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博碩士論文 etd-1225108-173842 詳細資訊
Title page for etd-1225108-173842
論文名稱
Title
氧化鋅薄膜應用於薄膜體聲波共振器之研究
The study of film bulk acoustic resonator using ZnO thin film
系所名稱
Department
畢業學年期
Year, semester
語文別
Language
學位類別
Degree
頁數
Number of pages
100
研究生
Author
指導教授
Advisor
召集委員
Convenor
口試委員
Advisory Committee
口試日期
Date of Exam
2008-11-28
繳交日期
Date of Submission
2008-12-25
關鍵字
Keywords
壓電、共振器、濾波器、氧化鋅、體聲波
ZnO, bulk acoustic wave, piezoelectric, filter, resonator
統計
Statistics
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中文摘要
本研究係研製一薄膜體聲波共振器元件,並以其為基礎,建構出T型階梯式薄膜體聲波濾波器。其中,使用雙靶直流濺鍍系統沉積鈦晶種層與白金薄膜作為下電極,經由掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡與四點探針的量測得知,於厚度12 nm的鈦晶種層上沉積75 nm白金薄膜,可得到極低的表面粗糙度(0.69 nm)及片電阻(2.27 Ω/□);氧化鋅壓電薄膜之沉積則採用射頻磁控濺鍍系統,並以兩階段濺鍍技術成長氧化鋅薄膜,經由掃描式電子顯微鏡、原子力顯微鏡及X光繞射儀的分析得知,薄膜表面相當平整、晶粒緻密且具有高c軸優選的晶相;元件的背部空腔則使用濕式蝕刻製程,本研究採用濃度30 wt% 的KOH溶液,蝕刻環境溫度在100 ℃可得到穩定的的蝕刻;最後以不同的上電極材料製作完成薄膜體聲波共振器元件,其中以白金為上電極之薄膜體聲波共振器元件具有較大的機電耦合係數,適合應用於寬頻濾波器之製作。
在壓電薄膜品質改善的部份,本研究採用傳統熱退火製程進行處理,從X光繞射儀的分析得知,氧化鋅薄膜應力變化範圍可從 ﹣1.656Gpa至0.611 Gpa,其中又以400℃退火的氧化鋅薄膜應力最接近零。經400℃退火的氧化鋅薄膜之表面晶粒略有成長,同時維持平整的表面粗糙度,以此薄膜所製作共振器之品質因子優於原先未退火之共振器。
本研究分別採用各層的最佳化參數來製作上、下電極及壓電層,並進行T型階梯式薄膜體聲波濾波器之製作,將共振器組合成帶通濾波器,並以HP8720網路分析儀搭配CASCADE高頻探針座進行頻率響應的量測。最後,本研究所得中心頻率在2,379MHz之T型階梯式薄膜體聲波濾波器,具有優異之頻率響應特性如下:3-dB頻寬為79MHz,插入損失為﹣3.5 dB以及旁帶抑制為8.4dB。
Abstract
In this study, T-ladder type thin film bulk acoustic wave filters had been fabricated based on thin film bulk acoustic wave resonators. The titanium (Ti) seeding layer and platinum (Pt) for bottom electrode were deposited on silicon substrates by a dual-gun DC sputtering system. Field-emission scanning electron microscopy, atomic force microscopy and the four-point probe method showed that the Pt bottom electrode deposited on the Ti seeding layer exhibited favorable characteristics, such as a surface roughness of 0.69 nm and a sheet resistance of 2.27 Ω/□. The ZnO piezoelectric film was deposited using the two-step deposition method by RF magnetron sputtering. Field-emission scanning electron microscopy, atom force microscopy and X-ray diffraction revealed that ZnO piezoelectric film exhibited excellent characteristics, such as a the high preferred c-axis orientation and a rigidly precise surface structure with surface roughness of 7.37 nm. The wet etching process is adopted to fabricate cavity of device. The concentration of 30 wt% KOH and etching temperature of 100 ℃ had been indicated appropriate for etching processes. Finally, the top electrodes of the devices are varied to approach the performances of device applications. The results showed the highest coupling coefficient (kt2) of FBAR device can be obtained using platinum top electrode. The high coupling coefficient of FBAR device is appropriate for wide passband filter.
The annealing processes had been used in order to improve the characteristics of piezoelectric films. The stress of ZnO film has been improved from -1.656 Gpa to 0.611 Gpa through the annealing process. At the annealing temperature of 400℃, the ZnO piezoelectric film exhibited excellent characteristics, such as a large grain size with smooth surface. The quality factor of FBAR device using ZnO film with 400℃ annealing was better than that without annealing.
