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行 政 院 國 家 科 學 委 員 會 補 助 專 題 研 究 計 畫 期 中 報 告※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※ ※※ 薄 膜 型 微 波 通 訊 被 動 元 件 之 設 計 與 製 作 - 子 計 畫 三 ※※ ※※ 鑽 石 與 低 介 電 類 鑽 薄 膜 在 薄 膜 型 微 波 通 訊 元 件 之 應 用 研 究 ※※ ※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※計 畫 類 別 :□ 個 別 型 計 畫 ■ 整 合 型 計 畫計 畫 編 號 :NSC 90-2213-E-009-030執 行 期 間 :90 年 8 月 1 日 至 91 年 7 月 31 日計 畫 主 持 人 : 陳 家 富計 畫 參 與 人 員 : 林 建 良 , 鮑 宣 凱王 滋 銘 , 陳 建 銘本 成 果 報 告 包 括 以 下 應 繳 交 之 附 件 :□ 赴 國 外 出 差 或 研 習 心 得 報 告 一 份□ 赴 大 陸 地 區 出 差 或 研 習 心 得 報 告 一 份□ 出 席 國 際 學 術 會 議 心 得 報 告 及 發 表 之 論 文 各 一 份□ 國 際 合 作 研 究 計 畫 國 外 研 究 報 告 書 一 份執 行 單 位 : 國 立 交 通 大 學 材 料 科 學 與 工 程 學 系中 華 民 國 91 年 5 月 17 日

行 政 院 國 家 科 學 委 員 會 專 題 研 究 計 畫 期 中 報 告薄 膜 型 微 波 通 訊 被 動 元 件 之 設 計 與 製 作 - 子 計 畫 三鑽 石 與 低 介 電 類 鑽 薄 膜 在 薄 膜 型 微 波 通 訊 元 件 之 應 用 研 究Study of the diamond and low dielectric DLC thin film in theapplication of microwave communication elements計 畫 編 號 :NSC 90-2213-E-009-030執 行 期 限 :90 年 8 月 1 日 至 91 年 7 月 31 日主 持 人 : 陳 家 富國 立 交 通 大 學 材 料 科 學 與 工 程 學 系計 畫 參 與 人 員 : 林 建 良 , 鮑 宣 凱 , 王 滋 銘 , 陳 建 銘國 立 交 通 大 學 材 料 科 學 與 工 程 學 系一 、 中 文 摘 要要 想 達 到 GHz 範 圍 的 高 頻 表 面 聲 波元 件 , 一 般 傳 統 表 面 聲 波 元 件 的 材 料 , 如石 英 、 鈮 酸 鋰 、 鉭 酸 鋰 是 很 難 做 到 的 。 由於 近 幾 年 來 化 學 氣 相 沉 積 鑽 石 成 長 技 術 ,我 們 可 以 來 研 究 表 面 聲 波 元 件 在 鑽 石 結 構上 的 製 作 , 而 且 這 個 結 構 和 系 統 也 已 經 實際 應 用 在 表 面 聲 波 濾 波 器 上 。 即 使 是 多 結晶 的 鑽 石 膜 , 由 於 具 有 高 表 面 聲 波 傳 遞 速度 ; 同 時 , 因 為 能 量 都 只 集 中 在 表 面 , 鑽石 膜 厚 只 需 要 幾 個 微 米 就 足 夠 , 所 以 能 夠在 低 成 本 下 大 量 的 生 產 。 此 外 , 鑽 石 的 高熱 傳 導 率 和 其 優 秀 的 高 彈 性 常 數 也 被 發 現能 夠 用 在 超 高 能 量 控 制 方 面 , 所 以 鑽 石 除在 高 頻 應 用 上 的 特 性 , 比 一 般 的 傳 統 材 料優 秀 外 , 甚 至 應 用 在 低 頻 時 , 也 比 傳 統 材料 勝 出 許 多 。