Dual ion beam sputtering for low-noise piezoelectric AlN thin films

Abstract

Diese Arbeit untersucht die Eignung des Dual Ion Beam Sputtering (DIBS) zur Abscheidung hochwertiger Aluminiumnitrid (AlN) Dünnschichten für piezoelektrischemicro-electro-mechanical systems (MEMS) Anwendungen. Die Schichtqualität wurde systematisch anhand der Halbwertsbreite (FWHM) von Rocking-Curve-Messungen der AlN (0002) Reflexion, des dielektrischen Verlustfaktors tanδ sowie des piezoelektrischen Koeffizienten bewertet. Die Ergebnisse wurden direkt mit Referenzschichten verglichen, die mittels DC-Magnetronsputtern (DCMS) am Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme hergestellt wurden, sowie mit Literaturwerten. Drei komplementäre Studien entwickeln Optimierungsstrategien für den DIBS Prozess. In der ersten Studie werden die Abscheideparameter der Sputterquelle, darunter Beam-Spannung, Beschleunigungsspannung, Beam-Strom und Stickstoff Flussrate, systematisch variiert. Dabei wird ein optimaler Kompromiss zwischen FWHM (≈4,5°), tanδ (≈0,015) und Druckspannung identifiziert, wobei die absolute Schichtqualität unterhalb des DCMS-Niveaus bleibt (FWHM ≈2°, tanδ ≈0,004). Die zweite Studie aktiviert eine unterstützende Ionenquelle zur Beschleunigung von Stickstoffradikalen und führt ionenunterstütztes Ätzen ein, welches bevorzugt die c-Achsen-Textur verbessert (Reduktion der FWHM um ≈1°). Gleichzeitig entstehen jedoch hohe Druckspannungen von bis zu 3–4 GPa, die Rissbildung und Delamination verursachen. Durch Verringerung der Abstände zwischen den Kohlenstoffgittern,wird ein Betrieb bei geringeren Ionenenergien ermöglicht. Dadurch lassen sich stabile Prozessrezepte mit einer FWHM von 3,7° und einem tanδ von 0,0116 realisieren, während die Druckspannung auf unter 3 GPa begrenzt wird.In der dritten Studie werden Molybdän- und AlN-Schichten mittels DIBS abgeschieden und als Keimschichten für nachfolgend gesputterte Funktionsschichten evaluiert. Beide Seed-Schichten verbessern die FWHM (Mo: > 20° → 4,39°; AlN (700 V): >39° → 3,92°) und häufig auch den dielektrischen Verlustfaktor, ohne übermäßige Spannungen im Schichtstapel zu erzeugen. AlN-Keimschichten weisen im Vergleich zu Molybdän-Keimschichten signifikant geringere gemessene Werte des dielektrischen Verlustfaktors (tanδ) auf, was auf eine überlegene dielektrische Leistung hindeutet. Insgesamt erweist sich DIBS als geeignetes Verfahren zur Herstellung c-achsig orientierter AlN-Schichten mit zielgerichteter Qualität (d33 = 5–6 pC/N). Die Arbeit etabliert seed-unterstützte Abscheiderezepte mit moderaten Druckspannungen als vielversprechenden Ansatz für MEMS-kompatible Schichten.

This thesis investigates the viability of dual ion beam sputtering for depositing high-quality aluminum nitride thin films suitable for piezoelectric MEMS. The film qual-ity was systematically evaluated through full width at half maximum (FWHM) ofrocking-curve measurements of the AlN (0002) reflection, dielectric loss tangent(tanδ) and piezoelectric coefficient, with direct comparisons to direct current mag-netron sputtering reference layers produced at the Institute for Sensor and Actuator Systems (ISAS) and literature benchmarks. Three complementary studies establish DIBS process optimization strategies. The first study systematically varies deposition parameters of the sputter source such as beam voltage, accelerator voltage, beam current and the nitrogen (N2) flow rate, identifying an optimal compromise balancing FWHM (≈4.5°), tanδ (≈0.015), and compressive stress, though absolute quality remains below direct current magnetron sputtering (DCMS) standards (FWHM ≈2°, tanδ ≈0.004). The second study activates an assisting ion source to accelerate nitrogen radicals, introducing ion-assisted etching that preferentially enhances c-axis texture (FWHM reduction by ≈1°) but generates compressive stresses up to 3-4 GPa, causing cracking and delamination. Grid modifications, reducing the spacings between the ion extraction grids, enable lower energy operation yielding stable recipes with FWHMof 3.7° and tanδ of 0.0116 while mitigating stress to below 3 GPa. The third study evaluates molybdenum (Mo) and AlN seed layers via DIBS as seed-layers for sputtered device layers. Both seeds improve FWHM (Mo: >20°→4.39°; AlN (700 V): >39° → 3.92°) and often tanδ, without inducing excessive stack stress. AlN seed layers show significantly reduced tanδ values compared to molybdenum seed layers, suggesting enhanced dielectric performance. Overall, DIBS proves viable for c-axis AlN with targeted quality (d33 5–6 pC/N), establishing seed assisted deposition recipes with reasonable compressive stress as a pathway toward MEMS compatible films.