ESTUDIO DE PELÍCULAS DELGADAS DE AlN SOBRE Si MEDIANTE SPUTTERING REACTIVO CON MAGNETRÓN

Javier García Molleja1*, Juan M. Bürgi1, Aldo F. Craievich2, M. Abdou Djouadi3, P.-Y. Jouan4, Jorge N. Feugeas1

1 Instituto de Física Rosario (CONICET-Universidad Nacional de Rosario), Bvrd. 27 de Febrero 210 Bis (S2000EZP) Rosario, Argentina 1 Instituto de Física Rosario (CONICET-Universidad Nacional de Rosario), Bvrd. 27 de Febrero 210 Bis (S2000EZP) Rosario, Argentina 2 Instituto de Física/USP, Cidade Universitaria, Rua do MataoTravessa R, 187 (CEP05508-900) São Paulo, Brasil

3 Institut des Matériaux Jean Rouxel IMN UMR 6502, Université de Nantes, 2 rue de La Houssinière BP 32229 (44322) Nantes CEDEX, Francia4 IUT de Valenciennes, Département Mesures Physiques, UVHC, Z. I. du Champ de l’Abbesse (59600) Maubeuge, Francia

* (e-mail: garciamolleja@ifir-conicet.gov.ar)

INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓNLa ciencia actual está prestando atención a materiales de magnitud nanométrica, debido a nuevas propiedades que no existen en tamaños mayores. Esto puede ser debido a efectos de confinamiento cuántico, al crecimiento epitaxial de pocas monocapas o a efectos de correlación y periodicidad. Existe una aplicación inmediata industrial en el campo de la fabricación de resonadores, diodos LED, piezoeléctricos, recubrimientos de alta dureza y dispositivos con memoria de forma, junto a otros campos. Debido a la facilidad y economía de fabricar películas delgadas mediante plasma, la industria e ingeniería están apostando a esta técnica, en especial mediante el uso de un magnetrón en la variante de de forma, junto a otros campos. Debido a la facilidad y economía de fabricar películas delgadas mediante plasma, la industria e ingeniería están apostando a esta técnica, en especial mediante el uso de un magnetrón en la variante de sputtering reactivo. La ausencia de contaminantes es otra de las ventajas a considerar para proteger el medio ambiente.

Es importante dentro de este campo la naturaleza del compuesto a usar. El nitruro de aluminio (AlN) es un cerámico de grandes prestaciones, ya que posee alta dureza, una muy alta velocidad del sonido, un buen coeficiente de acoplamiento electromecánico, estabilidad térmica, efectos de piezoelectricidad y el mayor salto de banda electrónico en los semiconductores III-V. Además, en ciertas condiciones y un espesor nanométrico posee una fase metaestable cúbica de altísima dureza.cúbica de altísima dureza.

Nuestro experimento se acerca a comprender la formación y la estructura interna de capas de AlN depositadas sobre silicio bajo dos atmósferas diferentes de argón y nitrógeno. Para cada mezcla de gases depositamos a presiones diferentes para conocer su influencia. Recurriendo al uso de AFM y GIXRD determinamos la topografía y el crecimiento preferencial y al usar luz sincrotrón haremos un análisis de deformaciones según la profundidad.

EXPERIMENTO

OBJETIVOSOBJETIVOSSe crean películas delgadas mediante la descarga de un magnetrón bajo una atmósfera de muy baja presión que consta de una mezcla de nitrógeno y argón. El magnetrón posee un blanco de Al de alta pureza. Su campo magnético provoca el confinamiento de electrones libres, que ionizan a las partículas neutras. Esto conlleva por tanto la atracción provoca el confinamiento de electrones libres, que ionizan a las partículas neutras. Esto conlleva por tanto la atracción de los iones positivos hacia el blanco (refrigerado por agua). La colisión con el blanco eyectará átomos de aluminio (proceso denominado sputtering) que se dirigirán hacia el sustrato a potencial flotante. Durante el proceso el Al se combinará con el N para dar nitruro de aluminio [1]. Dependiendo de los porcentajes de gas usados y la presión de trabajo la orientación preferencial de las películas será alterada [2].

