臺灣博碩士論文加值系統

本研究以低溫沉積法將氮化鋁薄膜分別沉積至 Si 基板以及
Sapphire 基板上並且分別以二硫化鉬(????????????2)、二硫化鎢(????????2)薄膜當作
緩衝層(buffer layer)並在上面製作表面聲波元件(surface acoustic wave,
SAW)。本研究分別沉積至矽(Si)基板、藍寶石(Sapphire)基板完成了在
MoS2/Si、WS2/Sapphire SAW 之元件，在此研究中以沒有二維材料當作
緩衝層之 SAW 元件當作對照組，探討其個別特性，先透過 XRD、原
子力顯微鏡 AFM 了解沉積在基板上的薄膜品質，再透過網路分析儀測
得 SAW 元件中心頻率(frequency)、插入損耗(insertion loss)、旁波辦
(sidelobe)等元件特性。
一開始，利用低溫沉積法將氮化鋁薄膜沉積至市售之 MoS2/Si、
WS2/Sapphire 基板，除了以上兩塊有二維材料基板外也會利用相同沉
積條件沉積在沒有二維材料的 Si 基板以及 Sapphire 基板上。沉積好基
板透過 XRD、AFM 儀器量測去確認沉積之氮化鋁薄膜品質。之後透過
微影蝕刻製程成功地在四片基板上做出表面聲波元件，並利用 OM 確
認基板上的元件沒有過度蝕刻，再來透過網路分析儀確認元件的中心
頻率以及插入損耗。發現不同基板上元件的中心頻率不僅不一樣也發
現損耗有所不同。
由以上各種實驗結論數據顯示，本論文所研製而成的四個表面聲波
元件皆成功擁有表面聲波元件特性，也結合新穎的二維材料與簡單製
程 SAW。以本實驗四個不同基板元件的量測結果顯示有二維材料當作
緩衝層之基板可以擁有較明顯的 SAW 元件濾波特性的呈現，並確認
SAW 可以與矽製程做結合。展現著元件在未來高頻的應用上的潛力。

In this study, surface acoustic wave (SAW) devices were fabricated on
Al/AlN/????????????2/Si、Al/AlN/????????2/Sapphire respectively. AlN thin film were
deposited on Si and Sapphire substrates using low temperature sputtering
method. In addition, molybdenum disulfide and tungsten disulfide films
were used as buffer layers for Si and Sapphire, respectively.The SAW
devices without two-dimensional material as a buffer layer was used as a
basic control standard to discuss the characteristics. Firstly, the quality of
the AlN films deposited on the substrates are investigated by XRD and
AFM, and the center frequency and insertion loss are measured using a
network analyzer. The fabrication begin with Al/AlN thin films deposited
and etched on commercially MoS2/Si and WS2/Sapphire substrates by lowtemperature sputtering. In addition to the above two substrates on 2D
materials, the same deposition conditions were used to deposit AlN film on
Si and sapphire substrates without 2D materials. After the deposited
substrate is measured by XRD and AFM, the quality of the deposited film
is examined. The surface acoustic wave devices were successfully
fabricated on four substrates using photo lithography.OM was used to
observe whether the device on the substrates were over-etched or not, and
the center frequency and insertion loss of the components were measured
by a network analyzer. It was found that the center frequencies as well as
the insertion losss of the SAW devices prepared on different substrates
were various.
According to the above mentioned experimental results, the four surface
acoustic wave devices developed in this work all reveal the characteristics
of surface acoustic wave devices. Using the combination of novel twodimensional materials and simple fabricated process SAW, the results
demonstrate the feasibility the employment of two-dimensional materials
as buffer layers. The saw devices exhibit less noise, and in addition, the
fabrication process compatible with silicon process. It reveals he future
potential applications of the SAW devices.

目錄
中文摘要 I
Abstract III
致謝 V
目錄 VII
圖目錄 IX
表目錄 XII
第一章導論 1
1-1 研究動機與目的 1
1-2 論文架構 4
第二章 壓電材料特性 5
2-1氮化鋁特性 5
2-2 濺鍍原理 7
2-2-1磁控濺鍍原理 7
2-2-2迴旋濺鍍原理 9
2-2-3常用基板 10
2-3 二維材料介紹 12
2-3-1二硫化鉬 13
2-3-2二硫化鎢 14
第三章表面聲波元件原理與特性 16
3-1 表面聲波元件(SAW)介紹 16
3-1-1壓電效應(Piezoelectric Effect) 17
3-1-2表面聲波元件基本原理 19
3-1-3 SAW元件基本參數 21
3-2 指叉電極設計參數 22
3-3表面聲波濾波器特性 26
3-3-1 插入損耗(Insertion Loss) 26
3-3-2電磁饋通(electromagnetic feedthrough) 27
第四章表面聲波元件實驗流程與量測方法 28
4-1實驗流程 28
4-1-1 Helicon sputtering system迴旋濺鍍系統濺鍍鋁膜 28
4-1-2 光罩指叉圖形設計 31
4-1-3 SAW元件微影蝕刻(Etching) 32
4-2量測方法 35
4-2-1 AFM量測 35
4-2-3 XRD量測 36
4-2-4網路分析儀介紹 38
4-2-4網路分析儀量測 40
第五章實驗結果與討論 42
5-1 OM結果討論 42
5-2 XRD結果討論 44
5-3AFM量測結果討論 50
5-4網路分析儀量測結果討論 51
第六章研究總結與未來展望 60
6-1 各章節論 60
6-2 未來展望 61
文獻參考 62

