Wpływ zawartości Sc, zawartości tlenu i temperatury osadzania na ScAlN
Rozpylanie RF pojedynczego celu, 200 stopni, ciśnienie dolne 1,0*10-4 Pa, rozmiar celu 152,4 mm, Sc zatopiony w celu Al, moc rozpylania 1500 W, stężenie N2 40%
Podwójne rozpylanie współbieżne RF, 400 stopni, ciśnienie dolne 1,2 * 10-6 Pa, rozmiar tarczy 50,8 mm
W przypadku rezonatorów BAW najpierw na powierzchni podłoża osadza się Cu o grubości {{0}}.5um, który następnie tworzy warstwę ofiarną dla szczeliny powietrznej. Warstwa piezoelektryczna o grubości 0.9um, górne i dolne warstwy elektrod Pt/Au/Pt o grubości 0.15um oraz 0,1um PECVD SiN znajdują się na górnej i dolnej stronie struktury warstwowej jako warstwy ochronne.
Aby przetestować współczynnik piezoelektryczny, na podłożu krzemowym o rezystywności 0.01 ohm∙ cm osadza się bezpośrednio warstwę piezoelektryczną, a następnie górną elektrodę Ti.
d33 mierzono za pomocą PM300 Piezotest, natomiast d31 uzyskano za pomocą metody gięcia płytek, w której pole AC przyłożone do folii w kierunku z wywołuje naprężenia w płaszczyźnie xy, zmieniając w ten sposób kształt podłoża. Odkształcenie podłoża mierzono za pomocą wibrometru laserowego Dopplera.
Współczynnik rozproszenia S11 jest mierzony przez analizator sieciowy i stację detekcyjną ze stopniem grzewczym. Współczynniki rozproszenia mierzono przy 23, 50 i 85 stopniach, a częstotliwość antyrezonansowa i współczynnik temperaturowy sztywności sprężystej zostały obliczone. Właściwości piezoelektryczne wyodrębnione z danych pomiarowych rezonatora BAW są analizowane przy użyciu modelu obwodu równoważnego Mersenne'a (linia transmisyjna).
Maksymalna wartość d33 wynosi 28 pC/N dla Sc0.4Al0.6N, a maksymalna wartość -d31 wynosi 13 pm/V dla Sc0.4Al0.6N
Względna szerokość pasma wynosi 2(fp-fs)/(fp+fs)(%)
Współczynnik sprzężenia elektromechanicznego k2=π2/4(fs/fp)(fp-fs)/fp (%)
W porównaniu z AlN, współczynnik sprzężenia elektromechanicznego Sc{{0}}.35Al0.65N jest zwiększony 2,6 razy, osiągając 15,5%. Niższa częstotliwość rezonansowa oznacza, że jego sztywność sprężysta jest mniejsza. Względna szerokość pasma Sc0.35Al0.65N wzrasta, ale współczynnik temperaturowy częstotliwości antyrezonansowej wzrasta.
Prędkość dźwięku wzdłużna VL=(c33/ρ)1/2
W porównaniu z AlN, Sc{{0}}.35Al0.65N ma większy współczynnik piezoelektryczny d33 i współczynnik temperaturowy sztywności sprężystej oraz mniejszą prędkość dźwięku wzdłużną. Jednak w porównaniu z ZnO, Sc0.35Al0.65N ma większy współczynnik piezoelektryczny d33 i prędkość dźwięku wzdłużną oraz mniejszy współczynnik temperaturowy sztywności sprężystej.
Wraz ze wzrostem zawartości Sc, a wzrasta, c/a maleje, a prędkość dźwięku w kierunku podłużnym maleje.
Cienkie warstwy ScxAl{{0}}xN (x =0, 0.1, 0.2, 0.3) zostały osadzone przez współrozpylanie prądem stałym na płytce Al2O3 (0001)/warstwie zarodkowej TiN (111)/warstwie elektrody. Ciśnienie dolne wynosi 6*10-7Pa, ciśnienie procesu wynosi 0,17Pa, 30 SCCM Ar i 19,8 SCCM N2, a średnica tarczy wynosi 5 cm. Grubość warstwy zarodkowej TiN wynosiła 100–200 nm, całkowita moc rozpylania wynosiła 150 W, a temperatury podłoża wynosiły 400, 600 i 800 stopni. Struktura testu IV to Au/Cr/ScxAl1-xN/TiN/Al2O3, a do badania właściwości piezoelektrycznych zastosowano interferometrię dwuwiązkową (DBI) i mikroskopię sił piezoelektrycznych (PFM).
Niedopasowanie sieciowe między TiN (d(101)= 3.00 A˚) i AlN (a=3.11 A˚) wynosi 3,67%, a a Sc0.2Al0.8N wynosi 3,23 A. Większe niedopasowanie sieciowe powoduje gorszą jakość kryształu. Niedopasowanie sieciowe między ZrN (d(101)= 3.27 A˚ ) i Sc0.2Al0.8N wynosi 1,2%. Jednak jakość kryształu Sc0.2Al0.8N wyhodowanego na ZrN nie uległa poprawie, co może być związane z chropowatością powierzchni i atomami. Związane z ruchliwością na warstwie zarodkowej.
Prąd upływu AlN jest niezwykle mały i nie zmienia się wraz z temperaturą osadzania. Prąd upływu ScAlN hodowanego w temperaturze 400 stopni jest również bardzo niski. Prąd upływu warstw osadzonych powyżej 400 stopni wzrasta wraz ze wzrostem temperatury osadzania i zawartości Sc. Degradacja strukturalna i separacja faz spowodowana wysokimi temperaturami podłoża wpływają na jakość kryształu i właściwości dielektryczne cienkich warstw.
Proces rozpylania
Wraz ze wzrostem zawartości tlenu orientacja AlN pogarsza się, zwiększa się szerokość połówkowa, zmniejsza się szybkość wzrostu, a właściwości piezoelektryczne ulegają zmianie, co może prowadzić do zmian kierunku polaryzacji. Zawartość tlenu w filmie również dramatycznie wzrasta.
Wysokiej jakości cel rozpylania skandu i AlSc to kluczowe materiały do przygotowywania cienkich warstw ScAlN. HNRE pomyślnie opracował zaawansowaną technologię do produkcji celu rozpylania skandu o niskiej zawartości tlenu i wysokiej czystości oraz celu rozpylania skandu aluminiowego. Wśród naszych celów rozpylania AlSc zawartość Sc może wynosić do 40at% przy bardzo jednorodnym rozkładzie i orientacji ziarna. HNRE dostarcza również inne formy materiałów prekursorowych ScAlN, takie jak proszki ScN i AlScN lub inne związki Sc.