臺灣博碩士論文加值系統

本論文主要是利用射頻磁控濺鍍(rf magnetron sputtering)法成長類鑽碳(DLC)膜在Si 基板，接著二階段式成長ZnO薄膜於DLC/Si上，期望能獲得高C軸(002)優選方向的ZnO薄膜。利用類鑽碳膜成長在Si基板上，來取代鑽石薄膜與各種壓電基板，並有助於表面聲波特性的提昇，進而達到降低成本、元件薄膜化，並且可以結合目前成熟的矽半導體製程技術，以達到未來量產化的可能性。
我們是利用射頻磁控濺鍍系統成長類鑽碳膜在矽基板上，研究類鑽碳膜，在固定靶材與基板之間距下，改變沈積時的射頻功率密度、製程溫度、氣體流量比(CH4/Ar+CH4)以及製程壓力；接著優化ZnO薄膜的沈積條件，採用兩階段沈積，同樣固定靶材與基板之間距下，改變沈積時的射頻功率密度、製程溫度與氣體流量比(Ar/O2)，透過Raman、XRD、AFM、SEM等儀器分析沈積薄膜之結構與表面型態，並利用網路分析儀量測其表面聲波元件特性。
實驗結果顯示在具有DLC緩衝層之矽基板上可以利用射頻磁控濺鍍法沈積出具有C軸(002)優選方向之ZnO薄膜並量出其頻率響應特性，比較不同厚度之ZnO薄膜與DLC緩衝層應用於表面聲波元件之特性差異，發現降低ZnO薄膜厚度與增加DLC高聲速緩衝層厚度可以有效地提升表面聲波濾波器之中心頻率與波速。

This thesis discusses the fabrication of DLC buffer layer on Si substrate by radio frequency magnetron sputtering. After depositing, we propose a two-steps process to deposit ZnO thin films on DLC/Si, in order to get better (002) orientation and good adherence. We use the DLC buffer layer to take place diamond and other piezoelectric substrates. Meanwhile, the DLC buffer layer can increase the characteristics of the SAW devices, lower cost, thinner and snaller devices, and make it possible of mass production combining with matured Si-based semiconductor fabricating process.
Under fixed distance between target and substrate, we try different parameters, such like rf power density, working temperature, gas flow ratio (CH4/Ar+CH4), and working pressure, to deposit DLC buffer layer. Evaluating through Raman, XRD, AFM and SEM, we optimize the parameters of depositing ZnO thin films on rf power density, working temperature and gas flow ratio (Ar/O2). We propose a two-steps process to improve the adherence between ZnO thin films and DLC buffer layer and measure the SAW devices in IDT/ZnO/DLC/Si structure.
Experimental results show that we can deposit highly (002) orientated ZnO thin films on Si substrate with DLC buffer layer, make interdigital transducers (IDTs) above it, and measure the characteristics of SAW devices by network analyzer. Moreover, we compare different thickness of DLC buffer layers and ZnO thin films applied on SAW devices in IDT/ZnO/DLC/Si structure. Decreasing the thickness of ZnO thin films and increasing the thickness of DLC films promote the center frequencies and phase velocities with the same line width (5μm) of SAW devices.

致謝 i
摘要(英) ii
摘要(中) iv
目錄 v
表目錄 ix
圖目錄 x

第一章 緒論
1.1研究背景 1
1.2研究動機 2

第二章 基本理論與文獻回顧
2.1薄膜材料特性 6
2.1.1類鑽碳(DLC) 6
2.1.2氧化鋅(ZnO) 12
2.1.3鋰酸鈮(LiNbO3) 14
2.2壓電特性與表面聲波原理 17
2.2.1正壓電效應 17
2.2.2逆壓電效應 17
2.2.3表面聲波元理 18
2.3薄膜製作技術 20
2.3.1類鑽碳膜製作技術 20
2.3.2壓電薄膜製作技術 25
2.4表面聲波元件 31

第三章 實驗製程與量測
3.1實驗流程圖 38
3.2基板準備 39
3.2.1 Si(100)基板 39
3.2.2 SiO2/Si(100)基板 39
3.2.3 LiNbO3(128o Y-X)基板 40
3.3製備DLC高聲速緩衝層 41
3.4製備ZnO壓電薄膜 44
3.5薄膜物理特性量測 47
3.5.1 X-ray繞射晶體結構分析 47
3.5.2α-step膜厚量測 47
3.5.3原子力顯微鏡(AFM)分析 48
3.5.4拉曼頻譜(Raman Spectrum)分析 50
3.5.5掃描式電子顯微鏡 51
3.5.6四點探針 51
3.6表面聲波元件製作與特性量測 53
3.6.1表面聲波濾波器光罩製作 53
3.6.2元件製作 54
3.6.3表面聲波元件特性量測 58

