Meandering CPW样品之.docx

1、Meandering CPW样品之Meandering CPW樣品之製作、封裝與訊號測試萬德昌2002.05.15Meandering CPW樣品之製作、封裝與訊號測試本報告主要介紹Meandering CPW(coplanar waveguide)樣品元件之製作，封裝與訊號測試。另外，我們在樣品製程中使用到的儀器有光罩對準機、光阻塗佈機、熱蒸鍍機，並利用網路分析儀對樣品元件進行頻譜特性的量測。1. Meandering CPW樣品元件之製作光罩的製作 (Mask designed)在確定了樣品材料厚度(H)以及金屬導電層厚度(T)後，我們可藉由MicroWave Office軟體(見圖1-1

2、,1-2)計算得到CPW樣品元件的設計參數線寬(滿足50阻抗匹配)，其參數記有中心傳導帶寬度(Width)及傳導帶與接地間間距(Gap)，再利用AutoCAD軟體完成樣品光罩的圖形(見圖1-3,1-4)，最後送至交大半導體中心(SRC)完成CPW樣品元件光罩的製作。以下為本實驗所設計的光罩線寬尺寸表:樣品材料Width(m)Gap(m)Si/SiGe4125GaAs4328.5另外,為了能夠在有限面積中增加CPW的傳輸距離(13.5mm),故特別將傳輸路徑設計為曲折形狀,並在兩傳輸端點處依照符合阻抗匹配(impedance matching)的W與G之比例關係加大中心傳導帶的寬度面積，以利對外

3、接線而便於進行CPW樣品元件的電性量測.光微影製程 (Optical lithography process)其主要目的是為了能在樣品表面留下由光阻劑所形成的完整特定圖案以便於樣品製作的後續步驟。我們所使用的是中興大學電機系江雨龍老師的黃光室設備，其中包括光阻塗佈機(Spinner)及光罩對準機(OAI 200 JBAs Mask Alinger , 接觸式Ultra-UV光源475m , 3.53.7 mw/cm2)。我們對應使用的是AZ6112正光阻液及AZ300顯影液，先利用光阻塗佈機使得樣品表面的光阻層均勻分佈(厚度約為1m)，再利用光罩對準機對特定圖案曝光，被紫外光照射到的光阻可被顯

4、影液溶解並清除，留下特定的光阻層圖案，即完成圖案轉移(pattern transfer)。 光微影製程的參數測試請見附錄A。熱蒸鍍金屬材料 (Metal deposition)經由光微影製程而得到良好圖案轉移後的樣品，便利用熱蒸鍍機來製作CPW樣品元件所需要的金屬導電層。我們所使用的金屬材料為Al，鍍至約為1500 ()左右的厚度即可。另外我們還必須考慮光阻層與蒸鍍金屬間的相對厚度關係，若蒸鍍金屬鍍的太厚會導致在剝離光阻(lift-off)時，光阻層無法被完全剝離掉，或是在邊界部份易與導電金屬層產生牽連作用，而連同部份導電金屬層亦被掀起的失敗結果。光阻剝離 (lift-off)最後我們使用丙硐

5、(ACE)作為光阻剝離劑，其好處在於它對光阻有很好的溶解率且不會傷害金屬與樣品本身，而CPW樣品元件製作至此即算完成。同時，我們可利用高倍率的金相顯微鏡來觀察樣品製作的好壞，主要是導電金屬層彼此間不能有短路或是斷路的情形發生，因為這會造成傳輸訊號的錯誤或是訊號根本無法傳遞。另外，導電金屬層邊緣的平整度將是影響訊號完整傳遞的最主要原因(leak current effect)。Meandering CPW樣品元件之製作流程如圖1-5所示。圖1-1 CPW定義相關參數之側面圖圖1-2 Microwave Office傳輸線設計軟體介面圖1-3 Si/SiGe CPW 的設計光罩圖圖1-4 GaAs

6、 CPW 的設計光罩圖圖1-5 Meandering CPW樣品元件之製作流程light sourcelight sourceMask2. 樣品封裝在完成製作CPW樣品元件後，為了配合實驗量測的裝置需要，我們必須得將樣品元件先作封裝的處理。其樣品封裝程序簡介如下:a. 樣品元件接線：將製作好的樣品元件清潔完後，利用專用的烙鐵頭尖端將銦點於樣品元件上的中心傳導帶端與接地端的適當位置處，再以金線(1mil)接線出來即可。或是可直接利用鎊線機接線，其使用原理為當鎊線機瓷嘴前端產生的金球與金屬表面接觸時(ball bounding)，瓷嘴前端會產生超音波振動及高溫使兩者可互相黏合而完成接線步驟。 b.

