一种K波段双桥电容式RFMEMS开关的设计与制作3-Journalof.PDF

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　　第 26 卷 第 7 期 半 导 体 学 报 Vol . 26 No . 7 2005 年 7 月 C H IN ESE J OU RNAL O F SEM ICONDU C TOR S J uly ,2005 一种 K 波段双桥电容式 RF MEMS 开关的 设计与制作 雷啸锋 刘泽文 宣 云 韦 嘉 李志坚 刘理天 (清华大学微电子学研究所 , 北京 100084) 摘要 : 介绍了一种 K 波段双桥结构的电容式 RF M EM S 开关. 该开关的结构特点是 , 以共面波导上的悬空金属膜 为双桥结构 ,并且膜桥的支撑呈折叠弹簧结构. 使用 A gilent AD S 软件对该开关进行了设计和优化 ,结果表明 ,相比 传统电容式单桥开关 ,该开关隔离度性能得到了很大提高. 利用表面微机械工艺 ,在高阻硅衬底上制备了开关样 品. 双桥开关的在片测试结果表明:驱动电压为 195V ,“开”态的插入损耗约 16dB @196 GHz ,“关”态的隔离度约 460dB @196 GHz . 关键词 : RF M EM S ; 开关 ; 双桥结构 ; 高隔离度 PACC : 2220 ; 2570 ; 3220D 中图分类号 : TN 304 文献标识码 : A 文章编号 : 02534 177 (2005) 能. 1 引言 图 1 为我们设计的双桥电容式开关的剖面示意 图和俯视图. 开关由衬底 、共面波导 、介质层和最上 射频微机械开关在雷达 、卫星通信 、无线通信 、 层的悬空金属膜组成. “开”态时 ,微波信号通过共面 测试 仪 器 等 系 统 中有 很 好 的应 用 前 景[ 1 ] . R F M EM S 开关通常可分为电容耦合式[2 ,3 ] 和电阻接触 式两大类[4～6 ] . 一般来说 , 电阻接触式开关适用于 1 ～10 GHz 频段内,为了获得较低的插入损耗 ,要求 开关接触部分的电阻须控制在 05Ω以内,这使得 开关的制作工艺变得复杂 ,并且存在产生高压电弧 等导致器件失效的可能因素[ 7 ] . 另外 , 电阻接触式开 关在大功率传输上有一定的限制[ 8 ] . 电容耦合式开关具有良好的高频特性 、寿命长 、 可靠性高 ,而且制作工艺较为简单 , 易于产品化. 传 统桥式电容开关的隔离性能与“关”态电容密切相 关 ,高的“关”态电容可以获得高隔离度. 但大部分开 关以氮化硅作为介质 ,在 30 GHz 以上才有较好的隔 离性能. 近年来对 以B ST , Ta O 等高介 电常数材 2 5 料作开关介质的报道较多[9 ] ,开关性能较好 ,但是工 艺复杂 、兼容性差. ( ) 图 1 双桥折叠弹簧开关结构示意图 a 开关的横截面图; 本文主要讨论一种高性能双桥电容开关的设计 (b) 开关的俯视图 ( ) 和制作. 通过引入折叠弹簧结构 ,采用双桥结构等方 Fig . 1 Schematic of t he 2bridge sp ring switch a 式 ,使开关在相对较低的频率下具有 良好的微波性 Cro ss section ; (b) Top view ( ) 国家重点基础研究发展规划资助项 目 批准号 : G1999033 105 雷啸锋 男 ,博士研究生 ,从事 RF M EM S 研究. 收到 ,20050 113 定稿 2005 中国电子学会 第 7 期 雷啸锋等 : 一种 K 波段双桥电容式 RF M EM S 开关的设计与制作 1443 波导传播 ,从开关的一端进入 ,另一端输出. 