ЭЛЕКТРОПРОВОДНЫЕ ТОНКИЕ ПЛЕНКИ С ВЫСОКОЙ ТЕРМОСТОЙКОСТЬЮ Российский патент 2015 года по МПК H01B1/16 

Настоящее изобретение относится к стойким при высоких температурах, электропроводным тонким пленкам, например, в виде металлических структур для выполнения контактных соединений пьезоэлектрических компонентов, способу их получения, а также элементам, содержащим тонкую пленку по изобретению.

В ряде областей техники требуется использовать электропроводные металлические структуры с температурами длительной эксплуатации 300°C и выше, например, в качестве контактных элементов или резисторов. Хотя в общем случае это может быть надежным образом реализовано в виде пленок из термостойких металлов или электропроводных соединений с толщиной ≥10 мкм, столь толстые пленки, в частности, в микро- и нанодиапазоне, часто можно использовать только в ограниченной степени.

Соответствующими высокотехнологичными, а также промышленными применениями являются, например, тонкопленочные резисторы, предназначенные для измерения физических или химических параметров, либо пьезоэлектрические системы. Так, известны различные пьезоматериалы, часть которых также предлагается на рынке, устойчивые до 1000°C и выше и обладающие пьезоэлектрическими свойствами. Однако при таких высоких температурах значительную техническую проблему создают электроды, которые необходимы для электромеханического соединения, поскольку в них - по техническим или другим причинам - становится невозможным использование обычных толстопленочных металлических структур. При этом до сих пор отсутствует удовлетворительное технически и реализуемое экономически эффективным образом решение, которое можно было бы реализовать в промышленном масштабе, что создает значительную проблему, делая невозможным применение такого решения на практике, в частности, для компонентов, работа которых основана на принципе поверхностных акустических волн (ПАВ, по-английски - SAW).

Элементы на поверхностных акустических волнах (ПАВ) доказали свою ценность, например, в частотных фильтрах, а также в датчиках для измерения физических (температура, давление и т.д.) и/или химических параметров. Кроме того, известны и другие применения, при которых элементы на ПАВ, сами по себе или в сочетании с измерительными средствами, используются в качестве меток радиочастотной идентификации (РЧИД-меток). Существенными преимуществами этой технологии являются возможность дистанционного опроса систем на ПАВ в полностью пассивном режиме и возможность их надежного использования в принципе в очень широком диапазоне температур. Таким образом, подобные датчики или системы РЧИД имеют значительные технологические, а также практические преимущества по сравнению с обычными системами на основе полупроводников. Из литературы также известны применения при низких температурах на уровне -200°C, а также применения при высоких температурах до 1000°C. Соответствующие применения включают, например, отслеживание шлаковых ковшей, газоанализаторы или контроль температуры важных с точки зрения безопасности керамических компонентов в металлургии.

Поверхностные структуры, в частности встречно-штыревые преобразователи и отражатели, нанесенные на поверхность пьезоэлектрической подложки, являются важным компонентом при разработке и изготовлении элементов на ПАВ. Пленки, которые используются для этой цели, обычно имеют толщину ≤1 мкм, как правило, толщину в диапазоне 100-500 нм. Столь небольшая толщина пленок позволяет контролируемым образом получать полное, а также частичное отражение поверхностных волн поверхностными структурами, что, во-первых, делает возможным изготовление сложных структур, например, таких как отражательные линии задержки или резонаторы на ПАВ, а получаемые в результате элементы на ПАВ с особой выгодой затем можно использовать в датчиках и/или РЧИД-метках. Кроме того, небольшая толщина пленки делает возможным эффективную связь электроакустического сигнала и снижает до минимума механическое затухание поверхностных волн в случае взаимодействия со структурами. В этом случае решающим фактором является нагрузка на поверхность, из-за чего становится важным применение как можно более легких по весу пленок, т.е. из материалов с низкой плотностью.

Другим ключевым критерием, в частности, для ПАВ-применений, является возможность точного структурирования тонкопленочных металлических структур с шириной структур в микронном или субмикронном диапазоне, например, пальцевидной формы. Необходимая ширина структур в этом случае, по сути, зависит от используемых рабочих частот, и, если структуры из элементов на ПАВ для рабочей частоты, например, 433 МГц, как правило, имеют ширину >1 мкм, то ширина структур в конструкции, рассчитанной на рабочую частоту в верхней части СВЧ-диапазона, например, на уровне 2,4 ГГц, составляет всего лишь приблизительно 300 нм. В сочетании с небольшой толщиной пленок это позволяет обеспечить небольшое поперечное сечение линий, что, в свою очередь, требует использования материалов с хорошей электропроводностью.

В качестве последнего критерия по техническим, а также коммерческим соображениям предпочтительно использовать материалы, которые (i) доступны с экономической точки зрения и (ii) могут быть обработаны с использованием стандартных процессов нанесения тонких пленок.

