National Sun Yat-sen University Institutional Repository:Item 987654321/28473

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

總計畫（Ⅰ）

中 華 民 國 93 年 11 月 2 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（I）

The Solid-Mounted Resonator and its Applications

計畫編號：NSC 92- 2216- E- 110- 022 執行期限：92 年 8 月 01 日~93 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) 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 will be discussed. With precise control of films thickness, bulk acoustic wave thin film resonator and filter will be fabricated. The optimized structure and design parameters of devices will be obtained by means of simulation and experiment.

Keywords：aluminum nitride, elastic wave, solid-mounted resonator, stacked crystal filter, solid-mounted filter. 二.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，在微波通訊系統還需求良好的 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，其中之一就是目前相當 熱門的表面聲波濾波器(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)。 另一方面，屬於另一種聲波元件的固 態黏著型共振器則屬於平面化製程，其製 作方式並不採用薄膜塊體聲波諧振器利用 空氣當作共振腔的方式，而是利用聲波在 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，分成四個子計畫， 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沈 積氮化鋁薄膜於 SiO2/Si 基板上，藉由 XRD 與壓電係數的量測，來探討濺鍍條件對薄 膜壓電係數的影響。由 d33與 XRD 的結果 相對照可發現在本實驗所採用之基板上所 沉積的 AlN 薄膜，其(002)優選排向越高 者，所表現出來的壓電係數越高。 子計畫ㄧ已達成預期的目標，並成功 的製作出固態微型共振器元件亦即採用最 佳濺鍍參數，功率 370W、氮氣分率 60%、 基板溫度 400°C、濺鍍壓力 9mTorr，成長 AlN 薄膜，並利用子計畫二的所製作的布 拉格反射器來製作固態微型共振器，並量 測其 S11頻率響應圖，可得到 1.535GHz 的 共振訊號；同時本子計畫亦提供一個初期 的壓電特性量測原則，提供一系列有關於 在 SiO2/Si 上成長氮化鋁薄膜的特性資料。 （詳細之研究方法與結果，請參考子 計畫一之成果報告--- NSC 92- 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射頻磁控濺鍍法 分別沉積低聲阻抗之鋁以及高聲阻抗之氮 化鋁薄膜，交互成長作為聲波反射層，並 搭配由子計劃一製作的壓電結構，並採用 直流濺鍍法成長鉬(Molybdenum, Mo)，做 為壓電結構之上下電極，研製固態微型共

振器(Solid-mounted resonator, SMR)；本研 究旨在探討鋁與氮化鋁薄膜的膜厚控制， 在不同的沉積時間下，使用即時膜厚監控 儀，以控制各反射層膜厚為聲波波長的四 分之一，達到最佳之聲波反射率。多層反 射層結構係使用 SEM 分析，並使用網路分 析儀(Network analyzer)量測元件之頻率響 應，主要的共振頻率為 2.36GHz，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 計畫二之成果報告--- NSC 92- 2216- E- 237- 001） 3-3〝高頻固態微型共振器模擬設計及震盪 電路研製〞： 本計畫之設計模擬結果提供子計 畫 ㄧ、二參考使用；本研究利用 Mason model 為始撰寫模擬程式，當中只考慮一維並且 忽略每層間的磁能儲存效應，模擬出來的 結果整理如下：(1)波速越高，共振頻率越 高，但壓電層波速的選擇對共振與反共振 點的差值並無影響；(2)欲得到較大之頻 寬，則必須選擇高機電耦合因數之壓電 層；(3)高低聲阻之阻抗選擇和共振頻率及 共振與反共振點的差值無關；(4)電極面積 與共振頻率及有效機電耦合因數無關；(5) 反射層之層數與共振頻率及有效機電耦合 因數無關；(6)壓電層厚度越厚，頻率越低； (7)反射層的層數必須跟高低聲阻比做一適 當的搭配。若高低聲阻比較低，則可搭配 較多階的反射層；反之，若希望製程簡單 且降低元件厚度則必須使用較大聲阻比的 兩種反射層材料；(8)若要維持較高的頻寬 及共振頻率，則電極之厚度必須不能太 厚，但若太薄，則機電耦合因數將迅速下 降，致使頻寬也跟著迅速萎縮。 （詳細之研究方法與結果，請參考子 計畫三之成果報告 --- NSC 92- 2216- E- 272- 003） 3-4〝高頻固態微型濾波器模擬設計及研 製〞： 本計劃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(ladder type filter)作模擬。由 模擬結果得知，ladder type filter 階數越高， 所得到的濾波器波形因數、旁帶抑制較 佳，但插入損失和元件尺寸較大。當因製 程因素產生的壓電層和電極厚度改變時， 由模擬的結果可知，壓電層厚度改變影響 不大，但電極厚度改變會造成元件參數大 幅變化，解決之道為增加電極厚度。本計 劃所得成果可以提供子計畫ㄧ與二使用， 作為研製第二年之 Ladder Type filter 之用。

（詳細之研究方法與結果，請參考子 計畫四之成果報告 --- NSC 92- 2216- E- 151- 008） 四.計畫成果自評 本計畫為「固態微型共振器及其應用」 第一年之總計畫，總和四項子計畫所得之 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 AlN 的壓電特性可在 實驗的早期階段檢驗出來，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 2.4GHz，因此相對應分別擔任反射 器結構高聲阻與低聲阻的 AlN 與 Al 厚度分 別為 1.08μm 與 0.53μm，而壓電諧振層 的厚度則為 2.17μm。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 2.36GHz， 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，作為研製第二年之 Ladder Type filter 之用。

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