第四章 結果與討論
4.4 微波元件製作與量測
4.4-1 以商用聚亞醯胺作為薄膜材料結果
微波濾波元件設計與製作是以氧化鋁為基板(εr=9.8,
thickness=375µm)，薄膜材料為商用聚亞醯胺(PI2556)，光罩圖型如圖 4-31 所示。下上電極為蒸鍍 2µm 的銀金屬。實做結果如圖 4-32 所示。
電極製作之黃光製程為改良式光阻底切製作，詳細製作情形與原理請 參考本實驗室92 年林于順之碩士論文[73]。
薄膜材料一般製備方式為PVD(物理氣相沉積)或 CVD(化學氣相 沉積)法[74]，本實驗室原先使用的薄膜製備方式為射頻濺鍍法，然而 此法之階梯覆蓋率不佳，在電極轉角處薄膜厚度容易不均勻，而有上 下電極導通的可能[75]，使元件失效，需藉由濺鍍較厚的薄膜來避免 此一現象的發生，使用濺鍍法製作高介電薄膜時成長速率較慢，故用 於製作較厚的介電薄膜較為費時，且介電薄膜之成分比不控制，製作 出來的元件特性較差。為改良元件特性以及製程不易的問題，本實驗 室選擇較容易的製程-旋轉塗佈法，以及商用聚亞醯胺薄膜，製備微 波元件。
二階與三階濾波器設計與製作
薄膜技術的多層射頻電路稱做MCM-D 技術(Multi-Chip Module by thin film Deposition)，將利用薄膜介電層的特性來構成特性阻抗極
低的傳輸線，並與原先的傳輸線相結合組成一諧振腔來縮小尺寸 [76]。一般沒有加電容層的濾波器稱為 Inter Digital Filter，諧振腔的 長度λ/4[77]，在 0.9GHz 的頻率下，諧振腔長度 = 1065mil。若加了 電容層之後，所設計的濾波器為combline filter，則共振腔的長度會 小於λ/4，成功縮小了濾波器的尺寸。諧振腔耦合透過電磁模擬軟體 分析與諧振腔耦合量和濾波器尺寸間的對應，完成濾波器設計。
隨著共振腔數目的增加 stop band rejection 會增加，當濾波器階 數為無限多時，則S21成為理想方波，而隨著階數增加，會造成loss變 大，pass band變差，所以本研究以純聚亞醯胺薄膜作為電容層，針對 二階與三階濾波器製作與分析。
圖4-33 , 圖 4-34 分別為薄膜式濾波器之理論模擬圖及實際量測 結果圖，聚亞醯胺介電常數為3.2，薄膜厚度為 1µm。理論模擬設計 之共振頻率為0.9GHz，頻寬約為 10%，共振腔長度為 153mil。
量測結果二階濾波器的return loss 為 12.9dB，transmission loss 為 3.86dB，共振頻率為 0.87GHz(原設計為 0.9GHz)，三階濾波器的 return loss 為 11dB，transmission loss 為 7.11dB，共振頻率 0.85GHz，
0.831GHz。
中心頻率下移至0.85MHz左右，與模擬結果有 50MHz的負飄移，
原因可能為介電常數或膜厚與模擬不符造成。共振頻率往負方向飄移
根據本實驗室林于順碩士論文指出主要原因為[73]，介電常數變大或 是膜厚變小，根據2004 年Ohk-Kun等人研究聚亞醯胺高頻介電特性 表示[62]，聚亞醯胺介電常數並不會因為頻率增加而上升。推測主要 原因為膜厚改變。在三階濾波器的部分，模擬的部分S11中有三階，
然而實際量測的結果卻只剩下二階，推測原因可能有三：1.本研究之 濾波器頻寬較窄，只有約10%，即 90MHz，實際元件三根峰值距離 小於30MHz，在實驗製程上，因膜厚與設計有所誤差，導致頻率飄 移，可能使其中二根峰值相疊，而只剩下二階。2.在製作的過程中，
設計之共振腔距離可能因製程誤差被改變，導致其中一個共振腔的效 果沒有顯現，變成只有二階的結果。3.材料本身的loss以及金屬的loss 造成。
利用電磁模擬軟體將二階濾波器的薄膜厚度變化對頻率飄移作 相對變化圖形，如圖4-35 所示。發現厚度縮小為 0.8µm，頻率負飄移 80MHz，飄移 8.89%，可見頻率對厚度有極高敏感性，在製程尚須對 厚度有更精準的控制。
實驗以商用聚亞醯胺薄膜為結構的濾波器，由理論模擬與實際製 作之結果發現，確實能達到小型化的優點，並成功製作出薄膜式的微 波被動元件。本研究所採用的濾波器為Combline filter，共振模式為 LC並聯，而頻率與(LC)1/2成反比，若所使用較高介電常數之薄膜，在
固定頻率的情況下，則L就會變小，共振腔長度縮減，元件尺寸就會 縮減，所以若能使用更高介電常數材料的薄膜來設計，將能使元件的 尺寸更為縮小。
4.4-2 以Pi/TiO2薄膜作為濾波器電容層製作結果