当信号 其中S 是单桥结构上下电极的正对面积; ε和 t d d 线与地线之间叠加一个大于阈值 电压的直流 电压 分别是介质层的介电常数和厚度 ; g0 为桥膜与介质 α ( 时 ,上金属膜会在静电力作用下 , 向下吸合在介质层 层之 间的空气层厚度; 代表边缘效应 f ringing 上 ,使得信号线上的微波信号通过电容耦合到地 ,这 effect ) ,一般取值为 02～06[ 10 ] . 时开关处于“关”态 ;如果撤掉直流电压 ,上金属膜在 电容 C 的值可以用平行板电容公式结合经验 off 弹性回复力的作用下 , 回到原来的“开”态位置. 因子来计算 : εε 0 d S C = η ( ) off 2 2 开关设计 td εε 其中 0 d S/ td 代表 的是理想情况下的平行板 电 一般来说 , 由于 M EM S 开关的尺寸约在 1mm 容 ,实际上 ,一定的工艺条件下造成介质层表面粗 以下 ,而 30 GHz 的电磁波波长的十分之一为 1mm , 糙 ,牺牲层释放有微量残余 ,桥膜具有不均匀的应力 因此 ,在小于 30 GHz 的频率范围内,可以采用集总 分布 ,从而造成加电压时吸和不紧密等现象 ,这使得 [ 10 ] η 参数的模型来表征 R F M EM S 的电学特性 ,所带 “关”态电容大大减小 ; 代表了该工艺条件下, 电容 来的误差很小. 减小的经验因子, 它是一个无量纲的常数. 图2 所示为双桥电容式开关的等效电路图 ,其 等效电感 L s 可以用 A n soft H F SS 等软件对折 中 ,CPW 1 和 CPW2 均如图 1 ( b) 所示. CPW 1 代表 叠弹簧开关结构进行仿真得到. 信号入/ 出端面到单桥中心位置的共面波导 ,CPW2 电阻 R s 可以通过计算导体的趋肤效应得到的 代表两单桥中心位置之间的共面波导. C, L s , R s 分 电阻 Rcond 加上由于制作工艺引起的金属之间的欧 别代表单桥膜结构的等效电容 ,等效电感和等效电 姆接触电阻 RΩ 得到. ( ) 阻. 对应于“开”“关”状态 , C 分别有不同的值 Con 和 R s = Rcond + RΩ 3 C . l 2 off δ ( ) Rcond = - t/ δ , = 4 w δ( 1 - e ) σ ωμσ δ ω μ 其中 是金属的趋肤深度; 为角频率; 为磁导 σ 率; 为 电导率; w 和 t 分别为导体 的宽度和厚 度. 在“开”状态 , C 是影响开关插入损耗的关键因 on ( ) 素. 而 1 式反应了空气层的厚度 g 越大 , C 越小 , 0 on 从而插入损耗越小. 但是大的 g0 意味着阈值电压的 μ 升高. 结合制作工艺因素 ,优化后的 g0 为 3～4 m . 在“关”状态 ,理论分析表明[ 10 ] , C ,L , R 对开 图2 双桥折叠弹簧开关等效电路图 off s s Fig . 2 Equivalent circuit model of t he 2bridge sp ring 关的隔离度都有较大的影响. 较大的 C 和 L 有利 off s switch 于降低“关”态的谐振频率 ,而较小的 R s 可以使得谐 振点附近的隔离度明显提高. 已经有人研制出单桥 Ω 为了阻抗匹配的需要 ,共面波导需设计成 50 . 折叠弹簧结构的电容式开关[ 11 ] . 图 3 所示为当 C off 我们采用 A gilent AD S 软件的 Linecalc 工具 ,选用 值不变时 ,不同的L s 和 R s 对双桥开关“关”态隔离 高阻硅作为衬底 , A u 为材料 , 最终确定共面波导 度影响的模拟结果. 可以看出较大的L s 可以使“关” μ CPW 1 和 CPW2 的尺寸为 :信号线 m ,信 态谐振频率明显降低 ,从而实现开关在相对较低频 μ 号线 m . 段下工作. 图3 同时给出了 R s 对“关”态隔离度的影 C , C ,L ,R 的值由开关的结构参数和材料 on off s s 响. 