Herstellung und Charakterisierung von polykristallinen CrxAl1-xN-Dünnfilmen für MEMS-Anwendungen

Abstract

Die Integration von Silizium MEMS (engl. micro electro-mechanical systems) -Sensoren und -Aktuatoren in unterschiedlichste technische Systeme, wie das Automobil, in Haushaltsgeräten („white goods“), in Smartphones und Videokameras als auch in industriellen und medizintechnischen Anwendungen, gewinnt durch die Möglichkeit der starken Miniaturisierung und der gleichzeitigen Performancesteigerung der Bauelemente immer mehr an Bedeutung. Ein vielversprechendes Material, welches aufgrund seiner piezoelektrischen Eigenschaften sowie seiner Kompatibilität zur CMOS Technologie vermehrt Anwendung in einer Vielzahl neuartiger, Low-Power-MEMS-Bauelementen findet, ist Aluminiumnitrid (AlN). Ein Ansatz, die moderaten piezoelektrischen Koeffizienten von AlN-Dünnfilmen zu erhöhen, wurde unlängst durch Dotierung mit Übergangsmetallen vorgestellt. So kann unter anderem das Signal-Rausch-Verhältnis von piezoelektrischen MEMS-Sensoren weiter verbessert werden. Darüber hinaus zeigen mit Übergangsmaterialien wie Chrom (Cr) dotierte AlN-Schichten das Potential, zusätzlich ferromagnetische Eigenschaften zu integrieren. Die Kombination aus piezoelektrischen und ferromagnetischen Eigenschaften würde das breite Anwendungsgebiet von piezoelektrischen MEMS-Bauelementen zusätzlich um die Magnetfeldsensorik erweitern, ohne eisen- oder nickelhaltige Materialen verwenden zu müssen. Um Cr-dotierte AlN-Dünnfilme in MEMS-Sensoren und -Aktuatoren als neues Materialsystem zu etablieren, werden in dieser Arbeit die Herstellung sowie die kristallographischen, piezoelektrischen und magnetischen Eigenschaften von CrxAl1-xN-Dünnfilmen untersucht. Dazu werden CrxAl1-xN-Dünnfilme in einem Konzentrationsbereich von x = 0 at% bis x = (8.5 ± 0.5) at% von Cr-legierten Al Targets mit einem DC-Magnetron-Sputterprozess durch gezielte Variation der Prozessparameter abgeschieden. So konnten optimierte Abscheideparameter gefunden werden, um hochgradig c-Achsen-orientierte CrxAl1-xN-Dünnfilme mit polykristalliner Mikrostruktur auf nominell ungeheizten Si (100) Substraten herzustellen. Außerdem wird aufgezeigt, dass die kristalline Qualität und c-Achsen-Orientierung der Dünnfilme stark vom Prozessdruck und dem Ar/N2-Verhältnis in der Abscheidekammer abhängen. Untersuchungen der piezoelektrischen Koeffizienten zeigen moderate d33 Werte von bis zu d33 = ~4.5 pC/N bis zu Cr Konzentrationen von x ≤ 3.8 at% auf. Besonders interessant ist auch, dass die CrxAl1-xN-Proben in einem magnetischen Gleichfeld und in einem Temperaturbereich von T = 10 K – 300 K ein paramagnetisches Verhalten aufweisen. Dieses wird jedoch bei Raumtemperatur vollständig durch das vom Si-Substrat hervorgerufene diamagnetische Signal überlagert. Nach dem Abscheidevorgang werden ausgewählte AlN-Dünnfilme einer Hochtemperaturbehandlung bis zu 1000°C unterzogen, um ihre thermische Stabilität bewerten zu können. Trotz der Verwendung einer Vakuum- oder Schutzgasatmosphäre zeigt eine Auswertung der Mikrostruktur oberflächennahe Oxidationseinflüsse auf, die zu einer deutlichen Erhöhung der Druckverspannung in den Schichten führen. Neben der Herstellung von piezoelektrischen Dünnfilmen mit hohen piezoelektrischen Koeffizienten spielt die Strukturierung piezoelektrischer Dünnfilme in der MEMS-Bauteilfertigung eine maßgebende Rolle. Die Strukturierung von AlN-Dünnfilmen wird in dieser Arbeit anhand von nasschemischen Ätzversuchen analysiert und ein polaritätsabhängiges Ätzverhalten der AlN-Dünnfilme nachgewiesen. Basierend auf den Erkenntnissen zur Untersuchung von CrxAl1-xN-Dünnfilmen wird abschließend die Herstellung und Funktionsweise eines resonant betriebenen MEMS-Sensors zur Detektion von magnetischen Gleichfeldern mit einem aufgebrachten AlN/Nickel-Zweischichtsystem erfolgreich demonstriert.

