行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
總計畫
計畫類別： 整合型計畫 計畫編號： NSC93-2216-E-110-022- 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 共同主持人： 鄭建銓，黃義佑，李茂順，吳信賢 計畫參與人員： 謝伯宗 報告類型： 精簡報告 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
－總計畫（II）
The Solid-Mounted Resonator and its Applications
(II)計畫編號：NSC 93- 2216- E- 110- 022 執行期限：93 年 8 月 01 日~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) 共同主持人：鄭 建 銓 教授 (德霖技術學院電子工程學系) 吳 信 賢 助理教授 (東方技術學院電子與資訊系) 李 茂 順 教授 (高雄應用科技大學電子工程學系) 黃 義 佑 助理教授 (國立中山大學電機工程學系) 一. 中文摘要 本計畫旨在開發高頻無線通訊系統適用 的低損耗高功能微波共振器及濾波器；選擇以 氮化鋁薄膜作為彈性波元件之材料，以反應性 濺鍍法於基板上成長高品質氮化鋁薄膜，其中 包括單層壓電諧振薄膜及多層薄膜聲阻反射 層之參數模擬與成長，並經由界面層之研究， 探討薄膜之成長機制，同時精確控制各層薄膜 之厚度，最後經由體聲波諧振共振器與濾波器 之設計模擬與元件製作，建立微型元件之最佳 化結構與設計參數。 關鍵詞：氮化鋁、彈性波、固態微型共振器、 堆疊式晶體濾波器、固態微型濾波 器。 Abstract
The main subjects of this project are to develop the microwave filter and resonator that exhibit the properties of low insertion loss and high performance. These devices will be used in the application of high frequency wireless communication system. The AlN thin films will
be adopted as the subject materials of elastic wave devices in this project. The reactive rf sputtering method is used to fabricate the high quality AlN thin film on various substrates. The parameters simulation and growth of single-layer of piezoelectric materials and multi-layers of acoustic reflector are involved in this research. By the analysis of interface, the growth mechanism of thin film are discussed. With precise control of films thickness, bulk acoustic wave thin film resonator and filter are fabricated. The optimized structure and design parameters of devices are obtained by means of simulation and experiment.
Keywords ： aluminum nitride, elastic wave, solid-mounted resonator, stacked crystal filter, solid-mounted filter. 二. 計畫緣由與目的：
近年來由於通訊所使用的數位行動電話 (Mobile Phone)的發展，加上對高頻似無止盡 的追求，操作頻率均大幅提高至千兆赫(GHz)
以上，例如無線區域網路(Wireless LAN)暨藍 芽技術將頻率訂定在 2.45GHz，IEEE 802.11 的協定也是將頻率訂定在此範圍。目前熱門的 3G(The 3rd Generation，第三代行動通訊)系統 需求，除了通訊頻率的提高以外，在微波通訊 系統還要求良好的通訊品質以及製造成本的 降低。為達到通訊個人化的目的，系統的輕薄 短小也是追求的目標，因此小型化在微波通訊 系統中也是相當重要的課題。 目前用來作為微波濾波器的聲波元件可 分為兩個分支，其中之一就是目前普遍使用的 表 面 聲 波 濾 波 器 (Surface Acoustic Wave Filter，SAWF)，另一就是將傳統晶體及陶瓷 濾波器中使用的塊體諧振器以壓電薄膜來取 代，使其操作頻率能達到高頻(大於 GHz)的範 圍，即所謂的薄膜塊體聲波諧振濾波器(Film Bulk Acoustic Resonator Filter，FBARF)。