La imagen obtenida por AFM de la figura 3 representa una raíz cuadrática media de la rugosidad de 7,81 nm con una altura promedio de 26,70 nm. La altura máxima es 68,38 nm. Poca

Descubierta la dependencia de la orientación con las condiciones experimentales se realiza un estudio sobre la superficie y el análisis de deformaciones [3] de la red en función de la profundidad (para comprobar si el sustrato induce algún tipo de epitaxia sobre la deposición). Se realiza la hipótesis por la cual la capa está compuesta por cuatro láminas

promedio de 26,70 nm. La altura máxima es 68,38 nm. Poca rugosidad es apta para los acabados lisos en la industria microelectrónica. Hay que destacar que se aprecian que los granos están arracimados, debido a la ausencia de polarización eléctrica del sustrato. Por último, se indica que a alta resolución y zonas de algún tipo de epitaxia sobre la deposición). Se realiza la hipótesis por la cual la capa está compuesta por cuatro láminas

de igual espesor que poseen un espaciado interplanar y tamaño de granos diferentes entre sí, que representan los distintos grados de deformación, pudiendo por consiguiente dilucidar su desarrollo en función de la epitaxia supuesta.

MÉTODOS

del sustrato. Por último, se indica que a alta resolución y zonas de barrido más pequeñas se localizan cúmulos que pueden achacarse a la propia estructura cristalina del nitruro de aluminio [5].

Figura 3. Imagen obtenida mediante AFM de la superficie de la muestra fabricada con 25% de N2 y 3 mTorr de presión,

MÉTODOSLa deposición de las películas delgadas se realiza mediante la técnica de sputtering por magnetrón (PAPVD) en un reactor de plasma de 94 litros de volumen, tras conseguir un vacío base de 1,4·10-6 Torr usando una bomba difusora de aceite respaldada por una rotatoria y purgar la cámara con Ar. Se realiza una limpieza del blanco durante 15 minutos con un plasma de H2 y Ar a 4,0·10-2 Torr, en el que se emplean flujímetros diferentes. Una vez limpio el blanco se logran la muestra fabricada con 25% de N2 y 3 mTorr de presión,

donde el pico más relevante es (10-10).

con un plasma de H2 y Ar a 4,0·10 Torr, en el que se emplean flujímetros diferentes. Una vez limpio el blanco se logran las condiciones de trabajo manteniendo un pre-sputtering de 20 minutos (un obturador impide la deposición sobre el sustrato de Si (111) monocristalino previamente limpiado). La atmósfera de trabajo será de 3, 5 y 7 mTorr de 25% de N2y 75% de Ar, y viceversa, durante 30 minutos (recurriendo a un medidor Pirani y otro de Bayard-Alpert). Se aplica al blanco de 8 cm2 una densidad de potencia DC de 7,0 W/cm2, 280-320 V de tensión, a 3 cm del sustrato y normal a él.

La caracterización de las muestras se llevó a cabo mediante varias técnicas:

•Espesor: Elipsometría Óptica con dispositivo de nulo y láser de 630 nm de longitud de onda (Rudolph Instruments, modelo 431A31WL633). Los grosores estimados se sitúan en torno a los 200 nm.

•Estructura cristalina: Difracción de Rayos X con Incidencia Rasante (GIXRD) mediante radiación de sincrotrón de 8 keVen la línea D12A/XRD1 (Difração de raios X) del Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) de Campinas (São Paulo, Brasil).

•Topografía: Microscopía de Fuerza Atómica (AFM) en modo tapping con punta de nitruro de silicio (NanoTec Electrónica•Topografía: Microscopía de Fuerza Atómica (AFM) en modo tapping con punta de nitruro de silicio (NanoTec ElectrónicaSPM con dispositivo de control Dulcinea y software WSxM).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Figura 4. (Izquierda)- Difractograma de rayos X en incidencia rasante de la muestra creada a 3 mTorr y 25% de N2. Se aprecia el desplazamiento del pico (0002) al variar el ángulo de incidencia. (Derecha)- Cálculo del espaciado de red d en función del ángulo de desplazamiento del pico (0002) al variar el ángulo de incidencia. (Derecha)- Cálculo del espaciado de red dhkl en función del ángulo de incidencia. El análisis se hace para el pico (0002) de la muestra obtenida a 3 mTorr y 75% de N2.

