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摘 要

为了探究镀料离化率这一因素对AlN镀层沉积过程的影响，本文采用微弧离子镀技术在6061铝合金、玻璃片及硅片上沉积AlN镀层。分别在靶电流为3A、4A、5A时制备AlN镀层。采用镀料离化率检测设备对镀料粒子的离化率进行检测；采用SEM和EDS对AlN镀层的微观组织及成分进行分析；使用XRD对AlN镀层的物相组成进行研究；使用耐压测试仪对AlN镀层的击穿电压进行测试。探讨了离化率对AlN镀层的结构、性能的影响。

研究结果表明：随着镀料离化率增加，镀层厚度变厚，在靶电流为5A时可达到2500nm；镀料沉积速率也会随之增大，可达13.8nm/min。由SEM检测发现，靶电流增大时镀层晶粒细小且分布均匀，致密度高，厚度高。由EDS分析镀层成分发现，在较高的靶电流条件下，镀层中Al/N原子比为1.22:1，说明镀层有Al单质存在。由XRD检测发现，靶电流为4A时，制备的AlN镀层会呈现（002）最密排晶面取向生长。而在靶电流为5A时，高能镀料粒子轰击靶材，破坏了镀层（002）择优取向，（002）晶面取向不再具有优势。最后，采用耐压测试仪测得镀层击穿电压最高可达550V，击穿强度最高可达240V/μm。然而，离化率持续提高，击穿强度却会下降，低于240V/μm。原因是镀层有Al单质，影响了镀层的击穿强度。

关键词：AlN镀层 微弧离子镀 沉积速率 击穿强度

Effect of Ionization rate on the Deposition Process of AlN Insulating Thermal Conductive Plating

Abstract

In order to investigate the influence of plating ionization rate on the deposition process of AlN plating, AlN plates were deposited on 6061 aluminum alloy, glass plate and silicon wafer by micro-arc ion plating. AlN plates were prepared at a target current of 3A, 4A, and 5A, respectively. The ionization rate of the plating particles is detected by using a plating ionization rate detecting device. The microstructure and composition of AlN plates were analyzed by SEM and EDS. The AlN plating was measured by XRD. The phase composition was investigated; testing the breakdown voltage of AlN plating using a Hi-pot Tester. The effect of ionization rate on the structure and properties of AlN plating was discussed.

The results show that as the plating ionization rate increases, the thickness of the plating becomes thicker, reaching 2500nm when the target current is 5A; the deposition rate of the plating material will also increase, reaching 13.8nm/min. It was found by SEM that when the target current increased, the plating grains were fine and evenly distributed, resulting in high density and high thickness. Analysis of the plating composition by EDS found that the Al/N atomic ratio in the plating was 1.22:1 at a higher target current, explain that there is Al element in the plating. It is found by XRD that when the target current is 4A, the prepared AlN plating will exhibit (002) the most dense crystal orientation growth. When the target current is 5A, the high-energy plating particles bombard the target, destroying the preferred orientation of the coating (002), and the (002) crystal plane orientation is no longer advantageous. Finally, the breakdown voltage of the plating is up to 550V and the breakdown strength is up to 240V/μm by the Hi-pot Tester. However, the ionization rate continues to increase and the breakdown strength decreases, below 240V/μm. The reason is that the coating has Al elemental quality, which affects the breakdown strength of the coating.

Key words: AlN plating; Micro-arc ion plating; Deposition rate; Breakdown strength

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 绝缘导热基板的发展现状 1

1.2.1 绝缘导热基板的分类 1

1.2.2 绝缘导热基板的结构 2

1.2.3 常用绝缘导热材料性能对比 3

1.3 常见的AlN镀层制备方法 3

1.3.1 金属有机气相沉积法 3

1.3.2 分子束外延法 3

1.3.3 磁控反应溅射法 4

1.3.4 微弧离子镀法 4

1.4 AlN镀层的研究现状 4

1.4.1 制备AlN镀层的国外进展 4

1.4.2 制备AlN镀层的国内进展 4

1.5 本课题的研究意义和目的 5

1.6 本文的研究内容及技术路线 5

1.6.1 研究内容 5

1.6.2 路线图 6

第二章 AlN镀层的制备方法 7

2.1 试样规格及处理方法 7

2.1.1 试样规格 7

2.1.2 试样预处理——磨样 7

2.1.3 试样预处理——清洗 7

2.2 实验设备介绍 8

2.2.1 设备介绍 8

2.2.2 实验步骤 8

2.2.3 工艺参数 9

2.3 检测设备介绍 9

2.3.1 镀料粒子离化率检测设备 9

2.3.2 其它检测设备 10

第三章 实验结果与讨论 11

3.1 离化率对制备的AlN镀层沉积过程的研究 11

3.2 离化率对制备的AlN镀层沉积速率的研究 12

3.3 离化率对制备的AlN镀层形貌的研究 12

3.3.1镀层表面形貌的分析 12

3.3.2 AlN镀层截面形貌 14

3.4 能谱仪分析AlN镀层成分 16

3.5 离化率对AlN镀层结晶状态的研究 17

3.6 离化率对制备的AlN镀层击穿电压的研究 18

第四章 结论 20

参考文献 21

致谢 24

第一章 绪论

1.1 引言

随着科技的发展，半导体技术更新换代，如今已出现第三代半导体材料^[1]。第一代主要为硅和锗单质；第二代则以化合物为主，例如GaAs材料。然而，第二代半导体材料的性能渐渐无法满足现阶段的需求，所以，第三代半导体材料应运而生，主要为AlN、GaN等性能更加优秀的材料。

第三代半导体材料的优良特性，可以由AlN材料很好的体现出来^[2]。例如，在大功率LED行业中充当导热基板材料，在电子元器件领域作为绝缘导热层等。之所以AlN材料能够在这些行业发挥重要作用，是因为它具有良好的电学、物理学及力学性能，如：热导率高、硬度大、击穿强度高、热膨胀系数低（4ppm/K）等等。整体而言，AlN材料的性能能够很好的满足大功率元器件行业的绝缘导热的要求。

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