二維聲子晶體與表面聲波元件
製程之整合
顧可斌
1，謝志誠
2 1. 國立台灣大學生物產業機電工程學研究所研究生 2. 國立台灣大學生物產業機電工程學系教授，本文通訊作者摘
要
本研究 運用創新之 方式將表面 聲波元件與 二維聲子晶 體之面型微 加工與體 型 微加工製程 予以整合。 其中，將聲 子晶體結構 以微製程製 作於一對微 米級表面 聲 波元件之發 射器與接收 器之間，兩 端之發射器 與接受器係 由叉指狀換 能器組成 ， 沈積在層狀 壓電薄膜之 上。聲子晶 體之圓孔直 徑為6.0 m，深度為 20 m，深寬比 大於 3，由於叉指狀換能器所產生之波長為間距之 4 倍，為了將頻溝限制在數百 MHz 範圍內，故依所欲產生之表面聲波之中心頻率，將叉指狀換能器之電極間距 訂在3.4 m至 9.0 m 之範圍。本研究在電鍍液中加入添加劑聚乙二醇，成功地完成 微米級、高 深寬比之聲 子晶體孔洞 之電鍍填充 。 關鍵詞：聲 子晶體、表 面聲波元件 、微機電製 程INTEGRATION AND FABRICATION OF 2D PHONONIC
CRYSTALS AND SURFACE ACOUSTIC WAVE
MICRO DEVICES
Kebin Gu
1, Jyh-Cherng Shieh
21. Graduate Student, Department of Bio-Industrial Mechatronics Engineering, National Taiwan University.
2. Professor, Department of Bio-Industrial Mechatronics Engineering, National Taiwan University, Corresponding Author.
ABSTRACT
In this paper, we present the integration and fabrication of innovative phononic crystals integrated with two sets of interdigital transducer (IDT) for frequency band selection of surface acoustic waves (SAW). The prohibited bandwidth has been verified by fabricating the phononic crystals between a micromachined SAW resonator and a receiver. Both the resonator and receiver are composed of IDT electrodes deposited and patterned on a thin piezoelectric layer. To confine the prohibited bandwidth on the order of hundred MHz, the diameter of the circular pores in
phononic crystals is designed to be 6 micron and the aspect ratio of each pore is 3:1. To maximize the power transduction from IDT electrodes to SAW, the spacing between two interdigits is one-fourth the wavelength of SAW. Specifically, the spacing ranges from 3.4 microns to 9.0 microns, depending on the central frequency. Both surface and bulk micromachining are employed and integrated to fabricate the crystals as well as SAW resonator and receiver altogether. With PEG additives in the electrobath, we successfully accomplish filling micro-level and high aspect ratio pores in 2-D phononic crystals by copper plating.
Keywords: Phononic crystals, surface acoustic wave devices, MEMS fabrication
一、前
言