而本計畫研究屬於 FBAR 元件中的固態 黏著型共振器，其製作方式並不透過基板的蝕 刻製程，而是採用平面化製程，利用聲波在傳 播時，不同的材料具有不同阻抗的特性，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。而在 反射層阻抗調配的方式上，當符合 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，此種做法遠 較薄膜塊體聲波諧振器的製程來得簡單，而且 較能符合 IC 的平面化製程要求。 本計畫即針對以氮化鋁（AlN）薄膜為介 質的彈性波元件，致力於高頻無線通訊系統適 用的低損耗高功能高頻濾波器的研究；並分別 就薄膜成長、薄膜分析、元件製作及元件設計 等方向，依各項專業需求，整合不同之研究 群，分成五個子計畫，相輔相成，開發國人自 製研發之關鍵性零組件。基本上，沒有高品質 的薄膜，則無法有良好的元件，沒有精良的薄 膜分析技巧，則無法提供薄膜成長的改變參 數，而沒有好的元件設計則無法達到材料應用 的價值；所以整個整合計畫是一個團隊計畫， 缺一不可。 三. 結果與討論 3-1 〝固態微型共振器之壓電層與共振器研 製〞： 子計畫ㄧ係利用反應性射頻濺鍍法，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。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 選擇 Mo 作為電極材料。 子計畫ㄧ乃利用子計畫二所製作的布拉 格反射器，在其上製作 Al/AlN/Mo 壓電層結 構，形成固態微型共振器；本計畫之諧振器頻 率設定在 2.5GHz，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。由其 S11頻率響 應圖，可得到 2.31GHz 的共振訊號。 （詳細之研究方法與結果，請參考子計畫 一之成果報告--- NSC 93- 2216- E- 110- 023） 3-2〝固態微型共振器之反射層與堆疊式晶體 濾波器研製〞： 子計畫二使用反應性直流射頻磁控濺鍍 法交替沉積低聲阻抗之鈦以及高聲阻抗之鉬 薄膜，作為布拉格聲波反射層，並搭配由子計 劃一製作的壓電結構，研製固態微型共振器； 本研究旨在研製聲波反射效能佳的布拉格反 射器。多層反射層結構係使用 SEM 與 AFM 分析層與層的接合狀態與各層的粗糙度，並使 用網路分析儀(Network analyzer)量測元件之 頻率響應，由 S11頻率響應圖發現粗糙度較小 的布拉格反射層具有較佳之聲波反射效果，其 主要的共振頻率為 2.31GHz，與子計畫三所提 供的元件設計之共振頻率相符合。 （詳細之研究方法與結果，請參考子計畫
3-3〝高頻固態微型共振器模擬設計及震盪電 路研製〞： 本子計畫之研究目的主要為建立固態 微型共振器之電腦輔助設計方法與發展其 重要應用振盪器電路。對於製作 SMR 共振 器之規格，進行特性模擬，並針對光傳輸規 格（OC-48）2.488GHz，進行共振器修正設 計與振盪器設計，及電特性模擬。 本子計畫已成功發展出 SMR 共振器 之模擬設計方法，可針對各種 SMR 結構進 行設計，除可輔助實際製程之參考外，亦可 針對規格進行設計需求。在振盪器電路應用 上，針對光傳輸規格頻率（OC-48）進行其 SMR 元件與電路設計，發展出從 SMR 之結 構材料開始到元件與應用電路之整體考量 設計流程。 （詳細之研究方法與結果，請參考子計畫 三之成果報告 --- NSC 93- 2216- E- 272- 003） 3-4〝高頻固態微型濾波器模擬設計及研製〞： 本子計畫主要之研究目的為發展以固 態微型共振器為應用基礎之固態微型階梯 式(Ladder Type)濾波器，其具有體積更小、 阻絕率更佳、功率承受能力更高、插入損失 更低以及能與 IC 製程整合的特性；此等優 異特性，未來必將取代目前市場佔有率居冠 的 SAW 濾波器，成為射頻濾波器之主流技 術。本計畫亦針對第三代行動電話 WCDMA 頻率，設計固態微型階梯式(Ladder Type)濾 波器，與濾波特性模擬。 本計畫之執行過程密切與子計畫一(固 態微型共振器之壓電層與共振器研製)、子計 畫二(固態微型共振器之反射層與堆疊式晶 體濾波器研製)、及子計畫三(高頻固態微型 共振器模擬設計及振盪電路研製)之研究相 配合，建立固態微型共振濾波器之電腦輔助 設計方法與特性模擬；固態微型共振濾波器 為固態微型共振器之重要應用，配合由子計 畫三所開發之 SMR 共振器等效電路模型， 針對濾波器特性需求進行設計與特性模擬。 （詳細之研究方法與結果，請參考子計畫 四之成果報告 --- NSC 93- 2216- E- 151- 008） 3-5〝多層反射薄膜體聲波共振器之研發〞： 本子計畫之研究目的主要為結合兩種薄 膜體聲波共振器製作技術，其一為微機電面型 微加工技術做出底部掏空結構，再者為利用聲 波反射原理在基板與下電極間依序交替鍍製 高聲波阻抗材料與低聲波阻抗材料，以期能達 到元件特性更佳化的結果。 搭配各項子計畫，亦即將多層結構反射 層、上下電極及壓電薄膜整合製作出來後，最 後再利用 KOH 將基板挖空，如此便可製作出 本計畫擬開發之高頻薄膜體聲波元件，並進行 高頻特性量測，其元件具低 S11值，代表元件 輸入訊號的反射量低，亦即大部份功率訊號進 入元件中。 （詳細之研究方法與結果，請參考子計畫 五之成果報告 --- NSC 93- 2216- E- 110- 024） 四. 計畫成果自評 本計畫為「固態微型共振器及其應用」第 二年之總計畫，總和五項子計畫所得之研究結 果，各子計畫均達到預期目標，且其研究成果 互相交流，完成整體之目標。 子計畫ㄧ探討出適合於體聲波元件的底 電極材料與壓電層 AlN 的特性，並提供作為 子計畫二研製推疊式晶體濾波器之壓電層使 用；而由子計畫三所設計提供的諧振器頻率訂 在 2.488GHz，因此相對應分別擔任反射器結 構高聲阻與低聲阻的 Mo 與 Ti 厚度分別為 0. 629μm 與 0.607μm，而壓電諧振層的厚度則 為 2.08μm。子計劃二依照所設計的各層薄膜 厚度成長多層聲波反射層與壓電層，所得到元 件的共振頻率為 2.31GHz，與子計劃三所設計 之共振頻率相符合；子計劃四以子計畫三模擬 出來的共振器檔案，使用 senerade 軟體連接成 固態微型階梯式濾波器作模擬，提供給子計畫 ㄧ與二使用，建立固態微型共振濾波器之電腦