В стандартных применениях поверхностные структуры из элементов на ПАВ предпочтительно состоят из алюминия, как подробно описано в ЕР-В1 0762641 или Buff и др., Ргос. 2003 IEEE Ultrason. Symp., pp.187-191. Металлические структуры из Al являются легкими по весу, легко проводят электричество и их можно структурировать с большой точностью. Однако тонкие алюминиевые пленки, несмотря на температуру плавления около 660°C, становятся мягкими, уже начиная приблизительно с 300°C и, в частности, в них возникают колебания напряжения. Кроме того, А1 демонстрирует высокое химическое сродство к кислороду и окисляется им с образованием неэлектропроводных оксидов алюминия. Хотя при температурах <400°C это окисление ограничивается поверхностной пленкой с типичной толщиной 5-10 нм, в результате чего проводимость металлической структуры сохраняется, при более высоких температурах оксидная пленка вырастает до толщин в микронном диапазоне. В случае тонких пленок это может при определенных обстоятельствах привести к полному окислению металлической структуры и, таким образом, выходу из строя контактирующих элементов.

В отношении подложки ПАВ существуют различные технически значимые варианты. Так, в WO 00/51233 А2 упоминается в общем, т.е. не специально для высокотемпературных применений, возможность применения разнообразных кристаллов лангасита (La₃Ga₅SiO₁₄) или ланганата (La₃Gas_5,5Ta_0,5O₁₄), а также использование кварца (SiO₂), ниобата лития (LiNbO₃) или танталата лития (LiTaO₃). Так как они, как и большинство стойких при высоких температурах пьезоэлектрических подложек, содержат кислород, который по меньшей мере отчасти химически доступен при температурах порядка нескольких сотен градусов Цельсия, во многих случаях окисление Al-ых структур нельзя предотвратить, даже за счет заключения в бескислородную атмосферу. Таким образом, в целом, Al-ые пленки не предоставляют какого-либо подходящего решения при изготовлении электропроводных тонкопленочных металлических структур для высокотемпературных применений.

Из литературы известен ряд альтернативных материалов для изготовления стойких при высоких температурах тонкопленочных металлических структур; соответствующий состав для элементов на ПАВ следует, например, из работы Хорнштайнера (Hornsteiner) и др., Ргос. 1998 IEEE Freq. Control Symp., pp.615-620 или из патента US-B1 6958565. Часто используемыми материалами в этом случае являются, в частности, платина и другие металлы платиновой группы Периодической таблицы химических элементов.

Хотя Pt, исходя из ее температуры плавления 1769°C, хорошо подходит в качестве материала для высокотемпературных применений и используется по различным назначениям, пленки Pt с толщиной ≤1 мкм являются термостойкими лишь в ограниченной степени. В частности, тонкие пленки Pt, начиная приблизительно с 500°C, имеют тенденцию к потере смачиваемости и образованию островков, что на практике может привести к разрушению структур даже после небольшого времени применения. В дополнение к потере электропроводности из-за нарушения непрерывности пленки, потеря смачиваемости также ухудшает связь пленки с подложкой. Аналогичные эффекты также можно наблюдать в других соответствующих металлах, например, таких как Pd или W, а также в сплавах, таких как Pt+Rh или Pt+Au.

Что касается тенденции к потере смачиваемости, то в общем случае сохраняется закономерность, заключающаяся в том, что этот эффект проявляется тем сильнее, чем тоньше пленка или чем уже структуры. Устойчивые пленки получают только при их толщинах и ширине структур, соответственно составляющих по меньшей мере несколько мкм, что идет вразрез с указанными выше в нескольких местах требованиями к поверхностным структурам из элементов на ПАВ. Эта проблема дополнительно усиливается на практике, так как материалы, подходящие для стойких при высоких температурах металлических структур, неизменно имеют значительно более высокую плотность, чем алюминий. Чтобы сохранить приблизительно постоянными нагрузку на поверхность и, таким образом, затухание и эффективность связи, в данном случае абсолютно необходимы тонкие пленки.

Чтобы избежать эффектов потери смачиваемости, в технической литературе (Hornsteiner и др., Phys. Status Solidi А, 163, pp. R3-R4; Buff и др., Ргос. 2003 IEEE Ultrason. Symp., pp.187-191; Thiele & da Cunha, Electron. Lett. 39(10), pp.818-819; патент US-B1 7285894, и т.д.), во-первых, предлагается использование адгезионных пленок, например, состоящих из Ti или Zr, которые в то же время действуют также и как диффузионные барьеры между подложкой и самой адгезионной пленкой. Кроме того, также предлагается использование в большинстве случаев оксидных покровных или пассивирующих пленок, например, из SiO₂ или оксинитридов кремния-алюминия (SiAlON).

Таким образом, на практике потерю смачиваемости и другие возникающие под действием температуры эффекты старения можно уменьшить, но нельзя гарантированно предотвратить на постоянной основе. В качестве средств устранения проблемы были предложены пленки, состоящие из (i) тугоплавких металлов, в частности, Pt, Rh, либо сплавов Pt+Rh, Pt+Ir или Pt+Au, и (ii) диоксида циркония (ZrO₂), например, в WO-A2 2009/035797; da Cunha и др., Ргос. 2007 IEEE Ultrason. Symp., pp.2107-2110, а также в различных других публикациях по этой тематике.

