專利名稱：射頻微電子機(jī)械單刀雙擲膜開關(guān)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種射頻微電子系統(tǒng)單刀雙擲膜開關(guān)及其制造方法，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
和傳統(tǒng)的半導(dǎo)體開關(guān)例如FET和PIN二極管開關(guān)相比較，由于在結(jié)構(gòu)上消除了金屬-半導(dǎo)體結(jié)和PN結(jié)，MEMS膜開關(guān)具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如消除了歐姆接觸中的接觸電阻和擴(kuò)散電阻，因此極大的減少了器件的電阻損耗；具有極低的三階互調(diào)積，從而顯著的減小了開關(guān)的諧波分量和互調(diào)分量，線性度非常好；具有較高的開關(guān)電容比，通常尺寸下，MEMS開關(guān)的開/關(guān)電容比約為20-100；靜電驅(qū)動(dòng)的RF MEMS開關(guān)具有極低的直流功耗，典型的瞬態(tài)功耗為10nJ；其幾乎能制作在任何襯底上。但是對此種開關(guān)的使用僅僅停留在單刀單擲階段，由于技術(shù)上難以突破，單刀雙擲的MEMS膜開關(guān)的研究進(jìn)展不大。因?yàn)閷?shí)際使用中需要很多單刀雙擲開關(guān)，因此MEMS膜開關(guān)相對于傳統(tǒng)半導(dǎo)體開關(guān)的諸多優(yōu)點(diǎn)無法全面發(fā)揮。
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種射頻微電子機(jī)械單刀雙擲膜開關(guān)及其制造方法，應(yīng)用該結(jié)構(gòu)可以解決和緩解MEMS開關(guān)中閾值電壓高、直流控制電壓對高頻信號產(chǎn)生干擾、共面波導(dǎo)損耗大的問題，并且可利用單刀單擲膜開關(guān)的諸多優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)單刀雙擲功能。本發(fā)明的MEMS單刀雙擲膜開關(guān)具有可靠性高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。
技術(shù)方案本發(fā)明的射頻微電子機(jī)械單刀雙擲膜開關(guān)的下側(cè)設(shè)有一個(gè)由微帶線構(gòu)成的微波T形頭，該微波T形頭的下端是一條用作高頻信號輸入端的信號線，兩側(cè)是兩條與之相連構(gòu)成對稱T形結(jié)構(gòu)的分支信號線，每條分支信號線上各有一個(gè)單刀單擲膜開關(guān)與之對稱相連。
單刀單擲膜開關(guān)的結(jié)構(gòu)為在襯底上表面的中間設(shè)有一條共面波導(dǎo)信號線，位于共面波導(dǎo)信號線兩側(cè)分別設(shè)有一條直流驅(qū)動(dòng)電極，位于直流驅(qū)動(dòng)電極外側(cè)分別設(shè)有一條共面波導(dǎo)地線，絕緣介質(zhì)層覆蓋在共面波導(dǎo)信號線和直流驅(qū)動(dòng)電極的中段，在絕緣介質(zhì)層的上方設(shè)有一個(gè)橫跨于共面波導(dǎo)信號線之上的平膜以及兩個(gè)支撐該平膜的支撐梁，其中平膜與絕緣介質(zhì)層之間為一層空氣間隙層。微波T形頭中每條分支信號線的有效長度b與分支信號線到共面波導(dǎo)信號線中點(diǎn)的長度a的總和為輸入高頻信號波長的1/4。
采用基于GaAs MMIC工藝制作，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明單刀雙擲膜開關(guān)中的單刀單擲膜開關(guān)的具體工藝流程如下a、準(zhǔn)備襯底選用砷化鎵回拋片，用濃HCL和氨水清洗，同時(shí)要注意觀測回拋片的步進(jìn)式光刻機(jī)的對準(zhǔn)標(biāo)記是否清晰；b、淀積并光刻形成微波T形頭微帶線的金屬地層在砷化鎵襯底上，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，使得保證在微波T形頭的下面形成一層金屬地層；c、淀積一層氮化硅層用PECVD工藝在裸露襯底及T形頭金屬地層上生長1000A的SiN介質(zhì)層；d、淀積并光刻共面波導(dǎo)信號線與