在 本 研 究 中 , 我 們 利 用 熱 電 子 輔 助 化學 氣 相 沉 積 法 , 在 矽 晶 片 成 長 大 面 積 的 多晶 鑽 石 膜 , 並 挑 戰 研 磨 鑽 石 膜 。 而 氧 化 鋅由 於 其 極 佳 的 壓 電 特 性 , 及 其 易 於 利 用 濺渡 法 沉 積 於 各 種 基 板 上 的 特 性 , 近 年 來 廣泛 地 被 選 為 成 長 壓 電 薄 膜 的 材 料 。 高 均 勻品 質 的 鑽 石 膜 結 合 上 高 優 選 方 向 的 氧 化 鋅薄 膜 , 及 利 用 舉 離 法 所 研 製 出 的 交 趾 狀 電極 , 製 作 出 鑽 石 表 面 聲 波 濾 波 器 。 此 外 ,本 計 畫 還 比 較 在 相 同 的 交 趾 狀 電 極 下 , 氧化 鋅 / 鑽 石 / 矽 , 以 及 氧 化 鋅 / 矽 這 二 種 結 構的 表 面 聲 波 濾 波 器 的 特 性 差 異 。關 鍵 詞 : 表 面 聲 波 濾 波 器 ; 熱 燈 絲 化 學 氣 相沉 積 ; 鑽 石 ; 氧 化 鋅 ; 交 趾 式 電 極AbstractThe SAW devices with a highfrequency, on the GHz range, and which arehard to realize via SAW devices usingconventional materials such as quartz,lithium niobate (LiNbO 3 ), and lithiumtantalate (LiTaO 3 ). Due to the recent progressin CVD-diamond grown technology, we arestudied SAW devices fabricated by structureswith polycrystalline diamond, and it has beenfound that systems involving these materialsare practical for high-frequency SAW filters.Amongst the varieties of applications ofCVD diamond, the Surface Acoustic Wave(SAW) device using its high SAW velocity,is supposed to be one of the practicalapplications, because polycrystalline film canbe utilized. And the thickness of only severalmicrons is sufficient because the energyconcentration is on the surface, whichenables low-cost manufacturing. Moreover,the high thermal conductivity, as well as thehigh elastic constant, of diamond are foundto enable super-high power-handingcapabilities, which surpass the characteristicsof conventional materials even at lowfrequency.In this work, we will develop the largearea of polycrystalline diamond film onsilicon by Hot Filament CVD (HFCVD) andpolish the film. Zinc Oxide, which has strongpiezoelectric effect and sputtered on a varietyof substrates, is a nature choice as thepiezoelectric film layer in recent years. Highuniformity of quality of diamond associatedhighly preferred orientation ZnO thin filmand the interdigital transducers (IDTs)1

