行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
子計畫一：固態微型共振器之壓電層與共振器研製
計畫類別： 整合型計畫 計畫編號： NSC93-2216-E-110-023- 執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日 執行單位： 國立中山大學電機工程學系(所) 計畫主持人： 陳英忠 計畫參與人員： 陳開煌、胡竣傑、張評款 報告類型： 精簡報告 報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 94 年 10 月 31 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
固態微型共振器及其應用(II)－子計畫一：
固態微型共振器之壓電層與共振器研製(II)
The piezoelectric layer and resonator of solid-mounted resonator
(II)
計畫編號：NSC 93- 2216- E- 110- 023 執行期限：93年8月1日至94年7月31日 主持人：陳英忠 教授 (國立中山大學電機工程學系) 一、 中文摘要 本子計畫ㄧ係利用由子計畫二所提供的 布拉格聲波反射器結構，其乃使用雙靶式直 流磁控濺鍍系統，在矽(Si)基板上交替沉積 高、低聲阻抗之鉬(Mo)與鈦(Ti)薄膜；接續使 用 反 應 性 射 頻 磁 控 濺 鍍 法 ， 並 分 別 在 白 金 (Pt)/鈦(Ti)、鋁(Al)與鉬(Mo)等不同底電極上 沉積氮化鋁(AlN)薄膜。製程上需搭配黃光微 影 及 濕 蝕 刻 製 程 ， 以 完 成 固 態 微 型 共 振 器 (solidly mounted resonator, SMR)。AlN薄膜晶相使用X光繞射儀(XRD)分析得知，薄膜組成
的Al與N比例係使用energy dispersive X-ray spectrometer(EDS)分析，薄膜表面的粗糙度則 採用原子力顯微鏡(AFM)量測，最後再使用 網路分析儀(network analyzer)量測固態微型共 振器元件的頻率響應。由實驗結果得知，成 長於Mo電極之AlN薄膜其c軸優選排向佳，粗 糙度甚小，且薄膜中之Al與N比例接近1：1， 適合做為體聲波元件之用，因此經由評比結 果，選擇Mo作為SMR元件之底電極材料。由 本子計畫所製作的壓電層並搭配子計畫二的 布拉格反射器，成功地研製出具有良好特性 之固態微型共振器，其共振頻率為2.31GHz。 關鍵詞：濺鍍法、氮化鋁、布拉格聲波反射 器、固態微型共振器 Abstract
Solidly mounted resonator (SMR) is constructed of Bragg reflector and piezoelectric layer. To accomplish Bragg reflector, dual targets of dc magnetron sputtering system is adopted to deposit the successive layers. The Bragg reflector composed of high acoustic
impedance material, Mo, and low acoustic impedance material, Ti, is fabricated by subproject 2. The piezoelectric layer, aluminum nitride (AlN) thin film, is deposited on various bottom electrodes by means of reactive rf magnetron sputtering. The effects of various bottom electrodes, Pt/Ti, Al and Mo, on the characteristics of SMR devices are discussed detailed in this subproject. To form the SMR, the photolithography and the wet etching technique are adopted.
X-ray diffraction (XRD), energy dispersive X-ray spectrometer (EDS), and atomic force microscopy (AFM) are used to investigate the properties of AlN thin films. The SMR devices are characterized with network analyzer. From the experimental results, AlN piezoelectric film on Mo electrode exhibits excellent c-axis preferred orientation and smooth surface. Furthermore, the stoichiometry of AlN is close to 1:1, which suits to bulk acoustic wave application. The frequency response, S11, of a
SMR device shows a strong and ripple-free resonance curve at 2.31GHz.
