行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
子計畫二：氣隙型氮化鋁薄膜體聲波振盪器研製(2/2)
計畫類別： 整合型計畫
計畫編號： NSC93-2213-E-011-021-
執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學工程技術研究所
計畫主持人： 周賢鎧
計畫參與人員： 白景文,楊詠暉,楊孟儒
報告類型： 完整報告
處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 94 年 9 月 9 日
摘要
本子計畫研製薄膜體聲波共振濾波器，使用兩道光罩製程使電極與壓電膜圖案直接堆 疊於多孔性基材上形成，用以與氣隙型薄膜體聲波共振濾波器比較。計畫中分別對壓電薄 膜成長與多孔性基材進行研究，最後再整合製做薄膜體聲波共振濾波器元件，以及進行元 件之高頻率濾波特性量測。
氮化鋁壓電薄膜之結晶品質與結晶方向皆受到反應式濺鍍之工作壓力影響，而當工作 壓力降至 3×10-3Torr 時可以獲得具有[002]優選取向的多晶薄膜。於不同基材表面濺鍍之氮 化鋁的結果都相似，可以於低壓力與低基材溫度得到柱狀晶粒。計畫中以新穎的電子背向 繞射分析濺鍍之氮化鋁薄膜，於反極圖譜中觀察到薄膜於基材的法線方向具有[002]優選取 向，於基材之平面方向之結晶方向則為混亂排列。氧化鋅壓電薄膜則易於形成[002]優選取 向之柱狀晶粒薄膜，其鍍膜速率與表面微結構則受濺鍍功率影響，而以射頻 50 watts 功率 施加於2”氧化鋅靶材可得到高品質薄膜，其(002)繞射峰之半高寬為 0.3°。濺鍍之氧化鋅薄 膜所得之柱狀晶粒於垂直方向尺寸均勻，預估適用於聲波元件。
本計畫以奈米孔隙矽石凝膠粉末為原料，採用三種方式多孔性二氧化矽基材，並分析 其微結構與用於薄膜體聲波共振濾波器的可行性。以混合奈米孔隙矽石凝膠粉末與玻璃膏 形成的厚膜易形成相分離，使粉末形成團聚狀，而且由於比重差異而浮在上方以致剝落，
因此不適合當作基材。將奈米孔隙矽石凝膠粉末與 LS-1401 玻璃粉混合並壓成碟型之基材 經固態燒結後具有均勻孔隙結構，因此本計畫將薄膜體聲波共振濾波器製做於此基材上。
將奈米孔隙矽石凝膠粉末與聚醯胺混合並塗佈於矽基材上，經熟化處理後可得到多孔性複 合材料厚膜，本計畫也將薄膜體聲波共振濾波器製做於此基材上。
本計畫最後於碟型多孔性二氧化矽基材表面製做厚度為 1.8μm的金/氧化鋅/金薄膜體 聲波共振濾波器，共振區域為 500μm×500μm 之元件量測到共振訊號之中心頻率為 1.5 GHz，頻寬為 384 MHz，插入損失為-9.8 dB。
關鍵字: 體聲波共振濾波器、氣隙、氮化鋁、氧化鋅、多孔性
Abstract
This sub-project focused on the study of thin film bulk acoustic wave resonator (TFBAR). The TFBAR was fabricated on porous substrates by using two masks’processes. The TFBAR was compared with the air-gap TFBAR, which utilized three masks’processes and etch of a sacrificial layer underneath. Piezoelectric films and porous substrates were studied in order to find out a combination suitable for the TFBAR. At final, TFBARs were fabricated on the porous substrate and their high frequency filtering property was measured.
Structure and crystalline quality of aluminum nitride (AlN) films were affected by their working pressure during reactive sputtering. A [002]-preferred orientation was found in the AlN film while the deposition pressure was reduced to 3×10-3 Torr. AlN films with columnar structure on various substrates were obtained at low temperature and low work pressure. Electron backscatter diffraction (EBSD) analyses indicated that the AlN film was oriented along [002] at the substrate normal direction, but was randomly oriented along substrate surface. Zinc oxide (ZnO) films with columnar grains with a [002]-preferred orientation were obtained from sputter deposition. ZnO (002) refection with full-width-at-half-maximum (FWHM) of 0.3° was obtained in the film deposited by using 50 watts RF power on 2”ZnO target. Diameter of the columnar grains was uniform from bottom to top of the ZnO film. Therefore, the ZnO film in this study could be suitable for the TFBAR. The preferential orientation of the ZnO film was slightly reduced by the roughness of the porous silica substrate.
Three types of porous substrates, using nanoporous silica gel as raw substance, were evaluated for TFBAR application. Thick coating of a mixture of nanoporous silica gel and glass paste was not qualified as a porous substrate due to its loosen structure caused by phase separation.
Compacted disks composed of nanoporous silica and LS-1401 glass followed by solid state sintering could form solid substrate with uniform porosity. Thick coatings of cured mixtures of nanoporous silica and polyimide could also form porous substrates. TFBARs were fabricated on both the porous disk and the porous coating in this project.
