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DE102013213935B4 - Verfahren zum Abscheiden einer piezoelektrischen AlN-haltigen Schicht - Google Patents

Verfahren zum Abscheiden einer piezoelektrischen AlN-haltigen Schicht Download PDF

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DE102013213935B4
DE102013213935B4 DE102013213935.7A DE102013213935A DE102013213935B4 DE 102013213935 B4 DE102013213935 B4 DE 102013213935B4 DE 102013213935 A DE102013213935 A DE 102013213935A DE 102013213935 B4 DE102013213935 B4 DE 102013213935B4
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Daniel Glöß
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Stephan Barth
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Technische Universitaet Dresden
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Technische Universitaet Dresden
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Abstract

Verfahren zum Abscheiden einer piezoelektrischen AlN-haltigen Schicht auf einem Substrat (2) mittels Magnetron-Sputterns mindestens zweier Targets (4; 5), von denen mindestens ein Target (4; 5) Aluminium umfasst, innerhalb einer Vakuumkammer (1), wobei ein Gasgemisch in die Vakuumkammer (1) eingelassen wird, welches mindestens das Reaktivgas Stickstoff und ein Inertgas umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass während des Magnetron-Sputterns abwechselnd der unipolare Pulsmodus und der bipolare Pulsmodus verwendet werden, wobei der Wechsel zwischen dem unipolaren Pulsmodus und dem bipolaren Pulsmodus mit einer Frequenz im Bereich von 50 Hz bis 10 kHz durchgeführt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden einer piezoelektrischen AlN-Schicht auf einem Substrat mittels Magnetron-Sputtern.
  • Stand der Technik
  • Beim Herstellen von Sensoren erlangen Materialien eine zunehmende Bedeutung, bei denen der Piezoeffekt angewendet werden kann. Das heißt, diese Materialien verformen sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung. Ein wichtiger Materialparameter für den Piezoeffekt ist die piezoelektrische Ladungskonstante d. Sie beschreibt den funktionalen Zusammenhang zwischen der angelegten elektrischen Feldstärke und der damit erzeugten Dehnung eines piezoelektrisch wirkenden Materials. So beschreibt beispielsweise die piezoelektrische Ladungskonstante d33 das Dehnen oder Stauchen des piezoelektrischen Materials parallel zum angelegten elektrischen Feld.
  • Aluminiumnitrid-(AlN-)haltige Schichten sind für piezoelektrische Eigenschaften bekannt. US 2013/0 049 545 A1 offenbart einen Akustikresonator, der eine solche AlN-haltige piezoelektrische Schicht umfasst, bei der zusätzlich auch noch das chemische Element Sauerstoff in der Schicht eingelagert ist. Zum Abscheiden derartiger AlN-haltiger Schichten sind jedoch nur wenige Prozesse mit bestimmten Prozessparametern, die nur einen geringen Toleranzbereich zulassen, geeignet, um gute piezoelektrische Eigenschaften zu erzielen. Soll eine AlN-Schicht mit der piezoelektrischen Ladungskonstante d33 größer Null abgeschieden werden, ist während des Kristallwachstums der AlN-Schicht eine spezielle Kristallorientierung der AlN-Kristalle, die so genannte c-Achsen-Orientierung, erforderlich.
  • Es ist bekannt, dass piezoelektrisch wirksame AlN-haltige Schichten mittels Magnetron-Sputtern abgeschieden werden können. In [J. X. Zhang, Y. Z. Chen, H. Cheng, A. Uddin, Shu Yuan, K. Pita, T. G. Andersson, Interface study of AlN grown on Si substrates by radiofrequency magnetron reactive sputtering, Thin Solid Films 471 (2005) 336–341] wird vorgeschlagen, AlN-Schichten mit c-Achsen-Orientierung mittels reaktiven RF-Sputterns abzuscheiden. Nachteilig wirkt sich beim RF-Sputtern aus, dass lediglich geringe Abscheideraten von etwa 10 nm/min beim Abscheiden von piezoelektrischen AlN-Schichten erzielbar sind.
  • In US 2009/0 246 385 A1 wird aufgezeigt, dass piezoelektrische AlN-Schichten neben reaktivem RF-Sputtern auch mittels reaktiven Puls-Magnetron-Sputterns (20 kHz bis 200 kHz) abscheidbar sind. Sputter-Verfahren mit einer DC-Energieeinspeisung weisen erhebliche Defizite bezüglich der Prozessstabilität aufgrund parasitärer Bogenentladungen auf.
