鈣鈦礦結構金屬氧化物薄膜元件

摘要

我們在

10 × 10 mm

² 鋁酸鑭基板之雙面成長高溫超導釔鋇銅氧 薄膜，並利用微影蝕刻技術，分別製作六階的髮夾梳型微波帶通濾波 器以及四階的密集式交錯耦合型方形開迴路共振腔微波帶通濾波 器。量測的結果顯示，髮夾梳型微波帶通濾波器，其中心頻率為

8.25 GHz

，比例帶寬

3.1%

，通帶的插入損耗為

0.1 dB

；密集式交錯耦合 型方形開迴路共振腔微波帶通濾波器，其中心頻率為

3.01 GHz

，比 例帶寬

3.7%

，通帶的插入損耗為

0.1 dB

。

值得強調的是，中心頻率為

3.01 GHz

之密集式交錯耦合型方形 開迴路共振腔帶通濾波器，就我們所知，是目前最小之濾波器元件且 插入損耗也是最低。

一、研究動機與目標

近年來，隨著個人無線通訊的快速發展，電信業者對於基地台之 訊號強度、品質也越來越講究，美國、歐洲、日本的許多公司，運用 高溫超導技術在基地台前端的射頻濾波器上已有相當輝煌的成就

[1]

，其主要原因，是因為低溫系統技術的進步，除了能提升本身的效 率外，也能夠越做越小，使得在這方面的能源消耗大幅減低，有助於 高溫超導技術之廣泛應用。

要講求高品質的濾波效果，就非超導濾波器莫屬，因為利用超導 體在超導態下直流電阻為零的特性，除了降低損耗功率外，還可減低 雜訊及干擾，以及許多比一般傳統濾波器優越的特性，在行動通訊上 有許多令人滿意之改善

[1-3]

。的確，伴隨著理論研究的推展，高溫超 導技術在微波被動元件上的實際應用可行性逐漸成長中。許多的微波 被動元件是製作在絕緣體上的平面式電路，其好處除了容易製作外，

成本也低。

然而傳統的平行耦合式的濾波器

[4]

主要的的缺點是尺寸過大，以 超導體製作濾波器，想要大幅的降低成本，除了要有先進的低溫系統 外，還必須將元件縮小密集化，才能被現在的無線通訊系統所接受與 應用。另外，一個高品質之超導濾波器，必須依賴高品質的超導體薄 膜，依目前的技術，面積越大的高品質薄膜越難製備。

本研究之目的就是想要製作精緻型的平面式高溫超導體微波濾 波器，希望能藉由將元件的尺寸縮到最小，大幅降低成本，同時因面 積不需太大可以提高薄膜之品質，使濾波之功效達到極致。

我們從濾波器的圖形設計上改良，將原本在平行耦合線濾波器中 是一條長度為電磁波波長的二分之一的共振器，折成「ㄇ」字形形狀，

變得比電磁波波長的四分之一還稍短一些，我們稱為髮夾梳型微波帶 通濾波器；另外再將「ㄇ」字形的兩端再往內折，尺寸縮小了將近

80 %

，使元件圖形更小更緊密，以達到精緻型的高溫超導微波濾波 器的要求，我們稱為密集式交錯耦合型方形開迴路共振腔帶通濾波器

[5, 6]

。當然，若能用簡單的方法來調整濾波器的中心頻率，將可進 一步補償環境因素造成的頻率變動，對高精度的功能要求提供進一步 的改善。

本報告主要介紹以高溫超導薄膜製作髮夾梳型微波帶通濾波器 及密集式交錯耦合型方形開迴路共振腔帶通濾波器，期望擁有插入損 耗低、頻寬窄、體積小、衰減邊緣陡峭及中心頻率可調變等優點。髮 夾梳型微波帶通濾波器面積小於

10 × 10 mm

²，經過量測之後，得到 中心頻率是

8.25 GHz

，通帶中最小的插入損耗為

0.1 dB

，比例頻寬 為

3.1%

。密集式交錯耦合型方形開迴路共振腔帶通濾波器，除了讓 元件體積依然維持在

10 × 10 mm

² 以內，但是中心頻率變為

3.01

GHz

，通帶中最小的插入損耗為

0.1 dB

，比例頻寬為

3.7% [7, 8]

。 詳細的實驗細節、原理和討論分析，將在下面各章節中陳述。

二、電路分析與原理

我 們 設 計 的 濾 波 器 圖 ， 為 交 錯 耦 合 型 濾 波 器

(Coss-coupled microstrip filter)

，是由四個尺寸大小相同之共振腔所排列組合而成 的，如圖

2-1

，由於交錯耦合能讓通帶兩側產生出一對傳輸零點，使 截止頻帶外側附近的雜訊，得以被有效地衰減、消除，以提升電路本 身的選擇度。本節將說明交錯耦合型濾波器的三個基本結構

[6]

：共振 腔

1

和

4

為電耦合

(electric coupling)

、共振腔

2

和

3

為磁耦合

(magnetic coupling)

、共振腔

1

和

2

為混合型耦合

(mixed coupling)

