行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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※ RF 頻帶用聲波濾波器之研發(I)- ※
※ 子計畫二-高波速高壓電係數多層基板之研發 ※
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計畫類別：□個別型計畫 □整合型計畫 計畫編號：NSC 90 – 2213 – E – 011 – 038
執行期間： 90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日
子計畫主持人：周賢鎧 國立台灣科技大學工程技術研究所 總計畫主持人：吳朗 國立成功大學電機系
計畫參與人員：陳光仁、黃立維、張弘學 台科大工程所
執行單位：國立台灣科技大學工程技術研究所
中 華 民 國 九十一 年 九 月 三十 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
RF 頻帶用聲波濾波器之研發(I)-子計畫二-高波速高壓電係數多 層基板之研發
Study of Multi-layer Substr ates with High Acoustic Velocity and High Piezoelectr ic Constant
計畫編號：NSC 90-2213-E-011-038 執行期限：90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日
子計畫主持人：周賢鎧 國立台灣科技大學工程技術研究 所
總計畫主持人：吳朗 國立成功大學電機系
計畫參與人員：陳光仁、黃立維、張弘學 台科大工程所
一、中文摘要
本計畫研究合成包含以鑽石膜為聲波 傳遞層，以及搭配壓電材料薄膜為聲波產 生與接收層所共同組成之多層膜基板，以 提供未來之高頻率聲波元件使用。其中為 因應實際使用鑽石膜基板將面臨的膜應力 及表面彎曲等問題，本計畫進一步研究選 擇性成長鑽石膜以及高密度鑽石成核方 法，其中銅薄膜區域可阻礙鑽石成核進而 提供區塊型鑽石成長，而碳化矽膜促進鑽 石成核密度至 1011 cm-2以上。計畫最終將 以低粗糙度(~440 Å )鑽石膜與氮化鋁壓電 膜搭配來形成表面聲波元件。
關鍵詞：多層膜基板、鑽石、氮化鋁 Abstr act
This study investigated multi-layer substrates, combinations of wave propagating diamond film and wave generating
piezoelectric film, for future high frequency acoustic devices. Because of their high stress, diamond substrates tend to bent and cause difficulty for subsequent processing.
Therefore, selective-area growth of diamond and enhancement of diamond nucleation were studied. Copper films could be used to halt diamond growth. On the other hand, high density of diamond nucleation about 1011 cm-2 could be obtained by applying a
thin layer of silicon carbide prior to diamond growth. Low roughness as-grown diamond films together with aluminum nitride were used for SAW filter study .
Keywor ds: multi-layer substrate, diamond, AlN, SAW
二、緣由與目的
近年來無線通訊技術由於傳遞大量數 據、聲音及影像的需求，所需頻寬及頻率 逐步增高，其中心頻率已由 900MHz 提高 至 2.5GHz，未來更將開放 5GHz 波段。聲 波元件為無線通訊器材內部的一個重要元 件，因此也必須隨著發展高頻率的趨勢研 發。以聲波濾波器為例，高頻率運作需使 用高聲波傳遞的介質，而高效能濾波器則 需搭配高機電偶合係數的材料。目前工業 界使用單晶壓電材料基材如石英、鈮酸 鋰、鉭酸鋰搭配金屬指叉電極來形成表面 聲波濾波器，但是這些基材的聲波傳遞速 率低，難以使用經濟性的微影製程製做高 頻率濾波器。
應用薄膜技術與材料選擇的方式具有 潛力形成高頻率濾波器，這是利用高波傳 速率的材料與具有壓電特性的材料組合達 到需求特性，同時由於薄膜技術與現存積 體電路製造技術相容，因此發展多層膜基 板來取代單晶基板具有技術性與實用性價 值。自然界中以鑽石具有最高聲波傳遞速
率(longitudinal 18,000 m/s, shear 12,000 m/s, SAW 11,000 m/s)，而且多晶型鑽石膜成長 技術已經成熟，所以鑽石膜被選用於達成 高頻率濾波器的材料。但是鑽石非壓電材 料，無法形成機械波，因此需搭配壓電薄 膜，其中氧化鋅與氮化鋁薄膜的壓電性質 研究已見於文獻。本計畫實施選擇氮化鋁 薄膜與鑽石薄膜搭配，並使用鋁之金屬指 叉電極製成元件。
