CN101127513A - 基于微机械电容式串联开关的可变叉指电容网络及制备方法 - Google Patents

Abstract

基于微机械电容式串联开关的可变叉指电容网络包括一系列的叉指电容和微电子机械开关，通过控制与叉指电容连接的微机械开关的通断来确定接入网络的叉指电容的个数从而可以改变整个网络的电容值。一种基于微机械电容式串联开关的可变叉指电容网络，其特征在于叉指电容以GaAs衬底1为衬底，在GaAs衬底1的上表面有传输线2，叉指结构3；微机械电容式串联开关以GaAs衬底1为衬底，在GaAs衬底1的上表面有传输线4和下拉电极7，在传输线4－2的一部分和下拉电极7上有一层SiN介质层8，在传输线4－1上有锚区5，锚区5与开关梁6的一端相连，使开关梁6悬空在SiN介质层8的上方。

Description

基于微机械电容式串联开关的可变叉指电容网络及制备方法

技术领域

本发明提出了一种基于微机械电容式串联开关的可变叉指电容网络及其制备方法，属于微电子机械系统的技术领域。

背景技术

可变电容在射频和微波电路中具有广泛的应用，它可以构成滤波和相移网络以及混频器、放大器和压控振荡器等RF电路。和传统的半导体变容二极管相比，微电子机械(MEMS)可变电容在插入损耗、直流功耗、温度特性以及噪声等方面都具有优异的性能。此外，MEMS可变电容的表面微加工工艺和常规的IC平面工艺相兼容，易于实现片上集成。

通过对现有技术文献的检索发现，目前MEMS可变电容的实现类似于文献Darrin J Young，Bernhard E Boser，A Micromachine based RF Low-NoiseVoltage-Controlled Oscillator，IEEE 1997Accustom Intergrated CircuitsConference，1997，431-434(基于微加工的射频低噪声压控可变电容)中采用的利用静电力改变电容上下极板间距从而改变电容量的方法。这种电容的可调范围不大，而且很难精确的控制的电容的变化，增加了应用的难度。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于微机械电容式串联开关的可变叉指电容网络及其制备方法，通过简单的控制与叉指电容连接的微机械开关的通断来确定接入网络的叉指电容的个数从而改变整个网络的电容值。

技术方案：本发明提出的基于微机械电容式串联开关的可变叉指电容网络包括一系列的叉指电容(C0～Cn)和微电子机械开关(k1～kn)，整个系统的示意图如图1所示。

本发明的基于微机械电容式串联开关的可变叉指电容网络包括一系列相并联的电容支路组成，每一个电容支路由一个叉指电容和一个微机械电容式串联开关串联组成；通过控制与叉指电容连接的微机械电容式串联开关的通断来确定接入网络的叉指电容的个数，从而改变整个网络的电容值。

叉指电容以GaAs衬底为衬底，在GaAs衬底的上表面的中部设有叉指结构，两边分别设有第一段传输线、第二段传输线。

微机械电容式串联开关以GaAs衬底为衬底，在GaAs衬底的上表面的中部设有下拉电极，两端设有第三段传输线和第四段传输线，在第四传输线的内侧上部设有第二SiN介质层在下拉电极上设有第一SiN介质层，在第三段传输线上有锚区，锚区与开关梁的一端相连，开关梁悬空在第一SiN介质层和第二SiN介质层的上方。

基于微机械电容式串联开关的可变叉指电容网络的制备方法具体包括以下步骤：

第一步.准备衬底：选用未掺杂的半绝缘砷化镓作为GaAs衬底(1)；

第二步.在GaAs衬底(1)上光刻传输线及下拉电极：涂光刻胶(9)并光刻刻蚀出第一段传输线(2-1)、第二段传输线(2-2)、第三段传输线(4-1)、第四段传输线(4-2)，及下拉电极(7)的形状；

第三步.在衬底(1)和光刻胶(9)上溅射AuGeNi/Au层(11)：溅射800/300/2200厚的AuGeNi/Au层；

第四步.光刻AuGeNi/Au层：光刻AuGeNi/Au层(11)，剥离不需要的光刻胶(9)，形成第一段传输线(2-1)、第二段传输线(2-2)、第三段传输线(4-1)、第四段传输线(4-2)和下拉电极(7)；

