在選擇表面聲波元件的基板時，主要考量的因素有下列材料性質，如頻率之溫度係數、機電耦合係數、表面聲波波速等；而以一個表面聲波元件的設計來考量，其表面聲波波速、溫度係數或是機電耦合係數的控制給設計者一個相當大的發揮空間。
本論文採取了一些方式來改變上述表面聲波元件的特性：（一）氮化鋁(AlN)具有高化學穩定性、高熔點、熱傳導性佳等特性，且為目前所知具有最高聲波波速(5000-6500m/s)之壓電材料，我們將氮化鋁成長在鈮酸鋰(LiNbO3)基板上，以提高元件的表面聲波波速。（二）利用ST切面石英(quartz)基板溫度穩定的特性，驗證氮化鋁的頻率溫度特性；同時由於石英基板也是常用的表面聲波元件基材，氮化鋁的成長也可用來提高元件的表面聲波波速。（三）利用正溫度係數的二氧化矽(SiO2)薄膜沈積在鈮酸鋰基板上，以改善元件的頻率溫度係數。（四）由上述實驗的結果歸納出適合的雙壓電層結構，以改良鈮酸鋰基板上表面聲波元件的特性。
本論文使用反應性射頻磁控濺鍍法，探討在Z軸切面鈮酸鋰基板與ST切面石英基板上成長優選排向氮化鋁薄膜和二氧化矽薄膜的沉積條件，藉由基本的材料分析工具，如X光繞射儀(XRD)、掃瞄式電子顯微鏡(SEM)與原子力顯微鏡(AFM)作為材料特性之評估。表面聲波元件的製作則使用黃光微影製程之舉離法，分別在鈮酸鋰，氮化鋁/鈮酸鋰，二氧化矽/鈮酸鋰，石英，氮化鋁/石英等不同的結構上製作延遲線型之指叉狀電極，並以Hewlett-Packard(HP) 8720網路分析儀測量其表面聲波元件特性。
在氮化鋁薄膜的成長方面，本實驗得到AlN在鈮酸鋰基板的最佳濺鍍參數為：功率密度8.1W/cm2、腔室壓力3.5mTorr、氮氣濃度60﹪、基板溫度400℃，於此條件下可得高C軸排向氮化鋁薄膜。在石英基板上的最佳濺鍍參數則為：功率密度8.1W/cm2、腔室壓力15mTorr、氮氣濃度30﹪、基板溫度400℃，於此條件下亦可得到高C軸排向氮化鋁薄膜。
由表面聲波元件之分析結果，可得以下之結論：（一）氮化鋁/鈮酸鋰的結構確能達到提升元件操作頻率的目的；（二）氮化鋁/石英的結構證明了氮化鋁薄膜具有正頻率溫度係數的效果，也能達到提升元件操作頻率的目的；（三）二氧化矽/鈮酸鋰的結構則有增加元件頻率溫度係數的作用，但是卻沒有對表面聲波元件操作頻率有提升的作用；（四）氮化鋁薄膜在鈮酸鋰基板上不僅對表面聲波元件的操作頻率有提升的作用，亦表現出其對頻率的溫度補償作用，改善了元件的頻率溫度係數。

The temperature coefficient of frequency (TCF), electromechanical coupling coefficient (K2) and surface acoustic wave (SAW) velocity are the major factors when choosing the substrates for surface acoustic wave devices. There exist a wide range for the designer to controll the above factors.
This thesis adopted several methods to change the properties of SAW devices. First, the SAW velocity is increased using aluminum nitride (AlN) thin films deposited on z-cut LiNbO3 substrates. Besides, the ST-quartz is adopted as substrate for comparison to clarify the temperature characteristic of AlN itself. The well-known positive TCF material, silicon dioxide (SiO2), is also deposited on z-cut LiNbO3 substrates for the purpose of improving the TCF of SAW devices. Finally, the optimal piezoelectric bilayer structures will be conducted for the improvement of the properties of SAW devices on LiNbO3 substrate.
