CC BY
190
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 537.9
С.А. Багдасарян
канд. техн. наук, генеральный директор, НПП «Технологии радиочастотной идентификации и связи»,
г. Москва
В.В. Борисов
ведущий программист, отдел микроэлектроники, НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова»,
г. Москва Н.И. Сушенцов канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой «Конструирование и производство радиоаппаратуры», ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», г. Йошкар-Ола
С.А. Степанов
аспирант,
кафедра «Конструирование и производство
радиоаппаратуры», ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», г. Йошкар-Ола
ПОЛУЧЕНИЕ МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ ПЛЕНОК ММ ДЛЯ УСТРОЙСТВ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ
Работа выполнена при поддержке РФФИ (гранты № 16-07-00464 А и № 15-07-01528 А)
Аннотация. Пленки AIN выращивали при низких температурах (370-570 К) на подложках различных материалов высокочастотным магнетронным реактивным распылением мишеней из AI. Методами растровой электронной микроскопии, рентгеновской дифрактометрии и спектроскопии комбинационного рассеяния света исследованы состав и строение пленок AIN. Показано, что полученные пленки AIN обладают пьезоэлектрическим эффектом. Представлены линии задержки на поверхностных акустических волнах на основе слоистых структур, содержащих пьезоэлектрическую пленку AIN.
Ключевые слова: пленки AIN, магнетронное распыление, устройства на поверхностных акустических
волнах.
S.A. Bagdasaryan, Joint stock company Scientific engineering center «Technological developments of telecommunication and radio frequency identification», Moscow
V.V. Borisov, Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics of Lomonosov Moscow State University, Moscow
N.I. Sushentsov, Volga State University of Technology, Yoshkar-Ola
S.A. Stepanov, Volga State University of Technology, Yoshkar-Ola
PREPARATION BY MAGNETRON SPUTTERING OF ALN FILMS FOR THE DEVICES ON A SURFACE
ACOUSTIC WAVE
Abstract. AIN fiIms were grown at Iow temperatures (370-570 K) on substrates of different materiaIs by RF-magnetron reactive sputtering targets made of AI. By scanning eIectron microscopy, X-ray diffraction and Raman spectroscopy studied the composition and structure of AIN fiIms. It is shown that the obtained AIN fiIm have the piezo-eIectric effect. DeIay Iine on surface acoustic wave on the basis of Iayered structures comprising piezoeIectric AIN fiIm are presented.
Keywords: fiIm AIN, magnetron sputtering, SAW devices.
Введение. В последнее десятилетие стало очевидным, что при создании технических устройств более эффективно можно использовать не однородные материалы, а слоистые структуры. Для многих применений требуются многослойные структуры, отдельные слои которых должны иметь упорядоченное строение. Вырастить пленку с упорядоченным строением на неориентирующих подложках (поликристаллических или рентгеноаморфных) позволяют методы ионно-плазменного распыления, в том числе магнетронного [1-4].
Для магнетронного распыления характерны неравновесные условия кристаллизации, при которых преимущественное направление роста пленок определяется атомным строением ростовой поверхности выращиваемого материала. Применение магнетронного распыления для выращивания пленок весьма перспективно, так как рост происходит при низких температурах (290-570 К) [1 ; 5]. Текстурирование выращиваемых методами распыления веществ, имеющих кубическую решетку, возможно по кристаллографическим направлениям <100> (винтовые оси симметрии 41 и 43), <111>
- (63) и <110> - (21), а для бинарных алмазоподобных соединений со структурой вюрцита (AIN, ZnO и других) может происходить по направлениям вдоль <0001 > (63) или <11 2 0> (21) [3; 4]. В отличие от эпитаксиальных методов, требующих высоких температур (> 1300 К) и определенным образом ориентированной монокристаллической подложки, при выращивании пленок магнетронным распылением нет ограничений по температуре и материалу подложки.
При создании устройств электронной техники перспективно использование пленок AIN, интерес к которым обусловлен, в основном, их пьезоэлектрическими и полупроводниковыми свойствами, а также высокими твердостью, химической инертностью и теплопроводностью [6-9]. В качестве теплоотводящего и защитного покрытия пленки AIN применяются при изготовлении устройств термопечати и измерительных оптических растров [1; 4; 10]. Нанесенные на автоэмиссионные катоды пленки нитридов уменьшают порог автоэмиссии, стабилизируют параметры катодов и предотвращают их старение [11; 12]. Важность создания слоистых структур на основе AIN связано с тем, что AIN в природе не существует, а монокристаллы AIN значительных размеров получить не удается.
