5G通信中的帶寬都在GHz范圍，明顯高于目前的蜂窩服務(wù)。這些更高的頻率使得使用體聲波（BAW）技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)新一代射頻濾波器成為必然。BAW濾波器是一種基于壓電的聲學(xué)諧振器，其頻率和帶寬由壓電元件的幾何形狀、壓電材料的特性、薄膜厚度以及相關(guān)電極的幾何形狀和特性決定。與傳統(tǒng)的聲表面波諧振器相比，薄膜體聲波諧振器具有更高的諧振頻率和品質(zhì)因子。

AlSc相圖以及BAW和MEMS的應(yīng)用

目前，薄膜體聲波諧振器常用的壓電材料有ZnO、PZT、AlN。其中，AlN與CMOS工藝的兼容性最好，而且AlN沒(méi)有工業(yè)界FAB廠(chǎng)擔(dān)心的Zn、Pb、Zr元素與其他元素結(jié)合的污染。近十年來(lái)，AlN壓電薄膜及其器件的制備技術(shù)不斷提高，成熟產(chǎn)品已應(yīng)用于通信領(lǐng)域。然而，摻雜Sc的AlN薄膜因其壓電性能的顯著提升而備受關(guān)注。

研究表明，摻雜35 at% Sc的AlN可以使壓電性能Keff2提升至15.5%，是純AlN的keff2（6%）的2.6倍，其最大相對(duì)寬度也由3%提升至7.7%。而后者對(duì)于已經(jīng)分配的新的更寬的5G帶寬尤為重要，并能帶來(lái)更多通信頻段的益處。

AlN壓電性能隨Sc元素的變化

M. Akiyama, et al. Appl. Phys. Lett. 95, 162107 (2009)

AlScN 晶體結(jié)構(gòu)（Sc≤43 at%）

但是，當(dāng)Sc摻入量超過(guò)43 at%時(shí)，AlScN的晶格會(huì)由類(lèi)似AlN的六方纖鋅結(jié)構(gòu)開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)轭?lèi)似ScN的立方巖鹽結(jié)構(gòu)的晶相，而漸漸失去其壓電性能。因此，Sc含量接近43%的AlScN表現(xiàn)出最大的壓電響應(yīng)。在含氮?dú)夥罩校珹lSc合金靶材能反應(yīng)濺射制備出AlScN薄膜。由于Sc在鋁中的溶解度極低，且合金體系中存在大量脆性金屬間合金，因此制備AlSc合金濺射靶極具挑戰(zhàn)性。金屬間合金使得該體系在采用傳統(tǒng)工藝制造時(shí)容易出現(xiàn)裂紋。

盡管如此，Materion公司通過(guò)近8年的研究和開(kāi)發(fā)，成功地研發(fā)出了高Sc含量的AlSc合金產(chǎn)品。Materion公司的AlSc靶材已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，到2020年底將能供應(yīng)Sc含量30 at%的AlSc靶材。

目前制備AlScN薄膜的方法主要有兩種：

1. Al靶和Sc靶共同濺射。通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)靶的濺射功率，制備不同化學(xué)配比的AlScN薄膜。在沉積過(guò)程中通入N?，使濺射出的Al和Sc原子與N原子反應(yīng)，再在基底上沉積出AlScN薄膜。然而，與兩個(gè)靶之間的空間距離會(huì)引起膜中成分和相分布的變化，因而這種方法常用于實(shí)驗(yàn)室開(kāi)創(chuàng)性研究。誠(chéng)然，其薄膜的化學(xué)比和相組成會(huì)有較大的波動(dòng)，其均勻性不易控制。

2. AlSc合金靶濺射。通過(guò)濺射合金靶材，濺射出靶表面的化學(xué)成分和相組成均勻一致，與N反應(yīng)沉積的AlScN薄膜也具有均勻一致的化學(xué)比和相組成。這確保了大規(guī)模生產(chǎn)中的工藝穩(wěn)定性，典型適用于工業(yè)大規(guī)模量產(chǎn)。

對(duì)于濺射制備的AlScN薄膜，尤其是具有高壓電性能的高Sc含量的AlScN薄膜，還有以下幾個(gè)方面需要探索和優(yōu)化。

1. AlScN薄膜大晶粒生長(zhǎng)的非c軸取向?qū)弘娦阅苡胁焕绊?，?yīng)避免。

2. AlScN薄膜中殘余應(yīng)力的優(yōu)化。

3. AlScN薄膜的蝕刻工藝。

許多研究正在進(jìn)行中，以促進(jìn)高Sc含量的AlScN壓電薄膜在商業(yè)器件上的應(yīng)用。期望這種AlScN壓電薄膜技術(shù)的發(fā)展，將促成超出BAW器件范圍涵蓋從壓電麥克風(fēng)到下一代汽車(chē)傳感器等新器件的發(fā)展。

Materion是一家擁有100多年高品質(zhì)定制產(chǎn)品和服務(wù)經(jīng)驗(yàn)的全球制造公司。它擁有33個(gè)制造和銷(xiāo)售網(wǎng)點(diǎn)，服務(wù)于50多個(gè)國(guó)家。公司致力于為新興技術(shù)市場(chǎng)提供服務(wù)，如半導(dǎo)體、LED、無(wú)線(xiàn)通信、顯示器、光學(xué)、存儲(chǔ)、清潔能源、工業(yè)和醫(yī)藥。

Materion公司先進(jìn)材料事業(yè)部在美國(guó)、德國(guó)和新加坡?lián)碛?個(gè)靶材制造廠(chǎng)。Materion公司創(chuàng)造了一種獨(dú)特的技術(shù)來(lái)制造高純度、高Sc的AlSc合金靶材，并且可以將O含量控制在一個(gè)非常低的范圍內(nèi)。由Materion制備的AlSc靶的元素和相組成的分布均勻性從靶材中心到邊緣，以及橫貫靶厚度各區(qū)域都得到了很好的控制。此外，Materion與業(yè)內(nèi)各大OEM廠(chǎng)商都有著廣泛深入的合作。

我們期待與行業(yè)內(nèi)合作伙伴共同開(kāi)發(fā)AlSc新產(chǎn)品的新應(yīng)用。

聯(lián)系方式：AMCHINA.Service@materion.com

Materion的AlSc靶材