地線、支撐梁的橋墩、直流驅(qū)動(dòng)電極以及微波T形頭微帶線的信號線在砷化鎵襯底上，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(dǎo)、支撐梁的橋墩、直流驅(qū)動(dòng)電極以及微波T形頭的信號線；e、生長絕緣介質(zhì)層在共面波導(dǎo)信號線及直流驅(qū)動(dòng)電極之上，平膜下方用PECVD工藝生長SiN絕緣介質(zhì)層，絕緣層的寬度為120um，長度由開關(guān)膜的長度確定；f、淀積并光刻犧牲層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)極板空氣間隙層的厚度，這可通過調(diào)節(jié)甩膠機(jī)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)膜下的犧牲層；g、濺射平膜并光刻在聚酰亞胺層上濺射用于電鍍的底金Ti/Au/Ti；h、光刻并腐蝕Ti/Au/Ti底金層，形成腐蝕孔；
i、電鍍金在55氰基溶液中電鍍金；j、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)膜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)膜結(jié)構(gòu)。
每個(gè)單刀單擲膜開關(guān)的工作原理為當(dāng)在直流驅(qū)動(dòng)電極上不施加電壓或施加0電壓時(shí)，開關(guān)平膜橫跨于共面波導(dǎo)信號線兩端，并通過兩個(gè)支撐梁支撐于共面波導(dǎo)兩條地線上，由于平膜和共面波導(dǎo)信號線的距離(包括空氣間隙層與介質(zhì)層的厚度之和較大，所以它們間的電容值很小，因此高頻信號可以幾乎不受影響地通過共面波導(dǎo)，開關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)在直流驅(qū)動(dòng)電極上施加直流電壓的值增加到某個(gè)值(該值稱為開關(guān)的閾值電壓)時(shí)，由于靜電吸引作用，平膜向下彎曲，并歙合到絕緣介質(zhì)層之上，此時(shí)由于平膜到共面波導(dǎo)信號線的距離(僅僅為絕緣介質(zhì)層的厚度)很小，所以它們間的電容值變得很大，高頻信號則被耦合到地，因此開關(guān)關(guān)斷。
本發(fā)明的這種單刀雙擲開關(guān)的工作原理為微波信號從微波T形頭微帶線的高頻信號輸入端輸入，并通過兩條分支線分為兩路，通過控制電路向兩個(gè)單刀單擲開關(guān)的直流驅(qū)動(dòng)電極上施加不同的電壓(例如，可在一個(gè)單刀單擲開關(guān)的直流驅(qū)動(dòng)電極上施加某個(gè)大于閾值電壓的直流電壓，而在另外開關(guān)的直流驅(qū)動(dòng)電極上施加0電壓)使得一個(gè)開關(guān)導(dǎo)通而另一個(gè)開關(guān)關(guān)斷，則在開關(guān)導(dǎo)通的支路信號通過而在開關(guān)關(guān)斷的支路信號截止，從而實(shí)現(xiàn)了單刀雙擲功能。
區(qū)分是否為該結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)如下(a)單刀雙擲開關(guān)中有一個(gè)由微帶線構(gòu)成的微波T形頭結(jié)構(gòu)，該微波T形頭結(jié)構(gòu)包括一條高頻信號輸入端微帶線與兩條各自和一個(gè)單刀單擲開關(guān)相連的分支信號線；(b)每個(gè)單刀單擲開關(guān)在共面波導(dǎo)信號線兩側(cè)各有一個(gè)直流驅(qū)動(dòng)電極，用以施加直流電壓來控制開關(guān)的開或關(guān)；(c)微波T形頭中每條分支信號線的有效長度b與分支微帶線到共面波導(dǎo)信號線中點(diǎn)長度a的總和為輸入高頻信號波長的1/4。
滿足以上幾個(gè)條件的結(jié)構(gòu)即應(yīng)視為該單刀雙擲膜開關(guān)結(jié)構(gòu)。
