CN101577174A - 静电驱动导体薄膜的mems可调电感及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种静电驱动导体薄膜的MEMS可调电感及制备方法。本发明采用体硅和表面微机械加工技术相结合的三维微机械加工方法，利用体硅微机械加工技术的方法刻蚀硅片V型槽，在V型槽内制作静电驱动的固定极板，利用表面微机械加工技术的方法制备可调电感的静电驱动的可动导体薄膜(包括“蟹脚”状悬臂梁和导体薄膜平板)和平面螺旋线圈。本发明采用静电驱动可动导体薄膜，对微电感的电感量进行连续可调，可调范围大。可调电感器件尺寸小、加工工艺与IC工艺相兼容，易于封装，适于大规模生产，在无线通讯领域有广泛应用价值。

Description

静电驱动导体薄膜的MEMS可调电感及制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于无线通信的微机电系统(MEMS)的静电驱动导体薄膜的MEMS可调电感及制备方法，利用MEMS体硅和表面微机械加工技术相结合的方法制备静电驱动导体薄膜的MEMS可调电感，属于微机电系统领域。

背景技术

近年来对阻抗匹配网络、LC震荡电路、滤波器和其它射频硅基技术应用的电感和电容有很多的研究，在这些研究中，期望获得高调谐性的射频无源元器件，比如可调电容和可调电感，使得射频电路设计师们将电路调整到最佳状态成为可能。电学可变电容(pn结变容二极管，MOS变容二极管)和微机电系统(MEMS)可调电容已经可以通过射频集成电路工艺获得，并且也有大量文献报道，但是目前对RF MEMS的可变电感的研究还是很少。虽然已有高品质因数和高调谐的有源电感的报道，然而这些电感的应用受到它们的高功耗、复杂度、高噪声和非线性这些不足之处的限制。MEMS技术制作的无源可调电感可以用来优化射频前端电路的性能，比如调整带通滤波器的中心频率、改变匹配网络的阻抗、压控振荡器(VCO)的震荡频率。利用微机械加工方法制作的离散式、连续式和线圈耦合式的可调电感已经有所报道。离散式可调电感一般通过集成开关或继电器来增加/减少电感线圈有效长度的方法实现，然而，微机械开关或继电器组合到电感当中会降低电感的品质因数。比如，Zekry等人在“Design andsimulation of digitally tunable high-Q on-chip inductor”(2007Internatonal Conference on microelectronics，ICM2007，Dec.2007，pp.239-242.)(中文题目：“数字可调高Q片上电感的设计和仿真”，国际会议：微电子国际会议ICM2007)中利用表面微加工制作的静电驱动微继电器，在标准CMOS衬底上制作了离散式数字可调的微电感，具有4.5匝线圈、4个继电器的微电感最大Q值达到15，电感量在2.29～3.73nH之间，电感可调范围约为38.6％。连续式可调电感通过螺线管电感内放置可变的磁芯导体或移动大范围内的可动结构来实现。比如，Marina等人在“Integrated tunable magnetic RF inductor”(IEEE Electron Device Letters，2004，25(12)：787-789.)(中文题目：“集成可调的磁性射频电感”，国际期刊：IEEE电子器件快报)中制作了连续可调集成射频电感，其结构是在螺线管电感的管芯中置入铁磁(Ferromagnetic，FM)芯(NiFe)薄膜，通过改变流过FM磁芯的电流来改变磁芯的有效磁导率，在1-150nH的电感量范围内，分别在0.1、1和2GHz时获得了85％、35％和20％的电感变化量，但是这些电感的品质因数(Q值)都小于2，而且直流功耗比较大。线圈耦合式可调电感也有少量报道，这种可调电感主要通过主线圈和次线圈的互感变化来调节电感量，但是电感量变化不是很大，也就是说调谐范围不大。比如，Fukushige等人在“Fabrication and evaluation of an on-chipmicro-variable inductor”(Microelectronic Engineering，2003，67-68：582.587.)(中文题目：“片上可调微型电感的制作和评估”，国际期刊：微电子工程)中利用MEMS工艺制作了一种线圈耦合式可调电感。电感结构采用螺旋型圆锥线圈，电感量为几nH，圆锥线圈的高度可以从零变化到几百微米，当圆锥线圈的高度变化时，线圈的互感量就会变化，从而总的电感量就会变化。圆锥型线圈的实现是利用了一种新型的MEMS材料，即薄膜金属化玻璃(thinfilmmetallic glass，TFMG)。测量和模拟结果显示该电感可以在50MHz到16GHz频率范围，在2GHz时的电感量从3.64nH变化到3.75nH，可调范围为约3％。