Наибольшие перспективы применения пленок AIN связывают с акустоэлектроникой, так как они обладают высокой скоростью распространения акустических волн, в частности, поверхностных акустических волн (ПАВ) (скорость ПАВ рэлеевского типа VR = 5,67 км/с) и сильным пьезоэлектрическим эффектом (коэффициент электромеханической связи к2 = 0,8%). Применение слоистых структур подложка/AIN, где подложка - материал с высокой скоростью ПАВ, а AIN
- слой пьезоэлектрика, позволяет повысить верхнюю границу частотного диапазона устройств на ПАВ [5; 10; 13].
В настоящей работе представлены результаты исследования состава и строения пленок AIN, полученных методом магнетронного распыления, и характеристик устройств на ПАВ на основе этих пленок.
Методика эксперимента. Пленки AIN получали высокочастотным (ВЧ) магнетронным реактивным распылением мишени из AI в азотсодержащей плазме. Использовались модернизированные промышленные и лабораторные вакуумные установки, оснащенные специально разработанными планарными магнетронами [1; 10; 14]. Пленки AIN выращивали на подложках
из сапфира (А1203) ориентации 0001 и 01 1 2 (AI203(0001), AI203(01 1 2)); поликристаллического А1203 (поликора); плавленого кварца, стекла и ситалла при следующих условиях: состав газовой смеси - Ar + (40-60) об.%^2, давление газа в вакуумной камере 0,6-0,9 Па; напряжение ВЧ-разряда 200-350 В; мощность ВЧ-разряда (13,56 МГц) 0,5-3 кВт; расстояние между мишенью и подложкой 60-90 мм; величина электрического смещения па подложке 20-30 В; температура подложки 370-570 К. Со скоростью 1-4 мкм/ч выращены пленки AIN толщиной до 10 мкм.
Строение пленок АМ исследовали с использованием просвечивающего электронного микроскопа JEM 200С. Идентификацию фаз проводили с использованием рентгеновского ди-
фрактометра ARL X'tra (Thermo Fisher Scientific) (Си to-излучение, вращение образца, величина шага 0,02°, непрерывный режим (1 град/мин)). Состав и строение пленок AIN контролировали также спектроскопией комбинационного рассеяния (КР) света с использованием лазерного спектрометра LabRAM HR 800 (HORIBA Jobin-Yvon) (линия 632,8 нм He-Ne лазера; мощность лазера < 300 мВт; площадь пятна луча ~4 мкм2, глубина анализируемого слоя ~3 мкм).
Состав и строение пленок AIN. Рентгеновские дифрактограммы выращенных пленок AIN (пространственная группа P63mc) показывают, что кристаллиты AIN ориентированы по направлению <0001 > независимо от материала подложки (рис. 1а). Интенсивность (/) дифракционных максимумов AIN на рентгенограммах пропорциональна степени кристалличности (концентрация поликристаллической фазы в объеме пленки, J) пленок, зависящей от условий процесса выращивания. Меняя величину и знак электрического смещения па подложке, изменяли степень кристалличности в пределах J = 0-95 объемных % и строение кристаллической фазы пленок AIN (от разупорядоченной до текстуры с разориентацией кристаллитов относительно оси <0001 > о < 0,5о). Размер кристаллитов (областей когерентного рассеяния рентгеновского излучения, L0Kp) пленок AIN составлял 35-63 нм. Угол наклона оси текстуры к поверхности подложки зависел от направления потока пленкообразующих кластеров, и, следовательно, от конструкции магнетронного источника и взаимного положении подложки и распыляемой мишени.
— ( 0002 A1N 1 о с* з ч- V? 3
1 о <1 Г) g 3 о о о . Jle -
1 1 g § 1
20 30 40 50 60 а) 20° б)
Рисунок 1 - а) Рентгеновские дифрактограммы пленок AIN толщиной ~1,5 мкм, выращенных на подложках: 1 - плавленый кварц; 2 - А120з(0001); 3 - А120з(01 Т2).