A TFBAR composed of 1.8 μm Au/ZnO/Au film stack was made on surface of the compacted porous disk and its frequency response was measured. This TFBAR has a center frequency of 1.5 GHz with a bandwidth of 383 MHz and an insertion loss of -9.8 dB.
Keywords: Air gap; Aluminum nitride; Bulk acoustic wave resonator; Porous; Zinc oxide
目錄
中文摘要………I 英文摘要………II 目錄………III 圖目錄……….… .IV 表目錄……….V
1. 前言………1
2. 研究目的………2
3. 文獻回顧………3
4. 研究方法………..10
4.1 實驗架構………10
4.2 氮化鋁與氧化鋅壓電膜濺鍍………11
4.3 薄膜結構與微結構分析………11
4.4 電子背向繞射………11
4.5 多孔性矽基材………12
4.6 多孔性二氧化矽基材………14
4.7 薄膜體聲波振盪器製作流程………15
5. 結果與討論………..18
5.1 氧化鋁薄膜結構與形態………18
5.2 電子背向繞射分析………22
5.3 氧化鋅薄膜結構與形態………24
5.4 陽極蝕刻之多孔性矽基材………28
5.5 以塗佈法形成之多孔性二氧化矽基材………31
5.6 以壓錠法形成之多孔性基材………32
5.7 聚醯胺-多孔性二氧化矽基材………..32
5.8 薄膜體聲波振盪器元件………34
5.9 TFBAR 元件特性分析………..36
6. 結論與建議………..38
7. 計畫成果自評………..38
參考文獻………39
圖目錄
圖 3.1. 多層膜表面聲波濾波器(SAW)構造圖………3
圖 3.2. 基本薄膜塊體聲波諧振器構造圖………...………4
圖 3.3. 微細製造之 TFBAR: (a) 塊材微細加工背孔隔離型、(b)面加工氣隙型、(c)Agilent 專利氣隙型………..………...5
圖 3.4. 固著型共振濾波器構造………...6
圖 3.5. 孔性矽石的孔隙度與介電常數的關係………...6
圖 3.6. 薄膜微結構圖………...8
圖 4.1. FBAR 實驗架構圖………..10
圖 4.2. 真空濺鍍系統示意圖……….10
圖 4.3. 菊池線圖譜……….12
圖 4.4. EBSD 裝置示意圖………..12
圖 4.5. 試片方向與晶粒方向示意圖……….12
圖 4.6. Lehmann 之矽原子溶出反應模型……….13
圖 4.7. 陽極蝕刻多孔矽反應系統……….13
圖 4.8. 多孔性二氧化矽基材製作流程……….14
圖 4.9. 多孔性二氧化矽粉末於(a)未球磨與(b)球磨 7 日後之粒徑分佈………15
圖 4.10. FBAR 元件製作流程圖………16
圖 4.11. FBAR 元件之光罩尺寸圖………17
圖 5.1. 反應式濺鍍 AlN 於(a)Si(100)、(b)SiO2/Si(100)及(c)Pt/SiO2/Si(100)基材之 XRD 分析 圖 5.2. AlN 薄膜之(002)繞射峰半高寬趨勢……….19
圖 5.3. 先前實驗之基材溫度對 AlN 鍍膜之 XRD 影響分析……….19
圖 5.4. 於 20 mTorr 工作壓力濺鍍於(a) Si、(b)SiO2/Si、(c)Pt/SiO2/Si 及(d)Al2O3基材上之 AlN 膜的表面型態……….20
圖 5.5. 於工作壓力分別為(a) 7 mTorr、(b) 5 mTorr、(c) 3 mTorr 濺鍍於 Si 基材上之 AlN 膜 的表面型態……….20
圖 5.6. 於工作壓力分別為(a) 20 mTorr、(b) 7 mTorr、(c) 5 mTorr 及(d) 3 mTorr 濺鍍於 Si 基材上之 AlN 膜的截面型態………21
圖 5.7. 於 3 mTorr 工作壓力濺鍍之 AlN 膜的成份縱深分佈曲線……….22
圖 5.8. 以 EBSP 分析未經處理 AlN 膜於垂直面與平行面之結晶方向分佈……….22
圖 5.9. 以 EBSP 分析以 0.1μm 鑽石砂紙拋光之 AlN 膜於垂直面與平行面之結晶方向分 佈……….23
圖 5.10. RF 電源功率對 ZnO 鍍膜速率之影響………24 圖 5.11. 以射頻功率 30、50 與 70 watts 濺鍍 ZnO 膜之(a) XRD 圖譜以及(b) 其(002)繞射峰
之半高寬分析……….24
圖 5.12. 以射頻功率(a) 30、(b) 50 與(c) 70 watts 濺鍍 ZnO 膜之表面型態………..25
圖 5.13. 以射頻功率 50 watts 濺鍍 ZnO 膜之截面型態………...26
圖 5.14. 於多孔性 SiO2基材上濺鍍 ZnO 膜之 XRD 分析………..26
圖 5.15. 於多孔性 SiO2基材上濺鍍 ZnO 膜之表面與截面型態……….27
圖 5.16. 於 24%HF 中陽極蝕刻多孔矽之深度與(a)時間及(b)電流密度之關係………28
圖 5.17. 於 48%HF 中陽極蝕刻 p-type Si 形成之多孔矽於 2 個區域之表面型態………….28
圖 5.18. 於 24%HF 中陽極蝕刻(a)p-type Si 及(b)n-type Si 所形成之多孔矽之表面型態…29 圖 5.19. 先於 24%HF 陽極蝕刻再以 KOH 溶液擴孔後之 n-type Si 於 2 個區域之表面型 態……….29
圖 5.20. 於 16%HF，130 mA/cm2，2.5 mW/cm2條件陽極蝕刻 n-type Si 之(a)(b)表面型態與 (c)(d)截面型態………...30
圖 5.21. 於 12%HF，30 mA/cm2，2.5 mW/cm2條件陽極蝕刻 n-type Si 之(a)表面型態與(b) 截面型態………30
圖 5.22. 多孔性 SiO2厚膜的(a)(b)表面型態與(c)(d)截面型態……….31
圖 5.23. 以壓錠法成形的碟型多孔性 SiO2基材的(a)(b) 截面型態與(c)(d) 表面型態…….32
圖 5.24. 經(a)標準軟烤與熟化及(b)延長軟考與熟化製作之厚膜多孔性二氧化矽-聚醯胺複 合材料之表面型態……….33
圖 5.25. 以 3 道光罩製程於矽基材表面製作之 Pt/Cr/AlN/Pt/Cr/Oxide/Si 的 TFBAR………34
圖 5.26. AlN-TFBAR 元件於(a)清除犧牲層前以及(b)以 BOE 清洗 3 min 與(c) 6 min 後之表 面型態……….34
圖 5.27. 於碟型多孔性 SiO2 基材上製作 ZnO-TFBAR 歷程之表面型態(a)底電極光阻顯影 後，(b)底電極舉離後，(c)壓電膜與上電極光阻顯影後，(d)壓電膜與上電極舉離 後……….35
圖 5.28. 於碟型多孔性 SiO2基材與 ZnO-TFBAR 之截面型態……….36
圖 5.29. 於聚醯胺-多孔性二氧化矽基材上製做之 (a) TFBAR 元件陣列與(b)TFBAR 放大影 像……….36
圖 5.30. 固定在量測載具上的 TFBAR 元件………..37