近年來對於週期性介電質結構之探討越來越 多，這種具有週期性之結構在電磁波通過時會發 生頻溝現象(band gap)，阻擋某些頻率之電磁波通 過。1990 年代，研究發現電磁波與彈性振動有相 當程度之類似性(Kushwaha et al., 1993; 1994)。基 於聲子(Phonon)與光子(Photon)之類比關係，研究 者推論：由不同彈性材料、不同排列方式組成之 週期性結構，可以阻止特定角度或特定頻率的聲 波 穿越(Kushwaha and Halevi, 1994)。此類週期性 結 構稱為 聲子晶 體(Phononic crystals)。聲子晶體 之 頻 溝 現 象 除 了 可 應 用 作 為 表 面 聲 波 之 濾 波 器 外，將聲子晶體與表面聲波元件(Surface Acoustic Wave Device)整合，更具有發展為改良表面聲波 元 件 微 感 測 器(Performance Improvement of SAW Micro-sensors)，射 頻 電 路 前 端 零 組 件(Front-end Components in RF Circuitries)與高頻表面聲波方向 性接收器(Directional Receptions of High Frequency Acoustic Waves)等潛力。 1980 年代開始，即有文獻針對於兩種不同材 料之無限平板，在厚度方向重複堆疊而成之一維 聲 子 晶 體，或 稱 為 超晶 格(super-lattice)結構，提 出 彈 性 波 之 波 傳 理 論(Kushwaha et al., 1988)。 Kushwaha 等人(1993) 針對兩種相異等向性彈性材 料 所 架 構 之 二 維 週 期 性 結 構，提 出 徹 體 波(bulk acoustic wave)之振動波傳理論，該結構體係由垂 直填充於基底材料之圓柱體所組成，晶格排列為 正方晶格與六角晶格，而波傳之平面則與圓柱軸 垂直。Tanaka 與 Tamura (1999) 選用立方晶系之 AlAs 與 GaAs 組合而成之二維聲子晶體，探討表 面 波 之 波 傳 理 論。林 (2001)利 用 平 面 波 展 開 法 (plane-wave expansion method)計算二維聲子晶體 之聲波頻溝，預測頻溝出現之頻段與寬度，進而 針對指定入射角度及結構尺寸設計濾波頻率，其 研究結果顯示該理論可用來預測頻溝現象出現之 頻段，作為設計二維表面聲波濾波器之依據。 實驗部分，Montero 等人 (1998)與 Vasseur 等 人(2001) 量測二維聲子晶體縱波之頻溝分佈。劉 (2003) 製作出具備有二維聲子晶體結構之表面聲 波元件（圖 1），針對高頻表面聲波在微米級二 維聲子晶體中傳播進行探討，並在矽基板上沈積 氧化鋅(Zinc Oxide)壓電薄膜，再在薄膜上製作叉 指狀換能器（interdigital transducer，簡稱 IDT）， 用以產生及接收聲波訊號，至於在聲波傳遞之途 徑上，則以不同材料，設計週期性之二維聲子晶 體結構（圖2）。劉 (2003) 之聲子晶體結構中，圖1 聲子晶體在表面聲波元件上之架構圖（劉， 2003）
Fig.1 Schematic diagram of 2D phononic crystals in SAW micro devices
基底材料 B 為矽，填充體材料 A 為柱狀空孔結 構，對於A 為其他種材料之情形並未做進一步探 討。 本研究目的為將柱狀空孔填充入不同金屬材 質（主要為銅），增加 A 與 B 材料組合之多元 性，並運用創新之微機電製程技術，將表面聲波 元件與二維聲子晶體之面型微加工與體型微加工 予以整合，將聲子晶體結構以微製程製作於一對 微米級表面聲波元件之發射器與接收器之間，而 兩端之叉指狀換能器則沈積在層狀壓電薄膜上。
二、實驗設備、材料與製程
實驗設備 本研究用於製程之設備如下：1. 雙面對準曝光機 (Double Side Mask Aligner)： 德國KARL SUS MA6 / BA6。
2. 光阻塗佈機 (Spin Coater)：美國 SCS MODEL 6708D。
3. 加熱版 (Hot Plate)：美國 CORNING PC-420。 4. 掃瞄式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope
, SEM)：日本 ELIONIX ERA-8800FE。 5. 表面輪廓儀 (Surface Profiler)：美國 TENCOR
Alpha Step 500。
6. 電感耦合電漿蝕刻機 (Inductively Coupled Plasma ; ICP)：美國 STS MESC Multiplex ICP, Version 2。 7. 射頻濺鍍機 (RF Sutter)：台灣日真 ULVAC。 8. 熱 蒸 鍍 機 (Thermal Evaporator)：大 永 真 空 DMC-500 光學鍍膜機。 材 料 1. 所使用之矽晶圓為直徑 100mm，P type，晶格 方向110，厚度為 500~550 m。矽晶圓規格參 數如表1 所列。 2. 光 製 程 所 使 用 之 正 光 阻 為 S1813，顯 影 液 為 MF-319，光阻可由丙酮(Acetone)去除。 製 程 二維聲子晶體與表面聲波元件之整合製程， 如圖3 所示，共分為六個步驟(Li et al., 2002)： 圖2 週期性二維聲子晶體結構示意圖（林，2001）
Fig.2 Structure of 2D phononic crystals
表1 矽晶圓規格參數 Table 1 Specification of silicon wafer