б) Спектры КР пленок AIN толщиной ~0,05 мкм (1) и 1,5 мкм (2) Сформированные пленки AIN имели волокнистое (столбчатое) строение с ориентированием волокон по направлению <0001>, соответствующему ориентации оси текстуры (рис. 2а). Шероховатость ростовой поверхности пленок A1N не зависит от условий выращивания и составляла RZ = 0,032 мкм, что соответствует шероховатости исходной поверхности подложек. Формируемые пленки AIN состоят из кристаллической и рентгеноаморфной фаз, которые выявляются по контрасту электронно-микроскопических изображений (рис. 2б). Рентгеноаморфная фаза пленок AIN заполняет промежуток между волокнами. Пленки толщиной 10-30 нм образованы нанокристаллитами конической формы в виде пирамидок, основания которых имеют псевдогексагональную форму (рис. 2,б). Были изучены образцы толщиной от 3 нм до 3,1 мкм. Волокнистая (столбчатая) текстура совершенствуется по мере увеличения толщины пленки AIN. Методом дифракционного контраста установлено, что нанокристаллиты AIN несовершенны, поскольку в них наблюдается большое количество дефектов упаковки, двойников (рис. 2,в). Образование упорядоченных пленок на неориентирующих подложках в неравновесных условиях при использовании методов распыления может быть охарактеризовано как формирование в условиях потери морфологической устойчивости.
Рисунок 2 - Строение (просвечивающая электронная микроскопия) пленок AIN (на вставках - электронограммы пленок): а) поперечного скола пленки: 1 - поверхность подложки из плавленого кварца; 2 - скол пленки; 3 - поверхность пленки; б) пленки толщина пленки 30 нм, сформированной на подложке из плавленого кварца (светлые области -рентгеноаморфная фаза); в) отдельного волокна кристаллической фазы
(толщина пленки 3,6 мкм)
Рентгеновская дифрактометрия не чувствительна к фазам с размерами кристаллитов L0Kp < 1 мкм, поэтому дополнительно применяли спектроскопию КР. На спектре КР пленки AIN толщиной ~0,05 мкм наблюдали размытые полосы при сдвиге КР Av равном 238, 310 и 553 см-1 (рис. 1б, кривая 1). На спектре КР пленки AIN толщиной ~1,5 мкм наблюдаются полосы при Av 249, 312, 491, 563, 609, 653 и 888 см-1 (рис. 1б, кривая 2). Рентгеноаморфное строение приводит к уширению полос, характерных для кристаллического строения, и появлению дополнительных полос. Положение, форма и интенсивность полос на спектрах КР отличаются для пленок AIN, сформированных различными методами [2; 15; 16].
130 150 170 ' 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
f, МГц б) kh
Рисунок 3 - а) Амплитудно-частотная характеристика линии задержки на ПАВ на слоистой структуре AI203(0112)[2110]/AIN(0001). б) Зависимости скорости ПАВ от толщины пленки AIN слоистых структур: А - плавленый кварц/AIN(0001); Б - AI203(0001)[10T0]/AIN(0001) (сплошные линии - теоретические кривые; штриховая линия - экспериментальная кривая)
Устройства на ПАВ. Звукопровод устройств на ПАВ на слоистых средах представляет непьезоэлектрический материал с нанесенной пьезоэлектрической пленкой. Возбуждающие и принимающие акустическую волну встречно-штыревые преобразователи (ВШП) формировали на поверхности пьезоэлектрической пленки AIN. Частота обработки сигнала равна f = VR/4d, где d - ширина электродов ВШП (d = L/2, L - суммарная ширина электрода и зазора между электродами). Полоса пропускания уменьшается при увеличении числа пар электродов (М), поэтому одна и та же конструкция может быть и линией задержки (время задержки т = B/VR, В - расстояние между груп-
пами ВШП) и фильтром. Приемлемые пьезоэлектрические свойства для изготовления различных устройств акустоэлектроники проявляются у пленок AIN, имеющих J = 30-60 %.
Таблица 1 - Параметры линий задержки в зависимости от строения слоистого звукопровода
Параметры Устройство (слоистая структура)
Линия задержки 1, AI203(01 T2)/AIN(0001) Линия задержки 2, AI203(0001)/AIN(0001)
Рабочая частота, f, МГц 149,9 504,8
Толщина пленки AIN, h, мкм 5,6 3,2
Приведенная толщина (kh) 0,88 1,67
Коэффициент электромеханической связи, (k2) % 0,12 0,10
Время задержки, т, мкс 0,465 0,493
Скорость ПАВ, VR, м/с 5996 5680
Направление возбуждения ПАВ [2110] [1010]
Вносимые потери (несогласованный режим), y, дБ 33 42
Характеристики слоистого звукопровода с использованием в качестве пьезоэлектрика пленки AIN проверялись экспериментально на образцах линий задержки. Эквидистантные ВШП были сформированы методом контактной фотолитографии из AI. Были изготовлены линии задержки двух типов: низкочастотная 1 (период ВШП 2L = 40 мкм; М = 20; длина электродов (апертура) A = 10 мм; B = 2,8 мм) и высокочастотная 2 (2L = 11,25 мкм; М = 20; А = 3 мм; В = 2,8 мм). Полученные экспериментальные результаты измерений параметров линий задержки представлены на рисунке 3а и в таблице 1. Коэффициент электромеханической связи вычислялся по результатам измерений активной составляющей полного сопротивления ВШП на резонансной частоте, вносимого затухания и статической емкости [17].
