第五章 實驗結果與討論
5.1 高溫超導薄膜特性量測與分析
我們將利用脈衝雷射蒸鍍系統(PLD)製作高溫超導的雙面薄膜，
以上一章所介紹的各項儀器系統，對製備好的HTS薄膜進行特性的量 測與分析。利用電阻-溫度(R-T)量測系統的量測結果，如圖 5.1 所示，
圖中顯示此薄膜的臨界溫度(TC)在 90.5K，其表面電阻(RS)隨著溫度降 低而沿著金屬線下降，並於臨界溫度附近衰減快速，代表超導性佳；
利用XRD量測系統的量測結果，如圖 5.2 所示，由圖中偵測到的強度 對角度的位置，顯示此YBCO薄膜的磊晶成長方向為c軸(001)；。利
用α-step的量測結果，如圖 5.3 所示，圖中顯示此薄膜的厚度約在 260nm左右，且膜面大致平整；利用AFM量測的結果如圖 5.4 所示，
表面崎嶇度約5.775nm，且顆粒大小接近。由於薄膜表面的平整度會 影響到表面電阻的大小，進而影響到元件的損耗，所以會希望薄膜表 面整體的顆粒愈小愈好，則其表面電阻就會愈小，元件本身的損耗也 就愈低。
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Resistance(Ω)
Temperature(k) Tc=90.5k
圖 5.1 R-T 量測結果。
0 10 20 30 40 50 60 70
Intensity(a. u.)
2θ(degrees)
YBCO(001) YBCO(002) YBCO(003) YBCO(004) YBCO(005) YBCO(006) YBCO(007)
圖 5.2 XRD 量測結果。
圖 5.3 α-step 量測結果。
圖 5.4 薄膜的 AFM 影像分析。
5.2 高溫超導濾波器量測結果
實驗初期，我們封裝樣品時並沒有在測試座兩探針上點低溫銀 膠，微波量測結果如圖5.5 所示，圖中為S11與S21的頻率響應曲線。量 測結果很不理想，因為其最小插入損耗甚至比反射損耗大。檢討原因 後懷疑可能是濾波器輸入輸出埠與測試座兩探針接觸不良產生寄生 電阻，尤其我們是直接將樣品測試座浸泡在液態氮中，可能也會有液 態氮滲入輸入輸出埠與探針之間。於是我們點上銀膠重新量測後，其 量測結果如圖 5.6 所示，結果顯示中心頻率為 1.86GHz、比例頻寬 (FBW)為 2.96%、通帶中最小的插入損耗約為 1.19dB、反射損耗為 5.4dB。比較兩張圖，我們可以發現插入損耗與反射損耗皆明顯地改 善。現在我們用此方法量測另外兩類型濾波器，其結果如圖 5.7、圖 5.8 所示。圖 5.7 中，結果顯示中心頻率為 1.85GHz、比例頻寬(FBW) 為2.27%、通帶中最小的插入損耗約為 0.12dB、反射損耗為 15.2dB。
圖5.8 中，結果顯示中心頻率為 1.82GHz、比例頻寬(FBW)為 2.46%、
通帶中最小的插入損耗約為 0.41dB、反射損耗為 23.5dB。將實際量 測結果與模擬的結果作比較，如圖5.9(a)、(b)、(c)所示，並將實際量 測結果與電腦模擬結果的各項參數彙整成表5.1。
圖 5.5 未點銀膠的四階密集化共振電路之交錯耦合式帶通濾波器 (A type)頻率響應量測結果。
圖 5.6 四階密集化共振電路之交錯耦合式帶通濾波器(A type)的 頻率響應量測結果。
圖 5.7 四階密集化共振電路之交錯耦合式帶通濾波器(D type)的 頻率響應量測結果。
圖 5.8 四階微型共振電路之交錯耦合式帶通濾波器的 頻率響應量測結果。
圖 5.9(a) 實際量測結果與電腦模擬結果的比較(A type)。
圖 5.9(b) 實際量測結果與電腦模擬結果的比較(D type)。
圖 5.9(c) 實際量測結果與電腦模擬結果的比較(微小化髮夾型)。
Type f0 FBW IL RL
電腦模擬 1.799GHz 2.5% 0.0004dB 21.3dB A type
實際量測 1.86GHz 2.96% 1.19dB 5.4dB 電腦模擬 1.795GHz 2% 0.0006dB 21.7dB D type
實際量測 1.85GHz 2.27% 0.12dB 15.2dB 電腦模擬 1.797GHz 2.45% 0.0003dB 24.5dB 微小化髮
夾型 實際量測 1.82GHz 2.46% 0.41dB 23.5dB 表 5.1 不同類型濾波器之電腦模擬與實際量測數據。
由以上數據可以看出，用微小化髮夾型共振腔設計的濾波器，其 量測結果與電腦模擬的結果大致吻合；用密集化共振腔（D type）設
計的濾波器結果也十分接近，但中心頻率偏移了 50MHz；用密集化 共振腔（A type）設計的濾波器，其量測結果與電腦模擬的結果差異 最大。
我們分析模擬與實際量測誤差的原因，歸納出下列幾個因素：
