉积条件，沉积厚度约为300nm左右薄膜。

其膜厚和应力测试分别使用韩国K-MAC公司生产的STER-130150AGL椭偏仪和日本Toho公司生产的FLX-2320-S应力测试仪测试得出。

其基本原理为利用激光干涉相移的光学原理，测试出基片曲率半径在沉积薄膜前后的变化情况，根据Stoney公式：(4)便可得到薄膜的应力。

反应溅射法制备氮化铝薄膜及工作气压对其场发射性能的影响

反应溅射法制备氮化铝薄膜及工作气压对其场发射性能的影响李松玲;王如志;赵维;王波;严辉【摘要】采用反应磁控溅射法在不同工作气压(0.5～2.0 Pa)下沉积了一系列氮化铝(AIN)薄膜.研究发现,在保持其他工艺参数不变的条件下,工作气压对薄膜厚度的影响很小.场发射性能测试表明,在较低的工作气压(0.5 Pa和0.7 Pa)下制备的A1N 薄膜具有一定的场发射性能.扫描电子显微镜(SEM)图像显示,在较高的工作气压(2.0 Pa)下制备的薄膜易产生空位及微空洞等缺陷,使薄膜致密性下降.电子在薄膜中的输运因受到缺陷的散射而不能隧穿表面势垒进行发射.研究表明,为获得具有良好场发射性能的A1N薄膜,若采用反应磁控溅射法,应选取较低的工作气压;同时,对于薄膜型阴极,具有紧密晶粒结构及较小缺陷的薄膜可能具有更优异的场发射性能.【期刊名称】《液晶与显示》【年(卷),期】2010(025)006【总页数】6页(P792-797)【关键词】氮化铝薄膜;场发射;工作气压;缺陷【作者】李松玲;王如志;赵维;王波;严辉【作者单位】北京工业大学材料科学与工程学院,北京,100124;北京工业大学材料科学与工程学院,北京,100124;北京工业大学材料科学与工程学院,北京,100124;北京工业大学材料科学与工程学院,北京,100124;北京工业大学材料科学与工程学院,北京,100124【正文语种】中文【中图分类】TN8731 引言薄膜型场发射不同于尖端型场发射的几何场增强机制［1－3］，其场发射阴极具有制备工艺简单、薄膜容易实现大面积生长和器件寿命长等特点。

为改善单层薄膜场发射性能，目前研究工作主要集中在开发新材料及材料改性两个方面［4－5］。

氮化铝（AlN）是一种重要的宽带隙半导体材料（带隙约6.2eV），具有负的电子亲和势（NEA）。

具有负电子亲和势的材料在相同的外加电场作用下电子更易于逸出表面，从而得到更大的场发射电流［6］。

溅射气压对直流电源磁控溅射制备掺铝氧化锌薄膜性能的影响

第39卷增刊人工晶体学报 V o.l 39Supple m ent 2010年6月 J OURNAL O F S YNTHET IC CRY STALS June ,2010溅射气压对直流电源磁控溅射制备掺铝氧化锌薄膜性能的影响李林娜,陈新亮,孙建,耿新华,赵颖(南开大学光电子薄膜器件与技术研究所,南开大学光电子薄膜器件与技术天津市重点实验室南开大学光电信息技术科学教育部重点实验室,天津300071)摘要:以Zn O A l 2O 3(2w t%)陶瓷为溅射靶材,采用直流磁控溅射的方法,在普通玻璃衬底上制备ZnO A l(AZO )薄膜,研究了溅射气压对AZO 薄膜的结构特性、表面形貌及其光电性的影响。

XRD 和SE M 测试表明所有样品均为多晶六角纤锌矿结构,薄膜呈(002)晶面择优生长。

用体积百分比为0.5%稀盐酸对制备的AZO 薄膜进行腐蚀制绒,腐蚀后其表面形貌随溅射气压的不同而改变。

在适当溅射气压下(~1.5mTo rr)制备的薄膜,通过溅射后腐蚀工艺,可获得表面形貌具有特征陷光结构的A ZO 薄膜,其表面呈现弹坑状,薄膜的绒度随表面形貌的不同而变化。

同时通过优化制备工艺,所有溅射气压下制备的A ZO 薄膜在可见光及近红外范围的平均透过率大于80%,电阻率低于8.5 10-4 c m,可以满足硅基薄膜太阳电池对透明前电极光电性能的要求。

关键词:磁控溅射;氧化锌薄膜;溅射气压中图分类号:o484 文献标识码:A 文章编号:1000 985X (2010)S1 0118 05基金项目:天津市科技攻关项目(No .06YFGZGX02100);国家重点基础研究发展计划(973)项目(No .2006CB202602,2006CB202603);天津市应用基础及前沿技术研究计划(No .09J CYBJ C06900)作者简介:李林娜(1980 ),女,天津市人,博士研究生。

