高性能双形态钪掺杂氮化铝(AlScN)薄膜的沉积工艺优化与压电性能表征

本文系统研究了8英寸硅片上高质量双形态钪掺杂氮化铝（AlScN）压电薄膜的制备工艺。通过实验设计（DOE）优化单层AlScN沉积参数，显著提升压电系数（d33），并证实工艺优化能减少异常取向晶粒（AOG）。采用扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD）验证结果，通过在线晶圆级计量技术实时监控薄膜厚度（均匀性<3%）、应力（<200MPa）和压电性能。最终获得纵向位移达15.525 pm/V的双层AlScN，驱动位移提升近2倍，为微机电系统（MEMS）量产提供可靠工艺。

　　

Highlight

本研究基于单层AlScN压电薄膜，通过实验设计（DOE）系统探索了沉积工艺参数对薄膜性能的影响。采用在线表征技术获取全晶圆范围的薄膜厚度均匀性和应力分布。实验数据表明，通过优化单层AlScN压电薄膜的沉积工艺，可有效减少AlScN薄膜的异常取向晶粒（AOG），并提升压电系数d₃₃。

结论

本工作展示了工艺优化的优势，AOG被显著抑制，从而改善了压电性能。然而，AOG仍然存在，因此优化工作仍需继续。优化后的双层AlScN薄膜将用于后续器件制备。在实际应用中，对薄膜应力和厚度均匀性有更高要求，且双层结构在图形化加工过程中更具挑战性。

展望

我们已证实双层AlScN薄膜在相同电压下可实现近两倍的驱动位移增强，其纵向位移达到15.525 pm/V。该工艺的薄膜厚度均匀性小于3%，应力可控且低于200 MPa，半高宽（FWHM）小于2°，是高质量、可靠的双层AlScN晶圆级加工工艺。沉积和优化的AlScN薄膜工艺适用于高性能压电微机电系统（MEMS）的大规模生产。