Thermal conductivity of aluminium nitride thin films prepared by reactive magnetron sputtering

The relationship between thermal conductivity and microstructures of aluminium nitride films is reported. Filmy byly nanášeny na křemíkové substráty magnetronovým naprašováním terče z čistého Al v dusíkovém argonovém plazmatu při nízkých teplotách (<300 °C) s tloušťkou od 150 do 3500 nm. Pro různé obsahy dusíku v plynné fázi byly použity vyvážené a nevyvážené konfigurace magnetronu. Byly tak vytvořeny různé mikrostruktury a jejich tepelná vodivost byla měřena technikou přechodových horkých pásů. V závislosti na krystalické struktuře filmů se objemová tepelná vodivost AlN filmů při pokojové teplotě pohybovala mezi 2 a 170 W m-1 K-1. Nevyvážený magnetron umožnil dosáhnout vysoce hustých (0 0 2) orientovaných AlN filmů s velikostí zrn v rozmezí 100 nm, nízkým obsahem kyslíku blížícím se 0,5 at % a výslednou objemovou tepelnou vodivostí až 170 W m-1 K-1. Taková krystalická kvalita je výsledkem energie iontů zapojených do procesu růstu. Naproti tomu vyvážený magnetron vedl k slabě strukturovaným AlN filmům obsahujícím 5 at % kyslíku s velikostí zrn v rozmezí 30 nm a výslednou tepelnou vodivostí v rozmezí 2 až 100 W m-1 K-1 v závislosti na mikrostruktuře. Jinak byl zjištěn tepelný hraniční odpor mezi filmy AlN nanesenými nevyváženým magnetronem a křemíkovým substrátem až 1,0 × 10-8 K m2 W-1. Taková hodnota byla v dobrém souladu s tloušťkou mezifázové amorfní vrstvy stanovenou v rozsahu 2 nm transmisní elektronovou mikroskopií s vysokým rozlišením

.