專利名稱：射頻微電子機械單刀雙擲膜開關的制作方法
技術領域：
本實用新型是關于一種射頻微電子系統(tǒng)單刀雙擲膜開關，屬于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術領域。
背景技術：
和傳統(tǒng)的半導體開關例如FET和PIN二極管開關相比較，由于在結構上消除了金屬-半導體結和PN結，MEMS膜開關具有很多優(yōu)點，例如消除了歐姆接觸中的接觸電阻和擴散電阻，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的諧波分量和互調(diào)分量，線性度非常好；具有較高的開關電容比，通常尺寸下，MEMS開關的開/關電容比約為20-100；靜電驅動的RF MEMS開關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。但是對此種開關的使用僅僅停留在單刀單擲階段，由于技術上難以突破，單刀雙擲的MEMS膜開關的研究進展不大。因為實際使用中需要很多單刀雙擲開關，因此MEMS膜開關相對于傳統(tǒng)半導體開關的諸多優(yōu)點無法全面發(fā)揮。
發(fā)明內(nèi)容
技術問題本實用新型的目的是提供一種射頻微電子機械單刀雙擲膜開關，應用該結構可以解決和緩解MEMS開關中閾值電壓高、直流控制電壓對高頻信號產(chǎn)生干擾、共面波導損耗大的問題，并且可利用單刀單擲膜開關的諸多優(yōu)點實現(xiàn)單刀雙擲功能。本發(fā)明的MEMS單刀雙擲膜開關具有可靠性高、成本低的優(yōu)點。
技術方案本實用新型的射頻微電子機械單刀雙擲膜開關的下側設有一個由微帶線構成的微波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，兩側是兩條與之相連構成對稱T形結構的分支信號線，每條分支信號線上各有一個單刀單擲膜開關與之對稱相連。
單刀單擲膜開關的結構為在襯底上表面的中間設有一條共面波導信號線，位于共面波導信號線兩側分別設有一條直流驅動電極，位于直流驅動電極外側分別設有一條共面波導地線，絕緣介質(zhì)層覆蓋在共面波導信號線和直流驅動電極的中段，在絕緣介質(zhì)層的上方設有一個橫跨于共面波導信號線之上的平膜以及兩個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信號線中點的長度a的總和為輸入高頻信號波長的1/4。
每個單刀單擲膜開關的工作原理為當在直流驅動電極上不施加電壓或施加0電壓時，開關平膜橫跨于共面波導信號線兩端，并通過兩個支撐梁支撐于共面波導兩條地線上，由于平膜和共面波導信號線的距離(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，開關導通；當在直流驅動電極上施加直流電壓的值增加到某個值(該值稱為開關的閾值電壓)時，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，此時由于平膜到共面波導信號線的距離(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，因此開關關斷。
本實用新型的這種單刀雙擲開關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單刀單擲開關的直流驅動電極上施加不同的電壓(例如，可在一個單刀單擲開關的直流驅動電極上施加某個大于閾值電壓的直流電壓，而在另外開關的直流驅動電極上施加0電壓)使得一個開關導通而另一個開關關斷，則在開關導通的支路信號通過而在開關關斷的支路信號截止，從而實現(xiàn)了單刀雙擲功能。
區(qū)分是否為該結構的標準如下(a)單刀雙擲開關中有一個由微帶線構成的微波T形頭結構，該微波T形頭結構包括一條高頻信號輸入端微帶線與兩條各自和一個單刀單擲開關相連的分支信號線；(b)每個單刀單擲開關在共面波導信號線兩側各有一個直流驅動電極，用以施加直流電壓來控制開關的開或關；(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信號線中點長度a的總和為輸入高頻信號波長的1/4。
滿足以上幾個條件的結構即應視為該單刀雙擲膜開關結構。
有益效果本實用新型的這種單刀雙擲膜開關具有如下的優(yōu)點①由于在單刀單擲開關中使用了兩個額外的直流驅動電極，可以同過這兩個直流驅動電極施加直流控制電壓來控制開關的開或關，避免了以往開關中通過共面波導信號線施加直流控制電壓時引起對傳輸高頻信號的干擾，因此可以很好的減小開關的非線性失真；②同樣是由于上述的兩個額外的直流驅動電極的引入，使得直流控制電壓可以施加于開關平膜的兩側，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的閾值電壓；③由于微波T形頭是由微帶線構成的，與采用共面波導信號線相比，其減小了微波信號額外損耗；④由于從微波T形頭分支處到單個單刀雙擲開關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，在兩個開關中一個導通而另一個關閉時，關閉的開關即相當于一個1/4波長短路器，因此其不對另一開關中傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生影響，即信號可以完全從另一開關中通過；⑤同時，由于本實用新型的開關是微電子機械技術制造，其為無源器件，因此和傳統(tǒng)的半導體開關相比，具有插入損耗小、隔離度高以及功率損耗小的優(yōu)點。
圖1是單刀單擲膜開關的平面示意圖，圖2是單刀單擲膜開關的剖面示意圖，圖3是單刀雙擲膜開關的平面示意圖，圖4是圖3中A-A’剖面的示意圖，圖5是本實用新型的插入損耗曲線圖，圖6是本實用新型中單個膜開關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，共面波導信號線21，共面波導地線22，直流驅動電極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到共面波導信號線21中點的長度a。