對照聚亞醯胺薄膜實驗結果，發現二階濾波器因loss較小，薄膜 特性較為明顯，所以Pi/TiO2薄膜為電容層之製作選擇二階濾波器。在 Pi/TiO2薄膜選擇上，為與對照組濾波器能比較，選擇在氮氣氣氛下熱 處理條件之Pi/TiO2薄膜，而TiO2添加量為20wt%以及 40wt%二組，介 電常數與厚度分別為20wt%-( 5.24 ,1.6µm ) ; 40wt% -( 6.03 , 2µm) 其餘製程參數則與對照組之純聚亞醯胺薄膜濾波器相同。
理論模擬結果，共振頻率為 0.9GHz，頻寬約為 10%，共振腔長 度為129mil。實作結果如圖 4-36, 4-37 所示，用三用電表量測發現，
上下電極會有短路的現象，由圖中可發現薄膜有氣泡產生，推測應是 1.黃光製程中，顯影條件為鹼溶液，對薄膜造成了傷害，導致氣泡產 生，上下電極因而導通，由熱分析結果中可得知，因Pi/TiO2薄膜中的 高分子會受到添加之TiO2影響，分子量會下降，對鹼性溶液的抗蝕性 也會下降，所以造成上下電極導通的結果。2.去除光阻所用的溶劑，
可能也會對Pi/TiO2薄膜造成傷害，對照組使用之薄膜為純聚亞醯胺，
在鍵結上為分子量較大的結構，抗化學性的效果較佳，而經過摻雜的
薄膜，抗化學性會受到影響，可能是導致薄膜產生氣泡，使上下電極 導通的原因之一。
表4-1 氮氣氣氛下 膜厚與添加量之關係
300℃ 350℃ 400℃
0 3.2µm 3.2µm 3.2µm
10 2.6µm 2.6µm 2.6µm
20 1.8µm 1.8µm 1.8µm
30 1.6µm 1.6µm 1.6µm
40 2.4µm 2.4µm 2.2µm
表4-2 300℃持溫下 膜厚與添加量關係
300℃ 300℃-air 膜厚減少率 300℃-O2 膜厚減少率 0 3.2µm 3.1µm 3% 2.4µm 15%
10 2.6µm 2.4µm 8% 1.8µm 31%
20 1.8µm 1.6µm 11% 1.2µm 33%
30 1.6µm 1.2µm 25% 1.0µm 37%
40 2.4µm 1.7µm 27% 1.2µm 47%
表4-3 不同熱處理條件下介電常數與添加量關係
N2-300℃ N2-350℃ N2-400℃ airN2-300℃ O2-300℃
0 3.75 3.79 3.71 3.91 3.94 10 4.6 4.36 4.53 5.25 6.22 20 5.24 5.2 5.73 6.67 7.29 30 5.78 5.83 5.86 6.78 8.79 40 6.03 6.21 6.16 7.88 8.94
表4-4 PI/TiO2薄膜以SE漏電流機制所求得之介電常數值
βSE Dynamic
dielectric constant
Static dielectric
constant
0 % 1.09×10-2 1.8 3.75
10 % 8.24×10-3 3.81 4.6 20 % 7.65×10-3 3.69 5.24 30 % 6.81×10-3 4.66 5.78 40 % 6.20×10-3 5.63 6.03
O NH2
ODA dissolve in NMP RT. N2
Poly(amic acid) PAA
Ti(OEt)4 + acac = 1:4
Stir in N2 RT 12Hr
PAA/Ti(OEt)4 precursor sol
Spin to cast film And curing
N2
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 PI weight loss Imidization
Weight loss %
TemeratureoC pure PAA
2.0 Solvent evaporize Imidization
ExoEntholpy
Temperature (oC)
pure PI
0 200 400 600 800 1000 1200
-50
0 20 40 60 80 100
2-Theta Scale
圖 4-4 PI/TiO2 XRD繞射圖
\
圖 4-6 PI/TiO2 (10wt%) TEM 環狀繞射圖形
100nm
圖4-7 PI/TiO2 (10wt%) TEM明視野圖像
800 600 400 200 0
Binding energy (eV)
PI/TiO2-10wt%
(a) PI/TiO2-10wt%
Binding energy(eV)
Pi/TiO2-20wt%
(b) PI/TiO2-20wt%
800 600 400 200 0
Binding energy(eV)
PI/TiO2-30wt%
800 600 400 200 0
Binding energy(eV)
PI/TiO2-40wt%
(c) PI/TiO2-30wt%
(d) PI/TiO2-40wt%
圖4-8 PI/TiO2 XPS光電子圖譜分析
(a) PI/TiO2 XPS C(1s)訊號分析