在研究中我们通过增加金属桥膜的厚度来减小 参数决定. 各参数的计算如下所示 : R s ,采用折叠弹簧结构增大 L s , 以改善开关的隔离 电容 C 的值可以用平行板电容公式结合边缘 on 度. 效应修正来计算 : ( ) ( ) 通过优化设计和基于 1 ～ 4 式的计算 ,得到 ε 0 S ( α) ( ) C = 1 + 1 on 各 个 参 数 值 为 : C = 0 1p F , C = 13p F , L = g + t / ε on off s 0 d d 1444 半 导 体 学 报 第 26 卷 图5 双桥折叠弹簧开关与传统单桥开关的隔离度比较 Fig . 5 Isolation comp ari son of 2bridge sp ring switch 图3 L s 和 R s 对双桥开关“关”态隔离度影响的模拟结果 and t raditional 1bridge switch Fig . 3 Simulation result of i solation wit h different L s and R s Ω 50p H , R s = 14 . 将参数导入 AD S 软件进行仿真 , 可以得到双桥折叠弹簧开关的微波性能仿真结果. 插入损耗仿线 双桥折叠弹簧开关与单桥折叠弹簧开关的隔离度比较 Fig . 6 Isolation comp ari son of 2bridge sp ring switch and 1bridge sp ring switch 3 双桥电容式开关的制作工艺 图4 双桥折叠弹簧开关“开”态插入损耗仿线 是双桥电容开关的制作工艺流程图 ,主要 Fig . 4 Simulation result of “ON ”st at e in sertion lo ss 制作步骤简述如下 : of t he 2bridge sp ring switch ( ) ( Ω ) 1 采用高阻硅片 ～900 cm 作为衬底. 首先 μ 热生长一层 800nm ～1 m 的 SiO2 作为缓冲层 ; 然 图5 所示为双桥折叠弹簧式开关与传统单桥开 后溅射总厚度为 200nm 的 A u/ Ti W ,作为电镀的种 关的隔离度性能比较. 从图中可以看出 ,经过优化设 籽层 ;接下来 ,旋涂一层聚酰亚胺 ,热处理后刻蚀聚 计的开关 , 由于具有双桥结构 ,可双重隔离信号来提 酰亚胺 , 以聚酰亚胺为电镀模具 ;最后电镀厚 A u ,作 高隔离度. 同时 ,开关的折叠弹簧结构能增加等效电 为开关的共面波导 ,如图7 (a) 所示. 感 ,降低了开关的谐振频率. 在 17～3 1 GHz 频段 ,隔 (2) P ECVD 一层 300nm 的 Si N 作为开关的 x y 离度性能远好于传统的单桥开关. 介质层. 刻蚀 Si N ,然后旋涂第二层聚酰亚胺 , 并 x y 图6 所示为双桥折叠弹簧结构开关与相同结构 进行热处理 ,如图7 (b) 所示. 单桥开关的隔离度性能比较. 从图中可以看出 ,与同 (3) 刻蚀两层聚酰亚胺 ,余下的聚酰亚胺作为牺 结构单桥开关相比,双桥折叠弹簧开关的谐振频率 ( ) 牲层 ,如图7 c 所示. 未变 ,而谐振频率附近频段 的隔离度却有 了大于 (4) 溅射 Al 作为上层金属. 刻蚀 Al ,开小孔以 20dB 的提高. 利于牺牲层的释放. 刻蚀种籽层 ,然后将样品进行合 第 7 期 雷啸锋等 : 一种 K 波段双桥电容式 RF M EM S 开关的设计与制作 1445 金处理 ,如图7 ( d) 所示. (5) 采用 O2 Pla sma 刻蚀 ,将两层聚酰亚胺牺牲 4 实验结果和讨论 层完全去掉. 释放后的开关结构如图7 (e) 所示. 图 8 是我们制作的开关样品扫描电镜照片. 