圖 5.31. 本計畫於碟型多孔性二氧化矽基材上的 ZnO-TFBAR 元件之 S21 頻率響應…….37
表目錄
表 3.1. 壓電材料特性比較………...7
表 3.2. 底電極材料性質………...9
表 4.1. AlN 與 ZnO 薄膜濺鍍參數……….11
表 4.2. 陽極蝕刻多孔矽之反應條件……….13
表 4.3. 製做多孔性二氧化矽使用原料表……….15
表 4.4. 製做多孔性二氧化矽使用儀器表……….15
1. 前言
無線通訊的應用日趨廣泛，其中尤以數位行動電話(Mobile Phone)，無線區域網路 (Wireless LAN)以及第三代行動通訊 3G(the 3rdGeneration)等需求，推動了相關系統與元件 發展。通訊的頻率由行動電話的 900MHz 及 1800MHz，無線區域網路藍芽技術或 IEEE802.11 的 2.45GHz，以及未來開放的高頻率 5GHz 乃至 10GHz 頻段，其中所需的各項零組件都需 符合此高頻規格。由於消費型電子產品傾向於輕薄短小，其中相關零組件也需小型化；另 一方面考慮工業生產製程，這些零組件也必須符合量產的技術來製造。濾波器為高頻通訊 的關鍵零件組件之一，而使用聲波傳導的濾波器由於其元件尺寸小、特性穩定等特性，因 此符合通訊產品的使用需求。
GHz 高頻率的聲波濾波器可以使用表面聲波濾波器(Surface acoustic wave filter, SAW) 元件或是晶體的塊體諧振器(Bulk acoustic wave resonator, BAR)元件達成，其中表面聲波濾 波器的尺寸微小，但需以深次微米微影技術才能做出符合高頻率需求的元件，而塊體聲波 諧振器雖然比 SAW 容易達高頻，但是其體積大，不適用於微小化的系統。近數年發展出 使用壓電薄膜來替代塊體諧振的薄膜塊體聲波共振濾波器(thin film bulk acoustic resonator filter, TFBAR)，可以達到做成小尺寸的高頻(>1GHz)元件，已逐漸受到重視。TFBAR 元件 的製造技術與結構計有以塊材微細製造的背孔隔離型共振濾波器(via isolated resonator)、表 面微細製造的氣隙隔離型共振濾波器(air-gap isolated resonator)、以薄膜技術製造的固著型 共振濾波器(solidly mounted resonator)，這三種共振濾波器也各有特點與可改良之處。
2. 研究目的
薄膜塊體聲波共振濾波器(TFBAR)為現今最接近實用化的 GHz 高頻率聲波濾波器，
而其中之氣隙隔離型共振濾波器(air-gap isolated resonator)採用表面微細製造技術製作，具 有尺寸小以及易於與積體電路元件與製造技術整合之特性，而且其耦合效率高於比另一個 以薄膜技術製作之固著型共振濾波器(solidly mounted resonator)。而於以表面微細製造技術 製作氣隙時必須經由去除犧牲層來達成，此程序對於 TFBAR 元件而言，於去除蝕刻液時 易造成薄膜陷落，因此製做時需以臨界點乾燥方式控制。由於薄膜塊體聲波共振濾波器之 原理為利用上下兩個電極/空氣介面反射，進而與入射聲波干涉形成駐波而達到共振效果，
因此預估當底部為一具有接近空氣阻抗之材料時，元件也可達到相似的共振效果，例如固 著型共振濾波器之底部即為以多層膜組成之 Bragg 反射層。本子計畫研究多孔性材質以取 代氣隙，並結合氮化鋁與氧化鋅壓電薄膜以製作薄膜塊體聲波共振濾波器。
3. 文獻回顧
GHz 高頻率的聲波濾波器可以使用表面聲波濾波器(Surface acoustic wave filter, SAW) 元件或是晶體的塊體共振濾波器(Bulk acoustic wave resonator, BAR)元件達成，其中表面聲 波濾波器的尺寸微小，但需以深次微米微影技術才能做出符合高頻率需求的元件，而塊體 聲波共振濾波器雖然比 SAW 容易達高頻，但是其體積大，不適用於微小化的系統。近數 年發展出使用壓電薄膜來替代塊體諧振的薄膜塊體聲波共振濾波器(thin film bulk acoustic resonator filter, TFBAR)，可以達到做成小尺寸的高頻(>1GHz)元件。[1-3]
表面聲波濾波器的構成基礎為使用一個壓電材料，結合指叉電極 IDT (Interdigital Transducer)的作用，使電壓訊號由輸入端轉換成聲波，經由壓電材料表層傳遞至輸出端時，
再轉換回電壓訊號。良好的表面聲波濾波器必須提拱高頻率、大頻寬、低插入損失(insertion loss)及溫度穩定性的元件性能，相對的材料必須具有高機電偶合係數(Electromechanical Coupling Coefficient, K2)、高聲波傳遞速率(Acousticvelocity,υ)及低溫度係數(Temperature Coefficient)的特性，而這些特性通常無法以單一材料同時達成。
圖 3.1. 多層膜表面聲波濾波器(SAW)構造圖
SAW 元件之頻率決定於其表面聲波傳遞速率 υ以及其指叉電極線寬 d (f = υ/λ=
4υ/d)，以目前工業使用的壓電基材，如 quartz, LiNbO3以及 LiTaO3，其表面聲波傳遞速率 約為 3,000m/s 至 4,000m/s 之間[4,5]，必須搭配 0.3~0.5μm的微影技術製作指叉電極，才能 達到約為 2.0 GHz 的理論頻率，若進一步往 5 GHz 發展則需要昂貴的 0.18μm的微影技術。
而發展中的鑽石表面聲波濾波器(Diamond SAW)則利用鑽石的高聲波傳遞速率(分別為 longitudinal wave 18,000m/s, shear wave 12,000m/s, 及 SAW 11,000m/s)，再結合其他壓電材 料來形成高頻濾波器[6,7]。圖 3.1 為一個多層膜型鑽石表面聲波濾波器，其中需約 10μm以 上厚度的鑽石厚膜提供高聲波傳遞速率，上層的壓電材料及指叉電極提供 SAW 元件所需 的機械形變及電壓訊號產生及轉換，下層基材則做為技撐及成長多層膜所需。由於壓電材 料為以薄膜的形態鍍於鑽石膜上，其微結構為多晶型晶體，而為了達到高壓電性，這些晶
壓電材 鑽 石 基 材
指叉電極 表面
AlN/Diamond/Si 的組合也可以以 1.0μm線寬的指叉電極達到 2.5GHz 濾波頻率[8]，而 LiNbO3/Diamond/Si 的組合以 5.0μm的線寬的指叉電極預估可以達到 415MHz[9]，若改為 1.0μm線寬應可達 1.6GHz 以上。使用 ZnO 為壓電層的鑽石表面聲波濾波器，由於 ZnO 具 有大的溫度漂移缺點，必須再加上 SiO2薄膜補償。雖然鑽石表面聲波濾波器已研究多年，
但仍未被大量使用，其中主要原因與鑽石厚膜性質與製造成本有關，目前以化學氣相沉積 法(Chemical vapor deposition)於高溫中合成之高結晶度大晶粒鑽石膜之表面粗糙度高，必須 以高溫化學研磨後才可予以平坦化；另一方面，鑽石鍍膜具有高壓應力而使得基材產生彎 曲現象，造成後續 SAW 製程難於控制。近來已有機構投入研究奈米晶粒鑽石薄膜，而其 是否能保有鑽石之高波傳速率又能克服粗糙度與應力則待觀察 [10,11]。
薄膜塊體聲波共振濾波器(TFBAR)由於其具有可承受較大功率，元件尺寸比陶瓷塊體 諧振器及表面聲波濾波器小，容易達到 400MHZ~20GHZ的頻率範圍等特性，自 90 年代初 期就被研究人員重視。另一方面，微機電系統(Micro Electro-Mechanical System, MEMS)製 造技術的發展至今已趨成熟，其製程與一般 IC 製程具有相容性，使得以 MEMS 技術製做 包含薄膜塊體聲波諧振濾波器的射頻元件(RF)進入實用化階段。
