AlN薄膜はウルツ鉱構造を有する圧電材料として、その優れた性能から注目を集めています。 ただし、Pb (ZrxTi1-x) O3 (チタン酸ジルコン酸鉛、PZT) などの他の圧電材料と比較すると、純粋な AlN 薄膜は圧電応答が劣ります。 AlN に別の元素をドープすることは、AlN の圧電弾性率を高める効果的な方法と考えられています。 最も成功した方法はスカンジウム (Sc) ドーピングで、圧電係数 d33 を純粋な AlN の 5 倍にまで高めることができます。 ウルツ鉱スカンジウムドープ窒化アルミニウム (ScAlN) をベースにした新たなデバイスは、RF マイクロ電気機械システム (MEMS) アプリケーションにおける ScAlN の大きな可能性を示しています。

PAM-XIAMEN は、サファイアおよびシリコン基板上に成長させた ScAlN 薄膜を供給できます。詳細な仕様については、を参照してください。https://www.powerwaywafer.com/alscn-template.html.

一般に、薄膜の温度安定性はデバイスの温度安定性を決定し、これは MEMS デバイスにとって重要です。 圧電応答を強化するために Sc ドーピングを使用すると、ScxAl1 − xN 膜の温度特性にも不確実性が生じます。 多くの研究は、AlN および ScxAl1-xN 薄膜に対する温度の影響に焦点を当てていますが、AlN および ScxAl1-xN 薄膜の特性に対する高温アニーリングの影響に関する体系的な研究はほとんどありません。 したがって、AlN および ScxAl1 − xN 薄膜の特性に対する高温アニールの影響を研究する必要があります。

研究により、ScxAl1-xN 薄膜は 900 ℃以下の真空または空気環境で安定性を維持できる一方、AlN 薄膜は 1300℃の真空環境でも安定性を維持できることが示されています。 Sc 含有量が増加すると、ScxAl1-xN の安定性が低下します。 Sc 元素を添加すると、AlN の d33 を 5 倍に増加させることができます。 AlNは1150℃でも圧電性を維持できます。 RTA は、c 軸配向に沿った AlN の結晶化を促進できます。 1200℃でアニールすると、AlNの応力緩和と表面平滑性が促進されます。 AlN、Sc0.125Al0.875N、および Sc0.2Al0.8N 薄膜の熱伝導率は -173.15°C ～ 176.85°C でテストされ、3 つの材料の熱伝導率は 26.85°C 未満で正の温度傾向を示しました。 高温アニールにより、絶縁構造 AlN の赤外線伝播損失を大幅に低減できます。 Mo 電極上に堆積した Sc0.07Al0.93N の結合係数は、500°C で 15 分間のその場アニーリングによって 6.5% から 8.5% に増加できます。

純粋なAlターゲットとAl SC合金ターゲットを使用し、200℃でSPTS Sigma fxPパルスDC電源を使用して、厚さ1umのScxAl1-xN（x=0、0.09、0.20）薄膜を8インチ（100）Si基板上に堆積しました。 。 ５ｋＷのスパッタリング電力、１６５Ｗのバイアス電力、それぞれ２０／１００、２０／１００、および２４／１２０ｓｃｃｍのＡｒ／Ｎ２比を使用して、８インチのウェハを１×１ｃｍ２のサンプルに切断した。 アニール時間は1時間、300℃から徐々に温度を上げていきます。

1. SEM および AFM の結果AlN、Sc 0.09 Al 0.91 N、Sc 0.20 Al 0.80 NFイルム

図1に示すように、AlN、Sc0.09Al0.91N、Sc0.20Al0.80N薄膜のRMS粗さはそれぞれ1.7nm、1.5nm、9.7nmです。 900℃および1100℃で1時間真空アニールした後、3つの膜の粒子形状、サイズ、および表面粗さは大きな変化を示さなかった。 1300℃で1時間真空アニールした後、3つの膜すべてにクラックが発生しました。

図 1 堆積したままの ScxAl1-x 薄膜の表面 SEM および AFM 画像 (a) AlN (b)Sc0.09Al0.81N。 (c) Sc0.20Al0.80N

図2 真空中で900℃および1100℃でアニールした圧電ScxAl1-x薄膜のSEMおよびAFM画像 (a)AlN (b)Sc0.09Al0.81N。 (c) Sc0.20Al0.80N

​図3 空気中で700℃および900℃でアニールした圧電ScxAl1-x薄膜のSEMおよびAFM画像：（a）AlN、（b）Sc0.09Al0.81N。 (c) Sc0.20Al0.80N

2. XRD結果AlN、Sc 0.09 Al 0.91 N、Sc 0.20 Al 0.80 N 薄いFイルム

真空アニール温度が上昇すると、Sc0.09Al0.91NとSc0.20Al0.80Nの(002)回折ピークは、特に900℃に達した後に変化しますが、AlNは顕著な変化を示しません。 アニーリング温度が上昇すると、3 つの膜の FWHM が増加し、膜の結晶品質が低下していることを示します。 表面粗さはアニーリング温度の増加とともに増加し、Sc 含有量の増加とともにますます不安定になります。 ピークシフトは主に高温によって引き起こされ、酸素の影響は比較的小さいです。

図 4 真空中でさまざまな温度でアニールした ScxAl1-xN 薄膜の XRD パターン：（a）AlN、（b）Sc0.09Al0.81N。 (c) Sc0.20Al0.80N。 温度の関数としてのこれら 3 つのフィルムの (0002) ピークの FWHM 値 (d) と酸素含有率 (e)

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図 5 空気中でさまざまな温度でアニールした ScxAl1-xN 薄膜の XRD パターン：（a）AlN、（b）Sc0.09Al0.81N。 (c) Sc0.20Al0.80N。 温度の関数としてのこれら 3 つのフィルムの (0002) ピークの FWHM 値 (d) と酸素含有率 (e)

​3。硬度と弾性率に対する温度の影響AlN、Sc0.09Al0.91N、Sc0.20Al0.80N

図6 真空高温アニールはAlNとAlScNの硬度と弾性率にほとんど影響を与えませんが、比較するとAlNの方が安定性が優れています。

図7 900℃を超える温度で空気中でアニールすると、酸素含有量の大幅な増加により、3つのフィルムの硬度と弾性率が大幅に低下します。

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