AlScN压电薄膜制造3.5 ghz固态谐振器

现代无线通信设备依赖于先进的射频微电子机械设备。2020欧洲杯下注官网无线通信有多种应用，如汽车和航空用移动通信设备、全球定位系统(GPS)、军用卫星等。

图片来源:Fit Ztudio/Shutterstock.com

随着第五代移动通信技术(5G)的出现，无线设备中使用的滤波器的频谱、质量和特性在更高频段变得更加重要。

声波滤波器在这方面的应用更为广泛，可分为表面声波(SAW)滤波器和体声波(BAW)滤波器。BAW滤波器可以轻松实现超过2ghz的高频范围，并具有更小的体积、优良的设备特性、更高的功率耐久性和更宽的应用频率范围。

这使得它们在未来的移动通信应用中具有很高的价值。

BAW谐振器包括压电薄膜，其表面蚀刻、背面蚀刻和牢固安装的结构通常用于防止基片的声波能量损失。

固体安装谐振器(SMRs)包括一个布拉格反射器，它可以防止声波能量从衬底逃逸，或者将声波能量反射回压电层，以确保稳定的结构和高产量。

BAW器件主要以氮化铝(AlN)和氧化锌(ZnO)为压电材料，它们是优良的压电材料。欧洲杯足球竞彩然而。由于当前高频通信的发展趋势，AlN得到了更多的关注。

研究人员采用了各种方法来改善k_t²压电材料的值。ScN具有六角形的结构，有助于实现ScN的压电性_x艾尔_1−xN (x < 0.5)薄膜。

Sc-IIIA-N化合物具有优良的压电性能。在IIIA化合物中，AlN具有最高的居里温度和热稳定性。

因此，AlN和Sc可以结合形成Sc_x艾尔_1−xN合金薄膜作为新型压电材料用于声波元件。欧洲杯足球竞彩

欧洲杯足球竞彩材料和方法

本文介绍了一种使用AlScN压电薄膜的3.5 ghz SMR的开发。

为了防止声波能量的耗散，在衬底上沉积了一个低粗糙度的布拉格反射器。SMR结构可分为λ/4模态和λ/2模态。

本研究采用λ/2模谐振腔，λ为谐振波长。

图1显示了SMR结构中布拉格反射镜和压电层之间的自由界面。一般情况下，压电薄膜是λ/2型谐振腔，其有效机电耦合系数比λ/4型谐振腔大。

图1所示。λ/2模谐振器的原理图。图片来源:涂料2021

高声阻抗材料钼(Mo)和低声阻抗材料二氧化硅(SiO)₂)分别作为高阻抗层和低阻抗层，研制了Si衬底上的布拉格反射器。

采用Al(85%)-Sc(15%)合金靶沉积AlScN压电薄膜。

分析了压电薄膜的特性，确定了最佳溅射参数。

分析了不同溅射条件下薄膜的表面和截面结构。分析了AlScN薄膜的晶向和x射线衍射峰值强度，确定了AlScN薄膜的最佳溅射参数。

因此，确定了制造SMR器件所需的压电薄膜厚度。

在BAW器件中，谐振腔带宽、插入损耗和谐振频率由有效机电耦合系数决定k_t²以及压电层的厚度。

因此，具有低声波损耗和高机电耦合系数的薄膜至关重要。

机电耦合系数不仅与机械能转换为电能的效果成正比，而且与组合滤波器的带宽成正比。

并联谐振频率f_p（ω_p)，此时阻抗虚部最大，串联谐振频率最大f_年代（ω_年代)，当阻抗虚部为零时，决定有效机电耦合系数。

在本研究中，通过交替沉积Mo和SiO形成三对布拉格反射镜₂薄膜的厚度分别为449 nm和371 nm，在p型(100)Si上。