7、 阻抗匹配系統：為盡量避免訊號傳遞時的反射，我們以玻璃纖維為材質，再利用電路板印刷技術製作了特性阻抗50的CPW transmission line做為pad使用，以求達到50阻抗系統的匹配要求。最後，我們在作為pad的CPW上，對其兩端的中心傳導帶處各自再焊上再焊上IC Pin，即可利用高頻線及SMA接頭藉以連接高頻量測系統裝置並進行高頻訊號量測。CPW樣品元件之封裝示意圖請見圖2-1所示。此處即可利用高頻線及SMA接頭進行高頻訊號量測圖2-1 CPW樣品元件之封裝示意圖3. 訊號測試此部份主要是要測試CPW樣品元件的基本傳輸特性，如穿透及反射的頻譜訊號等。另外亦可先行檢查此樣品元件能否適用

8、在高頻量測系統或是低溫系統中，以免造成實驗資源的浪費。在訊號量測時，我們使用一台Vector Network Analyzer (ANRISTSU 37325A)直接量測樣品元件訊號的穿透及反射狀況(簡單示意圖如圖3-1)，若是有不理想的情形出現時(如斷路、短路等)，即可撿討或避免先前在樣品製程或樣品封裝過程中的錯誤與疏失。其訊號測試程序簡介如下:其訊號測試程序簡介如下：a. 校正待測樣品外接線路：為能夠準確測得待測樣品的傳輸訊號，在量測前我們應將外接線路的傳輸訊號校正歸零以去除外接線路對實際訊號的影響。b. 室溫及低溫量測：除可觀察到待測樣品本身的傳輸訊號外，更重要的是藉由室溫與低溫訊號的比

9、較，了解待測樣品在低溫下的變化趨勢並確定樣品封裝的結果不會受到低溫的影響而產生如鬆脫、斷路等情況發生。在此處，我們是以液態氮來達到所需的低溫環境(約為77K)。c. 低溫系統量測：經由上述訊號測試並確定在樣品製作及樣品封裝過程無誤後始可進入He3低溫系統中量測，同時在此更為低溫的量測環境中繼續對待測樣品進行訊號測試並藉此測試結果作為更進一步的實驗參考依據，如在高頻系統量測時欲選取的特定頻率範圍等。另外於低溫系統進行訊號測試時，特別要注意避免量測訊號功率過大進而造成系統溫度的上升。圖3-2(a)(b)表示編號Mbe6-102以及N383的CPW樣品元件，經由上述的訊號測試方法，個別於低溫下約1.

10、4K及約1.85K時，其傳輸頻率低於3GHz內的穿透訊號。我們可以見到Mbe6-102的CPW樣品元件的傳輸功率會隨著頻率增加而有較均勻的衰減情況，而N383的CPW樣品元件的傳輸訊號衰減情形則有較大的變化，表示訊號傳遞時受到較大的訊號反射影響。圖3-1 樣品訊號測試裝置圖(a)(b)圖3-2 (a)編號Mbe6-102的CPW樣品元件於1.4K低溫下的穿透訊號 (b)編號N383的CPW樣品元件於1.85K低溫下的穿透訊號4. 檢討與討論對於上述樣品處理的整體過程，由於我們仍未達到完全理想的目標成果，故以本部份對此加以討論。CPW樣品元件之製作對於在樣品元件製作上的問題，一是在樣品的處理過程

11、中並未在無塵室中進行，因此保持樣品的清潔仍有很大的問題。另外，就是由於樣品於顯影完後，其表面仍會殘留非常少量的光阻物質，若於蒸鍍金屬前能以電漿(plasma)去除可能殘留樣品表面的微量光阻，對於蒸鍍後的樣品表面將可形成更好的金屬接面。樣品封裝在樣品封裝的檢討中，其中對於CPW pad的製作設計上，由於目前仍以玻璃纖維為製作材質的情況下，因此其高頻量測的範圍無法超過3GHz。若是可以介電常數較大且組成較均勻的材質(如ceramic)，可使得樣品元件能有更高頻率的量測範圍。另外，在將已接線完成的CPW樣品元件接合於pad上時，為了避免接線本身過大的電感效應，需要注意導電端處的接線要越短越好(0.3

12、mm)，或是亦可以並聯接線的方式降低接線本身所產生的電感值。附錄A光微影製程的參數測試目的：利用光阻塗佈機及曝光機的可調整參數，使CPW mask的圖像成功地曝佈於樣品上，並維持設計圖像的線寬尺寸。光微影製程必須全程在黃光室中進行，其製程步驟如下：1. 樣品清洗(wafer cleaning):將準備好的樣品經過清洗程序去除表面殘留的有機物2.光阻塗佈(photoresist coating)：使用光阻塗佈機將光阻均勻的塗佈於樣品表面，使其光阻厚度約為1m。3. 軟烤(soft bake)：將上過光阻的樣品利用加熱板烘烤，目的在去除光阻內的溶劑以形成固態的薄膜，增強光阻層對樣品表面的附著力。4

13、. 曝光(exposure)：利用光罩對準機以紫外光源照射光阻層，使未被光罩圖案所遮蔽區域的光阻層吸收適當的能量，以便進行光化學轉換，而能夠在接下來的顯影步驟中，使被紫外光照射區域的光阻層可被除去。5. 顯影(development)：藉由與顯影液(呈鹼性)的中和反應將樣品表面部份經過曝光的光阻層(呈酸性)加以清除，接著以去離子水(DI-water)定影，並清除樣品上的殘留物質，再以氮氣槍吹乾即可。其中需注意的是，顯影時搖晃的速度與顯影液的溫度會影響顯影時間的長短。(1) 以 Si-wafer 做測試Spinner Coating初轉條件0(rpm)0(sec)末轉條件6000(rpm)40(sec)Soft Bake Condition (direct hotplate)70() 5(min)Exposure (OAI)25(sec)Development12(sec)可得到完整的pattern且接近準確的線寬(2) 以 GaAs-wafer 做測試Spinner Coating初轉條件0(rpm)0(sec)末轉條件6000(rpm)40(sec)Soft Bake Condition (direct hotplate)70() 5(min)Exposure (OAI)25(sec)Development12(sec)可得到完整的pattern且接近準確的線寬