張培仁臺灣大學：應用力學研究所呂奕璋Lu, Yi-ChangYi-ChangLu2007-11-292018-06-292007-11-292018-06-292007http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/62454隨著通訊系統以及無線感測網路系統的快速發展，體積小、成本低、更具效率的元件急需開發，為達到這個目的，系統單晶片以整合積體電路為目標。然而電路中，被動元件往往會因為矽基材，而損失大部分的能量，譬如說電感的Q值不易提高，而且所佔用的面積也很大。因此，開發適用於RF頻段的薄膜體聲波共振器(FBAR)，不但Q值高、面積小，同時也可以和積體電路製程整合。以薄膜體聲波濾波器過濾訊號，比以往表面聲波元件和陶瓷元件更小、更具效率。 此論文以薄膜體聲波濾波器(FBAR Filter)與CMOS積體電路整合電路為目的，利用氮化鋁壓電薄膜製作薄膜體聲波濾波器。壓電薄膜的成長在FBAR扮演極為重要的角色，使用濺鍍法(Sputtering)作為我們氮化鋁壓電薄膜成長的方法，其優點為低溫製程，在IC的製程當中溫度不能太高，以避免傷害到電路，而濺度法可以將溫度控制在300°C以下，是最好的選擇。為了濺鍍出具有良好的C軸擇優取向(C-axis Preferred Orientation)，須找出良好的製程參數，其製程的參數是決定薄膜的晶格方向重要因素，製程參數有晶片溫度、靶材到晶片的距離、氮氣與氬氣的比例、氣體流量、power、製程壓力、預鍍時間和濺鍍時間。不同的參數會造成不同的薄膜特性，如何控制準確的機台參數，為此研究的關鍵技術。 將濾波器與其他積體電路整合，是完成單晶片系統整合之前的必經之路。所以未來發展趨勢，必先奠基於面積小、低損耗、高Q值、可承受高功率的濾波器，接著則是把品質優良的濾波器與其他微波元件整合，以達成系統單晶片的最終目的。本研究即是將分析、設計優良的FBAR濾波器視為基礎工作，與其他通訊元件整合才是最終目標。Due to the great demands posed by mobile communication systems and sensor network systems, smaller, cheaper, and more efficient devices are required. However, passive elements, such as inductors, usually suffer from great loss in silicon substrate. A thin film bulk acoustic wave resonator (FBAR) is a solution for this problem because of its high-Q, smaller volume, and integration compatibility. Meanwhile, it has been demonstrated that at higher frequencies a filter composed of FBARs is superior to a surface acoustic wave (SAW) filter and ceramic filter. The foci of this thesis are Film Bulk Acoustic Wave Filters (FBAW Filter) and CMOS integrated circuits. I will demonstrate that using AlN piezoelectric film produces Film Bulk Acoustic Wave Filters. Growing piezoelectric thin film plays a very important role in FBAR. We use sputtering method to grow AlN thin film. The advantage of a low temperature process, in which IC manufacturing is not performed at high temperature, is that it avoids harming the circuit. A sputtering temperature that can be controlled at 300 ° C below, is the best option. To sputtering with good C-axis Preferred Orientation, we must identify good manufacturing parameters. The parameters are very important factors in determining the direction of the lattice films. The parameters include chip temperature, chip to target distance, nitrogen and argon ratio of the gas flow, power, pressure, pre-sputtering and sputtering time. The means of accurately controlling the parameters are the key technologies in this study. Integrated filter and other circuit is complete single-chip system integration before the pass. Therefore, future development must first stem from the small size, low-loss, high Q-value, and affordable high-power filter. Subsequently, there can be further integration of the optimal quality of the filter with other microwave components, to achieve the final goal of a system on a chip (SOC).誌謝 中文摘要 Abstract 目錄 i 圖目錄 iv 表目錄 viii 第1章 導論 1 1.1 研究動機 1 1.1.1 薄膜體聲波濾波器之優點 1 1.1.2 研究內容對於系統單晶片化發展之貢獻 2 1.2 文獻回顧與探討 4 1.3 論文架構 6 第2章 薄膜體聲波濾波器之原理與設計 8 2.1 壓電原理與本構方程式 9 2.2 聲波波動方程式 11 2.2.1 非壓電材料之一維波動方程 11 2.2.2 壓電材料之一維波動方程 12 2.3 Mason等效電路 14 2.3.1 非壓電平板的Mason等效電路 14 2.3.2 壓電平板的Mason等效電路 17 2.4 使用Mason等效電路分析體聲波壓電薄膜共振器之特性 20 2.5 薄膜體聲波濾波器之理論與模擬分析 23 2.5.1 階梯式濾波器之設計方法 23 2.5.2 以階梯式濾波器設計方法應用於薄膜體聲波濾波器之設計 24 第3章 壓電薄膜製備與量測原理 27 3.1 濺鍍原理 27 3.1.1 電漿粒子在表面的反應作用 27 3.1.2 濺射產能 29 3.1.3 二次電子 31 3.2 濺鍍系統 31 3.2.1 直流式電漿濺鍍系統 32 3.2.2 交流式電漿濺鍍系統 34 3.2.3 磁控式電漿濺鍍系統 36 3.2.4 反應式濺鍍系統 37 3.3 C軸取向氮化鋁壓電薄膜成長條件分析 40 3.3.1 靶材到晶片的距離 42 3.3.2 氮氣與氬氣氣體流量之比例 42 3.3.3 基材溫度 42 3.3.4 RF濺鍍功率 43 3.3.5 背景壓力 43 3.3.6 製程壓力 44 3.3.7 預鍍時間和濺鍍時間 44 3.4 量測儀器與原理簡介 46 3.4.1 X光粉末繞射儀 46 3.4.2 掃描式電子顯微鏡 50 3.4.3 能量散佈分析儀 51 3.4.4 歐傑電子影像能譜儀 51 第4章 實驗步驟與元件製作 52 4.1 AlN壓電薄膜製備 52 4.1.1 實驗機台 53 4.1.2 晶片清洗 55 4.1.3 濺鍍參數設定與萃取 56 4.1.4 X光粉末繞射分析薄膜 56 4.1.5 掃描式電子顯微鏡分析薄膜 57 4.1.6 歐傑電子影像能譜儀 57 4.2 FBAR製程步驟 58 4.2.1 光罩設計 61 4.2.2 晶片清潔 62 4.2.3 定義犧牲層 62 4.2.4 定義下電極與加厚下電極導線 66 4.2.5 Buffer Layer沉積 71 4.2.6 沉積壓電層 72 4.2.7 定義上電極與加厚上電極導線 75 4.2.8 定義調頻層 80 4.2.9 定義蝕刻孔 83 4.2.10淘空犧牲層 86 第5章 實驗結果與訊號量測分析 90 5.1 製程結果探討 90 5.1.1 氮化鋁參數萃取部份 90 5.1.2 薄膜體聲波濾波器部份 99 5.2 量測結果與分析 104 5.2.1 元件壓電薄膜品質量測 104 5.2.2 元件訊號量測與分析 106 第6章 結論與未來展望 113 6.1 氮化鋁壓電薄膜沉積測試 113 6.2 薄膜體聲波濾波器製作 113 6.3 未來工作 113 參考文獻 1143691842 bytesapplication/pdfen-US薄膜體聲波共振器薄膜體聲波濾波器氮化鋁壓電薄膜系統單晶片FBARFBAR filterAlNSOCthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/62454/1/ntu-96-R94543003-1.pdf