fabricated by lift-off process exhibitwonderful performance of diamond SAWfilters. Moreover we compare the structuresof ZnO/Diamond/Silicon and ZnO/Silicon onthe characteristics of SAW filters with thesame interdigital transducers (IDTs).Keywords: SAW filters; HFCVD; Diamond;ZnO; IDTs二 、 緣 由 與 目 的鑽 石 因 擁 有 極 高 的 聲 波 傳 播 速 率 、 彈性 常 數 及 熱 傳 導 性 , 所 以 用 來 製 作 表 面 聲波 (SAW) 濾 波 器 具 有 多 項 優 點 。 目 前 常見 的 表 面 聲 波 濾 波 器 大 都 以 石 英 或 鈮 酸 鋰(LiNbO 3 ) 為 材 料 , 其 使 用 頻 率 在 IDTs 為 1μm 的 線 寬 時 低 於 1 GHz, 故 為 達 到 較 高的 頻 率 (1~5 GHz), 就 需 要 提 高 表 面 聲 波傳 播 的 速 率 , 抑 或 製 作 更 小 的 IDTs 線 寬 。但 太 小 的 線 寬 將 增 加 製 程 的 難 度 , 且 更 容易 在 使 用 時 產 生 損 壞 。 因 此 比 較 目 前 其 他常 用 的 材 料 , 鑽 石 的 高 聲 波 傳 播 速 率 可 使相 同 頻 率 的 元 件 , 允 許 有 較 寬 的 IDTs, 進而 提 高 元 件 的 功 率 耐 久 力 、 直 流 電 崩 潰 電壓 與 可 靠 度 ; 另 一 方 面 來 說 , 則 是 在 相 同線 寬 的 情 況 下 , 鑽 石 表 面 聲 波 濾 波 器 能 有較 高 的 中 心 頻 率 。 同 時 , 鑽 石 極 佳 的 彈 性常 數 與 熱 傳 導 性 , 也 對 提 高 元 件 的 功 率 耐久 力 、 直 流 電 崩 潰 電 壓 與 可 靠 度 有 利 。 然而 , 鑽 石 晶 片 必 須 符 合 表 一 中 的 需 求 才 能適 用 於 表 面 聲 波 濾 波 器 。表 一 、 鑽 石 表 面 聲 波 濾 波 器 的 晶 片 需 求項 目需 求晶 片 尺 寸 2, 3 或 4 吋晶 片 厚 度 300μm ~ 1000μm晶 片 彎 曲 < 40μm鑽 石 品 質 多 晶 鑽 石 膜 ( 任 意 取 向 )鑽 石 厚 度 > 10μm ( 依 頻 率 決 定 )缺 陷 密 度 < 100 cm -1表 面 粗 度 < 10 nm電 阻 率 > 10 6 Ωcm由 於 鑽 石 的 晶 體 結 構 屬 於 立 方 晶 系 ,不 具 有 壓 電 特 性 , 所 以 用 來 製 作 表 面 聲 波濾 波 器 時 , 其 表 面 還 需 鍍 上 一 層 ZnO 或AlN 等 壓 電 薄 膜 。 但 是 , 利 用 鑽 石 本 身 優越 的 特 性 , 配 合 表 面 上 濺 鍍 壓 電 薄 膜 , 金屬 電 極 的 蒸 鍍 ( 或 濺 鍍 ), 與 光 雕 相 術 等 已 經成 熟 的 半 導 體 製 程 , 可 以 製 作 出 中 心 頻 率1 GHz 以 上 , 可 靠 耐 用 的 表 面 聲 波 濾 波 器 。