По данным амплитудно-частотной характеристики (рис. 3а) линия задержки 1 работает на частоте 149,9 МГц (на центральной частоте вносимые потери составляют y = 33 дБ, максимальное затухание вне полосы ~60 дБ). Было проведено сравнение приведенных в таблице 1 результатов измерений линии задержки 1 с результатами аналогичных исследований параметров устройств на слоистой структуре AI203(01 12)/AIN(11 2 0), полученной эпитаксиально [5; 18]. Сравнение показало, что на пленках AIN, выращенных методом ВЧ-магнетронного реактивного распыления, параметры структуры AI203(01 12)/AIN(0001) лучше. Приведенная толщина эпитак-сиальной пленки AIN kh ~ 3, где k - волновое число, h - толщина пленки AIN (k = 2п/Л, где п = 3,14, Л - длина ПАВ). Вносимые потери устройства с пленкой AIN, выращенной эпитаксиально, с периодом ВШП равным 36 мкм (близко к значению периода линий задержки 1) превышают величину 55 дБ, что на 22 дБ больше, чем у линии задержки 1. Измеренное значение k2 линии задержки 1, равное 0,12% при значениях kh = 0,88, также несколько превосходит значение k2, приводимое для эпитаксиальных структур для такой же толщины пленки AIN.
Для сравнительной оценки влияния измерений толщины пленки AIN и значений упругих постоянных выполнен расчет зависимости VR от толщины пьезоэлектрической пленки kh при изменении значений упругих постоянных пленки для ориентационного соотношения AI203(0001)[1010]/AIN(0001). На рисунке 3б представлена рассчитанная зависимость VR(kh) для случая нулевых изменений упругих постоянных С22 и С33 (кривая 1), а также при их увеличении на 7% (кривая 2) и уменьшении на 7% (кривая 3). Представленные зависимости показали, что изменение значений упругих постоянных пьезоэлектрика значительно сильнее влияет на скорость ПАВ, чем изменение толщины пленки AIN. Было исследовано влияние материала подложек и строения пленок AIN слоистого звукопровода на рабочую частоту и
вносимые потери линий задержки. Результаты представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Влияние строения пленок AIN, выращенных ВЧ-магнетронным распылением на различных подложках, на рабочую частоту и вносимые потери линий задержки
Параметры, характеризующие Параметры
Слоистый звукопровод строение пленки AIN линий задержки
J, % Lokr, нм о, град f, МГц Y, дБ
Поликор/AIN(0001) 34 38 2,6 72,3 45
Стекло^^(0001) 59 63 2,2 40,5 35
Ситалл^^(0001) 51 44 2,4 54,4 36
AI203(0001)/AIN(0001) 95 58 0,9 71,0 33
На частоту обработки сигнала и внесенные потери устройств на ПАВ существенное влияние оказывает строение пленки пьезоэлектрического материала. С увеличением степени кристалличности и размера кристаллитов, а также уменьшением разориентации кристаллитов пленок AIN вносимые потери устройств на ПАВ могут быть уменьшены на =20%.
Заключение. Метод магнетронного распыления характеризуется неравновесными условиями формирования, при которых преобладает нетангенциальный механизм роста. Было исследовано влияния подложек различных материалов на степень кристалличности и строение кристаллической фазы пленок AIN, выращенных ВЧ-магнетронным реактивным распылением. Независимо от природы материала и кристаллографического ориентирования подложки, образование кристаллитов пленки происходит по плоскостям с максимальными адсорбционными свойствами и минимумом реиспаряющихся частиц. Такими свойствами, как правило, обладают поверхности, нормальные к винтовым осям симметрии. Таким образом, кристаллографическое ориентирование кристаллитов пленок, выращиваемых методами распыления, заложено в структуре пленок.
Выращенные пленки AIN представляют композит, армированный игольчатыми волокнами, промежутки между которыми заполнены когерентной с ними рентгеноаморфной фазой. Показана возможность использования слоистой структуры подложка/AIN, (подложка - сапфир, по-ликор, стекло, ситалл) при изготовлении устройств на ПАВ.
Список литературы:
1. Белянин А.Ф. Выращивание плазменными методами пленок алмаза и родственных материалов (алмазоподобных, нитрида алюминия, оксида цинка) и применение многослойных структур на основе этих пленок в микро- и акустоэлектронике: диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва, 2002.