Keywords: aluminum nitride, solid-mounted resonator, periodic compressional force method, piezoelectric coefficient. 二、 計畫緣由與目的 由於無線電傳輸的需求日益擴大，無線 電的手機或是衛星定位系統已經成為未來通 訊的必需品，而濾波器則為這些電子產品中 不可缺少的基本元件，其功能係用來篩選不 同的波段，藉以達到互通訊息的目的。傳統
的濾波器由電感(L)及電容(C)或其等效元件組 合而成，在 VHF 的應用上十分廣泛。不過當 無 線 通 訊 系 統 之 工 作 頻 率 提 高 至 微 波 範 圍 時，LC 濾波器的品質因素(Q)會大幅降低且 電路所佔用的面積太大，與其他數位電路整 合之經濟效益不佳，因此限制了它在高頻無 線通訊系統中的應用[1-5]。 體彈性波係在固體內傳播，為減少能量 損失及提高品質因數，常需配合微機電製程 中的蝕刻技術以做出隔膜結構。而在半導體 製程的要求上，製程平面化是一項相當重要 的因素，薄膜塊體聲波諧振器(FBAR)因涉及 到犧牲層蝕刻不易及需背部蝕刻等製程上的 要求，對半導體製程的匹配程度不佳。另一 方面，固態微型諧振器屬平面化製程，不須 有這方面的顧慮，在製程的困難度上有比薄 膜塊體聲波諧振器簡單的特點，所以在製程 上所花費的成本較低，生產上可達到最大的 效益[6-11]。 固態微型諧振器的製作原理，乃利用聲 波在傳播時，不同的材料具有不同的阻抗， 所以在共振結構的下方製作巨大的聲波阻抗 當 作 反 射 層 ， 使 共 振 聲 波 在 此 介 面 產 生 反 射。在反射層阻抗調配的方式上，符合 1/4 共振波長的材料厚度時，薄膜的聲波阻抗最 大；再加上由大、小阻抗串疊的方式，又可 製作出比原阻抗值更大的阻抗結構，再視所 設計的阻抗要求，控制整個反射層結構的層 數；其中所需注意的是整個結構中，個別薄 膜厚度的精準控制。 本 計 畫 所 探 討 的 壓 電 薄 膜 材 料 為 氮 化 鋁，是具有非鐵電性的壓電體，無法以極化 方式產生壓電性，但是其 C 軸排向的結構可 產生壓電性，因此具有 C 軸排向的 AlN 薄膜 為本計畫的主要研究方向[12]。在體聲波元件 中，壓電層成長於電極之上，且壓電層必須 具有適當程度的絕緣性，才不會因為導電致 使元件失效，因此，沈積品質良好的壓電層 是很重要的；此外，諧振器的結構需要精確 的黃光微影製程，因此製作整體元件的微影 蝕刻製程也是本計畫研究的重點。 三、 研究方法 SMR 的製作主要分成反射層和壓電層兩 部分；布拉格反射層部分由子計畫二提供， 係採用雙靶式直流磁控濺鍍法成長反射層所 需 之 鉬(Mo) 與 鈦 (Ti) 薄 膜 以 及 電 極 所 需 之 Pt/Ti、Al 與 Mo 薄膜。濺鍍靶材是採用純度 為 99.995%的鉬靶和鈦靶，同時利用高純度 的氬氣(Ar)作為濺鍍氣體，控制適當的濺鍍壓 力、濺鍍功率與基板溫度，成長出介面清晰 的多層反射層薄膜。 成長壓電層方面，以正軸式(On-axis)反 應性射頻磁控濺鍍法成長 AlN 薄膜。濺鍍靶 材是採用純度為 99.999%的鋁靶，同時利用 高純度的氮氣(N2)和氬氣(Ar)作為反應氣體； 表一所示為本研究中之固定條件及濺鍍參數 改變的範圍。適當地控制濺鍍功率、氮氣分 率、濺鍍壓力、基板溫度與濺鍍時間，藉以 濺鍍出高C 軸排向之 AlN 薄膜。 