中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所
傳感器技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
MEMS工藝與先進(jìn)傳感器課題組
本文提出了一種在8英寸硅片上制備高質(zhì)量雙層Sc摻雜AlN（AlScN）壓電薄膜的工藝與表征方法。研究基于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）優(yōu)化策略，對(duì)單層AlScN沉積工藝參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，顯著減少異常取向晶粒（AOG），提升壓電性能，并將該工藝應(yīng)用于雙層堆疊薄膜。所制備的雙層薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的厚度均勻性（<3%）、可控應(yīng)力（<200 MPa）、較低的FWHM（<2°），并實(shí)現(xiàn)了接近兩倍的驅(qū)動(dòng)位移增強(qiáng)，驗(yàn)證了其在大規(guī)模MEMS器件制備中的應(yīng)用潛力。相關(guān)成果以“A high-quality bimorph Sc-doped AlN deposition and characterisation process”為題發(fā)表于SCI學(xué)術(shù)期刊《Sensors and Actuators A: Physical》，論文的第一作者為碩士研究生黃家齊，通信作者為蘇泳全博士后和武震宇研究員。
研究背景
氮化鋁（AlN）因其CMOS工藝的兼容性在MEMS領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注，但由于其固有的壓電系數(shù)較低，限制了其應(yīng)用。為克服這一瓶頸，通常使用摻雜鈧元素（Sc）來(lái)提升AlN的壓電性能。然而，Sc的引入導(dǎo)致晶格失配，容易形成取向異常晶粒（abnormal oriented grains, AOG），AOG會(huì)隨著Sc摻雜濃度的提升而明顯增多，同時(shí)AOG的產(chǎn)生會(huì)降低薄膜的壓電性能及機(jī)電耦合系數(shù)。雙層壓電薄膜可進(jìn)一步提升器件性能，然而，上層薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量容易受到下層表面缺陷的影響，導(dǎo)致實(shí)際性能難以達(dá)到理論性能。因此，在8英寸硅片上實(shí)現(xiàn)低缺陷、高均勻性、應(yīng)力可控的AlScN雙層壓電結(jié)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模MEMS制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。
研究亮點(diǎn)
本文通過(guò)系統(tǒng)的工藝優(yōu)化，有效抑制異常取向晶粒（AOG）的產(chǎn)生與積累，并顯著提升單層及雙層AlScN薄膜的壓電性能。首先，基于設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（DOE）的工藝參數(shù)優(yōu)化揭示了氮?dú)饬髁繉?duì)薄膜性能的關(guān)鍵調(diào)控作用。當(dāng)N2流量由40 sccm增加至60 sccm時(shí)，薄膜的d33由6.336 pm/V提升至7.438 pm/V，增幅達(dá)17.3%，同時(shí)伴隨AOG數(shù)量的大幅減少，充分說(shuō)明沉積氣氛在晶體生長(zhǎng)取向和壓電性能形成中的決定性影響。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化的工藝條件（N2=70 sccm，RF=140 W）使單層AlScN的d33提升至7.926 pm/V，比基準(zhǔn)樣品提高10.7%，而AOG密度下降至21個(gè)/100 μm2，XRD搖擺曲線的半峰寬（FWHM）降低至1.626°，表明薄膜晶體取向性和結(jié)構(gòu)完整性均得到顯著改善（圖1）。
圖1 沉積參數(shù)優(yōu)化后單層AlScN薄膜的特性表征，包括：(a) 厚度分布圖，(b) 應(yīng)力分布圖，(c) 壓電系數(shù)d33分布圖，(d) 搖擺曲線及半高全寬，(e) 表面形貌的SEM圖像。
在單層薄膜優(yōu)化的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步提出了雙層壓電薄膜的設(shè)計(jì)思路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙層AlScN在相同驅(qū)動(dòng)電壓下的d33達(dá)到15.525 pm/V，約為單層的兩倍，直接驗(yàn)證了堆疊結(jié)構(gòu)在提升驅(qū)動(dòng)能力和能量轉(zhuǎn)換效率方面的顯著放大作用（圖2）。
圖2 優(yōu)化沉積參數(shù)后雙層AlScN薄膜的特性表征，包括：(a) 厚度分布圖，(b) 應(yīng)力分布圖，(c) 單位電壓下縱向位移分布圖，(d) 搖擺曲線及半高全寬，(e) 表面形貌的SEM圖像。
同時(shí)，優(yōu)化工藝對(duì)雙層結(jié)構(gòu)中AOG積累效應(yīng)的抑制也表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)：中心區(qū)域的AOG密度由551個(gè)/100 μm2降低至108個(gè)/100 μm2，邊緣區(qū)域由452個(gè)/100 μm2降低至56個(gè)/100 μm2。（圖3，圖4）這一結(jié)果證明了工藝參數(shù)調(diào)控在雙層結(jié)構(gòu)中同樣有效，證實(shí)了在大面積沉積及器件可靠性提升方面的潛在應(yīng)用價(jià)值。
圖3 (a) 基準(zhǔn)工藝條件下沉積的單層AlScN中心區(qū)與邊緣區(qū)表面形貌的SEM圖像（功率130 W，氮?dú)饬髁?0 sccm）(b) 基準(zhǔn)工藝條件下沉積的雙層AlScN中心區(qū)與邊緣區(qū)表面形態(tài)的SEM圖像 (c) 優(yōu)化工藝條件下沉積的單層AlScN中心區(qū)與邊緣區(qū)表面形態(tài)的SEM圖像 (d) 優(yōu)化工藝條件下沉積的雙層AlScN中心區(qū)與邊緣區(qū)表面形態(tài)的SEM圖像。
圖4 雙層結(jié)構(gòu)與單層結(jié)構(gòu)AlScN工藝基準(zhǔn)值及優(yōu)化值在100 μm2面積下的AOG數(shù)量對(duì)比
總結(jié)與展望
本論文采用DOE方法系統(tǒng)研究了沉積工藝參數(shù)對(duì)AlScN壓電薄膜性能的影響，在此基礎(chǔ)上，沉積的雙層壓電薄膜表面缺陷顯著減少，單位電壓縱向位移有所提升，且膜厚和應(yīng)力均勻性均處于可控范圍內(nèi)。證明了該工藝優(yōu)化方法的有效性，為高性能壓電MEMS器件提供了解決方案。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.sna.2025.116996
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