  • Es ist ebenfalls bekannt, piezoelektrische AlN-Schichten mittels Co-Sputtern abzuscheiden, indem zwei Targets gleichzeitig zerstäubt werden, wobei ein Target aus Al und das andere Target aus einer ScN-Mischung besteht, wie es beispielsweise in US 2013/0 127 300 A1 offenbart ist.
  • Wenn mit den zuvor beschriebenen Verfahren prinzipiell einige Möglichkeiten zum Abscheiden von piezoelektrischen AlN-Schichten aufgezeigt wurden, so sind diese dennoch dahingehend beschränkt, dass auch bei diesen Verfahren mit zunehmender Schichtdicke mechanische Spannungen innerhalb der abgeschiedenen Schichten auftreten, die zur Schädigung der Schicht führen können. So wird in [Valery V. Felmetsger, Pavel N. Laptev, Roger J. Graham, Deposition of ultrathin AlN films for high frequency electroacoustic devices, Journal of Vacuum Sciences & Technology, A Vacuum Surfaces and Films, A 29(2), 14 February 2011 offenbart, dass es mittels Puls-Magnetron-Sputtern bei 40 kHz lediglich bis zu einer Schichtdicke von etwa 2 µm gelingt, piezoelektrische AlN-Schichten mit hinreichend geringem mechanischen Stress abzuscheiden.
  • In DE 10 2004 046 390 A1 wird schließlich aufgezeigt, dass photohalbleitende Schichten mittels Puls-Sputtern abgeschieden werden können, wobei unterschiedliche Pulsmodi – wie der unipolare Pulsmodus, der bipolare Pulsmodus oder der Pulspaketmodus – angewendet werden können. In dieser Schrift findet sich jedoch kein Hinweis, ob und in welcher Form diese Pulsmodi auch beim Abscheiden von piezoelektrischen Schichten angewendet werden können.
  • Aufgabenstellung
  • Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mittels dessen die Nachteile aus dem Stand der Technik überwunden werden. Insbesondere soll mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine piezoelektrische AlN-haltige Schicht mit c-Achsen-Orientierung und der piezoelektrischen Ladungskonstante d33 bei einer Abscheiderate oberhalb von 100 nm/(60 s) abscheidbar sein, die auch noch oberhalb einer Schichtdicke von 2 μm eine hinreichend geringe mechanische Schichtspannung mit einem Betrag kleiner 500 MPa aufweist. Des Weiteren soll eine piezoelektrisch wirksame AlN-haltige Schicht geschaffen werden.
  • Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch den Gegenstand mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Aufgrund der Anforderung einer hohen Abscheiderate kommt beim erfindungsgemäßen Verfahren das reaktive Puls-Magnetron-Sputtern zum Einsatz. Es wird somit eine AlN-haltige Schicht auf einem Substrat innerhalb einer Vakuumkammer abgeschieden, indem mindestens zwei Targets in einem Gasgemisch, welches mindestens ein Inertgas und das Gas Stickstoff umfasst, mittels mindestens eines Sputter-Magnetrons zerstäubt werden. Dabei umfasst mindestens eines der beiden Targets das Element Aluminium, d. h. das Target besteht entweder nur aus Aluminium oder weist neben dem Aluminium noch Bestandteile mindestens eines weiteren chemischen Elements auf. Als Inertgas wird vorzugsweise Argon verwendet. Mittels einer gepulsten Energieeinspeisung in das Magnetron im Frequenzbereich von 10 kHz bis 300 kHz wird eine ausreichende Stabilität der Entladung gewährleistet. Die Leistungsdichte beträgt beim erfindungsgemäßen Verfahren mindestens 11 W/cm2. Insbesondere dann, wenn ein Puls-Mischmodus verwendet wird, bei dem der unipolare Pulsmodus einen Anteil von über 50% ausweist, kann auch eine Leistungsdichte von mindestens 18 W/cm2 zur Anwendung kommen. Unter dem Begriff Leistungsdichte ist hierbei die ins Target eingetragene elektrische Leistung pro Targetflächeneinheit zu verstehen. Bei einer Einrichtung mit mehreren Targets bzw. mit mehreren Magnetrons ergibt sich die Leistungsdichte, indem die Gesamtleistung aller Magnetrons durch die Gesamtfläche aller Targets dividiert wird.