AlN and SiO2 thin films are selected to be deposited on z-cut LiNbO3 and ST-cut quartz substrates using the reactive RF magnetron sputtering. The characteristics of AlN thin films are evaluated using the analyses of XRD, SEM and AFM. The optimized growth parameters of highly c-axis oriented AlN films deposited on LiNbO3 substrate are sputtering pressure of 3.5 mTorr, nitrogen concentration (N2/N2+Ar) of 60%, RF power density of 8.1 W/cm2 and substrate temperature of 400℃. On the other hand, the optimal parameters for highly c-axis oriented AlN films deposited on quartz substrate are sputtering pressure of 15 mTorr, nitrogen concentration of 30%, RF power density of 8.1 W/cm2 and substrate temperature of 400℃.
In addition, the interdigital transducers (IDTs) are fabricated on LiNbO3, AlN/LiNbO3, SiO2/LiNbO3, quartz and AlN/quartz substrates, respectively. The characteristic parameters of SAW devices are measured by Hewlett-Packard (HP) 8720 network analyzer.
For SiO2/LiNbO3 SAW devices, the SiO2 thin films reveal the compensation of TCF, but the surface wave velocity remain almost unchanged. For AlN/quartz SAW devices, the positive temperature coefficient of AlN is clarfied by taking ST-quartz substrates as comparison. For AlN/LiNbO3 SAW devices, the characteristic improvements of frequency increase and TCF compensation of LiNbO3 SAW devices are achieved at the same time.

目錄
摘要 I
目錄 V
圖表目錄 VII
第一章 前言 1
第二章 理論分析 4
Part I：壓電模數 4
2.1 壓電模數(Piezoelectric moduli) 4
2.2 座標轉換(Transformation) 5
2.3 晶體對稱性 6
Part II：壓電效應與材料 8
2.4 晶體學 8
2.5 自發性極化 9
2.6 壓電效應 10
2.7 壓電方程式 11
2.8 Christoffel’s方程式的解－以LiNbO3為例 12
2.9 壓電材料 14
2.10 鈮酸鋰(LiNbO3)結構與特性 15
2.11 石英(quartz)結構與特性 16
2.12 氮化鋁(AlN)結構與特性 16
2.13 二氧化矽(SiO2)結構與特性 17
Part III：表面聲波元件原理 18
2.14 SAW元件的理論 18
2.15 SAW元件的參數性質 20
Part IV：反應性射頻磁控濺鍍法 26
第三章 實驗 29
3.1 LiNbO3和ST-quartz基板的清洗 29
3.2濺鍍系統與薄膜沈積 30
3.3 X光繞射(X-Ray Diffraction, XRD)分析 31
3.4掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy, SEM)分析 31
3.5原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM)分析 32
