第五章 共面波導濾波器量測
5.1. 量測設備
本文製作完成的共面波導低通濾波器，其散射參數(S-parameters)的量測是利用向量 網路分析儀進行量測。使用的量測設備是國家奈米元件實驗室的20 GHz 元件高頻 S 參 數量測系統，此儀器型號為HP 8510C 向量網路分析儀，可以量測頻率範圍為 50 MHz ~ 20 GHz。利用此儀器可以量測待測元件(DUT)的增益、損失、阻抗、駐波比、透射係數 和反射係數，圖5. 1 為向量網路分析儀的量測示意圖。
Probe 2 Probe 1
Sample Stage Wafer
Metal
Microscope CCD CAMERA
HP 8510C Network Analyzer
PUMP Probe 2
Probe 2 Probe 1Probe 1
Sample Stage Wafer
Metal
Microscope CCD CAMERA
HP 8510C Network Analyzer
PUMP
圖5. 1 向量網路分析儀量測示意圖[19]
本文設定向量網路分析儀的量測頻率範圍為0.2 ~ 20 GHz，元件量測方式是採用 On wafer 量測，使用 GSG (Ground, Signal, Ground)量測探針，其接觸面的最小面積為
據需要的量測條件進行SOLT(Short, Open, Load, Thru)校正，使用校正元件為機台上所附 標準校正元件。
5.2. 低通濾波器量測結果
以下將介紹共面波導低通濾波器的量測結果，包括(1)低通濾波器在不同金屬厚度的 散射參數量測值，(2)改變濾波器 Meander 尺寸的散射參數量測值，(3)串聯低通濾波器 的散射參數量測值。另一方面，本文使用不同電流密度的電鍍製程條件，因此將比較在 不同電流密度的製程條件，低通濾波器的散射參數量測結果。
5.2.1. 不同金屬厚度的量測結果
圖5. 2 為 2 ASD 電流密度，Meander 結構長度(Lm)為 600µm，金屬厚度分別為 2µm、
5µm、10µm 和 20µm 的量測結果。由量測結果可知金屬厚度對濾波器的截止頻率有影 響。圖5. 3 為低通濾波器在不同金屬厚度的截止頻率，濾波器的線路結構隨著金屬厚度 增加，其截止頻率會往高頻偏移，同時也會造成通帶區反射損失|S11|增加，造成較大的 反射能量損失，量測結果顯示通帶區的插入損失(Insertion loss)大於 1 dB。以-30dB 為止 帶標準，此共面波導低通濾波器的止帶頻寬為3.8GHz。
(a)
(b)
圖5. 2 電流密度為 2 ASD，金屬厚度分別為 2µm、5µm、10µm 及 20µm 的量測值，(a) |S21|，
(b) |S11|
圖5. 3 電流密度為 2 ASD，金屬厚度分別為 2µm、5µm、10µm 及 20µm 的濾波器截止 頻率
5.2.2. 不同 Meander 尺寸的量測結果
圖5. 4、圖 5. 5 和圖 5. 6 為 1 ASD 電流密度，金屬厚度分別為 5µm、10µm、20µm，
改變濾波器Meander 長度(Lm)尺寸的量測結果。量測結果顯示改變 Meander 長度(Lm)尺 寸可以調整低通濾波器的截止頻率。由第四章製程結果知道在1 ASD 電流密度，因為線 路結構的深寬比效應造成離子沉積速率不相同，所以低深寬比區域的金屬厚度大於高深 寬比區域，由於金屬厚度不均勻，在不連續截面產生額外的寄生電感與電容效應，所以 圖5. 6(a)顯示金屬厚度在 20µm 的濾波器量測值，其通帶區的插入損失大於 3 dB。
圖5. 7 為 1 ASD 電流密度，金屬厚度為 5µm 和 10µm，不同 Meander 長度(Lm)尺寸 的濾波器截止頻率，隨著Meander 長度(Lm)縮短，則濾波器截止頻率往高頻偏移，當金 屬厚度為5µm 時，截止頻率的變化範圍為 3~7 GHz，當金屬厚度為 10µm 時，截止頻率
寸的濾波器截止頻率，截止頻率的變化範圍為4~9 GHz。圖 5. 10 為 4 ASD 電流密度，
