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研究生:湯禮儀
研究生(外文):LE-YE TANG
論文名稱:微波諧振器之聲波布拉格鏡效能提升研究
指導教授:桂平宇羅本喆
學位類別:碩士
校院名稱:國防大學中正理工學院
系所名稱:電子工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2006
畢業學年度:94
語文別:中文
論文頁數:61
中文關鍵詞:布拉格鏡氧化鋅體聲波諧振器二氧化矽布拉格鏡
外文關鍵詞:FBARTaNBragg Mirror
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摘要

薄膜體聲波諧振器(FBAR, Film Bulk Acoustic Resonator)元件中的布拉格鏡結構是由聲速波長四分之一厚的高、低聲阻抗薄膜材料交替堆疊而成。本論文研究目的首在探討以氮化鉭材料的高電阻特性取代傳統金屬材料,以求降低元件的寄生電容問題。然後以氮氣分壓百分比15%的製程條件製作FABR的高聲阻抗層、以二氧化矽作為低聲阻抗層、以氧化鋅作為壓電層,並以鉻/金作為上電極,以及以鋁作為下電極,整合製作出FBAR元件及量測分析其特性。
經過多次改進製作操作頻率為10GHz之FBAR元件,本研究最後除證明氮化鉭材料確實可以有效摒除布拉格鏡的寄生電容效應問題外,且以網路分析儀測得元件之諧振頻率為11.8GHz、並聯諧振Q值為9.3,因此本研究的結果確實提升了微波諧振器之效能。
ABSTRACT

The structure of a Bragg Mirror in an FBAR is composed of thin films with alternate high and low acoustic impedance, and the thicknesses of the films are quarter of an acoustic wavelength. To reduce the parasitic capacitance in the devices, this work first chose and studied TaN, a high resistance material, as a substitute for the traditional metal material. Then fabricated FBAR using TaN(15% nitrogen pressure ratio) as the high impedance material, silica as the low acoustic impedance layer, zinc oxide as the piezoelectric layer, and Au/Cr and Al respectively as the top and bottom electrodes . Property extractions on the FBAR devices were next performed.
After improving the 10 GHz FBAR devices for many times, it is concluded that TaN is a suitable substitute for the metals to eliminate the parasitic capacitance, and the resonance frequency of the best device is 11.8 GHz with 9.3 of parallel resonance quality factor (Q).
目錄

誌謝 ii
摘要 iii
ABSTRACT iv
目錄 v
表目錄 viii
圖目錄 ix
1. 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機 2
1.3 薄膜體聲波諧振器(FBAR)之發展史 3
1.4 研究重點及論文架構 7
2. 研究相關理論 8
2.1 布拉格鏡(Bragg Mirror)原理 8
2.1.1 聲阻抗(Impedance)定義 9
2.2 濺鍍技術原理 10
2.2.1 直流濺鍍(DC Sputtering) 10
2.2.2 射頻濺鍍(RF Sputtering) 11
2.2.3 磁控濺鍍(Magnetron Sputtering) 11
2.2.4 反應式濺鍍(Reactive Sputtering) 12
2.3 四點探針(Four-Point Probe) 13
2.4 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope)原理 14
2.5 X光粉末繞射儀(X-Ray Powder Diffractometer)原理 16
2.5.1 X光產生機制 16
2.5.2 X光繞射原理 16
2.6 X光光電子能譜儀(X-Ray Photoelectron Spectrometer)原理 18
2.7 掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope)原理 19
3. 研究方法與步驟 21
3.1 鉬與氮化鉭薄膜試片製備及特性量測 21
3.2 薄膜電阻率、密度、微結構試片製作 22
3.3 歐姆接面(Ohmic Contact)之I-V特性試片製作及量測 24
3.3.1 歐姆接面之I-V試片製作 26
3.3.2 蝕刻背面氧化層 27
3.3.3 I-V量測試片測試鍵之Mask製作 27
3.3.4 製作測試鍵 28
3.3.5 I-V量測試片回火 29
3.3.6 歐姆接面(Ohmic Contact)之I-V特性試片量測 30
3.4 單層電容量測試片製作方法 30
3.4.1 二氧化矽保護層 30
3.4.2 蝕刻氧化層 31
3.4.3 閘極面積圖案(Pattern)製作 31
3.5 單層電容試片及量測 32
3.5.1 C-V量測之目的 32
3.5.2單層電容試片量測方法 33
3.6 微波諧振器元件製作及量測分析 34
3.6.1 布拉格鏡製作 34
3.6.2 計算薄膜厚度 35
3.6.3 布拉格鏡製作參數 37
3.6.4 換能器製作 37
3.6.5 微波特性量測 38
3.6.6 元件特性分析 38
4. 結果與討論 40
4.1 電阻率、密度及微結構分析 40
4.1.1 電阻率 41
4.1.2 密度 42
4.1.3 微結構 43
4.2 I-V試片量測結果 45
4.3 電容試片量測結果 46
4.4 FABR元件製作 47
4.4.1 薄膜均勻度 47
4.4.2 高低聲阻抗層厚度分佈 48
4.4.3 二氧化矽層與氮化鉭層厚度分佈 48
4.5 FABR元件量測結果 50
4.5.1 史密斯圖 50
4.5.2 迴返損耗 53
4.5.3 元件Q值計算 54
5. 結論 56
附錄壹 57
參考文獻 59
自傳 61