第五步.在下拉电极(7)和第四段传输线(4-2)上光刻、淀积第一SiN介质层(8-1)和第二SiN介质层(8-2)：用PECVD工艺生长1000的SiN介质层；

第六步.在部分第一段传输线(2-1)、和SiN介质层(8)上淀积聚酰亚胺牺牲层(12)：淀积1.6微米厚的聚酰亚胺牺牲层；

第七步.在整个加工平面上溅射Ti/Au/Ti层(10)：在聚酰亚胺层(12)上溅射用于电镀的底金Ti/Au/Ti＝500/1500/300，形成用于电镀开关梁(6)，在其他区域溅射形成叉指结构(3)的底金种子层；

第八步.光刻Ti/Au/Ti层(10)：光刻钛/金/钛层，保留不需要电镀的地方的光刻胶(9)；

第九步.在Ti/Au/Ti层(10)上电镀金层(13)：在55°氰基溶液中电镀金，电镀金层的厚度为2微米，有Ti/Au/Ti层(10)覆盖的区域才能电镀形成Au层(13)；

第十步.释放聚酰亚胺牺牲层(12)并腐蚀底金种子层：丙酮去除残留的光刻胶，然后用显影液融解开关梁下的聚酰亚胺牺牲层，并用无水乙醇脱水，形成悬空的开关梁(6)结构。

叉指电容和微机械电容式串联开关的结构示意图分别如图2、图3所示。通过控制与叉指电容连接的微机械开关的通断来确定接入网络的叉指电容的个数从而可以改变整个网络的电容值，实现该基于微机械电容式串联开关的可变叉指电容网络的工艺与传统MMIC工艺兼容。

如图2所示的叉指电容以砷化镓为衬底，传输线和叉指结构均采用金制作。它具有平面结构的特征，制备工艺简单，容易与微波电路集成。与平行板结构的MIM电容相比，叉指电容占用面积较大，可实现的电容值较小，比较适合制备pF以下的电容。

如图3所示的微机械电容式串联开关以砷化镓为衬底，与开关连接的两段传输线、锚区、开关梁和驱动电极采用金制作，此外还包含覆盖在驱动电极和部分传输线上的氮化硅介质层。如果没有施加驱动电压(注：驱动电压由连接至开关梁和驱动电极的金属线或电阻偏置线施加，图3中没有画出)，开关梁悬浮于传输线上，微波信号不能通过，此时微机械开关“关断”，如图3(b)。当施加驱动电压后，驱动电极和开关梁之间由于电压差产生静电力吸引，使开关梁下拉，直至开关梁的末端与氮化硅介质层接触，如图3(c)。此时，开关梁末端、传输线和氮化硅介质层构成一个MIM电容，该电容值比较大，一般为几到几十个pF，微波信号可以通过此MIM电容传播，微机械开关“导通”。此时相当于在两段传输线间串联了一个MIM电容，故称为微机械电容式串联开关。减少开关梁与传输线的交叠面积可以使开关梁的末端与氮化硅介质层更好接触；将驱动电极的位置靠近锚区可以减少驱动电压的值；这些都能增加该微机械电容式串联开关的可靠性。

当微机械开关(k1～kn)全都关断时，可变叉指电容网络等效为图4(a)所示的电路，整个网络的电容值为C0；当施加驱动电压使任意一个微机械开关(比如k1)导通后，此时开关电容为Ck1，可变叉指电容网络等效为图4(b)所示的电路，整个网络的电容值为

由之前的讨论知道可以通过合理设计微电子机械开关和叉指电容的尺寸使Ck1□C1，则此时整个网络的电容值为C0+C1；当任意两个微机械开关(比如k1和k2)导通的等效电路如图4(c)，整个网络的电容值为C0+C1+C2。其他的情况也类似。