第四章 結果與討論
4.1 DLC高聲速緩衝層分析 59
4.1.1 DLC膜沈積參數對沈積速率的影響 60
4.1.2 DLC膜沈積參數對薄膜鍵結型態的影響 64
4.1.3 DLC膜沈積參數與薄膜表面品質的關係 71
4.2 ZnO壓電薄膜分析 82
4.2.1 ZnO薄膜沈積參數對沈積速率的影響 82
4.2.2 ZnO薄膜沈積參數對壓電特性的影響 86
4.2.3 ZnO薄膜沈積參數對薄膜成份的影響 92
4.2.4 ZnO薄膜沈積參數對薄膜表面的影響 97
4.2.5二階段式成長對於ZnO薄膜特性的影響 103
4.3表面聲波元件物性分析 109
4.3.1 ZnO/SiO2/Si物性分析 110
4.3.2 ZnO(變化厚度)/DLC(固定厚度-約1.6μm)/Si物性分析 111
4.3.3 ZnO(固定厚度-約3.6μm)/DLC(變化厚度)/Si物性分析 116
4.4表面聲波元件特性 121
4.4.1 IDT/ZnO/SiO2/Si特性分析 122
4.4.2 IDT/LiNbO3特性分析 124
4.4.3 IDT/ZnO(變化厚度)/DLC(固定厚度-約1.6um)/Si特性分析 126
4.4.4 IDT/ZnO(固定厚度-約3.6um)/DLC(變化厚度)/Si特性分析 130

第五章 結論與未來展望
5.1結論 135
5.2未來展望 136

參考文獻

表目錄

表1.1不同材料製作表面聲波元件的特性 5
表1.2表面聲波元件應用於三種頻率下所需之製程線寬 5
表2.1類鑽碳、石墨與矽的特性比較 8
表2.2 LiNbO3晶體之基本特性 16
表2.3各種DLC膜成膜方法特徵比較 23
表3.1 DLC薄膜沈積參數 43
表3.2 ZnO薄膜沈積參數 46
表3.3表面聲波電極及圖案製作材料與設備 53
表4.1不同射頻功率密度所沈積之類鑽碳薄膜，其拉曼頻譜資料比較表 69
表4.2不同製程溫度所沈積之類鑽碳薄膜，其拉曼頻譜資料比較表 69
表4.3不同製程氣體流量比(CH4:Ar+CH4)所沈積之類鑽碳薄膜，其拉曼頻譜資料比較表 70
表4.4不同製程壓力所沈積之類鑽碳薄膜，其拉曼頻譜資料比較表 70
表4.5沈積氧化鋅薄膜於不同射頻功率密度下之XRD資料 91
表4.6沈積氧化鋅薄膜於不同製程溫度下之XRD資料 91
表4.7沈積氧化鋅薄膜於不同製程氣體流量比(Ar:O2)下之XRD資料 91
表4.8 ZnO製程改進參數一覽表 105
表4.9表面聲波元件特性一覽表 134