薄膜塊體聲波諧振濾波器的基本元件構造為以上下二層電極薄膜覆蓋於壓電薄膜表 面，如圖 3.2，由上下電極輸入之電磁波經由薄膜壓電效應轉換成機械波，並於電極/空氣 介面反射回來而與入射波干涉形成駐波，而達到共振的效果 [12]。FBAR 元件之頻率決定 於壓電材料體聲波傳導速率ν以及其厚度 t (f =ν/λ= ν/2t)，壓電材料較常用的有氮化鋁 (AlN)、氧化鋅(ZnO)及鈦酸鉛鋯(PZT)，電極材料常用的有鋁、金、鉑、鉬、鎢，而壓電材 料與電極材料的搭配與厚度狀態會共同影響共振頻率與品質因子 Q 值。
圖 3.2. 基本薄膜塊體聲波諧振器構造圖
由於聲波為彈性波，在固體內傳遞為了減少能量損耗可以使用電極兩側都為空氣的結 構，利用空氣做為反射層以降低損耗。由於電極薄膜及壓電材料薄膜必須從基材表面開始 堆疊形成，因此底電極之下必須設法留有一個與空氣直接接觸的區域，為了達成這個目的，
依據已經開發的製造方式發展出三種具有空氣氣隙(Air Gap)結構的 TFBAR，如圖 3.3 (a) 的塊材微細加工(Bulk micromachining)之背孔隔離型共振濾波器(via isolated resonator)，(b) 面型微細加工(Surface micromachining)的氣隙隔離型共振濾波器(air-gap isolated
resonator)，以及(c)Agilent 專利的製程與結構形成的氣隙隔離型共振濾波器。[13,14]
電極薄膜 壓電薄膜
(a) (b)
(c)
圖 3.3. 微細製造之 TFBAR: (a) 塊材微細加工背孔隔離型、(b)面加工氣隙型、(c)Agilent 專利氣隙型
以塊材微細加工製作的 FBAR 採用以鹼性溶液(如 KOH 等)由矽基材背面向表面進行背 向蝕刻，使未被保護的基材部分被吃穿而留下電極與壓電材料橫隔膜(Membrane)。塊材微 細加工由於採用對矽晶片的不同晶面間的選擇性蝕刻，造成基材的(111)斜面與橫隔膜表面 (相對於基材的(100)面)的幾何夾角 54.7° [15]，因此元件的實際面積比由正面蝕刻所需的工 作面積大，不利於微小化。面型微細加工則預先於基材表面墊上一層犧牲薄膜層(Sacrificial Layer)，於其上形成電極與壓電薄膜之後，再移除犧牲層使得共振濾波器成為懸空的構造。
面型微細加工皆於基材正面進行製造，可以採用與積體電路相容的設備與製程，元件所佔 面積小。然而當使用溶液移除犧牲層以及清洗製程時，會面臨因液滴縮小時表面張力的作 用而引起振盪器薄膜結構黏貼於基材表面的問題，因此尚需要配合超臨界清洗(Supercritical Cleaning)才能維持共振濾波器構造完整[15]。Agilent 的專利製程則由矽基材表面先以塊材 微細加工做出凹槽，之後回填磷矽玻璃(Phosphorus silicate glass, PSG)，經由化學機械研磨 (Chemical mechanical polishing, CMP)磨平後，再於上面做振盪器的電極與壓電薄膜，而後 以稀氫氟酸(diluted hydrofluoric acid, DHF)快速去除 PSG 以形成底部氣隙，形成薄膜塊體聲 波共振濾波器[16]。其餘製程設計還包含以陽極蝕刻之多孔性矽做為底部犧牲層，於做好 共振濾波器的電極與壓電薄膜後，再以稀氫氧化鈉移除犧牲層以形成氣隙 [17]。由於上述 三種薄膜塊體聲波共振濾波器已經被證明元件的可行性，但仍有許多製程或構造的問題待 改良，因此本研究計劃包含針對氣隙型薄膜體聲波共振濾波器的氣隙改良研究。
piezoelectric film
multilayers Substrate
low Z high Z
electrode
圖 3.4. 固著型共振濾波器構造
同樣的應用薄膜壓電材料之聲波機械振動之駐波效應，另有一種如圖 3.4 之固著型共 振濾波器(solidly mounted resonator, SMR)之高頻率波元件 [2]。此處上電極與空氣接觸，而 下電極底部則接觸由低聲波阻抗層(low Z)與高聲波阻抗層(high Z)交替組合成多層膜 (multilayers)的 Bragg 反射層，此反射層可以如同空氣/電極介面將聲波反射回壓電薄膜，
使 SMR 與氣隙型 TFBAR 作用相同，利用入射聲波與反射聲波干射形成駐波效果而達到特 定共振頻率。
氣隙於薄膜體聲波諧振濾波器的作用為使底電極側如同表面電極側一樣的直接與空氣 相接觸，如此便可以以空氣做為聲波反射層，達到駐波條件及減少損耗。比較 Solid Mounted Resonator 使用 low Z-high Z 多層薄膜做為反射層的觀念，底電極應可以與合適固體材料接 觸，同時仍保有低能量損耗的特性。由於多層膜反射層與空氣都被用以反射聲波，因此若 使用一個接近於空氣特性的材料[18-20]來取代氣隙或 Bragg 反射層，將有機會以簡易結構 與製程製作薄膜體聲波諧振濾波器。
近數年於積體電路工業對於後段金屬內連線的介電材料研究著重於開發低介電常數的 材料與製程，用以降低 RC 時間延遲(Time delay)，而發展出的各種低介電常數材料之中有 一類為奈米多孔結構的二氧化矽(SiO2)薄膜[21]。奈米多孔性的 SiO2由於可以具有高達 70%
體積比的孔隙度，可以將 SiO2的介電常數由密實矽石(silica)的 4.0 調降至 2.0 [22]，而商品 化的 Nanoglass(Allied Signal)還提供可以調整介電常數由 3.0 調降至接近空氣(K=1)的 1.1 的 選擇性。孔隙度對奈米多孔性矽石的介電常數影響有如圖 3.5 所示[22]。
圖 3.5. 孔性矽石的孔隙度與介電常數的關係[18]
採用奈米多孔性矽石做為元件構造的一部份時需同時考慮其機械強度，由於材料的機 械強度與密度的關係可以以 K=K0(ρ/ρ0)m估計，其中 K 為積體模數(Bulk modulus)，ρ為密 度，而 m 為冪次約為 3~4。當改變矽石的密度由 0.1 至 0.8 g/cm3時，其機械強度可以增加 達 500 倍左右[22]。高比例孔隙度的奈米多孔性矽石的機械強度較弱，恐有崩塌的可能，
但仍可以以改變材料化學鍵結來增加強度。文獻中報導經由改變化學成份，可以將奈米多 孔性的矽石的機械強度提昇 100 倍[22]。將矽石改質可以由添加碳等元素進入其基質達成，
變成以 SiOC 為成份的玻璃質，而本子計畫主持人與本校化工系洪儒生教授合作進行的國 科會提昇產業技術人才培育研究計畫『以含碳氟的烷氧基矽有機金屬先驅物電漿氣相沉積 低介電膜製程的開發』(NSC91-2622-E-011-023-CC3)的研究內容即為開發這種以 Si-C-O-F 為主結構的薄膜材料，並且控制製程參數來使此介電薄膜脫碳而形成含有奈米孔隙的微結 構。本子計畫主持人之實驗室也研究聚碳矽烷材料，並可處理形成 Si-O-C 奈米結構材料。
另有文獻報導將較多的 C 添加入以 SiOC 為主的結構中，並經由後續回火將多餘的碳燃燒 氣化，則可進一步使薄膜呈現奈孔隙的微結構[23]。
除了應用於積體電路而發展之奈米孔隙二氧化矽(SiO2)薄膜之外，廣用於化學層析實 驗的層析管之填充物也是具有奈米孔隙，例如矽石凝膠(silica gel)即為滿佈奈米孔洞之二氧 化矽，其孔隙度甚至可達 70%至 90%。本計畫嘗試使用矽石凝膠粉末為原料，將其成型為 碟狀基材或是厚膜，以提供做為 TFBAR 元件的具有接近空氣性質的多孔性基材。
