5G通信的心脏：AlN滤波器的挑战与突破

移动通信是现代人生活中必备的工具，其中通信系统中滤波电路决定了通信品质。（数据源：闳康科技，经科技新报编修为上下两篇，此篇为下篇。）

AlN滤波器因具备可高频操作、对温度稳定性高及与CMOS制程相匹配等优点，可实现滤波芯片积体化，满足移动通信短小轻薄的要求，故为制作滤波芯片的主力。面对目前的5G通信时代，移动通信组件对于滤波器的要求更高，不仅要满足高频操作，拥有更大的带宽，且需具有更低信号损漏的Q值。

近年来，有学者发现在AlN中掺入Sc原子所产生的应力，能让ScxAl1-xN产生较AlN更好的压电表现 (数据源: 科仪新知第233期: ScxAl1-xN压电共振器实现5G毫米波移动通信积体化)。对于如何检测硅基板上是否增长出高品质的AlScN薄膜成为了通信组件厂所重视的议题。

针对镀膜品质的监控，可通过XRD中的Rocking Curve方式进行把关，当晶体结构排列规则整齐时，在定住特定的绕射峰进行ω轴摆荡，绕射强度会因不符合布拉格定律的关系，一旦改变ω角度，就会大幅降低强度；反之，在晶格随意排列状况下，因各方向都有特定绕射峰的分量，因此随着ω轴摆荡，该绕射峰强度是缓慢降低，如图12。

图12. 镀膜晶格堆栈排列对于Rocking Curve的影响。

下图13显示两种堆栈结构的AlScN都呈现良好的 (002) 优选方向，但从Rocking Curve的分析结果，明显可以观察到左图的半高宽较窄，说明该堆栈结构对于表面的AlScN排列较有帮助。

图13. (上) 镀膜的XRD分析结果，AlScN都呈现良好的 (002) 优选方向；(下) 针对AlScN (002)进行Rocking Curve的分析结果，左图的半高宽较窄，说明该堆栈结构对于表面的AlScN的排列较有帮助。

在Si MOSFET组件制程微缩的演进中，如何提升信道中电子与电洞的移功率（mobility）成为提高组件性能的关键课题。其中，应变工程（Strained Engineering，Strained-Si）被认为是提升Si纳米组件性能最有效的方法之一。

在应变工程中，SiGe作为PMOS材料具有显著的优势，因其电洞迁移率高于Si，并展现出更优异的负偏压温度不稳定性（NBTI）可靠性。此外，SiGe与Si基板的晶格匹配度更佳，使其成为提升组件性能的理想选择。

由于Si与SiGe的晶体结构相同，晶格间距接近，若通过一般绕射的分析方式，两者的绕射峰位置几乎重叠。此时需要搭载单晶配件提高XRD的角度分辨率及入射光的准直性，以使分析结果对晶格变化具更高的灵敏度。图14通过HRXRD分析，得到SiGe绕射峰，通过软件拟合该绕射峰的相对位置，即可得到各层SiGe的比例关系，而绕射峰周围的卫星峰的周期性震荡，则可以得到各层次相对应的厚度。

图14. 多层SiGe与Si磊晶的HRXRD分析结果，通过软件拟合该绕射峰的相对位置可得到各层SiGe的比例关系，而绕射峰周围的卫星峰的周期性震荡则可以得到各层次相对应的厚度。

SiGe磊晶增长过程中，为了维持Si与SiGe界面原子键结完整与连续性，SiGe磊晶层的晶格面间距必须形变去迎合Si基板的间距，因此产生了晶格匹配程度的问题。其中在硅与SiGe晶层中晶格不匹配的情况又可以分成三类: 完全松弛、部分松弛、完全角变，而通过倒空间观察绕射峰分布的改变与其所对应的方向可以从中获得多种磊晶结构特性。

然而，不论磊晶增长的是形变层或松弛层，松弛程度的测量都相当重要，而唯有利用倒易空间（RSM) 图谱分析技术才能精确地鉴定出异质磊晶薄膜的松弛程度 (来源: 科仪新知第二十九卷第一期96.8_ X光倒易空间图谱技术分析硅锗异质磊晶材料的应变)。图15显示在Si基板上增长具有浓度梯度的SiGe缓冲层上(该缓冲层Ge的浓度是由下往上增加)，可长出具高晶体质量的Si0.5 Ge0.5高应变层，该临界厚度约为50 nm，当大于其临界厚度 -20 nm后，表面的Si0.5 Ge0.5层会开始出现应变释放。

图15. RSM分析结果显示表面SiGe应变层临界厚度约50nm，随着表面SiGe厚度增加应变释放的效应增加。(数据源: J Mater Sci: Mater Electron 30, 14130–14135 (2019). A novel three-layer graded SiGe strain relaxed buffer for the high crystal quality and strained Si0.5Ge0.5 layer epitaxial grown)

RSM图谱除了从倒空间观察绕射峰分布的消息外，也可以通过软件分析，从RSM的图谱取得各层SiGe成分比例及各层与Si基板间的松弛程度，如图16。

图16. RSM结果显示越接近Si基板的SiGe层，晶格mismatch越小；越远离Si基板的SiGe层晶格mismatch越大，因此有SiGe有松弛的现象发生，即应力释放。(数据源: 台湾半导体研究中心)

材料复杂的堆栈，并经过多次不同的制程，因材料的膜厚或是物性差异，如热膨胀系数、密度、晶格间距等，容易在层与层之间产生内应力。后续再经过多道制程，如CMP研磨，极可能在局部应力集中的区域，发生剥离或破裂的现象导致产品失效。

当薄膜发生挤压或拉伸的状况，材料的晶格间距会发生改变，因此可借由XRD或是GIXRD测量绕射峰角度位移量 (Δ2θ) 得到晶格变化量 (图17)。并根据固体弹性理论计算 (〖sin〗^2 ψ法或是 〖cos〗^2 αsin2ψ法)，即可求出薄膜残留应变，再带入材料普松比 (Poisson's ratio) 与杨氏系数 (Young's modulus) 即可知道薄膜的残留应力 (图18)。

图17. 受挤压或拉伸的状况下，晶格间距在各方向改变的示意图。

图18为Cu薄膜通过GIXRD分析结果，随着φ角的改变，可以发现绕射峰位置逐渐往低角度移动，意味着晶格间距改变，表示薄膜内有残留应力的存在，导致相同的晶格面在各方向有不同的变化状况。

图18. 多晶Cu镀膜的残留应力分析结果，通过低掠角绕射分析方式取得Δ2θ，经弹性理论计算出该薄膜的残留应力为0.567 GPa张应力。

电子显微镜与X光绕射为常见的材料微结构分析的两大工具，电子显微镜可以观察到特定区域的细微结构，但需要样品制备且须在真空测试环境下进行；XRD分析则可在大气环境下，无需特别制备样品，分析上更方便。此外，XRD为非破坏性分析方式，可在样品环境下进行临场分析，加上大区域分析的平均结果，可获得材料整体特性。

XRD技术可以进行材料的结晶相、晶向、结晶性、晶粒尺寸、镀膜的优选方位、多晶薄膜的残留应力分析；若搭配高分辨率配件可进行镀膜/磊晶品质分析、异质磊晶薄膜成分比例、厚度、晶格匹配度或是松弛分析；若通过全反射技术可分析多层薄膜厚度、表面/界面粗糙度、材料密度等。总的以上的案例，XRD的应用层面非常广，对于先进制程上或是材料的研发，都能提供相当的技术寻求各式分析需求。

(首图来源：Shutterstock；数据源：闳康科技)