沉积了Ti种子层和底部Mo电极。然后在底部电极上沉积覆盖膜AlScN。在压电薄膜上制备了Mo/Ti顶电极。

与底部电极的电连接是通过穿孔形成的。用磷酸在90°C下蚀刻AlScN，得到λ/2模SMR。

图2说明了制造过程的流程图。图3描绘了一个固定谐振器的三维结构。

图2。设计的SMR器件的制造工艺流程图。图片来源:涂料2021

图3。固体安装谐振器结构的三维表示。图片来源:涂料2021

结果与讨论

布喇格反射镜的表面应尽量平坦，以限制声能，防止声散射。

通过对直流和射频磁控溅射的精确控制，获得了Mo薄膜的最佳溅射参数。

沉积的钼膜表面粗糙度为1.367 nm。溅射功率为80 W，溅射压力为5 mTorr，衬底温度为350℃是sio2的最佳溅射参数₂．

Mo / SiO₂该结构的表面粗糙度为1.298 nm。

对薄膜的表面和截面结构、晶体特性和组成进行了表征和验证，以确定最佳的溅射参数。

在实验中，通过物性分析来验证每组样品的一致性。

图4为AlScN薄膜的XRD衍射图，在35.97°处有明显的衍射峰，溅射压力为20 mTorr时薄膜表现最好。

图5的SEM分析显示，溅射膜表面呈致密的小鹅卵石结构，横截面呈柱状且清晰。

图4。不同溅射压力下AlScN薄膜的XRD衍射图。图片来源:涂料2021

图5。不同溅射压力下AlScN薄膜的表面和截面结构的SEM图像。图片来源:涂料2021

验证了气体环境对AlScN薄膜的影响。由图6可知，当氮比为20%时，薄膜的(002)晶体取向强度最强，然后随着氮比的增加而减小。

从图7中可以看出，在氮比为20 mTorr时，溅射膜的表面呈现出致密的鹅卵石结构和良好的柱状截面。

图6。不同溅射氮比下AlScN薄膜的XRD衍射图₂/N₂+ Ar)。图片来源:涂料2021

图7。研究了不同氮比下AlScN薄膜的表面和截面结构₂/N₂+ Ar)。图片来源:涂料2021

对溅射压力、氮比和衬底温度进行了修改，并对参数进行了验证。图8显示了溅射功率的增加，使得薄膜表现出最强的(002)晶体取向。

图8。不同溅射功率下AlScN薄膜的XRD衍射图。图片来源:涂料2021

图9为不同溅射功率下沉积AlScN薄膜的表面和截面结构的SEM图像。

结果表明，室压为20 mTorr、氮比为20%、衬底温度为300℃、溅射功率为250 W是制备AlScN薄膜的最佳参数。

图9。不同溅射功率下AlScN薄膜的表面和截面结构的SEM图像。图片来源:涂料2021

采用EDS分析了不同溅射条件下AlScN薄膜的成分。

结果表明，在不同溅射压力、氮比和溅射功率下，薄膜中钪含量差别不大。总体结果表明，在薄膜中钪原子的百分比约为4.5%。

三对Mo/SiO布拉格反射器₂在SMR设备中使用。

为了验证AlN压电薄膜中Sc的掺杂对声波器件特性的影响，制备了带有AlN压电薄膜的3.5 GHz SMR器件。图10a说明了S₂₁基于aln的SMR的响应。

图10。频率响应的₂₁， (a)基于AlScN的谐振器实验结果，(b)基于AlScN的谐振器仿真结果，(c)基于AlScN的谐振器实验结果。图片来源:涂料2021