溅射氩气压对射频磁控溅射制备 ZnO∶Al 薄膜性能的影响

溅射氩气压对射频磁控溅射制备ZnO∶Al 薄膜性能的影响刘超英;陈玮;徐志伟;付静;左岩;马眷荣【摘要】采用磁控溅射方法在玻璃衬底上使用掺杂3％(质量分数)Al2 O 3的 ZnO 陶瓷靶材制备出了掺铝氧化锌(ZnO ∶ Al,AZO)透明导电薄膜.分别用XRD、SEM、四探针测试仪、紫外-可见分光光度计对薄膜的性能进行了表征和分析.研究了溅射过程中不同氩气压强(0．3~1．2 Pa)对薄膜结构、形貌及光电性能的影响.XRD 测试结果表明,所制备的薄膜均具有呈c 轴择优取向的纤锌矿结构.当氩气压强为0．3 Pa时,AZO 薄膜的电阻率最低为6．72×10－4Ω•cm.所有样品在可见光波段的平均透过率超过85％.%Transparent conductive aluminum-doped zinc oxide (AZO)films were deposited on glass substrates by RF magnetron sputtering from ZnO∶3wt% Al2 O 3 ceramic target.The films obtained we re characterized and analyzed by XRD,SEM,four-point probes,ultraviolet-visible light spectrophotometer.The dependence of ar-gon gas pressure on the structure,morphology,electrical and optical properties were investigated.The argon sputtering pressure was varied between 0.3 and 1.2 Pa.The XRD analysis indicated that AZO films deposited under various argon gas pressures were a polycrystalline wurtzite structure with a [002]preferred orientation. The lowest resistivity was 6.7×10 -4 Ω•cm (sheet resistance=1 1.2 Ω/□ for a thickness=600 nm)which was obtained at an argon sputtering pressure of 0.3 Pa.The average transmittance was over 85% in the visible range for all samples.【期刊名称】《功能材料》【年(卷),期】2015(000)007【总页数】4页(P7052-7055)【关键词】氩气压力;射频磁控溅射;AZO 薄膜;光电性能【作者】刘超英;陈玮;徐志伟;付静;左岩;马眷荣【作者单位】中国建筑材料科学研究总院，北京 100024; 国家玻璃深加工工程技术中心，北京 100024; 绿色建筑材料国家重点实验室，北京 100024;中国建筑材料科学研究总院，北京 100024; 国家玻璃深加工工程技术中心，北京 100024;中国建筑材料科学研究总院，北京 100024; 国家玻璃深加工工程技术中心，北京100024;中国建筑材料科学研究总院，北京 100024; 绿色建筑材料国家重点实验室，北京 100024;中国建筑材料科学研究总院，北京 100024; 国家玻璃深加工工程技术中心，北京 100024;中国建筑材料科学研究总院，北京 100024【正文语种】中文【中图分类】TB341 引言透明导电薄膜是一种重要的半导体光电材料，具有高电导率的同时具备高的可见光区透过率，广泛地应用于平面显示、太阳能电池、特殊功能窗口涂层、气体传感器及其它光电、热电器件领域［1－4］。