The optimal conditions of fabrication processes are adopted to fabricate top electrode, bottom electrode and piezoelectric film. The T-ladder type FBAR band pass filter was constructed by FBAR resonators. The frequency response is measured using an HP8720 network analyzer and a CASCADE probe station. The 3-dB bandwidth, insertion loss and band rejection of the T-ladder type thin film bulk acoustic wave filter are 79MHz, -3.5 dB and 8.4dB at 2,379MHz, respectively.
目次 Table of Contents
目錄
誌謝 Ⅰ
中文摘要 Ⅱ
英文摘要 Ⅳ
目錄 Ⅵ
圖目錄 Ⅸ
表目錄 ⅩⅡ
第一章 背景與目的 1
§1-1射頻濾波器 1
§1-2文獻回顧 2
1-2-1 不同型態之FBAR元件 2
1-2-2不同型態之FBAR濾波器 3
1-2-3氧化鋅壓電材料 3
1-2-4電極材料 5
§1-3目的 5
第二章 理論分析 7
§2-1壓電波動理論 7
2-1-1壓電方程式 7
2-1-2壓電薄膜一維波動方程式 8
§2-2 Mason等效電路模型 11
2-2-1一維彈性平板 11
2-2-2ㄧ維壓電平板 12
2-2-3 FBAR元件之Mason等效電路 12
§2-3計算 kt2 和 Q 14
2-3-1機電耦合係數kt2 14
2-3-2品質因子Q 15
§2-4 T型階梯式濾波器 15
§2-5反應性射頻磁控濺鍍原理 16
§2-6薄膜沉積原理 17
2-6-1沉積現象 17
2-6-2薄膜表面及截面結構 17
§2-7薄膜應力分析 18
第三章 實驗 19
§3-1薄膜製程 19
3-1-1 電極薄膜製作 19
3-1-2 氧化鋅壓電薄膜製作 19
§3-2蝕刻製程 20
3-2-1 SiNx圖案化 20
3-2-2 Si基板蝕刻製程 20
§3-3元件製作步驟 20
3-3-1 FBAR製作步驟 20
3-3-2 FBAR濾波器製作步驟 21
§3-4薄膜特性分析 21
3-4-1 x-ray繞射分析 21
3-4-2掃描電子顯微鏡分析 22
3-4-3原子力顯微鏡分析 22
3-4-4片電阻量測 22
§3-5元件頻率響應量測 23
第四章 結果與討論 24
§4-1白金底電極 24
§4-2 氧化鋅壓電層 25
4-2-1 氧氣濃度之影響 26
4-2-2 兩階段室溫沉積氧化鋅薄膜 26
4-2-3 CTA退火處理氧化鋅壓電薄膜 27
§4-3蝕刻製程 28
4-3-1 SiNx蝕刻製程 28
4-3-2 Si 蝕刻製程 28
§4-4 FBAR元件頻率響應結果 29
4-4-1 不同上電極之FBAR元件 30
4-4-2 CTA退火之FBAR元件 30
§4-5 FBAR濾波器頻率響應結果 31
§4-6雷射修補應用於FBAR濾波器 32
第五章 結論 33
§5-1白金電極與氧化鋅壓電薄膜 33
§5-2體加工製程 34
§5-3 FBAR元件與濾波器 34
第六章 未來展望 35
參考文獻 36

圖目錄
圖1-1 FBAR元件簡易結構圖 41
圖1-2 FBAR並聯諧振與串聯諧振示意圖 41
圖1-3三種不同型態之FBAR元件,(a)背蝕型,(b)面蝕型,(c)堆疊型 42
圖1-4耦合式FBAR濾波器 43
圖1-5階梯式濾波器結構圖 43
圖1-6氧化鋅的結晶構造 44
圖1-7研究架構 44
圖2-1正壓電效應與逆壓電效應示意圖 45
圖2-2ㄧ維彈性體之示意圖 45
圖2-3ㄧ維彈性平板 46
圖2-4ㄧ維彈性平板之Mason等效電路 46
圖2-5 ㄧ維壓電平板 47
圖2-6一維壓電平板之Mason等效電路 47
圖2-7 FBAR元件之(a)結構簡圖與(b)Mason等效電路模型 48
圖2-8不同上電極材料之FBAR元件頻率響應模擬圖 49
圖2-9 T型階梯式濾波器電路結構圖 49
圖2-10階梯式濾波器阻抗與濾波器特性示意圖,(a)Zp頻率響應,(b)Zs頻率響應,(c)濾波器頻率響應 50
