專利名稱：低閥值直交流可分的微電子機械開關(guān)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是通過兩個驅(qū)動電極的設計，實現(xiàn)一種低閾值電壓直交流可分的MEMS開關(guān)的結(jié)構(gòu)設計，屬于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
MEMS開關(guān)具有低的插入損耗，高的隔離度，寬的工作頻帶，易與高速電子器件集成以及好的線性度，在象雷達和無線通訊等重量和體積要求嚴格的領(lǐng)域，得到了廣泛的應用。
并聯(lián)電容式膜開關(guān)與串聯(lián)接觸式開關(guān)相比其優(yōu)點在于消除了導線間直接接觸帶來的接觸損耗和微連接力。
傳統(tǒng)的MEMS電容式開關(guān)一般采用固支梁結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的MEMS開關(guān)具有如下的缺點較高的閾值電壓，通常尺寸的MEMS電容式開關(guān)的閾值電壓約為20～50V，而且直流和交流加載在同一條信號線上。
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種高可靠性、高重復性、低生產(chǎn)成本的低閾值直交流可分的微電子機械開關(guān)及其制造方法。
技術(shù)方案本發(fā)明的低閾值直交流可分的微電子機械開關(guān)以襯底為基底，在襯底的中間設有一條共面波導的信號線，在襯底的兩邊分別設有一條共面波導的地線，在共面波導的信號線與共面波導的地線之間設有直流驅(qū)動電極，在直流驅(qū)動電極和共面波導的信號線的中間窄帶部分的上面覆蓋絕緣層，在絕緣層的上部設有上極板可動膜，上極板可動膜的兩端固定在共面波導的地線上，絕緣層與上極板可動膜之間是間隙層。在上極板可動膜上可根據(jù)需要設有一個淺凹槽。
本發(fā)明的低閾值直交流可分的微電子機械開關(guān)的制造方法基于GaAs MMIC工藝實現(xiàn)，其制造方法為a、準備基片用濃HCL和氨水清洗砷化鎵襯底，觀測回拋片上的步進式光刻機的對準標記是否清晰；b、在準備的襯底上淀積并光刻共面波導、以及直流驅(qū)動電極在砷化鎵襯底上，先濺射AuGeNi/Au層，然后在超生發(fā)生器中剝離該金屬層，最后生成開關(guān)的共面波導、以及直流驅(qū)動電極的結(jié)構(gòu)；c、生長介質(zhì)保護層在共面波導的信號線和直流驅(qū)動電極上用PECVD工藝生長SiN絕緣層，并光刻d、淀積并光刻犧牲層在GaAs襯底上涂覆聚酰亞胺犧牲層并光刻，光刻聚酰亞胺犧牲層，僅保留上極板可動膜下的犧牲層，并在犧牲層中間形成一個淺凹；e、濺射上極板在聚酰亞胺層上濺射用于電鍍的Ti/Au/Ti底金層；f、光刻并腐蝕Ti/Au/Ti底金層，形成腐蝕孔；g、在Ti/Au/Ti底金層電鍍金；h、釋放犧牲層先用丙酮去除殘留的光刻膠，然后用顯影液溶解開關(guān)梁下的聚酰亞胺犧牲層，并用無水乙醇脫水。形成懸浮的可動膜結(jié)構(gòu)。
區(qū)分是否為該結(jié)構(gòu)的標準為(a)結(jié)構(gòu)自上而下分別為上極板可動膜；間隙層；絕緣層；共面波導的信號線，共面波導的地線和直流驅(qū)動電極；襯底。
(b)在固定梁的信號線兩端設計兩個直流驅(qū)動電極；(c)在可動膜上可根據(jù)需要設計一個淺凹，使膜在關(guān)態(tài)時與絕緣層良好接觸，抵消膜的應力。
滿足以上結(jié)構(gòu)即為我們所設計的結(jié)構(gòu)。
當開關(guān)導通時，信號經(jīng)由信號線直接輸出，當有外加直流驅(qū)動電壓時，開關(guān)梁在靜電力的作用下發(fā)生偏移。當直流電壓增大到某一值時，開關(guān)梁和絕緣層相接觸，處于關(guān)斷態(tài)，此時開關(guān)梁和共平面波導信號線間形成較大的耦合電容，信號被耦合到地，開關(guān)由“開”態(tài)變?yōu)椤瓣P(guān)”態(tài)。
有益效果與通常的膜開關(guān)相比，本發(fā)明的優(yōu)點為
