AlSc材料在5G濾波器中的應用
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摻雜Sc的AlN薄膜因其壓電性能的顯著提升而備受關注
5G通信中的帶寬都在GHz范圍豺研，明顯高于目前的蜂窩服務堕圾。這些更高的頻率使得使用體聲波(BAW)技術來開發(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諧振器足沥，其頻率和帶寬由壓電元件的幾何形狀烈菌、壓電材料的特性宴亦、薄膜厚度以及相關電極的幾何形狀和特性決定监昏。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)因子儡矫。
目前圈蔬，薄膜體聲波諧振器常用的壓電材料有ZnO、PZT角殃、AlN杆谓。其中，AlN與CMOS工藝的兼容性最好桨檬，而且AlN沒有工業(yè)界FAB廠擔心的Zn匿胎、Pb端葵、Zr元素與其他元素結(jié)合的污染众凝。近十年來，AlN壓電薄膜及其器件的制備技術不斷提高新框，成熟產(chǎn)品已應用于通信領域倍工。然而，摻雜Sc的AlN薄膜因其壓電性能的顯著提升而備受關注公般。
研究表明万搔，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倍官帘，其最大相對寬度也由3%提升至7.7%瞬雹。而后者對于已經(jīng)分配的新的更寬的5G帶寬尤為重要，并能帶來更多通信頻段的益處刽虹。
但是酗捌，當Sc摻入量超過43 at%時，AlScN的晶格會由類似AlN的六方纖鋅結(jié)構(gòu)開始轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃芐cN的立方巖鹽結(jié)構(gòu)的晶相涌哲，而漸漸失去其壓電性能胖缤。因此，Sc含量接近43%的AlScN表現(xiàn)出最大的壓電響應阀圾。在含氮氣氛中哪廓，AlSc合金靶材能反應濺射制備出AlScN薄膜狗唉。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涡真，因此制備AlSc合金濺射靶極具挑戰(zhàn)性音哟。金屬間合金使得該體系在采用傳統(tǒng)工藝制造時容易出現(xiàn)裂紋。
盡管如此吟因，Materion公司通過近8年的研究和開發(fā)蝠兽，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)實現(xiàn)商業(yè)化厂跋，到2020年底將能供應Sc含量30at%的AlSc靶材警综。
制備AlScN薄膜的方法及探索方向
目前制備AlScN薄膜的方法主要有兩種:
一．A l靶和Sc靶共同濺射
通過調(diào)節(jié)各個靶的濺射功率，制備不同化學配比的AlScN薄膜猫降。在沉積過程中通入N2呵寂，使濺射出的Al和Sc原子與N原子反應，再在基底上沉積出AlScN薄膜淫沧。然而豌魏，與兩個靶之間的空間距離會引成薄膜中成分和相分布的變化，因而這種方法常用于實驗室開創(chuàng)性研究院抛。誠然唉私，其薄膜的化學比和相組成會有較大的波動，其均勻性不易控制染突。
通過濺射合金靶材捻爷，濺射出靶表面的化學成分和相組成均勻一致，與N反應沉積的AlScN薄膜也具有均勻一致的化學比和相組成份企。這確保了大規(guī)模生產(chǎn)中的工藝穩(wěn)定性也榄，典型適用于工業(yè)大規(guī)模量產(chǎn)。
對于濺射制備的AlScN薄膜司志，尤其是具有高壓電性能的高Sc含量的AlScN薄膜甜紫，還有以下幾個方面需要探索和優(yōu)化。1. AlScN薄膜大晶粒生長的非c軸取向?qū)弘娦阅苡胁焕绊懧钤叮瑧苊狻?/span>2. AlScN薄膜中殘余應力的優(yōu)化囚霸。
許多研究正在進行中激才，以促進高Sc含量的AlScN壓電薄膜在商業(yè)器件上的應用拓型。期望這種AlScN壓電薄膜技術的發(fā)展，將促成超出BAW器件范圍涵蓋從壓電麥克風到下一代汽車傳感器等新器件的發(fā)展贸营。
Materion是一家擁有100多年高品質(zhì)定制產(chǎn)品和服務經(jīng)驗的全球制造公司吨述。它擁有33個制造和銷售網(wǎng)點，服務于50多個國家。公司致力于為新興技術市場提供服務阅王，如半導體湖生、LED、無線通信培扳、顯示器澳敞、光學、存儲硫薇、清潔能源宴宠、工業(yè)和醫(yī)藥。
Materion 公司應用材料事業(yè)部在美國但治、德國和新加坡?lián)碛?個濺射靶材制造廠碾危。Materion公司創(chuàng)造了一種獨特的技術來制造高純度、高Sc的AlSc合金靶材习诬，并且可以將O含量控制在一個非常低的范圍內(nèi)丛铅。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零短。此外壤趴，Materion與業(yè)內(nèi)各大OEM廠商都有著廣泛深入的合作。
內(nèi)容來源：言智 博士
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