Такие пленки "металл/ZrO₂" с типичной общей толщиной 100-150 нм в настоящее время считаются с технической точки зрения наилучшим подходом к получению тонкопленочньгх контактных соединений для высокотемпературных применений. В этом случае ZrO₂ действует как компонент, стабилизирующий металлическую пленку и, таким образом, предотвращающий потерю смачиваемости и образование островков. В качестве адгезионных пленок и диффузионных барьеров в предпочтительном случае используют тонкие пленки Zr, кроме того, в качестве возможного варианта, эту пленку можно защитить при помощи пассивирующей пленки, в частности, состоящей из SiAlON. В результате применение соответствующих тонкопленочных электродов становится возможным вплоть до температуры порядка 1000°C. Тем не менее, это решение при практическом использовании имеет различные недостатки, которые значительно снижают его полезность и промышленную конкурентоспособность.

Согласно литературе, ZrO₂ демонстрирует чрезвычайно слабую тенденцию к смешиванию со всеми обычно используемыми стойкими при высоких температурах проводящими металлами (см. WO-A2 2009/035797 [0062] и [0095]). Поэтому, чтобы получить устойчивую, однородную пленку со сквозной электропроводностью, в таких системах необходимо создавать проводящую пленку из большого числа очень тонких пленок, находящихся в контакте друг с другом взаимопроникающим образом. При нанесении пленок большей толщины оксидные пленки будут действовать как изолирующие пленки между проводящими пленками, что ухудшит проводимость, а также высокочастотные свойства пленок. Аналогично этому, опасность потери смачиваемости существует и при использовании более толстых проводящих металлических пленок - это обусловлено по существу двумерной формой оксидных опорных пленок.

Согласно ранее известной практике, это достигается за счет нанесения множества пленок с чередованием, в каждом случае - с небольшими допусками, тонких (чрезвычайно тонких) пленок (в каждом случае типичная толщина пленок составляет 0,5-5 нм) из проводящего металла и из Zr или ZrO₂, либо за счет совместного нанесения проводящего металла и Zr в кислородсодержащей атмосфере реакционноспособного газа. Обе ситуации сопряжены с высокой стоимостью изготовления.

Вторым соответствующим недостатком является то, что Zr или ZrO₂, а также различные проводящие металлы, используемые в комбинации с ними, например, Rh, не относятся к обычно применяемым при нанесении тонких пленок стандартным материалам. Вместе со строгими требованиями, предъявляемыми к однородности и воспроизводимости при нанесении чрезвычайно тонких пленок, вытекающая из этого высокая стоимость изготовления мешают широкому применению изготавливаемых таким образом элементов на ПАВ в промышленных масштабах.

Аналогичный подход с более обычным оксидным материалом известен из техники газохимических датчиков в виде напыленного Al₂O₃ в каталитически активных тонких пленках Pt-Al₂O₃ (Okumura и Мотохиро, Vacuum 84(5), стр. 612-617). Оксид алюминия при этом решает задачу структурирования и стабилизации отдельных тонких пленок толщиной 100 нм, с акцентом на оптимизации каталитической активности полученных пленок. Кроме того, для одновременного нанесения распылением металла и AI2O3 могут также найти применение альтернативные методы. Так, например, Habazaki и др., Corrosion Science 39(4), стр. 719-730 описывают получение слоев оксида алюминия/хрома для механистических исследований по внедрению и подвижности ионов хрома в слоях оксида алюминия, причем Cr и Al совместно осаждают на подложку, и Al вследствие селективного анодного окисления преобразуется в Al₂O₃.

Соответствующая литература не содержит информацию о электропроводности этих слоев или об использовании таких слоев в качестве электропроводящих слоев. Как уже упоминалось во введении, хорошая электропроводность является необходимым условием для практического применения таких слоев в качестве электропроводных тонких пленок.

Связанный с этими ранее известными подходами третий существенный недостаток возникает из-за типичных свойств материалов известных пленочных структур. Pt имеет существенно более низкую проводимость, чем, например, Al, что приводит к необходимости соответствующего увеличения поперечных сечений проводников для соблюдения допустимой величины сопротивления. Так как толщина пленки ограничена достаточно высокой плотностью металлической Pt, это требует обеспечения ширины структур, как правило составляющей ≥1 мкм. В результате применение структур из Pt или Pt/ZrO₂ ограничивается рабочими частотами <1 ГГц, что существенно сужает выбор таких систем и их чувствительность при проведении измерений.

Использование Rh в качестве проводящего металла, которое предлагается в качестве средства устранения проблемы, улучшает базовую техническую ситуацию, если сравнивать с Pt, из-за его более низкой плотности и более высокой электропроводности, однако высокие стоимости изготовления и материала, в частности, пленок из Rh, являются причиной того, что это практичное решение подходит только для специальных применения, например, в военной области.