輔助設計方法與特性模擬。子計畫五承繼子計 畫一與二的元件結構，搭配微機電製程製作共 振器元件。 各子計畫間互相支援研究，合力完成此一 固態微型諧振器之研究，其成果有助於國內高 頻共振器元件之設計與製造。 五.參考文獻
[1]. K. M. Lakin, G. R. Kline and K. T. McCarron, 1993 IEEE MTT-S Digest, p.1517.
[2]. K. M. Lakin, G. R. Kline and K. T. McCarron, 1993 Proc. IEEE International Symposium on Frequency Control, p.718.
[3]. K. M. Lakin, K. T. McCarron and R. E. Rose, 1995 Proc. IEEE International Symposium on Ultrasonics, p.905. [4]. K. M. Lakin, G. R. Kline and K. T.
McCarron, IEEE Trans. Microwave Theory ＆ Tech., 41, 1996, p.417. [5]. E. Benes, M. Groschl, F. Seifert and A.
Pohl, 1997 Proc. IEEE International Symposium on Frequency Control, p.5. [6]. M. -A. Dubois, P. Muralt, H.
Matsumoto and V. Plessky, 1998 Proc. IEEE International Symposium on Ultrasonics, p.909.
[7]. R. S. Naik, J. J. Lutsky, R. Reif and C. G. Sodini, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 45, ,1998 , p.257.
[8]. K. Nakamura and H. Kanbara, 1998 Proc. IEEE International Symposium on Frequency Control, p.876.
[9]. M. -A. Dubois, P. Muralt and V. Plessky, 1999 Proc. IEEE International Symposium on Ultrasonics, p.907.
[10]. K. M. Lakin, in Proc. IEEE International Symposium on Ultrasonics, 1, 1999, p.895.
[11]. R. S. Naik, J. J. Lutsky, R. Reif, C. G. Sodini, A. Becker, L. Fetter, H. Huggins, R. Miller, J. Pastalan, G. Rittenhouse and Y. H. Wong, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 47, 2000, p.292.
[12]. R. Lanz, M. -A. Dubois and P. Muralt, 2001 Proc. IEEE International Symposium on Ultrasonics, p.843.
[13]. K. M. Lakin, J. Belsick, J. F. McDonald and K. T. McCarron, 2001 Proc. IEEE International Symposium on Ultrasonics, p. 827.
[14]. H. P. Lobl, M. Klee, R. Milsom, R. Dekker, C. Metzmacher, W. Brand and P. Lok, J. Euro. Ceramic Society, 21, 2001, p.2633.
[15]. R. Weigel, D. P. Morgan, J. M. Owens, A. Ballato, K. M. Lakin, K. Y. Hashimoto and C. C. W. Rupple, IEEE Trans. Microwave Theory ＆ Tech., 50, 2002, p.738.
[16]. W. M. Yim, E. J. Stofko, P. J. Zanzucchi, J. I. Pankove, M. Ettenberg and S. L. Gilbert, J. Appl. Phys. 44 , 1973, p.292. [17]. W. M. Yim and R. J. Paff, J. Appl. Phys.
45, 1974, p.1456.
[18]. M. A. Dubois, P. Muralt, H. Matsumoto and V. Plessky, 1998 Proc. IEEE Ultrasonic Symp., p.909.
[19]. S. Noge, H. Ueno, K. Hohkawa and S. Yoshikawa, 1995 Proc. IEEE Ultrasonic Symp., p.379.