表一、反應性射頻濺鍍系統沈積氮化鋁薄膜 之系統參數 真空抽氣系統 渦輪分子幫浦 濺鍍系統 Planar Magnetron Rated Power 1KW (13.56MHz) 靶材 鋁靶，99.999% 直徑三英吋 基板溫度 400℃ 靶材與基板間距 50 mm 氮氣流量 氬氣流量 2-7.5 sccm 2-7.5 sccm 濺鍍壓力 1-15 mTorr 射頻功率 369W 在材料分析方面，X 光繞射法為一種簡 單、直接、非破壞性的分析方法，可用在製 程開發的早期階段，藉以分析薄膜之晶相排 列，以決定薄膜沈積的最佳條件。EDS 分析 法可用來定性與定量分析薄膜中的各元素成 分，其中定量分析需要比對標準資料庫。 原子力顯微鏡係利用一探針感測來自試 片表面的排斥力或吸引力，探針與試片表面 之間垂直距離的調整視兩者間相互物理作用 力的大小而定，有一反饋電路可控制這垂直 距離以促使探針與試片表面的相互作用力保 持固定，AFM 的最大功能乃是粗糙度分析、 三維空間影像擷取，而微電子製程技術上普 遍地需要這方面的檢測資料。 在 SMR 元件製作方面，則是先在 Si 基 板上沉積多層布拉格反射結構之後，再分別
製作下電極、壓電層和上電極，組成三明治 結構，如圖一所示，此三層結構將採用半導 體元件製程中的黃光微影製程和舉離法來製 作，分成三道光罩，實驗步驟如下： 第一道光罩：底電極的製作 將完成反射層的試片利用黃光微影製程 定義出底電極的圖形，接著以直流濺鍍系統 沈積 SMR 所需之底電極，最後將沈積好的試 片利用舉離法去除不需要的金屬，即完成底 電極的製作。 第二道光罩：蝕刻氮化鋁 將完成底電極的試片置入射頻磁控濺鍍 系統沈積氮化鋁，再利用黃光微影製程定義 出圖形，以光阻當作遮罩層，然後置入溫度 80℃、濃度 85%的熱磷酸，沒有被光阻保護 的氮化鋁部分就會被磷酸蝕刻，露出底電極 部分以供電性量測。 第三道光罩：上電極的製作 將完成壓電層的試片利用黃光微影製程 定義出上電極的圖形，接著以直流濺鍍系統 沈積 SMR 所需之上電極，最後將沈積好的試 片 利 用 舉 離 法 去 除 不 必 要 的 金 屬 ， 即 完 成 SMR 元件的製作。 圖一 SMR 元件結構剖面圖 為符合現今無線通訊應用，本研究計畫 將諧振器頻率設定在 2.5GHz，而 AlN、Mo 與 Ti 的理想體聲波波速分別為 10,400 m/s、 6,290 m/s 與 6,071 m/s，因此，由聲波波速、 頻率與波長的關係： V=λ× f ,...(1) 可得AlN、Mo 與 Ti 的厚度要求分別為 2.08µm、0.629µm 與 0.607µm。依照各層薄膜 所需厚度成長電極/壓電層/電極與多層聲波反 射層結構，並使用HP8720ET 網路分析儀搭 配GSG 探針量測固態微型共振器的訊號。 四、 結果與討論 氮 化 鋁 沈 積 在 不 同 的 底 電 極 上 ， 所 得 XRD 結果如圖二所示，以白金為底電極的 AlN 之 XRD 強度和半高寬最好，但是白金在 應 用 上 有 缺 點 ， 如 質 量 很 大 易 造 成 負 載 效 應、導電率較低以及價格過於昂貴。而以鋁 為底電極的 XRD 半高寬不佳，而且其能忍受 的製程溫度較低、與氮化鋁的蝕刻選擇比較 差以及表面易氧化等[13-15]。以鉬當作底電 極，其相對於白金和鋁，有不錯的導電度、 質量密度以及低廉的成本，其中，本實驗成 長在鉬電極的 AlN 其 FWHM 值為 0.5890o， 由去年的研究計畫成果可得知，其壓電性仍 可應用於體聲波元件之製作[16]。 圖二 不同底電極成長氮化鋁之 XRD 圖
圖三為氮化鋁成長在 SiO2/Si 基板之 EDS
