ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2019, № 11 · ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Наноструктурированные пьезоэлектрические пленки AlN, полученные реактивным ВЧ-магнетронным распылением

А.Ф. Белянин1,2, А.С. Багдасарян3,4,5,6, С.А. Налимов1,2, Е.Р. Павлюкова7,8

1 Центральный научно-исследовательский технологический институт “Техномаш”, Россия
2 Central Research Technological Institute “Technomash”, Россия
3 Научно-производственное предприятие “Технологии радиочастотной идентификации и связи”, Россия
4 Scientific Engineering Center “Technological developments of telecommunication and radio frequency identification”, JSC, Россия
5 Научно-исследовательский институт радио им. М.И.Кривошеева, Россия
6 Krivosheyev Institute of Radio, Россия
7 Московский физико-технический институт (государственный университет), Долгопрудный
8 Moscow Institute of Physics and Technology (State University), Россия
Полный текст (PDF) DOI: 10.30898/1684-1719.2019.11.15 УДК 537.9 EDN SBTZWP

Аннотация

Представлены условия получения текстурированных пленок AlN на подложках аморфных и кристаллических материалов методом реактивного ВЧ-магнетронного распыления мишени из Al в атмосфере смеси аргона и азота. Электронной микроскопией, рентгеновской дифрактометрией, энергетической дисперсионной спектроскопией и спектроскопией комбинационного рассеяния света показано влияние условий получения на скорость роста, степень кристалличности, размер и ориентирование кристаллитов. Рассмотрено влияние строения пьезоэлектрических пленок AlN на параметры устройств на поверхностных акустических волнах. Показана возможность контроля пьезоэлектрической эффективности пленок AlN по спектрам комбинационного рассеяния света.

  • пленки нитрида алюминия
  • магнетронное распыление
  • пьезоэлектрические материалы
  • устройства на поверхностных акустических волнах
  • спектроскопия комбинационного рассеяния света
  • aluminum nitride films
  • magnetron sputtering
  • piezoelectric materials
  • surface acoustic wave devices
  • raman spectroscopy
Abstract (in English)

AlN Nanostructured Piezoelectric Films obtained by Reactive RF Magnetron Sputtering

The conditions for obtaining the textured AlN films on substrates of amorphous and crystalline materials by the method of reactive RF magnetron sputtering of an Al target in an atmosphere of argon and nitrogen mixture are presented. By electron microscopy, X-ray diffractometry, energy dispersive spectroscopy, and Raman spectroscopy it is demonstrated the influence of the manufacturing conditions (composition and pressure of the gas mixture, temperature and material of immovable and moving substrates) on the growth rate and structure (crystallinity degree, size and orientation of crystallites, lattice parameters) of AlN films. The relationship between the film structure and the position of the fixed substrates relative to the target-sputtering region is demonstrated. It is discovered that AlN films consist of crystalline and amorphous phases, while the crystallites have the form of fibers, and the amorphous phase occupies the gap between the fibers. The crystallites of AlN films, regardless of the substrate material, were axially textured along the crystallographic direction <0001>. Under the certain parameters, at sapphire substrates there was a unification of the fibers making up the film into wafers with the formation of a limited texture. The crystallite size of AlN films was 25-65 nm and did not depend on the degree of crystallinity. The films having a fibrous or plate structure demonstrated the piezoelectric properties. The influence of the piezoelectric AlN film structure on the parameters of SAW devices is researched. The possibility of the piezoelectric efficiency control for AlN films through the Raman spectra is demonstrated.