氮化铝薄膜表面化学成分分析及其对气体感应特性的影响

氮化铝薄膜表面化学成分分析及其对气体感应特性的影响氮化铝薄膜是一种广泛应用于传感器、紫外线吸收剂、光学涂层等领域的材料。

其表面化学成分对其气体感应特性有着重要的影响。

本文旨在探讨该材料的表面化学成分分析方法以及其中各个成分对气体感应特性的影响。

一、氮化铝薄膜表面化学成分的分析方法首先，了解氮化铝薄膜的表面化学成分对其应用具有很大的意义。

目前，常用的分析方法主要有X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等。

在XPS分析中，可通过测量样品所发射的电子数量和能量来检测化合物的元素和化学状态。

XPS在确定薄膜表面化学组成中具有广泛应用。

而SEM和TEM则主要用于研究薄膜或其他材料的形状和结构。

二、氮化铝薄膜表面化学成分与气体感应特性的关系氮化铝薄膜通常用于气体传感器中，其感应特性与表面化学成分密切相关。

1. 氮含量氮含量是影响氮化铝薄膜感应特性的关键因素之一。

氮化铝薄膜的氮含量可以通过XPS分析来确定。

实验表明，氮含量较高的氮化铝薄膜具有更高的氨气检测灵敏度。

同时，氮含量的增加可以提高薄膜表面的特异性，从而增加探测特定气体的能力。

2. 氧含量氧含量对氮化铝薄膜感应特性的影响是双重的。

在低氧环境中，氮化铝薄膜的电子结构会发生变化，从而使其对NH3等气体的检测能力得到提高。

另一方面，当氮化铝薄膜的氧含量过高时，其电学性能将受到破坏，从而导致气体探测能力下降。

3. 氢含量氢含量可通过XPS分析来确定。

研究表明，氢含量对氮化铝薄膜的电学特性和气体感应特性均具有显著的影响。

当氢含量增加时，氮化铝薄膜的电导率将上升，从而提高气体检测灵敏度。

4. 碳含量碳含量对氮化铝薄膜的气体感应特性影响相对较小，但对于一些高精度的气体探测应用还是需要严格控制其含量。

三、结论综上所述，氮化铝薄膜表面化学成分对其气体感应特性具有重要的影响。

针对不同的气体探测应用，需要精确定制氮化铝薄膜的表面化学成分，以提高其气体探测能力。

高压烧结AlN陶瓷的残余应力研究

文章编号:１００１Ｇ９７３１(２０１８)０７Ｇ０７１２１Ｇ０４高压烧结A l N陶瓷的残余应力研究∗李小雷１,２,王红亮１,曹新鑫１,马红安２(１．河南理工大学材料科学与工程学院,河南焦作４５４０００;２．吉林大学超硬材料国家重点实验室,长春１３００１２)摘㊀要:㊀利用六面顶技术,在５．０G P a/１７００ħ/７５~１２５m i n条件下高压烧结制备了无烧结助剂的A l N陶瓷块体材料.利用微区拉曼光谱对其残余应力进行了测量,研究了烧结时间对其残余应力的影响,并探讨了残余应力产生的原因及消除的方法.研究表明,微区拉曼光谱是一种测量A l N高压烧结体残余应力的有效方法;在５．０G P a/１７００ħ/７５m i n条件下高压制备的A l N陶瓷存在着１．４G P a的残余压应力,且残余应力会随着烧结时间的延长而增大;高压烧结A l N陶瓷产生残余应力的主要原因是A l N晶格产生畸变,这种畸变是长时间施加高压产生的,退火是消除A l N高压烧结体的有效手段.关键词:㊀A l N陶瓷;高压烧结;残余应力;拉曼光谱中图分类号:㊀T Q１７４文献标识码:A D O I:１０．３９６９/j．i s s n．１００１Ｇ９７３１．２０１８．０７．０２００㊀引㊀言由于具有高的热导率㊁低的介电常数㊁热膨胀系数与硅相匹配㊁良好的力学性能等优点,A l N陶瓷材料越来受到广大研究者的密切关注[１Ｇ４].A l N是共价键为主的化合物,常压下致密化烧结十分困难,添加Y２O３㊁C a O㊁C a F２等试剂作为烧结助剂是常压下制备出致密的高导热性A l N陶瓷的有效手段[５Ｇ７].另外,提高烧结压力也是A l N陶瓷降低烧结温度㊁缩短世界时间的有效途径.W i t e k等用带式高压设备(ab e l ta p p a r aＧt u s)在６．５G P a/２０００ħ/３０m i n条件下制备出了氧含量低的A l N陶瓷[８].L u等利用两面顶技术在５．３５G P a/１７００ħ/１１５m i n条件下制备了烧结助剂为Y２O３的A l N陶瓷体材料[９].王利英等用国产六面顶压机在５．０G P a/１８００ħ/３０m i n制备了以C a C２为烧结助剂的A l N陶瓷[１０].在使用高压这种手段制备陶瓷材料的过程中,虽然高压使得烧结温度降低和烧结时间缩短,但是高压会引起A l N晶体的晶格常数缩短,晶格点阵必然发生畸变,这样材料内部可能会产生一定的残余应力.如果存在残余应力,陶瓷材料的力学性能㊁热学稳定性等必然会受到较大的影响.因此,研究高压烧结的A l N 陶瓷的残余应力对材料结构的改善和性能的提高有着重要的意义;同时了解残余应力也对优化高压烧结A l N块体材料的工艺参数有积极的帮助.H i r o y u k i I c h i m a r u等[１１]对A l N陶瓷块体材料的残余应力进行了测试研究,发现在１８０M P a/１８００ħ/６h条件下,利用热等静压技术制备的的A l N陶瓷存在大约２５０M P a 的残余压应力.S c i t i等[１２]分别用拉曼微区光谱和X 衍射仪分别测试了三元A l N＋S i C＋(Z r B２㊁M o S i２)导电陶瓷材料,两种测试方法均取得了满意的结果. Z h u和P e z z o t t i[１３]利用拉曼光谱对S i基多晶纤维锌矿A l N薄膜的残余应力进行了研究,发现薄膜与其基体界面存在１．５G P a的压应力.目前,对于用高压烧结制备的A l N陶瓷烧结材料内部存在的残余应力研究尚未见文献报道.１㊀实验方法实验中制备A l N高压烧结体材料使用的A l N粉体平均粒径为２．０μm,颗粒形貌呈不规则的球状,由碳热还原法制备.将A l N粉体采用干压法压制成直径１２．０mm㊁厚度５．０mm圆柱状坯体.采用X K YＧ６ˑ１６００MN型国产六面顶压机进行高压烧结,使用文献[１４Ｇ１５]中的方法组装,把A l N坯体封装在洁净的钼腔中进行加热烧结.A l N试样高压烧结的压力为５．