Thermal conductivity of nitride based thin films

Abstract

Eine gezielte Wärmeabfuhr bzw. Wärmeverteilung spielt in vielen industriellen Anwendungen und Produkten eine immer größer werdende Rolle. Sei es eine Anwendung, wie die einer Wendeschneidplatte, deren Einsatz eine niedrige thermische Leitfähigkeit an der Oberfläche verlangt um das Werkzeug vor zu hohen Temperaturen zu schützen, oder die Wärmeabfuhr elektronischer Bauteile einer Platine, welche den Einsatz von Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit verlangt. Um dabei den Einsatz aufwendiger Kühlsysteme zu vermeiden, können Nitrid-basierende Schichtsysteme einen großen Fortschritt im Temperaturmanagement bedeuten. Aluminiumnitrid, ein Vertreter aus der Gruppe der III-V Halbleiter, das durch die Kombination einer extrem hohen thermischen Leitfähigkeit (ca. 320 W/mK) und einer niedrigen elektrischen Leitähigkeit (Bandlücke von ca. 6 eV) besticht, eignet sich auch aufgrund seiner hohen thermischen Stabilität für die Anwendung in elektronischen Bauteilen und Platinen. Dem entgegen stehen Ti- und CrN basierende Schichten (ca. 4.8 W/mK), die meist für Anwendungen mit thermischen Barrieren verwendet werden. Deren hohe Härte und thermische Stabilität, sowie ausgezeichnete Reibeigenschaften sind ideale Voraussetzungen für den Einsatz in der Bearbeitungsindustrie (z.B Zerspanung und Formgebung). Das Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung des Einflusses von Legierungselementen (Al, Cr) auf die temperaturabhängige thermische Leitfähigkeit von TiN, AlN und CrN basierender Schichten. Dazu wurden mit Hilfe der plasmaunterstützten reaktiven Magnetronkathodenzerstäubung (sputtern) verschiedene TiN, Ti1-xAlxN, AlN, Al1-xCrxN und CrN Schichten abgeschieden. Es wurden XRD, REM, TEM und Nanoindentation Analysen durchgeführt um die Morphologie, Kristallstruktur und mechanischen Eigenschaften der Schichten zu untersuchen. Zur Ermittlung der temperaturabhängigen thermischen Leitfähigkeit wurde die 3-Methode angewandt. Um die thermische Leitfähigkeit von hochleitfähigen Schichten mittels der 3-Methode bestimmen zu können, bedarf es Substratmaterialen mit einem weitaus höheren - . Für diese Studie wurden daher 100 orientierte Si Wafer Substrate (ca. 142.5 W/mK) verwendet und die 3-Methode wurde im differentiellen Messmodus verwendet. Die Simulationen der Messergebnisse weisen auf ein oberes Auflösungslimit von ca. 50 W/mK hin. Dieses Messlimit wurde aufgrund der hohen thermischen Leitfähigkeit der AlN Schichten erreicht und überschritten. Weiters zeigte die Messung eine sehr hohe Empfindlichkeit gegenüber der Breite der photolithographisch aufgebrachten Metallheizer. Durch die Dotierung von 10 at.% Cr ins Metalluntergitter der AlN Schichten, kam es unter Beibehaltung der Wurtzit-Struktur und Schichtmorphologie zu einem Einbruch der thermischen Leitfähigkeit. Diese Punktdefekte nehmen großen Einfluss auf die Ausbreitung der Majoritätsträger der Wärme in isolierenden Materialien, den sogenannten Phononen. Der unerwartete Anstieg der thermischen Leitfähigkeit mit steigender Temperatur (im betrachteten Temperaturfenster) konnte auf das mit dem PVD-Prozess einhergehende Einbringen von hohen Punktdefektdichten zurückgeführt werden. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen die Möglichkeit, durch die Dotierung von Schichtsystemen, gezielt die thermische Leitfähigkeit zu kotrollieren. Des Weiteren wurde die Abhängigkeit der thermischen Eigenschaften von der Kristallstruktur, Morphologie und der Reinheit der Materialien gezeigt.

An increasing demand on thermal protective coatings as well as high thermal conductive thin films has led to a huge variety of nitride based thin films for various thermal management applications. On one side of the scale are wurtzite aluminum nitride thin films, a representative of the III-V semiconductors, which have drawn great attention over the last decades due to its extremely high thermal (approx. 320 W/mK) and rather low electrical conductivity (band gap of about 6 eV). In addition, an excellent thermal stability recommends AlN as an attractive material for electronic packaging applications. On the other side of the scale are cubic titanium and chromium nitride-based thin films (approx. 4.8 W/mK). Their outstanding properties such as high hardness and thermal stability as well as low friction behavior make them ideal for the use as protective coatings in forming and tooling applications. Within this study, we investigated the in influence of the alloying content on the temperature dependent thermal conductivity in Ti-, Al-, and CrN based coatings. Therefore, a PVD reactive magnetron sputtering system was applied to deposit TiN, Ti1-xAlxN, AlN, Al1-xCrxN and CrN thin films. The morphology, the crystal structure, as well as the mechanical properties of the sputtered thin films were investigated applying XRD, SEM, TEM, and nanoindentation analysis. For determination of the thermal conductivity the 3-method was applied. This measurement technique requires high thermal conductive substrate materials, which were found in 100 oriented Si wafers (approx. 142.5 W/mK). To extend the measuring range, the differential operation mode of the 3-method had to be carried out. Simulations of the thermal conductivity measurements predict that the used setup is limited to a measureable thermal conductivity of approx. 50 W/mK, which is clearly exceeded by our AlN thin films. The measurements, especially for the high thermal conductive AlN, show great sensitivity to the heater widths, which were applied via lithography. Doping small amounts of 10 at.% chromium on the metal sublattice of the AlN thin films has no effect on the single phased wurtzite structure, which is also obtained for pure AlN. Although the similar crystal structure and morphology, the 3-measurement reveals a great drop in the thermal conductivity compared to pure AlN. These impurities or point defects have serious impact on the phonon mobility, which are the major carrier of the thermal conductivity in insulating materials. The effect of alloying Al in TiN is not that pronounced. The transition metal nitride (TiN, CrN) coatings exhibit higher thermal conductivity as their bulk counterparts, which is mainly based on the high point defect density due to the PVD process. The results show the possibility of designing coatings with perfectly defined thermal conductivity (e.g., by the alloying concepts as proven for our binary nitrides alloyed with Al) and reveal the importance of the crystal structure for the thermal conductivity. Furthermore, we clearly pointed out the importance of the purity of a material to show its unique properties.