285.8eV C-C in PMDA and C-N
286.6eV C-O-C
284.6eV
288.6eV C-C in ODA
C=O
398.7eV
isoimide nitrogen 400.4eV
imide nitrogen
(b) PI/TiO2 XPS N(1s)訊號分析 圖4-9 PI/TiO2XPS C(1s)與N(1s)訊號分析
450 455 460 465 470
Ti 2p1/2 Ti 2p3/2
TiO2 40wt%
TiO2 30wt%
TiO2 20wt%
Counts (arbitrary unit)
Binding energy (eV)
TiO2 10wt%
圖4-10 PI/TiO2 Ti(2p) 訊號分析
445 450 455 460 465 470
Ti 2p1/2
Binding energy (eV)
Counts (arbatary unit)
0 sec (sputter) 50 sec (sputter) 100 sec (sputter)
PI/TiO2-10wt%
Ti 2p3/2
(a) PI/TiO2 -10wt%
450 455 460 465 470
PI/TiO2-20wt%
Ti 2p1/2
50 sec (sputter) 100 sec (sputter)
Counts (arbitrary unit)
Binding energy (eV)
0 sec (sputter) Ti 2p3/2
(b) PI/TiO2 -20wt%
445 450 455 460 465 470 475
PI/TiO2-30wt%
Ti 2p1/2 Ti 2p
3/2
100 sec (sputter)
50 sec (sputter)
Counts (arbitrary unit)
Binding energy (eV)
0 sec (sputter)
(c) PI/TiO2 -30wt%
450 455 460 465 470 475
PI/TiO2-40wt%
Ti 2p1/2 Ti 2p3/2
100 sec (sputter)
50 sec (sputter)
Counts (arbitrary unit)
Binding energy (eV)
0 sec (sputter)
(d) PI/TiO2 -40wt%
(40wt%,447oC) (30wt%,459oC) (20wt%,477oC) (10wt%,504oC) (0wt%,574oC)
temperature (oC)
TiO2 wt%
5wt% weight loss
5wt% weight loss
doping 0wt% TiO2 doping 10wt% TiO2 doping 20wt% TiO2 doping 30wt% TiO2 doping 40wt% TiO2
weight loss %
Temperature(oC)
圖4-12 PI/TiO2 薄膜熱重分析
0 10 20 30 40 0
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
膜厚減 少率 ％
TiO2添加量 （ wt%）
air-300℃
O2-300℃
圖4-13 膜厚隨添加量縮減趨勢
圖 4-14 AFM 圖形 PI/TiO2-10wt%(air-300℃) Rms=0.44nm
1μm
圖4-15 SEM切面圖 PI/TiO2-10wt%(air-300℃)
圖4-16 AFM 圖形PI/TiO2-10wt%(N2-300℃) Rms=0.45
圖 4-17 SEM 切面圖形 PI/TiO2-10wt%(N2-300℃)
1μm
0 10 20 30 40
Dielectric constant
TiO2 wt%
Dielectric constant
TiO2 wt%
N2-300 air-300 O2-300
圖4-19 介電常數與熱處理氣氛關係圖(300℃)
0 10 20 30
dielectric loss (m)
TiO2添加量(wt%) N2-300
N2-350 N2-400 Air-300 O2-300
圖 4-20 介電損失與添加量關係圖
0 100k 200k 300k 400k 500k 600k 700k
10-10
Leakage current density (A/cm2 )
electric field (V/cm)
pure-PI 10wt% TiO2 20wt% TiO2 30wt% TiO2 40wt% TiO2
0 100k 200k 300k 400k 500k 600k 700k
Leakage current density (A/cm2 )