  • Die Anforderung einer guten piezoelektrischen Wirksamkeit einer abgeschiedenen AlN-Schicht bei gleichzeitig niedrigen mechanischen Spannungen innerhalb der Schicht erfordert ein sehr ausgewogenes Bombardement der aufwachsenden AlN-Schicht mit energiereichen Teilchen, da ein zu starkes Substratbombardement mit den Teilchen zwar das Ausbilden von Schichten mit deutlicher c-Achsen-Orientierung und damit einem hohen Piezokoeffizienten begünstigt, zum anderen aber auch zum Ausbilden von hohen Druckspannungen innerhalb der Schicht führt. Erfindungsgemäß wird dieses technische Problem gelöst, indem ein Puls-Mischmodus verwendet wird. D. h., während des Abscheidens der AlN-haltigen Schicht wird das Magnetron abwechselnd im unipolaren Pulsmodus und im bipolaren Pulsmodus betrieben. Dabei erfolgt das Wechseln von einem Pulsmodus in den anderen und wieder zurück innerhalb einer Zeitspanne, die kürzer ist als die Zeitspanne, die für das Abscheiden einer einzelnen Atomlage einer AlN-haltigen Schicht benötigt wird.
  • Ausführungsbeispiele
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, die zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. In einer Vakuumkammer 1 soll auf einem Substrat 2 eine piezoelektrisch wirksame AlN-haltige Schicht abgeschieden werden. Der Abscheideprozess wird dabei stationär, also ohne eine Bewegung des Substrates 2, ausgeführt. Dazu werden mittels einer von einem Plasmaschirm 3 umschlossenen Magnetron-Sputtereinrichtung zwei Targets 4 und 5, die aus Aluminium bestehen, zerstäubt. Ebenfalls vom Plasmaschirm 3 umschlossen ist eine Elektrode 6.
  • Es sei angemerkt, dass das erfindungsgemäße Abscheiden einer AlN-haltigen Schicht aber auch dynamisch durchgeführt werden kann, also dann, wenn das zu beschichtende Substrat während des Beschichtens eine Relativbewegung gegenüber der Magnetron-Sputtereinrichtung ausführt.
  • Das Abscheiden der AlN-haltigen Schicht auf dem Substrat 2 erfolgt reaktiv, indem während des Zerstäubens der Targets 4 und 5 durch einen Einlass 7 ein Gasgemisch aus einem Inertgas und dem Reaktivgas Stickstoff in die Vakuumkammer 1 eingelassen wird. Bei einer alternativen Ausführungsform können das Inertgas und das Reaktivgas auch durch separate Einlässe in die Vakuumkammer 1 eingelassen werden. Als Inertgas wurde beim Ausführungsbeispiel Argon verwendet. Es können aber auch beispielsweise Krypton oder Xenon als alternative Inertgase verwendet werden. Bei einer weiteren Ausführungsform wird ein Inertgasgemisch aus mindestens zwei der zuvor genannten Inertgase verwendet.
  • Der reaktive Abscheideprozess wird mittels einer Prozessregelung im sogenannten Übergangsgebiet der reaktiven Entladung durchgeführt. Das bedeutet, dass durch eine dosierte Zufuhr des Reaktivgases gewährleistet wird, dass das Target nur partiell mit einer Verbindungsschicht bedeckt wird. Die Verfahrensschritte zum Durchführen einer solchen Prozessregelung sind bekannt. Aufgrund der hohen Sputterausbeute der metallischen Bereiche des Targets wird dadurch eine hohe Sputter- und Abscheiderate gewährleistet.
  • Die Targets 4 und 5 werden durch Puls-Magnetron-Sputtern zerstäubt, wobei eine Stromversorgungseinrichtung 8 die hierfür erforderlichen elektrischen Pulse bereitstellt. Die Stromversorgungseinrichtung 8 umfasst ein Bauteil 9, welches unipolare Gleichspannungs-Pulse erzeugt; ein Bauteil 10, welches bipolare Pulse erzeugt und ein Bauteil 11, welches als Umschalteinrichtung fungiert und entweder die mittels Bauteil 9 erzeugten unipolaren Pulse oder die mittels Bauteil 10 erzeugten bipolaren Pulse an die Targets 4 und 5 durchschaltet.