Таким образом, в целом к настоящему времени не существует какого-либо технически удовлетворительного решения для получения стойких при высоких температурах и обладающих достаточно хорошей электропроводностью тонкопленочных структур в общем и в частности металлических структур ПАВ, подходящих для применения в области сверхвысоких частот (СВЧ), которые можно было бы изготавливать экономически выгодным путем и которые могли бы поэтому конкурировать с альтернативными технологиями.

Настоящее изобретение создано с целью устранения этих проблем.

Таким образом, согласно изобретению предлагаются стойкие при высоких температурах, электропроводные тонкие пленки, состоящие из двух комплементарных компонентов, а именно, электропроводного материала (проводящего металла) с температурой плавления >1500°C и алюмооксидного компонента в виде обогащенного алюминием нестехиометрического оксида алюминия («Al₂O₃+Al), в качестве структурообразователя («структурирующего агента») для проводящего металла. Проводящий металл может представлять собой отдельные химические элементы-металлы или сплавы из этих элементов. Требованием при выборе в качестве проводящего металла является температура плавления >1500°C. Богатые алюминием алюмооксидные компоненты, которые могут эквивалентным образом рассматриваться как богатые алюминием нестехиометрические формы оксида алюминия или как смеси из стехиометрического оксида алюминия(III) и металлического алюминия, в результате одновременно действуют как структурные компоненты и легирующие элементы. При этом существенно, что свободный, химически доступный Al из компонента Al₂O₃+Al сплавляется (образует сплав) с металлом проводящей пленки, что позволяет контролируемым образом влиять на важные свойства пленки, в частности, электропроводность, при помощи соотношения "Al/проводящий металл".

Тонкой пленкой или проводящей пленкой называется комплементарная система, которая содержит компоненты проводящего металла и алюмооксидные компоненты.

В отличие от уже известных систем, при воздействии температуры алюминий и оксиды алюминия полностью и равномерно перемешиваются с проводящим металлом, что специально используется в пленках по изобретению для того, чтобы уменьшить стоимость изготовления и повысить устойчивость пленки.

Кроме того, используемые по изобретению оксиды алюминия также могут применяться как адгезионные пленки, диффузионные барьеры и/или пассивирующие пленки.

Таким образом, строение пленки по изобретению делает возможным получение стойких при высоких температурах тонкопленочных металлических структур со сравнительно низкой плотностью и хорошей электропроводностью, что позволяет наносить тонкие пленки на стандартном оборудовании экономически выгодным путем, с применением обычно используемых, широко распространенных процессов и материалов.

Строение пленок по изобретению будет рассмотрено далее с использованием нижеследующих схематичных чертежей.

На Фиг. 1 приведено поперечное сечение стойкой при высоких температурах тонкой пленки "металл/Al₂O₃+Al" в сэндвичеобразном варианте выполнения по изобретению, с адгезионной пленкой/диффузионным барьером (21) между подложкой (10) и металлической структурой, с покровной пленкой (22) и помещенной между этими пленками проводящей пленкой (30).

На Фиг. 2 приведено принципиальное строение при изготовлении элемента на ПАВ с использованием горизонтально структурированной тонкопленочной металлической структуры по изобретению на пьезоэлектрической ПАВ-подложке (11) в комбинации с дополнительной, сплошной пассивирующей пленкой (23), в поперечном сечении по части типичной поверхностной структуры на ПАВ.

На Фиг. 3 приведено базовое строение комплекта наложенных друг на друга пленок для получения стойкой при высоких температурах тонкой пленки по изобретению, состоящей из n-кратной последовательности пленок (31) проводящего металла и пленок (32) Al₂O₃+Al, причем а) - возможный вариант выполнения со сплошной пассивирующей подложку пленкой (24), также одновременно действующей как адгезионная пленка для металлической структуры, а b) - другой возможный вариант выполнения с покровной пленкой (22) и увеличенной толщиной адгезионной пленки (21), в данном случае ограниченной площадью металлической структуры, и покровной пленки (22), в поперечном сечении через эти пленки.

Пленочные структуры по изобретению, в принципе, состоят из двух выполняющих взаимодополняющие функции (комплементарных) компонентов: (i) стойкого при высоких температурах проводящего металла и (ii) структурного компонента на основе обогащенного алюминием оксида алюминия.

Стойкий при высоких температурах проводящий металл, который при его наличии на уровне ≥50% (об./об.) представляет собой преобладающий компонент смешанной пленки, служит в качестве основного материала и пленки, проводящей электрический ток. Для изготовления подходит ряд различных материалов в сочетании с подходящими способами, в частности, наносимый материал, имеющий удовлетворительно высокую температуру плавления >1500°C, соответствующие термомеханические свойства и стойкость к окислению даже при высоких температурах.

Особенно предпочтительно в качестве материала пленки использовать платину, которая имеет высокую температуру плавления, но при этом высокую плотность и ограниченную электропроводность.