1.開關(guān)的直流驅(qū)動電壓可加載在信號線兩端的電極上，從而減小了閾值電壓；2.可以直流交流分開；3.改善了開關(guān)的線性度；4.這種結(jié)構(gòu)可結(jié)合平膜梁，折疊梁以及T形梁一起使用；5.無粘粘現(xiàn)象；6工藝中用淺凹處理接觸問題；7.易于制造單刀多擲開關(guān)；8.制造工藝簡單，與GaAs MMIC工藝兼容。
基于以上低閾值直交流可分并聯(lián)膜開關(guān)結(jié)構(gòu)的特點，本發(fā)明很好的解決了閾值電壓高，直交流加載在同一條信號線上的問題，并易于實現(xiàn)器件的高可靠性、高重復性、低生產(chǎn)成本，很好的滿足微電子系統(tǒng)對器件的基本要求。因此，低閾值直交流可分并聯(lián)膜開關(guān)的結(jié)構(gòu)具有較好的應用價值和廣闊的市場潛力。
低閾值電壓直交流分離的MEMS(微電子機械系統(tǒng))開關(guān)具有以下幾個特征1.低損耗，高隔離度，工作頻帶寬2.與GaAs MMIC工藝兼容也可與高速電子器件集成3.由于設計了兩個額外的電極，這樣在降低開關(guān)閾值電壓的同時，還可以使信號直流交流分開，提高開關(guān)的線性度。此外，這種低閾值電壓的MEMS開關(guān)的制作工藝非常簡單。解決了原先實現(xiàn)MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)在材料，工藝，可靠性，可重復性和生產(chǎn)成本等諸多方面的問題。
圖1是低閾值直交流分離的MEMS開關(guān)俯視圖。
圖2是低閾值直交流分離的MEMS開關(guān)剖面圖。
圖3是低閾值直交流分離的MEMS開關(guān)俯視圖(去掉上層膜)。
圖4是開關(guān)的插入損耗和回波損耗示意圖。
圖5是開關(guān)的隔離度和回波損耗示意圖。
圖6是帶淺凹的膜開關(guān)的剖面圖。
圖7是帶淺凹的膜開關(guān)的俯視圖。
具體實施方案本發(fā)明的低閾值直交流可分的MEMS開關(guān)，以襯底7為基底，在襯底7的中間設有一條共面波導的信號線4，在襯底7的兩邊分別設有一條共面波導的地線6，在共面波導的信號線4與共面波導的地線6之間設有直流驅(qū)動電極5，在直流驅(qū)動電極5和共面波導的信號線4的中間窄帶部分的上面覆蓋絕緣層3，在絕緣層3的上部設有上極板可動膜1，上極板可動膜1的兩端固定在共面波導的地線6上，絕緣層3與上極板可動膜1之間是間隙層2。在上極板可動膜1上可設有一個淺凹槽8。
基于GaAS工藝實現(xiàn)低閾值直交流可分的MEMS開關(guān)具體工藝步驟和參數(shù)如下1.準備基片微機械開關(guān)的襯底由于選用的是砷化鎵回拋片，所以必須用濃HCL和氨水清洗，同時要注意觀測回拋片上的步進式光刻機的對準標記是否清晰。
2.淀積并光刻共面波導、以及直流驅(qū)動電極在砷化鎵襯底上，先濺射800/300/2200A的AuGeNi/Au層，然后在超生發(fā)生器中剝離該金屬層，最后生成開關(guān)的共面波導、以及直流驅(qū)動電極(5)結(jié)構(gòu)。共面波導尺寸為84-140-84um，不均勻區(qū)長度340um，不均勻區(qū)共面波導尺寸為300-140-300um。
3.生長介質(zhì)保護層在共面波導的信號線和直流驅(qū)動電極上，固定梁的上面用PECVD工藝生長1000A的SiN絕緣層，并光刻。絕緣層的寬度為120um。
4.淀積并光刻犧牲層在GaAs襯底上涂覆聚酰亞胺犧牲層并光刻。聚酰亞胺犧牲層的厚度決定了開關(guān)極板間隙，選擇為2um。這可通過調(diào)節(jié)甩膠機的轉(zhuǎn)速和聚酰亞胺溶液的濃度來改變犧牲層的厚度。光刻聚酰亞胺犧牲層，僅保留開關(guān)梁下的犧牲層，并在梁中間形成一個淺凹，以在關(guān)態(tài)形成良好接觸。
5.濺射上極板在聚酰亞胺層上濺射用于電鍍的底金Ti/Au/Ti＝500/1500/300A6.光刻并腐蝕Ti/Au/Ti底金層，形成腐蝕孔腐蝕孔的尺寸為8×8um，7、電鍍金在55氰基溶液中在Ti/Au/Ti底金層電鍍金，電鍍金層厚度為1.4um，梁長L為380um，梁寬60um，8、釋放犧牲層先用丙酮去除殘留的光刻膠，然后用顯影液溶解開關(guān)梁下的聚酰亞胺犧牲層，并用無水乙醇脫水。形成懸浮的開關(guān)梁結(jié)構(gòu)。
