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，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沒有工業(yè)界FAB廠擔心的Zn、Pb、Zr元素與其他元素結(jié)合的污染。近十年來，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，其最大相對寬度也由3%提升至7.7%。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。

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，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)。在含氮氣氛中，AlSc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)工藝制造時容易出現(xiàn)裂紋。

盡管如此，Materion公司通過近8年的研究和開發(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。通過調(diào)節(jié)各個靶的濺射功率，制備不同化學配比的AlScN薄膜。在沉積過程中通入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，與兩個靶之間的空間距離會引起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。誠然，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。

2. AlSc合金靶濺射。通過濺射合金靶材，濺射出靶表面的化學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?，?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。

許多研究正在進行中，以促進高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到下一代汽車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)驗的全球制造公司。它擁有33個制造和銷售網(wǎng)點，服務(wù)于50多個國家。公司致力于為新興技術(shù)市場提供服務(wù)，如半導體、LED、無線通信、顯示器、光學、存儲、清潔能源、工業(yè)和醫(yī)藥。

Materion公司先進材料事業(yè)部在美國、德國和新加坡?lián)碛?個靶材制造廠。Materion公司創(chuàng)造了一種獨特的技術(shù)來制造高純度、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