０G P a,温度为１７００ħ,时间分别为为７５,１００和１２５m i n.烧结后的样品采用自然冷却．最后,对烧结得到的A l N块体材料试样进行抛光处理.可以看到,抛光后的A l N陶瓷高压烧结体呈灰黑色,金属光泽明显.采用微区激光拉曼光谱仪(型号为R M１０００R)测量A l N陶瓷残余应力[１６],氩离子激光器激光波长选取５１４．５n m(能量为１００mW),测量时扫描频谱范围:１００~１０００c m－１.用i g a k u D/m a xＧR BX射线衍射仪对１２１７０李小雷等:高压烧结A l N陶瓷的残余应力研究∗基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１００１０４２);河南理工大学博士基金资助项目(B２００９Ｇ３１)收到初稿日期:２０１８Ｇ０１Ｇ２５收到修改稿日期:２０１８Ｇ０５Ｇ１３通讯作者:李小雷,EＧm a i l:l i x l＠h p u．e d u．c n 作者简介:李小雷㊀(１９６８－),男,河南温县人,教授,博士(后),从事新型陶瓷功能材料研究.A l N陶瓷晶体进行衍射分析并计算其晶格常数大小.２㊀结果与讨论２．１㊀A l N陶瓷体的残余应力测试由晶体群论理论知道,纤锌矿六方结构的A１N群为C６V４(P６３m c),其在Γ点能够分解为Γ＝１A１＋１E１＋２E２＋２B１㊀㊀其中,既有拉曼活性又具有红外活性是A１模式和E１模式,只具有拉曼活性E２模式,B１模式则两者活性均没有,而且A１模式和E１模式均能分裂为L O 和T O两支[１１].图１(a)为碳热还原法制备的A l N粉体的拉曼光谱.图１(b)Ｇ(d)分别为在５．０G P a,１７００ħ条件下烧结７５,１００,１２５m i n的A l N烧结体的部分拉曼光谱图.图１(a)的E２２峰位在６５２．８c m－１,图１(b)㊁(c)以及(d)的E２２声子峰频率分别为６６１．３,６６３．２和６６４．９c m－１.与图１(a)相比,图１(b)㊁(c)以及(d)的E２２均向高频方向发生了明显的频移,频移的量分别为８,１０．４和１２．１c m－１.另外,图１(b)㊁(c)和(d)的A１(T O)㊁E２２声子峰都有峰分裂的存在,说明高压烧结时,由于高达５．０G P a的高压长时间作用,A l N的晶格产生了畸变现象.图１㊀A l N粉体和A l N高压烧结试样的拉曼光谱F i g１R a m a ns p e c t r ao fA l N p o w d e r a n dA l Nc e r a mＧi c s s i n t e r e d a t５．０G P a a n d１７００ħf o r７５,１００a n d１２５m i n㊀㊀和材料内部分子振动相互关联的拉曼散射光谱,只有在固体分子振动伴有极化率变化时与激发光发生相互作用,从而出现拉曼散射.但是,在固态物体内部存在应力时,其中一些些对应力比较敏感的拉曼光谱带就会产生移动甚至变形,而拉曼峰频率偏移的幅度与固体内部存在的应力是正比关系.在一定大小的压应力存在时,固体分子的键长一般要缩小.根据固体材料的力常数和键长的相互关系知道,这种情况下力常数会加大,从而使得振动频率也增大,谱带就会蓝移[１６].根据以上分析,采用高压烧结方法制备的A l N 体材料内部必然存在着残余压应力,且该残余应力比较大.非极化固态材料存在的应力以及应变,可以根据E２２的频移来计算.根据胡克定律,声子的频移和应力满足以下的关系[１６]㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀D n＝Πi jσi j ㊀㊀其中,D n代表声子的频移,Πi j为应力因子,σi j是应力.当应力是单轴施加的时候,该式就说明单轴应力正比与峰漂移量.如果在流体净应力作用时,该式关系可近似如下表示[１６]Δv＝Πa vσh㊀㊀其中,Πa v代表平均的应力因子,Πa v＝３Πu,Πu即为单轴应力状态下得到的应力因子.２．２㊀烧结时间对A l N陶瓷残余应力的影响对没有添加烧结助剂的A l N高压烧结体的E２２来说,根据文献Πu取－２．０２c m－１/G P a[１１].根据上述方程算出在５．０G P a,１７００ħ条件下烧结７５,１００,１２５m i n 的A l N残余应力分别为－１．４０,－１．７２,－２．００G P a.负号表示为残余压应力.图２是A l N高压烧结体的E２２拉曼峰漂移及其残余应力随烧结时间变化的情况.根据上述计算结果以及图２可以知道:在高压烧结A l N内部,残余压应力与烧结时间基本成正比关系.图２㊀烧结时间对A l N陶瓷E２２峰飘移及残余应力的影响F i g２T h e i n f l u e n c e o f s i n t e r i n g t i m e o nE２２p e a kd r i f ta n d r e s i d u a l s t r e s s o fA l Nc e r a m i c s ２．３㊀残余应力产生的原因材料冷却过程中温度分布不均匀有可能产生残余应力,它在本质上也是由于材料相邻区域塑性变形的差异造成的.这种塑性变形是冷却时内外温差引起.A l N陶瓷有着良好的导热性能,且高压烧结工艺制备的试样体积很小,因此,在烧结完成后的冷却过程中, A l N试样内外不会产生很大的温差,说明A l N陶瓷较大残余应力不是高温冷却导致的.对碳热还原法A l N粉体及在５．０G P a/１７００ħ/７５~１２５m i n烧结条件下制备的A l N陶瓷体材料进行了X R D衍射分析检测,X R D衍射图见图３所示.从图３可以看出,X光衍射图谱基本相同.A l N粉体及不同条件下制备的A l N高压烧结体的的X衍射图谱中除了A l N的主晶相外,没有发现明显的其它物质特征峰的存在.依据A l N粉体及在５．０G P a/１７００ħ/７５~１２５m i n 烧结条件下制备的A l N陶瓷体材料X R D图谱中A l N 相的特征峰值,根据布拉格方程原理,计算了它们的晶２２１７０２０１８年第７期(４９)卷格常数大小[１７Ｇ１８].晶格常数计算数值结果见表１所示.