氮化鋁（AlN）具有優(yōu)良的物理化學(xué)特性以及與標(biāo)準(zhǔn)CMOS晶硅技術(shù)的兼容性，且在多方面性能上優(yōu)于氧化鋅（ZnO）和鋯鈦酸鉛（PZT），因此成為最受關(guān)注的壓電材料之一。AlN壓電薄膜表現(xiàn)出合適的機(jī)電耦合系數(shù)、高縱波聲速、大楊氏模量和高熱導(dǎo)率等特點(diǎn)，隨著制備工藝和材料微結(jié)構(gòu)調(diào)控技術(shù)的快速發(fā)展，使其成為5G時(shí)代聲波諧振器中的關(guān)鍵電子材料。

AlN壓電薄膜的成膜質(zhì)量直接決定器件的工作頻率、Q值和可靠性。制備AlN薄膜的方法很多，包括磁控濺射、脈沖激光沉積、分子束外延、化學(xué)氣相沉積等。近些年來(lái)，人們?cè)诖趴貫R射法制備AlN薄膜及其微結(jié)構(gòu)調(diào)控方面取得重要進(jìn)展，該制備方法具有成膜質(zhì)量好、沉積速率高以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，已成為這類(lèi)薄膜的首選制備方法。AlN薄膜定向生長(zhǎng)受濺射功率、工作氣壓和N2/Ar流量比等多重因素影響，因此提高薄膜取向性相對(duì)復(fù)雜。降低薄膜應(yīng)力一般通過(guò)簡(jiǎn)單地調(diào)節(jié)Ar氣流量來(lái)實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)楸∧?yīng)力對(duì)Ar氣流量變化極為敏感。而表面粗糙度和膜厚均勻性等主要受到濺射功率和工作氣壓影響。除了反應(yīng)磁控濺射基本參數(shù)外，基底放置方向、基底材料、基底清潔度、退火溫度和氣氛等對(duì)薄膜的結(jié)晶及擇優(yōu)取向的影響也十分顯著。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在AlN壓電薄膜的新工藝開(kāi)發(fā)、設(shè)備優(yōu)化、器件應(yīng)用和性能檢測(cè)等方面開(kāi)展了大量的研究，針對(duì)相關(guān)研究?jī)?nèi)容，湖北工業(yè)大學(xué)芯片產(chǎn)業(yè)學(xué)院馬國(guó)新教授等研究人員進(jìn)行了綜述分析，在《材料導(dǎo)報(bào)》期刊發(fā)表了題為“適用聲波諧振器的磁控濺射制備AIN薄膜優(yōu)化技術(shù)”的綜述文章，圍繞影響AlN壓電薄膜在聲波諧振器應(yīng)用的主要物理指標(biāo)進(jìn)行了說(shuō)明，并系統(tǒng)分析了反應(yīng)磁控濺射法中的濺射功率、氣體分壓、基底溫度等關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)其影響的規(guī)律；最后，對(duì)AlN薄膜研究中亟待解決的問(wèn)題以及未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

AlN薄膜質(zhì)量的提升

為了有效提高聲波諧振器的機(jī)電耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)等，當(dāng)前除了對(duì)AlN薄膜進(jìn)行摻雜改性之外，通過(guò)濺射功率、氣體分壓等關(guān)鍵工藝參數(shù)優(yōu)化，可以獲得高c軸結(jié)晶取向性、小薄膜應(yīng)力、低表面粗糙度等物理性能的壓電薄膜。圖1顯示了其腔內(nèi)的反應(yīng)濺射生成AlN薄膜的過(guò)程（以工作氣體Ar氣為例）。可以看出，腔內(nèi)磁場(chǎng)分布對(duì)反應(yīng)濺射過(guò)程有重要影響。

圖1 腔內(nèi)的反應(yīng)濺射生成AlN薄膜的一般過(guò)程

大量的研究數(shù)據(jù)表明，控制通入的氣體流量是實(shí)現(xiàn)AlN晶面擇優(yōu)取向的又一種有效途徑。除了反應(yīng)磁控濺射基本參數(shù)外，研究人員還發(fā)現(xiàn)基底放置方向、基底材料種類(lèi)、基底清潔度、退火溫度和氣氛等對(duì)薄膜的結(jié)晶及擇優(yōu)取向的影響也十分顯著。例如，Kamohara等人在硅基底上引入了一層AlN的種子層，可以提高鉬（Mo）電極的成膜質(zhì)量，從而改善了AlN（002）柱狀晶的形貌，如圖2所示。

圖2 （a）沉積在Mo/AlN/Si基底上的AlN薄膜TEM圖；（b）選擇AlN薄膜區(qū)域的電子衍射圖樣；（c）選擇Mo薄膜區(qū)域的電子衍射圖樣；（d）AlN/Mo/AlN的纖維織構(gòu)原理

薄膜應(yīng)力是制備薄膜過(guò)程中普遍存在的現(xiàn)象，其大小不僅會(huì)影響薄膜附著力和力學(xué)性能，而且直接決定了聲波諧振器的加工性，以及影響器件的機(jī)電耦合系數(shù)kt2。較小的薄膜應(yīng)力有利于提高器件的良率、穩(wěn)定性和可靠性。因此，在保證AlN薄膜具有較好壓電性能的同時(shí)，還需要盡量減小薄膜的應(yīng)力，提高器件加工性和可靠性。例如，杜波克等人研究了Ar氣流量變化對(duì)Sc0.2AI0.8N薄膜應(yīng)力的影響，其薄膜應(yīng)力很容易控制在± 200 MPa以?xún)?nèi)，可以滿足器件的高一致性要求。