1. 氧化鋅(Zinc oxide)壓電薄膜之沈積：將研磨過 之矽晶圓放入裝有硫酸(H2SO4)與雙氧水(H2O2) (3：1)之溶液中清洗 20 分鐘，再以去離子水 (DI water)沖洗 10 分鐘，經烤箱烤乾後，即完 成 矽 晶 圓 之 清 洗。隨 後，將 晶 圓 放 入 濺 鍍 機 之 腔 體，進 行 抽 真 空 至腔 體 內 壓 力 到 達預 定 值 為 止，再 通 入 製 程 氣體 並 設 定 溫 度 與所 需 之濺鍍功率。然後，先進行預鍍至氣體流量、 基 板 溫 度 與濺 鍍 功 率 達 到 穩定 值 之 後，再 將 濺鍍機之擋板(shutter)打開，進行氧化鋅之濺 鍍。表2 為濺鍍氧化鋅壓電薄膜之製程參數。 2. 聲子晶體孔洞 之深蝕刻：以光 阻定義出聲子 晶 體 陣 列 之區 域，再 以感 應 耦 合 電 漿 活性 離 子蝕刻系統(Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching, ICP-RIE)進 行 深 層 蝕 刻(Deep Reactive Ion Etching; DRIE)，蝕刻出二維聲子 晶體陣列結構之孔洞（圖4 (a) (b)、表 3）。表 4 為 ICP-RIE 之製程參數。深蝕刻後之晶圓再 放入硫酸與雙氧水(3：1)比例調配而成之溶液 中，浸泡約15 鐘，移除殘留在晶圓表面之光 阻 與 雜 質。待 表 面 洗 淨 之 後，以 去 離 子 水 清 洗 晶 圓，並 以 氮 氣 槍 吹 乾。為 了 避 免 空 孔 內 部 有 水 分 殘 留，影 響 後 續 電 鍍 製 程，需 將 晶 圓放入烤箱，以120℃烤乾 15 分鐘以上。 3. 種子層沈積與電鍍填孔：利用熱蒸鍍(thermal evaporation)，在柱狀深孔表面形成種子層(seed layer)，厚度為 1000 埃(angstrom)，表 5 為蒸鍍 之 製 程 參 數；然 後 採 用 酸 性 硫 酸 鹽 鍍 銅液， 以電鍍方式將柱狀孔洞做超填(super filling)， 表6 為酸性硫酸鹽鍍銅液之基本液配方表(Moffat et al., 2000)。 圖3 二維聲子晶體與表面聲波元件之製程：1.沈積 氧化鋅壓電薄膜；2.定義出聲子晶體陣列區 域，再以 ICP-RIE 深層蝕刻，製作出二維聲 子晶體陣列結構之孔洞；3.利用電鍍方式將孔 洞做超填；4.將晶圓表面超填之電鍍銅蝕去； 5.掀舉(lift-off)；6.金屬鋁之沈積與 IDT 之掀舉 (Li et al., 2002)
Fig.3 Process flow of 2D phononic crystals in SAW micro devices. 1.Zinc oxide is sputtered and patterned onto silicon substrate. 2.The ex-posed silicon substrate is etched using DRIE to generate two dimensional phononic cry-stals. 3.Copper seed layer is evaporated. The crystal pores are filled with copper by electro plating. 4.The overplated copper is removed. 5.Photolithography is performed for the lift-off process. 6.Aluminum is depos-ited and patterned as the IDT structure by lift-off method
表2 濺鍍氧化鋅壓電薄膜之製程參數 Table 2 Parameters of ZnO sputtering process
表3 層狀表面聲波元件與聲子晶體設計參數（Wu et al., 2004） Table 3 Design parameters of layered SAW device and phononic
crystals (Wu et al., 2004)
表4 ICP-RIE 製程參數 Table 4 Parameter of ICP-RIE process
表5 熱蒸鍍銅之製程參數
4. 將超填之電鍍銅 蝕去：使用銅之 蝕刻液醋酸 溶液(HAc+H2O2+DI water =1: 1: 20) 將晶圓表 面超填之電鍍銅蝕去。 5. 掀舉(lift-off)：以丙酮(acetone)進行掀舉，將表 面光阻與覆蓋之銅金屬全數帶離矽晶圓表面。 6. 叉 指狀換能器之製作：利用黃光製程 定義出 叉指狀換能器之圖案（表3），經鋁薄膜之沈 積與掀舉之製程，完成接收端與發射端之製作。
三、結果與討論