3.6分光式橢圓儀(Spectroscopic Ellipsometer)分析 32
3.7 SAW元件的製作 33
3.8光學顯微鏡分析 34
3.8元件測量 34
第四章 結果與討論 35
第一部份：在LiNbO3基板上沉積AlN薄膜之分析 35
4.1濺鍍功率之影響 35
4.2濺鍍壓力之影響 35
4.3氮氣濃度之影響 36
4.4基板溫度之影響 36
4.5沈積時間之影響 37
4.6壓電性分析 37
4.7原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM)分析 38
4.8掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy, SEM)分析 38
4.9指叉換能器(IDTs)製作 39
4.10 SAW元件之分析 39
第二部份：在ST-quartz基板上沉積AlN薄膜之分析 42
4.11 XRD分析 42
4.12 SEM分析 42
4.13原子力顯微鏡(AFM)分析 42
4.14壓電性分析 43
4.15 SAW元件之分析 43
第三部份：在LiNbO3基板上沉積SiO2薄膜之分析 45
4.16 射頻濺鍍SiO2薄膜之材料特性分析 45
4.17 SAW元件之分析 45
第五章 結論 47
5.1 AlN/LiNbO3層狀結構 47
5.2 AlN/quartz層狀結構 48
5.3 SiO2/LiNbO3層狀結構 48
5.4 AlN/LiNbO3、AlN/quartz與SiO2/LiNbO3比較 49
5.5其他層狀結構比較 49
第六章 未來展望 50
參考文獻 51

圖表目錄
圖1-1 SAW 元件的基本結構： (a)塊體元件，
(b)薄膜元件，(c)雙壓電元件 56
圖1-2 論文目標 57
圖1-3 論文架構 58
圖2-1 單位晶胞應力示意圖 59
圖2-2 新、舊座標關係說明圖 59
圖2-3 壓電效應示意圖，(a)正壓電效應，(b)逆壓電效應 60
圖2-4 複三方錐面示意圖 61
圖2-5 （a）當溫度低於居里溫度，LiNbO3晶體呈現鐵電性
（b）當溫度高於居里溫度，LiNbO3晶體呈現順電性 61
圖2-6 ST-quartz基板沿X-軸傳遞之表面波，其延遲溫度係數隨切面角度(rotated Z-axis)之變化關係 62
圖2-7 ST-quartz基板沿X-軸傳遞之表面波，其機電耦合係數隨切面角度(rotated Z-axis)之變化關係 62
圖2-8 AlN的晶體構造：（a）變形四面體結構，（b）單位晶胞圖，（c）纖鋅礦之立體結構示意圖，其中黑球代表鋁原子，白球代表氮原子 63
圖2-9 由縱波與剪波組合而成的SAW：（a）縱波傳播模式，（b）剪波傳播模式，（c）SAW傳播模式 64
圖2-10 雙向傳播式指叉狀電極的電路模型 65
圖2-11 IDTs的轉移函數區塊圖 65
圖2-12 雙向傳播式指叉狀電極的雙向傳播損失 66
圖2-13 設計SAW元件的窗口函數技術 66
圖2-14 雙向傳播式指叉狀電極的漣波傳播損失 67
圖2-15 壓電係數量測系統示意圖 67
圖2-16 直流輝光放電之（a）示意圖，及（b）電位分佈圖，虛線為陽極上放置絕緣體基板之電位降 68
圖2-17 平面型圓形磁控之結構圖 68
圖2-18 平面二極濺射電漿之示意圖 69
圖2-19 反應性濺射之模型 69
圖3-1 射頻磁控濺鍍系統構造圖 70
圖3-2 射頻磁控濺鍍系統操作之流程圖 71
圖3-3 橢圓儀量測系統之示意圖 72
圖3-4 IDT電極製作之流程圖 73
圖3-5 舉離法製程之示意圖 74
圖4-1 氮化鋁薄膜沉積在z-cut LiNbO3基板上，不同功率密度下，XRD之(002)繞射峰之半高寬值；沈積條件為氮氣濃度60﹪、腔室壓力3.5mTorr、基板溫度400℃。 75
圖4-2 氮化鋁薄膜沉積在z-cut LiNbO3基板上，不同腔室壓力之XRD繞射圖；沈積條件為濺鍍功率密度8.1 W/cm2、氮氣濃度60﹪、基板溫度400℃。 76
圖4-3 氮化鋁薄膜沉積在z-cut LiNbO3基板上，不同氮氣濃度之XRD繞射圖；沈積條件為濺鍍功率密度8.1 W/cm2、腔室壓力3.5mTorr、基板溫度400℃。 77
圖4-4 氮化鋁薄膜沉積在z-cut LiNbO3基板上，不同氮氣濃度下，XRD之(002)繞射峰之半高寬值；沈積條件為濺鍍功率密度8.1 W/cm2、腔室壓力3.5mTorr、基板溫度400℃。 78
圖4-5 氮化鋁薄膜沉積在z-cut LiNbO3基板上，不同氮氣濃度與薄膜濺鍍速率之關係圖；沈積條件為濺鍍功率密度8.1 W/cm2、腔室壓力3.5mTorr、基板溫度400℃。 78
