5G 通訊的心臟：AlN 濾波器的挑戰與突破

行動通訊是現代人生活中必備的工具，其中通訊系統中濾波電路決定了通訊品質。（資料來源：閎康科技，經科技新報編修為上下兩篇，此篇為下篇。）

AlN 濾波器因具備可高頻操作、對溫度穩定性高及與 CMOS 製程相匹配等優點，可實現濾波晶片積體化，滿足行動通訊短小輕薄的要求，故為製作濾波晶片的主力。面對目前的 5G 通訊世代，行動通訊元件對於濾波器的要求更高，不僅要滿足高頻操作，擁有更大的頻寬，且需具有更低信號損漏的 Q 值。

近年來，有學者發現在 AlN 中摻入 Sc 原子所產生的應力，能讓 ScxAl1-xN 產生較 AlN 更好的壓電表現 (資料來源: 科儀新知第 233 期: ScxAl1-xN 壓電共振器實現 5G 毫米波行動通訊積體化)。對於如何檢測矽基板上是否成長出高品質的 AlScN 薄膜成為了通訊元件廠所重視的議題。

鍍膜/磊晶品質分析 (搖擺曲線分析Rocking Curve)

針對鍍膜品質的監控，可透過 XRD 中的 Rocking Curve 方式進行把關，當晶體結構排列規則整齊時，在定住特定的繞射峰進行 ω 軸擺盪，繞射強度會因不符合布拉格定律的關係，一旦改變ω角度，就會大幅降低強度；反之，在晶格隨意排列狀況下，因各方向都有特定繞射峰的分量，因此隨著 ω 軸擺盪，該繞射峰強度是緩慢降低，如圖 12。

▲ 圖 12. 鍍膜晶格堆疊排列對於 Rocking Curve 的影響。

下圖 13 顯示兩種堆疊結構的 AlScN 都呈現良好的 (002) 優選方向，但從 Rocking Curve 的分析結果，明顯可以觀察到左圖的半高寬較窄，說明該堆疊結構對於表面的 AlScN 排列較有幫助。

▲ 圖 13. (上) 鍍膜的 XRD 分析結果，AlScN 都呈現良好的 (002) 優選方向；(下) 針對 AlScN (002)進行 Rocking Curve 的分析結果，左圖的半高寬較窄，說明該堆疊結構對於表面的 AlScN 的排列較有幫助。

提升 Si MOSFET 性能的應變工程與 XRD 分析

在 Si MOSFET 元件製程微縮的演進中，如何提升通道中電子與電洞的移動率（mobility）成為提高元件性能的關鍵課題。其中，應變工程（Strained Engineering，Strained-Si）被認為是提升 Si 奈米元件性能最有效的方法之一。

在應變工程中，SiGe 作為 PMOS 材料具有顯著的優勢，因其電洞遷移率高於Si，並展現出更優異的負偏壓溫度不穩定性（NBTI）可靠性。此外，SiGe 與 Si 基板的晶格匹配度更佳，使其成為提升元件性能的理想選擇。

由於 Si 與 SiGe 的晶體結構相同，晶格間距接近，若透過一般繞射的分析方式，兩者的繞射峰位置幾乎重疊。此時需要搭載單晶配件提高 XRD 的角度解析度及入射光的準直性，以使分析結果對晶格變化具更高的靈敏度。圖 14 透過 HRXRD 分析，得到 SiGe 繞射峰，透過軟體擬合該繞射峰的相對位置，即可得到各層 SiGe 的比例關係，而繞射峰週圍的衛星峰的週期性震盪，則可以得到各層次相對應的厚度。

▲ 圖 14. 多層 SiGe 與 Si 磊晶的 HRXRD 分析結果，透過軟體擬合該繞射峰的相對位置可得到各層 SiGe 的比例關係，而繞射峰週圍的衛星峰的周期性震盪則可以得到各層次相對應的厚度。

SiGe 磊晶成長中的晶格匹配與鬆弛度量測

SiGe磊晶成長過程中，為了維持Si與SiGe界面原子鍵結完整與連續性，SiGe磊晶層的晶格面間距必須形變去迎合Si基板的間距，因此產生了晶格匹配程度的問題。其中在矽與SiGe晶層中晶格不匹配的情況又可以分成三類: 完全鬆弛、部分鬆弛、完全形變，而透過倒空間觀察繞射峰分布的改變與其所對應的方向可以從中獲得多種磊晶結構特性。