Чтобы адаптировать электрическую проводимость и плотность, а также термические свойства (температуру плавления и т.д.) предложенных тонкопленочных металлических структур к соответствующему применению, для определенных применений можно и предпочтительно заменять Pt, по меньшей мере отчасти, а, возможно, и полностью, другими тугоплавкими металлами. В этом случае справедлива базовая закономерность, заключающаяся в том, что свойства готовой тонкой пленки будут соответствовать объемным свойствам заменителя; так, например, Pd или Rh имеют более низкую плотность, чем Pt, что выгодно, например, при разработке элементов на ПАВ для высоких рабочих частот. Таким образом, адаптация свойств пленки возможна путем замены Pt на по меньшей мере один из следующих элементов: Pd, Mo, Cr, Ti, Та, W, Ir и/или Rh, либо на сплав с по меньшей мере одним из этих элементов.

При повышенных температурах, обычно на этапе отпуска и в течение нескольких часов, богатый алюминием алюмооксидный компонент пленок по изобретению образует устойчивую структуру, которая проникает по всей металлической структуре в трех измерениях. Как следствие, это приводит к устойчивости пленки проводящего металла к образованию островков и потере смачиваемости. В этом случае является существенным, что алюминий или оксиды алюминия, в отличие, например, от ZrO₂, хорошо перемешиваются с используемыми проводящими металлами при повышенных температурах. Это приводит к появлению ряда практических преимуществ.

Во-первых, тенденция компонентов по изобретению к взаимному перемешиванию позволяет наносить эти два компонента пленки поочередно, пленку за пленкой, в виде сравнительно меньшего числа соответственно более толстых слоев материала (31, 32), без образующихся изолирующих областей оксида или подвергающихся опасности потери смачиваемости областей металла. Это уменьшает стоимость изготовления по сравнению с уже известными системами.

Другими преимуществами является то, что (i) Al, в отличие от Zr, представляет собой материал, обычно используемый при нанесении тонких пленок, и что (ii) AI2O3 имеет плотность, которая приблизительно на 30% ниже, чем у ZrO₂, что позволяет получать пленки с соответственно меньшей нагрузкой на поверхность или, при той же нагрузке на поверхность, с несколько большей площадью поперечных сечений, а значит, и более низким сопротивлением.

При использовании обогащенных Al нестехиометрических оксидов алюминия, предлагаемом при создании пленок по изобретению, компоненты Al₂O₃+Al при повышенных температурах позволяют получить сплав стойких при высоких температурах проводящих металлов с Al, в дополнение к описанной выше функции в качестве трехмерного структурного компонента. В отличие от ранее известных систем, использование компонента, который образует сплав с проводящим материалом, позволяет конкретным образом влиять на свойства пленки путем выбора подходящего соотношения "проводящий металл/металлический алюминий" и адаптировать его свойства к применению. Этот процесс, который также подтверждается элементным анализом, влияет, в частности, на электрические свойства проводящего слоя; из-за хорошей электрической проводимости алюминия увеличивается электрическая проводимость пленки. Параллельно с этим также можно влиять на термомеханические свойства, такие как плотность и хрупкость.

Кроме того, за счет его высокого сродства к кислороду металлический Al действует как поглотитель кислорода, препятствуя окислению проводящего металла. Изучение при помощи электронного просвечивающего микроскопа (ПЭМ) показало, что Al, находящийся близко от поверхности, мигрирует к поверхности и образует там прочно сцепленный, тонкий оксидный пассивный слой; параллельно с этим, Al, остающийся внутри пленки, действует на своем месте как непосредственный ингибитор окисления. В этом случае два металлических компонента действуют как симбиоз: вместе с поверхностным слоем оксида проводящий металл снижает до минимума поступление кислорода и, таким образом, предотвращает полное окисление Al даже при высоких температурах, а находящийся в сплаве Al связывает остающийся кислород в оксид алюминия, который вследствие этого упрочняет структурные компоненты.

Пленки оксида алюминия, в качестве возможных вариантов - на основе Al₂O₃+Al или стехиометрического Al₂O₃, кроме того, могут также использоваться как адгезионный слой между подложкой и металлической структурой, как диффузионный барьер для недопущения реструктурирования слоя, либо изменения состава поверхности подложки из-за прямого контакта при высоких температурах, для пассивации подложки и/или как пассивирующая покровная пленка на тонкопленочной металлической структуре.

Результатом являются стойкие при высоких температурах пленки, которые также можно делать горизонтально структурированными с использованием стандартных процессов для нанесения тонких пленок и которые имеют улучшенную проводимость и более низкую плотность по сравнению со стандартными пленками из Pt или Pt/ZrO₂. Это позволяет получать компактные структуры со сравнительно более низкой нагрузкой на поверхность. Таким образом, если рассматривать в общем, состав пленок по изобретению дает ряд технических, а также экономических преимуществ:

Используемые исходные материалы, в общем, являются обычно применяемыми и хорошо поддаются обработке, и, в отличие от уже известных систем, не обязательно с высокой точностью наносить ультратонкие слои пленок с толщиной <5 нм.

Адгезионные пленки, диффузионные барьеры и/или пассивирующие покровные пленки предпочтительно состоят из того же материала, что и структурные компоненты проводящей пленки и, таким образом, могут быть включены в процесс изготовления без дополнительных затрат.