图３㊀A l N 粉体和A l N 高压烧结试样的X 光衍射图谱F i g ３X Ｇr a y d i f f r a c t i o ns pe c t r aof A l N p o w d e ra n d A l Nc e r a m i c s s i n t e r e d a t ５．０G P a a n d １７００ħf o r ７５,１００,１２５m i n㊀㊀A l N 陶瓷高压烧结体的晶格常数与A l N 粉体相比较,其晶格常数均有一定量收缩.之所以存在该情况的主要原因是高达５．０G P a 高压的作用.微观来看,高压(５．０G P a )使得A l N 陶瓷内部原子间距一定的缩小,宏观表现为晶格常数的减小.上述实验现象符合G o r c z y c a 等和M U e n o 等对A l N 在高压㊁超高压下(０~２２．９G P a)晶格常数变化的计算结果[１７Ｇ１８].２．４㊀残余应力的消除为了去除A l N 陶瓷高压烧结体的残余压应力,将在５．０G P a 和１７００ħ条件下,烧结１００m i n 的A l N 陶瓷试样放在管式电炉中,加热到５００ħ后,分别保温１,２,３,４,５h ,最后,自然缓慢冷却到室温.用上述微区拉曼光谱法测试A l N 试样的残余应力大小.表１㊀A l N 粉体及高压烧结体的晶格常数T a b l e １L a t t i c e c o n s t a n t s o fA l N p o w d e r a n dA l Nc e r a m i c s s i n t e r e d a t ５．０G P a a n d １７００ħf o r ７５Ｇ１２５m i nS a m pl e s a /n mc /n mc /au n i t c e l l v o l u m e /ˑ１０－３n m３(a )A l N p o w d e r０．３１１５４０．４９８３８１．５９９７４１．８９１６(b )７５m i n ０．３１１２６０．４９７５５１．５９８７４１．７４６８(c )１００m i n ０．３１１２００．４９７４７１．５９８６４１．７２４０(d )１２５m i n０．３１１１５０．４９７３８１．５９８５４１．７０１４㊀㊀图４是退火温度为５００ħ,不同保温时间对A l N试样残余应力松弛的影响.从图４可以看出,残余应力随着保温时间的延长而急剧下降,５００ħ保温３h 就可以把试样的残余应力完全消除.图４㊀退火时间对A l N 陶瓷残余应力的影响F i g ４T h ee f f e c to fa n n e a l i n g ti m eo nt h er e s i d u a l s t r e s s o fA l Nc e r a m i c s s i n t e r e d a t ５．０G P a a n d １７００ħf o r １００m i n㊀㊀能够使得固体材料内部存在的残余应力松弛的主要手段是温度和载荷.最常用的就是退火,一般在材料的回复或再结晶温度的范围内保温一段时间,就可以降低甚至完全去除材料内部残余应力.从微观方面来看:固态材料在回复或者再结晶时候,原子会有缓慢扩散及位移的现象存在,这不但使得材料微观应力减小,也同时会加速了材料在宏观意义下的塑性变形,从而达到材料宏观应力也下降的目的.也就是说,材料内部残余应力消除过程是与材料微观结构的变化密切相关的.３㊀结㊀论通过对无添加助剂高压烧结A l N 陶瓷内部残余应力的研究,得出以下结论:采用微区拉曼光谱可以有效测量高压烧结A l N 体材料内部的残余应力;在５．０G P a ,１７００ħ条件下分别烧结７５,１００,１２５m i n 的A l N 陶瓷高压烧结体残余压应力分别为１．４０,１．７２,２．００G P a ,残余应力随着A l N 陶瓷高压烧结时间的延长而增大;高压的作用使A l N 晶格产生畸变是高压烧结A l N 陶瓷产生残余应力的主要原因;退火是A l N 高压烧结体残余应力松弛的有效手段,在５００ħ保温３h就可以把A l N 高压烧结内部的残余应力完全消除.致谢:感谢吉林大学超硬材料国家重点实验室开放基金对本项目的大力支持!参考文献:[１]㊀B a i kY ,D r e w R A L ．A l u m i n u m n i t r i d e :p r o c e s s i n g an d a p p l i c t i o n s [J ]．K e y E n g i n e e r i n g Ma t e r i a l s ,１９９６,１２２Ｇ１２４:５５３Ｇ５７０．[２]㊀N a k a n oH ,W a t a r iK ,H a y a s h iH ,e t a l ．M i c r o s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i z a t i o no f h i g h t h e r m a l c o n d u c t i v i t y al u m i n u mn i Ｇt r i d e c e r a m i c [J ]．J o u r n a l o f t h eA m e r i c a nC e r a m i cS o c i e Ｇt y ,２００２,８５(１２):３０９３Ｇ３０９５．[３]㊀S i m s e k IN G ,N i s t a lA ,G a r c íaE ,e ta l ．T h ee f f e c to fg r a p h e n e n a n o p l a t e l e t s o n t h e t h e r m a l a n de l e c t r i c a l p r o pＧe r t i e s o f a l u m i n u mn i t r i d e c e r a m i c s [J ]．J o u r n a l o f t h eE u Ｇr o p e a nC e r a m i cS o c i e t y ,２０１６,３７(１２):３７２１Ｇ３７２９．３２１７０李小雷等:高压烧结A l N 陶瓷的残余应力研究[４]㊀W a n g Y u,X i eJ i a n j u n,W a n g T u n,e ta l．