有益效果本發(fā)明的這種單刀雙擲膜開關(guān)具有如下的優(yōu)點(diǎn)①由于在單刀單擲開關(guān)中使用了兩個(gè)額外的直流驅(qū)動(dòng)電極，可以同過這兩個(gè)直流驅(qū)動(dòng)電極施加直流控制電壓來控制開關(guān)的開或關(guān)，避免了以往開關(guān)中通過共面波導(dǎo)信號線施加直流控制電壓時(shí)引起對傳輸高頻信號的干擾，因此可以很好的減小開關(guān)的非線性失真；②同樣是由于上述的兩個(gè)額外的直流驅(qū)動(dòng)電極的引入，使得直流控制電壓可以施加于開關(guān)平膜的兩側(cè)，這樣平膜可以更均勻的受力，可以更容易被所施加的直流控制電壓拉下，因此可以有效地減小開關(guān)的閾值電壓；③由于微波T形頭是由微帶線構(gòu)成的，與采用共面波導(dǎo)信號線相比，其減小了微波信號額外損耗；④由于從微波T形頭分支處到單個(gè)單刀雙擲開關(guān)膜下方的微波信號線的總長度為所傳輸高頻信號波長的1/4，在兩個(gè)開關(guān)中一個(gè)導(dǎo)通而另一個(gè)關(guān)閉時(shí)，關(guān)閉的開關(guān)即相當(dāng)于一個(gè)1/4波長短路器，因此其不對另一開關(guān)中傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生影響，即信號可以完全從另一開關(guān)中通過；⑤同時(shí)，由于本發(fā)明的開關(guān)是微電子機(jī)械技術(shù)制造，其為無源器件，因此和傳統(tǒng)的半導(dǎo)體開關(guān)相比，具有插入損耗小、隔離度高以及功率損耗小的優(yōu)點(diǎn)。
圖1是單刀單擲膜開關(guān)的平面示意圖，圖2是單刀單擲膜開關(guān)的剖面示意圖，圖3是單刀雙擲膜開關(guān)的平面示意圖，圖4是圖3中A-A’剖面的示意圖，圖5是本發(fā)明的插入損耗曲線圖，圖6是本發(fā)明中單個(gè)膜開關(guān)的隔離度和回波損耗曲線圖。
以上圖中有襯底1，單刀單擲膜開關(guān)10，微波T形頭11，信號輸入端信號線111，分支信號線112、113，共面波導(dǎo)信號線21，共面波導(dǎo)地線22，直流驅(qū)動(dòng)電極3，絕緣介質(zhì)層4，平膜5，支撐梁6，橋墩61，空氣間隙層7，微帶線的金屬地層8，介質(zhì)層9，分支信號線112、113的有效長度b，分支信號線113到共面波導(dǎo)信號線21中點(diǎn)的長度a。
具體實(shí)施例方式
對于本發(fā)明的射頻微電子機(jī)械單刀雙擲膜開關(guān)結(jié)構(gòu)，我們已經(jīng)設(shè)計(jì)出了完整的實(shí)現(xiàn)方案，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證測試出了較好的特性。這種射頻微電子機(jī)械單刀雙擲膜開關(guān)結(jié)構(gòu)方案具體如下本發(fā)明的射頻微電子機(jī)械單刀雙擲膜開關(guān)中有一個(gè)由微帶線構(gòu)成的微波T形頭11，其包括一條用作高頻信號輸入端的信號線111和兩條與之相連構(gòu)成對稱T形結(jié)構(gòu)的分支信號線112和113，每條分支信號線上各有一個(gè)單刀單擲膜開關(guān)10與之對稱相連。通過一個(gè)控制電路來控制兩個(gè)單刀單擲開關(guān)的的直流驅(qū)動(dòng)電極進(jìn)行開或關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)了單刀雙擲功能。其中，每個(gè)單刀單擲膜開關(guān)結(jié)構(gòu)10包括襯底1、一條共面波導(dǎo)信號線21、位于信號線兩側(cè)的兩個(gè)直流驅(qū)動(dòng)電極3、位于直流驅(qū)動(dòng)電極外側(cè)的兩條共面波導(dǎo)地線22、覆蓋共面波導(dǎo)信號線和直流驅(qū)動(dòng)電極一部分的絕緣介質(zhì)層4、一個(gè)橫跨于共面波導(dǎo)信號線之上的平膜5以及兩個(gè)支撐該平膜的支撐梁6，其中平膜5與絕緣介質(zhì)層4之間為一層空氣間隙層7。本發(fā)明中微波T形頭每條分支信號線122或123的長度b與分支信號線到共面波導(dǎo)信號線中點(diǎn)的長度a的總和為輸入高頻信號波長的1/4。
實(shí)現(xiàn)上述開關(guān)結(jié)構(gòu)的具體方法中包括微帶線微波T形頭結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法以及單刀單擲膜開關(guān)的實(shí)現(xiàn)方法，采用基于GaAs MMIC工藝制作器件。