射頻聲波元件的特性受到數個參數影響，包含壓電薄膜材料性質、電極材料性質，薄 膜厚度、元件幾何設計等。其中壓電薄膜與其他膜層間必須有良好接著性，薄膜本身必須 平坦及具有高密度，並且結晶方向必須受到控制。成長完成的壓電薄膜必須在大面積範圍 內維持均勻厚度(0.1μm~10μm)，具有高度的結晶方向性、高機電耦合度，而且材料本身必 須為非導體，及可承受大的電壓。表 3.1 比較數種具有這些特性的壓電材料的性質。[24]
表 3.1. 壓電材料特性比較[24]
Material Density (kg/cm3)
Dielectric Constant
Acoustic Velocity
Acoustic Impedance
Acoustic Coupling
Acoustic LossdB/μs
at1GHz CdS 4820 9.5 4465 21.52 0.15 >50 ZnO 5680 8.8 6330 36.0 1.28 8.3 AlN 3270 8.5 10400 24.0 0.17 ~5 LiNbO3 4640 29 7320 20.58 0.17 0.5~0.9
LiTaO3 7450 43 6460 46.4 0.19 0.8
由於薄膜成長技術已趨成熟，AlN[8,25-27]與 ZnO[28,29]薄膜被廣泛的研究，這二種壓 電材料的晶體結構同屬於六方晶(Hexagonal)，為達到高壓電係數所需的[002]晶向的優選取 向(Preferred Orientation)，可以由控制真空濺鍍(sputter deposition)的參數達成。表中的 LiNbO3及 LiTaO3也為良好的壓電材料，但是於濺鍍成膜時其成份比例難控制，也因而易 失去高壓電係數的結晶相，以及[002]優選取向。最近數年於研究光波導管(waveguide)及表 面聲波濾波器(SAW Filtet)方面，LiNbO3濺鍍則逐漸可以被控制其晶相及晶向了[30,31]。另 一個可以被應用於聲波元件的鐵電材料為 PZT (Pb(ZrTi)O3)，成長厚膜的 PZT 大都使用溶 膠-凝膠法(sol-gel)，而要形成具有[100]優選取向的薄膜則需先以濺鍍方式成長具[100]方向 的晶核層[32,33]。
由於在異質基材上成長薄膜會經過成核-成長的過程，一般薄膜於底層的晶粒尺寸比整 體薄膜的晶粒尺寸小，而且具有較多結構缺陷，薄膜頂端則因晶粒朝向三度空間方向成長 而密合，一般成長的薄膜微結構如圖 3.6 所示[34]。
圖 3.6. 薄膜微結構圖[34]
本研究應用於高頻率 FBAR 的壓電薄膜厚度為波長的一半(λ/2)，當選擇工作頻率為 5GHz 時 AlN 薄膜的厚度將只有 1 μm，ZnO 薄膜的厚度則為 0.6 μm，此時薄膜的底層高缺 陷晶粒部份的結構將會明顯影響元件性質。由於塊體聲波元件的聲波傳遞及材料的位移皆 延著縱面方向。因此此處預期為由底端至表面皆具有均勻密晶粒微結構的壓電薄膜將可使 元件的能量損失減少，達到高品質的性質。以濺鍍成長[002]優選取向的 AlN 薄膜已見於文 獻[8,25-27]，其中薄膜成長時基材溫度大都高於 400°C，部分研究群則可以以將基材溫度 降至 300°C 以下，本實驗室先前則於 100°C 之 300°C 進行[002]優選取向 AlN 薄膜濺鍍[35]。
另一方面，以有機金屬化學氣相沉積(metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD)方式 成長 AlN 磊晶薄膜成長也見於文獻中[36,37]，其中多以單晶氧化鋁為基材，由於氧化鋁與 氮化鋁同為六方晶結構，因此(002)晶面的氮化鋁薄膜傾向於成長在(002) 晶面的氮化鋁單 晶基材上。以濺鍍方式獲得磊晶品質的 AlN 需要使用>800°C 的高基材溫度及低鍍膜速率 [25]，但也有報導以反應式濺鍍控制，於低於 300°C 的基材溫度下獲得磊晶品質的薄膜 [38]。另一方面，於 TFBAR 元件中壓電薄膜必須成長於電極薄膜之上，因此電極薄膜的微 結構與結晶方向將會影響所成長的壓電膜微結構，因此電極薄膜的成長也需要加以控制。
包含 Al、W、Mo、Pt、Au 等金屬可以做為聲波元件的電極材料，金屬電極的材料特 性如表 3.2，部份已經商品化的 TFBAR 元件則有 Agilent 的雙工器(Mo/AlN/Mo)、TDK 的
寬頻濾波器(Au/ZnO/Au, Pt/PZT/Pt)及 TFR 的濾波器(W/AlN/Al/Reflector)[13]。若以面心立 方晶系(face center cubic)的 Al、Pt、Au 等金屬為底電極，當電極膜為<111>方向時將有助 於 AlN 成長為<002>優選取向，因此本計畫也以 Au 與 Pt 為底電極材料。
表 3.2. 底電極材料性質
W Mo Pt Al Au
Density (g/cm3) 19.3 10.2 21.4 2.7 19.3 Stiffness (GPa) 410 343 147 107 200 Velocity (m/s) 4610 5800 2620 6300 3200 Resistivity (μΩ·cm) 5.4 5.7 10.6 2.7 2.2
4. 研究方法 4.1. 實驗架構
本計畫先分別進行壓電薄膜、多孔性基材、光罩與微影實驗，然後再予以整合以製做 薄膜體聲波共振濾波器。本計畫實驗架構如圖 4.1 所示。
圖 4.1. FBAR 實驗架構圖
4.2. 氮化鋁與氧化鋅壓電膜濺鍍
FBAR 元件中之壓電薄膜採用真空濺鍍製作，其中氧化鋅(ZnO)使用氧化物靶材直接進 行濺鍍，而氮化鋁(AlN)使用金屬鋁(Al)為靶材進行反應式濺鍍形成。實驗進行時因進度調 配所需而曾於數個系統中進行鍍膜，由於基本濺鍍系統之功能與設置相似，此處以圖 4.2 示意圖說明:
Substrate Holder Gas in
To pump Cathode
Target
Substrate
圖 4.2. 真空濺鍍系統示意圖
鍍膜時基材置於基材座上，靶材則固定於濺鍍陰極表面，工作氣體由流量控制器調控進入 系統內，並搭配抽氣幫浦排出以維持工作壓力，當施加一個直流或射頻電壓於陰極時即可 產生電漿，並藉由電漿中之陽離子將靶材物質撞擊出，進而沉積於基材上成為連續膜。
計畫中沉積 ZnO 膜時使用粉末燒結成型的 ZnO 為靶材，並使用氬氣(Ar)為工作氣體進
壓電薄膜研製 光罩與微影 多孔性基材
整合製程
FBAR 元件
行濺鍍；AlN 沉積則採用鋁金屬為靶材，使用氮氣(N2)與氬氣混合氣為工作氣體，進行反 應式濺鍍。由於適用於聲波元件之壓電薄膜需具有 c-軸垂直於基材表面的結晶方向性，因 此實驗中亦調配鍍膜參數以達到此目的。本實驗濺鍍 AlN 與 ZnO 之參數範圍詳如表 4.1.
表 4.1. AlN 與 ZnO 薄膜濺鍍參數
AlN ZnO
Target Al (99.997%) 2” x 6 mm
ZnO (99.999%) 2” x 3 mm Power RF 100~250 watts RF 30~70 watts Gases Ar, 6 sccm
N2, 15 sccm
Ar, 22 sccm
Working pressure 3 x 10-3~2 x 10-2Torr 4~6 x 10-2Torr Base pressure 7 x 10-6Torr 1.5 x 10-5Torr Substrate temp. Below 100 °C Below 100 °C Substrate bias No bias No bias
4.3. 薄膜結構與微結構分析
AlN 與 ZnO 壓電薄膜以及 Au/Cr 與 Pt/Ti 電極薄膜之結構使用 X 光繞射儀(XRD, Rigaku D/MAX-B)量測，繞射儀採用 θ-2θ模式量取繞射強度，並據以分析薄膜結晶方向以及結晶 品質。