根据λ/2模式SMR设计，通过调整压电AlScN薄膜的厚度制备了SMR器件。

对S₂₁如图10b所示。可以看出，得到了频率为2.97 GHz的谐振响应。

图10c描述了S的频率响应₂₁在调整压电层厚度后，SMR器件的性能得到改善。

图11给出了频率响应S₁₁采用731纳米厚AlScN压电薄膜的SMR器件。图11也显示了−30.62 dB的回波损耗。

图11。所制备的SMR谐振器的频率响应S11。图片来源:涂料2021

在由AlN和AlScN组成的3.5 ghz SMR器件中，两者的插入损耗相差不大。

利用射频磁控溅射系统成功地将AlScN薄膜的厚度控制在731 nm，获得了设计的3.5 GHz SMR器件。图12显示了最终制作的器件的横截面。

图12。SMR器件的SEM截面结构图。图片来源:涂料2021

结论

实验结果表明，Sc的掺杂改变了AlN薄膜的声速，显著提高了薄膜的弹性常数，从而提高了SMR器件的机电耦合系数。

获得了极好的c轴(002)晶体取向，具有致密的柱状和卵石状表面。

EDX分析表明，无论溅射条件如何，薄膜中钪原子的比例都在4.5%左右。

谐振腔的谐振频率为3.46 GHz，插入损耗为−10.92 dB，机电耦合系数为2.24%。

根据得到的结果，aln基器件的机电耦合系数为1.17%，alscn基器件的机电耦合系数为2.24%。

验证了sc掺杂AlScN压电薄膜的效果。采用Sc原子比较高的合金靶材或采用共溅射技术可进一步提高其机电耦合系数。

参考资料及进一步阅读

秋山，M.等(2009)双反应溅射制备的钪氮化铝合金薄膜的压电响应增强。先进材料，21，页欧洲杯足球竞彩593-596。doi.org/10.1002/adma.200802611．

Alsaad, A & Ahmad, A(2006)基于第一性原理的有序(ScxGa1-xN)合金的压电性。欧洲物理期刊B, 54, 151-156页。doi.org/10.1140/epjb/e2006-00438-8．

wang, Z.， et al.(1996)用于蜂窝通信的溶胶-凝胶体声波器件。IEEE半导体电子学国际会议论文集，第1卷，238-243页。doi.org/10.1109/SMELEC.1996.616490．

杜布瓦,M.-A。等(1998)基于氮化铝薄膜的固体安装谐振器。1998 IEEE超声波研讨会论文集，第一卷，909-912页。doi.org/10.1109/ULTSYM.1998.762291．

Farrer，N&Bellaiche，L（2002）六方ScN与纤锌矿GaN和InN的性质。物理回顾B，66，第201-203页。doi.org/10.1103/PhysRevB.66.201203．

Hara, M & Esashi, M (2004) RF MEMS和MEMS封装。未来移动通信系统的声波器件国际研讨会论文集，第115-122页。

黄,C.-L。等(2005)薄膜体声波谐振器的制作与性能分析。欧洲杯足球竞彩Materials Letters, 59, pp. 1012-1016。doi.org/10.1016/j.matlet.2004.11.047．

Jakkaraju, R.，等(2003)体声波(BAW)器件的电极和AlN沉积集成方法。微电子工程，70,566-570页。doi.org/10.1016/s0167 - 9317 (03) 00386 - 1．

Kim, H. H.，等(2001)一种使用SOI技术的高尚悬浮型薄膜谐振器(STFR)。传感器和执行器A:物理，89，页255-258。doi.org/10.1016/s0924 - 4247 (00) 00551 - 3．

金，S.等(2001)用于射频带通滤波器的带W/SiO多层反射镜的aln基薄膜体声谐振器器件。真空科学与技术，19,pp. 116欧洲杯线上买球4-1169。doi.org/10.1116/1.1385685．

金,工程学系。等(2000)利用射频溅射沉积氮化铝制备的布拉格反射器薄膜谐振器。亚太微波会议论文集，第1535-11538页。doi.org/10.1109/APMC.2000.926131．

张志强，张志强等(2003)薄膜体声谐振器和表面声波的压电特性。《欧洲陶瓷学会学报》，23，第2689-2692页。doi.org/10.1016/s0955 - 2219 (03) 00147 - x．

Lakin, K(2005)薄膜谐振器技术。IEEE国际频率控制研讨会论文集，第765-778页。doi.org/10.1109/TUFFC.2005.1503959．

