崑山科技大學研究計畫成果報告

製作微波透明導電薄膜委託案-製作奈米金屬化

透明傳輸線與製作奈米金屬化透明共振器

計畫名稱：製作微波透明導電薄膜委託案-製作奈米金屬化透

明傳輸線與製作奈米金屬化透明共振器

合作廠商：金屬工業研究發展中心

計畫主持人：金屬工業中心研究員 洪政源 博士

崑山科技大學 電腦與通訊系 吳宏偉 副教授

摘要

本計畫之目的在於以奈米金屬噴印技術(Nano ink-jet conductive technique)

與射頻磁控濺鍍法(RF sputtering)製作多層透明導電薄膜，實現透明雙頻濾波器

與多工器。利用 3 層透明導電薄膜(AZO/Ag/AZO 與 AZO/Au/AZO)作為導體，

實現操作頻率在2.4/5.2 GHz (for WLAN)透明雙頻濾波器與 2.4 / 3.5 / 5.2 GHz之

透明多工器。其光電特性需維持超低電阻率(10-5～10-6 Ω-cm)與高透光率(~50%)。

在製程上，以奈米金屬噴印技術(沈積中間金屬層)與射頻磁控濺鍍機(用以沈積

AZO 薄膜)實現超低電阻率之多層透明導電薄膜。

在透明雙頻濾波器與多工器之結構與頻率響應上，植入損失(Insertion loss, -20log|S21|)皆在-3 dB 以內；返回損失(Return loss, -20log|S11|)皆需低於-25 dB 以下以及晶片面積約在 3×3 cm2。

一、 前言及研究目的

近年來，透明電子元件(Transparent electronics)是一個相當熱門的研究研究

主題。圖 1 所示為透明電子元件之發展趨勢。在今日(First wave)，LCD 面板、

觸控面板與薄膜太陽電池已被熱烈討論與研究。透明導電薄膜(包含單層、雙層

與多層結構等)的研究亦有相當豐碩的成果。在未來 2012–2017 年間，透明電

子元件的第二波技術提昇潮(Second wave)將會到來。其中，最具指標性技術的

即是次世代電子紙(Electronic paper)、透明主動矩陣式有機發光二極體面板

(Transparent active matrix OLED panel)、透明平板電腦(Small transparent display)

與透明太陽電池等。在第三波技術提昇潮(Third wave)中，透明 CMOS IC、透明

智慧通行卡(Smart card)與高解析大尺寸透明顯示器等。這些先進技術的研發著

實為人類提供更便捷的生活，亦激起申請人想要投入該領域的熱情與決心。在

第二波技術提昇潮中，可發現許多新技術皆需與無線通訊技術結合，例如上述

之次世代電子紙與手持式透明平板電腦等。要達到全透明的目標，勢必在無線

通訊元件上需進一步開發研究。

圖 1 透明電子元件之發展趨勢。

資料來源：Nikkei Electronics Asia, 2010

圖 2(a)與(b)所示為 ZnO-based 透明電晶體與透明薄膜電晶體之實物展示。

與 ITO 相較，ZnO 具有下列優點：(1)鋅的資源豐富，價格遠低於銦，而且沒有

毒性。(2)結晶溫度低，可以在 200 °C 左右形成結晶膜。(3)低電阻，AZO (Al-doped

ZnO)和 GZO (Ga-doped ZnO)都能達到 2×10-4 Ω-cm 的電阻率。(4)高穿透率，在

相同的膜厚下，ZnO 的穿透率高於 ITO。(5) ZnO 的抗還原性佳，很適合用於薄

膜矽太陽電池的透明電極。在射頻前端(RF front-end)中，以氧化鋅(ZnO)或

a-IGZO 為 底 材 的 透 明 主 動 元 件 ， 例 如 ： 金 氧 半 場 效 電 晶 體

(Metal-Oxide-Semiconductor field effects transistor, MOSFET)，皆已有相當豐碩的

研究成果。其該透明電晶體的載子遷移率(Mobility)早已突破 200 cm2/Vs，更進

一步朝向 1000 cm2/Vs 以上繼續發展。因此，在射頻主動元件領域已有成熟且

穩定的發展。圖 2(c)-(e)所示為透明無線通訊產品之應用。透明無線通訊元件的

研發是必需的。在透明射頻被動元件(Passives)之研究領域中，例如天線(Antenna)

與濾波器(Filter)等屬最具價值與指標性的功能性被動元件；目前僅處於萌芽期，

在透明天線上，目前約僅有十餘篇的研究論文相繼發表(2003–2011)。在透明

濾波器上，截至目前尚未有研究成果發表。

(a) (b)

(c) (d) (e) 圖 2 (a)ZnO-based 透明電晶體、(b)透明薄膜電晶體(TFT)、(c)透明平板電腦、(d)透明行動電話與(e)透明筆記型電腦螢幕。資料來源：electricpig.co.uk, surfpk.com and vitsnspeceendeavours.blogspot.com.