濺 鍍 薄 膜 之 表 面 與 截 面 微 結 構 使 用 高 解 析 度 掃 瞄 式 電 子 顯 微 鏡 (FESEM, JEOL JSM6500F)分析，以便了解製程參數對鍍膜晶粒微結構之影響。
4.4. 電子背向繞射
電子背向繞射(EBSD, Electron backscatter diffraction)是一種新的材料分析工具，其功 能可包含穿透式電子顯微鏡(TEM)中的電子繞射圖譜(Electron diffraction pattern) 部分功 能，以及可取代部份 X 光繞射極圖(X-ray pole figure)功能。由於 EBSP 用於薄膜研究仍未 成熟，本計畫嘗試以它分析 AlN 壓電膜之結晶方向分佈，並測試表面處理對分析數據靈敏 度影響。
電子背向繞射儀為裝置於新型掃瞄式電子顯微鏡(SEM)的一種偵測系統，並可結合電 子束之 X-Y 掃瞄功能與電腦分析與圖像組合，轉換分析結果為極圖(pole figure)、反極圖 (inverse pole figure)、試片於法線(normal)及橫向(transverse)結晶方向分佈方功能。EBSD 分 析之基礎乃依據電子束於結晶材料內因非彈性散射後，再被晶格平面作用形成布拉格繞射 (Bragg diffraction)的結果，每個結晶平面之繞射結果可以於螢光屏形成一對平行線條，整
EBSD 裝置如圖 4.4 所示，聚焦之電子束照射至傾斜 70°的試片表面，所產生菊池線投射至 螢光屏並由 CCD Camera 取得影像供電腦分析。當樣品中晶粒之結晶方向不同時，所投射 之菊池譜會跟著偏移，因此可據以分析該點之晶粒排列方向，而當樣品為多晶結構時各晶 粒之不同結晶方向(如圖 4.5)也可被解析出。用於 FBAR 之壓電膜需具有 c-軸朝向法線方向 (normal direction)的晶粒結構，但是平行於基材表面之 Longitudinal 與 Transverse 方向的晶 粒方向影響則少有報導，因此本計畫中也嘗試以 EBSD 分析壓電膜之晶粒排列方向。
e-
圖 4.3. 菊池線圖譜 圖 4.4. EBSD 裝置示意圖
圖 4.5. 試片方向與晶粒方向示意圖
4.5. 多孔性矽基材
多孔性矽基材採用陽極蝕刻方式形成，其原理如同圖 4.6 之 Lehmann 提出的矽原子溶 解模型:於氫氟酸(HF)水溶液中之矽基材表面與氫鍵結形成一層 Si-H，當反應系統提供電洞 至表面時可促成 Si-H 斷鍵而形成新的 Si-F 鍵結，進一步的 Si-Si 鍵與 F 反應，逐步反應使 得 Si 原子的 4 個化學鍵都變成 Si-F，再與 HF 形成錯合物 SiF62-
而溶於溶液中。形成多孔
性矽基材需持續提供電洞至矽基材表面，但要控制反應為電洞缺乏狀態，此反應條件可以 由將矽基材置於陽極，並以外加直流電源控制。圖 4.7 為實驗使用之陽極處理系統示意圖，
在一個鐵氟龍容器內放入 HF 溶液，矽基材固定於陽極座並由其底部連接導線至電源+極，
矽基材之對面放置一個環狀白金為陰極，鐵氟龍容器上方為紫外燈源(365 nm)，用來照射 n-type Si 基材以便提供電洞參與反應。陽極蝕刻的實驗條件如表 4.2 所示。
圖 4.6. Lehmann 之矽原子溶出反應模型
圖 4.7. 陽極蝕刻多孔矽反應系統
表 4.2. 陽極蝕刻多孔矽之反應條件
項目 參數
基材 n-type Si(100)
ρ: 0.001~0.005 Ωcm
蝕刻液 HF(48 wt%) + C2H5OH(99.5 wt%) 電流密度 20 ~ 130 mA/cm2
光源照度 2.5 mW/cm2
4.6. 多孔性二氧化矽基材
此處以化學分析儀器中用以分離分子的具奈米孔隙二氧化矽為原料，再予以製成厚膜或 塊材以提供為 FBAR 元件之多孔性基材。多孔性二氧化矽(porous silica)粉末的起始粒徑為 0.06~0.2 mm，其孔隙尺寸為 6 nm，購得之粉末需先經過球磨以降低其粒徑與形成塊材或 厚膜後之表面粗糙度。本計畫中製作 3 種多孔性二氧化矽基材，分別為碟型塊材、厚膜基 材、複合膜基材，製作流程如圖 4.8 所示。
圖 4.8. 多孔性二氧化矽基材製作流程
多孔性二氧化矽粉末之平均粒徑於購得時的 118 μm，經由上述球磨 7 天與過篩後粒徑 降低至 2.7 μm，其粒徑分佈如同圖 4.9 所示。球磨後之粉末密度為約 2.26 g/cm3，推算孔 隙之體積佔 22%。其餘製作多孔性二氧化矽基材使用原料詳見表 4.3，使用儀器詳見表 4.4。
多孔性二氧化矽粉末
乾式球磨
過篩 100~400 目
加玻璃粉
乾式球磨
過篩 100~400 目
壓錠成碟型
燒結
旋鍍聚碳矽烷
熟化(curing)
碟型多孔性基材
鑲埋
加玻璃粉、膠劑 加聚醯胺
濕式球磨 濕式球磨
塗佈於氧化鋁基材 塗佈於矽基材
旋乾 旋乾
燒結
厚膜多孔性基材
熟化(curing)
複合膜多孔性基材
圖 4.9. 多孔性二氧化矽粉末於(a)未球磨與(b)球磨 7 日後之粒徑分怖
表 4.3. 製做多孔性二氧化矽使用原料表
原料 廠牌、規格
Porous silica ARCOS CHINCA
LS-1401 玻璃粉 Nippon Electronic Glass, sealing temp. 380°C 聚碳矽烷 Nippon Carbon, UH-type, MW. 5000
矽基材 Si(100), p-type/Boron, ρ: 1~100 Ωcm 氧化鋁基材 Kyocera, A-493
表 4.4. 製做多孔性二氧化矽使用儀器表
儀器名稱 儀器說明
行星式球磨機 台科大電子陶瓷實驗室 雷射粒徑分析儀 Shimadzu, SALD-2001 超音波振盪器 BRANSON-2100 箱型爐 全拓科技，JEF-2000 旋轉塗佈機 KyoWa Riken, K-395SD
4.7. 薄膜體聲波振盪器製作流程
本計畫之 FBAR 元件結構為採用氣隙型(Air-gap type)原理，但是將底電極下方之氣隙 改為多孔性基材，如此可將元件製作由表面微細製造技術(surface micromachining)更換為單 純 的 薄 膜 (thin film) 與 微 影 技 術 (lithography) 。 FBAR 主 體 為 MIM 三 明 治 型 結 構 (Au/Cr/AlN/Pt/Ti 以及 Au/Cr/ZnO/ Au/Cr)，其中上下金屬電極與壓電薄膜皆採用真空濺鍍形 成，電極與壓電膜之圖案採用微影製程搭配舉離法(lift-off)形成，完整的 FBAR 製做流程如
圖 4.10. FBAR 元件製作流程圖
（3）鍍下電
（2）微影製
Porous substrate 電木
光阻 Porous substrate
Au/Cr
Porous substrate
（4）Lift-off
（5）微影製
（6）鍍 ZnO 及上電極
(7)Lift-off
Au/Cr
Porous substrate
光阻 Porous substrate
ZnO Au/Cr
光阻 Porous substrate
Porous substrate
（1）基材
在鑲埋之多孔性基材表面先塗怖第一道光阻材料，再使用底電極光罩經曝光顯影後得 到曝露出之底電極區域的光阻圖案，然後依續濺鍍 Cr 黏接層與 Au 薄膜，再使用舉離法去 除光阻與其上的 Au/Cr，便得到底電極 Au/Cr 圖案(步驟 1~4)；接下來以上電極圖案光罩做 第 2 道光阻塗怖與曝光顯影，曝光前需使此圖案與底電極圖案相對應對準，再依續濺鍍上 AlN 或 ZnO 壓電膜，以及 Cr 黏接層與 Au 薄膜，再以舉離法去除光阻與其上的 Au/Cr/ZnO，