发明内容

本发明的目的在于提供一种静电驱动导体薄膜的MEMS可调电感及制备方法。利用MEMS体硅和表面微机械加工技术相结合的方法来制备可调电感。

一种静电驱动导体薄膜的MEMS可调电感，包括固定极板、刻蚀硅片V型槽、可动导体薄膜和平面螺旋电感线圈，其结构是固定极板位于刻蚀硅片V型槽内，可动导体薄膜位于硅片表面，并正对固定极板，而平面螺旋电感线圈位于可动导体薄膜的正上方。

一种静电驱动导体薄膜的MEMS可调电感的制备方法，包含如下步骤：

(a)处理、清洗硅片1；

(b)在硅片1背面制作用于对准的对准符号标记2；

(c)KOH溶液选择性腐蚀硅片1，形成硅片V型槽30；

(d)等离子增强化学气相沉积(PECVD)薄层3，薄层3为1μm的SiO₂和1μm的Si₃N₄；

(e)溅射薄层金属，甩正胶A，光刻，选择性剥离金属，形成位于V型槽槽底的固定极板4(含外加电压Pad1的连接线)，丙酮去正胶；

(f)甩聚酰亚胺7，化学机械抛光(CMP)，溅射种子层6，甩正胶B，光刻，电镀平面螺旋电感线圈的GSG共面波导以及固定极板的外加电压Pad1、可动导体薄膜5(比如NiFe合金、非晶态软磁合金、纳米晶软磁合金)、四个悬梁和可动极板的外加电压Pad2；

(g)甩正胶8，光刻，电镀微电感的两个支撑柱子9；

(h)化学机械抛光(CMP)，甩正胶C，光刻，电镀连接平面螺旋电感线圈12和支撑柱子9的横梁10；

(i)溅射薄层SiO₂，甩正胶D，光刻，刻蚀SiO₂形成通孔11，电镀SiO₂通孔11，以连接横梁10与平面螺旋电感线圈12；

(j)甩正胶E，光刻，电镀平面螺旋电感线圈12；

(k)无掩膜曝光去正胶8，刻蚀SiO₂，无掩膜曝光去正胶E、正胶D、正胶C和正胶B，去种子层6，再氧气等离子体刻蚀聚酰亚胺。

可动导体薄膜的力学分析和尺寸设计：

可动导体薄膜受力如图2所示，设固定极板和可动导体薄膜之间的重叠部分面积为A，两极板初始距离为x₀。当直流电压V_dc加在两极板之间后，由于静电力F_e的作用，可动导体薄膜向下移动Δx，设可动导体薄膜移动后的两极板距离为x。因为空气作为介质，所以ε_r＝1，如果不考虑极板边缘效应，加上直流电压后的电容为：

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{x}---\left(1\right)$

式中ε₀＝8.854×10^-12F/m。

上下极板储存的电能为：

$E=\frac{1}{2}{\mathrm{CV}}^2=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{AV}}^2}{2x}---\left(2\right)$

上下极板由直流电压V_dc产生的静电力F_e为：

$F_e=\left|\frac{\∂E}{\∂x}\right|=\frac{1}{2}\frac{\∂C}{\∂x}{V}^2=\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{CV}}^2}{x}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{AV}}^2}{2x^2}---\left(3\right)$

静电力等效弹性系数k_e定义为：

$k_e=\left|\frac{\∂F_e}{\∂x}\right|=\frac{{\mathrm{CV}}^2}{x^2}---\left(4\right)$

可动导体薄膜有四个“蟹脚”状的悬臂梁和导体薄膜平板组成，悬臂梁连接在导体薄膜平板的四个直角处，厚度一样，电镀时是悬臂梁和导体薄膜平板一起电镀的，而悬臂梁的后端是锚点80，锚接在硅片1上。