Благодаря этим факторам, пленки по изобретению можно получать сравнительно экономически выгодным путем и, таким образом, они могут лучше конкурировать с альтернативными технологиями по сравнению с уже известными системами.

С технической точки зрения, более низкая плотность при той же нагрузке на поверхность позволяет получать более толстые проводящие пленки, за счет чего можно дополнительно улучшить достигаемую термическую устойчивость.

В то же время, также улучшенная электропроводность делает возможными варианты выполнения с меньшими поперечными сечениями токопроводящих дорожек и, таким образом, позволяет получить структуры меньшей ширины. Это представляет интерес в общем для ПАВ-применений, но является особенно выгодным для их вариантов с более высокими рабочими частотами.

Проводящие пленки по изобретению, в зависимости от применения, можно наносить на различные пьезоэлектрические, а также инертные подложки. Например, для высокотемпературных применений систем на ПАВ с температурами длительной эксплуатации >300°C, особый интерес представляют следующие материалы подложки: (i) из семейства LGX (лангасит La₃Ga₅SiO₁₄, ланганит La₃Ga_5,5Nb_0,5O₁₄ и ланганат La₃Ga_5,5Ta_0,5O₁₄, а также их замещенные изоморфные соединения, например, такие как La₃Ga_5,25Ta_0,25O₁₄ или La₃Ga₅Zr_0,5Si_0,5O₁₄, (ii) структурно изоморфные соединения общего состава A₃BC₃Si₂O₁₄, например, такие как Sr₃TaGa₃Si₂O₁₄, Sr₃NbGa₃Si₂O₁₄, Ca₃TaGa₃Si₂O₁₄ или Ca₃TaAl₃Si²O₁₄, (iii) пьезоэлектрические пленки нитрида металла, выращенные на непьезоэлектрической подложке, с полупроводниковой природой соединения III-V, в частности, AlN и GaN, (iv) оксиборат лантаноида-кальция, в частности, GdCa₄O(BO₃)₃, YCa₄O(BO₃)₃ и LaCa₄O(BO₃)₃, (v) ниобаты лития (LiNbO_x, х≈3), и (vi) ортофосфат галлия (GaPO₄).

Нанесение пленки может быть проделано различными путями, в результате чего относительные доли индивидуальных компонентов также могут меняться в зависимости от применения. Особенно предпочтительными способами нанесения пленки являются: (i) нанесение в виде чередующихся индивидуальных пленок из проводящего металла и обогащенного Al алюмооксидного компонента(ов), а также (ii) нанесение однородной смешанной пленки из проводящего металла и обогащенного Al оксида алюминия.

В первом предпочтительном способе изготовления результирующую пленку наносят в несколько (числом n) чередующихся слоев из проводящего металла и из Al₂O₃+Al (Фиг. 3). Отношение толщин пленок проводящего металла (31) и обогащенного Al оксида алюминия Al₂O₃+Al (32) в этом случае, как правило, находится в диапазоне от 4:1 до 3:2. При этом нанесение пленок, которые, как правило, в каждом случае имеют толщину 5-20 нм, может выполняться при помощи любого способа физического осаждения из паровой фазы (PVD) и/или химического осаждения из паровой фазы (CVD), который достаточно хорошо известен специалистам в данной области техники. Пленки обогащенного Al оксида алюминия предпочтительно получают путем испарения или распыления Al в регулируемой кислородсодержащей атмосфере реакционноспособного газа; в этом случае содержание кислорода в реакционноспособном газе позволяет регулировать степень окисления Al до Al₂O₃+Al и тем самым, вместе с выбором относительной толщины пленок, конкретно влиять на свойства пленок.

Толщиной итоговой пленки можно управлять через толщины отдельных слоев (31, 32) пленки и число n двойных пленок "проводящий металл/Al₂O₃+Al". Для элементов на ПАВ толщина итоговой пленки, как правило, составляет 50-200 нм; для других применений также можно получать и другую толщину, в частности большей величины.

За счет отдельного нанесения проводящего металла и обогащенного Al оксида алюминия, этот способ особенно хорошо подходит для проводящих металлов, которые чувствительны к окислению, либо когда их по другим причинам невозможно наносить на подложку одновременно с нанесением Al, которое происходит в окислительных условиях.

Нанесение пленок по слоям дополнительно позволяет создавать пленки с таким составом, который может меняться по их толщине. В этом случае соотношение "проводящий металл/обогащенный Al оксид алюминия", соотношение "Al/Al₂O₃" в алюмооксидных компонентах Al₂O₃+Al и/или состав проводящего металла можно менять в зависимости положения в комплекте наложенных друг на друга пленок. Таким образом, возможно, например, за счет подходящего изменения условий нанесения, окружать более сильно легированную алюминием и поэтому лучше проводящую пленку-сердцевину более оксидной, поддерживающей структуру и пассивирующей пленкой-оболочкой.

