Erhöhung der piezoelektrischen Koeffizienten von gesputterten AlN- Dünnfilmen durch Dotieren mit Übergangsmetallen für MEMS

Abstract

Aluminium Nitrid (AlN) ist ein III-V Verbindungshalbleiter mit piezoelektrischen Eigenschaften, der zunehmend in Bauelementen der Mikrosystemtechnik (engl. MEMS: micro electro-mechanical systems) eingesetzt wird. Kürzlich wurde die Dotierung mit Übergangselementen zur Steigerung der relativ niedrigen piezoelektrischen Konstanten von reinem AlN berichtet um sowohl das Aktorpotential als auch die Sensitivität von piezoelektrischen MEMS Bauelementen zu erhöhen. In der Arbeit wird zunächst eine Methode zur präzisen Charakterisierung der piezoelektrischen Koeffizienten d33 und d31 von Dünnfilmen durch Messung von Auslenkungsprofilen mit dem Laser-Doppler Vibrometer in Verbindung mit finiter Elemente Simulation eingeführt. Anschließend wird auf die bereits bekannte Steigerung der piezoelektrischen Koeffizienten durch Dotierung von AlN mit Scandium eingegangen. Zunächst wird die Abscheidung von piezoelektrischen ScxAl1-xN-Schichten bis x = 15% von einem Inlettarget durch reaktives DC-Magnetron-Sputtern demonstriert. Mit optimiertem Ar/N2 Verhältnis im Prozessgas lassen sich bei nominell ungeheiztem Substrathalter hochgradig c-Achsen orientierte ScxAl1-xN-Schichten auf Si(100) herstellen. Im nächsten Schritt erfolgt die Herstellung von ScxAl1-xN mit einem Al0.7Sc0.3-legierten Target in einer industriekompatiblen Sputteranlage. Für die abgeschiedenen ScxAl1-xN-Schichten ergibt sich eine stabile Scandium Konzentration von ca. x = 27%. Zur Optimierung der kristallinen Qualität und c-Achsen Orientierung werden Versuchsreihen zum Einfluss verschiedenster Prozessparameter durchgeführt. Danach werden für Dünnfilme mit unterschiedlicher Schichtqualität und Orientierung die Auswirkungen von Annealingschritten bis zu 1000 Grad C auf Änderungen der piezoelektrischen Konstanten, dem Grad der c-Achsen Orientierung und auf das temperaturabhängige Leckstromverhalten untersucht. Ergänzend wird Yttrium als ökonomischere Alternative zu Scandium untersucht. Anhand von theoretischen Untersuchungen wird gezeigt, dass für YxAl1-xN ein enormes Potential zur Steigerung der piezoelektrischen Koeffizienten besteht. Experimentell werden Schichten mit einem Yttrium Gehalt bis zu x = 11% durch reaktives Co-Sputtern von elementaren Targets hergestellt. Als Anwendung der ScxAl1-xN-Dünnfilme wird die Herstellung piezoelektrischer Cantilever präsentiert. Der gesteigerte Wert von d31 führt zu einem deutlich erhöhten Signalniveau für Sensoranwendungen. Abschließend wird die externe Anregung der piezoelektrischen ScxAl1-xN Cantilever für Energy Harvesting Anwendungen untersucht. Die lastwiderstandsabhängige Ausgangsleistung lässt sich dabei sehr gut analytisch beschreiben und wird zudem zur Ermittlung der piezoelektrischen Konstanten herangezogen.

Aluminium Nitride belongs to the group of III-V semiconductors and is increasingly applied in micro- electromechanical systems (MEMS) due to its CMOS compatibility in combination with its piezoelectric properties. Recently, a tremendous increase of the initially moderate piezoelectric constants of pure AlN by transition metal doping was demonstrated. This offers the possibility to increase substantially both the actuator potential, as well as the sensitivity of piezoelectric MEMS. Initially, a method for the determination of piezoelectric constants of thin films by means of comparing finite element (FEM) simulations and optical deflection measurements is introduced. Novel electrode designs for phase-shifted actuation (Bulls eyes) enable the precise determination of both d33 and d31. Scandium (Sc) is employed as the dopant material in ScxAl1-xN, which already proved to increase the values of both, d33 and d31. Initial depositions are conducted by a custom-built sputtering equipment up to a Sc concentration of x = 15%. The Ar/N2 ratio proved to be a crucial deposition parameter in order to synthesize highly c-axis oriented ScxAl1-xN thin films on silicon substrates with (100) orientation. Next, the Scandium concentration is increased to x = 27% and in parallel upscaled to 4 inch wafer level in an industry compatible sputter equipment, applying an Al0.7Sc0.3 alloy target. Again, highly c-axis oriented films with high piezoelectric coefficients are obtained by finding appropriate deposition conditions on both silicon and sapphire substrates at nominally unheated conditions. Furthermore, the influence of post deposition annealings on the ScxAl1-xN microstructure up to 1000 degree C under high vacuum conditions is investigated by various techniques including in-situ annealing in a transmission electron microscope. Other elements for doping, especially Yttrium (Y), are investigated as an economically alternative to Scandium. Ab initio calculations show a high potential for increasing the piezoelectric constants in YxAl1-xN. Experimental depositions are conducted using a dual target co-sputtering systems up to an Yttrium concentration of x = 11% yielding highly c-axis oriented films up to x = 6%. The fabrication and characterization of piezoelectric cantilevers are demonstrated as an application of ScxAl1-xN and pure AlN thin films in MEMS. For sensor application in a self-actuation and self-sensing approach, the increased d31 of ScxAl1-xN yields an increase in signal level of up to 300%. Moreover, external excitation by mechanical vibrations in combination with output power measurements as a function of varying load resistors are presented for energy harvesting applications. An analytical model predicts the measured output power in a most excellent way and is in addition used to extract the piezoelectric coefficient e31.