“蟹脚”状的弹性悬臂梁如图3所示。根据弹性力学原理，四个蟹状梁的等效弹性系数k_m为：

$k_m=\frac{\mathrm{Et}{W}_b^3(4L_b+\mathrm{\α}{L}_a)}{L_b^3(L_b+\mathrm{\α}{L}_a)}---\left(5\right)$

$\mathrm{\α}={\left(\frac{W_b}{W_a}\right)}^3---\left(6\right)$

式中，E为悬臂梁的杨氏模量，t为振动膜的厚度，L_b和W_b分别为“蟹脚”胫的长度和宽度，L_a和W_a分别为“蟹脚”股的长度和宽度。

当可动导体薄膜受静电力吸引向下移动时，“蟹脚”状弹性悬臂梁梁产生结构回复力F_m，其表达式为：

F_m＝k_m(x₀-x)                     (7)

在平衡处，F_e和F_m应该相等，因此：

$k_m(x_0-x)=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{AV}}^2}{2x^2}=\frac{{\mathrm{CV}}^2}{2x}=\frac{1}{2}{k}_{e}x---\left(8\right)$

当x＝2x₀/3时，两个力系数相等，相对应的直流电压V_dc称为吸合电压(pull-in voltage，V_pi)。此时

$k_m(x_0-\frac{2x_0}{3})=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{AV}}_{\mathrm{pi}}^2}{2{\left(\frac{2x_0}{3}\right)}^2}---\left(9\right)$

即： $V_{\mathrm{pi}}=\frac{2}{3}\sqrt{\frac{2k_m{x}_0}{3{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}}{x}_0=\frac{2}{3}\sqrt{\frac{2k_m}{3C_0}}{x}_0---\left(10\right)$

当V_dc≤V_pi时，两极板之间的距离x≥2x₀/3，此时上极板可在任意位置达到平衡；当V_dc＞V_pi时，静电力的增加会超过结构回复力，不能达到平衡状态，可动导体薄膜会被固定极板吸下去。

利用本发明制备的静电驱动MEMS可调电感器的优点在于：(1)采用体硅和表面微机械加工技术相结合的三维微细加工方法，将平面螺旋电感线圈制作在可动导体薄膜之上，使得可调电感的尺寸更小，大大节省了基片面积；(2)本发明的可调电感加工工艺与IC工艺相兼容，易于封装，适于大规模生产，以便在无线通讯领域应用；(3)本发明采用静电驱动导体薄膜，对微电感的电感量进行连续可调，可调范围大。

本发明采用静电驱动导体薄膜，对微电感的电感量进行连续可调，可调范围大。可调电感器件尺寸小、加工工艺与IC工艺相兼容，易于封装，适于大规模生产，在无线通讯领域有广泛应用价值。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明的静电驱动导体薄膜的MEMS可调电感示意图。

图2为可调电感的导体薄膜受力示意图。

图3为可调电感的导体薄膜“蟹脚”状悬臂梁示意图。

图4为静电驱动导体薄膜的MEMS可调电感的制作工艺过程。

具体实施方式

以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

实施例1：本发明的静电驱动导体薄膜的MEMS可调电感由固定极板、可动导体薄膜和平面螺旋电感线圈三个主要部分组成，如图1所示。本发明的静电驱动导体薄膜的MEMS可调电感，其结构是硅片1中刻蚀有硅片V型槽30，固定极板4位于硅片V型槽30内，可动导体薄膜5位于硅片表面，并正对固定极板4，而平面螺旋电感线圈12位于可动导体薄膜5的正上方；可动导体薄膜5有四个“蟹脚”状的悬臂梁和导体薄膜平板组成，悬臂梁连接在导体薄膜平板的四个直角处，厚度一样，电镀时悬臂梁和导体薄膜平板一起电镀，而悬臂梁的后端是锚点80，锚接在硅片1上。

当在固定极板4和导体薄膜5之间加上外加电压后，由于静电力作用，可动导体薄膜5向固定极板4移动，这样平面螺旋电感线圈12的磁通量50将会发生改变，进而改变电感量，从而达到电感可调的目的。

