Thermische geleidbaarheid van aluminiumnitride dunne films bereid door reactief magnetron sputteren

Het verband tussen thermische geleidbaarheid en microstructuren van aluminiumnitride films wordt gerapporteerd. Films werden afgezet op silicium substraten door magnetron sputteren van een zuiver Al target in stikstof argon plasma bij lage temperaturen (<300 °C) met een dikte variërend van 150 tot 3500 nm. Gebalanceerde en ongebalanceerde magnetronconfiguraties werden gebruikt voor verschillende stikstofgehaltes in de gasfase. Aldus werden verschillende microstructuren gecreëerd en hun thermische geleidbaarheid werd gemeten met de transiënte hot strip-techniek. Afhankelijk van de kristallijne structuur van de films, varieerde de warmtegeleiding van de AlN films bij kamertemperatuur tussen 2 en 170 W m-1 K-1. Ongebalanceerde magnetron maakte het mogelijk om zeer dichte (0 0 2) georiënteerde AlN films te verkrijgen met een korrelgrootte in het 100 nm bereik, een laag zuurstofgehalte dicht bij 0,5 at% en een resulterende bulk warmtegeleiding zo hoog als 170 W m-1 K-1. Een dergelijke kristallijne kwaliteit was het gevolg van de ionenergie die bij het groeiproces betrokken was. Daarentegen leidde een gebalanceerde magnetron tot zwak gestructureerde AlN films met 5 at% zuurstof met een korrelgrootte van 30 nm en een resulterende warmtegeleiding variërend van 2 tot 100 W m-1 K-1 afhankelijk van de microstructuur. In het andere geval bleek de thermische grensweerstand tussen AlN films afgezet met een ongebalanceerde magnetron en het silicium substraat zo laag als 1,0 × 10-8 K m2 W-1 te zijn. Een dergelijke waarde was in goede overeenstemming met de dikte van de interfaciale amorfe laag bepaald in het 2 nm bereik door hoge resolutie transmissie elektronenmicroscopie.