表目錄

表3.1 材料聲速 36
表3.2 電極材料參數 38
表4.1 高、低聲阻抗材料的相關參數 40
表4.2 FBAR元件量測結果 55

圖目錄

圖1.1 手機電路板圖(Reference: Agilent Technologies Company) 3
圖1.2 Membrane結構示意圖 (a)背向蝕刻技術 (b)表面微加工技術 5
圖1.3 SMR結構示意圖 6
圖2.1 布拉格鏡結構示意圖 8
圖2.2 直流濺鍍示意圖[11] 10
圖2.3 磁控濺鍍示意圖[13] 12
圖2.4 反應式濺鍍機示意圖[14] 13
圖2.5 四點探針量測示意圖 14
圖2.6 原子力顯微鏡作動示意圖[18] 15
圖2.7 原子力顯微鏡操作模式[19] 15
圖2.8 電磁波之光譜圖[20] 17
圖2.9 X光管結構示意圖[21] 18
圖2.10 X光光子電子能譜儀示意圖[22] 19
圖2.11 掃描式電子顯微鏡結構示意圖[23] 20
圖3.1 研究規劃流程圖 22
圖3.2 (a)金屬對照組(b)氮化鉭實驗組結構示意圖 23
圖3.3 試片製程流程圖 25
圖3.4 薄膜密度試片示意圖 26
圖3.5 I-V量測之測試鍵光罩示意圖 28
圖3.6 I-V試片結構剖面示意圖 29
圖3.7 單層電容試片結構剖面示意圖 32

圖3.8 薄膜製作示意圖 35
圖3.9 膜厚均勻度量測位置示意圖 36
圖4.1 氮化鉭不同氮氣分壓之電阻率 41
圖4.2 氮化鉭不同氮氣分壓薄膜密度 42
圖4.3 氮化鉭不同氮氣分壓SEM圖 43
圖4.4 氮化鉭不同氮氣分壓AFM圖 44
圖4.5 不同氮氣分壓比粗糙度分佈圖 45
圖4.6 不同回火溫度試片的I-V特性曲線 46
圖4.7 氮化鉭不同氮氣分壓C-V曲線 47
圖4.8 諧振頻率10 GHz之布拉格鏡SEM圖 48
圖4.9 高低聲阻抗層粗造糙度 49
圖4.10 諧振頻率10 GHz之布拉格鏡SEM圖 49
圖4.11(a) 第一批FBAR元件史密斯圖 51
圖4.11(b) 第二批FBAR元件史密斯圖 51
圖4.11(c) 第二批FBAR元件第一次退火史密斯圖 52
圖4.11(d) 第二批FBAR元件第二次退火史密斯圖 52
圖4.12(a) 第一批FBAR元件迴返損耗圖 53
圖4.12(b) 第二批FBAR元件迴返損耗圖 54
圖4.13 Q值計算示意圖 55
圖壹 Hot Point Probe Measurement量測示意圖 57
圖貳 Hot Point Probe Measurement p-type量測示意圖 58
圖叁 Hot Point Probe Measurement n-type量測示意圖 58
參考文獻

[1]http://www.coolsmartphone.com/publicity/imagepages/5.html。
[2]http://www.imec.be/wwwinter/student/en/thesis/2003/topic_11.shtml。
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[8]Lakin, K. M., Kline, G. R., and McCarron, K. T., “Development of Miniature Filters for Wireless Applications,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Technique, Vol. 43, No. 12, pp. 2933-2939, 1995.
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[15] 汪建民,材料分析,中國材料科學學會,新竹市,第11-23頁,1998。
[16] 汪建民,材料分析,中國材料科學學會,新竹市,第353-382頁,1998。
[17] 汪建民,材料分析,中國材料科學學會,新竹市,第121-149頁,1998。
[18] http://bmew.bme.ohio-state.edu/bmeweb3/afm/。
[19] http://mechmat.caltech.edu/~kaushik/park/1-2-3.htm。
[20] http://lasp.colorado.edu/cassini/questions/Electromagnetic%20Spectrum.htm。
[21] http://www.siint.com/en/technology/xrf_descriptions1_e.html。
[22] http://materialscience.uoregon.edu/camcor/fac_SLG_xpsint.htm。
[23] http://www.gmu.edu/departments/SRIF/tutorial/sem/sem.htm。
[24] 李大青,“鑲嵌式薄膜諧振器性能提升之研究”,博士論文,國防大學中正理工學院國防科學應用物理研究所,桃園,第37-61頁,2006。
[25] 游兆偉,“鑲嵌式薄膜諧振器性能提升之研究”,碩士論文,國防大學中正理工學院兵器系統工程研究所,桃園,第21-37頁,2006。
[26] Tsukimoto, S., Moriyama, M., and Murakami M., “Microstructure of
Amorphous Tantalum Nitride Thin Films,” Thin Solid Films, Vol. 460, pp. 222-226, 2004.
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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