F a b r i c a t i o na n d s t u d y o f A l N f i n e p o w d e ra n dc e r a m i c s[J]．J o u r n a lo fF u n c t i o n a lM a t e r i a l s,２０１７,４８(４):４１３６Ｇ４１４０(i n C h iＧn e s e)．王㊀宇,谢建军,汪㊀暾,等．超细A l N粉体合成与陶瓷制备研究[J]．功能材料,２０１７,４８(４):４１３６Ｇ４１４０．[５]㊀W a t a r iK,H w a n g HJ,T o r i y a m aM,e t a l．E f f e c t i v e s i nＧt e r i n g a i d s f o r l o wＧt e m p e r a t u r e s i n t e r i n g o fA l Nc e r a m i c s [J]．J o u r n a lo f M a t e r i a l sR e s e a r c h,１９９９,１４(４):１４０９Ｇ１４１７．[６]㊀Z h o uH e p i n g,Z h o uJ i n s o n g．M i c r o s t r u c t u r ea n dt h e r m a lc o nd u c t i v i t y o f A I NＧb a se dc e r a m i c s w i t ht h ea d d t i o no fC a F２ＧY２O３[J]．J o u r n a l o f I n o r g a n i c M a t e r i a l s,１９９５,１０(４):４３９Ｇ４４４(i nC h i n e s e)．周和平,周劲松．添加C a F２ＧY２O３的A l N陶瓷的显微结构及热导性质[J]．无机材料学报,１９９５,１０(４):４３９Ｇ４４４．[７]㊀H a g e nE,Y uY,G r a n d eT,e t a l．S i n t e r i n g o fA l Nu s i n gC a OＧA l２O３a sas i n t e r i n g a d d i t i v e:c h e m i s t r y a n d m i c r oＧs t r u c t u r a l d e v e l o p m e n t[J]．J o u r n a lo f t h e A m e r i c a n C eＧr a m i cS o c i e t y,２００２,８５(１２):２９７１Ｇ２９７６．[８]㊀W i t e kA,B o c＇k o w s k iM,P r e s zA,e t a l．S y n t h e s i s o f o xＧy g e nＧf r e e a l u m i n i u mn i t r i d e c e r a m i c s[J]．J o u r n a l o fM a t eＧr i a l sS c i e n c e,１９９８,３３(１３):３３２１Ｇ３３２４．[９]㊀L uZY,T e n g YC,L i a oQL,e t a l．T h e s t u d y o fA l Nc eＧr a m i c s s i n t e r e da t s u p e r h i g h p r e s s u r ew i t hb e l tＧt y p e p r e s s t e c h n o l o g y[J]．J o u r n a lo f M a t e r i a l sS c i e n c e M a t e r i a l si nE l e c t r o n i c s,２００５,１６(８):４８３Ｇ４８７．[１０]㊀W a n g L i y i n g,L iX i a o l e i,S uT a i c a o,e ta l．T h ee f f e c to f t e m p e r a t u r e o n t h e t h e r m a l c o n d u c t i v i t y o f a l u m i n u mn iＧt r i d e c e r a m i c s[J]．J o u r n a l o fF u n c t i o n a lM a t e r i a l s,２０１２,４３(４):４５０Ｇ４５３(i nC h i n e s e)．王利英,李小雷,宿太超,等．温度对高压烧结氮化铝陶瓷热导率的影响[J]．功能材料,２０１２,４３(４):４５０Ｇ４５３．[１１]㊀I c h i m a r u H,P e z z o t t iG．R a m a n m i c r o p r o b em a p p i n g o f r e s i d u a l a n db r i d g i n g s t r e s sf i e l d si n A l N c e r a m i c s[J]．M a t e r i a l sS c i e n c e&E n g i n e e r i n g A,２００２,３２６(２):２６１Ｇ２６９．[１２]㊀S c i t i D,G u i c c i a r d i S,C e l o t t iG,e t a l．A n a l y s i s o f r e s i dＧu a l s t r e s s e si n t e r n a r y e l e c t r o c o n d u c t i v ec o m p o s i t e s[J]．A p p l i e dP h y s i c sA,２００６,８２(２):３１７Ｇ３２４．[１３]㊀Z h u W,P e z z o t t iG．