[논문 리뷰] Improving the crystallinity and texture of oblique-angle-deposited AlN thin films using reactive synchronized HiPIMS

Jyotish Patidar, Amit Sharma외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 26.

Acoustic Wave Resonator Technologies인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 기울기 각도로 증착된 AlN 박막에서 반응성 금속 이온 동기화 고출력 펄스 맴브란 스퍼터링(HiPIMS)이 결정성과 (0002) 정렬을 크게 향상시킨다는 것을 입증한다. -30 V의 낮은 전압에서 기판 비아 펄스를 HiPIMS 펄스의 알루미늄 농도가 높은 단계와 동기화함으로써, 아르곤(Ar)의 혼입을 줄이고, 결정립 정렬을 향상시키며, 고밀도이면서 고도로 정렬된 박막을 구현함으로써, 저전압 비아 조건에서도 피에조전기 응용에 적합한 박막을 실현한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기울기 각도 및 구조가 있는 기판을 대상으로 저비아, 고품질 AlN 박막 증착 방법을 개발하기 위해.
• 기울기 각도 스퍼터링에 의한 AlN 박막에서 열악한 정렬과 높은 결함 밀도 문제를 해결하기 위해.
• 높은 이온 유량을 유지하면서도 공정 기체(Ar) 혼입을 최소화하여 결정성을 향상시키기 위해.
• 피에조전기 MEMS 및 SAW 장치에 적합한 균일한 c축 정렬 AlN 박막을 실현하기 위해.

제안 방법

• 각 HiPIMS 펄스의 알루미늄 농도가 높은 단계와 동기화된 -30 V 펄스 기판 비아를 사용한 반응성 금속 이온 동기화 HiPIMS를 구현하였다.
• 개방형 자기장 구성을 사용하여 플라즈마를 기판 쪽으로 유도함으로써 이온 유량을 증가시키고, 방향성 있는 이온 빔 망원을 가능하게 하였다.
• 시간 해상도 및 에너지 해상도를 갖춘 QMS 분석을 수행하여 이온 운동 에너지를 측정하고, 펄스 동기화 최적화를 수행하였다.
• 동일한 기울기 각도 조건에서 DCMS, 전통적 HiPIMS 및 동기화 HiPIMS로 증착한 박막을 비교하였다.
• XRD χ-스캔을 수행하여 기판 법선에 대한 결정립 기울기와 정렬 균일도를 정량화하였다.
• 표면 거칠기, 기둥형 성장, 압축 응력, 산화 저항성 등을 포함한 구조적 특성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기울기 각도 증착 조건에서 반응성 금속 이온 동기화 HiPIMS가 AlN 박막의 (0002) 정렬과 결정성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 HiPIMS 펄스의 알루미늄 농도가 높은 단계에 기판 비아를 동기화함으로써 아르곤(Ar) 혼입과 결함 형성이 감소하는가?
• RQ3 연속 비아 또는 접지 조건과 비교할 때 저전압 기판 비아(-30 V)가 박막 품질 향상에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 비균일하거나 구조가 있는 기판 상에서 동기화 HiPIMS 공정이 균일한 결정립 정렬을 유지하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 동기화 HiPIMS로 구현된 밀도 높은 미세구조가 대기 조건에서 산화 저항성을 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 저전압 -30 V 동기화 기판 비아를 적용한 HiPIMS는 DCMS 및 전통적 HiPIMS에 비해 AlN 박막의 (0002) 정렬과 결정성을 크게 향상시켰다.
• 낮은 표면 거칠기와 고밀도 기둥형 성장을 보였으며, 기울기 증착 각도에서도 강한 수직 정렬 성질을 유지하였다.
• 동기화 비아 조건은 연속 비아 조건 대비 30–40%의 아르곤(Ar) 혼입 감소를 이끌었으며, 이는 압축 응력과 결함 밀도 감소로 이어졌다.
• 기울기 증착 조건에서도 결정립 기울기는 기판에 대해 거의 수직(±5° 이내)을 유지하여, 이온 유량 각도에 관계없이 균일한 정렬을 보였다.
• 밀도 높은 미세구조는 산화 저항성을 향상시켰으며, 대기 노출 후에도 산화를 감지할 수 없었다.
• XRD χ-스캔 결과, 기판에 수직으로 균일하게 정렬된 결정립이 유지되었으며, DCMS의 경우 기판 증착 각도와 비례하여 결정립 기울기가 증가하는 경향을 보였다.