经 测量 ,陪测单桥折叠弹簧开关的阈值电压为 12V 左 右. 考虑到双桥开关必须同时动作 ,而实际制作过程 中的工艺误差会造成两个开关阈值电压偏差 , 因此 要施加较高的驱动电压. 测试结果表明 ,较高的电压 ( 195V) 可以保证双桥同时开关. 图8 双桥折叠弹簧开关的 SEM 照片 Fig . 8 SEM p hoto grap h of 2bridge sp ring switch 双桥折叠弹簧开关样品采用 Su ss PM5 型微 波探针台和 H P 8722 ES 矢量网络分析仪 ,在大气环 境下进行在片测试 ,测试频段为 005 ～40 GHz . 测 试结果显示 ,在“开”状态 ,开关的插入损耗为 16dB @196 GHz ,如图 9 所示 ;在“关”状态 ,开关的隔离 图7 双桥折叠弹簧开关的主要工艺流程 度达到 460dB @196 GHz ,如图 10 所示. 插入损耗 Fig . 7 Fabrication p rocess of 2bridge sp ring switch 较大的原因主要来 自以下两点 :一是设计的上极板 面积较大 ,这样虽然使得 C 较大有利于提高隔离 本工艺流程的特点是采用了两层聚酰亚胺作为 off 度 ,但同时也造成 C 较大使得开关插损变坏 ; 另一 牺牲层. 第一层聚酰亚胺作为电镀模具 , 电镀完毕后 on 并未马上去掉 ,而是保留作为牺牲层. 并且电镀前 , 点是我们采用的衬底的电阻率不够高 ,仅为 900Ω · 先用台阶仪测试模具的厚度 ,然后用较小的电流密 度进行电镀 A u , 以确保电镀完成后的 A u 波导和模 具同高度 ,保证了硅片表面的平整 , 以利于后续工 艺. 最后 , 由于开关的上层金属膜很平整 ,成品率得 到了显著提高. 而普通的做法是使用光刻胶作为电镀模具 , 电 镀完毕后去掉模具. 这种做法会使后续工艺 ,如旋涂 ( 牺牲层 ,受到硅片表面不平 电镀层一般厚度为几个 ) 微米 的影响 ,使得牺牲层有起伏 ,最终导致开关的 上层金属膜不平整 , 影响整个开关的成品率和性 图9 双桥折叠弹簧开关在“开”状态的插入损耗 能. Fig . 9 In sertion lo ss of 2bridge sp ring switch in t he “ON ”st at e 本工艺流程的另一特点是温度不超过 350 ℃. 1446 半 导 体 学 报 第 26 卷 cm ,共面波导的损耗较大造成开关插损变坏. 若加 度不超过 350 ℃. 所研制的开关样品性能为 :驱动电 大上下电极之间的空气层高度 ,并采用更高电阻率 压为 195V ,插入损耗为 16dB @196 GHz ,隔离度 的硅衬底 ,开关的插损将得到明显改善. 为 460dB @196 GHz . 开关的插入损耗可以进一步 降低 ,例如改善衬底材料 ,增加上下电极之间的空气 层厚度等. 参考文献 [ 1 ] Brown E R . RF M EM S swit ches for reconfigurable int egrat ed circuit s. IEEE Tran s Microw Theory Tech , 1998 , 46 ( 11) : 1868 [ 2 ] Goldsmit h C L , Yao Zhimin , Eshelman S , et al . Perfor mance of lowlo ss RF M EM S cap acitive swit ches. IEEE Microw 图 10 双桥折叠弹簧开关在“关”状态的隔离度 Guided Wave L et t ,1998 ,8 (8) :269 Fig . 10 Isolation of 2bridge s

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