二、 研究方法

本計畫擬以射頻磁控濺鍍法(用以沈積 AZO 薄膜)與奈米金屬噴印法(用以沈積金屬層)實現透明微波元件。3 層透明導電薄膜(AZO/Ag/AZO 與 AZO/Au/AZO)作為導體，實現操作頻率在 2.4/5.2 GHz (for WLAN)透明雙頻濾波器與 2.4 / 3.5 / 5.2 GHz 之透明多工器。其光電特性需維持超低電阻率(10-5～10-6 Ω-cm)與高透光率(~50%)。在製程上，以奈米金屬噴印技術(沈積中間金屬層)與射頻磁控濺鍍機(用以沈積 AZO 薄膜)實現超低電阻率之多層透明導電薄膜。 在製程設備與方法上，以射頻磁控濺鍍法成長 AZO 薄膜，並控制基板溫度在70°C – 150°C、氣體流量在 100 – 200 sccm 與氣體壓力約在 3×10-6 torr 之條件下，厚度約在 30nm。另外，由於透明導電薄膜的電阻率(Resistivity, ρ)與中間金屬層之材料品質與厚度有極密切的關係，故使用奈米金屬噴印技術成長 Ag (與 Au) layer 並分析厚度在 5 – 15 nm 對於該薄膜光電特性之影響。本計畫使用兩種製程方法，分別製作 AZO 與 Ag (and Au)薄膜以追求最佳的光電特性，如圖 3 與圖 4所示。待完成薄膜之材料分析後，將製作 50 歐姆微帶線與共面波導線結構，配合 On-chip 高頻量測平台(國家晶片系統設計中心)進行微波特性分析，：包含以材料觀點之總損失(αt)、導體損失(αc)、介電損失(αd)、介電常數(εr)、損失正切(tanδ)以及以元件觀點之有效介電常數(εreff)、特性阻抗(Z0)、等效 RLGC 模型與平均功率承載能力。

(a) (b) 圖 3 製程設備 (a)奈米金屬噴印機與(b)射頻磁控濺鍍機。

圖 4 奈米金屬噴印機結構。(a)結構示意圖、(b)噴孔機構與(c)壓電校正與阻抗匹配結構。 在透明雙頻濾波器與多工器之結構與頻率響應上，擬以均勻阻抗共振器與步階式阻抗共振器為主要結構；設計並實現中心頻率在2.4 / 5.2 GHz與2.4 / 3.5 / 5.2 GHz、頻寬比約為 20% / 10%與 20 / 10 / 10 %、植入損失(Insertion loss, -20log|S21|)皆在-3 dB 以內以及返回損失(Return loss, -20log|S11|)皆需低於-25 dB 以下。在設計方法上。圖 5 所示為典型的步階式阻抗共振器。該共振器為左右對稱且由二種不同阻抗 Z1 及 Z2 之微帶傳輸線所組成，(阻抗比為 K=Z2/Z1)。若 K1，高阻抗-低阻抗-高阻抗，如圖 5(b)所式；若 K

(a) (b) (c) 圖 5 阻抗比為(a)K＜1、(b)K＞1 之步階式阻抗共振器與(c)非對稱步階式阻抗共振器。 當步階式阻抗共振器為 K1 時，其輸入阻抗推導的方式都相同。該步階式阻抗共振器分別是藉由兩種不同的阻抗 Z1、Z2 及其輸入阻抗 Yin1、Yin2所構成，電子長度分別為 θ1、θ2 及總長度 θT=2(θ1+θ2)。Yin 為

212

22

12

21212 tantan)1(2)tan1()tan1(

)tantan()tantan(2θθθθ

θθθθ⋅⋅+−−⋅−

⋅−⋅+⋅=

KKKKjYYin (1a)

若為非對稱步階式阻抗共振器(ASIR)，其 Yin為

[ ]2 2 1 1

2 1 1 2 2

(cot - tan ) (cot - tan ) 0.5(cot - tan )(cot - tan ) - 2inKY j

Z Kθ θ θ θθ θ θ θ

+= (1b)

以對稱步階式阻抗共振器為例，當共振情況時，輸入導納 Yin=0。經過上式的推導，我們得到下面的式子

1 2tan tan K θ θ= (奇模態) (2a)

1 2cot tanK θ θ= − (偶模態) (2b) 在此更詳細的制訂 θ1、θ2 及 θT的關係式：

( ) t2

21

2

θ2θ

θθθ α =+

= (3)

再將(2)式改寫， ( )

−=

⋅

2θ α1tan

2θ αcot K tt (奇模態) (4a)

( )