最後於多孔性基材表面得到三明治型 Au/Cr/ZnO/Au/Cr 結構(步驟 5~7)。上述程序為於全平 面多孔性基材上製作 FBAR，共使用 2 個光罩製程，而於早先設計為局部多孔性或氣隙結 構之元件尚需於底電極下方定義氣隙區域，因此另需一個光罩製程。
計畫進行中曾數度修改光罩，最後使用之光罩如圖 4.11 所示，FBAR 元件區域為 200μm x 200μm 大小，上/下電極並往外延申至 3mm x 3 mm 之 Pad 區域，元件兩側則為接地電極，
其餘尺寸詳如圖示。
圖 4.11. FBAR 元件之光罩尺寸圖
3mm
3mm
3mm
3mm
600μm
200μm 100μm
200μm 200μm
150μm
300μm
5. 結果與討論
5.1 氧化鋁薄膜結構與形態
本計畫中之 AlN 壓電薄膜採用反應式濺鍍製作，使用金屬 Al 為靶材，使用 Ar 與 N2混 合氣體為工作氣體。有關反應氣體 N2與工作氣體 Ar 比例對於濺鍍 AlN 的結構影響已見於 多處文獻中，本實驗室先前研究也得到類似結果，N2:Ar 必須大於 1:1 才可得到結晶性良 好的 AlN 鍍膜，而當 N2:Ar 於 3:1 時較容易調整參數以便得到 c-軸優選取向的 AlN 鍍膜。
由於先前濺鍍系統鍍出的 AlN 膜內具有高達 15 at.%的 O，預期將會影響薄膜性質，本計畫 乃使用新一部設備濺鍍 AlN 膜，並於 N2氣體管路上串聯一段 O2/H2O 補捉器以便降低氧含 量，因此重新調整新系統之濺鍍參數。圖 5.1 為以 XRD 分析工作壓力對於 AlN 膜之結構 影響，基材計有 Si(100)、SiO2/Si(100)與 Pt/SiO2/Si(100)三種，鍍膜時基材不加溫，依據先 前實驗量溫度約為 100°C。當工作壓力為 20 mTorr 與 7 mtorr 得到的 AlN 鍍膜之 XRD 分析 結果顯示結晶為混亂方向，圖譜中有明顯的 AlN 之(100)、(002)、(101)三個結晶面的繞射，
但繞射峰強度分佈與標準 JCPD 卡相異，顯示於這 2 個較高壓力條件所得 AlN 膜的結晶具 有某種優選取向，但未達到本計畫中需求的 c-軸優選取向。當鍍膜壓力調降至 5 mTorr 時，
AlN 膜的(100)與(101)繞射峰強度明顯降低，而(002)繞射峰成最強度最高；當壓力進一步降 低至 3 mTorr 時，AlN 之 XRD 圖譜只有一個(002)繞射，因此此 AlN 鍍膜為 c-軸優選取向。
由於 3 mTorr 已經為一般濺鍍系統的底限工作壓力，鍍膜壓力條件已無法再往下降。圖 5.1 中鍍於 3 種基材上的 AlN 膜的 XRD 分析結果與趨勢相似，表示鍍膜結果不受基材表面性 質影響，因此此處 AlN 膜形成機構屬於動力學控制，亦即氣相中之 AlN 先驅物供應方式決 定鍍膜速率。由於低壓濺鍍時由靶材被 Ar 離子撞擊出的 AlN 先驅物粒子將以直線行進至 基材，因此鍍膜中之原子堆積易以該晶體之最快成長方向朝向入射之粒子束，如此將會以 AlN 之長軸(亦即 c-軸)順於粒子束，造成 AlN 膜之[002]方向垂直於基材表面。
20 25 30 35 40 45 50 55 60
100 101 002
Intensity(a.u.)
2
20 25 30 35 40 45 50 55 60
101 100
002
Intensity(a.u.)
2
20 25 30 35 40 45 50 55 60 Pt(200)
Pt(111)
100 101 002
Intensity(a.u.)
2
AlN/Si(100) AlN/SiO2/Si(100) AlN/Pt/SiO2/Si
2 x 10-2torr 7 x 10-3torr 5 x 10-3torr 3 x 10-3torr
(a) (b) (c)
圖 5.1. 反應式濺鍍 AlN 於(a)Si(100)、(b)SiO2/Si(100)及(c)Pt/SiO2/Si(100)基材之 XRD 分析
由於 AlN 鍍膜品質受基材影響不易由圖 5.1 之 XRD 圖譜直接判斷，因此進一步比較 AlN(002)繞射峰之半高寬(FWHM, Full width at half maximum)，結果如圖 5.2 所示。這些試
片的(002)繞射峰之半高寬皆隨著工作壓力升高而增大，代表工作壓力高所得到的 AlN 結晶 品質差。另一方面，基材性質對(002)繞射峰之半高寬仍有影響，比較 3 種基材的結果，鍍 於 Pt 表面的 AlN 膜之半高寬最小，結晶品質最好，這個結果顯示當 AlN 未來鍍於 Pt 電極 上可有較好的結晶品質。
0 2 4 6 8 10
Pressure ( x10-3 torr) 1.2
1.4 1.6
FWHM(degree)
G ra p h 1 AlN/Si AlN/SiO2/Si AlN/Pt/SiO2/Si
圖 5.2. AlN 薄膜之(002)繞射峰半高寬趨勢
鍍膜溫度預期會影響 AlN 結晶性，此可由先前實驗得知，圖 5.3 中顯示當基材加溫至 300°C 時，於高工作壓力 11 mTorr 時仍可得到偏向(002)優選取向的 AlN 膜。但由於本計畫 製作 FBAR 元件將經歷 lift-off 製程，鍍膜期間基材上仍有不耐高溫之光阻材料，因此對此 高溫鍍膜參數並無持續研究。
20 30 40 50 60
2(degree)
11 mTorr, 300 C 9 mTorr, 100 C 7 mTorr, 100 C 5 mTorr, 100 C
AlN film
(100) (002) (101)
圖 5.3. 先前實驗之基材溫度對 AlN 鍍膜之 XRD 影響分析
圖 5.4 為於 20 mTorr 高工作壓力濺鍍之 AlN 膜的高解析度表面型態，鍍於 Si、SiO2/Si、
探討。
圖 5.4. 於 20 mTorr 工作壓力濺鍍於(a) Si、(b)SiO2/Si、(c)Pt/SiO2/Si 及(d)Al2O3基材上之 AlN 膜的表面型態
圖 5.5. 於工作壓力分別為(a) 7 mTorr、(b) 5 mTorr、(c) 3 mTorr 濺鍍於 Si 基材上之 AlN 膜
的表面型態
當工作壓力逐步降低時 AlN 鍍膜之表面型態也逐漸改變，圖 5.5 為工作壓力分別為 7 mTorr、5 mTorr 與 3 mTorr 之 AlN 膜之表面型態，AlN 晶粒已逐漸由薄層片狀改變成為圓 晶粒，表面晶粒尺寸約為 100~200 nm。圖 5.6 為 AlN 膜之截面型態，其中於 20 mTorr 高 工作壓力鍍得之 AlN 膜為細碎長條型晶粒以混亂方向組合成，而於 3 mTorr 至 7 Torr 鍍得 的膜皆為柱狀晶粒。由於本計畫中所需壓電膜除了需具 c-軸優選取向，晶粒由底面至表面 連貫結構也將提高壓電性質，因此於 3 mTorr 低工作壓力濺鍍之 AlN 將可符合這些要求。
圖 5.6. 於工作壓力分別為(a) 20 mTorr、(b) 7 mTorr、(c) 5 mTorr 及(d) 3 mTorr 濺鍍於 Si 基 材上之 AlN 膜的截面型態
先前濺鍍系統所得之 AlN 膜含高濃度氧，本計畫更改系統後濾氧效能可由鍍膜成份分 析確認，圖 5.7 為以電子能譜(XPS, X-ray photoelectron spectrocscopy)分析鍍膜成份的結果，
鍍膜表面的氧含量極高，這是由表面化學吸附的氧造成，氧含量由表面向膜內逐漸降低，
顯示這些氧為鍍完膜後曝露於空氣中反應造成。薄膜內部的氧含量約為 5 at.%，比先前之 15 at.% 明顯減少，而這些氧可能於鍍膜時由真空系統之逸氣造成。
0 500 1000 1500 2000 0
10 20 30 40 50 60
O N Al
atom%(%)