圖目錄
圖1 AlN晶體結構(a)閃鋅礦結構(製作於crystal maker))(b)四面體結構 6
圖2 AlN磁控濺鍍原理工作示意圖 8
圖3迴旋濺鍍示意圖 9
圖4 AlN/ WS2/Si(100)之 XRD φ scan[8] 12
圖5不同維度的MoS2晶體結構[14] 14
圖6 WS2晶體結構[26] 15
圖7表面聲波波形 17
圖8正常效應示意圖[9] 18
圖 9正壓電效應示意圖[9] 19
圖10逆壓電效應示意圖[9] 19
圖11表面聲波元件操作原理示意圖 20
圖12表面聲波元件示意圖與設計參數 23
圖13指叉式電極示意圖[9] 31
圖14表面聲波元件製程示意圖 32
圖15原子力顯微鏡量測架構示意圖[23] 36
圖16晶格繞射幾何示意圖 37
圖17 VNA操作原理示意圖[9] 39
圖18 S參數理論圖[9] 40
圖19 SAW元件插入式樣板示意圖 41
圖20 SAW元件插入式樣板實體圖 41
圖21網路分析儀量測示意圖 41
圖22 Al/AlN/Si基板上之SAW指叉構造(15 μm) 42
圖23 Al/AlN/Sapphire基板上之SAW指叉構造(15 μm) 42
圖24 Al/AlN/WS2/Sapphire基板上之SAW指叉構造(60 μm) 43
圖25 Al/MoS2/AlN/Si基板上之SAW指叉構造(60 μm) 43
圖26 AlN/MoS2/Si θ-2θ Scan(陽明交通大學奈米科技中心XRD) 45
圖27 AlN/ Si θ-2θ Scan(陽明交通大學奈米科技中心XRD) 45
圖28 AlN/MoS2/Si omega Scan(陽明交通大學奈米科技中心XRD) 46
圖29謝東宸學長數據 AlN/ Sapphire omega Scan(陽明交通大學奈米科技中心XRD) 46
圖30 AlN/ Sapphire θ-2θ Scan(陽明交通大學奈米科技中心XRD) 47
圖31 AlN/WS2/Sapphire θ-2θ Scan(陽明交通大學奈米科技中心XRD) 48
圖32 AlN/ Sapphire omega Scan(陽明交通大學奈米科技中心XRD) 48
圖33 AlN/WS2/Sapphire omega Scan(陽明交通大學奈米科技中心XRD) 49
圖34 AFM量測機台實體圖(中原電子系453量子電子材料實驗室) 50
圖35 Al/AlN/WS2/Sapphire基板(中原電子系453量子電子材料實驗室) 50
圖36 Al/AlN/MoS2/Si基板(中原電子系453量子電子材料實驗室) 51
圖37 AlN/MoS2/Si SAW S21圖(中心頻率為313MHz，插入損耗為-16.88dB) 52
圖38 Al/AlN/MoS2/Si SAW S11圖(中心頻率為313MHz，插入損耗為-10.79dB) 53
圖39 Al/AlN/Si SAW S21圖(中心頻率為262MHz，插入損耗為-7.2dB) 54
圖40 Al/AlN/Si SAW S11圖(中心頻率為362MHz，插入損耗為-20.19dB) 54
圖41 Al/AlN/WS2/Sapphire SAW S21圖(中心頻率為356MHz，插入損耗為-39.9dB) 55
圖42 Al/AlN/WS2/Sapphire SAW S11圖(中心頻率為356MHz，插入損耗為-39.9dB) 56
圖43 AlN/Sapphire SAW S21圖(中心頻率為359MHz，插入損耗為-43.0dB) 56
圖44 Al/AlN/Sapphire SAW S11圖(中心頻率為360MHz，插入損耗為-1.9dB) 57


表目錄
表格1氮化鋁基本特性 7
表格2成長氮化鋁常用基板之晶格常數 10
表格3常用壓電材料 18
表格4基板清洗步驟 29
表格5 TMDCs緩衝層基板清洗步驟 29
表格6製程參數 30
表格7指差電極設計參數表 31

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