三 、 結 果 與 討 論為 配 合 半 導 體 製 程 , 製 作 鑽 石 表 面 聲波 濾 波 器 時 , 首 先 以 矽 晶 片 為 最 下 方 的 底材 ; 再 鍍 上 鑽 石 薄 膜 作 為 傳 遞 表 面 聲 波 的媒 介 ; 氧 化 鋅 則 作 為 壓 電 薄 膜 , 將 上 層 鋁電 極 所 引 入 的 電 訊 號 , 轉 變 為 機 械 訊 號 。成 長 大 面 積 的 鑽 石 薄 膜 , 鍍 膜 方 式 選 擇 用熱 電 子 輔 助 化 學 氣 相 沉 積 ; 成 長 氧 化 鋅 薄膜 , 以 高 週 波 濺 鍍 進 行 ; 製 作 交 趾 鋁 電 極 ,則 包 括 微 影 、 鍍 鋁 與 舉 離 法 等 步 驟 。鑽 石 鍍 膜在 鑽 石 鍍 膜 方 面 , 為 達 到 大 面 積 及 大量 生 產 的 目 標 , 本 實 驗 室 將 先 前 的 研 究 成果 : 大 面 積 的 鑽 石 薄 膜 ( 4 ~ 6 吋 ) 鍍 膜 設備 專 利 , 簽 約 技 術 移 轉 予 廠 商 , 準 備 生 產鑽 石 薄 膜 的 鍍 膜 設 備 技 術 。 新 製 作 之 大 型熱 電 子 輔 助 化 學 氣 相 沉 積 系 統 包 括 以 下 特點 :~12 吋 ψ 有 效 最 大 處 理 面 積 ; 大 尺 寸600φ×300 mm 水 冷 真 空 腔 體 ; 快 速 抽 換 燈絲 設 計 ; 氣 壓 式 燈 絲 微 調 張 力 機 構 ; 可 伸降 工 件 基 座 ;30 kW DC 電 源 加 熱 供 應 器 ;燈 絲 加 熱 能 力 超 過 2000℃; 自 動 化 質 流 量計 流 量 控 制 ; 自 動 化 真 空 抽 氣 ; 紅 外 線 溫度 監 控 ; 以 及 多 點 熱 電 偶 溫 度 量 測 。 圖 一為 此 鑽 石 薄 膜 成 長 裝 置 的 外 觀 圖 示 。圖 一 、 大 型 熱 電 子 輔 助 化 學 氣 相 沉 積 系 統2

鑽 石 研 磨在 鑽 石 研 磨 的 努 力 方 面 , 上 年 度 我 們努 力 尋 求 國 內 在 研 磨 方 面 有 專 精 的 廠 商 協助 , 但 結 論 是 在 國 內 所 找 到 的 研 磨 設 備 ,並 無 法 將 鑽 石 薄 膜 拋 光 至 5 nm 以 下 。 在 花費 許 多 時 間 仍 無 法 拋 光 鑽 石 後 , 只 好 先 委託 日 本 廠 商 拋 光 。 今 年 度 為 解 決 鏡 面 鑽 石晶 片 來 源 不 易 、 價 格 昂 貴 的 困 擾 , 故 請 求鋒 碩 科 技 公 司 的 協 助 , 共 同 合 作 開 發 鑽 石膜 及 超 硬 質 材 料 之 研 磨 、 拋 光 技 術 及 設備 , 其 技 術 特 點 包 括 :4〞ψ 以 下 鑽 石 膜 及超 硬 質 基 材 研 磨 ; 機 械 式 研 磨 法 ;300 mmφ×45 面 寬 研 磨 盤 ; 以 及 一 次 四 片 的 研 磨 數量 。氧 化 鋅 濺 鍍具 有 壓 電 特 性 的 氧 化 鋅 薄 膜 , 分 別 利用 高 週 波 磁 控 濺 鍍 法 在 矽 晶 片 , 以 及 鑽 石薄 膜 / 矽 晶 片 上 成 長 。 因 為 以 往 在 拋 光 過 的鑽 石 晶 片 上 所 製 成 的 元 件 , 無 法 擁 有 非 常理 想 的 帶 通 濾 波 器 特 性 , 推 論 其 原 因 是 出在 鑽 石 (111) 面 與 氧 化 鋅 (0002) 面 晶 格 常 數相 異 太 大 的 影 響 , 造 成 氧 化 鋅 壓 電 薄 膜 性質 不 佳 。 有 關 氧 化 鋅 壓 電 薄 膜 在 光 滑 鑽 石薄 膜 上 的 最 佳 鍍 膜 條 件 極 為 重 要 , 因 此 今年 度 本 計 畫 利 用 舊 有 設 備 改 裝 , 特 別 製 作壹 台 高 週 波 磁 控 濺 鍍 設 備 來 沉 積 氧 化 鋅 薄膜 。 氧 化 鋅 鍍 膜 時 , 靶 材 為 3 吋 高 純 度 氧化 鋅 靶 , 距 離 被 鍍 物 為 4 cm, 通 入 氣 氛 為1:1 之 Ar/O 2 , 工 作 壓 力 為 0.03 torr, 基 材溫 度 為 200℃, 鍍 膜 時 間 為 2 小 時 , 實 驗 參數 為 不 同 的 高 週 波 入 射 功 率 。