由於製作鑽石厚膜所需的高溫度製程 以及鑽石的低熱膨脹係數(1.1×10-6 K-1)，使 得鍍於矽等基材上的饡石的應力高，進而 彎曲。本計畫研究於矽基材上做區塊的選 擇性成長鑽石，使應力累積造成的基材彎 曲效應降低。另一方面，人工成長鑽石膜 表面粗糙度極高，以 10µm 厚的鑽石膜而 言將有答 1µm 的表面粗糙度，將造成聲波 散射而降低濾波器效能。本計畫進一步研 究高密度鑽石成核，使得最終成長得之厚 膜具有低粗糙度，提供表面聲波濾波器使 用。
三、結果與討論 (一) 高密度鑽石成核
本計畫比較數種促進鑽石於矽基材上 成核的效果，包括熟知的以鑽石膏拋光晶 面、鍍膜時加偏壓，以及加入碳化矽薄膜 等，結果以單獨加入碳化矽緩衝薄膜所得 效果最佳。成核密度比較如表一。
表一、矽基材上鑽石成核密度比較 矽基材表面處理 成核密度 (# cm-2) 無處理 1.0 × 106 鑽石膏研磨 5.0 × 107 鑽石膏研磨+偏壓 1.2 × 108 覆蓋碳化矽薄膜 2.0 × 1011
圖一、SiC 緩衝層上之鑽石成核
高成核密度的基材表面如圖一的 SEM 影像。緩衝層碳化矽薄膜為由聚碳矽烷 (polycarbosilane, PCS)薄 膜 真 空 熱 分 解 形 成，且僅有以 1100°C 分解得到的緩衝膜可 以 用 於 形 成 高 密 度 鑽 石 核 。 由 於 於 800°C~1000°C 分解聚碳矽烷所形成之碳 化矽結構為非晶質，置於鑽石成長環境中 易被氫氣電漿侵蝕，因此難以促成鑽石核 種，而 1100°C 分解所得之碳化矽為結晶狀 態的β-SiC，且有碳 cluster 析出，易於形成 鑽石成核點。以比計畫研究之 PCS 熱分解 之 SiC 緩衝層將可以應用於多層膜基板中 促進鑽石成核。
(二) 低粗糙度鑽石厚膜
本計畫中調整鑽石成核以及以化學氣 相沉積生長鑽石的參數，於成長厚膜鑽石 的同時仍能獲得低粗糙度的表面。圖二為 一個鍍於矽基材上的鑽石厚膜截面圖，其 厚 度 約 為 10µm ， 而 其 表 面 粗 糙 度 為 440Å ，比一般鑽石厚膜粗糙度低一個數量 級以上。目前成長出的鑽石厚膜僅需些微 拋光即可使用於表面聲波濾波器上。
圖二、鑽石厚膜截面圖
(三) 選擇性鑽石擇區成核
本計畫中以不利於鑽石成核的銅膜局 部覆蓋於經鑽石膏拋光處理的矽晶片上，
置於鑽石成核環境下研究選擇性鑽石成核 長，以期未來能用以形成與元件相同大小 之區塊鑽石厚膜。以 0.7µm 銅膜進成的實 驗明顯的有銅膜被侵蝕現象，乃至於底部 含刮痕之矽基材曝露。以 1.63µm 銅膜進行 實驗則可見成核密度的分別，如圖三的電 子顯微鏡影像中，其上與下區域為經由鑽 石膏拋光處理的矽晶片上的鑽石晶核，其
成核密度為 2.7 × 107cm-2，中間帶狀銅覆蓋 區域之成核密度為 5 × 106cm-2，達到 5:1 的選擇比。由於銅膜上的鑽石成核密度仍 比未經拋光處理的矽晶片高，因此仍有必 要改良，預期應以厚於 3µm 銅膜才可避免 底層基材的鑽石刮痕影響。另一方面，未 來應結合高成核密度的 SiC 膜與低成核密 度的銅膜，以便達到高於 1000:1 的選擇比。
圖三、選擇性鑽石成核於 Si-Cu-Si 分界 (四) 氮化鋁膜
本計畫中以反應式濺鍍成長氮化鋁壓 電薄膜，調整鋁靶材表面至化合物狀態，
並施以 200°C~350°C 以及-30 至-80 V 基材 偏壓，濺鍍形成的薄膜可以具有 c-軸方向 性，提供高壓電係數方向。
20 30 40 50 60
2 theta
圖四、於 Si(100)基材上成長優選取向的 (0002)AlN 薄膜的 XRD 圖譜
(五) 指叉電極
本 計 畫用 於濾波器之指叉電極設計 3µm 與 5µm 二種線寬，使用 lift-off 技術製 作鋁金屬電極。圖五即為一個本計畫製作 之 SAW 所使用的 5µm 線寬之鋁電極的光 學顯微鏡影像。
圖五、5µm 線寬之鋁指叉電極影像 (六) 濾波器特性量測
針對以 IDT/1.2µm-AlN/Si 單層膜基板 量測之濾波器訊號結果如圖六，中心頻率 位於 173 MHz，計算得到的波傳速率為 3400 m/s。與理論計算約 4750 m/s(h/λ=0.06) 相比較，實驗所得的波傳速率較低，可能 受鍍膜的微結構等性質影響。另一方面，
濾波器的插入損失高，需要另行設計 IDT 尺寸進一步改善。
圖六、AlN/Si 之表面聲波濾波器量測 以 IDT/AlN/Diamond/Si 的多層膜基板 整合後，進行濾波器特性量測所得雜訊偏 高，估計為多層膜界面及應力等因素造成。
四、計畫成果自評
本計畫以探討結合高聲波傳遞速度的 鑽石厚膜與壓電薄膜氮化鋁的結合，形成 多層膜基板以提供為聲波元件使用之高波 速高壓電係數基板，目前完成的為各層膜 的製程研究，並整合以及製成表面聲波元 件量測。研究內容與計畫相符合，進度達 成估計為 80%，尚需改善製程整合以及 IDT，以得到高效能 SAW 元件。
本計畫執行期間完成一篇碩士論文詳
如參考文獻，另有一篇碩士論文進行中。
本計畫結果具有應用價值，其中選擇 性成長鑽石膜可以防止多層膜鑽石基板彎 曲，低粗糙度鑽石厚膜可以減少耗時耗資 的鑽石拋光程序，二者皆可直接應用於未 來的多層膜基板濾波器以及其他如散熱用 或光學用途之鑽石厚膜。
五、參考文獻
陳光仁，鑽石薄膜在被覆銅及碳化矽之矽基材上之 成核分析，碩士論文，台灣科技大學 (2002)
