隨著5G通信技術的快速發展，智能手機對射頻前端濾波器的需求急劇增加，聲表面波（SAW）濾波器因其高聲速、高機電耦合系數和低溫漂特性成為研究熱點。傳統LiTaO?等單晶材料存在成本高、聲速低、溫漂大等問題，而基于AlN的壓電薄膜SAW濾波器具有成本低、易于集成、性能可調等優勢，逐漸成為主流選擇。然而，純AlN薄膜的壓電常數（d33）和機電耦合系數（kt）較低，限制了其在高精度傳感器和寬帶濾波器中的應用。目前最有效的改進途徑是通過元素摻雜提升其壓電性能。Flexfilm全光譜橢偏儀可以非接觸對薄膜的厚度與折射率的高精度表征，廣泛應用于薄膜材料、半導體和表面科學等領域。

本文系統研究了Er/Sc共摻AlN薄膜的制備工藝及其性能調控方法。通過有限元法仿真靶材表面磁場分布，結合磁場強度與濺射效率的正相關關系，設計了鑲嵌靶中金屬錠的排列方式，從而實現對Er/Sc摻雜含量的精確控制。

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鑲嵌靶結構設計與薄膜制備

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靶材設計

為實現Er/Sc含量的可控摻雜，本研究采用鑲嵌靶結構，避免合金靶的成本高、成分不均勻等問題。利用COMSOL軟件對磁控濺射靶材表面磁場進行有限元仿真，獲取磁場強度分布。仿真結果顯示，磁場強度與濺射效率呈正相關，通過擬合濺射效率分布函數確定刻蝕跑道中心線位置（z=28 mm），并以此為依據設計鑲嵌孔布局。

鑲嵌靶采用高純Al靶（?106 mm×5 mm）為基礎，在其表面按設計位置鑲嵌Er、Sc、Al金屬錠（尺寸均為?8 mm×5 mm）。靶材表面經精密加工，確保錠與靶面齊平，避免濺射過程中的尖端放電問題。

薄膜制備工藝

薄膜制備過程包括以下步驟：

襯底（單晶α-Al?O?）與靶材的清洗處理；

濺射腔室與托盤的清潔與打磨；

鑲嵌靶組裝與安裝；

高真空條件下進行反應磁控濺射（背景真空度≤4.5×10?? Pa）；

工藝參數優化，采用正交實驗法確定最佳濺射條件。

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Er/Sc比例對薄膜結晶質量的影響

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薄膜的XRD圖譜

FWHM隨Er/Sc比例的變化

XRD分析顯示，所有薄膜均呈現明顯的（002）擇優取向。隨著Er含量增加，（002）峰位向左偏移，表明c軸晶格常數增大。當Er含量進一步升高至單摻Er時，峰位右移，晶格常數減小，說明Er原子占據晶格間隙導致結構畸變。FWHM值隨Er/Sc比例增加而降低，表明Er的摻入有利于緩解薄膜與襯底間的晶格失配，促進c軸取向生長。

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薄膜厚度與表面粗糙度

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A薄膜的沉積速率/氮氣含量比值與濺射氣壓/氮氣含量比值C:a- h）AFM圖i）為膜厚與薄膜粗糙度

利用SEM在20000倍下測量薄膜斷面，并通過橢偏光譜擬合，分別獲得了不同Er/Sc比例薄膜的厚度數據：薄膜厚度隨Er/Sc比例增加而減小，沉積速率同步下降。AFM測試表明，薄膜表面粗糙度與厚度呈正比，厚度越大，粗糙度越高，這與晶粒尺寸的細化有關。較低的表面粗糙度有利于減少聲表面波器件的插入損耗。

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Er/Sc比例對薄膜應力的影響

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薄膜的拉曼光譜

薄膜的應力隨Er/Sc比例的變化

拉曼光譜分析顯示，所有薄膜均保持良好的結晶性。壓應力隨Er/Sc比例的變化所示：在相同工藝參數下，壓應力隨Er含量增加先上升后下降，在Er/Sc≈1:1時達到最大值。應力變化與薄膜缺陷密度密切相關，反映了摻雜對晶體結構的影響。

本文通過反應磁控濺射與鑲嵌靶設計，成功制備了不同Er/Sc比例的AlN薄膜，并系統研究了其結構、厚度、粗糙度與應力等關鍵性能。研究表明：Er含量是影響薄膜結晶質量（FWHM）的主導因素；薄膜厚度與沉積速率隨Er/Sc比例增加而下降；表面粗糙度與厚度呈正相關；薄膜壓應力隨Er含量呈現先增后減的趨勢。本研究為Er/Sc共摻AlN薄膜在高性能SAW濾波器與傳感器中的應用提供了重要的工藝基礎與理論支持。

Flexfilm全光譜橢偏儀

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全光譜橢偏儀擁有高靈敏度探測單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測量和分析光伏領域中單層或多層納米薄膜的層構參數（如厚度）和物理參數（如折射率n、消光系數k）

• 先進的旋轉補償器測量技術：無測量死角問題。
• 粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測量：先進的光能量增強技術，高信噪比的探測技術。
• 秒級的全光譜測量速度：全光譜測量典型5-10秒。
• 原子層量級的檢測靈敏度：測量精度可達0.05nm。

Flexfilm全光譜橢偏儀能非破壞、非接觸地原位精確測量超薄圖案化薄膜的厚度、折射率,結合費曼儀器全流程薄膜測量技術，助力半導體薄膜材料領域的高質量發展。