。

圖 2-1 四階的密集化交錯耦合型濾波器的結構，介質常數

ε

_r ^{和厚度 h。}

A. 電耦合

(Electric coupling)

圖

2-2(a)

是共振腔

1

和

4

的等效電路模型，圖中

L

、

C

是單一共 振腔本身的電感和電容，因此單一共振腔之共振頻率為

LC 2

1

π

，

C

_m 則表示兩個共振腔之間的耦合電容。從

T

₁

-T

^’₁和

T

₂

-T

^’₂的參考平面看 入整個電路，此等效電路模型由以下的兩個數學式來表示：

2 m 1

1

j CV j C V

I = ω − ω

^, (2-1a) 1

m 2

2

j CV j C V

I = ω − ω

^. (2-1b)

圖 2-2 (a)電耦合共振腔的等效電路。(b)使用導納轉換 J=ωCm另一個形式的電

由數學式

(2-1a, 1b)

可以得出

Y

參數矩陣： 圖

2-2(b)

，兩共振腔之間很明顯的用導納轉換子

(Admittance inverter) J=ωC

_m表示其電耦合。以奇偶對稱分析

(even-odd mode analysis)

圖

2-11(b)

之電路，以奇模

(odd mode)

分析，中心對稱的

T

₁

-T

^’₁參考平面

B. 磁耦合

(Magnetic coupling)

圖

2-3(a)

是共振腔

2

和

3

的等效電路模型，圖中

L

、

C

是單一共 振腔本身的電感和電容，

L

_m 則表示兩個共振腔之間的耦合電感。從

T

₁

-T

^’₁和

T

₂

-T

^’₂的參考平面看入整個電路，此等效電路模型由以下的

兩個數學式來表示：

2 m 1

1

j LI j L I

V = ω − ω

^, (2-6a)

1 m 2

2

j LI j L I

V = ω − ω

^. (2-6b)

圖 2-4 (a)磁耦合共振腔的等效電路。(b)使用阻抗轉換 K=ωLm 另一個形式的磁 耦合等效電路。

由數學式

(2-6a)

、

(2-6b)

可以得出

Y

參數矩陣：

L j Z

Z

₁₁

=

₂₂

= ω

^, (2-7a)

m 21

12

Z j L

Z = = ω

^. (2-7b)

依據網路理論，可以從圖

2-4(a)

的等效電路圖轉換為圖

2-4(b)

。 圖

2-4(b)

，兩共振腔之間明顯的用阻抗轉換子

(Impedance inverter)

2-4(b)

之電路，以奇模

(odd mode)

分析，中心對稱的

T

₁

-T

^’₁參考平面

C. 混合型耦合

(Mixed coupling)

圖

2-5(a)

是共振腔

1

和

2

的等效電路模型，圖中

L

、

C

分別是單

K=ωL

_m表示混合耦合。使用奇偶對稱分析，將中心對稱的

T

₁

-T

^’₁參考

圖2-5 (a)混合型耦合開迴路共振腔的網路。(b)使用阻抗轉換子 K=ωL^’m 和導納 轉換子 J=ωC^’m 表示磁耦合和電耦合的混合形共振腔耦合的等效電路 圖。

D.

密集化交錯耦合型帶通濾波器

前面已詳細介紹密集化交錯耦合型濾波器的基本結構，我們可以 知道兩個共振腔之間的關係。由兩個共振腔的等效電路所解出的兩個 頻率，分別設為

f

a和

f

b，其中

f

b

>f

a，則共振腔

i

、

j

的耦合係數以

M

ij

表示：

2 a 2 b

2 a 2 b

ij

f f

f M f

+

± −

=

^(2-17)

(2-17)

的正負號分別表示

M

₁₂、

M

₂₃和

M

₃₄為正值，

M

₁₄為負值，表示 正值耦合與負值耦合相位恰好相反，也就是說交錯耦合是由共振腔

1

和

4

的耦合相位，不同於其它的耦合結構所產生的，讓通帶兩側產生 出一對傳輸零點。我們設計之密集式交錯耦合型方形開迴路共振腔帶 通濾波器之設計流程將詳細介紹於下章。

三、元件量測結果與討論

本章主要介紹三個元件之量測結果

(

如圖

3-1

所示

)

，第一個元件 為四階的密集式交錯耦合型方形開迴路共振腔帶通濾波器

(

元件代號 為

YL0105)

，第二個與第三個元件皆為六階的髮夾梳型帶通濾波器

(

元件代號分別為

YL1108

、

YC1219)

。

第一節為元件薄膜特性量測分析，第二、三節分別討論三個元件 之量測結果。

YL0105 YL1108 YC1219

圖3-1 三個超導體微波元件。

3.1 薄膜特性量測與分析

以下是對我們製作元件用的雙面超導體薄膜所作的量測與分 析。使用電阻

-

溫度量測系統的量測結果，量測溫度範圍為

50~290

K

，供給電流

0.1 mA

，電壓上限

10 V

，雷射蒸鍍第一面

(first plane)

