La película delgada de AlN, como material piezoeléctrico con estructura de wurtzita, ha atraído mucha atención debido a su excelente rendimiento. Sin embargo, en comparación con otros materiales piezoeléctricos como Pb (ZrxTi1-x) O3 (titanato de circonato de plomo, PZT), las películas delgadas de AlN puro exhiben una respuesta piezoeléctrica más pobre. Dopar otro elemento en AlN se considera un método eficaz para aumentar el módulo piezoeléctrico de AlN. El método más exitoso es el dopaje con escandio (Sc), que puede incluso aumentar el coeficiente piezoeléctrico d33 hasta cinco veces el del AlN puro. El dispositivo emergente basado en nitruro de aluminio dopado con escandio y wurtzita (ScAlN) demuestra el enorme potencial de ScAlN en aplicaciones de sistemas microelectromecánicos de RF (MEMS).

PAM-XIAMEN puede suministrar una película delgada ScAlN cultivada sobre sustrato de zafiro y silicio; para obtener más especificaciones, consultehttps://www.powerwaywafer.com/alscn-template.html.

En términos generales, la estabilidad de la temperatura de las películas delgadas determina la estabilidad de la temperatura de los dispositivos, lo cual es crucial para los dispositivos MEMS. El uso de dopaje Sc para mejorar la respuesta piezoeléctrica también introducirá incertidumbre en las características de temperatura de las películas ScxAl1 - xN. Muchos estudios se han centrado en el efecto de la temperatura en las películas delgadas de AlN y ScxAl1-xN, mientras que hay poca investigación sistemática sobre el efecto del recocido a alta temperatura en las propiedades de las películas delgadas de AlN y ScxAl1-xN. Por lo tanto, es necesario estudiar el efecto del recocido a alta temperatura sobre las propiedades de las películas delgadas de AlN y ScxAl1 − xN.

Las investigaciones han demostrado que las películas delgadas de ScxAl1-xN pueden permanecer estables en ambientes de vacío o aire por debajo de 900 ℃, mientras que las películas delgadas de AlN pueden permanecer estables en ambientes de vacío a 1300 ℃. A medida que aumenta el contenido de Sc, la estabilidad de ScxAl1-xN disminuirá. Agregar el elemento Sc puede aumentar cinco veces el d33 de AlN. AlN también puede mantener la piezoelectricidad a 1150 ℃. RTA puede promover la cristalización de AlN a lo largo de la orientación del eje c. El recocido a 1200 ℃ puede promover la relajación de la tensión del AlN y la suavidad de la superficie. La conductividad térmica de las películas delgadas de AlN, Sc0.125Al0.875N y Sc0.2Al0.8N se probó entre -173,15 ◦C y 176,85 ◦C, y la conductividad térmica de los tres materiales mostró una tendencia de temperatura positiva por debajo de 26,85 ◦C. El recocido a alta temperatura puede reducir significativamente la pérdida de propagación infrarroja de la estructura de aislamiento AlN. El factor de acoplamiento de Sc0.07Al0.93N depositado en el electrodo de Mo se puede aumentar del 6,5% al ​​8,5% mediante recocido in situ a 500 ◦ C durante 15 minutos.

Se depositó una película delgada de ScxAl1-xN (x = 0, 0,09, 0,20) de 1 um de espesor sobre un sustrato de Si de 8 pulgadas (100) utilizando una fuente de alimentación de CC pulsada SPTS Sigma fxP a 200 ℃, utilizando objetivos de Al puro y objetivos de aleación de Al SC. . Se utilizó una potencia de pulverización de 5 kW, una potencia de polarización de 165 W y relaciones Ar/N2 de 20/100, 20/100 y 24/120 sccm, respectivamente, para cortar obleas de 8 pulgadas en muestras de 1 x 1 cm2. El tiempo de recocido es de 1 hora y la temperatura aumenta gradualmente desde 300 ℃.

1. Resultados SEM y AFM deAlN, Sc 0,09 Al 0,91 N, Sc 0,20 Al 0,80 NFpelículas

La rugosidad RMS de las películas delgadas de AlN, Sc0.09Al0.91N, Sc0.20Al0.80N es de 1,7 nm, 1,5 nm y 9,7 nm, respectivamente, como se muestra en la figura 1. Después del recocido al vacío a 900 ℃ y 1100 ℃ durante 1 hora, la forma del grano, el tamaño y la rugosidad de la superficie de las tres películas no mostraron cambios significativos. Después del recocido al vacío a 1300 ℃ durante 1 hora, aparecieron grietas en las tres películas.

Fig. 1 Imágenes de superficie SEM y AFM de películas delgadas de depósito ScxAl1-x (a) AlN (b) Sc0.09Al0.81N; (c) Sc0.20Al0.80N

Fig. 2 Imágenes SEM y AFM de películas delgadas piezoeléctricas ScxAl1-x recocidas al vacío a 900 ℃ y 1100 ℃ (a) AlN (b) Sc0.09Al0.81N; (c) Sc0.20Al0.80N

​Fig.3 Imágenes SEM y AFM de películas delgadas piezoeléctricas ScxAl1-x recocidas en aire a 700 ℃ y 900 ℃: (a) AlN (b) Sc0.09Al0.81N; (c) Sc0.20Al0.80N

2. Resultados XRD deAlN, Sc 0,09 Al 0,91 N, Sc 0,20 Al 0,80 N DelgadoFpelículas

A medida que aumenta la temperatura de recocido al vacío, los picos de difracción (002) de Sc0.09Al0.91N y Sc0.20Al0.80N cambian, especialmente después de alcanzar los 900 ℃, mientras que AlN no muestra cambios significativos. A medida que aumenta la temperatura de recocido, aumenta el FWHM de las tres películas, lo que indica un deterioro en la calidad cristalina de las películas. La rugosidad de la superficie aumenta con el aumento de la temperatura de recocido y se vuelve cada vez más inestable con el aumento del contenido de Sc. El cambio máximo se debe principalmente a las altas temperaturas y el efecto del oxígeno es relativamente pequeño.

Fig. 4 Patrones de XRD de películas delgadas ScxAl1-xN recocidas al vacío a varias temperaturas: (a) AlN (b) Sc0.09Al0.81N; (c) Sc0,20Al0,80N; Valores FWHM del pico (0002) (d) y porcentaje de contenido de oxígeno (e) de estas tres películas en función de las temperaturas.

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Fig. 5 Patrones de XRD de películas delgadas ScxAl1-xN recocidas en aire a varias temperaturas: (a) AlN (b)Sc0.09Al0.81N; (c) Sc0,20Al0,80N; Valores FWHM del pico (0002) (d) y porcentaje de contenido de oxígeno (e) de estas tres películas en función de las temperaturas.

​3.Efecto de la temperatura sobre la dureza y el módulo deAlN, Sc0.09Al0.91N, Sc0.20Al0.80N

Fig. 6 El recocido al vacío a alta temperatura tiene poco efecto sobre la dureza y el módulo de AlN y AlScN, pero en comparación, AlN tiene mejor estabilidad.

Fig. 7 Cuando se recocen al aire a temperaturas superiores a 900 ℃, la dureza y el módulo de las tres películas disminuyen significativamente debido al aumento significativo en el contenido de oxígeno.

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