GHz 高頻率的聲波濾波器可以使用表面聲波濾波器(Surface acoustic wave filter, SAW) 元件或是晶體的塊體共振濾波器(Bulk acoustic wave resonator, BAR)元件達成，其中表面聲 波濾波器的尺寸微小，但需以深次微米微影技術才能做出符合高頻率需求的元件，而塊體 聲波共振濾波器雖然比 SAW 容易達高頻，但是其體積大，不適用於微小化的系統。近數 年發展出使用壓電薄膜來替代塊體諧振的薄膜塊體聲波共振濾波器(thin film bulk acoustic resonator filter, TFBAR)，可以達到做成小尺寸的高頻(>1GHz)元件。[1-3]
表面聲波濾波器的構成基礎為使用一個壓電材料，結合指叉電極 IDT (Interdigital Transducer)的作用，使電壓訊號由輸入端轉換成聲波，經由壓電材料表層傳遞至輸出端時， longitudinal wave 18,000m/s, shear wave 12,000m/s, 及 SAW 11,000m/s)，再結合其他壓電材 料來形成高頻濾波器[6,7]。圖 3.1 為一個多層膜型鑽石表面聲波濾波器，其中需約 10μm以
AlN/Diamond/Si 的組合也可以以 1.0μm線寬的指叉電極達到 2.5GHz 濾波頻率[8]，而 LiNbO3/Diamond/Si 的組合以 5.0μm的線寬的指叉電極預估可以達到 415MHz[9]，若改為 1.0μm線寬應可達 1.6GHz 以上。使用 ZnO 為壓電層的鑽石表面聲波濾波器，由於 ZnO 具 有大的溫度漂移缺點，必須再加上 SiO2薄膜補償。雖然鑽石表面聲波濾波器已研究多年，
但仍未被大量使用，其中主要原因與鑽石厚膜性質與製造成本有關，目前以化學氣相沉積 法(Chemical vapor deposition)於高溫中合成之高結晶度大晶粒鑽石膜之表面粗糙度高，必須 以高溫化學研磨後才可予以平坦化；另一方面，鑽石鍍膜具有高壓應力而使得基材產生彎 曲現象，造成後續 SAW 製程難於控制。近來已有機構投入研究奈米晶粒鑽石薄膜，而其 是否能保有鑽石之高波傳速率又能克服粗糙度與應力則待觀察 [10,11]。
薄膜塊體聲波共振濾波器(TFBAR)由於其具有可承受較大功率，元件尺寸比陶瓷塊體 諧振器及表面聲波濾波器小，容易達到 400MHZ~20GHZ的頻率範圍等特性，自 90 年代初 期就被研究人員重視。另一方面，微機電系統(Micro Electro-Mechanical System, MEMS)製 造技術的發展至今已趨成熟，其製程與一般 IC 製程具有相容性，使得以 MEMS 技術製做 的塊材微細加工(Bulk micromachining)之背孔隔離型共振濾波器(via isolated resonator)，(b) 面型微細加工(Surface micromachining)的氣隙隔離型共振濾波器(air-gap isolated
resonator)，以及(c)Agilent 專利的製程與結構形成的氣隙隔離型共振濾波器。[13,14]
電極薄膜 壓電薄膜
(a) (b)
(c)
圖 3.3. 微細製造之 TFBAR: (a) 塊材微細加工背孔隔離型、(b)面加工氣隙型、(c)Agilent 專利氣隙型
以塊材微細加工製作的 FBAR 採用以鹼性溶液(如 KOH 等)由矽基材背面向表面進行背 向蝕刻，使未被保護的基材部分被吃穿而留下電極與壓電材料橫隔膜(Membrane)。塊材微 細加工由於採用對矽晶片的不同晶面間的選擇性蝕刻，造成基材的(111)斜面與橫隔膜表面 (相對於基材的(100)面)的幾何夾角 54.7° [15]，因此元件的實際面積比由正面蝕刻所需的工 作面積大，不利於微小化。面型微細加工則預先於基材表面墊上一層犧牲薄膜層(Sacrificial Layer)，於其上形成電極與壓電薄膜之後，再移除犧牲層使得共振濾波器成為懸空的構造。
面型微細加工皆於基材正面進行製造，可以採用與積體電路相容的設備與製程，元件所佔 面積小。然而當使用溶液移除犧牲層以及清洗製程時，會面臨因液滴縮小時表面張力的作 用而引起振盪器薄膜結構黏貼於基材表面的問題，因此尚需要配合超臨界清洗(Supercritical Cleaning)才能維持共振濾波器構造完整[15]。Agilent 的專利製程則由矽基材表面先以塊材 微細加工做出凹槽，之後回填磷矽玻璃(Phosphorus silicate glass, PSG)，經由化學機械研磨 (Chemical mechanical polishing, CMP)磨平後，再於上面做振盪器的電極與壓電薄膜，而後 以稀氫氟酸(diluted hydrofluoric acid, DHF)快速去除 PSG 以形成底部氣隙，形成薄膜塊體聲 波共振濾波器[16]。其餘製程設計還包含以陽極蝕刻之多孔性矽做為底部犧牲層，於做好 共振濾波器的電極與壓電薄膜後，再以稀氫氧化鈉移除犧牲層以形成氣隙 [17]。由於上述 三種薄膜塊體聲波共振濾波器已經被證明元件的可行性，但仍有許多製程或構造的問題待 改良，因此本研究計劃包含針對氣隙型薄膜體聲波共振濾波器的氣隙改良研究。