The integration of silicon MEMS (micro electro-mechanical system) sensors and actuators into a manifold of technical systems, such as automobiles, household applications ("white goods"), smart phones and video cameras, as well as in industrial and medical applications, is becoming increasingly important since they offer both a high degree of miniaturization and a continuous improvement in their performance. One promising material, which has found applicability in many novel low power MEMS devices is aluminum nitride (AlN). This is primarily due to its piezoelectric properties and its compatibility with CMOS technology. One recently presented approach to increase the moderate piezoelectric coefficients of AlN thin films is by doping with transition metals. Amongst other benefits, the doping provides an increase in the signal-to-noise ratio of piezoelectric MEMS sensors. Furthermore, AlN films doped with transition materials such as chromium (Cr) show the potential to offer additional ferromagnetic properties. The combination of piezoelectric and ferromagnetic properties would allow to significantly extend the application range of piezoelectric MEMS devices with magnetic field sensors without the need to apply non-CMOS compatible materials such as iron or nickel. In order to establish Cr doped AlN thin films in MEMS sensors and actuators as a new material system, this thesis investigates the fabrication and the crystallographic, piezoelectric and magnetic properties of polycrystalline CrxAl1-xN thin films. For this purpose, CrxAl1-xN thin films in the concentration range from x = 0 at% to x = (8.5 ± 0.5) at% are deposited using a DC magnetron sputtering process employing Cr alloyed Al targets while varying process parameters. This allows to obtain optimized deposition parameters for the realization of highly c-axis oriented CrxAl1-xN thin films on nominally unheated Si substrates. This work also demonstrates that the crystalline quality and c-axis orientation of the thin films strongly depend on the process pressure and on the Ar/N2 ratio during deposition. Investigations of the piezoelectric coefficients show moderate d33 values up to d33 = ~4.5 pC/N at Cr concentrations up to x ≤ 5 at%. It is also of particular interest that the CrxAl1-xN samples exhibit paramagnetic behavior in a magnetic DC field and in a temperature range of T =10 K up to T = 300 K. However, at room temperature this behavior is completely superimposed by the diamagnetic nature of the Si substrate. After the deposition process, selected CrxAl1-xN thin films are exposed to high temperature annealing treatments up to 1000°C in order to evaluate their thermal stability. Despite the use of a vacuum or inert gas atmosphere, an evaluation of the microstructure reveals surface-near oxidation, which leads to a significant increase in the compressive stress in the layers.In addition to the realization of piezoelectric thin films with high piezoelectric constants, the patterning of piezoelectric thin films plays a decisive role in MEMS fabrication. By applying wet chemical etching with a phosphorous based acid, the patterning behavior of AlN thin films is analyzed in this thesis, revealing a polarity depending etching characteristics of the AlN thin films. Based on these findings of CrxAl1-xN thin films, the fabrication and the basic operation principle of resonantly operated MEMS sensors for the detection of magnetic DC fields with an integrated AlN / nickel bi-layer is successfully demonstrated.