之

YBCO

超導體薄膜

(

作為濾波器之接地用

)

，其臨界溫度

(T )

約

89.3

K

；雷射蒸鍍第二面

(second plane)

之

YBCO

超導體薄膜

(

作為濾波器 之電路圖形用

)

，其臨界溫度

(T

_C

)

約

90.4 K(

如圖

3-2)

。

圖3-2 電阻-溫度量測系統的量測結果。

利用

XRD

量測系統量測第二面蒸鍍之

YBCO

超導體薄膜

(

作為 濾波器之電路圖形用

)

，結果如圖

3-3

所示，圖中顯示

YBCO

薄膜之 成長方向為

c

軸與我們使用之基板

LAO

相同，顯示薄膜成長時有很 好的結晶性。

圖3-3 XRD 量測系統量測結果。

圖3-4 為元件 YL0105 使用

α

-step 儀器量測第二面蒸鍍之 YBCO 超導體薄 膜(作為濾波器之電路圖形用)之結果，我們可以觀察其超導薄膜厚度約 300 nm，圖中兩個高峰處，應為元件上之塵埃所造成。

圖3-4

α

-step 儀器量測之結果。

另外，以

AFM

分析，如圖

3-5 a,b,c,d

所示，由圖中可看出薄膜 表面的顆粒大小皆很平均，其

roughness

大約為

6.4 nm

，可見薄膜

圖3-5a 以 AFM 分析。

圖3-5b 以 AFM 分析。

圖3-5c 以 AFM 分析。

圖3-5d 以 AFM 分析。

圖

3-6

，圖

3-7

分別為元件

YL0105

、元件

YL1108

以光學顯微鏡 觀察之影像。由影像可以看出蝕刻圖形皆完善，並無斷裂情形發生。

圖

3-6

元件

YL0105

以光學顯微鏡觀察之影像。

1

2 3

4 5

圖3-7 元件 YL1108 以光學顯微鏡觀察之影像。

圖

3-8

，圖

3-9

分別為元件

YL0105

、元件

YC1219

以掃描式電 子穿隧顯微鏡

(SEM)

觀察之影像。從圖

3-8

第四張圖可看出，原本設 計需直角之圖形，放大

2500

倍後發現為圓弧狀，可見有輕微過度蝕 刻情形發生。另外，放大

2000

倍以上之圖形，皆可看到均勻的小白 點產生，這是以雷射蒸鍍法鍍膜皆會產生之正常現象。

1 2

3 4

圖3-8 元件 YL0105 之 SEM 影像。

1 2

3 4

圖3-9 元件 YC1219 之 SEM 影像。

3.2 四階的密集式交錯耦合型方形開迴路共振腔帶通濾波 器之量測結果與討論

圖

3-10

為四階的密集式交錯耦合型方形開迴路共振腔帶通濾 波器

(

元件代號

YL0105)

在

77 K

下散射參數之頻率響應，其中心頻 率為

3.01 GHz

，比例頻寬為

3.7 %

，通帶中最小的插入損失

(Insertion Loss)

為

0.1 dB

，除了與原先的電腦模擬結果相當符合之外，就我們 所知，也是目前達到最小插入損耗之超導濾波元件；顯示以高溫超導 體做為濾波器，高溫超導體確有其雄厚之應用潛力。另外，元件的截 止帶均有高達

50 dB

以上的衰減率，顯示此一元件有極佳的頻率選擇 性。

我們調整模擬之介電常數為

25.24

，使得模擬結果之中心頻率與 量測結果符合，如圖

3-10

所示。這樣的結果是可以理解的，因為介 電常數在高頻下是頻率的函數，而

IE3D

軟體的模擬只是近似，並沒 有介電常數與頻率的關係公式，因此才會有中心頻率的些微變化；另

一方面，由於我們濾波器在量測時，是裝置在鍍金的鋁製方形盒子 內，濾波器與盒子又形同一個新的元件，由於環境系統的影響，也可 能導致模擬的誤差。

圖3-10 YL0105 元件之散射參數頻率響應。

散射參數的相位可由所量測的散射參數之實部與虛部換算得 知，將相位定在

+180

^O

~-180

^O之間，可得其

S

₂₁參數相位之頻率響應

(

如圖

3-11)

，由於

ϕ = κ

x

− ω

t，其中

_ϕ

為 S₂₁之相位，

κ

為電磁波在 濾波器中的傳播常數，x 為電磁波在濾波器所走的距離，

_ω

為電磁波

散射參數的相位可由所量測的散射參數之實部與虛部換算得 知，將相位定在

+180

^O

~-180

^O之間，可得其

S

₂₁參數相位之頻率響應

(

如圖

3-11)

，由於

ϕ = κ

x

− ω

t，其中

_ϕ

為 S₂₁之相位，

κ

為電磁波在 濾波器中的傳播常數，x 為電磁波在濾波器所走的距離，

_ω

為電磁波

在文檔中 鈣鈦礦結構金屬氧化物薄膜物理與元件---子計畫I:鈣鈦礦結構金屬氧化物薄膜物理與元件(III) (頁 84-122)