R a m a ns p e c t r o s c o p i c a s s e s s m e n t so f s t r u c t u r a l o r i e n t a t i o na n d r e s i d u a l s t r e s s i nw u r t z i t i cA l Nf i l md e p o s i t e d o n(００１)S i[J]．M i c r o e l e c t r o n i c sR e l i a b i l iＧt y,２０１５,５５(１):６６Ｇ７３．[１４]㊀L iX i a o l e i,M a H o n g a n,Z u oG u i h o n g,e ta l．H i g h p r e sＧs u r e s i n t e r i n g o fA l Nc e r a m i c s[J]．J o u r n a lo f I n o r g a n i cM a t e r i a l s,２００８,２３(１):１０４Ｇ１０９(i nC h i n e s e)．李小雷,马红安,左桂鸿,等．A l N陶瓷的高压烧结研究[J]．无机材料学报,２００８,２３(１):１０４Ｇ１０９．[１５]㊀L iXL,M aH A,Z h e n g YJ,e t a l．A l Nc e r a m i c s p r eＧp a r e db y h i g hＧp r e s s u r es i n t e r i n g w i t hL a２O３a sas i n t eＧr i n g a i d[J]．J o u r n a lo f A l l o y sa n d C o m p o u n d s,２００８,４６３(１Ｇ２):４１２Ｇ４１６．[１６]㊀G r a b n e rL．S p e c t r o s c o p i c t e c h n i q u e f o r t h em e a s u r e m e n t o f r e s i d u a l s t r e s s i ns i n t e r e d A l２O３[J]．J o u r n a lo fA pＧp l i e dP h y s i c s,１９７８,４９(２):５８０Ｇ５８３．[１７]㊀G o r c z y c a I,C h r i s t e n s e nNE,P e r l i nP,e t a l．H i g h p r e sＧs u r e p h a s e t r a n s i t i o n i n a l u m i n i u mn i t r i d e[J]．S o l i dS t a t eC o mm u n,１９９１,７９(１２):１０３３Ｇ１０３４．[１８]㊀U e n oM,O n o d e r aA,S h i m o m u r aO,e t a l．XＧr a y o b s e rＧv a t i o no f t h e s t r u c t u r a l p h a s e t r a n s i t i o no f a l u m i n u m n iＧt r i d eu n d e rh i g h p r e s s u r e[J]．P h y s R e v B,１９９２,４５(１７):１０１２３Ｇ１０１２６．R e s i d u a l s t r e s s o f a l u m i n u mn i t r i d e c e r a m i c s s i n t e r e d a t h i g h p r e s s u r e L IX i a o l e i１,２,WA N G H o n g l i a n g１,C A O X i n x i n１,MA H o n g a n２(１．S c h o o l o fM a t e r i a l S c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g,H e n a nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y,J i a o z u o４５４０００,C h i n a;２．N a t i o n a l L a b o r a t o r y o f S u p e r h a r d M a t e r i a l s,J i l i nU n i v e r s i t y,C h a n g c h u n１３００１２,C h i n a)A b s t r a c t:A l Nc e r a m i c sw e r e p r e p a r e d b y h i g hＧp r e s s u r e s i n t e r i n g a t５．０G P a a n d１７００ħf o r７５Ｇ１２５m i n i n a c uＧb i c a n v i l h i g hＧp r e s s u r ea n dh i g hＧt e m p e r a t u r ea p p a r a t u s(C h i n a t y p e)w i t h o u t s i n t e r i n g a d d i t i v e s．T h e r e s i d u a l s t r e s s e sh a v eb e e n e v a l u a t e d b y m i c r oＧR a m a n s p e c t r o s c o p y i nA l Nc e r a m i c s s i n t e r e d a t h i g h p r e s s u r e．T h e i n f l uＧe n c e o f s i n t e r i n g t i m eo nt h er e s i d u a l s t r e s sw a ss t u d i e d,a n dt h ec a u s e sa n de l i m i n a t i o n m e t h o do f r e s i d u a l s t r e s sw e r e i n v e s t i g a t e d．