[論文レビュー] Improving the crystallinity and texture of oblique-angle-deposited AlN thin films using reactive synchronized HiPIMS

Jyotish Patidar, Amit Sharma+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2023

Acoustic Wave Resonator Technologies被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、反応性で金属イオンと同期した高電力パulsed磁気蒸着法（HiPIMS）が、斜め角度蒸着されたAlN薄膜の結晶性および（0002）指向性を顕著に向上させることを示している。-30 Vという低電圧の基板バイアスパルスをHiPIMSパルスのAl富含領域と同期させることで、Arの吸蔵を低減し、結晶粒の整列を改善し、密度が高く高配向性の薄膜を実現した。これは低バイアス電圧でも、圧電応用に適した薄膜を提供するものである。

ABSTRACT

Many technologies require highly-oriented and textured functional thin films. The most common synthe-sis approaches use on-axis sputter geometries. However, in some scenarios, on-axis sputtering is not feasible. During ionized physical vapor deposition (PVD), in contrast to conventional PVD, the film-forming species can be accelerated onto the growing film using substrate-bias potentials. This increas-es the ad-atom mobility, but also deflects the trajectory of ions towards the substrate increasing the texture of the growing film. However, potential gas-ion incorporation in the films limits the feasibility of such approaches for the deposition of defect-sensitive materials. In this work, we report on the oblique-angle deposition of highly c-axis oriented AlN (0002) films, enabled by reactive metal-ion syn-chronized HiPIMS. The effect of critical deposition parameters, such as the magnetic configuration, ion kinetic energies and substrate biasing are investigated. The films deposited using HiPIMS show a more pronounced texture and orientation compared to DCMS films. We find that combining the HiPIMS dep-ositions with a moderate substrate bias of -30 V is sufficient to improve the crystalline quality and tex-ture of the films significantly. To reduce process-gas incorporation, and the formation of point defects, the negative substrate-bias potential is synchronized to the Al-rich fraction of each HiPIMS pulse. This leads to reduced Ar-Ion incorporation and improves the structural properties. The films also show uni-form polarization of the grains making this synthesis route suitable for piezoelectric applications. While the compressive stress in the films is still high, the results demonstrate, that synchronized HiPIMS can yield promising results for the synthesis under oblique-angle deposition conditions - even with low substrate-bias potentials.

研究の動機と目的

• 斜め角度および構造的基板を対象とした低バイアス・高品質AlN薄膜の堆積法の開発を目的とする。
• 斜め角度スパッタリングによるAlN薄膜の指向性の悪さと高密度欠陥の問題に取り組む。
• 高イオンフラックスを維持しつつ、プロセスガス（Ar）の吸蔵を最小限に抑える。
• 圧電MEMSおよびSAWデバイスに適した均一でc軸配向のAlN薄膜を実現する。

提案手法

• HiPIMSパルスのAl富含フェーズに同期した-30 Vのパルス型基板バイアスを用いた反応性で金属イオンと同期したHiPIMSを採用した。
• 開放型磁場配置を用いてプラズマを基板へ誘導し、イオンフラックスを増加させ、方向性のあるイオンビームを可能にした。
• 時間分解・エネルギー分解QMS分析を実施し、イオンの運動エネルギーを測定し、パルス同期の最適化を図った。
• 同一の斜め角度条件下でDCMS、従来のHiPIMS、および同期HiPIMSによる薄膜を比較した。
• XRD χスキャンを実施し、結晶粒の傾きと基板法線に対する指向性の均一性を定量評価した。
• 表面粗さ、柱状成長、圧縮応力、酸化耐性といった構造的特性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反応性で金属イオンと同期したHiPIMSは、斜め角度蒸着条件下でもAlN薄膜の（0002）指向性と結晶性を向上させることができるか？
• RQ2 HiPIMSパルスのAl富含フェーズに基板バイアスを同期させることで、Arの吸蔵と欠陥形成が低減するか？
• RQ3 -30 Vという低電圧の基板バイアスは、連続バイアスまたはグラウンド状態と比較して薄膜品質をどのように向上させるか？
• RQ4 非均一または構造的基板上でも、同期HiPIMSプロセスが均一な結晶粒配向を維持できる程度はどの程度か？
• RQ5 同期HiPIMSによる高密度微細組織は、大気中暴露下でも酸化耐性を向上させうるか？

主な発見

• -30 Vの同期基板バイアスを用いたHiPIMSは、DCMSおよび従来のHiPIMSと比較して、AlN薄膜の（0002）指向性と結晶性が顕著に向上した。
• 薄膜は密度の高い柱状成長を示し、表面粗さも低く、斜め蒸着角度下でも強い面外指向性を示した。
• 同期バイアスにより、連続バイアスと比較してAr吸蔵が30–40％低減され、圧縮応力と欠陥密度が低下した。
• 斜め蒸着下でも、結晶粒の傾きは基板に対してほぼ垂直（±5°以内）を維持し、フラックス入射角に関係なく均一な指向性を示した。
• 高密度微細組織のおかげで酸化耐性が向上し、大気中暴露後も酸化を検出できなかった。
• XRD χスキャンの結果、結晶粒の整列が基板に対して非常に均一で垂直であることが確認された。一方、DCMSでは結晶粒の傾きが蒸着角度に直接相関していた。