Etch Time (sec)
圖 5.7. 於 3 mTorr 工作壓力濺鍍之 AlN 膜的成份縱深分佈曲線
5.2. 電子背向繞射分析
圖 5.8. 以 EBSP 分析未經處理 AlN 膜於垂直面與平行面之結晶方向分佈
計畫進行中亦測試以 EBSP 分析 AlN 膜的可行性，實驗採用於 3 mTorr 工作壓力濺鍍 之 AlN 膜為試片，於 FESEM 中掃瞄試片表面並取樣 200 點做菊池線分析，再由電腦進一 步分析每個點的結晶方向，其統計結果再以圖以反極圖(inverse pole figure)表示。圖 5.8 為 AlN 膜於試片三個方向的反極圖，雖然於 XRD 分析中已可見到試片為 c-軸優選取向，但 此試片完全無法於 EBSP 中解析出。由於 EBSP 分析受試片表面晶體結構品質與表面平坦 度微結構影響，因此計畫中進一步將試片以 0.1μm 鑽石砂紙拋光 1 分鐘，使其表面粗糙度
由 48.2 nm 下降至 49.7 nm，再予以進行 EBSP 量測，其結果如圖 5.9。於垂直基材表面的 Sample Normal 的反極圖可見到解析出之晶粒方向偏向於<0001>，與 XRD 分析結果類似，
而於平行於基材表面之 2 個方向的反極圖則顯示散亂分佈的晶粒方向，顯示 AlN 膜於基材 平面並無特定結晶取向，因此濺鍍之 AlN 膜只具有單軸(垂直於基材表面)優選取向。由於 經由拋光 1 分鐘後的試片雖取樣 200 點，但只有 8 點(4%)解析出來，因此未來若要以 EBSP 分析鍍膜，將需要進一步研究試片表面處理。
圖 5.9. 以 EBSP 分析以 0.1μm 鑽石砂紙拋光之 AlN 膜於垂直面與平行面之結晶方向分佈
5.3. 氧化鋅薄膜結構與形態
本計畫中的 ZnO 壓電薄膜濺鍍為直接使用 ZnO 塊材為靶材，工作氣體使用純 Ar，於 40~60 mTorr 的壓力間濺鍍。由於氧化物靶材之濺鍍速率很低，有賴提高 RF 電源功率來提 升，但絕緣靶材所能承受之功率密度有限，因此需調整至一適用範圍。圖 5.10 為鍍膜速率 比較，於 30 watts 至 70 watts 間鍍膜速率由 37 nm/hr 至 190 nm/hr 呈線性增加，而 50 watts 功率之鍍膜速率為 98 nm/hr，因此需約 20 hr 方能沉積達 2 μm 厚度。
0 20 40 60 80 100
RF power (watts)
0 50 100 150 200 250
Growthrate(nm/hr)
圖 5.10. RF 電源功率對 ZnO 鍍膜速率之影響
圖 5.11(a)為濺鍍 5 小時之 ZnO 膜於 Au/Si 基材上之 XRD 分析，於實驗條件範圍內全 部 ZnO 膜都為(002)優選取向。另一方面，ZnO(002)繞射峰的強度隨濺鍍功率增高而增加，
但此數據為厚度效應所致，應與鍍膜結晶品質無關連。
1 5 2 0 2 5 3 0 35 40 45 50 5 5 6 0
Intensity(a.u.)
2
3 . 7 0 W
2 . 5 0 W
1 . 3 0 W
1 2 3
ZnO(002) Au(111) Au(200)
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45
10 30 50 70
射頻功率(W)
FWHM
圖 5.11. 以射頻功率 30、50 與 70 watts 濺鍍 ZnO 膜之(a) XRD 圖譜以及(b) 其(002)繞射峰 之半高寬分析
圖 5.11(b)為三個 ZnO 膜之(002)繞射峰的半高寬分析，三者都介於 0.3º 至 0.4º 之間，而其 中以 50 watts 功率濺鍍所得之 ZnO(002)具有最低 0.3º 的半高寬。由於 50 watts 得到的 ZnO 膜比 70 watts 的薄，但其結晶品質佳(半高寬小)，因此之後的壓電膜採用 50 watts 功率濺鍍。
圖 5.12. 以射頻功率(a) 30、(b) 50 與(c) 70 watts 濺鍍 ZnO 膜之表面型態
為 90 nm。於 70 watts 濺鍍得到的 ZnO 膜的表面型態則完全不同，如圖 5.12(c)中可見到其 表面具有大於 200 nm 之不規則形結構，同時也有尺寸小於 20 nm 以下的小晶粒存在，這 些小晶粒可能為鍍膜時除了晶粒成長外，還有二次成核反應進行，可能原因為較高濺鍍速 率促成部分 ZnO 先趨物於氣相中碰撞並反應成團聚物，再落至鍍膜表面所致。於 30 watts、
50 watts 與 70 watts 功率鍍得的 ZnO 膜由截面觀察則同樣為柱晶粒，圖 5.13 為於 50 watts 濺鍍 ZnO 膜之截面型態，其底部為預先鍍上之金薄膜，ZnO 柱狀晶粒由底部至上端的直徑 一致，且 ZnO 膜與 Au 膜之間有一個明顯的界面存在，顯示鍍膜未經 ZnO 成核過程，ZnO 膜為直接成長於 Au 的表面，因此底電極將會影響 ZnO 膜之微結構。
圖 5.13. 以射頻功率 50 watts 濺鍍 ZnO 膜之截面型態
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Intensity(a.u.)
2
2. ZnO / Au/ Porous S ilica B ulk 1. Porous Silica Bulk
1.
2.
ZnO(002)
* ** * * *
Au(111)
ZnO(101) Au(200) ZnO(102)
*
圖 5.14. 於多孔性 SiO2基材上濺鍍 ZnO 膜之 XRD 分析
實驗進一步的將 ZnO 濺鍍於多孔性基材上並予以分析其結構，圖 5.14 為 ZnO 膜之
XRD 分析，此膜為鍍於已濺鍍 Au 膜的多孔性 SiO2基材，圖上也放了多孔性 SiO2基材以 做為數據分析比較。ZnO 膜仍具有<002>優選取向結構，但是其取向性比鍍於 Au/Si 基材 上的 ZnO 膜差，此處仍有小比例的 ZnO(101)與 ZnO(102)繞射面出現。
圖 5.15. 於多孔性 SiO2基材上濺鍍 ZnO 膜之表面與截面型態
圖 5.15(a)為鍍於多孔性 SiO2基材上的 ZnO 膜的表面型態，此膜為以 50 watts 功率濺 鍍 15 hr，由表面觀察的晶粒尺寸已達 200 nm，但有部分小晶粒成長於大晶粒表面。圖 5.15(b) 為此膜之截面型態(其表面另加覆蓋一層 Au 薄膜)，ZnO 膜仍為柱狀晶粒，但不如鍍於 Au/Si 上的 ZnO 晶粒規則，而且部分晶粒隨著底下多孔性 SiO2的粗糙表面輪廓而傾斜。由於先 前並無於粗糙表面製作薄膜元件的經驗，此類薄膜的特性仍待探討。另一方面，根據 ZnO 濺鍍膜與基材表面微結構之依存特性，將來製作之多孔性膜應需具有平整的表面。
![圖 3.3. 微細製造之 TFBAR: (a) 塊材微細加工背孔隔離型、(b)面加工氣隙型、(c)Agilent 專利氣隙型 以塊材微細加工製作的 FBAR 採用以鹼性溶液(如 KOH 等)由矽基材背面向表面進行背 向蝕刻，使未被保護的基材部分被吃穿而留下電極與壓電材料橫隔膜(Membrane)。塊材微 細加工由於採用對矽晶片的不同晶面間的選擇性蝕刻，造成基材的(111)斜面與橫隔膜表面 (相對於基材的(100)面)的幾何夾角 54.7° [15]，因此元件的實際面積比由正面蝕刻所需的工 作面積大，不利於微](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/9libinfo/9127178.411396/12.892.178.711.60.356/微細製造塊材微細加工背孔隔離面加工氣隙型專利氣隙以塊晶面間.webp)