  • Im bipolaren Pulsmodus werden die vom Bauteil 10 erzeugten bipolaren Pulse mit wechselnder Polarität zwischen das Target 4 und das Target 5 geschaltet, so dass die beiden Targets 4 und 5 abwechselnd und gegenläufig als Katode bzw. Anode fungieren. Im unipolaren Pulsmodus wirken beide Targets 4 und 5 gleichzeitig als Katode, indem die vom Bauteil 9 erzeugten unipolaren Gleichspannungs-Pulse zwischen die Targets 4 und 5 auf der einen Seite und der als Anode fungierenden Elektrode 6 auf der anderen Seite der Magnetron-Entladung geschaltet werden.
  • Es sei darauf verwiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren nicht an das Vorhandensein genau zweier Targets bzw. zweier Sputter-Magnetrons geknüpft ist. Vielmehr kann das erfindungsgemäße Verfahren auch mit mehr als zwei Magnetrons bzw. Targets durchgeführt werden.
  • Erfindungsgemäß erfolgt während des Zerstäubens der Targets 4 und 5 ein ständiges Hin- und Herschalten zwischen dem unipolaren und dem bipolaren Pulsmodus mittels des Bauteils 11. Dabei wird ein vollständiger Zyklus des Hin- und Herschaltens in einem Zeitraum vollzogen, der kürzer ist als der Zeitraum, der für das Abscheiden einer Atomlage der abzuscheidenden Schicht benötigt wird. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird der Wechsel zwischen dem unipolaren Pulsmodus und dem bipolaren Pulsmodus mit einer Frequenz im Bereich von 50 Hz bis 10 kHz durchgeführt. Im Ausführungsbeispiel wurde der Wechsel vom unipolaren Pulsmodus zum bipolaren Pulsmodus und zurück beispielsweise mit einer Frequenz von 1 kHz betrieben. Der prozentuale Anteil der Phasen, in denen die Targets 4 und 5 im unipolaren Pulsmodus zerstäubt werden, und der prozentuale Anteil der Phasen, in denen die Targets 4 und 5 im bipolaren Pulsmodus zerstäubt werden, müssen beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht identisch sein.
  • Wie zuvor schon beschrieben wurde, stellen insbesondere beim Abscheiden von piezoelektrischen Schichten mechanische Schichtspannungen mit zunehmender Schichtdicke ein technisches Problem dar. Mit zunehmender Schichtdicke weisen derartige Schichten eine Tendenz zum Ausbilden von Zugspannungen aus. Erfindungsgemäß kann dem entgegengewirkt werden, indem beispielsweise das Verhältnis der prozentualen Anteile vom unipolaren Pulsmodus und vom bipolaren Pulsmodus während eines stationären Abscheideprozesses und oder der Druck innerhalb der Vakuumkammer 1 verändert werden. Bei einem Beschichtungsvorgang können die prozentualen Anteile von unipolarem Pulsmodus zu bipolarem Pulsmodus mittels der Stromversorgungseinrichtung 8 entweder auf einen konstanten Wert eingestellt oder während des Beschichtens stetig oder auch sprunghaft verändert werden. Der Druck innerhalb der Vakuumkammer 1 ist mit bekannten Regelprozessen einstellbar und veränderbar. Beim Abscheiden einer 50 μm dicken piezoelektrisch wirksamen AlN-Schicht wurde mit dem zu 1 beschriebenen Versuchsaufbau wie folgt vorgegangen: Der Puls-Mischmodus wurde derart eingestellt, dass der bipolare Pulsmodus während des Beschichtens durchgängig einen Anteil von 90% und der unipolare Pulsmodus demzufolge einen Anteil von 10% ausmachte. Ferner wurde eine Leistungsdichte von 12 W/cm2 eingestellt. Das Innere der Vakuumkammer 1 wies zu Beginn des Beschichtungsvorgangs einen Druck von 0,7 Pa auf. Nachdem die Dicke der auf dem Substrat 2 abgeschiedenen AlN-Schicht 10 μm aufwies, wurde der Druck in der Vakuumkammer 1 auf 0,6 Pa abgesenkt. Ein weiteres Absenken des Druckes in der Vakuumkammer auf 0,5 Pa erfolgte bei einer Schichtdicke von 40 μm. Auf diese Weise konnte eine 50 μm dicke piezoelektrisch wirksame AlN-Schicht mit sehr geringen mechanischen Schichtspannungen abgeschieden werden. Das Absenken des Druckes in der Vakuumkammer 1 mit zunehmendem Schichtwachstum ist somit eine hilfreiche Vorgehensweise, um mechanische Schichtspannungen beim Abscheiden von AlN-haltigen Schichten zu verringern, was auch anhand anderer Beschichtungsbeispiele bestätigt werden konnte. Bezüglich der Substrattemperatur ergibt sich beim erfindungsgemäßen Verfahren eine Bandbreite von 20°C bis 600°C.
