Diese Arbeit untersucht die Eignung des Dual Ion Beam Sputtering (DIBS) zur Abscheidung hochwertiger Aluminiumnitrid (AlN) Dünnschichten für piezoelektrischemicro-electro-mechanical systems (MEMS) Anwendungen. Die Schichtqualität wurde systematisch anhand der Halbwertsbreite (FWHM) von Rocking-Curve-Messungen der AlN (0002) Reflexion, des dielektrischen Verlustfaktors tanδ sowie des piezoelektrischen Koeffizienten bewertet. Die Ergebnisse wurden direkt mit Referenzschichten verglichen, die mittels DC-Magnetronsputtern (DCMS) am Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme hergestellt wurden, sowie mit Literaturwerten. Drei komplementäre Studien entwickeln Optimierungsstrategien für den DIBS Prozess. In der ersten Studie werden die Abscheideparameter der Sputterquelle, darunter Beam-Spannung, Beschleunigungsspannung, Beam-Strom und Stickstoff Flussrate, systematisch variiert. Dabei wird ein optimaler Kompromiss zwischen FWHM (≈4,5°), tanδ (≈0,015) und Druckspannung identifiziert, wobei die absolute Schichtqualität unterhalb des DCMS-Niveaus bleibt (FWHM ≈2°, tanδ ≈0,004). Die zweite Studie aktiviert eine unterstützende Ionenquelle zur Beschleunigung von Stickstoffradikalen und führt ionenunterstütztes Ätzen ein, welches bevorzugt die c-Achsen-Textur verbessert (Reduktion der FWHM um ≈1°). Gleichzeitig entstehen jedoch hohe Druckspannungen von bis zu 3–4 GPa, die Rissbildung und Delamination verursachen. Durch Verringerung der Abstände zwischen den Kohlenstoffgittern,wird ein Betrieb bei geringeren Ionenenergien ermöglicht. Dadurch lassen sich stabile Prozessrezepte mit einer FWHM von 3,7° und einem tanδ von 0,0116 realisieren, während die Druckspannung auf unter 3 GPa begrenzt wird.In der dritten Studie werden Molybdän- und AlN-Schichten mittels DIBS abgeschieden und als Keimschichten für nachfolgend gesputterte Funktionsschichten evaluiert. Beide Seed-Schichten verbessern die FWHM (Mo: > 20° → 4,39°; AlN (700 V): >39° → 3,92°) und häufig auch den dielektrischen Verlustfaktor, ohne übermäßige Spannungen im Schichtstapel zu erzeugen. AlN-Keimschichten weisen im Vergleich zu Molybdän-Keimschichten signifikant geringere gemessene Werte des dielektrischen Verlustfaktors (tanδ) auf, was auf eine überlegene dielektrische Leistung hindeutet. Insgesamt erweist sich DIBS als geeignetes Verfahren zur Herstellung c-achsig orientierter AlN-Schichten mit zielgerichteter Qualität (d33 = 5–6 pC/N). Die Arbeit etabliert seed-unterstützte Abscheiderezepte mit moderaten Druckspannungen als vielversprechenden Ansatz für MEMS-kompatible Schichten.
Jakob Gruber (Sun,) studied this question.