隨著5G通信技術(shù)的快速發(fā)展，智能手機對射頻前端濾波器的需求急劇增加，聲表面波（SAW）濾波器因其高聲速、高機電耦合系數(shù)和低溫漂特性成為研究熱點。傳統(tǒng)LiTaO?等單晶材料存在成本高、聲速低、溫漂大等問題，而基于AlN的壓電薄膜SAW濾波器具有成本低、易于集成、性能可調(diào)等優(yōu)勢，逐漸成為主流選擇。然而，純AlN薄膜的壓電常數(shù)（d33）和機電耦合系數(shù)（kt）較低，限制了其在高精度傳感器和寬帶濾波器中的應(yīng)用。目前最有效的改進(jìn)途徑是通過元素?fù)诫s提升其壓電性能。Flexfilm全光譜橢偏儀可以非接觸對薄膜的厚度與折射率的高精度表征，廣泛應(yīng)用于薄膜材料、半導(dǎo)體和表面科學(xué)等領(lǐng)域。

本文系統(tǒng)研究了Er/Sc共摻AlN薄膜的制備工藝及其性能調(diào)控方法。通過有限元法仿真靶材表面磁場分布，結(jié)合磁場強度與濺射效率的正相關(guān)關(guān)系，設(shè)計了鑲嵌靶中金屬錠的排列方式，從而實現(xiàn)對Er/Sc摻雜含量的精確控制。

1

鑲嵌靶結(jié)構(gòu)設(shè)計與薄膜制備

flexfilm

靶材設(shè)計

為實現(xiàn)Er/Sc含量的可控?fù)诫s，本研究采用鑲嵌靶結(jié)構(gòu)，避免合金靶的成本高、成分不均勻等問題。利用COMSOL軟件對磁控濺射靶材表面磁場進(jìn)行有限元仿真，獲取磁場強度分布。仿真結(jié)果顯示，磁場強度與濺射效率呈正相關(guān)，通過擬合濺射效率分布函數(shù)確定刻蝕跑道中心線位置（z=28 mm），并以此為依據(jù)設(shè)計鑲嵌孔布局。

鑲嵌靶采用高純Al靶（?106 mm×5 mm）為基礎(chǔ)，在其表面按設(shè)計位置鑲嵌Er、Sc、Al金屬錠（尺寸均為?8 mm×5 mm）。靶材表面經(jīng)精密加工，確保錠與靶面齊平，避免濺射過程中的尖端放電問題。

薄膜制備工藝

薄膜制備過程包括以下步驟：

襯底（單晶α-Al?O?）與靶材的清洗處理；

濺射腔室與托盤的清潔與打磨；

鑲嵌靶組裝與安裝；

高真空條件下進(jìn)行反應(yīng)磁控濺射（背景真空度≤4.5×10?? Pa）；

工藝參數(shù)優(yōu)化，采用正交實驗法確定最佳濺射條件。

2

Er/Sc比例對薄膜結(jié)晶質(zhì)量的影響

flexfilm

薄膜的XRD圖譜

FWHM隨Er/Sc比例的變化

XRD分析顯示，所有薄膜均呈現(xiàn)明顯的（002）擇優(yōu)取向。隨著Er含量增加，（002）峰位向左偏移，表明c軸晶格常數(shù)增大。當(dāng)Er含量進(jìn)一步升高至單摻Er時，峰位右移，晶格常數(shù)減小，說明Er原子占據(jù)晶格間隙導(dǎo)致結(jié)構(gòu)畸變。FWHM值隨Er/Sc比例增加而降低，表明Er的摻入有利于緩解薄膜與襯底間的晶格失配，促進(jìn)c軸取向生長。

3

薄膜厚度與表面粗糙度

flexfilm

A薄膜的沉積速率/氮氣含量比值與濺射氣壓/氮氣含量比值C:a- h）AFM圖i）為膜厚與薄膜粗糙度

利用SEM在20000倍下測量薄膜斷面，并通過橢偏光譜擬合，分別獲得了不同Er/Sc比例薄膜的厚度數(shù)據(jù)：薄膜厚度隨Er/Sc比例增加而減小，沉積速率同步下降。AFM測試表明，薄膜表面粗糙度與厚度呈正比，厚度越大，粗糙度越高，這與晶粒尺寸的細(xì)化有關(guān)。較低的表面粗糙度有利于減少聲表面波器件的插入損耗。

4

Er/Sc比例對薄膜應(yīng)力的影響

flexfilm

薄膜的拉曼光譜

薄膜的應(yīng)力隨Er/Sc比例的變化

拉曼光譜分析顯示，所有薄膜均保持良好的結(jié)晶性。壓應(yīng)力隨Er/Sc比例的變化所示：在相同工藝參數(shù)下，壓應(yīng)力隨Er含量增加先上升后下降，在Er/Sc≈1:1時達(dá)到最大值。應(yīng)力變化與薄膜缺陷密度密切相關(guān)，反映了摻雜對晶體結(jié)構(gòu)的影響。

本文通過反應(yīng)磁控濺射與鑲嵌靶設(shè)計，成功制備了不同Er/Sc比例的AlN薄膜，并系統(tǒng)研究了其結(jié)構(gòu)、厚度、粗糙度與應(yīng)力等關(guān)鍵性能。研究表明：Er含量是影響薄膜結(jié)晶質(zhì)量（FWHM）的主導(dǎo)因素；薄膜厚度與沉積速率隨Er/Sc比例增加而下降；表面粗糙度與厚度呈正相關(guān)；薄膜壓應(yīng)力隨Er含量呈現(xiàn)先增后減的趨勢。本研究為Er/Sc共摻AlN薄膜在高性能SAW濾波器與傳感器中的應(yīng)用提供了重要的工藝基礎(chǔ)與理論支持。

Flexfilm全光譜橢偏儀

flexfilm

全光譜橢偏儀擁有高靈敏度探測單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測量和分析光伏領(lǐng)域中單層或多層納米薄膜的層構(gòu)參數(shù)（如厚度）和物理參數(shù)（如折射率n、消光系數(shù)k）

• 先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)補償器測量技術(shù)：無測量死角問題。
• 粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測量：先進(jìn)的光能量增強技術(shù)，高信噪比的探測技術(shù)。
• 秒級的全光譜測量速度：全光譜測量典型5-10秒。
• 原子層量級的檢測靈敏度：測量精度可達(dá)0.05nm。

Flexfilm全光譜橢偏儀能非破壞、非接觸地原位精確測量超薄圖案化薄膜的厚度、折射率,結(jié)合費曼儀器全流程薄膜測量技術(shù)，助力半導(dǎo)體薄膜材料領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展。