  • Bei einem zweiten Beschichtungsvorgang sollte eine 10 μm dicke piezoelektrisch wirksame AlN-Schicht auf einem Substrat 2 abgeschieden werden. Der Abscheideprozess wurde mit einem Druck von 0,7 Pa in der Vakuumkammer und einem Puls-Mischmodus gestartet, bei dem der unipolare Pulsmodus lediglich einen Anteil von 1% aufwies. Während der Schichtabscheidung wurde der Anteil des unipolaren Pulsmodus stetig mittels der Stromversorgungseinrichtung 8 erhöht, bis er schließlich bei der Zielschichtdicke von 10 μm einen Anteil von 80% am Puls-Mischmodus ausmachte. Beim Beginn der Schichtabscheidung wurde eine Leistungsdichte von 11,5 W/cm2 in die Targets 4 und 5 eingespeist. Mit der Erhöhung des Anteils des unipolaren Pulsmodus wurde auch die in die Targets 4 und 5 eingespeiste Leistungsdichte kontinuierlich erhöht bis zu einer finalen Leistungsdichte von 20 W/cm2 beim Erreichen der Zielschichtdicke von 10 μm. Gleichzeitig wurde der Druck innerhalb der Vakuumkammer 1 während des Beschichtens stetig bis auf einen Druckendwert von 0,2 Pa gesenkt. Auch mittels dieser Vorgehensweise konnte eine AlN-Schicht mit guten piezoelektrischen Eigenschaften und geringen mechanischen Schichtspannungen abgeschieden werden.
  • Mechanische Spannungen innerhalb einer AlN-haltigen Schicht können aber auch reduziert werden, indem die Zusammensetzung eines in die Vakuumkammer 1 eingelassenen Inertgasgemischs während des Abscheidens der Schicht verändert wird. So kann beispielsweise ein Inertgasgemisch zu Beginn der Schichtabscheidung vollständig aus Argon bestehen, wobei mit zunehmendem Schichtwachstum der Anteil des Argons verringert und stattdessen ein zunehmender Anteil des Inertgases Xenon oder Krypton durch den Einlass 7 in die Vakuumkammer 1 eingelassen wird. Der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle noch einmal erwähnt, dass jedes der in die Vakuumkammer 1 strömenden Gase alternativ auch durch einen separaten Einlass in die Vakuumkammer 1 eingelassen werden kann.
  • Mit den zuvor hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens beschriebenen Verfahrensparametern lassen sich piezoelektrisch wirksame AlN-Schichten mit einer Abscheiderate oberhalb von 100 nm/min und mit mechanischen Schichtspannungen mit einem Betrag kleiner 500 MPa abscheiden.
  • Für das Ausbilden einer c-Achsen-Orientierung beim Abscheiden einer AlN-haltigen Schicht ist es vorteilhaft, wenn ein wesentlicher Anteil der schichtbildenden Teilchen möglichst senkrecht auf ein zu beschichtendes Substrat auftrifft. Dabei sollte der Winkel zur Normalen zwischen jedem Punkt auf der zu beschichtenden Substratoberfläche und nächstgelegenem Punkt auf der Leitbahn eines Targets ≤ 30° bei Beschichtungsabstand ≤ 100 mm sein. Unter dem Begriff der Target-Leitbahn sind diejenigen Oberflächenbereiche des Targets zu verstehen, in denen der stärkste Materialabtrag erfolgt. Diese Bereiche werden oftmals auch als „race track” bezeichnet. Bei einer stationären Substratbeschichtung, also einer Beschichtung ohne Relativbewegung zwischen Sputtertarget und Substrat (eine optionale Substratrotation ist hiervon ausgeschlossen), von großen Substraten (d = 100 mm oder größer) ist es dafür besonders vorteilhaft, wenn eine Magnetron-Sputtereinrichtung mit mehreren konzentrischen Entladungsringen eingesetzt wird. Bei der dynamischen Substratbeschichtung (mit Relativbewegung zwischen Sputtertarget und Substrat) ist es vorteilhaft, wenn mit einer Dampfstromblende gearbeitet wird, die gewährleistet, dass die zuvor genannte Bedingung hinsichtlich des Winkels zur Normalen erfüllt ist.