T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h eR a m a n s p e c t r a c a ne f f e c t i v e l y m e a s u r e t h e r e s i d u a l s t r e s s e s i nA l Nb o d y m a t e r i a l s．T h e r e s i d u a l c o m p r e s s i o n s t r e s s o f t h eA l Nc e r a m i c s s i n t e r e d a t５．０G P a a n d１７００ħf o r １２５m i n i s２．０G P a,w h i c h i n c r e a s e sw i t h t h e e x t e n s i o n o f t h e s i n t e r i n g t i m e．R e s i d u a l c o m p r e s s i o n s t r e s s o f t h e A l Nc e r a m i c s s i n t e r e d a t５．０G P a a n d１７００ħf o r７５m i n i s１．４G P a．I t i s i m p o r t a n t t o p o i n t o u t t h a t t h e s t r e s s a r i s e s f r o ml a t t i c em i s m a t c h a n dd i s t o r t i o n．A n dh i g h p r e s s u r e s i n t e r i n g i s c o n s i d e r e d t ob e t h em a i n f a c t o r t h a t w o u l dc a u s et h el a t t i c ed i s t o r t i o no f t h ec e r a m i c s．A n n e a l i n g i sa ne f f e c t i v e m e t h o d w h i c hr e m o v e sr e s i d u a l s t r e s s e s i nA l Nc e r a m i c s．K e y w o r d s:a l u m i n i u mn i t r i d e c e r a m i c s;h i g h p r e s s u r e s i n t e r i n g;r e s i d u a l s t r e s s;m i c r oＧR a m a n s p e c t r o s c o p y ４２１７０２０１８年第７期(４９)卷。

氮气氛条件下氧化铝及铝的机械力化学效应研究

Secondly, the particles size are tested by NSKC-1, and the testing results indicate
III
ABSTRACT
the granule is diminished speedily during the initial stages of the comminution, when they are grounded for some time, apparently granularity become wider for the agglomeration than them, with the longer grinding time, the particles size change hardly and in the grinding balance. Thirdly, by testing the special surface, finding out that the special surface changes as the same as the density during the process of guarding. Fourthly, by XRD analysis, it may find that when during the nitrogen gas atmosphere in high-energy ball mill, the speed rotating of 300r/min, the ration of the powder and ball at 1 to 10, the nitrogen gas pressure at 0.18MPa, the aluminum are milled for 18 hours, you will see the aluminum and the new material which, then the compound material are milled for 21hours, you will amazed find the compound material all were completely changed into aluminum nitride. But, if still mill the powder to 30h, you will find the α-aluminum oxide corundum. While aluminum is at the same condition, it can’t synthesis aluminum nitride. Finally, by SEM photos, it may observe the evident changes of the apparent shape, the particle size and crystal structure after the aluminum oxide and aluminum are milled by the high-energy ball mill.