一种掺杂氮化铝压电薄膜及其制备方法和在传感器中的应用

本发明涉及压电材料，尤其涉及一种掺杂氮化铝压电薄膜及其制备方法和在传感器中的应用。

背景技术：

1、aln具有独特的纤锌矿结构、高居里温度、抗辐射性、电阻率等优点，是潜在的微机电系统材料，已被开发应用于高温环境中的无损检测。研究表明，在高达600℃的环境下，aln薄膜依然具有稳定的晶体结构和取向。aln pmut阵列的灵敏度约为1v/mpa，pte约为0.236％，且具备优异的生物相容性和cmos兼容性。但是aln压电材料也存在难以解决的弊端，如在高辐照环境下，aln中出现了高密度缺陷和al2o3的杂质相，极大影响了材料的强度和导电性，导致电子能量损耗增加、检测灵敏度降低。此外aln压电常数较低，需要进一步研究aln材料，提升其声波激发与稳定性能。

2、通过溅射沉积形成掺杂aln薄膜是一种可行的技术手段。传统的对aln的掺杂方式有两种：一种是在氩氮环境下双靶交替溅射；另一种是在真空下先溅射形成金属掺杂al薄膜，再进行n离子注入形成aln。两种技术均能形成掺杂薄膜，但存在各自弊端。

3、如公开号为cn103334083a的中国发明专利公开一种mg掺杂aln基稀磁半导体薄膜的制备方法，采用高纯al靶和mg靶交替溅射，系统本底真空度为10-5～10-4pa，基片为p型si(100)，溅射aln时工作气体为高纯氩气与氮气混合气体，流量比3:2，工作气压为0.5～5pa，射频功率为50～200w，衬底温度为300℃，每次溅射10～20min；溅射镁时工作气体为高纯氩气，流量为10～20sccm，工作气压为0.5～5pa，溅射功率为50～100w，衬底温度为300℃，每次溅射时间2～10s，交替溅射4次氮化铝、3次镁。该方法通过改变al靶及mg靶溅射时间比例可得到不同掺杂浓度的aln基稀磁半导体薄膜。但该方法需要设计两个或多个靶材，同时镀膜过程中需要不停的旋转衬底，以形成掺杂薄膜，薄膜质量受旋转速率和旋转角度范围影响，易造成掺杂不均匀的情况，制样工艺繁琐复杂、可控性与重复性降低，同时镀膜系统搭载了多个靶材，其配套的真空泵组、冷却系统、供电系统等均需同步改进提升，增加了设备负担和成本。

4、又如公开号为cn108570650a的中国发明专利公开一种离子注入制备cu掺杂aln稀磁半导体薄膜的方法，该方法采用磁控溅射设备与离子注入机，以cu靶与al靶为溅射靶材，衬底置于磁控溅射设备的真空腔室，通入氩气，在衬底上溅镀cu、al共掺杂薄膜；随后将衬底转入离子注入机的真空腔室内，以n2为离子注入源，在cu、al共掺杂薄膜上进行n离子注入，得到cu掺杂aln稀磁半导体薄膜。然而此工艺采用先镀膜后掺杂的两步技术，同样存在制样工艺繁琐复杂、操作步骤多的缺点，而且受离子注入自身特性的影响，薄膜内n掺杂浓度随深度方向的分布并不不均匀，需要精细的调控工艺和经验丰富的操作人员，此外实验室需要同时具备镀膜设备和离子注入机，同样增加了设备成本和经济负担。

5、采用镶嵌靶材进行溅射沉积制备掺杂aln薄膜的工艺本领域内尚未报道。而对于镶嵌靶材，公开号为cn111206216a的中国发明专利提供了一种可控制薄膜成分的镶嵌靶材实验设计方法，根据磁场仿真得到靶材表面不同位置的磁场分布，以此来排列镶嵌孔在靶材上的位置，从而制备均匀性c轴取向aln薄膜。该方案的镶嵌靶材中，其掺杂块位置按照磁场强度分布来确定，在磁场最强的地方规则排列镶嵌孔，这样虽然可以获得掺杂元素的最大溅射效率，但随着靶材使用时间增加，掺杂块会逐渐耗尽，其会表面凹陷，低于靶材整体表面，造成溅射率降低的情况。

技术实现思路

1、有鉴于现有技术的上述缺陷，在本发明的第一方面，提供了一种工艺简便、灵活高效的掺杂氮化铝压电薄膜的制备方法，包括如下步骤：

2、(1)设计aln基的掺杂镶嵌靶材：

3、以al为靶材主体，在靶材距离靶材中心20～37mm或39～60mm处镶嵌1～10个金属掺杂块；当金属掺杂块数量大于1时，多个金属掺杂块呈等间距均匀分布在与靶心距离一致的同心圆上；得到掺杂镶嵌靶材；

4、(2)预设沉积参数：

5、基于设计所得掺杂镶嵌靶材，预设衬底与掺杂镶嵌靶材的相对位置，调节靶基距离、衬底与掺杂镶嵌靶材中金属掺杂块的径向距离；

6、(3)沉积掺杂aln薄膜：

7、采用磁控溅射工艺，在氩、氮气氛围下于衬底表面沉积掺杂aln薄膜。

8、优选的，所述步骤(1)中，靶材的直径为15～20cm，厚度为4～8mm。

9、优选的，所述步骤(1)中，金属掺杂块与靶材等厚，其直径为10～30mm。

10、优选的，所述步骤(1)中，单个金属掺杂块的组成元素包括cr、ti、ni、mo、zn、cu、fe、nb、w、sc、ta、v、y、mg、er中的至少一种。

11、根据实际应用的需求，本领域技术人员可以选择合适的金属元素对aln进行掺杂，获得不同功能性的成品。因此，金属掺杂块可为相同元素的金属块或多元素混合的金属块，同一元素金属块可用于制备单元素掺杂aln涂层，多元素混合的金属块则可以用于制备多元素共同掺杂aln涂层。例如，若需要制备掺cr的aln涂层，则选择cr金属块设计aln基的掺杂镶嵌靶材。