圖2-11白金厚度與FBAR元件共振頻率之關係圖 51
圖2-12反應性濺射之模型 51
圖2-13薄膜沈積步驟,(a)成核,(b)晶粒成長,(c)晶粒聚結,(d)縫道填補,(e)薄膜的沈積 52
圖2-14濺鍍參數對沈積薄膜之影響 52
圖3-1濺鍍系統圖 53
圖3-2 舉離製程示意圖 54
圖3-3反應性離子蝕刻系統 54
圖3-4 Si基板蝕刻夾具圖 55
圖3-5 溼式蝕刻系統示意圖 55
圖3-6 FBAR元件製程示意圖 56
圖3-7 FBAR元件結構側視圖 56
圖3-8 FBAR濾波器製程示意圖 57
圖3-9 FBAR濾波器結構側視圖 57
圖3-10 JCPDS卡之氧化鋅粉末x-ray繞射圖 58
圖3-11四點探針量測示意圖 58
圖3-12網路分析儀傳輸誤差模型 59
圖4-1白金薄膜之原子力顯微鏡3-D表面形貌圖,(a)未使用鈦晶種層,(b)12 nm之鈦晶種層及(c)50 nm之鈦晶種層 60
圖4-2白金薄膜表面粗操鍍與不同厚度鈦晶種層之關係圖 60
圖4-3白金薄膜之掃描電子顯微鏡圖,(a)未使用鈦晶種層,(b)12 nm之鈦晶種層及(c)50 nm之鈦晶種層 61
圖4-4 白金薄膜之片電阻與鈦晶種層厚度之關係圖 61
圖4-5 不同氧氣濃度沉積氧化鋅薄膜之剖面與表面形貌圖,(a)50%,(b)65%,(c)75% 62
圖4-6 不同氧氣濃度沉積氧化鋅薄膜之x-ray繞射圖 62
圖4-7不同氧氣濃度沉積氧化鋅薄膜之表面粗糙度與C軸繞射峰半高寬值 63
圖4-8 兩階段沉積氧化鋅薄膜之SEM剖面結構與表面形貌圖 63
圖4-9 兩階段沉積氧化鋅薄膜之x-ray繞射圖 64
圖4-10 兩階段沉積氧化鋅薄膜之AFM圖 64
圖4-11 不同退火溫度之氧化鋅薄膜SEM表面形貌圖,(a)室溫成長,(b)200℃,(c)400℃,(d)600℃ 65
圖4-12 不同退火溫度之氧化鋅薄膜剖面SEM圖,(a)室溫成長,(b)200℃,(c)400℃,(d)600℃ 66
圖4-13不同退火溫度之氧化鋅薄膜SEM圖,(a)室溫成長,(b)200℃,(c)400℃,(d)600℃ 67
圖4-14不同退火溫度之氧化鋅薄膜x-ray繞射圖 67
圖4-15 RIE蝕刻SiNx薄膜之蝕刻率 68
圖4-16 PECVD成長400 nm之SiNx蝕刻遮罩於KOH溶液蝕刻結果 68
圖4-17 LPCVD成長SiNx蝕刻遮罩於KOH溶液蝕刻結果,(a)400 nm,(b)150 nm 68
圖4-18不同KOH濃度蝕刻Si之蝕刻速率 69
圖4-19不同KOH溶液蝕刻溫度蝕刻Si之蝕刻速率 69
圖4-20 FBAR元件上視圖與剖面圖 70
圖4-21 不同上電極材料之FBAR元件頻率響應圖 70
圖4-22 不同退火溫度之FBAR元件頻率響應圖 71
圖4-23 退火溫度與氧化鋅薄膜及FBAR元件品質因子之關係 71
圖4-24 FBAR濾波器元件上視圖 72
圖4-25 白金上電極厚度與共振頻率之關係 72
圖4-26 上電極負載效應調整失敗之FBAR濾波器頻率響應圖 73
圖4-27 室溫兩階段成長氧化鋅壓電薄膜製做FBAR濾波器之頻率響應圖 73
圖4-28 經由CTA退火製程改善FBAR濾波器之頻率響應圖 74
圖4-29 FBAR濾波器晶片圖 74
圖4-30晶片邊緣之FBAR濾波器頻率響應圖 75
圖4-31紫外光雷射系統圖 75
圖4-32經由紫外光雷射處理之氧化鋅薄膜SEM表面形貌圖 76
圖4-33經由雷射處理之FBAR濾波器頻率響應圖 76

表目錄
表1-1壓電材料各項物理特性表 77
表1-2金屬材料特性表 77
表1-3射頻濾波器規格表 77
表2-1壓電方程式之各項係數定義 78
表2-2 Mason等效電路模型之參數表 79
表3-1 金屬薄膜濺鍍參數表 79
表3-2氧化鋅薄膜濺鍍參數表 80
表3-3 SiNx蝕刻參數表 81
表3-4 氧化鋅之JCPDS資料表 81
表4-1 白金薄膜之表面粗糙度與片電阻 82
表4-2 不同退火溫度之氧化鋅薄膜物理特性圖 82
表4-3 氧化鋅與白金下電極濺鍍參數表 82
表4-4 不同上電極材料之FBAR元件特性比較表 82
表4-5 室溫成長與CTA退火之FBAR濾波器頻率響應特性比較表 83
表4-6 UV雷射參數表 83
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