圖 二 為 氧 化 鋅 成 長 於 矽 晶 片 的 X-ray繞 射 分 析 。 理 想 上 ,ZnO (0002) 面 的 繞 射峰 位 置 為 34.4°。 當 高 週 波 入 射 功 率 為 80 W時 , 繞 射 峰 的 位 置 為 34.509°, 半 高 寬 為0.18745°, 可 得 到 具 有 (0002) 優 選 方 向 的ZnO 薄 膜 ; 同 樣 的 , 當 高 週 波 入 射 功 率 為120W 時 , 繞 射 峰 的 位 置 為 34.502°, 半 高寬 為 0.43734°, 雖 然 仍 可 得 到 具 有 (0002)優 選 方 向 的 ZnO 薄 膜 , 但 表 示 其 壓 電 性 質較 前 者 差 。Intensity (arbitary unit)Intensity (arbitary unit)2000015000100005000160014001200100008006004002000-200ZnO on Si: 80W20 30 40 50 60Two theata (deg.)20 30 40 50 60Two theata (deg.)ZnO on Si: 120W圖 二 、 氧 化 鋅 成 長 於 矽 晶 片 的 X-ray 繞 射分 析當 氧 化 鋅 成 長 於 鑽 石 薄 膜 時 , 圖 三 顯示 在 高 週 波 入 射 功 率 為 120 W 時 , 可 得 到具 有 (002) 優 選 方 向 的 ZnO 薄 膜 , 其 繞 射峰 的 位 置 為 35.016°, 半 高 寬 為 0.1822°,結 果 與 理 想 的 ZnO (0002) 面 繞 射 峰 間 有角 度 差 異 , 顯 示 ZnO 薄 膜 中 有 內 應 變 。Intensity (arbitary unit)600040002000020 30 40 50 60Two theata (deg.)ZnO on Diamond圖 三 、 氧 化 鋅 成 長 於 鑽 石 薄 膜 上 的 X-ray繞 射 分 析3

元 件 設 計 、 製 程 與 測 試當 完 成 氧 化 鋅 濺 鍍 後 , 接 著 在 氧 化 鋅薄 膜 上 利 用 微 影 製 程 製 作 不 同 對 數 及 線 寬的 交 趾 狀 鋁 電 極 , 表 二 為 其 中 一 組 設 計 的參 數 值 , 由 於 鑽 石 擁 有 較 高 的 聲 波 傳 遞 速度 , 預 計 其 頻 率 數 可 達 1.25 GHz。 最 後 利用 網 路 分 析 儀 量 測 帶 通 濾 波 器 (Bandpassfilter) 特 性 。表 二 、1.25 GHz SAW Filter 設 計Line width, d 2μmFigure pairs, N N1 = N2 = 50Distance of input and D = 10λ= 80μmoutput IDTs, DIDTs overlap, W W = 60λ= 480μmBonding pad 300 x 300μmDie size2.2 x 1.50 mmDie spacing200μmPacking:3.8 mmsq四 、 計 畫 進 度 及 遭 遇 之 困 難比 較 目 前 世 界 各 國 在 鑽 石 表 面 聲 波 濾波 器 上 研 製 及 發 展 的 成 果 , 以 住 友 電 子 工業 (Sumitomo Electric Industries) 的 技 術能 力 最 強 , 已 經 製 作 出 5GHz 的 元 件 , 同時 也 積 極 的 將 元 件 所 用 的 鑽 石 晶 片 , 向 其他 鑽 石 表 面 聲 波 濾 波 器 的 製 造 廠 商 做 推銷 。 在 國 內 來 說 , 則 有 多 個 研 究 單 位 、 學校 , 以 及 中 國 砂 輪 公 司 及 鑽 矽 公 司 對 此 題目 展 開 進 行 。