electric field (V/cm)
pure PI 10wt% TiO2 20wt% TiO2 30wt% TiO2 40wt% TiO2
0 100k 200k 300k 400k 500k 600k 700k 10-10 Leakage current density (A/cm2 )
electric field (V/cm)
0.0 200.0k 400.0k 600.0k 800.0k 1.0M
Leakage current density (A/cm2 )
electric field (V/cm)
0.0 200.0k 400.0k 600.0k 800.0k 1.0M 1.2M 10-10
pure-PI 10wt% TiO2 20wt% TiO2 30wt% TiO2 40wt% TiO2 Leakage current density (A/cm2 )
electric field (V/cm)
圖 4-21 漏電流密度與電場關係圖
0 10 20 30 40
Leakage current density at 0.3MV/cm
TiO2 wt%
Leakage current density at 0.3MV/cm
TiO2 wt%
N2-300oC N2-350oC N2-400oC
圖
4-22 0.3M/cm
電場下電流與添加量關係圖0 100k 200k 300k 400k 500k 600k
Leakage current density (A/cm2 )
electric field (V/cm)
pure PI 10wt% TiO2 20wt% TiO2 30wt% TiO2 40wt% TiO2
0 100k 200k 300k 400k 500k 600k
10-11 Leakage current density (A/cm2 )
electric field(V/cm)
0 100k 200k 300k 400k 500k 600k
10-11 Leakage current density(A/cm2 )
electric field (V/cm)
0 100k 200k 300k 400k 500k 600k 700k 800k 900k
Leakage current density(A/cm2 )
electric field (V/cm)
Pure PI 10wt% TiO2 20wt% TiO2 30wt% TiO2 40wt% TiO2
-100k 0 100k 200k 300k 400k 500k 600k 700k 800k 900k 1M 10-10
pure-PI 10wt% TiO2 20wt% TiO2 30wt% TiO2 40wt% TiO2 leakage current density (A/cm2 )
electric field (V/cm)
圖 4-23 後熱處理漏電流密度與電場關係圖
0 10 20 30 40
Leakage current density at 0.3MV/cm
TiO2 wt%
leakage current density at 0.3MV/cm
TiO2 wt%
After baking N2-300oC air-300oC O2-300oC Before baking
N2-300oC air-300oC O2-300oC
Leakage current density (A/cm2 )
Electric field(V/cm)
圖4-25 經後熱處理與未經後熱處理電流與電場 0.3M/cm 下關係圖
PI/TiO2-10wt%
PI/TiO2-20wt%
PI/TiO2-30wt%
PI/TiO2-40wt%
1780 H2O
1380 TiO2
3400 1720
圖4-26 薄膜未經烘烤前 FT-IR 分析
PI/TiO2-10wt%
PI/TiO2-20wt%
PI/TiO2-30wt%
PI/TiO2-40wt%
H2O 1780 TiO2
1720 1380
Wavenumbers cm-1
圖4-27 薄膜經烘烤後 FT-IR 分析
480
380 400 420 440 460 500 520 540 560 580
-32.5
圖4-29 金屬與介電材料理想接面能帶圖
圖4-31 PI 薄膜濾波器光罩圖形
圖 4-32 PI 薄膜濾波器實作結果 OM 圖
圖4-33 PI 薄膜式濾波器理論模擬圖
Frequency dif ference(GHz)
圖4-35 二階濾波器厚度變化對頻率飄移變化圖 Thin-film thickness (um)
圖 4-36 PI/TiO2薄膜濾波器實作結果OM圖
圖 4-37 PI/TiO2薄膜濾波器實作結果局部圖