金屬厚度為5µm，改變濾波器 Meander 長度(Lm)尺寸的量測結果。圖 5. 11 為 4 ASD 電 流密度，金屬厚度為5µm，不同 Meander 長度(Lm)尺寸的濾波器截止頻率，截止頻率的 變化範圍為3~7.5 GHz。
除了調整Meander 長度(Lm)尺寸可以改變截止頻率，觀察上述的量測結果可知在不 同電流密度的電鍍製程條件，濾波器元件會因為不同的金屬厚度和材料性質，如表面粗 糙度和導電率，導致濾波器元件特性會有差異，在5.3 節將會比較在不同電流密度條件，
電鍍製作的共面波導濾波器，其量測與模擬結果的差異，藉以找出最佳的電流密度製程 條件。
(a)
(b)
圖5. 4 電流密度為 1 ASD，金屬厚度為 5µm，Meander 結構在不同長度(Lm)尺寸的量測 值，(a) |S21|，(b) |S11|
(a)
(b)
圖5. 5 電流密度為 1 ASD，金屬厚度為 10µm，Meander 結構在不同長度(Lm)尺寸的量測 值，(a) |S21|，(b) |S11|
(a)
(b)
圖5. 6 電流密度為 1 ASD，金屬厚度為 20µm，Meander 結構在不同長度(Lm)尺寸的量測 值，(a) |S21|，(b) |S11|
圖5. 7 電流密度為 1 ASD，金屬厚度分別為 5µm 和 10µm，不同 Meander 長度(Lm)尺寸 的濾波器截止頻率
(a)
(b)
圖5. 8 電流密度為 3 ASD，金屬厚度為 10µm，Meander 結構在不同長度(Lm)尺寸的量測 值，(a) |S21|，(b) |S11|
圖5. 9 電流密度為 3 ASD，金屬厚度為 10µm，不同 Meander 長度(Lm)尺寸的濾波器截 止頻率
(a)
(b)
圖5. 10 電流密度為 4 ASD，金屬厚度為 5µm，Meander 結構在不同長度(Lm)尺寸的量測
圖5. 11 電流密度為 4 ASD，金屬厚度為 5µm，不同 Meander 長度(Lm)尺寸的濾波器截 止頻率
5.2.3. 串聯結構的量測結果
經由第四章的SEM 照片知道電流密度為 2 ASD 的電鍍條件，可以電鍍平整度較好 的表面輪廓，所以串聯結構低通濾波器試片的電流密度設定為2 ASD，另外為了解決 BOE 溶液蝕刻鈦金屬造成電鍍結構和石英基板分離的問題，所以使用反應離子式蝕刻鈦 金屬，使用此製程蝕刻鈦金屬後，電鍍結構並不會和石英基板分離。但是蝕刻氣體CF4
和電鍍銅反應後，在銅表面產生氟化銅薄膜，氟化銅薄膜的電阻值大於銅，所以會對濾 波器的特性造成影響。
圖5. 12 和圖 5. 13 為 2 ASD 電流密度，Meander 結構長度(Lm)為 600µm，金屬厚度 分別為5µm 和 15µm，串聯兩個低通濾波器的量測結果。由於氟化銅薄膜造成金屬表面 電阻值變大，因此造成通帶區的插入損失大於1 dB，金屬厚度為 5µm 的濾波器截止頻 率為0.6 GHz，金屬厚度為 15µm 的濾波器截止頻率為 1.9 GHz。若以-30dB 為止帶標準，
的衰減速率。
圖5. 12 電流密度為 2 ASD，金屬厚度為 5µm，串聯低通濾波器結構量測結果
5.3. 不同金屬厚度的濾波器量測與模擬結果比較
圖5. 14、圖 5. 15、圖 5. 16 和圖 5. 17 為 2ASD 電流密度，Meander 結構長度(Lm) 為600µm，金屬厚度分別為 2µm、5µm、10µm 和 20µm 的量測與模擬結果比較。由比 較結果可知量測與模擬結果有誤差，而產生誤差的主要原因是實際濾波器元件和模擬模 型在結構幾何尺寸與材料性質的差異，因為微影製程的繞射效應和電鍍金屬的表面輪廓 難以精確控制，所以最後量測元件的幾何形狀會有尺寸誤差，如圖4. 14 所示，而且電 鍍銅的導電率會因為不同電流密度條件而有差異，所以實際金屬的導電率與軟體設定值 不相同，如表4. 3 所示，所以造成量測和模擬結果有誤差。
圖5. 18 和圖 5. 19 分別是電流密度為 1 ASD，Meander 長度(Lm)為 600µm，金屬厚 度分別為5µm、10µm 的量測值與模擬結果比較。比較結果可以知道金屬厚度為 5µm 的 濾波器量測與模擬趨勢符合，但是金屬厚度為10µm 的濾波器量測和模擬結果確有很大 的誤差，原因是此試片在蝕刻鈦金屬後，濾波器的部份Interdigital 結構與石英基板分離，