12、优选的，所述步骤(2)中，靶基距离为3～8cm；衬底中心与掺杂镶嵌靶材中对应金属掺杂块中心的径向距离为0～12cm。

13、当上述径向距离为0cm时，代表衬底与掺杂镶嵌靶材中对应金属掺杂块中心相对，处于同一一轴线上，此时相对距离为0cm。衬底适用磁控溅射沉积所涉及的通用衬底形制，例如可采用直径为1mm～1cm的圆形衬底，或尺寸在1cm内的方形衬底；当衬底尺寸较大时，其间距较大的各个位置可视为多个不同的样品。

14、优选的，所述步骤(3)中，系统本底真空度为1×10-3～5×10-3pa，磁控溅射沉积的参数如下：射频功率为700～1200w、沉积气压为0.8～2.2pa、氩氮比例为1/2～3/1、镀膜温度为30～235℃、沉积时间为1～12h。

15、在本发明的第二方面，提供了一种声波激发与稳定性能优异的掺杂氮化铝压电薄膜，采用本发明第一方面的方法制备而成。

16、在本发明的第三方面，提供了一种本发明第二方面的掺杂氮化铝压电薄膜的应用，具体为作为压电材料在制备传感器中的应用。

17、掺杂氮化铝压电薄膜作为压电材料，其自身可以作为传感器，或采用本领域常规工艺与电极层结合制成传感器。

18、基于以上技术方案，本发明的发明构思在于，采用金属块镶嵌靶材，掺杂金属块与al位于同一靶材中，且厚度一致，在镀膜过程中，省去了旋转衬底、离子注入等繁琐操作，也无需改动原有的镀膜系统，无需增加额外的实验设备，此外为增加靶材的重复利用，掺杂块与al靶并未焊接固定，只在al中设计切割1～10个直径10mm～30mm的圆形孔洞以嵌入所需的掺杂金属块，这样可以根据所需要的传感器纵横波类型、性能等选择性地嵌入所需要的一种或多种金属块，进行单一金属掺杂aln薄膜或多个金属共掺杂aln薄膜的沉积制备。在磁控溅射过程中，通入ar轰击靶材，同时溅射出al和掺杂金属，调控衬底距离掺杂块的距离及其他工艺参数，获得掺杂金属浓度不一的aln薄膜，以获取不同声波幅值、类型的压电传感器。

19、此外，掺杂浓度与压电信号强度非呈简单的正相关，因而在靶材设计过程中，金属掺杂块不需处于最强溅射区域。以上工艺中，金属掺杂块的位置将避开最强磁场区域(距离靶材中心38mm)，但为了保证必要的溅射率，本发明靶材的金属掺杂块处于选择略小于38mm，或略大于38mm的位置。

20、上述限定的参数调控类型对成品性能的影响在于，本发明通过cr、ti、ni、mo、zn、cu、fe、nb、w、sc、ta、v、y、mg、er等金属掺杂制备aln基压电薄膜及其传感器，掺杂离子取代al后使得纤锌矿结构内部参数u增加，增强压电薄膜的电学性能，同时其超声信号、压电系数可以通过掺杂金属的浓度来调节，而超声波的类型可以通过改变掺杂金属的种类、浓度来调控，超声信号、压电常数、声波类型可控可调。

21、本发明中掺杂金属的浓度可控可调，主要通过改变金属掺杂块数量、衬底与掺杂块径向距离，同时也可以调控射频功率、沉积气压、氩氮比例和镀膜温度。

22、超声信号、压电常数可以通过调控掺杂金属浓度、金属元素种类来改善，如对于cr掺杂，其掺杂浓度为2.4％获得最高超声信号幅值，对于nb掺杂，其掺杂浓度为1.4％获得最高超声信号幅值，掺杂zn、cu、nb等元素均利于增强超声信号幅值，依次提高了13％、21％、26％。

23、声波类型可以通过调控掺杂金属元素种类来改善，fe、cu、mo掺杂可以调控涂层结晶取向与超声波声波类型，fe掺杂浓度为5.8％时获得纯横波，cu掺杂浓度为7.0％时获得纯横波，mo掺杂浓度为1.2％时获得的横波幅值强于纵波。

24、不同的掺杂元素还可以提高aln基压电涂层的其他性能，如cr掺杂aln薄膜可作为抗氧化保护层，cr-al混合氧化物起屏障作用，抑制离子扩散，可有效延缓基体的氧化速度；sc掺杂aln利于提高涂层硬度与耐磨性能。

25、与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

26、本发明提供了一种掺杂氮化铝压电薄膜的制备方法，其工艺简便、高效，可灵活地调整工艺参数来制备不同类型的掺杂氮化铝薄膜成品。

27、本发明提供了一种掺杂氮化铝压电薄膜，具有声波激发与稳定性能优异的优势。

28、本发明提供了一种掺杂氮化铝压电薄膜的应用，能够满足不同场景下的使用需求，具有良好的应用价值。