通过以上的分析可以看出，本发明提出的基于微机械电容式串联开关的可变叉指电容网络只需要简单的控制与叉指电容连接的微机械开关的通断来确定接入网络的叉指电容的个数从而可以改变整个网络的电容值。

有益效果：本发明只需要简单的控制与叉指电容连接的微机械电容式串联开关的通断来确定接入网络的叉指电容的个数从而可以改变整个网络的电容值，不仅操作方便，而且效果明显；整个网络的电感量只与接入网络中的叉指电容有关，故可实现的电容变化范围大；实现该基于微机械电容式串联开关的可变叉指电容网络的工艺与传统MMIC工艺兼容，增加了本发明的实用性；另外本发明的可变叉指电容网络由于使用损耗较小的金和砷化镓衬底，射频和微波条件下的损耗很小，满足高性能的微波集成电路的应用要求。

附图说明

图1是基于微机械电容式串联开关的可变叉指电容网络的系统示意图；

图2(a)是叉指电容的俯视图；图2(b)是叉指电容的A-A面剖视图；

图3(a)是微机械电容式串联开关的俯视图；图3(b)是微机械电容式串联开关的A-A面剖视图；图3(c)是该微机械开关导通时的A-A面剖视图；

图4(a)是微机械电容式串联开关全都关断时可变叉指电容网络的等效电路图；图4(b)是微机械开关k1导通时可变叉指电容网络的等效电路图；图4(c)是微机械开关k1、k2导通时可变叉指电容网络的等效电路图；

图5是一组微机械电容式串联开关和叉指电容的工艺步骤；

以上图中有：GaAs衬底1，第一段传输线2-1、第二段传输线2-2、第三段传输线4-1、第四段传输线4-2，叉指结构3，锚区5，开关梁6，下拉电极7，氮化硅SiN介质层8。

具体实施方式

以下结合附图对本发明步骤的实际应用进行详细说明。

如图2和图3所示为本发明方法制备出的叉指电容的示意图，包括砷化镓(GaAs)衬底1，传输线2，叉指结构3。该叉指电容以GaAs衬底1为衬底，在GaAs衬底1的上表面有传输线2，叉指结构3。图3所示为本发明方法制备出的微机械电容式串联开关的示意图，包括砷化镓(GaAs)衬底1，传输线4，锚区5，开关梁6，下拉电极7和氮化硅(SiN)介质层8。该微机械开关以GaAs衬底1为衬底，在GaAs衬底1的上表面有传输线4和下拉电极7，在传输线4-2的一部分和下拉电极7上有一层SiN介质层8，在传输线4-1上有锚区5，锚区5与开关梁6的一端相连，使开关梁6悬空在SiN介质层8的上方。

如图5所示，本发明具体的应现工艺包括以下步骤(图5包括一组微机械电容式串联开关和叉指电容的工艺步骤)：

第一步.准备衬底：选用未掺杂的半绝缘砷化镓(GaAs，400微米厚)作为衬底1；

第二步.光刻传输线及下拉电极：涂光刻胶9并光刻刻蚀出传输线2、4、及下拉电极7的形状；

第三步.溅射AuGeNi/Au层11：溅射800/300/2200厚的AuGeNi/Au层；

第四步.光刻AuGeNi/Au层11：剥离不需要的光刻胶(9)，形成第一段传输线(2-1)、第二段传输线(2-2)、第三段传输线(4-1)、第四段传输线(4-2)和下拉电极(7)；

第五步.光刻、淀积SiN介质层3：用PECVD工艺生长1000的SiN介质层并光刻；

第六步.淀积聚酰亚胺牺牲层12：淀积1.6微米厚的聚酰亚胺牺牲层；

第七步.溅射Ti/Au/Ti层10：在聚酰亚胺层上溅射用于电镀的底金Ti/Au/Ti层，厚度为500/1500/300，形成用于电镀开关梁6和叉指结构3的底金种子层；