圖目錄
圖1.1研究概要 5
圖2.1 sp3(D band)原子鍵結型態 9
圖2.2 sp2(G band)原子鍵結型態 9
圖2.3 (a)鑽石、(b)石墨及(c)類鑽碳之平面結構 10
圖2.4鑽石表面附著氫原子 11
圖2.5甲烷在氬氣產生的電漿中之反應示意圖 11
圖2.6 ZnO晶體結構圖 13
圖2.8 LiNbO3 晶體結構側視圖 15
圖2.9正壓電效應 18
圖2.10逆壓電效應 18
圖2.11表面聲波元件基本架構 19
圖2.12 DLC成膜的各種方法 23
圖2.13二極式濺鍍裝置的概念圖 24
圖2.14磁控濺鍍法的概念圖 24
圖2.15 RF濺鍍系統直流自我偏壓 30
圖2.16 RF阻抗匹配系統 30
圖2.17 Rayleigh 波的傳播模式 35
圖2.18 SH波的傳播模式 35
圖2.19 Leaky波的傳播模式 35
圖2.20 SAW元件之頻域響應 36
圖2.21 SAW濾波元件之頻域與時域響應轉換關係 36
圖2.22典型表面聲波帶通濾波器之頻譜響應 37
圖3.1實驗流程圖 38
圖3.2 DLC薄膜沈積設備 42
圖3.3 ZnO薄膜沈積設備 45
圖3.4α-step 量測示意圖 47
圖3.5 AFM針間與樣品間之作用力與距離關係 49
圖3.6 AFM量測原理示意圖 49
圖3.7光子散涉即表現分子能量變化 50
圖3.8四點探針量測架構圖 52
圖3.9 ZnO薄膜清洗步驟 54
圖3.10表面聲波元件製作流程 56
圖3.11 (a)、(b) 顯影後部分表面聲波元件圖案 57
圖3.12電路板佈局 58
圖3.13表面聲波率波特性量測系統架構圖 58
圖4.1射頻功率密度與類鑽碳膜沈積速率之關係 62
圖4.2製程溫度與類鑽碳膜沈積速率之關係 62
圖4.3製程氣體流量比(CH4/Ar+CH4)與類鑽碳膜沈積速率之關係 63
圖4.4製程壓力與類鑽碳膜沈積速率之關係 63
圖4.5射頻功率密度與拉曼頻譜圖(Raman Spectrum)之關係 65
圖4.6製程溫度與拉曼頻譜圖(Raman Spectrum)之關係 65
圖4.7製程氣體流量比(CH4/Ar+CH4)與拉曼頻譜圖(Raman Spectrum)之關係 66
圖4.8製程壓力與拉曼頻譜圖(Raman Spectrum)之關係 66
圖4.9射頻功率密度與薄膜內部鍵結(sp3/sp2)之關係 67
圖4.10製程溫度與薄膜內部鍵結(sp3/sp2)之關係 67
圖4.11製程氣體流量比(CH4/Ar+CH4)與薄膜內部鍵結(sp3/sp2)之關係 68
圖4.12.製程壓力與薄膜內部鍵結(sp3/sp2)之關係 68
圖4.13不同射頻功率密度之類鑽碳薄膜其表面型態(AFM)圖 72
圖4.14不同製程溫度之類鑽碳薄膜其表面型態(AFM)圖 73
圖4.15不同製程氣體流量比(CH4/Ar+CH4)之類鑽碳薄膜其表面型態(AFM)圖 74
圖4.16不同製程壓力之類鑽碳薄膜其表面型態(AFM)圖 75
圖4.17射頻功率密度與表面粗糙度(RMS)之關係 76
圖4.18製程溫度與表面粗糙度(RMS)之關係 76
圖4.19製程氣體流量比(CH4/Ar+CH4)與表面粗糙度(RMS)之關係 77
圖4.20製程壓力與表面粗糙度(RMS)之關係 77
圖4.21不同射頻功率密度之類鑽碳薄膜其表面型態(SEM)圖 78
圖4.22不同製程溫度之類鑽碳薄膜其表面型態(SEM)圖 79
圖4.23不同製程氣體流量比(CH4/Ar+CH4)之類鑽碳薄膜其表面型態(SEM)圖 80
圖4.24不同製程壓力之類鑽碳薄膜其表面型態(SEM)圖 81
圖4.25製程氣體流量比(Ar/O2)與氧化鋅薄膜沈積速率之關係 84
圖4.26射頻功率密度與氧化鋅薄膜沈積速率之關係 84
圖4.27製程溫度與氧化鋅薄膜沈積速率之關係 85
圖4.28氧化鋅薄膜在不同射頻功率密度下之XRD分析圖 88
圖4.29射頻功率密度與ZnO(002)繞射峰半高寬之關係 88
圖4.30氧化鋅薄膜在不同製程溫度下之XRD分析圖 89
圖4.31製程溫度與ZnO(002)繞射峰半高寬之關係 89
圖4.32氧化鋅薄膜在不同製程氣體流量比(Ar/O2)下之XRD分析圖 90
圖4.33製程氣體流量比(Ar/O2)與ZnO(002)繞射峰半高寬之關係 90
圖4.34製程氣體流量比(Ar/O2=1)之ZnO薄膜成份定量分析 93
圖4.35製程氣體流量比(Ar/O2=2)之ZnO薄膜成份定量分析 93
