Science des Procédés Céramiques et de Traitements de Surface (SPCTS)

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Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
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Dépôt de nitrure d’aluminium par PECVD micro-onde

Contacts

Christelle Dublanche-Tixier tixier@ensil.unilim.fr
Elaboration & caractérisation
Cédric Jaoul jaoul@ensil.unilim.fr
Elaboration & diagnostic plasma
Pascal Tristant pascal.tristant@unilim.fr
Responsable


Contexte/objectifs

Le nitrure d’aluminium (AlN) est un matériau piézoélectrique grâce à sa structure cristalline hexagonale de type wurtzite. Comme il possède aussi une grande vitesse de propagation des ondes acoustiques, le nitrure d’aluminium en couches minces est très intéressant pour la réalisation de dispositifs d’onde acoustique fonctionnant à haute fréquence, de type SAW ou BAW entre autres. Bien que les couches idéales pour ces applications soient des couches monocristallines, il a été montré que des couches polycristallines avec une orientation préférentielle conduisent à de bonnes performances piézoélectriques. Les films d’AlN d’orientation préférentielle (0001) ont été le plus étudiés, mais selon certains auteurs, des couches avec une orientation (1010) seraient aussi intéressantes pour des applications d’onde acoustique de surface, de type SAW, avec de bons coefficients de couplage.

Cette étude concerne le travail d’optimisation des propriétés des couches minces de nitrure d’aluminium, réalisées par PECVD. Des informations ont ainsi été obtenues sur les mécanismes généraux qui contrôlent le développement cristallin et l’orientation préférentielle par cette technique de dépôt. La réponse électroacoustique des filtres à onde acoustique de surface (SAW) réalisés sur des films d’AlN d’orientations différentes a été obtenue.


Activités

  • Elaboration et caractérisation des couches minces d’AlN

Des couches minces de nitrure d’aluminium polycristallines présentant une orientation préférentielle ont été obtenues. Le choix des paramètres de dépôt a permis la réalisation de couches orientées <0001> ou <1010>, toutes deux intéressantes pour des applications piézoélectriques. L’augmentation de la température de substrat a été déterminante pour améliorer la cristallinité des couches et réduire leur teneur en impuretés. La sélection de la pression de travail a permis de contrôler l’orientation préférentielle, en obtenant des couches orientées <0001> à basse pression (1 Pa) et des couches orientées <1010> à plus haute pression (8 Pa).

 

Diagrammes de diffraction X des couches d’AlN : (a) effet de la température (1 Pa)
(a)
 
Diagrammes de diffraction X des couches d’AlN : (b) effet de la pression (600ºC)
(b)
Diagrammes de diffraction X des couches d’AlN : (c) « rocking-curve » d’un dépôt d’1 µm orienté <0001> (800°C)
(c)
 
Diagrammes de diffraction X des couches d’AlN : (d) « rocking-curve » d’un dépôt d’1 µm orienté <1010> (800°C)
(d)
Diagrammes de diffraction X des couches d’AlN : (a) effet de la température (1 Pa), (b) effet de la pression (600ºC), (c) « rocking-curve » d’un dépôt d’1 µm orienté <0001> (800°C), (d) « rocking-curve » d’un dépôt d’1 µm orienté <1010> (800°C)

 

Les couches orientées <0001> obtenues en conditions optimales ont montré une structure colonnaire marquée avec une taille de grains autour de 40 nm, des largeurs à mi-hauteur de 9º pour les « rocking-curves », des rugosités inférieures à 20 nm et des contraintes résiduelles de tension inférieures à 1 GPa. Les couches orientées <1010> ont montré une structure non colonnaire avec une taille de grains autour de 20 nm, des valeurs de largeur à mi-hauteur des « rocking-curves » de 11º et des rugosités inférieures à 10 nm.

 

Observations d’un dépôt orienté <0001> : (a) Fracture au MEB

(a)
 
Observations d’un dépôt orienté <0001> : (b) Surface par AFM
(b)
Observations d’un dépôt orienté <1010> : (c) Fracture au MEB

(c)
 
Observations d’un dépôt orienté <1010> : (d) Surface par AFM
(d)
Observations d’un dépôt orienté <0001> : (a) Fracture au MEB, (b) Surface par AFM ; et d’un dépôt orienté <1010> : (c) Fracture au MEB, (d) Surface par AFM

 

  • Réalisation et évaluation des réponses des dispositifs SAW

Les filtres SAW, utilisant deux électrodes interdigitées identiques (interdigital transducer –IDT), en aluminium (doigts métalliques de 10 mm de largeur espacés de 10 mm) ont été déposés sur la surface des couches minces d’AlN. Ces électrodes ont été réalisées par lithographie traditionnelle : dépôt de 200 nm d’Al par PVD suivi des étapes classiques (application d’une résine positive, développement, attaque chimique, et élimination de la résine par un plasma d’oxygène. Les dispositifs ainsi obtenus ont été caractérisés par leurs réponses fréquentielles en transmission (via le module du paramètre de transmission S21) dans le domaine de fréquences 200-500 MHz, en utilisant un analyseur de réseau vectoriel. Les résultats obtenus ont montré l’existence d’une réponse piézoélectrique dans le cas des films orientés <0001> correspondant à une vitesse d’onde acoustique de 5050 m/s. Dans le cas des films orientés <1010>, la réponse piézoélectrique est très faible, voir inexistante.

 

Réalisation des dispositifs SAW sur les couches d’AlN : (a) vue générale

(a)
 
Réalisation des dispositifs SAW sur les couches d’AlN : (b) zoom
(b)
Réponses en fréquence S21 des dispositifs SAW pour les couches d’AlN de 1 μm d’épaisseur : (c) orientée <0001>
(c)
 
Réponses en fréquence S21 des dispositifs SAW pour les couches d’AlN de 1 μm d’épaisseur : (d) orientée <1010>
(d)
Réalisation des dispositifs SAW sur les couches d’AlN : (a) vue générale, (b) zoom ; Réponses en fréquence S21 des dispositifs SAW pour les couches d’AlN de 1 μm d’épaisseur : (c) orientée <0001> et (d) orientée <1010>


Equipements spécifiques

  • Dispositif de dépôt basse pression par plasma micro-onde
  • Spectromètre d’émission optique
  • FTIR
  • Diffraction des RX


Publications sélectionnées

  1. G. SANCHEZ, A. WU, P. TRISTANT, C. TIXIER, B. SOULESTIN, J. DESMAISON, A. BOLOGNA ALLES
    Polycrystalline AlN films with preferential orientation by plasma enhanced chemical vapor deposition
    Thin Solid Films, Volume 516, Issue 15, 2008, 4868-4875

  2. G. SANCHEZ, P. TRISTANT, C. DUBLANCHE-TIXIER, A. BOLOGNA ALLES
    Thin films of aluminum nitride with PECVD through applications with piezoelectrics
    Ingenieria Quimica, 34, 2008, 9-16

  3. G. SANCHEZ, B. ABDALLAH, P. TRISTANT, C. DUBLANCHE-TIXIER, M. A. DJOUADI, M. P. BESLAND, P. Y. JOUAN, A. BOLOGNA ALLES
    Microstructure and mechanical properties of AlN films obtained by plasma enhanced chemical vapor deposition
    Journal of Materials Sciences, 44, 2009, 6125-6134

Mis à jour le 2 mars 2010

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