壓電薄膜的厚度直接決定器件的工作頻率。降低壓電薄膜的表面粗糙度和提高厚度均勻性是獲得高質(zhì)量薄膜的重要途徑。影響薄膜表面粗糙度的因素很多，包括濺射功率、工作氣壓、襯底溫度以及后處理工藝等。例如，Iriarte等人測(cè)量了Si（111）基底上生長(zhǎng)的AlN薄膜表面粗糙度，發(fā)現(xiàn)電鏡探針的掃描面積越大，粗糙度就越大，甚至產(chǎn)生數(shù)倍的誤差。測(cè)量精度的提升和測(cè)量方式的標(biāo)準(zhǔn)化仍然是未來(lái)需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

AlN薄膜沉積速率的控制

在聲波諧振器產(chǎn)線上，對(duì)于工程師而言，提高薄膜的沉積速率是大規(guī)模制備薄膜過(guò)程中需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)因素。在保證薄膜結(jié)晶質(zhì)量的前提下，較大的沉積速率可以提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

目前國(guó)內(nèi)磁控濺射法制備AlN薄膜的性能指標(biāo)與國(guó)外并沒(méi)有明顯的差距，只是在薄膜后加工以及應(yīng)用層面上還存在不足。此外，由于工藝條件、厚度和測(cè)量方法的不同，壓電系數(shù)的測(cè)量值也有所不同。目前采用的方法包括電容量法和干涉儀法。一般而言，壓電系數(shù)的有效測(cè)量值會(huì)隨著薄膜厚度的增加而增加。對(duì)于電容法，由于電極與壓電薄膜之間產(chǎn)生了界面電容，導(dǎo)致其測(cè)量值明顯偏大。而采用干涉儀法獲得的薄膜壓電系數(shù)在3.00 ~ 5.15 pm/v，相對(duì)可靠。

研究展望

由于知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)完成度不充分帶來(lái)的技術(shù)機(jī)會(huì)，以及5G新頻段大幅增加帶來(lái)的商業(yè)機(jī)會(huì)，薄膜體聲波諧振器（FBAR）成為各方爭(zhēng)奪的重點(diǎn)。當(dāng)前，面向5G應(yīng)用的C波段FBAR技術(shù)逐漸成熟，達(dá)到量產(chǎn)條件，然而對(duì)于未來(lái)更高頻率的X波段FBAR開(kāi)發(fā)（8 ~ 12 GHz），還處于研發(fā)的初期階段。這是因?yàn)閄波段FBAR需要更薄的薄膜、更好的壓電性能和更高的質(zhì)量（薄膜應(yīng)力更小、取向性更好、表面更光滑等）。這勢(shì)必導(dǎo)致薄膜的制備和光刻工藝要求更高，提升FBAR良品率更為困難。磁控濺射法比其他的薄膜沉積方法所需的沉積溫度要低，薄膜的沉積速率適中，可以有效控制AlN薄膜的質(zhì)量等，使其成為產(chǎn)業(yè)界大面積薄膜制備和改性的主要手段之一。

目前FBAR中的AlN基壓電薄膜更多采用磁控濺射等低成本工藝，面對(duì)FBAR高頻化和集成化的發(fā)展趨勢(shì)，AlN壓電薄膜的研究進(jìn)展并不能完全適應(yīng)未來(lái)發(fā)展的需要。針對(duì)上述問(wèn)題，后續(xù)可以開(kāi)展三個(gè)方面的工作：

（1）克服AlN等薄膜向更薄方向發(fā)展所帶來(lái)的取向性和表面平整性等問(wèn)題，可以從離子到達(dá)基底動(dòng)能以及在基底表面運(yùn)動(dòng)的生長(zhǎng)過(guò)程出發(fā)，建立薄膜表面/界面結(jié)構(gòu)的物理模型，采用分子動(dòng)力學(xué)或第一性原理方法深入研究微結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論依據(jù)。

（2）基于AlN薄膜制備的成熟工藝，對(duì)其進(jìn)行摻雜改性，提高壓電性能，滿足更高頻應(yīng)用場(chǎng)景的需要。對(duì)AlN薄膜進(jìn)行高濃度的Sc或者Er摻雜等，提高其壓電系數(shù)及聲波諧振器的機(jī)電耦合系數(shù)。但是薄膜的結(jié)晶性能仍然較差，由此制作的FBAR可靠性仍然有待提升。此外，高濃度Sc或者Er摻雜的微觀機(jī)理，目前尚存在爭(zhēng)論，有待后期深入研究。

（3）深入開(kāi)展AlN薄膜的表征技術(shù)研究。從目前的文獻(xiàn)來(lái)看，涉及AlN薄膜的表征技術(shù)很多，包括XRD、SEM、AFM、XPS、膜厚儀、應(yīng)力測(cè)試儀和壓反應(yīng)力顯微鏡等，但是對(duì)測(cè)量結(jié)果可靠性的探討卻很少。進(jìn)一步加強(qiáng)AlN薄膜的表征技術(shù)研究，可以促進(jìn)薄膜制備工藝技術(shù)的發(fā)展，對(duì)獲得高質(zhì)量AlN薄膜具有重要意義。總體而言，除通過(guò)控制濺射功率、氮分壓和基底溫度等磁控濺射工藝參數(shù)外，還需要從理論仿真、材料改性和表征技術(shù)等方向上進(jìn)一步推進(jìn)壓電薄膜制備工藝的發(fā)展，滿足后5G時(shí)代通信技術(shù)的需要。

審核編輯：劉清