Во втором предпочтительном способе изготовления проводящий металл и обогащенные Al оксиды алюминия наносят одновременно как однородную пленку (30). Это можно выполнять, например, путем одновременного испарения или распыления с использованием нескольких источников в каждом случае, либо отдельного источника с соответствующим составом из двух или более металлов, в кислородсодержащей реакционноспособной атмосфере.

Этот способ отличается низкой стоимостью изготовления и оптимальными уровнями однородности пленки, но ограничивается проводящими металлами с низким сродством к кислороду, в частности, элементами платиновой группы.

Вне зависимости от выбранного типа нанесения, слой изменяется при нагреве до температур выше приблизительно 500°C.

Свободный Al частично образует сплав с проводящим металлом и, таким образом, влияет на свойства пленки, в частности электропроводность, частично диффундирует к ее поверхности и образует там пассивную пленку с кислородом из окружающей атмосферы (защитного газа) или материала подложки. В результате улучшается температурная устойчивость слоя.

В случае послойно нанесенных пленок нагрев до температур выше приблизительно 500°C, кроме того, вызывает рассмотренное выше смешивание отдельных пленок; как следствие этого, возникает практически однородная проводящая пленка (30). Полученные при помощи электронного микроскопа изображения поперечных сечений после термической обработки демонстрируют подобные однородные проводящие пленки, соответствующие пленке 30, показанной на Фиг. 1, также и при послойном нанесении (см. Фиг. 3) согласно указанному первым предпочтительному способу нанесения пленки.

Изменение пленок при высоких температурах вызывает изменение свойств пленок в течение первых часов воздействия температуры. В процессе эксплуатации этот эффект так называемой термотренировки ("приработки") может привести к изменению сигнала с течением времени или к помехам. По этой причине перед эксплуатацией для многих применений нанесенных пленок целесообразно подвергать их отдельному этапу отпуска, как правило, при температуре ≥600°C. В качестве альтернативы, также можно выполнять этот отпуск во время эксплуатации и либо мириться с возникающим в результате изменением сигнала, либо компенсировать его подходящим образом, например, посредством соответствующих алгоритмов обработки.

В этих двух предпочтительных способах изготовления перед нанесением проводящей пленки во избежание массообмена между подложкой и проводящей пленкой, как правило, целесообразно наносить на подложку диффузионный барьер, одновременно служащий также адгезионной пленкой. Оптимальная толщина адгезионной пленки/диффузионного барьера (21) в этом случае зависит от предъявляемых требований и используемых материалов; обычные значения толщины адгезионной пленки/диффузионного барьера находятся в диапазоне 5-30 нм. Пленка одновременно должна быть как можно более тонкой (Фиг. 3а), чтобы сохранить низкой общую высоту, а значит, и нагрузку на поверхность со стороны тонкопленочной металлической структуры, и достаточно толстой, чтобы действовать также в качестве надежного диффузионного барьера даже после вызванного температурой смешивания в комплекте наложенных друг на друга пленок. В частности, при использовании других химически несовместимых пар "проводящая пленка/подложка" часто необходимо сделать адгезионную пленку/диффузионный барьер толще, как показано в качестве примера на Фиг. 3b.

Чтобы улучшить термостойкость, может также оказаться целесообразным покрыть проводящую пленку отдельной пассивирующей покровной пленкой (22) (Фиг. 2 и 3b). В данном случае также часто полезно сделать пленку сравнительно толстой, чтобы гарантировать целостность покровной пленки даже после смешивания при высоких температурах.

Чтобы еще больше улучшить высокотемпературную стойкость пленки, а также подложки, часто выгодно наложить на тонкопленочную металлическую структуру и подложку (10, 11) сплошную, термически устойчивую, непроводящую пассивирующую пленку (23), как показано на Фиг. 2 в качестве примера элемента на ПАВ, в котором используются металлические структуры по изобретению; типичные значения толщины этих пассивирующих пленок находятся в диапазоне 5-30 нм.

Аналогично этому, может также оказаться полезным снабдить подложку сплошной, термически устойчивой, непроводящей пассивирующей подложку пленкой (24), как показано в качестве примера на Фиг. 3а.

Для этих дополнительных пленок, т.е. адгезионных пленок/диффузионных барьеров (21), покровных пленок (22) и пассивирующих пленок (23), особенно эффективным является использование тех же материалов, что и для структурных компонентов проводящей пленки, т.е. Al₂O₃ или Al₂O₃+Al. В качестве альтернативы, в равной степени можно использовать также и другие пригодные материалы, например, такие как SiO₂, ZrO₂ или SiAlON в качестве адгезионной пленки, диффузионного барьера, пассивирующей подложку пленки и/или пассивирующей покровной пленки.