  • Es ist bekannt, dass die piezoelektrische Wirksamkeit einer AlN-haltigen Schicht verbessert werden kann, wenn dieser Schicht auch noch ein Anteil des Elements Scandium beigemischt wird. Bei einer weiteren Ausführungsform werden daher zwei Targets 4 und 5 zerstäubt, die neben dem Element Aluminium auch noch das Element Scandium aufweisen, so dass auf dem Substrat 2 eine ScAlN-Schicht abgeschieden wird. Dies kann dadurch erfolgen, indem beispielsweise aus Scandium und Aluminium bestehende Legierungstargets zerstäubt werden. Alternativ können auch Targets zerstäubt werden, die aus einzelnen Kacheln aufgebaut sind, von denen mindestens eine Kachel aus Aluminium und mindestens eine Kachel aus Scandium besteht. Bei einer weiteren Alternative kann das Abscheiden einer ScAlN-Schicht auch mittels Co-Sputtern erfolgen, d. h., eines der Targets 4 und 5 ist ein reines Aluminium-Target und das andere Target ein reines Scandium-Target.
  • Mit allen zuvor beschriebenen Abscheidevarianten lassen sich piezoelektrisch wirksame AlN-haltige Schichten mit einer bestimmten elektrischen Polarität abscheiden. Die Polarität beschreibt dabei den Zusammenhang zwischen der Richtung des elektrischen Feldes am Material und der Richtung der Verformung des Materials. Bei einem piezoelektrischen Material gibt die Polarität somit zum einen an, in welche Richtung sich das Material verformt, wenn eine elektrische Spannung mit vorgegebener elektrischer Polarität an das Material angelegt wird, und zum anderen wird dadurch angegeben, welche elektrische Polarität sich beim piezoelektrischen Material ausbildet, wenn mit dem piezoelektrischen Material eine mechanische Verformung in eine bestimmte Richtung vollzogen wird.
  • Überraschend konnte festgestellt werden, dass sich die elektrische Polarität einer piezoelektrisch wirksamen AlN-haltigen Schicht umkehren lässt, wenn diese auch noch eine geringe Menge des Elements Sauerstoff aufweist. Eine erfindungsgemäße piezoelektrisch wirksame AlN-haltige Schicht mit der piezoelektrischen Ladungskonstante d33 zeichnet sich somit dadurch aus, dass die Schicht auch noch das Element Sauerstoff derart aufweist, dass die AlN-haltige Schicht der Formel AlXNYOZ entspricht, wobei (0,1 ≤ X ≤ 1,2); (0,1 ≤ Y ≤ 1,2) und (0,001 ≤ Z ≤ 0,1) sind. Abgeschieden werden kann solch eine erfindungsgemäße Schicht beispielsweise mit einer Vorrichtung, wie sie in 1 schematisch dargestellt ist, und durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, indem beispielsweise zwei Al-Targets 4 und 5 mittels eines Puls-Mischmodus aus unipolarem Pulsmodus und bipolarem Pulsmodus reaktiv zerstäubt werden, wobei neben einem Inertgas und dem Reaktivgas Stickstoff auch noch das Reaktivgas Sauerstoff durch den Einlass 7 in die Vakuumkammer 1 eingelassen wird. Bereits kleinste Mengen von eingelassenem Sauerstoff bewirken, dass die elektrische Polarität einer AlN-haltigen piezoelektrisch wirksamen Schicht umgekehrt ausgebildet wird gegenüber einer AlN-haltigen piezoelektrisch wirksamen Schicht, die keinen Sauerstoff aufweist. Da mit zunehmendem Sauerstoffgehalt in einer AlN-haltigen Schicht die Qualität der piezoelektrischen Eigenschaften nachlässt, ist die Menge des in die Vakuumkammer 1 eingelassenen Sauerstoffs derart einzustellen, dass diese maximal 5% der Menge des in die Vakuumkammer 1 eingelassenen Stickstoffs entspricht. Mittels einer erfindungsgemäßen Schicht, welche eine umgekehrte elektrische Polarität aufweist, kann somit die Anwendungspalette von piezoelektrisch wirksamen AlN-haltigen Schichten vergrößert werden.