拉金，K M(1999)。薄膜谐振器和滤波器。1999 IEEE超声波研讨会论文集，第二卷，第895-906页。doi.org/10.1109/ULTSYM.1999.849135．

拉金，K. M.等(2002)2GHz的体声波谐振器和滤波器。IEEE MTT-S论文集，第1487-1490页。doi.org/10.1109/MWSYM.2002.1012137．

拉金等(1995)无线应用微型滤波器的开发。《微波理论与技术学报》，43，第2933-2939页。doi.org/10.1109/22.475658．

兰茨，R.，等(2001)基于AlN薄膜的6 - 8ghz实心BAW滤波器。2001 IEEE超声波研讨会论文集，第一卷，第843-846页。doi.org/10.1109/ULTSYM.2001.991851．

等(2002)基于AlN的表面微加工BAW谐振器。IEEE超声波研讨会论文集，第1卷，第981-983页。doi.org/10.1109/ULTSYM.2002.1193560．

等(2000)FBAR谐振器和自动测量系统的改进butterworth-van dyke电路。2000 IEEE超声波研讨会论文集，第1卷，第863-868页。doi.org/10.1109/ULTSYM.2000.922679．

李，S.等(2003)薄膜体声波谐振器用Mo电极上高c轴织构AlN薄膜的生长。真空科学与技术学报。欧洲杯线上买球冲浪。电影，21，第1-5页。doi.org/10.1116/1.1521961．

李,工程学系。等(2002)电极构型对固体安装体声波谐振器质量因子和压电耦合常数的影响。应用物理学报，92,4062-4069页。doi.org/10.1063/1.1505977．

Loebl, H.等(2002)用于GHz频率范围的固体安装体声波滤波器。2002年IEEE超声波研讨会论文集，第一卷，919-923页。doi.org/10.1109/ULTSYM.2002.1193546．

Loebl, H.等(2004)射频体声波谐振器和滤波器。电陶瓷学报，12,109-118页。doi.org/10.1023/B: JECR.0000034005.21609.91．

等(2002)微机械体声波谐振器。IEEE超声波研讨会论文集，第一卷，945-948页。doi.org/10.1109/ULTSYM.2002.1193551．

麦可伦，K.等(1988)压电器件用氮化铝薄膜的生长和表征。IEEE超声波研讨会论文集，673-676页。doi.org/10.1109/ULTSYM.1988.49462．

Naik, R.，等(2000)本体、c轴机电耦合常数作为AlN薄膜质量的函数的测量。《超音波、铁电和频率控制》，47，第292-296页。doi.org/10.1109/58.818773．

面装式压电谐振器。IEEE论文集，53,575-581页。doi.org/10.1109/PROC.1965.3925．

Ntagwirumugara, E.， et al.(2007)利用模态模型耦合分析IDT/ZnO/Si SAW滤波器的频响特性。acta optica sinica, 2017, 36(5): 733 - 736。doi.org/10.1109/TUFFC.2007.495．

等(2002)氧化锌基固体安装谐振器的宽带特性。2002 IEEE国际频率控制研讨会和PDA展览论文集，第15-19页。https://doi.org/10.1109/FREQ.2002.1075849．

Tasnádi, F.， et al.(2010)纤锌矿ScxAl1−xN合金异常压电响应的起源。Physical Review Letters, 104, pp. 137601-137604。doi.org/10.1103/PhysRevLett.104.137601．

茶,K.-W。等(2004)沉积在Mo电极上的AlN薄膜用于薄膜体声波谐振器的性能表征。《应用物理学报》，43，第5510-5515页。https://doi.org/10.1143/JJAP.43.5510．

陈志强等(1994)高温声振传感器材料研究进展。欧洲杯足球竞彩应用声学，41，第299-3244页。doi.org/10.1016/0003 - 682 x (94) 90091 - 4．

王伟等(2014)大机电耦合系数高性能AlScN薄膜表面声波器件。应用物理通讯，105,133-502页。doi.org/10.1063/1.4896853．