然而，不論磊晶成長的是形變層或鬆弛層，鬆弛程度的量測都相當重要，而唯有利用倒易空間（RSM) 圖譜分析技術才能精確地鑑定出異質磊晶薄膜的鬆弛程度 (來源: 科儀新知第二十九卷第一期 96.8_ X 光倒易空間圖譜技術分析矽鍺異質磊晶材料的應變)。圖 15 顯示在 Si 基板上成長具有濃度梯度的 SiGe 緩衝層上(該緩衝層 Ge 的濃度是由下往上增加)，可長出具高晶體質量的 Si0.5 Ge0.5 高應變層，該臨界厚度約為 50 nm，當大於其臨界厚度 ~20 nm 後，表面的 Si0.5 Ge0.5 層會開始出現應變釋放。

▲ 圖15. RSM 分析結果顯示表面 SiGe 應變層臨界厚度約 50nm，隨著表面 SiGe 厚度增加應變釋放的效應增加。(資料來源: 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 圖譜除了從倒空間觀察繞射峰分布的訊息外，亦可以透過軟體分析，從 RSM 的圖譜取得各層 SiGe 成分比例及各層與 Si 基板間的鬆弛程度，如圖 16。

▲ 圖16. RSM 結果顯示越接近 Si 基板的 SiGe 層，晶格 mismatch 越小；越遠離 Si 基板的 SiGe層晶格 mismatch 越大，因此有 SiGe 有鬆弛的現象發生，即應力釋放。(資料來源: 台灣半導體研究中心)

3D 封裝技術中的薄膜殘留應力分析

材料複雜的堆疊，並經過多次不同的製程，因材料的膜厚或是物性差異，如熱膨脹係數、密度、晶格間距等，容易在層與層之間產生內應力。後續再經過多道製程，如 CMP 研磨，極可能在局部應力集中的區域，發生剝離或破裂的現象導致產品失效。

當薄膜發生擠壓或拉伸的狀況，材料的晶格間距會發生改變，因此可藉由 XRD 或是 GIXRD 量測繞射峰角度位移量 (Δ2θ) 得到晶格變化量 (圖17)。並根據固體彈性理論計算 (〖sin〗^2 ψ法或是〖cos〗^2 αsin2ψ法)，即可求出薄膜殘留應變，再帶入材料普松比 (Poisson’s ratio) 與楊氏係數 (Young’s modulus) 即可知道薄膜的殘留應力 (圖 18)。

▲ 圖17. 受擠壓或拉伸的狀況下，晶格間距在各方向改變的示意圖。

圖 18 為 Cu 薄膜透過 GIXRD 分析結果，隨著 φ 角的改變，可以發現繞射峰位置逐漸往低角度移動，意味著晶格間距改變，表示薄膜內有殘留應力的存在，導致相同的晶格面在各方向有不同的變化狀況。

▲ 圖18. 多晶 Cu 鍍膜的殘留應力分析結果，透過低掠角繞射分析方式取得 Δ2θ，經彈性理論計算出該薄膜的殘留應力為 0.567 GPa 張應力。

電子顯微鏡與 XRD 在材料微結構分析中的應用

電子顯微鏡與 X 光繞射為常見的材料微結構分析的兩大工具，電子顯微鏡可以觀察到特定區域的細微結構，但需要樣品製備且須在真空測試環境下進行；XRD 分析則可在大氣環境下，無須特別製備樣品，分析上更方便。此外，XRD 為非破壞性分析方式，可在樣品環境下進行臨場分析，加上大區域分析的平均結果，可獲得材料整體特性。

XRD 技術可以進行材料的結晶相、晶向、結晶性、晶粒尺寸、鍍膜的優選方位、多晶薄膜的殘留應力分析；若搭配高解析度配件可進行鍍膜/磊晶品質分析、異質磊晶薄膜成分比例、厚度、晶格匹配度或是鬆弛分析；若透過全反射技術可分析多層薄膜厚度、表面/界面粗糙度、材料密度等。總括以上的案例，XRD 的應用層面非常廣，對於先進製程上或是材料的研發，都能提供相當的技術尋求各式分析需求。

(首圖來源：Shutterstock；資料來源：閎康科技)