piezoelectric film 振濾波器(solidly mounted resonator, SMR)之高頻率波元件 [2]。此處上電極與空氣接觸，而 下電極底部則接觸由低聲波阻抗層(low Z)與高聲波阻抗層(high Z)交替組合成多層膜 (multilayers)的 Bragg 反射層，此反射層可以如同空氣/電極介面將聲波反射回壓電薄膜，
使 SMR 與氣隙型 TFBAR 作用相同，利用入射聲波與反射聲波干射形成駐波效果而達到特 定共振頻率。
氣隙於薄膜體聲波諧振濾波器的作用為使底電極側如同表面電極側一樣的直接與空氣 相接觸，如此便可以以空氣做為聲波反射層，達到駐波條件及減少損耗。比較 Solid Mounted Resonator 使用 low Z-high Z 多層薄膜做為反射層的觀念，底電極應可以與合適固體材料接 觸，同時仍保有低能量損耗的特性。由於多層膜反射層與空氣都被用以反射聲波，因此若 使用一個接近於空氣特性的材料[18-20]來取代氣隙或 Bragg 反射層，將有機會以簡易結構 與製程製作薄膜體聲波諧振濾波器。
近數年於積體電路工業對於後段金屬內連線的介電材料研究著重於開發低介電常數的 材料與製程，用以降低 RC 時間延遲(Time delay)，而發展出的各種低介電常數材料之中有 一類為奈米多孔結構的二氧化矽(SiO2)薄膜[21]。奈米多孔性的 SiO2由於可以具有高達 70%
體積比的孔隙度，可以將 SiO2的介電常數由密實矽石(silica)的 4.0 調降至 2.0 [22]，而商品 化的 Nanoglass(Allied Signal)還提供可以調整介電常數由 3.0 調降至接近空氣(K=1)的 1.1 的 選擇性。孔隙度對奈米多孔性矽石的介電常數影響有如圖 3.5 所示[22]。
圖 3.5. 孔性矽石的孔隙度與介電常數的關係[18]
採用奈米多孔性矽石做為元件構造的一部份時需同時考慮其機械強度，由於材料的機 CdS 4820 9.5 4465 21.52 0.15 >50 ZnO 5680 8.8 6330 36.0 1.28 8.3 AlN 3270 8.5 10400 24.0 0.17 ~5 LiNbO3 4640 29 7320 20.58 0.17 0.5~0.9
LiTaO3 7450 43 6460 46.4 0.19 0.8
由於薄膜成長技術已趨成熟，AlN[8,25-27]與 ZnO[28,29]薄膜被廣泛的研究，這二種壓 電材料的晶體結構同屬於六方晶(Hexagonal)，為達到高壓電係數所需的[002]晶向的優選取 向(Preferred Orientation)，可以由控制真空濺鍍(sputter deposition)的參數達成。表中的 LiNbO3及 LiTaO3也為良好的壓電材料，但是於濺鍍成膜時其成份比例難控制，也因而易 失去高壓電係數的結晶相，以及[002]優選取向。最近數年於研究光波導管(waveguide)及表 面聲波濾波器(SAW Filtet)方面，LiNbO3濺鍍則逐漸可以被控制其晶相及晶向了[30,31]。另 一個可以被應用於聲波元件的鐵電材料為 PZT (Pb(ZrTi)O3)，成長厚膜的 PZT 大都使用溶
另一方面，以有機金屬化學氣相沉積(metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD)方式 成長 AlN 磊晶薄膜成長也見於文獻中[36,37]，其中多以單晶氧化鋁為基材，由於氧化鋁與
包含 Al、W、Mo、Pt、Au 等金屬可以做為聲波元件的電極材料，金屬電極的材料特 性如表 3.2，部份已經商品化的 TFBAR 元件則有 Agilent 的雙工器(Mo/AlN/Mo)、TDK 的
寬頻濾波器(Au/ZnO/Au, Pt/PZT/Pt)及 TFR 的濾波器(W/AlN/Al/Reflector)[13]。若以面心立 方晶系(face center cubic)的 Al、Pt、Au 等金屬為底電極，當電極膜為<111>方向時將有助 於 AlN 成長為<002>優選取向，因此本計畫也以 Au 與 Pt 為底電極材料。
表 3.2. 底電極材料性質
W Mo Pt Al Au
Density (g/cm3) 19.3 10.2 21.4 2.7 19.3 Stiffness (GPa) 410 343 147 107 200 Velocity (m/s) 4610 5800 2620 6300 3200 Resistivity (μΩ·cm) 5.4 5.7 10.6 2.7 2.2
4. 研究方法