除此之外，整個技術(shù)方案中還需注意一些問題，其中包括驅(qū)動電極與共面波導尺寸的設計，這對于整體器件結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)、閾值電壓的大小，非線性特性都是具有十分重要的意義；犧牲層的選擇，這決定了釋放后表面的粗糙程度和關(guān)態(tài)的電容值，關(guān)系到開關(guān)的隔離度；可在上極板膜上設計一個淺凹以使上極板微凹，以抵消膜的殘余應力，使膜關(guān)態(tài)時跟下極板良好接觸，提高隔離度；上極板膜可以使用平膜，也可使用折疊梁或T型梁，以進一步降低開關(guān)的閾值電壓。
縱觀整個實現(xiàn)該低閾值直交流可分的MEMS開關(guān)的工藝過程，其中沒有任何的特殊材料也未引進任何的復雜特殊的工藝，完全與GaAs MMIC工藝相兼容。因此，應用本發(fā)明中的低閾值直交流可分的MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)可以降低開關(guān)的閾值電壓，實現(xiàn)直交流分離，改善開關(guān)的特性。
權(quán)利要求
1.一種低閾值直交流可分的微電子機械開關(guān)，其特征在于該微電子機械開關(guān)以襯底(7)為基底，在襯底(7)的中間設有一條共面波導的信號線(4)，在襯底(7)的兩邊分別設有一條共面波導的地線(6)，在共面波導的信號線(4)與共面波導的地線(6)之間設有直流驅(qū)動電極(5)，在直流驅(qū)動電極(5)和共面波導的信號線(4)的中間窄帶部分的上面覆蓋絕緣層(3)，在絕緣層(3)的上部設有上極板可動膜(1)，上極板可動膜(1)的兩端固定在共面波導的地線(6)上，絕緣層(3)與上極板可動膜(1)之間是間隙層(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低閾值直交流可分的微電子機械開關(guān)，其特征在于在上極板可動膜(1)上設有一個淺凹槽(8)。
3.一種如權(quán)利要求1所述的低閾值直交流可分的微電子機械開關(guān)的制造方法，其特征在于該微電子機械開關(guān)基于GaAs工藝的實現(xiàn)，其制造方法為a、準備基片用濃HCL和氨水清洗砷化鎵襯底(7)，觀測回拋片上的步進式光刻機的對準標記是否清晰；b、在準備的襯底(7)上淀積并光刻共面波導、以及直流驅(qū)動電極(5)在砷化鎵襯底(7)上，先濺射AuGeNi/Au層，然后在超生發(fā)生器中剝離該金屬層，最后生成開關(guān)的共面波導、以及直流驅(qū)動電極(5)的結(jié)構(gòu)c、生長介質(zhì)保護層在共面波導的信號線(4)和直流驅(qū)動電極(5)上用PECVD工藝生長SiN絕緣層，并光刻；d、淀積并光刻犧牲層在GaAs襯底(7)上涂覆聚酰亞胺犧牲層并光刻，光刻聚酰亞胺犧牲層，僅保留上極板可動膜(1)下的犧牲層，并在犧牲層中間形成一個淺凹；e、濺射上極板在聚酰亞胺層上濺射用于電鍍的Ti/Au/Ti底金層；f、光刻并腐蝕Ti/Au/Ti底金層，形成腐蝕孔；g、在Ti/Au/Ti底金層電鍍金；h、釋放犧牲層先用丙酮去除殘留的光刻膠，然后用顯影液溶解開關(guān)梁下的聚酰亞胺犧牲層，并用無水乙醇脫水。形成懸浮的可動膜(1)結(jié)構(gòu)。
全文摘要
低閾值直交流可分的微電子機械開關(guān)及其制造方法是通過兩個驅(qū)動電極的設計，實現(xiàn)一種低閾值電壓直交流可分的MEMS開關(guān)的結(jié)構(gòu)設計，其制造方法為a.準備基片用濃HCl和氨水清洗砷化鎵襯底；b.在準備的襯底上淀積并光刻共面波導、以及直流驅(qū)動電極，生成開關(guān)的共面波導、以及直流驅(qū)動電極的結(jié)構(gòu)；c.生長介質(zhì)保護層用PECVD工藝生長SiN絕緣層；d.淀積并光刻犧牲層在GaAs襯底上涂覆聚酰亞胺犧牲層并光刻；e.濺射上極板在聚酰亞胺層上濺射用于電鍍的Ti/Au/Ti底金層；f.光刻并腐蝕Ti/Au/Ti底金層，形成腐蝕孔；g.在Ti/Au/Ti底金層電鍍金；h.釋放犧牲層形成懸浮的可動膜結(jié)構(gòu)。
文檔編號H01H49/00GK1588601SQ20041006468
公開日2005年3月2日 申請日期2004年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月20日
發(fā)明者廖小平, 蔡潔 申請人:東南大學