其中實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的單刀雙擲膜開關(guān)中的單刀單擲膜開關(guān)的具體工藝流程如下a、準(zhǔn)備襯底1選用砷化鎵回拋片，用濃HCL和氨水清洗，同時(shí)要注意觀測回拋片的步進(jìn)式光刻機(jī)的對準(zhǔn)標(biāo)記是否清晰；b、淀積并光刻形成微波T形頭微帶線的金屬地層8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，使得保證在微波T形頭的下面形成一層金屬地層；c、淀積一層氮化硅層9用PECVD工藝在裸露襯底及T形頭金屬地層上生長1000A的SiN介質(zhì)層；d、淀積并光刻共面波導(dǎo)信號線與地線21和22、支撐梁6的橋墩61、直流驅(qū)動(dòng)電極3以及微波T形頭微帶線的信號線111、112、113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(dǎo)、支撐梁的橋墩、直流驅(qū)動(dòng)電極以及微波T形頭的信號線；e、生長絕緣介質(zhì)層4在共面波導(dǎo)信號線21及直流驅(qū)動(dòng)電極3之上，平膜5下方用PECVD工藝生長1000A的SiN絕緣介質(zhì)層。絕緣層的寬度為120um，長度由開關(guān)膜的長度確定；f、淀積并光刻犧牲層涂覆2um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)極板空氣間隙層7的厚度，這可通過調(diào)節(jié)甩膠機(jī)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)膜下的犧牲層；g、濺射平膜5并光刻在聚酰亞胺層上濺射用于電鍍的底金Ti/Au/Ti＝500/1500/300A；h、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；i、電鍍金在55氰基溶液中電鍍金，電鍍金層厚度為1.4um；j、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)膜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)膜結(jié)構(gòu)。
除此之外，整個(gè)技術(shù)方案中還需注意一些問題，其中包括微波T形頭微帶線的尺寸設(shè)計(jì)、介質(zhì)層厚度設(shè)計(jì)，其關(guān)系到高頻信號的損耗問題；驅(qū)動(dòng)電極與共面波導(dǎo)尺寸的設(shè)計(jì)，其對開關(guān)高頻特性及閾值電壓都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)的隔離度控制電路的設(shè)計(jì)，其關(guān)系到兩個(gè)開關(guān)導(dǎo)通與閉合的同步上極板膜可以使用平膜，也可使用折疊梁或T形梁以及其他形式，以進(jìn)一步降低開關(guān)的閾值電壓。
縱觀整個(gè)實(shí)現(xiàn)該單刀雙擲膜開關(guān)的工藝過程，其中沒有任何的特殊材料也未引進(jìn)任何的復(fù)雜特殊的工藝，完全與GaAs MMIC工藝相兼容。因此，應(yīng)用本發(fā)明中的單刀雙擲膜開關(guān)結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)且其可以實(shí)現(xiàn)直流、交流分離，改善開關(guān)的特性。
權(quán)利要求
1.一種射頻微電子機(jī)械單刀雙擲膜開關(guān)，其特征是在該單刀雙擲膜開關(guān)的下側(cè)設(shè)有一個(gè)由微帶線構(gòu)成的微波T形頭(11)，該微波T形頭(11)的下端是一條用作高頻信號輸入端的信號線(111)，兩側(cè)是兩條與之相連構(gòu)成對稱T形結(jié)構(gòu)的分支信號線(112、113)，每條分支信號線(112、113)上各有一個(gè)單刀單擲膜開關(guān)(10)與之對稱相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻微電子機(jī)械單刀雙擲膜開關(guān)，其特征是單刀單擲膜開關(guān)(10)的結(jié)構(gòu)為在襯底(1)上表面的中間設(shè)有一條共面波導(dǎo)信號線(21)，位于共面波導(dǎo)信號線(21)兩側(cè)分別設(shè)有一條直流驅(qū)動(dòng)電極(