En la figura 4 podemos identificar dos estudios. La parte izquierda de la figura representa la aplicación de la técnica GIXRD sobre el pico más intenso usando incidencias muy rasantes (0,2-1,0º). Se observa un desplazamiento hacia la

Figura 1. Difractogramas de rayos X con incidencia rasante de 1º y barrido de 30 a 70º. Fueron AlN depositado a una concentración de N2de 25%, en el que se observan los picos (10-10) y (11-20). De izquierda a derecha se muestran los picos obtenidos al ir aumentando la

GIXRD sobre el pico más intenso usando incidencias muy rasantes (0,2-1,0º). Se observa un desplazamiento hacia la izquierda de los picos cada vez que se analiza a mayor ángulo de incidencia, lo que da a entender de la presencia de deformaciones en función de la profundidad, estando la superficie, por tanto, relajada. Dicha deformación afectará al espaciado interplanar, en un intento de copiar los valores del Si (111), es decir, se identifica una evidente tendencia hacia un crecimiento epitaxial.de 25%, en el que se observan los picos (10-10) y (11-20). De izquierda a derecha se muestran los picos obtenidos al ir aumentando la

presión de trabajo.

Para el caso de la parte derecha de la figura se realiza un graficado de los espaciados de red (obtenidos mediante los picos desplazados) en función de la incidencia. Se observa un comportamiento exponencial, cuyo límite es 0,2705 nm en este caso. Este límite representa la máxima deformación que impone el sustrato e intenta imitar al espaciado del Si (111), este caso. Este límite representa la máxima deformación que impone el sustrato e intenta imitar al espaciado del Si (111), que es 0,3135 nm.

En la figura 5 se muestra el modelo para el análisis de deformación. A cada ángulo de incidencia el haz se atenuará en mayor o menor medida al atravesar cada una de las

Figura 2. Difractogramas tomados al aplicar la técnica GIXRD a 1º de incidencia y un barrido de 30 a 70º que reflejan la deposición de nitrurode aluminio con un 75% de N2 en la mezcla. Se presentan los difractogramas correspondientes a 3 (izquierda), 5 (centro) y 7 (derecha) mTorr. El pico más prominente es el (0002), seguido del (10-13).

en mayor o menor medida al atravesar cada una de las cuatro capas de 50 nm de espesor. Los cuatro rayos difractados llegarán al detector, luego el pico medido se compone de cuatro distribuciones gaussianas que nos indican el espaciado interplanar y el tamaño de grano de cada capa. De esto se hace obligatorio deconvolucionar la

En las figuras anteriores podemos identificar la texturación de la película de AlN debido a la mezcla de gases utilizada. El proceso con 25% de nitrógeno (figura 1) provoca una fuerte textura en el plano (10-10), mientras que para las creadas usando 75% de nitrógeno (figura 2) es evidente la textura en el plano (0002). Según [2] esto se debe a la cantidad de argón que bombardea la película durante su nucleación: mientras más Ar llegue al sustrato más defectos y dislocaciones tendrá la capa,

Figura 5. Esquema del modelo de deformación del AlN en función de la proximidad al sustrato. Las cuatro capas son de igual espesor, por lo que el detector de rayos X captará la suma de

cada capa. De esto se hace obligatorio deconvolucionar la distribución para conocer los datos estructurales (espaciado y tamaño de grano). La siguiente tabla analiza el pico (0002) de la muestra a 3 mTorr y 25% de nitrógeno al incidir con 0,4º. Se obtiene un tamaño límite de 17,61 nm en la interfase.bombardea la película durante su nucleación: mientras más Ar llegue al sustrato más defectos y dislocaciones tendrá la capa,

provocando la predominancia de la textura (10-10).

En el caso de altas presiones la textura es mucho mejor (reflejada en el aumento de intensidad) para las dos atmósferas empleadas. En principio, esto queda en contra de la literatura general sobre el tema. Sin embargo, [4] advierte que una presión

espesor, por lo que el detector de rayos X captará la suma de cuatro intensidades diferentes.

Se obtiene un tamaño límite de 17,61 nm en la interfase.

Capa Contribución (%) dhkl (nm) t (nm)

1 28,75 0,24827 30,59

2 26,09 0,24866 20,97

CONCLUSIÓN

empleadas. En principio, esto queda en contra de la literatura general sobre el tema. Sin embargo, [4] advierte que una presión demasiado baja conferiría más energía cinética de la adecuada a las partículas que llegan al sustrato de silicio, dificultando el crecimiento ordenado [5]. Es más, debido a la ausencia de polarización eléctrica sobre el Si, la cantidad de partículas que llegan son muy pocas, teniendo por consiguiente efectos negativos en el proceso de deposición.