如圖4. 15(b)所示，所以造成量測特性未符合模擬結果。
圖5. 20 為 3 ASD 電流密度，Meander 結構長度(Lm)為 600µm，金屬厚度為 10µm 的 量測值與模擬結果比較。此片試片同樣也是因為蝕刻鈦金屬後，濾波器的部份Interdigital 結構與石英基板分離，所以量測的截止頻率和模擬值有誤差。圖5. 21 為 4ASD 電流密 度，Meander 結構長度(Lm)為 600µm，金屬厚度為 5µm 的量測值與模擬結果比較。量測 結果顯示此電流密度條件，濾波器特性的量測與模擬結果很符合。
由以上模擬與量測結果比較可知影響濾波器元件特性的因素包括：(1)線路結構的厚 度均勻性、(2)結構表面輪廓與(3)電鍍結構與基板的附著性是否良好。
(a)
(b)
圖5. 14 電流密度為 2 ASD，金屬厚度為 2µm 的量測與模擬結果比較，(a) |S21|，(b) |S11|
(a)
(b)
圖5. 15 電流密度為 2 ASD，金屬厚度為 5µm 的量測與模擬結果比較，(a) |S21|，(b) |S11|
(a)
(b)
圖5. 16 電流密度為 2 ASD，金屬厚度為 10µm 的量測與模擬結果比較，(a) |S21|，(b) |S11|
(a)
(b)
圖5. 17 電流密度為 2 ASD，金屬厚度為 20µm 的量測與模擬結果比較，(a) |S21|，(b) |S11|
(a)
(b)
圖5. 18 電流密度為 1 ASD，金屬厚度為 5µm 的量測與模擬結果比較，(a) |S21|，(b) |S11|
(a)
(b)
圖5. 19 電流密度為 1 ASD，金屬厚度為 10µm 的量測與模擬結果比較，(a) |S21|，(b) |S11|
(a)
(b)
圖5. 20 電流密度為 3 ASD，金屬厚度為 10µm 的量測與模擬結果比較，(a) |S21|，(b) |S11|
(a)
(b)
圖5. 21 電流密度為 4 ASD，金屬厚度為 5µm 的量測與模擬結果比較，(a) |S21|，(b) |S11|
5.4. 串聯濾波器結構量測與模擬結果比較
圖5. 22 和圖 5. 23 為 2 ASD 電流密度，Meander 長度(Lm)為 600µm，金屬厚度分別 為5µm、15µm，串聯兩個低通濾波器的量測與模擬結果比較。雖然量測時使用量測探 針刮除氟化銅表面，使探針和電鍍銅結構表面接觸，如圖4. 16 所示，但是氟化銅薄膜 的電阻值比銅金屬大，所以造成通帶區的插入損失大於2.5 dB，因此量測與模擬結果不 是很符合。
(a)
(b)
圖5. 22 電流密度為 2ASD，金屬厚度為 5µm 的量測與模擬結果比較，(a) |S21|，(b) |S11|
(a)
(b)
圖5. 23 電流密度為 2 ASD，金屬厚度為 15µm 的量測與模擬結果比較，(a) |S21|，(b) |S11|
5.5. 不同電流密度的量測結果比較
由於不同電流密度的製程條件，對於電鍍結構的材料性質與表面輪廓有影響，因此 將不同電流密度條件下，相同電鍍厚度的濾波器元件量測結果進行比較。圖5. 24 為金 屬厚度5µm，Meander 結構長度(Lm)為 600µm，電流密度分別為 1 ASD、2 ASD 和 4 ASD，
濾波器的量測與模擬結果比較，由比較結果可知電流密度在1 ASD 和 4 ASD 的電鍍條 件，其模擬與量測結果是相符合的。
圖5. 25 為金屬厚度 10µm，Meander 結構長度(Lm)為 600µm，電流密度分別為 1 ASD、2 ASD 和 3ASD，元件量測值與模擬結果比較，由於電流密度為 1 和 3ASD 的試 片，其濾波器元件有部份結構與石英基板分離，所以造成量測和模擬結果有很大的誤差。
(a)
(b)
圖5. 24 金屬厚度為 5µm，不同電流密度條件電鍍的濾波器結構，量測與模擬結果比較，
(a) |S21|，(b) |S11|
(a)
(b)
圖5. 25 金屬厚度為 10µm，不同電流密度條件電鍍的濾波器結構，量測與模擬結果比 較，(a) |S21|，(b) |S11|