3)，位于直流驅(qū)動(dòng)電極(3)外側(cè)分別設(shè)有一條共面波導(dǎo)地線(22)，絕緣介質(zhì)層(4)覆蓋在共面波導(dǎo)信號線(21)和直流驅(qū)動(dòng)電極(3)的中段，在絕緣介質(zhì)層(4)的上方設(shè)有一個(gè)橫跨于共面波導(dǎo)信號線(21)之上的平膜(5)以及兩個(gè)支撐該平膜的支撐梁(6)，其中平膜(5)與絕緣介質(zhì)層(4)之間為一層空氣間隙層(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的射頻微電子機(jī)械單刀雙擲膜開關(guān)，其特征是微波T形頭(11)中每條分支信號線(112、113)的有效長度b與分支信號線(113)到共面波導(dǎo)信號線(21)中點(diǎn)的長度a的總和為輸入高頻信號波長的1/4。
4.一種如權(quán)利要求1所述的射頻微電子機(jī)械單刀雙擲膜開關(guān)的制造方法，其特征在于采用基于GaAs MMIC工藝制作，具體工藝流程如下a、準(zhǔn)備襯底(1)選用砷化鎵回拋片，用濃HCL和氨水清洗，同時(shí)要注意觀測回拋片的步進(jìn)式光刻機(jī)的對準(zhǔn)標(biāo)記是否清晰；b、淀積并光刻形成微波T形頭微帶線的金屬地層(8)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，使得保證在微波T形頭的下面形成一層金屬地層；c、淀積一層氮化硅層(9)用PECVD工藝在裸露襯底及T形頭金屬地層上生長1000A的SiN介質(zhì)層；d、淀積并光刻共面波導(dǎo)信號線與地線(21和22)、支撐梁(6)的橋墩(61)、直流驅(qū)動(dòng)電極(3)以及微波T形頭微帶線的信號線(111、112、113)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(dǎo)、支撐梁的橋墩、直流驅(qū)動(dòng)電極以及微波T形頭的信號線；e、生長絕緣介質(zhì)層(4)在共面波導(dǎo)信號線(21)及直流驅(qū)動(dòng)電極(3)之上，平膜(5)下方用PECVD工藝生長SiN絕緣介質(zhì)層；f、淀積并光刻犧牲層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)極板空氣間隙層(7)的厚度，這可通過調(diào)節(jié)甩膠機(jī)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)膜下的犧牲層；g、濺射平膜(5)并光刻在聚酰亞胺層上濺射用于電鍍的底金Ti/Au/Ti；h、光刻并腐蝕Ti/Au/Ti底金層，形成腐蝕孔；i、電鍍金在55氰基溶液中電鍍金；j、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)膜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)膜結(jié)構(gòu)。
全文摘要
射頻微電子機(jī)械單刀雙擲膜開關(guān)及其制造方法屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)領(lǐng)域。每個(gè)單刀雙擲膜開關(guān)中有一個(gè)由微帶線構(gòu)成的微波T形頭，其包括一條用作高頻信號輸入端的信號線和兩條與之相連構(gòu)成對稱T形結(jié)構(gòu)的分支信號線，每條分支信號線上各連接有一個(gè)相同的單刀單擲膜開關(guān)。微波T形頭中每條分支信號線的有效長度b與分支信號線到共面波導(dǎo)信號線中點(diǎn)的長度a的總和為輸入高頻信號波長的1/4。通過控制電路控制兩個(gè)單刀單擲膜開關(guān)的開或關(guān)來實(shí)現(xiàn)單刀雙擲功能。它解決了MEMS膜開關(guān)閾值電壓高且控制電壓干擾傳輸信號的問題，從而實(shí)現(xiàn)了低閾值電壓、低隔離度、低插入損耗及良好線性度的目的。其在材料、可靠性、可重復(fù)性及低成本方面具有優(yōu)越特點(diǎn)。
文檔編號H01H59/00GK1601685SQ20041006474
公開日2005年3月30日 申請日期2004年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月27日
發(fā)明者廖小平, 嚴(yán)捷 申請人:東南大學(xué)