椭偏仪在MEMS的应用：Er/Sc-AlN薄膜的厚度和光学常数精确表征

随着5G通信技术的快速发展，智能手机对射频前端滤波器的需求急剧增加，声表面波（SAW）滤波器因其高声速、高机电耦合系数和低温漂特性成为研究热点。传统LiTaO₃等单晶材料存在成本高、声速低、温漂大等问题，而基于AlN的压电薄膜SAW滤波器具有成本低、易于集成、性能可调等优势，逐渐成为主流选择。然而，纯AlN薄膜的压电常数（d33）和机电耦合系数（kt）较低，限制了其在高精度传感器和宽带滤波器中的应用。目前最有效的改进途径是通过元素掺杂提升其压电性能。Flexfilm全光谱椭偏仪可以非接触对薄膜的厚度与折射率的高精度表征，广泛应用于薄膜材料、半导体和表面科学等领域。

本文系统研究了Er/Sc共掺AlN薄膜的制备工艺及其性能调控方法。通过有限元法仿真靶材表面磁场分布，结合磁场强度与溅射效率的正相关关系，设计了镶嵌靶中金属锭的排列方式，从而实现对Er/Sc掺杂含量的精确控制。

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镶嵌靶结构设计与薄膜制备

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靶材设计

为实现Er/Sc含量的可控掺杂，本研究采用镶嵌靶结构，避免合金靶的成本高、成分不均匀等问题。利用COMSOL软件对磁控溅射靶材表面磁场进行有限元仿真，获取磁场强度分布。仿真结果显示，磁场强度与溅射效率呈正相关，通过拟合溅射效率分布函数确定刻蚀跑道中心线位置（z=28 mm），并以此为依据设计镶嵌孔布局。

镶嵌靶采用高纯Al靶（Ø106 mm×5 mm）为基础，在其表面按设计位置镶嵌Er、Sc、Al金属锭（尺寸均为Ø8 mm×5 mm）。靶材表面经精密加工，确保锭与靶面齐平，避免溅射过程中的尖端放电问题。

薄膜制备工艺

薄膜制备过程包括以下步骤：

衬底（单晶α-Al₂O₃）与靶材的清洗处理；

溅射腔室与托盘的清洁与打磨；

镶嵌靶组装与安装；

高真空条件下进行反应磁控溅射（背景真空度≤4.5×10⁻⁴ Pa）；

工艺参数优化，采用正交实验法确定最佳溅射条件。

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Er/Sc比例对薄膜结晶质量的影响

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薄膜的XRD图谱

FWHM随Er/Sc比例的变化

XRD分析显示，所有薄膜均呈现明显的（002）择优取向。随着Er含量增加，（002）峰位向左偏移，表明c轴晶格常数增大。当Er含量进一步升高至单掺Er时，峰位右移，晶格常数减小，说明Er原子占据晶格间隙导致结构畸变。FWHM值随Er/Sc比例增加而降低，表明Er的掺入有利于缓解薄膜与衬底间的晶格失配，促进c轴取向生长。

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薄膜厚度与表面粗糙度

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A薄膜的沉积速率/氮气含量比值与溅射气压/氮气含量比值C:a- h）AFM图i）为膜厚与薄膜粗糙度

利用SEM在20000倍下测量薄膜断面，并通过椭偏光谱拟合，分别获得了不同Er/Sc比例薄膜的厚度数据：薄膜厚度随Er/Sc比例增加而减小，沉积速率同步下降。AFM测试表明，薄膜表面粗糙度与厚度呈正比，厚度越大，粗糙度越高，这与晶粒尺寸的细化有关。较低的表面粗糙度有利于减少声表面波器件的插入损耗。

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Er/Sc比例对薄膜应力的影响

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薄膜的拉曼光谱

薄膜的应力随Er/Sc比例的变化

拉曼光谱分析显示，所有薄膜均保持良好的结晶性。压应力随Er/Sc比例的变化所示：在相同工艺参数下，压应力随Er含量增加先上升后下降，在Er/Sc≈1:1时达到最大值。应力变化与薄膜缺陷密度密切相关，反映了掺杂对晶体结构的影响。

本文通过反应磁控溅射与镶嵌靶设计，成功制备了不同Er/Sc比例的AlN薄膜，并系统研究了其结构、厚度、粗糙度与应力等关键性能。研究表明：Er含量是影响薄膜结晶质量（FWHM）的主导因素；薄膜厚度与沉积速率随Er/Sc比例增加而下降；表面粗糙度与厚度呈正相关；薄膜压应力随Er含量呈现先增后减的趋势。本研究为Er/Sc共掺AlN薄膜在高性能SAW滤波器与传感器中的应用提供了重要的工艺基础与理论支持。

Flexfilm全光谱椭偏仪

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全光谱椭偏仪拥有高灵敏度探测单元和光谱椭偏仪分析软件，专门用于测量和分析光伏领域中单层或多层纳米薄膜的层构参数（如厚度）和物理参数（如折射率n、消光系数k）

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Flexfilm全光谱椭偏仪能非破坏、非接触地原位精确测量超薄图案化薄膜的厚度、折射率,结合费曼仪器全流程薄膜测量技术，助力半导体薄膜材料领域的高质量发展。