Для цитирования

Белянин А.Ф., Багдасарян А.С., Налимов С.А., Павлюкова Е.Р. Наноструктурированные пьезоэлектрические пленки AlN, полученные реактивным ВЧ-магнетронным распылением // Журнал радиоэлектроники. – 2019. – № 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2019.11.15

Литература

  1. Belyanin А.F., Nalimov S.A., Luchnikov A.P., Bagdasaryan A.S. Properties of planar structures based on policluster films of diamond and AlN // В сборнике: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 6. Сер. "6th International Conference: Modern Technologies for Non-Destructive Testing" 2018. С. 012041. DOI:10.1088/1757-899X/289/1/012041.
  2. Iqbal A., Mohd-Yasin F. Reactive Sputtering of Aluminum Nitride (002) Thin Films for Piezoelectric Applications: A Review // Sensors. 2018. 18 (6): 1797. DOI:10.3390/s18061797
  3. Spitsyn B.V., Blaut-Blachev A.N., Bouilov L.L., Zhirnov V.V., Bormatova L.V., Givargizov E.I., Belyanin A.F., Pashchenko P.V. Field emitters based on Si tips with AlN coating // Diamond and Related Materials. 1998. № 7. № 2-5. P. 692-694.
  4. Белянин А.Ф., Борисов В.В., Багдасарян А.С. Наноструктурированные углеродные материалы в эмиссионной электронике // Российский технологический журнал. 2017. Т. 5. № 3(17). С. 22-40.
  5. Yarar E., Hrkac V., Zamponi C., Piorra A., Kienle L., Quandt E. Low temperature aluminum nitride thin films for sensory applications // AIP Advances. 2016. 6(7). 075115; DOI: 10.1063/1.4959895
  6. 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. 39-48.
  7. Besleaga C., Dumitru V., Trinca L.M., Popa A-C., Negrila C-C., Kołodziejczyk L., Luculescu C-R., Ionescu G-C., Ripeanu R-G., Vladescu A., Stan G.E. Mechanical, corrosion and biological properties of room-temperature sputtered aluminum nitride films with dissimilar nanostructure // Nanomaterials. 2017. 7, 394; DOI:10.3390/nano7110394
  8. Bo L., Xiao C., Hualin C., Ali Mohammad M., Xiangguang T., Luqi T., Yi Y., Tianling R. Surface acoustic wave devices for sensor applications // Journal of semiconductors. 2016. Vol. 37. № 2 DOI: 10.1088/1674-4926/37/2/021001
  9. Wang C.C., Chiu M.C., Shiao M.H., Shieua F.S. Characterization of AlN thin films prepared by unbalanced magnetron sputtering // Journal of The Electrochemical Society. 2004. Vol. 151. № 10. P. 252-256.
  10. Kumari N., Singh A.K., Barhai P.K. Study of Properties of AlN Thin films deposited by reactive magnetron sputtering // International journal of thin films science and technology. 2014. Vol. 3. № 2. P. 43-49. DOI 10.12785/ijtfst/030203
  11. Самойлович М.И., Белянин А.Ф. Наноструктурированные пленки AlN: получение, строение и применение в электронной технике // Инженерная физика. 2006. № 5. С. 51-56.
  12. Matsunami N., Venkatachalam S., Tazawa M., Kakiuchida H., Sataka M. Ion beam characterization of RF-sputter deposited AlN films on Si(111) // Nuclear instruments and methods in physics research. Section B: Beam interections with materials and atom. 2008. Vol. 266. № 8. P.1522-1526.
  13. Pat S., Kokkokoglu M. Characterization of deposited AlN films at various nitrogen concentrations by RF reactive sputtering // Optoelectronics and advanced materials rapid communications. 2010. Vol. 4. № 6. P. 855-858.
  14. Shih W.-C., Zoh Z.-X. Fabrication of AlN films by magnetron sputtering for surface acoustic wave applicatrions // Ferroelectrics. 2014. Vol. 459. № 1. P. 52-62.