Изобретение к электропроводным тонким пленкам с высокой термостойкостью. Электропроводные тонкопленочные металлические структуры с температурами длительной эксплуатации 300°C и выше представляют значительный практический интерес в ряде технических областей применения, например, таких как элементы на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Пленка состоит из смеси проводящего металла с высокой температурой плавления и обогащенных алюминием, нестехиометрических оксидов алюминия. Обогащенные алюминием оксиды алюминия действуют как термически стабилизирующие пленку проводящего металла компоненты; доля химически доступного алюминия может к тому же образовывать сплав с проводящим металлом и в результате позволяет целенаправленно влиять на существенные свойства пленки, например, такие как электропроводность. Таким образом, используя стандартные материалы и способы нанесения тонких пленок, можно экономически эффективным образом получать обладающие высокой электропроводностью и термостойкие пленки с хорошей структурируемостью и сравнительно низкой плотностью для широкого диапазона различных применений. 5 н. и 7 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Стойкая при высоких температурах, электропроводная тонкая пленка, пригодная для использования при повышенных температурах более 300°C, с толщиной ≤1 мкм для нанесения на твердую подложку, отличающаяся тем, что эта тонкая пленка состоит из смеси двух комплементарных компонентов: электропроводного материала (проводящего металла) с температурой плавления >1500°C и алюмооксидного компонента из богатых алюминием оксидов алюминия в виде обогащенных алюминием нестехиометрических оксидов или смесей оксид алюминия(III)/алюминий в качестве структурообразователя для проводящего металла.

2. Электропроводная тонкая пленка по п. 1, отличающаяся тем, что проводящий металл состоит из платины, палладия, молибдена, хрома, титана, тантала, вольфрама, иридия, родия или сплавов этих элементов.

3. Электропроводная тонкая пленка по п. 2, отличающаяся тем, что доля проводящего металла во всей тонкой пленке составляет по меньшей мере 50% (об./об.), предпочтительно - от 60% до 80% (об./об.).

4. Способ получения стойкой при высоких температурах, электропроводной тонкой пленки по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что проводящий металл и алюмооксидный компонент поочередно наносят на поверхность в виде тонких пленок проводящего металла и оксида алюминия соответствующих составов, предпочтительно каждая с толщиной от 5 нм до 20 нм, до достижения требуемой толщины пленки ≤1 мкм, и тем, что эти нанесенные пленки перед использованием подвергают этапу многочасового отпуска, как правило, при температуре 600°C или выше, за счет чего отдельные пленки перемешиваются, так что образуется смесь алюмооксидного компонента и проводящего металла.

5. Способ получения стойкой при высоких температурах, электропроводной тонкой пленки по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что проводящий металл и алюмооксидный компонент наносят на поверхность одновременно, в частности, путем одновременного испарения или распыления проводящего металла и металлического алюминия в окислительной атмосфере реакционноспособного газа.

6. Способ по п. 4 или 5, отличающийся тем, что до и/или после нанесения электропроводной тонкой пленки на подложку и/или электропроводную(ые) тонкую(ие) пленку(и) наносят дополнительные адгезионные пленки, диффузионные барьеры и/или покровные пленки.

7. Стойкий при высоких температурах элемент, содержащий подложку и нанесенную на нее электропроводную тонкую пленку по любому из пп. 1-3.

8. Элемент по п. 7, отличающийся тем, что между подложкой и электропроводной тонкой пленкой расположен адгезионный слой и/или диффузионный барьер, предпочтительно, на основе оксида алюминия.

9. Элемент по п. 7 или 8, отличающийся тем, что тонкая пленка и/или подложка покрыты по меньшей мере одной пассивирующей покровной пленкой, предпочтительно на основе оксида алюминия.

10. Элемент на поверхностных акустических волнах (ПАВ), в частности, для использования при повышенных температурах, составляющих 300°C и выше, содержащий пьезоэлектрическую подложку и нанесенную на нее электропроводную тонкую пленку по любому из пп. 1-3.

11. Элемент на ПАВ по п. 10, в частности, для использования при повышенных температурах, составляющих 300°C и выше, отличающийся тем, что пьезоэлектрическая подложка выбрана из группы:
- термически устойчивые материалы из семейства LGX, в частности, лангасит (La₃Ga₅SiO₁₄), ланганит (La₃Ga_5,5Nb_0,5O₁₄) или ланганат (La₃O_5,5Та_0,5О₁₄), либо их замещенные изоморфные соединения, например, такие как La₃Ga_5,25Ta_0,25Si_0,5O₁₄ или La₃Ga₅Zr_0,5Si_0,5O₁₄; или
- структурно изоморфные соединения общего состава A₃BC₃Si₂O₁₄, например, такие как Sr₃TaGa₃Si₂O₁₄, Sr₃NbGa₃Si₂O₁₄, Ca₃TaGa₃Si₂O₁₄ или Ca₃TaAl₃Si₂O₁₄; или
- оксиборат лантаноида-кальция, в частности, GdCA₄O(BO₃)₃, YCa₄O(BO₃)₃ или LaCa₄O(BO₃)₃; или
- ниобаты лития (LiNbO_x, х≈3); или
- ортофосфат галлия (GaPO₄).

12. Элемент на ПАВ по п. 10, в частности, для использования при повышенных температурах, составляющих 300°C и выше, отличающийся тем, что пьезоэлектрическая подложка образована из нитрида металла AlN или GaN, выращенного на непьезоэлектрической подложке.