利 用 未 經 拋 光 的 鑽 石 薄 膜 進 行 元 件 製作 。 原 本 在 計 畫 書 中 , 我 們 即 預 期 可 能 遭遇 到 鑽 石 薄 膜 表 面 粗 糙 度 不 佳 的 困 難 , 然而 試 過 多 種 改 變 製 程 條 件 的 方 法 , 也 只 能將 表 面 粗 糙 度 (Ra) 由 幾 百 nm 的 等 級 , 降低 至 20 ~30 nm ( 這 也 是 目 前 文 獻 中 , 一 般大 面 積 鑽 石 薄 膜 最 好 的 等 級 ), 因 此 製 作 出的 元 件 無 法 出 現 帶 通 濾 波 器 的 特 性 , 其 原因 即 肇 因 於 鑽 石 膜 的 表 面 過 於 粗 糙 , 無 法順 利 傳 遞 表 面 聲 波 ; 同 時 , 粗 糙 度 過 高 會造 成 後 續 製 程 中 , 交 趾 式 電 極 的 圖 案 不 完整 。為 了 要 製 作 優 良 高 頻 鑽 石 表 面 聲 波 元件 及 因 應 未 來 產 品 化 技 術 , 沉 積 出 的 鑽 石薄 膜 勢 必 配 合 拋 光 步 驟 。 上 年 度 本 計 畫 進行 時 , 國 內 並 無 可 供 鑽 石 薄 膜 拋 光 用 的 類似 設 備 , 因 此 實 驗 所 用 的 鏡 面 級 鑽 石 薄 膜晶 片 , 只 能 透 過 特 殊 管 道 向 日 本 採 購 數片 , 而 且 每 片 2 吋 晶 片 就 要 價 2 萬 多 元 。基 於 以 上 原 因 , 本 年 度 藉 由 鋒 碩 科 技 公 司的 協 助 , 共 同 合 作 開 發 鑽 石 薄 膜 專 用 研 磨機 及 其 研 膜 技 術 。 同 時 , 本 實 驗 室 先 前 的國 科 會 研 究 成 果 : 大 面 積 的 鑽 石 薄 膜 ( 4 ~6 吋 ) 鍍 膜 設 備 專 利 , 已 由 國 科 會 簽 約 技 術移 轉 予 鋒 碩 科 技 , 鋒 碩 科 技 將 充 分 提 供 表面 聲 波 濾 波 器 研 製 用 的 鑽 石 晶 片 。 另 外 ,本 計 畫 利 用 實 驗 室 原 有 部 分 設 備 , 並 添 購部 份 零 件 , 加 以 改 裝 成 一 高 週 波 磁 控 濺 鍍機 , 進 行 氧 化 鋅 的 濺 鍍 。總 體 而 言 , 本 年 度 對 於 鑽 石 表 面 聲 波濾 波 器 的 特 定 製 作 設 備 有 著 較 大 的 成 果 ,包 括 鑽 石 沉 積 用 的 大 型 熱 電 子 輔 助 化 學 氣相 沉 積 系 統 、 鑽 石 拋 光 用 的 鑽 石 膜 研 磨 設備 , 以 及 鍍 氧 化 鋅 用 的 磁 控 濺 鍍 機 。 然 而 ,經 過 將 近 一 年 的 努 力 , 設 備 才 即 將 完 成 ,還 未 能 有 具 體 的 鑽 石 晶 片 可 以 產 出 , 評 估未 來 可 能 遭 遇 之 困 難 還 是 在 研 磨 技 術 的 挑戰 。 在 製 程 方 面 , 本 年 度 著 重 於 氧 化 鋅 成長 於 光 滑 鑽 石 面 的 製 程 研 究 , 目 前 結 果 已能 在 光 滑 鑽 石 面 上 沉 積 (0002) 高 優 選 方向 的 氧 化 鋅 , 然 而 在 鍍 膜 條 件 上 仍 有 改 善的 空 間 。 由 於 鑽 石 表 面 聲 波 濾 波 器 在 國 內仍 屬 初 步 嘗 試 , 目 前 雖 然 在 鑽 石 表 面 聲 波濾 波 器 的 製 作 上 , 尚 未 出 現 帶 通 濾 波 器 的特 性 , 但 是 相 信 在 未 來 的 通 訊 系 統 之 中 ,以 鑽 石 為 基 材 的 表 面 聲 波 元 件 將 會 廣 大 的應 用 在 高 頻 元 件 上 。誌 謝本 計 畫 承 蒙 國 科 會 計 畫 支 持 , 以 及 大同 大 學 施 文 欽 老 師 實 驗 室 , 各 計 畫 主 持 人張 志 揚 教 授 、 林 鵬 教 授 , 與 鋒 碩 科 技 公 司等 的 協 助 。4