臺灣博碩士論文加值系統

本論文使用反應性射頻磁控濺鍍法，在Z軸切面LiNbO3基板上沉積氮化鋁(AlN)薄膜，藉由XRD、SEM與AFM分析探討AlN薄膜的材料特性，結果顯示，沉積高C軸排向AlN薄膜最適合之沉積條件為濺鍍壓力3.5 mTorr、氮氣濃度60%、濺鍍功率165W、基板溫度400℃；同時將表面聲波元件製作於所得雙壓電層結構（AlN/LiNbO3）上，探討其對表面聲波元件特性之影響。
在不同AlN薄膜厚度的雙壓電層結構上製作指叉換能器，以探討不同薄膜厚度對雙壓電層結構SAW元件的影響，從實驗的結果得知，隨著AlN薄膜厚度的增加，表面聲波濾波器的中心頻率亦隨之增加，顯示表面聲波的波速確有隨AlN薄膜厚度之增加而增加的趨勢。另一方面，由SAW元件的插入損失（Insertion loss）、機電耦合係數（K2）及溫度延遲係數（TCD），我們可對雙壓電層結構SAW元件做更詳盡之探討。

Aluminum nitride (AlN) thin films were deposited on Z-cut LiNbO3 substrates using the reactive RF magnetron sputtering in this thesis. By means of the analyses of XRD, SEM and AFM, the optimal deposition conditions of highly C-axis oriented AlN films were sputtering pressure of 3.5 mTorr, nitrogen concentration (N2/N2+Ar) of 60%, RF power of 165W and substrate temperature of 400℃. The piezoelectric bi-layers structure of SAW devices was then fabricated.
The interdigital transducers (IDTs) were fabricated on bi-layers structure. The AlN thin film thickness of piezoelectric bi-layers structure was varied in order to discuss its effects on SAW devices. From the experimental results, it reveals that the center frequency of SAW filters increases with the increased AlN thin films thickness. It means that the SAW velocity increases as the AlN thin films thickness increases. The effects of bi-layers structure on SAW devices can be discussed in detail by measuring the parameters of SAW devices like insertion loss (IL), electromechanical coupling coefficient (K2) and the temperature coefficient of delay (TCD).

摘要 I
目 錄 III
圖 表 目 錄 VI
第一章 前言 1
第二章 理論分析 4
2.1 LiNbO3結構與特性 4
2.2 AlN結構與特性 5
2.3 反應性射頻磁控濺鍍原理 5
2.3.1 輝光放電 6
2.3.2 磁控濺射 6
2.3.3 射頻濺射 7
2.3.4 反應性濺射 7
2.4 SAW元件的理論與特性 8
2.4.1 SAW元件的特點 8
2.4.2 SAW元件的基本設計 9
2.5 SAW元件的參數性質 9
2.5.1 VP測量 9
2.5.2 IL測量 10
2.5.3 K2測量 10
2.5.4 TCD測量 11
第三章 實驗 12
3.1 LiNbO3基板的清洗 12
3.2 濺鍍系統與薄膜沈積 13
3.3 X光繞射(X-Ray Diffraction, XRD)分析 14
3.4 掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy, SEM)分析 14
3.5 原子力測量顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM)分析 15
3.6 SAW元件的製作 15
3.7 光學顯微鏡分析 16
3.8 元件測量 16
第四章 結果與討論 17
4.1 XRD分析 17
4.2 SEM分析 17
4.3 原子力顯微鏡(AFM)分析 18
4.4 Interdigital Transducers (IDTs)製作 18
4.5 SAW元件之分析 19
4.5.1 Vp測量 19
4.5.2 K2測量 20
4.5.3 IL測量 20
4.5.4 TCD測量 20
第五章 結 論 22
參考文獻 23

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 29
圖1-2 雙壓電層結構之SAW元件 30
圖2-1 複三方錐面示意圖 31
圖2-2 （a）當溫度低於居里溫度時，LiNbO3晶體呈現鐵電性（b）當溫度高於居里溫度時，LiNbO3晶體呈現順電性 31
圖2-3 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 32
圖2-4 直流輝光放電結構與電位分佈圖 33
圖2-5 平面型圓形磁控之結構圖 34
圖2-6 平面磁控放電之剖面圖 34
圖2-7 反應性濺射之模型 35
圖2-8 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 36
圖2-9 設計SAW元件的窗口函數技術 37
圖3-1 射頻磁控濺鍍系統構造圖 38
圖3-2 射頻濺鍍系統操作之流程圖 39
圖3-3 IDT 電極製作之流程圖 40
圖3-4 舉離法製程之示意圖 41
圖4-1 不同沈積時間下，氮化鋁薄膜之XRD圖；固定條件為濺鍍功率165W、腔室壓力3.5 mTorr、氮氣濃度60﹪、基板溫度400℃ 42
圖4-2 不同沈積時間下，氮化鋁薄膜之半高寬值；固定條件為濺鍍功率165W、腔室壓力3.5 mTorr、氮氣濃度60﹪、基板溫度400℃ 43
圖4-3 不同沈積時間下氮化鋁薄膜之SEM照片；固定條件為濺鍍功率165W、腔室壓力為3.5 mTorr 、氮氣濃度60﹪、基板溫度400℃(圖中的Bar為0.5μm) 44
圖4-4 不同沈積時間下氮化鋁薄膜剖面之SEM照片；固定條件為濺鍍功率165W、腔室壓力3.5 mTorr 、氮氣濃度60﹪、基板溫度400℃(圖中的Bar為1μm) 45
圖4-5 經H3PO4 表面浸泡處理後之氮化鋁薄膜之SEM剖面照片；固定條件為濺鍍功率165W、腔室壓力3.5 mTorr 、氮氣濃度60﹪、基板溫度400℃。 (圖中的Bar為0.5μm) 46
圖4-6 濺鍍時間對薄膜厚度之關係 47
圖4-7 不同沈積時間下氮化鋁薄膜之AFM 2D與3D照片；沈積條件為濺鍍功率165W、氮氣濃度60﹪、腔室壓力3.5 mTorr、基板溫度400℃ 48
圖4-8 IDTs電極照片，波長為40μm單指叉(圖中的Bar為100μm) 49
圖4-9 h/λ=0時，SAW元件之(a)頻率響應(b)相位關係圖 50
圖4-10 h/λ=0.033333時，SAW元件之(a)頻率響應(b)相位關係圖 51
圖4-11 h/λ=0.058333時，SAW元件之(a)頻率響應(b)相位關係圖 52
圖4-12 h/λ=0.08667時，SAW元件之(a)頻率響應(b)相位關係圖 53
圖4-13 h/λ= 0.10667時，SAW元件之(a)頻率響應(b)相位關係圖 54
圖4-14 h/λ= 0.12667時，SAW元件之(a)頻率響應(b)相位關係圖 55
圖4-15 h/λ對SAW元件波速之關係 56
圖4-16 h/λ對K2之關係 57
圖4-17 h/λ對插入損之關係 58
圖4-18 溫度變化對SAW元件中心頻率圖 59
圖4-19 在不同h/λ下，溫度對中心頻率變化分率((f-f0)/f0)的關係 60
圖4-20 TCD對h/λ之關係 61
表一 LiNbO3晶體的基本特性 62
表二 LiNbO3晶體在工業上的應用 63
表三 可用做表面聲波元件的材料 63
表四 AlN材料的基本特性 64
表五 反應性射頻磁控濺鍍系統沈積氮化鋁薄膜之系統參數 65
表六 JCPDS DATAS OF AlN POWDER 66
表七 IDTs電極設計之參數 67

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