Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumnitrid-Dünnschichten, die durch reaktives Magnetronsputtern hergestellt wurden

Die Beziehung zwischen Wärmeleitfähigkeit und Mikrostruktur von Aluminiumnitridschichten wird berichtet. Die Schichten wurden auf Siliziumsubstraten durch Magnetronsputtern eines reinen Al-Targets in Stickstoff-Argon-Plasma bei niedrigen Temperaturen (<300 °C) mit einer Dicke von 150 bis 3500 nm abgeschieden. Es wurden symmetrische und unsymmetrische Magnetronkonfigurationen für unterschiedliche Stickstoffgehalte in der Gasphase verwendet. Auf diese Weise wurden verschiedene Mikrostrukturen erzeugt, deren Wärmeleitfähigkeit mit der transienten Hot-Strip-Technik gemessen wurde. Abhängig von der kristallinen Struktur der Schichten variierte die Massenwärmeleitfähigkeit der AlN-Schichten bei Raumtemperatur zwischen 2 und 170 W m-1 K-1. Mit einem unbalancierten Magnetron konnten hochdichte (0 0 2) orientierte AlN-Schichten mit einer Korngröße im Bereich von 100 nm, einem niedrigen Sauerstoffgehalt von nahezu 0,5 at% und einer daraus resultierenden Massenwärmeleitfähigkeit von 170 W m-1 K-1 hergestellt werden. Diese kristalline Qualität ist auf die im Wachstumsprozess eingesetzte Ionenenergie zurückzuführen. Im Gegensatz dazu führte das balancierte Magnetron zu schwach texturierten AlN-Schichten mit einem Sauerstoffgehalt von 5 at%, einer Korngröße im Bereich von 30 nm und einer resultierenden Wärmeleitfähigkeit, die je nach Mikrostruktur zwischen 2 und 100 W m-1 K-1 liegt. Ansonsten lag der thermische Grenzwiderstand zwischen den mit einem unbalancierten Magnetron abgeschiedenen AlN-Schichten und dem Siliziumsubstrat bei nur 1,0 × 10-8 K m2 W-1. Dieser Wert stand in guter Übereinstimmung mit der Dicke der amorphen Grenzschicht, die mit Hilfe der hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskopie im Bereich von 2 nm bestimmt wurde.