具體實施方式
對于本實用新型的射頻微電子機械單刀雙擲膜開關結構，我們已經(jīng)設計出了完整的實現(xiàn)方案，并通過試驗驗證測試出了較好的特性。這種射頻微電子機械單刀雙擲膜開關結構方案具體如下本實用新型的射頻微電子機械單刀雙擲膜開關中有一個由微帶線構成的微波T形頭11，其包括一條用作高頻信號輸入端的信號線111和兩條與之相連構成對稱T形結構的分支信號線112和113，每條分支信號線上各有一個單刀單擲膜開關10與之對稱相連。通過一個控制電路來控制兩個單刀單擲開關的的直流驅動電極進行開或關，從而實現(xiàn)了單刀雙擲功能。其中，每個單刀單擲膜開關結構10包括襯底1、一條共面波導信號線21、位于信號線兩側的兩個直流驅動電極3、位于直流驅動電極外側的兩條共面波導地線22、覆蓋共面波導信號線和直流驅動電極一部分的絕緣介質(zhì)層4、一個橫跨于共面波導信號線之上的平膜5以及兩個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信號線中點的長度a的總和為輸入高頻信號波長的1/4。
實現(xiàn)上述開關結構的具體方法中包括微帶線微波T形頭結構的實現(xiàn)方法以及單刀單擲膜開關的實現(xiàn)方法，采用基于GaAs MMIC工藝制作器件。
其中實現(xiàn)本實用新型的單刀雙擲膜開關中的單刀單擲膜開關的具體工藝流程如下a、準備襯底1選用砷化鎵回拋片，用濃HCL和氨水清洗，同時要注意觀測回拋片的步進式光刻機的對準標記是否清晰；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信號線與地線21和22、支撐梁6的橋墩61、直流驅動電極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，最后生成開關的共面波導、支撐梁的橋墩、直流驅動電極以及微波T形頭的信號線；e、生長絕緣介質(zhì)層4在共面波導信號線21及直流驅動電極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極板空氣間隙層7的厚度，這可通過調(diào)節(jié)甩膠機的轉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＝500/1500/300Ah、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，形成懸浮的開關膜結構。
除此之外，整個技術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計、介質(zhì)層厚度設計，其關系到高頻信號的損耗問題；驅動電極與共面波導尺寸的設計，其對開關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態(tài)的電容值，關系到開關的隔離度；控制電路的設計，其關系到兩個開關導通與閉合的同步；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，以進一步降低開關的閾值電壓。
縱觀整個實現(xiàn)該單刀雙擲膜開關的工藝過程，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)明中的單刀雙擲膜開關結構易于實現(xiàn)且其可以實現(xiàn)直流、交流分離，改善開關的特性。
權利要求1.一種射頻微電子機械單刀雙擲膜開關，其特征是在該單刀雙擲膜開關的下側設有一個由微帶線構成的微波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)，兩側是兩條與之相連構成對稱T形結構的分支信號線(112、113)，每條分支信號線(112、113)上各有一個單刀單擲膜開關(10)與之對稱相連。
2.根據(jù)權利要求1所述的射頻微電子機械單刀雙擲膜開關，其特征是單刀單擲膜開關(10)的結構為在襯底(1)上表面的中間設有一條共面波導信號線(21)，位于共面波導信號線(21)兩側分別設有一條直流驅動電極(3)，位于直流驅動電極(3)外側分別設有一條共面波導地線(22)，絕緣介質(zhì)層(4)覆蓋在共面波導信號線(21)和直流驅動電極(3)的中段，在絕緣介質(zhì)層(4)的上方設有一個橫跨于共面波導信號線(21)之上的平膜(5)以及兩個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)權利要求1或2所述的射頻微電子機械單刀雙擲膜開關，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)到共面波導信號線(21)中點的長度a的總和為輸入高頻信號波長的1/4。
專利摘要射頻微電子機械單刀雙擲膜開關屬于微電子機械系統(tǒng)領域。每個單刀雙擲膜開關中有一個由微帶線構成的微波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成對稱T形結構的分支信號線，每條分支信號線上各連接有一個相同的單刀單擲膜開關。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信號線中點的長度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單刀單擲膜開關的開或關來實現(xiàn)單刀雙擲功能。它解決了MEMS膜開關閾值電壓高且控制電壓干擾傳輸信號的問題，從而實現(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、可重復性及低成本方面具有優(yōu)越特點。
文檔編號H01H59/00GK2729890SQ20042007978
公開日2005年9月28日 申請日期2004年9月27日 優(yōu)先權日2004年9月27日
發(fā)明者廖小平, 嚴捷 申請人:東南大學