分析圖，藉由標準資料庫的比對，測量出薄 膜中的 N 元素與 Al 元素重量比為 44.18： 55.82，原子比約為 60.39：39.61，呈現氮比 鋁多的狀況，由於 SMR 元件採用了金屬/絕 緣體/金屬的 MIM 結構，因此當做絕緣體的 AlN 薄膜必須要有適當的絕緣性，而本實驗 的 AlN 薄膜中氮元素多於鋁元素，可以提高 AlN 薄膜的絕緣性，使得元件不致因為 AlN 薄膜導通而損壞，進而提高元件的良率。 圖三 氮化鋁之 EDS 圖 FWHM：0.3640 o FWHM：0.6530 o FWHM：0.5890o 上電極 下電極 Mo/Ti 布拉格 反射層
圖 四(a)為 AlN 成長在 SiO2/Si 基板之
AFM 圖，其表面粗糙度為 3.906nm；圖四(b) 為 AlN 成長在 Mo/SiO2/Si 基板之 AFM 圖，
其表面粗糙度為 5.466nm，由此得知 AlN 薄 膜的粗糙度會因為 Mo 底電極的加入而增 加，圖四(c)則為其 3D-AFM 圖，可以看出 AlN 呈現柱狀的結構，表面粗糙度不大，適 合體聲波元件使用。 (a) (b) (c)
圖四 (a)AlN/SiO2/Si 結構之 AFM 圖,
(b)AlN/Mo/SiO2/Si 結構之 AFM 圖,
(c)AlN/Mo/SiO2/Si 結構之 3D-AFM 圖
布拉格反射器由子計畫二提供，依照所 設定的諧振器頻率 2.5GHz，成長適當膜厚的 多層反射層，本實驗採用四對的 Mo/Ti 薄膜 形成布拉格反射器，並利用黃光微影製程製 作 SMR 元件，而電極的設計符合 GSG 探針 形式，圖五為網路分析儀量測示意圖。 圖五 網路分析儀量測示意圖 圖六所示為 SMR 元件之 S11頻率響應 圖，其共振頻率為 2.31GHz，略低於所設定 的 2.5GHz，可能是頂部電極的負載效應所造 成；圖中所示Return loss (S11)為 -16.7dB， 由底部的布拉格聲波反射器所反射造成的共 振頻率的選擇效果明顯且非共振頻率的頻段 雜訊極小，顯示所製作之布拉格聲波反射器 相當良好。 0 1 2 3 4 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 S11 (d B) Frequency (G H z) 圖六 S11頻率響應圖 五、 計畫成果自評 本子計畫係利用反應性射頻濺鍍法沈積 氮化鋁薄膜於 Pt/Ti、Al 與 Mo 電極上，由參 考文獻及本實驗結果得知 Mo 極為適合的電 極選擇。在AlN 壓電層的分析上，由 XRD 的 FWHM 得知其具有足夠之壓電特性；由 EDS 可發現在本實驗所沉積之 AlN 薄膜其 N 原子 比例略高於 Al 原子；由 AFM 分析得知，
AlN 薄膜的表面粗糙度會因為 Mo 電極的加 入 而 略 為 增 加 ， 但 其 值 不 大 ， 仍 可 適 用 於 SMR 元件之製作。 本子計畫實際製作出適用於體聲波元件 的 AlN 壓電薄膜，以 Mo 為電極，AlN 為壓 電層，再搭配 Mo/Ti 的布拉格反射器，成功 地研製出具有良好特性之固態微型共振器， 其共振頻率為 2.31GHz。本研究將持續以製 作優良的壓電薄膜為基礎，改善共振器的諧 振特性，而本研究的結果將可提供國內廠商 作為研製體聲波元件方面的參考。 整體而言，本子計畫已達成預期的目 標，並成功地製作出固態微型共振器元件所 需的壓電層或作為反射層結構所需的多層薄 膜製作技術，對提升國內在體聲波元件方面 的研發有所貢獻。 六、 參考文獻
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