本研究運用創新之方式將表面聲波元件與二 維聲子晶體之製程予以整合，在表面聲波元件部 份，包括以射頻磁控管濺鍍技術在晶圓上沈積氧 化鋅壓電薄膜，以及利用黃光、鋁薄膜之沈積與 掀舉等製程，完成叉指狀換能器之製作；在聲子 晶體結構部份，則包括聲子晶體陣列之定義、孔 洞之蝕刻與填充等，共三個部份，其結果分述於 後。 氧化鋅壓電薄膜之沈積 本研究在矽晶圓表面所沈積之氧化鋅壓電薄 膜 係 採 用 射 頻 磁 控 管 濺 鍍 技 術，經 濺 鍍 8 小時 後，利用表面輪廓儀量測其厚度約為 1.5 m。再 利用黃光製程，將氧化鋅壓電薄膜表面以光阻定 義 出 本 研 究 所 需 之 方 形 區 域，再 以 磷 酸 水 溶 液 (H3PO4/ HAc / DI water =1: 1: 10)進行蝕刻（蝕刻 率約為50nm/sec）。 其中之黃光製程，係以S1813 正光阻均勻塗 佈於晶圓表面，置於 90℃之熱板上軟烤加熱 90 秒，再利用曝光機進行紫外線曝光動作，然後將 晶圓上照射到光線部份之光阻以顯影液去除，形 成光罩上之圖案。曝光後之矽晶圓再放入MF-319 （光阻S1813 相對應之顯影液），顯影 60 秒整， 圖4 (a)表面聲波元件之聲子晶體圓孔俯視圖(b)圓 孔剖視圖(c)表面聲波元件上之 IDTFig. 4 (a) Top view (b) Sectional view of pore of 2D phononic crystals in SAW micro devices (c) Picture of aluminum IDT
表6 銅電鍍液之成份（Moffat et al., 2000） Table 6 Electrolyte composition (mole/L) (Moffat
放入去離子水中潤絲（rinse）30 秒，以顯微鏡觀 察曝光顯影成效，若顯影成功則置於 120℃之烤 箱中進行硬烤，時間在30 分鐘以上。 聲子晶體週期性柱狀結構之製作 本研究將聲子晶體結構以微製程製作於表面 聲波元件之發射器與接收器之間。首先，以光阻 定義出聲子晶體陣列之區域，再以感應耦合電漿 活 性 離 子 蝕 刻 系 統，蝕 刻 出 二 維 聲 子 晶 體 陣 列 結構之孔洞，然後使用熱蒸鍍機，在晶圓表面沈 積銅薄膜作為種子層，再以電鍍方式將鍍銅液填 入 孔 洞 中。為 了 探 討 種 子 層 厚 度 與 聚 乙 二 醇 (polyethylene glycol; PEG)添加劑對於鍍銅液填孔 能力之影響，本研究分別以200 埃與 1000 埃之種 子層厚度，搭配有無添加劑之鍍銅液，觀察孔洞 之填充情形，結果顯示： 1. 當種子層厚度為 200 埃時，不管有無添加劑， 電 鍍反 應 幾乎 都只 發 生在 基板 表 面而 不會 進 入 孔 洞 內 部。推 測 原 因，應 為 蒸 鍍 沉 積 之 銅 種 子層 階 梯 覆蓋(step coverage)能力不佳，側 壁 之 種 子層 沉 積 不 連 續，導 致 孔 洞 內部 種 子 層無法發揮電鍍導電功用。 2. 當種子層厚度增加至 1000 埃時，種子層在側 壁之階梯覆蓋成為連續，並深入至孔洞底部。 此 時，電 鍍 液 中 有 無添 加 劑 則 對 填 孔效 果 有 明顯差異，圖 5 (a)顯示無加入添加劑之鍍銅 液僅在孔洞上方出現微量之填孔現象，圖5 (b) 顯 示 加 入添 加 劑 後，鍍 銅 液 才 得 以 順利 填 入 孔洞內。 叉指狀換能器之製作 利用黃光製程定義出叉指狀換能器之圖案， 再將硬烤完成後之晶圓置入熱蒸鍍機進行鋁金屬 薄膜之沈積，厚度為 2,000 埃。待晶圓冷卻至室 溫後，將晶圓放入丙酮溶液中，溶去光阻，掀舉 出叉指狀換能器，如圖4 (c)所示。 製程中，定義IDT 之光罩需與矽晶圓上已有 之聲子晶體圖案作精密對準，才可將矽晶圓放入 熱蒸鍍機進行鋁金屬薄膜之沈積。
四、結
論
以微機電製程技術將高頻表面聲波元件與二 維聲子晶體結構相整合，是當前相當新穎之微加 工製程。本研究成功地以改良之電鍍方法將銅金 屬填充進入直徑 6 m，深度為 20 m，深寬比超 過3 之二維聲子晶體週期性排列之柱狀結構，改 善傳統電鍍液無法進入填充微米級高深寬比孔洞 之問題。未來，除就製程之結果進行實驗驗證， 以 確 認 其 功 能 外，可 繼 續 朝 不 同 金 屬 材 料 之 填 充，並進入更高深寬比之研究，使表面聲波之振 幅能量在z 方向深度可完全通過聲子晶體結構範 圍，減少誤差。此外，更可進一步將目前週期性 排 列 之 陣 列 結 構，設 計 成 各 式 微 型 聲 波 波 導 通 道，觀察波導通道對於表面聲波傳遞之影響，以 對各種叉指狀致能器之設計、聲子晶體之週期結 構之特徵包括頻寬等，做完全之瞭解及探討。 圖5 電鍍液(a)無添加(b)有添加 PEG 對填孔能力之影響Fig.5 Cross-sectional SEM pictures show the effect of pore-filling (a) without and (b) with PEG additives in the electrobath
五、誌
謝
本研究前期得力於台大生機系張建六教授所 奠立之基礎與國立台灣大學應用力學研究所吳政 忠教授超音波實驗室之理論基礎數據指導，與工 研院 FY93 之經費支助。研究後期承蒙台大機械 系施文彬教授之協助才得以完成，謹此致謝。六、參考文獻
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收稿日期：2006 年 4 月 3 日 修改日期：2006 年 4 月12 日 接受日期：2006 年 4 月17 日