1. 微帶線側蝕：由於我們是使用濕式蝕刻法製備元件，因此微帶線 經蝕刻後必定會有側蝕現象，側蝕會使中心頻率飄移，這對新型 共振腔而言十分嚴重，因為經由模擬與實驗，我們知道密集化共 振腔的中心頻率對共振腔的尺寸大小十分敏感，線寬只要比原本 少 1μm，中心頻率就會向上飄移 10MHz 左右，另外側蝕也會使 得各共振腔的線寬大小不同，其共振頻率也不一致，使信號失真。
2. 薄膜表面平整度：薄膜表面若不平整，會使表面電阻過大而影響 元件的效能，我們用密集化共振腔（A type）所設計的濾波器所佔 的面積太大，因此薄膜表面一定得十分平整才行。
3. 探針與輸入輸出埠的接觸：這個因素主要也是針對用密集化共振 腔（A type）所設計的濾波器，如圖 5.10 所示，因為面積大，若 要在1cm×1cm 的基板上實現元件，會使得輸入輸出埠不夠長，這 樣導致我們點的銀膠太接近共振腔而使電性變差。
圖 5.10 探針與輸入輸出埠的接觸問題。
最後，我們將林東漢學長所設計的濾波器與我們所設計之相同類 型共振腔的濾波器比較其量測結果，如圖 5.11 所示。從圖中可以看 出，學長所設計的濾波器其插入損耗約為 11dB，而我們所設計的可 達23dB，因此通帶的平整度更佳。
圖 5.11 實際量測結果與學長量測結果的比較(微小化髮夾型)。
5.3 具有金接點高溫超導濾波器量測結果
我們使用商購的THEVA 雙面YBCO薄膜，將其雙面鍍金，製作 出具有金接點與金接地的高溫超導濾波器。在製作元件之前，我們先 來量測薄膜特性，利用電阻-溫度(R-T)量測系統的量測結果，如圖 5.12 所示，圖中顯示此薄膜的臨界溫度(TC)在 92K，其表面電阻(RS)於臨 界溫度附近迅速衰減，代表超導性十分良好；利用α-step的量測結果，
如圖 5.13 所示，圖中顯示此薄膜的厚度約在 700nm左右且膜面大致 平整；利用AFM量測的結果如圖 5.14 所示，表面崎嶇度約 4.126nm，
且顆粒十分地小，比我們鍍的要小的多，因此膜面十分平整。
圖 5.12 商購薄膜 R-T 量測結果。
圖 5.13 商購薄膜α-step 量測結果。
圖 5.14 商購薄膜的 AFM 影像分析。
分析完薄膜特性後，我們開始製備具有金接點與金接地的高溫超 導濾波器，其量測結果如圖5.15、圖 5.16、圖 5.17 所示。
圖 5.15 具有金接點的四階密集化共振電路之交錯耦合式帶通濾波器 (A type)頻率響應量測結果。
圖 5.16 具有金接點的四階密集化共振電路之交錯耦合式帶通濾波器 (D type)頻率響應量測結果。
圖 5.17 具有金接點的四階微型共振電路之交錯耦合式帶通濾器頻率響應 量測結果。
圖 5.15 中，結果顯示中心頻率為 1.87GHz、比例頻寬(FBW)為 2.9%、通帶中最小的插入損耗約為 0.1dB、反射損失為 8.3dB；圖 5.16 中，結果顯示中心頻率為 1.86GHz、比例頻寬(FBW)為 2.96%、通帶 中最小的插入損耗為0.0002 dB、反射損失為 13dB；圖 5.17 中，結果 顯示中心頻率為 1.84GHz、比例頻寬(FBW)為 2.77%、通帶中最小的 插入損耗為0.01 dB、反射損失為 17.1dB。由以上數據我們發現濾波 器的插入損耗皆大大提升了，因此我們知道，在樣品在輸入輸出埠上 與背面再鍍一層金，可降低接觸電阻並使接地效果更好。另外我們也 發現中心頻率偏移的更厲害，這是因為我們是將兩吋的超導樣品直接
做黃光微影蝕刻，蝕刻完時再將之切為許多1cm×1cm 的樣品，因為 面積大，所以做濕式蝕刻時需花比較久的時間讓每個圖案都成形，以 致於會有蝕刻過頭的情形。
最後我們將圖 5.17 的樣品浸碘化鉀將背面的金與金接點除去，
量測其頻率響應，結果如圖 5.18 所示，並將這類型濾波器的各個量 測結果的各項參數彙整成表5.2。
圖 5.18 去掉金接點的四階微型共振電路之交錯耦合式帶通濾器頻率響應 量測結果。
電腦模擬 PLD 蒸鍍 商購鍍金 商購去金 中心頻率 1.797GHz 1.82GHz 1.84GHz 1.84GHz 比例頻寬 2.45% 2.46% 2.77% 2.6%
最小插入損耗 0.0003dB 0.41dB 0.01dB 0.28dB 反射損耗 24.5dB 23.5dB 17.1dB 16.5dB
表 5.2 四階微型共振電路之交錯耦合式帶通濾器 各個量測結果參數的比較。
分析此表，我們可以得到下列幾點：
1. 除了最小插入損耗外，我們自己蒸鍍的薄膜所製成的樣品與電腦 模擬的最為接近，這是因為側蝕情況較輕微所致，原因前面已討 論。
2. 比較鍍金和去金後量測的結果，可以發現有鍍金的樣品其插入損 耗與反射損耗均改善許多，最小插入損耗甚至趨近於零，可以說 影響非常大。
3. 因為反射損耗都在 15dB 以下，故這四種參數的通帶皆十分平整。
4. 本實驗室利用 PLD 蒸鍍的超導薄膜，雖然薄膜厚度不到商購薄膜 的厚度的一半，但比較PLD 蒸鍍與商購製成的樣品，發現最小插 入損耗差異並不大，因此可知薄膜厚度的影響並不大，而且超導 薄膜有水準直逼商購超導薄膜的趨勢。