圖4-6 氮化鋁薄膜沉積在z-cut LiNbO3基板上，不同基板溫度之XRD繞射圖；沈積條件為濺鍍功率密度8.1 W/cm2、氮氣濃度60﹪、腔室壓力3.5mTorr。 79
圖4-7 氮化鋁薄膜沉積在z-cut LiNbO3基板上，不同沈積時間之XRD繞射圖；沈積條件使用在LiNbO3基板上的最佳濺鍍參數。 80
圖4-8 氮化鋁薄膜沉積在z-cut LiNbO3基板上，不同沈積時間與氮化鋁薄膜XRD之(002)繞射峰半高寬值之關係；沈積條件使用在LiNbO3基板上的最佳濺鍍參數。 81
圖4-9 氮化鋁薄膜沉積在z-cut LiNbO3基板上，不同沈積時間與薄膜厚度關係；沈積條件使用在LiNbO3基板上的最佳濺鍍參數。 81
圖4-10 AlN/LiNbO3結構中，AlN(002)繞射峰之XRD強度與壓電係數的關係 82
圖4-11 AlN/LiNbO3結構中，AlN(002)繞射峰之XRD半高寬與壓電係數的關係 82
圖4-12 不同沈積時間下，氮化鋁薄膜沉積在z-cut LiNbO3基板上之AFM照片；沈積條件使用在LiNbO3基板上的最佳濺鍍參數。 83
圖4-13 氮化鋁薄膜沉積在z-cut LiNbO3基板上，不同沈積時間之SEM圖；沈積條件使用在LiNbO3基板上的最佳濺鍍參數。(Bar = 0.5 μm) 84
圖4-14 氮化鋁薄膜沉積在z-cut LiNbO3基板上之SEM圖；沈積條件使用在LiNbO3基板上的最佳濺鍍參數，沉積時間5小時。(Bar = 2 μm) 85
圖4-15 指叉狀電極外觀圖 85
圖4-16 z-cut LiNbO3基板上的頻率響應圖 86
圖4-17 氮化鋁薄膜沉積在z-cut LiNbO3基板上，不同膜厚波長比(h/λ)與SAW元件波速之關係；沈積條件使用在LiNbO3基板上的最佳濺鍍參數。 86
圖4-18 氮化鋁薄膜沉積在z-cut LiNbO3基板上，於不同環境溫度下所量測到的SAW元件中心頻率；沈積條件使用在LiNbO3基板上的最佳濺鍍參數。 87
圖4-19 氮化鋁薄膜沉積在z-cut LiNbO3基板上，不同膜厚波長比(h/λ)與SAW元件TCF之關係；沈積條件使用在LiNbO3基板上的最佳濺鍍參數。 87
圖4-20 AlN/LiNbO3結構中，SAW元件的機電耦合係數對h/λ變化關係圖 88
圖4-21 氮化鋁薄膜沉積在ST-cut quartz基板上，不同沈積時間之XRD繞射圖；沈積條件使用在quartz基板上的最佳濺鍍參數。 89
圖4-22 氮化鋁薄膜沉積在ST-cut quartz基板上之SEM圖；沈積條件使用在quartz基板上的最佳濺鍍參數，沉積時間5小時。(Bar = 2 μm) 90
圖4-23 氮化鋁薄膜沉積在ST-cut quartz基板上，不同沈積時間與薄膜厚度關係；沈積條件使用在quartz基板上的最佳濺鍍參數。 90
圖4-24 不同沈積時間下，氮化鋁薄膜沉積在ST-cut quartz基板上之AFM照片；沈積條件使用在quartz基板上的最佳濺鍍參數。 91
圖4-25 AlN/ST-quartz結構中，AlN(002)繞射峰之XRD強度與壓電係數的關係 92
圖4-26 AlN/ST-quartz結構中，AlN(002)繞射峰之XRD半高寬與壓電係數的關係 92
圖4-27 氮化鋁薄膜沉積在ST-cut quartz基板上，不同膜厚波長比(h/λ)與SAW元件波速之關係；沈積條件使用在quartz基板上的最佳濺鍍參數。 93
圖4-28 氮化鋁薄膜沉積在ST-cut quartz基板上，不同環境溫度下所量測到的SAW元件中心頻率；沈積條件使用在quartz基板上的最佳濺鍍參數。 93
圖4-29 氮化鋁薄膜沉積在ST-cut quartz基板上，不同膜厚波長比(h/λ)與SAW元件TCF之關係；沈積條件使用在quartz基板上的最佳濺鍍參數。 94
圖4-30 濺鍍二氧化矽薄膜與標準試片之折射率與波長關係圖 94
圖4-31 二氧化矽薄膜沉積在LiNbO3基板上之剖面SEM圖；沈積條件為濺鍍功率密度8.1 W/cm2、腔室壓力15mTorr、基板溫度200℃，沉積時間3小時。(Bar = 0.5 μm) 95
圖4-32 二氧化矽薄膜沉積在z-cut LiNbO3基板上，不同膜厚波長比(h/λ)與SAW元件波速之關係 95
圖4-33 二氧化矽薄膜沉積在z-cut LiNbO3基板上，於不同環境溫度下所量測到的SAW元件中心頻率 96
圖4-34 二氧化矽薄膜沉積在z-cut LiNbO3基板上，不同膜厚波長比(h/λ)與SAW元件TCF之關係 96

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