  15. Khan S., Mehmood M., Shahid M., Alam M., Mahmood A., Shah A., Aziz U., Raza Q., Ahmed I. Texture of the nano-crystalline AlN thin films and the growth conditions in DC magnetron sputtering // Progress in natural science. 2015. Vol. 25. № 4. P. 282-290.
  16. Chen L.-X., Liu H., Liu S., Li C.-M., An K., Hua C.-Y., Liu J.-L., Wei J.-J., Hei L.-F., Lv F.-X., Wang Y.-C. Growth of high quality AlN films on CVD diamond by RF reactive magnetron sputtering // Applied surface science. 2018. Vol. 431. P. 152-159.
  17. Ma D.L., Liu H.Y., Deng Q.Y., Huang N., Leng Y.X., Yang W.M., Silins K. Optimal target sputtering mode for aluminum nitride thin films deposition by high power pulsed magnetron sputtering // Vacuum. 2019. Vol. 160. P. 410-417.
  18. Белянин А.Ф., Багдасарян А.С. Слоистая структура на основе пленок поликластерного алмаза и AlN для устройств на поверхностных акустических волнах // Успехи современной радиоэлектроники. 2017. № 3. С. 30-38.
  19. Wang J., Chen D., Xu Y., Liu Q., Zhang L. Influence of the crystal texture on Raman spectroscopy of the AlN films prepared by puls laser deposition // Journal of spectroscopy. 2013. Vol. 2013. Article ID 103602. http://dx.doi.org/10.1155/2013/103602
  20. Broas M., Sippola P., Sajavaara T., Vuorinen V., Perros A.P., Lipsanen H., Paulasto-Kröckel M. Structural and chemical analysis of annealed plasma-enhanced atomic layer deposition aluminum nitride films. Journal of Vacuum Science & Technology A. 2016. Vol.34. P.041506. DOI: 10.1116/1.4953029
  21. Kar J.P., Bose G., Tuli S. Influence of rapid thermal annealing on morphological and electrical properties of RF sputtered AlN films // Materials science in semiconductor processing. 2005. Vol. 8. № 6. P. 646-651.
  22. 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. Vol. 12. P. 259-262.
  23. 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. Vol. 92. № 9. P. 5183-5188.
  24. Jagannadham K., Sharma A. K., Wei Q., Kalyanraman R., Narayan J. Structural characteristics of AlN films deposited by pulsed laser deposition and reactive magnetron sputtering: A comparative study // Journal of vacuum science & technology A. 1998. Vol. 16. № 5. P. 2804-2815.
  25. Fillipidis L., Siegle H., Hoffmann A., Thomsen C., Karch K., Bechstegt F. Raman frequencies and angular dispersion of polar modes in aluminum nitride and gallium nitride // Physica status solidi (b). 1996. Vol. 190. P. 621-627.
  26. Vispute R.D., Narayan J., Wu H., Jagannadham K. Epitaxial growth of AIN thin films on silicon (111) substrates by pulsed laser deposition // Journal of applied physics. 1995. Vol. 77, № 9. P. 4724-4728.
  27. Alizadeh M., Ganesh V., Ameera A.N., Goh B.T., Shuhaimi A., Rahman S.A., Mehdipour H. Plasma-assisted hot filament chemical vapor deposition of AlN thin films on ZnO buffer layer: toward highly C-axis-oriented, uniform, insulative films // Applied physics A: Materials science & processing. 2014. Vol. 117. № 4. P. 2217-2224.
  28. Khan S., Mehmood M., Sadiq G., Ahmed I. Influence of the nitrogen fraction on AlN thin film deposited by cathodic arc ion // Materials science in semiconductor processing. 2015. Vol. 29. P. 193-200.
  29. 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. Vol. 83. P. 411-415.
  30. Lughi V., Clarke D.R. Defect and stress characterization of AlN films by Raman spectroscopy // Applied physics letters. 2006. Vol. 89. № 24. Article ID 241911.
  31. Kuball M., Hayes J.M., Prins A.D., Van Uden N.W.A., Dunstan d.J. Raman scattering studies on single-crystalline bulk AlN under high pressures // Applied physics letters. 2001. Vol. 78. № 6. P. 724-726.