  • Bei einer alternativen erfindungsgemäßen Schicht weist die AlN-haltige Schicht zusätzlich auch noch das Element Scandium auf, wobei diese AlN-haltige Schicht der Formel AlXScUNYOZ entspricht. Dabei weisen die Variablen X, U, Y, Z folgende Werte auf: (0,1 ≤ X ≤ 1,2); (0,1 ≤ U ≤ 1,2); (0,1 ≤ Y ≤ 1,2) und (0,001 ≤ Z ≤ 0,1). Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Verhältnis von U/X > 0,5, d. h. in Bezug auf die Elemente Scandium und Aluminium beträgt der Scandiumanteil über 50%. Ein so hoher Scandiumanteil in der Schicht ist ebenfalls geeignet, die mechanischen Spannungen in einer AlN-haltigen Schicht zu reduzieren. Das Abscheiden der piezoelektrisch wirksamen AlXScUNYOZ-Schicht ist mittels des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, wobei Scandium- und Aluminium-haltige Targets im Puls-Mischmodus zerstäubt werden, während ein Inertgas und ein Gasgemisch aus Stickstoff und Sauerstoff in die Vakuumkammer 1 eingelassen werden. Die hierbei verwendeten Targets können entweder ein reines Aluminium-Target und ein reines Scandium-Target; zwei Aluminium-Scandium-Legierungstargets oder Targets mit der zuvor beschriebenen Aluminium-Scandium-Kachelstruktur sein.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Abscheiden einer piezoelektrischen AlN-haltigen Schicht auf einem Substrat (2) mittels Magnetron-Sputterns mindestens zweier Targets (4; 5), von denen mindestens ein Target (4; 5) Aluminium umfasst, innerhalb einer Vakuumkammer (1), wobei ein Gasgemisch in die Vakuumkammer (1) eingelassen wird, welches mindestens das Reaktivgas Stickstoff und ein Inertgas umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass während des Magnetron-Sputterns abwechselnd der unipolare Pulsmodus und der bipolare Pulsmodus verwendet werden, wobei der Wechsel zwischen dem unipolaren Pulsmodus und dem bipolaren Pulsmodus mit einer Frequenz im Bereich von 50 Hz bis 10 kHz durchgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der prozentuale Anteil der Phasen des unipolaren Pulsmodus und der prozentuale Anteil der Phasen des bipolaren Pulsmodus während des Abscheidens der piezoelektrischen AlN-haltigen Schicht verändert werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gas als Inertgas verwendet wird, welches mindestens eines der Elemente Argon, Krypton oder Xenon umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich das Reaktivgas Sauerstoff in die Vakuumkammer (1) eingelassen wird, wobei die Menge des eingelassenen Sauerstoffs maximal 5% von der Menge des eingelassenen Stickstoffs beträgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Target (4; 5) verwendet wird, das Scandium umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Scandium-Target und ein Aluminium-Target durch Co-Sputtern zerstäubt werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Abscheidens der piezoelektrischen AlN-haltigen Schicht der Druck in der Vakuumkammer (1) verändert wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die AlN-haltige Schicht gemäß der Formel AlXNYOZ abgeschieden wird, wobei (0,1 ≤ X ≤ 1,2); (0,1 ≤ Y ≤ 1,2) und (0,001 ≤ Z ≤ 0,1) sind.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die AlN-haltige Schicht gemäß der Formel AlXScUNYOZ abgeschieden wird, wobei (0,1 ≤ X ≤ 1,2); (0,1 ≤ U ≤ 1,2); (0,1 ≤ Y ≤ 1,2) und (0,001 ≤ Z ≤ 0,1) sind.
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