2 26,09 0,24866 20,97

3 23,68 0,24880 18,35

4 21,48 0,24887 17,90

CONCLUSIÓN

Empleando la configuración experimental descrita se logran depositar capas de nitruro de aluminio con estructura hexagonal würtzítica [1]. Además, empleando en la Agradecimientos

Damos las gracias a la Fundación para el Apoyo de las Ciencias Físicas (ACIFIR) así como a la ANPCyT y Empleando la configuración experimental descrita se logran depositar capas de nitruro de aluminio con estructura hexagonal würtzítica [1]. Además, empleando en la atmósfera una alta concentración de nitrógeno [2] se logra una buena textura en el plano (0002), lo que hace posible la aplicación del AlN para fabricar piezoeléctricos y resonadores. Gracias a AFM descubrimos que la superficie es lo suficientemente lisa como para un uso adecuado en la ingeniería. Por consiguiente, poca presencia de

argón y una presión elevada logran buenos resultados en el punto de vista estructural.

Damos las gracias a la Fundación para el Apoyo de las Ciencias Físicas (ACIFIR) así como a la ANPCyT y al CONICET. Mencionamos también al IFIR, destacando la ayuda de la Dra. Nora Pellegri, de la Dra. Bibiana Riquelme y al equipo del LNLS, en especial al Dr. Guinther Kellerman. Por último, saludamos al Grupo Física del Plasma, con gran estima a Javier M. Cruceño, Horacio Merayo y Daniel Castellani por la ayuda prestada en el mantenimiento del equipo, su presencia durante las mediciones y el diseño de piezas.

El análisis de la estructura de la capa depositada es importante para el uso del AlN en dispositivos SAW, BAW, protectores, microelectrónicos, etc. Usando la radiación de sincrotrón del LNLS se constata una deformación dependiente del espesor de la capa [3]. Quizás por tensiones o esfuerzos residuales el espaciado interplanar y el tamaño de grano varían con la profundidad, ya que el sustrato impone ciertas restricciones durante la nucleación y el crecimiento. Tanto el espaciado como el tamaño

REFERENCIAS[1] Xu X.-H., Wu H.-S., Zhang C.-J., Jin Z.-H.: Morphological properties of AlN piezoelectric thin films by DC reactive magnetron

sputtering; Thin Solid Films 388 (2001) 62-67

[2] Cheng H., Sun Y., Zhang J.X., Zhang Y.B., Yuan S., Hing P.,: AlN films deposited under various nitrogen concentrations by RF reactive sputtering; Journal of Crystal Growth 254 (2003) 46-54tamaño de grano varían con la profundidad, ya que el sustrato impone ciertas restricciones durante la nucleación y el crecimiento. Tanto el espaciado como el tamaño

poseen una tendencia exponencial en la que nuestro modelo indica valores límite al examinar la interfase. El modelo de cuatro capas que contribuyen a la señal medida posee una buena realización a pesar de la poca atenuación del haz incidente al recorrer a aquéllas y por tanto la existencia de contribuciones semejantes de cada una

de las capas mencionadas.

sputtering; Journal of Crystal Growth 254 (2003) 46-54

[3] Martin F., Muralt P., Dubois M.-A., Pezous A.: Thickness dependence of the properties of highly c-axis textured AlN thin films; Journal of Vacuum Science & Technology A, Volume 22, Number 2, Mar/Apr 2004

[4] Ko B.-C., Jun S.-B., Nam C.-W., Lee K.-C.: Properties of AlN thin film deposited by reactive RF magnetron sputter for SAW device application; Proceedings of the 7th Korea-Russia International Symposium KORUS 2003

[5] Kajikawa Y., Noda S., Komiyama H.: Comprehensive perspective on the mechanism of preferred orientation in reactive-sputter-deposited nitrides; Journal Vacuum Science & Technology A, Volume 21, Number 6, Nov/Dec 2003deposited nitrides; Journal Vacuum Science & Technology A, Volume 21, Number 6, Nov/Dec 2003