2. Jagannadham K., Sharma A.K., Wei Q., KaIyanraman R., Narayan J. StructuraI characteristics of AIN fiIms deposited by puIsed Iaser deposition and reactive magnetron sputtering: A comparative study // JournaI of Vacuum Science & TechnoIogy A. 1998. V. 16, № 5. P. 2804-2815.
3. Белянин А.Ф., Бульенков Н.А., Корсун Г.И., Тер-Маркарян А.А. Сильнотекстурирован-ные пленки AIN, выращенные методом высокочастотного магнетронного распыления // Техника средств связи. 1987. Серия: ТПО. Вып. 1. С. 35-44.
4. Белянин А.Ф., Бульенков Н.А., Богомолов А.Б., Балакирев В.Г. Строение и применение тонких пленок AIN, полученных методом магнетронного ВЧ-распыления // Техника средств связи. 1990. Серия: ТПО. Вып. 3. С. 4-24.
5. Shiosaki T., Yamamoto T., Oda T., Harada K., Kawabata A. Low temperature growth of piezoeIectic AIN fiIms for surface and buIk wave transducters by RF pIanar magnetron sputtering // Pros. IEEE. 1980. UItrasonic Simposium. P. 451-454.
6. Bo L., Xiao C., HuaIin C., AIi Mohammad M., Xiangguang T., Luqi T., Yi Y., TianIing R. Surface acoustic wave devices for sensor appIications // JournaI of Semiconductors. 2016. V. 37. № 2. 021001-1-9.
7. Самойлович М.И., Белянин А.Ф. Наноструктурированные пленки AIN: получение, строение и применение в электронной технике // Инженерная физика. 2006. № 5. С. 51-56.
8. Sokolina G.A., Blaut-Blachev A.N., Bouilov L.L., Karpukhina T.A., Kochetkova E.I., Belya-nin A.F. Optical and electrical properties of AlN films // Diamond Films and Technology. 1997. P.403-409.
9. Белянин А.Ф. Применение в электронной технике легированных пленок AlN, выращенных ВЧ-магнетронным распылением // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2002. № 1-2. С. 74-82.
10. Белянин А.Ф., Житковский В.Д., Пащенко П.В. Пленки нитрида алюминия: получение, строение и применение в устройствах электронной техники // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 1998. № 1. С. 29-37.
11. Spitsyn B.V., Zhirnov V.V., Blaut-Blachev A.N., Bormatova L.V., Belyanin A.F., Pashchenko P.V., Bouilov L.L., Givargizov E.I. Field emitters based on Si tips with AlN coating // Diamond and Related Materials. 1998. № 7. P. 692-694.
12. Белянин А.Ф., Самойлович М.И., Житковский В.Д., Пащенко П.В., Тимофеев М.А., Ковальский К.А., Клещева С.М., Борисов В.В., Петухов К.Ю. Слоистые ненакаливаемые катоды // Нано- и микросистемная техника. 2005. № 8. С. 39-47.
13. Belyanin A.F., Blaut-Blachev A.N., Bouilov L.L., Spitsyn B.V. Growth of AlN films and dia-mond/AlN layer system application in acoustoelectronics // Journal of Chemical Vapour Deposition. 1997. V. 5. № 3. P. 267-272.
14. Белянин А.Ф., Самойлович М.И., Пащенко П.В., Багдасарян С.А. Слоистые структуры алмазоподобный углерод/AIN(ZnO) в устройствах на поверхностных акустических волнах // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2004. № 1-2. С. 58-63.
15. Oliveira C., Otani C., Maciel H.S., Massi M., Noda L.K., Temperini M.L.A. Raman active E2 modes in aluminum nitride films // Journal of materials science: materials in electronics. 2001. V. 12. P.259-262.
16. Liu L., Liu B., Edgara J.H., Rajasingam S., Kuball M. Raman characterization and stress analysis of AlN grown on SiC by sublimation // Journal of applied physics. 2002. V. 92. № 9. P.5183-5188.
17. Tsubouchi K., Sugai K., Mikoshiba N. High-frequency and low-dispersion SAW devices on AlN/Al2O3 and AlN/Si for signal processing // Proc. IEEE 1980 Ultrasonics Symposium. P. 446-450.
18. Xu J., Thakur J.S., Hu G., Wang Q., Danylyuk Y., Ying H., Auner G.W. Angular dependence of surface acoustic wave characteristics in AlN thin films on a-plane sapphire substrates // Applied Physics A. 2006. V. 83. P. 411-415.
