Materion浅谈AlSc材料在5G滤波器中的应用
2020-06-24 08:45:46   来源：Materion   评论：0   点击：

作者：言智 博士

5G通信中的带宽都在GHz范围，明显高于目前的蜂窝服务。这些更高的频率使得使用体声波（BAW）技术来开发新一代射频滤波器成为必然。BAW滤波器是一种基于压电的声学谐振器，其频率和带宽由压电元件的几何形状、压电材料的特性、薄膜厚度以及相关电极的几何形状和特性决定。与传统的声表面波谐振器相比，薄膜体声波谐振器具有更高的谐振频率和品质因子。

AlSc相图以及BAW和MEMS的应用

目前，薄膜体声波谐振器常用的压电材料有ZnO、PZT、AlN。其中，AlN与CMOS工艺的兼容性最好，而且AlN没有工业界FAB厂担心的Zn、Pb、Zr元素与其他元素结合的污染。近十年来，AlN压电薄膜及其器件的制备技术不断提高，成熟产品已应用于通信领域。然而，掺杂Sc的AlN薄膜因其压电性能的显著提升而备受关注。

研究表明，掺杂35 at% Sc的AlN可以使压电性能Keff²提升至15.5%，是纯AlN的keff²（6%）的2.6倍，其最大相对宽度也由3%提升至7.7%。而后者对于已经分配的新的更宽的5G带宽尤为重要，并能带来更多通信频段的益处。

AlN压电性能随Sc元素的变化

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

AlScN 晶体结构（Sc≤43 at%）

但是，当Sc掺入量超过43 at%时，AlScN的晶格会由类似AlN的六方纤锌结构开始转变为类似ScN的立方岩盐结构的晶相，而渐渐失去其压电性能。因此，Sc含量接近43%的AlScN表现出最大的压电响应。在含氮气氛中，AlSc合金靶材能反应溅射制备出AlScN薄膜。由于Sc在铝中的溶解度极低，且合金体系中存在大量脆性金属间合金，因此制备AlSc合金溅射靶极具挑战性。金属间合金使得该体系在采用传统工艺制造时容易出现裂纹。

尽管如此，Materion公司通过近8年的研究和开发，成功地研发出了高Sc含量的AlSc合金产品。Materion公司的AlSc靶材已经实现商业化，到2020年底将能供应Sc含量30 at%的AlSc靶材。

目前制备AlScN薄膜的方法主要有两种：

1. Al靶和Sc靶共同溅射。通过调节各个靶的溅射功率，制备不同化学配比的AlScN薄膜。在沉积过程中通入N₂，使溅射出的Al和Sc原子与N原子反应，再在基底上沉积出AlScN薄膜。然而，与两个靶之间的空间距离会引起膜中成分和相分布的变化，因而这种方法常用于实验室开创性研究。诚然，其薄膜的化学比和相组成会有较大的波动，其均匀性不易控制。

2. AlSc合金靶溅射。通过溅射合金靶材，溅射出靶表面的化学成分和相组成均匀一致，与N反应沉积的AlScN薄膜也具有均匀一致的化学比和相组成。这确保了大规模生产中的工艺稳定性，典型适用于工业大规模量产。

对于溅射制备的AlScN薄膜，尤其是具有高压电性能的高Sc含量的AlScN薄膜，还有以下几个方面需要探索和优化。

1. AlScN薄膜大晶粒生长的非c轴取向对压电性能有不利影响，应避免。

2. AlScN薄膜中残余应力的优化。

3. AlScN薄膜的蚀刻工艺。

许多研究正在进行中，以促进高Sc含量的AlScN压电薄膜在商业器件上的应用。期望这种AlScN压电薄膜技术的发展，将促成超出BAW器件范围涵盖从压电麦克风到下一代汽车传感器等新器件的发展。

Materion是一家拥有100多年高品质定制产品和服务经验的全球制造公司。它拥有33个制造和销售网点，服务于50多个国家。公司致力于为新兴技术市场提供服务，如半导体、LED、无线通信、显示器、光学、存储、清洁能源、工业和医药。

Materion公司先进材料事业部在美国、德国和新加坡拥有7个靶材制造厂。Materion公司创造了一种独特的技术来制造高纯度、高Sc的AlSc合金靶材，并且可以将O含量控制在一个非常低的范围内。由Materion制备的AlSc靶的元素和相组成的分布均匀性从靶材中心到边缘，以及横贯靶厚度各区域都得到了很好的控制。此外，Materion与业内各大OEM厂商都有着广泛深入的合作。