第八步.光刻Ti/Au/Ti层10：光刻钛/金/钛(Ti/Au/Ti)层，保留不需要电镀的地方的光刻胶；

第九步.电镀Au层13：在55°氰基溶液中电镀金，电镀金层的厚度为2微米；

第十步.释放聚酰亚胺牺牲层12并腐蚀底金种子层10：丙酮去除残留的光刻胶，然后用显影液融解开关梁下的聚酰亚胺牺牲层，并用无水乙醇脱水，形成悬空的开关梁(6)结构。

Claims (4)

1.一种基于微机械电容式串联开关的可变叉指电容网络，其特征在于该网络包括一系列相并联的电容支路组成，每一个电容支路由一个叉指电容(Cn)和一个微机械电容式串联开关(Kn)串联组成；通过控制与叉指电容(Cn)连接的微机械电容式串联开关(Kn)的通断来确定接入网络的叉指电容(Cn)的个数，从而改变整个网络的电容值。

2.根据权利要求1所述的基于微机械电容式串联开关的可变叉指电容网络，其特征在于叉指电容(Cn)以GaAs衬底(1)为衬底，在GaAs衬底(1)的上表面的中部设有叉指结构(3)，两边分别设有第一段传输线(2-1)、第二段传输线(2-2)。

3.根据权利要求1所述的基于微机械电容式串联开关的可变叉指电容网络，其特征在于微机械电容式串联开关(Kn)以GaAs衬底(1)为衬底，在GaAs衬底(1)的上表面的中部设有下拉电极(7)，两端设有第三段传输线(4-1)和第四段传输线(4-2)，在第四传输线(4-2)的内侧上部设有第二SiN介质层(8-2)在下拉电极(7)上设有第一SiN介质层(8-1)，在第三段传输线(4-1)上有锚区(5)，锚区(5)与开关梁(6)的一端相连，开关梁(6)悬空在第一SiN介质层(8-1)和第二SiN介质层(8-2)的上方。

4.一种如权利要求1所述的基于微机械电容式串联开关的可变叉指电容网络的制备方法，其特征在于该方法具体包括以下步骤：

第一步.准备衬底：选用未掺杂的半绝缘砷化镓作为GaAs衬底(1)；

第二步.在GaAs衬底(1)上光刻传输线及下拉电极：涂光刻胶(9)并光刻刻蚀出第一段传输线(2-1)、第二段传输线(2-2)、第三段传输线(4-1)、第四段传输线(4-2)，及下拉电极(7)的形状；

第三步.在衬底(1)和光刻胶(9)上溅射AuGeNi/Au层(11)：溅射800/300/2200厚的AuGeNi/Au层；

第四步.光刻AuGeNi/Au层：光刻AuGeNi/Au层(11)，剥离不需要的光刻胶(9)，形成第一段传输线(2-1)、第二段传输线(2-2)、第三段传输线(4-1)、第四段传输线(4-2)和下拉电极(7)；

第五步.在下拉电极(7)和第四段传输线(4-2)上光刻、淀积第一SiN介质层(8-1)和第二SiN介质层(8-2)：用PECVD工艺生长1000的SiN介质层；

第六步.在部分第一段传输线(2-1)、和SiN介质层(8)上淀积聚酰亚胺牺牲层(12)：淀积1.6微米厚的聚酰亚胺牺牲层；

第七步.在整个加工平面上溅射Ti/Au/Ti层(10)：在聚酰亚胺层(12)上溅射用于电镀的底金Ti/Au/Ti＝500/1500/300，形成用于电镀开关梁(6)，在其他区域溅射形成叉指结构(3)的底金种子层；

第八步.光刻Ti/Au/Ti层(10)：光刻钛/金/钛层，保留不需要电镀的地方的光刻胶(9)；

第九步.在Ti/Au/Ti层(10)上电镀金层(13)：在55°氰基溶液中电镀金，电镀金层的厚度为2微米，有Ti/Au/Ti层(10)覆盖的区域才能电镀形成Au层(13)；

第十步.释放聚酰亚胺牺牲层(12)并腐蚀底金种子层：丙酮去除残留的光刻胶，然后用显影液融解开关梁下的聚酰亚胺牺牲层，并用无水乙醇脱水，形成悬空的开关梁(6)结构。

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