Herstellung von Aluminiumnitrid Dünnschichten mittels Magnetron Sputtern auf Diamant für potentielle Pseudo-Surface-Acoustic-Wave-Anwendungen

Abstract

In der vorliegenden Dissertation wurden qualitativ hochwertige, piezoelektrische AlN-Schichtenhergestellt und deren Eignung als SAW-Sensormaterial untersucht. Für die Synthese der Schichten wurde das reaktive Radiofrequenz-Magnetron-Sputtern von hochreinem Aluminium unter Beimischung von N2 verwendet. Zur Bestimmung der optimalen Wachstumsbedingungen und zur Strukturaufklärung wurden Beschichtungsparameter-Studienim Zusammenhang mit umfangreichen Charakterisierungsmethoden durchgeführt. Die Parameterstudien umfassten die RF-Leistung, Substrattemperatur, Gaszusammensetzung (Ar:N2-Verhältnis) und den Prozessdruck. Qualitativ hochwertige, (002)-fasertexturierte AlNSchichten wurden bei Raumtemperatur in reiner N2-Atmosphäre hergestellt. Die Schichten sind vollständig c-Achsen orientiert mit einer Halbwertsbreite der (002)-AlN-Rockingkurve von 0,1°. Es sind Schichtdicken bis 6,6 µm mit einer Oberflächenrauheit von weniger als 2 nm hergestellt worden. Mittels Nanoindentierung bestimmt, weisen die Schichten eine Härte von 21,8 GPa und einen E-Modul von 338 GPa auf. Die SAW-, SLAW- und Transversal-Geschwindigkeiten wurden mit 5,7 km / s, 10,9 km / s bzw. 6,7 km / s mittels Rasterultraschallmikroskopie bestimmt. Für den Aufbau einer PSAW-Teststruktur wurden mittels Mikrowellenplasma-unterstützter CVD hergestellte, polierte, nanokristalline Diamantschichten (NCD) als Substratmaterial für die AlN-Abscheidung verwendet. Die nötige AlN-Schichtdicke für die Anregung von PSAW-Moden wurde simuliert und erfolgreich realisiert. Zur Erzeugung der Oberflächenwellen wurden IDT-Strukturen mittels FIB-SEM sowohl durch Pt-Abscheidung als auch mittels Elektronenstrahllithographie hergestellt. Es wurde eine Symmetrische Kammstruktur mit einer Fingerbreite und –abstand von jeweils 2 µm gewählt, was einer Wellenlänge von 8 µm entspricht. Gemäß Simulation ergibt sich daraus eine AlN-Schichtdicke von 720 nm zum Erreichen der ersten PSAW-Mode. Die als SAW-Filter angeordneten IDTs zeigten bei den Messungen mittels Frequenzgeber und Oszilloskop eine Resonanzfrequenz von 1 GHz im AlN-Si-System und 2 GHz im AlN-NCD-System. Die dazugehörige Phasengeschwindigkeit der PSAWs ist 8,2 km / s und 16,1 km / s im Falle des AlN-Si- bzw. AlN-NCD-Systems. Die Simulation stimmt mit den hier gemessenen Werten mit einer Abweichung von nur 1 % überein und bestätigt die erfolgreiche Anregung von PSAWModen. Die hier gefundenen Ergebnisse zeigen die Überlegenheit der Materialkombination AlN-NCD gegenüber anderen Piezomaterialien. Zusammen mit der Möglichkeit beide Materialien in Form von Schichten herzustellen, erweitert das deren Einsatzgebiete immens, da die Substrat-Schichtkombination nahezu beliebig ist.

In this dissertation high quality, piezoelectrical AlN coatings were synthesized and their suitability as SAW sensor material have been tested. For thin film synthesis reactive radiofrequency magnetron sputtering of high purity aluminum in a N2 atmosphere was utilized. For the optimization of the growth mechanisms and to elucidate the coatings’ structure the process parameters in correlation to comprehensive materials characterization studies were carried out. In detail, the investigated process parameters were rf-power, substrate temperature, composition of process gases and the process pressure. High quality (002)-fibretextured AlN coatings were synthesized at room temperature in pure N2 atmosphere. These films were fully c-axis oriented with a (002)-AlN-rocking-curve exhibiting 0.1° of full width at half maximum. The thickness and surface roughness of the synthesized coatings were 6.6 µm and less than 2 nm, respectively. Measurements by means of nanoindentation displayed hardness values of 21.8 GPa and Young’s modulus of 338 GPa. According to scanning acoustic microscopy the SAW-, SLAW-, and transversal-velocities were 5.7 km / s, 10.9 km / s and 6.7 km / s, respectively. To test the feasibility of PSAW devices based on AlN coatings, nanocrystalline, polished diamond substrates, synthesized by microwave-plasma-enhanced CVD were utilized as substrate material. The AlN coatings’ thickness was simulated and tested successfully to match the needs for a successful PSAW stimulation. To generate surface waves IDT structures were produced in a FIB-SEM by Platinum deposition and electron beam lithography. A symmetrical comb structure with finger thickness of 2 µm each have been chosen corresponding to a wavelength of 8 µm. As per simulation the AlN film thickness should be 720 nm for excitation of the first PSAW mode. The IDTs were arranged to work as a SAW filter showing a resonance frequency at 1 GHz in the case of AlN-Si-systems and 2 GHz in the case of AlN-NCD. Measurements were conducted by employing a frequency generator and an oscilloscope. The corresponding phase velocity of measured PSAWs were 8.2 km / s and 16.1 km / s in the case of AlN-Si and AlN-NCD, respectively. Simulation matched the measurements with a deviation of 1 % only, thus confirming the successful stimulation of the PSAW modes. The results found in this study present the advantage of AlN-NCD compared to other piezoelectric materials. Moreover, the possibility of combining the piezoelectric thin-film material (AlN) with a variety of substrate materials tremendously extends its applications.