圖4.36製程氣體流量比(Ar/O2=4)之ZnO薄膜成份定量分析 94
圖4.37製程氣體流量比(Ar/O2=5)之ZnO薄膜成份定量分析 94
圖4.38製程氣體流量比(Ar/O2=6)之ZnO薄膜成份定量分析 95
圖4.39製程氣體流量比(Ar/O2=8)之ZnO薄膜成份定量分析 95
圖4.40製程氣體流量比(Ar/O2=9)之ZnO薄膜成份定量分析 96
圖4.41不同製程氣體流量比之ZnO薄膜成份定量分析 96
圖4.42不同射頻功率密度之氧化鋅薄膜其表面型態(AFM)圖 98
圖4.43不同製程溫度之氧化鋅薄膜其表面型態(AFM)圖 99
圖4.44不同製程氣體流量比(Ar/O2)之氧化鋅薄膜其表面型態(AFM)圖 100
圖4.45射頻功率密度與表面粗糙度(RMS)之關係 101
圖4.46製程溫度與表面粗糙度(RMS)之關係 101
圖4.47製程氣體流量比(Ar/O2)與表面粗糙度(RMS)之關係 102
圖4.48 ZnO緩衝層結構示意圖 105
圖4.49樣品B之ZnO薄膜成份定量分析 106
圖4.50樣品C之ZnO薄膜成份定量分析 106
圖4.51不同氧化鋅薄膜沈積製程之XRD分析圖 107
圖4.52 Sample A製程之表面聲波元件之頻率響應圖 107
圖4.53 Sample B製程之表面聲波元件之頻率響應圖 108
圖4.54 Sample C製程之表面聲波元件之頻率響應圖 108
圖4.55氧化鋅薄膜沈積於SiO2/Si上面之XRD及AFM分析圖 110
圖4.56不同ZnO薄膜沈積時間於固定類鑽碳膜厚度(約1.6μm)之剖面圖 112
圖4.57不同ZnO薄膜沈積時間於固定類鑽碳膜厚度(約1.6μm)之表面型態(SEM-15000倍) 113
圖4.58不同ZnO薄膜沈積時間於固定類鑽碳膜厚度(約1.6μm)之表面型態(AFM)圖 114
圖4.59不同氧化鋅薄膜沈積時間於固定類鑽碳膜厚度(約1.6μm)之AFM分析圖 115
圖4.60不同氧化鋅薄膜沈積時間於固定類鑽碳膜厚度(約1.6μm)之XRD分析圖 115
圖4.61不同DLC膜沈積時間搭配固定ZnO薄膜厚度(約3.6μm)之剖面圖(SEM) 117
圖4.62不同DLC膜沈積時間搭配固定ZnO薄膜厚度(約3.6μm)之表面型態(SEM-15000倍) 118
圖4.63不同DLC膜沈積時間搭配固定ZnO薄膜厚度(約3.6μm)之表面型態(AFM)圖 119
圖4.64不同DLC膜沈積時間搭配固定ZnO薄膜厚度(約3.6μm)之AFM分析圖 120
圖4.65不同DLC膜沈積時間搭配固定ZnO薄膜厚度(約3.6μm)之XRD分析圖 120
圖4.66表面聲波元件[IDT(d=4μm)/ZnO/SiO2/Si]之頻率響應圖 123
圖4.67表面聲波元件[IDT(d=5μm)/ZnO/SiO2/Si]之頻率響應圖 123
圖4.68表面聲波元件[IDT(d=4μm)/128o Y-X LiNbO3]之頻率響應圖 125
圖4.69表面聲波元件[IDT(d=5μm)/128o Y-X LiNbO3]之頻率響應圖 125
圖4.70表面聲波元件[IDT/ZnO(1.2μm)/DLC(1.6μm)/Si]之頻率響應圖 127
圖4.71表面聲波元件[IDT/ZnO(3.6μm)/DLC(1.6μm)/Si]之頻率響應圖 127
圖4.72表面聲波元件[IDT/ZnO(4.2μm)/DLC(1.6μm)/Si]之頻率響應圖 128
圖4.73表面聲波元件[IDT/ZnO(7.4μm)/DLC(1.6μm)/Si]之頻率響應圖 128
圖4.74不同厚度之氧化鋅薄膜搭配類鑽碳膜之相關曲線圖 129
圖4.75表面聲波元件[IDT/ZnO(3.6μm)/DLC(0.6μm)/Si]之頻率響應圖 131
圖4.76表面聲波元件[IDT/ZnO(3.6μm)/DLC(1.3μm)/Si]之頻率響應圖 131
圖4.77表面聲波元件[IDT/ZnO(3.6μm)/DLC(2.4μm)/Si]之頻率響應圖 132
圖4.78表面聲波元件[IDT/ZnO(3.6μm)/DLC(4.9μm)/Si]之頻率響應圖 132
圖4.79表面聲波元件[IDT/ZnO(3.6μm)/DLC(6.8μm)/Si]之頻率響應圖 133
圖4.80不同厚度之氧化鋅薄膜搭配類鑽碳膜之相關曲線圖 133

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