高宥榛、陳佑明、吳禹函 / 工研院材化所
全球5G/6G/WiFi 7等次世代通訊濾波器頻段逐步由N41拉至N77，鋁鈧(AlSc)靶的鈧含量需增加至20 at%以上來提升壓電係數與機電耦合係數，並降低訊號傳輸的損耗。但鋁鈧靶在高鈧含量下(Sc≧20 at%)易形成硬脆的鋁鈧介金屬化合物，不易加工、難以成形，且目前皆仰賴國外進口，因此需建置與開發AlSc合金靶關鍵技術細晶半導體靶材，以提升產業競爭力。本文將介紹通訊產業的演進與在其需求趨勢帶動下，鋁鈧合金濺鍍靶材的需求以及市場規模，並就工研院材化所建置的鋁鈧合金濺鍍靶材成形技術與氮化鋁鈧薄膜特性驗證做一介紹並詳述其成果。
【內文精選】
射頻濾波器技術
1. 技術種類與應用
表面聲波(SAW)濾波器與體聲波(BAW)濾波器是射頻濾波器中最為常見的技術，主要因為它們在不同頻段中可展現良好的性能和適用性。SAW濾波器通常在中頻至高頻範圍內，頻率範圍涵蓋幾百MHz到幾GHz，其技術成熟且成本相對較低，使其在移動通訊、無線電接收器及GPS系統等應用中廣泛被採用；與之相比，BAW濾波器能夠處理更高的頻段，通常在幾GHz到十幾GHz之間，其卓越的高頻響應能力和高功率處理能力，使其在5G通訊系統及毫米波技術中具有重要地位。
氮化鋁鈧壓電薄膜
氮化鋁鈧薄膜的濺鍍沉積方式通常採用物理濺鍍的方式，利用控制氮與氬氣比例等離子體轟擊靶材，將鋁和鈧原子從靶材表面濺鍍至基材上，形成氮化鋁鈧薄膜，該成膜方式具有高均勻性和良好控制能力，適用於各種半導體與通訊產業領域。而氮化鋁鈧薄膜的特性則與鋁鈧合金濺鍍靶材的特性有關，其中靶材的微觀結構和化學組成對薄膜性能有顯著影響。細晶粒靶材可提高濺射均勻性，減少薄膜缺陷密度，並提升薄膜緻密性；低氧含量靶材能降低薄膜中氧雜質提高氮化鋁鈧指向與結晶性；組成均勻的靶材有助於獲得精確化學計量比的薄膜以提升薄膜的壓電性能；晶粒均勻的靶材可改善濺射過程的穩定性來減少薄膜厚度不均的現象。因此，如何製備細晶、低氧含量、晶粒與組成均勻化的鋁鈧合金靶材成為國內外濺鍍靶材廠商研發的方向與目標。
工研院開發之鋁鈧靶材成形技術
1. 鋁鈧合金濺渡靶材製備
工研院材料與化工研究所先進陶瓷薄膜與應用研究室以真空電弧熔煉法(Vacuum Arc Melting)作為製備鋁鈧合金濺鍍靶材的方式，特點在於易於控制氧含量且污染性低，其流程如圖八所示，步驟分為兩段，分別為①鋁鈧合金鑄錠成形與②鋁鈧合金濺鍍靶材成形。
圖八、鋁鈧合金濺鍍靶材製備流程圖
(1) 鋁鈧合金鑄錠成形
依照比重、原子量、鋁/鈧原子比與靶材理論密度，計算出鋁鈧合金鑄錠需要的4N鋁錠與4N鈧粉重量，置入銅模具中並控制每顆鋁鈧合金總重為95~125 g，來達到冷卻速率較一致，以降低鑄錠脆裂與組成不均的現象；之後關閉腔體並抽真空至3 ×10-2 Torr，再通入氬氣到50~60 Torr，經過反覆幾次抽真空以及通氬氣來確保腔體內無氧氣殘留，避免鋁鈧合金在熔煉過程氧化；最後將腔體壓力控制在180 Torr後即開啟電弧；在固定電壓下，根據熔煉過程需求，改變電流來調整電弧尺寸，最後收弧時再慢慢降低電流直到0 A，即完成鋁鈧合金鑄錠。
(2) 鋁鈧合金濺鍍靶胚成形
實驗結果顯示，低腔體壓力、低料量、螺旋熔煉路徑與控制收弧後靶材的冷卻速率，皆可幫助鋁鈧合金濺鍍靶材達無孔洞或裂痕的形貌且平整度高。由於冷卻速率的差異與易氧化的特性，鋁鈧合金濺鍍靶胚表面會出現粗晶或是氧化現象，再加上靶胚平整度不足，需透過加工研磨去除並拋光研磨，以製成鋁鈧合金濺鍍靶材。
2. 鋁鈧合金濺鍍靶材驗證
鋁鈧合金濺鍍靶材以圖十一(a)濺鍍參數來進行靶材驗證，包括以固定濺鍍功率、腔體底壓、濺鍍壓力、溫度、氮氣比例，濺鍍出氮化鋁鈧薄膜，其中基板結構分別為矽晶圓/二氧化矽/白金底電極/氮化鋁鈧。
圖十一、氮化鋁鈧薄膜(a)濺鍍參數；(b)特性
如圖十一(b)所示，分別量測10 cm × 10 cm範圍內在四個邊角與中心點的氮化鋁鈧薄膜特性，從XRD分析氮化鋁鈧薄膜具c軸優選取向，不同位置的鋁/鈧比例僅±2 at%且鈧比例幾近20 at%，顯示材化所以真空電弧熔煉法製備出的靶材達到半導體級濺鍍靶材的需求，此鋁鈧合金濺鍍靶材具備組成均勻化的特性---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》455期，更多資料請見下方附檔。