−−=

⋅

2θ α1 cot

2θ αcot K tt (偶模態) (4b)

藉由控制(4a)與(4b)式中 K 及 α 的比例，即可設計出不同的模態響應(f0：第一共振點之中心頻率、fs1：第二共振點之中心頻率與 fs2：第三共振點之中心頻率)，以符合多頻帶濾波器之規格。舉例來說，以無線區域網路(WLAN)規格來設計雙頻濾波器，第一通帶需位於 2.4 GHz，第二通帶需位於 5.2 GHz。因此，5.2 / 2.4 = 2.17，若選擇 K = 0.5，可找出共振器的長度參數 α 要為 0.27 或是 0.88。若考慮電路尺寸，α = 0.27 是較適合的尺寸參數。因此，一個符合 WLAN 2.4 / 5.2 GHz之雙頻濾波器的通帶位置即可決定，如圖 6(a)所示。 以設計多工器為例，可利用兩組不同結構參數(K 與 α)之非對稱步階式阻抗共振器，以交錯耦合的方式排列，第一組非對稱步階式阻抗共振器(K = 0.5; α = 0.27)之通帶頻率位置設計在 2.4 / 5.2 GHz，第二組非對稱步階式阻抗共振器(K = 0.55; α = 0.8)之通帶頻率位置設計在 3.5 / 6.8 GHz，即可決定該多工器的通帶位置，如圖 6(b)所示(A 點與 B 點)。然而，步階式阻抗共振器只能決定每一個通帶的頻率位置，至於頻寬、通帶衰減速度、植入損失與通帶間阻隔度需再考量濾波器的整

體結構、共振器間的耦合係數、共振器階數或頻率響應類型。圖 7 所示為操作在

2.5 / 5.2 GHz 與 2.4 / 3.5 / 5.2 GHz 之透明雙頻濾波器與多工器之結構。圖 8 所示為透明雙頻濾波器與多工器之製程流程圖。需注意的是，為了在量測時可清楚分

辨透明導體之位置，故在接地電極(Ground pad)處將視實際狀況再鍍上一層金屬(Ag or Au)薄膜。

(a) (b) 圖 6 (a)對稱步階式阻抗共振器與(b)非對稱步階式阻抗共振器之模態響應 (已正規化)。

(a) (b) (c) 圖 7 操作在 2.5 / 5.2 GHz 與 2.4 / 3.5 / 5.2 GHz 之(a)、(b)透明雙頻濾波器與(c)多工器之結構示意圖。(灰色區域表示為多層透明導電薄膜)

圖 8 透明雙頻濾波器與多工器之擬定製程流程。

三、結果與討論

本實驗最主要是使用 Dimatix Materials Printer(DMP–2800)設備，研究軟性基材之噴墨導線狀況分析與可撓程度，噴印之導線是否均勻成形，則受基板移動速度、

液滴間距、基板溫度、燒結溫度等所影響。

(a) (b)

(c) 圖 9 (a)DMP-2800 奈米金屬噴印機 (b) 奈米金屬噴印操作介面 (c) 奈米

金屬噴印觀墨系統

(a) (b)

(c) 圖 10 使用設備 (a) Hot Plate 加熱平台(b) 表面輪廓量測儀 (c) 四點探針電阻量

測儀 由於奈米銀之特性是為關鍵因素，因此奈米銀的品質檢測技術與其標準示相當重

要，為進一步得到品質優劣與電壓響應 兩者間的關係，由諸實驗結果得知，以150℃退火之奈米銀具有最佳之結晶品質和最大之晶格強度。

圖11 奈米銀噴印在基板上加熱在150℃與130℃的電組率

圖12 噴印在PET機板上的濾波器結構

觀察噴印結果發現，於基板溫度在 30℃及 60℃，液滴噴射期間 2 至 5 μs 下，可得到之奈米銀線寬介於 0.02 至 0.08 mm 之間。最佳噴印品質則可於以下噴印條件下獲得：基板溫度 60℃、基板移動速度 1 mm/ s 及液滴噴射期間 4.032 μs。乾燥後圖形於奈米銀經 150℃處理 20 分鐘還原後，獲得均勻線寬 0.08 mm 。

四、結論

透明電子元件是相當熱門的研究主題，為了能實現在透明薄膜上產生電路，軟性基板日後可導入許多電子產品，針對電子書、OLED 顯示器 設備，對未來使用者有很大的幫助。目前平面顯示器所使用的基板材料主要以玻璃基板為主，

而玻璃 基板有其先天材料上的限制，當平面顯示器的基板越作越大時，大尺 寸玻璃基板由於玻璃比重大又易碎裂的特性，將提高產品成本與降低 生產不良率，且玻璃基板難以做到可撓曲的產品，為了發展更輕更薄 的新世代顯示器，塑膠基板就成為市場上受矚目的新產品。