一种静电驱动导体薄膜的MEMS可调电感的制备方法，采用体硅和表面微机械加工技术相结合的三维微机械加工方法，即利用体硅微机械加工技术的方法刻蚀硅，形成V型槽，在V型槽内制作静电驱动的固定极板，再通过表面微机械加工技术的方法制作静电驱动的可动导体薄膜和平面螺旋电感线圈；

包含如下步骤：

(1)背面对准符号制作

在硅片背面溅射100nm的金属铬，然后甩5μm厚的正胶AZ P4620，光刻、显影，用8％盐酸刻蚀金属铬，用丙酮去除正胶，得到金属铬的背面对准符号。

(2)硅片V型槽制作

湿法刻蚀湿法刻蚀硅片表面SiO₂所用的腐蚀剂为缓冲氧化硅腐蚀液，腐蚀液成分为HF∶NH4F∶H2O＝84∶339∶510(质量比)，刻蚀温度为45℃，腐蚀速率为0.4μm/min。SiO₂的腐蚀为各向同性腐蚀，由于HF酸对SiO₂的腐蚀速率远大于对Si的腐蚀，因此在正胶的掩蔽作用下，光刻图形地方的SiO₂将被HF酸腐蚀。腐蚀SiO₂后，采用KOH溶液(配比KOH∶H₂O＝44g∶100ml)腐蚀Si，刻蚀温度为85℃，腐蚀速率为1.4μm/min，Si的腐蚀为各向异性腐蚀，被HF酸刻蚀的SiO₂下方的Si被刻蚀掉，形成V型槽。

(3)静电驱动导体薄膜的制作

在制作硅片V型槽之后，溅射3μm的薄层Cu，甩6μm的正胶AZ P4620，曝光时间60s，显影时间80s，然后湿法腐蚀并剥离Cu金属，然后丙酮去正胶，形成固定极板结构(含外加电压Pad1的连接线)。甩6μm聚酰亚胺，化学机械抛光(CMP)，溅射100nm的种子层Cr/Cu，甩3μm的正胶AZ P4620，曝光时间40s，显影时间60s，电镀平面螺旋电感线圈的GSG共面波导以及固定极板的外加电压Pad1、可动导体薄膜(比如NiF合金)和可动导体薄膜的外加电压Pad2。可动导体薄膜的极板长和宽都为700μm，“蟹脚”状悬臂梁胫66和股55的长度分别为850μm、100μm，胫66和股55的宽度都为50μm，胫66分别连接于导体薄膜平板的四个直角处。

(4)平面螺旋电感线圈的制作

在可动导体薄膜、柱子和连接线制作之后，甩5μm的正胶AZ P4620，曝光时间60s，显影时间80s，电镀平面螺旋电感线圈。平面螺旋线圈的匝数为10，导线宽度为40μm，导线间距为30μm。

实施例2：一种静电驱动导体薄膜的MEMS可调电感的制备方法，采用体硅和表面微机械加工技术相结合的三维微机械加工方法，即利用体硅微机械加工技术的方法刻蚀硅，形成V型槽，在V型槽内制作静电驱动的固定极板，再通过表面微机械加工技术的方法制作静电驱动的可动导体薄膜和平面螺旋电感线圈；

包含如下步骤：

(1)背面对准符号制作

在硅片背面溅射100nm的金属铬，然后甩5μm厚的正胶AZ P4620，光刻、显影，用8％盐酸刻蚀金属铬，用丙酮去除正胶，得到金属铬的背面对准符号。

(2)硅片V型槽制作

湿法刻蚀湿法刻蚀硅片表面SiO₂所用的腐蚀剂为缓冲氧化硅腐蚀液，腐蚀液成分为HF∶NH4F∶H2O＝84∶339∶510(质量比)，刻蚀温度为45℃，腐蚀速率为0.4μm/min。SiO₂的腐蚀为各向同性腐蚀，由于HF酸对SiO₂的腐蚀速率远大于对Si的腐蚀，因此在正胶的掩蔽作用下，光刻图形地方的SiO₂将被HF酸腐蚀。腐蚀SiO₂后，采用KOH溶液(配比KOH∶H₂O＝44g∶100ml)腐蚀Si，刻蚀温度为85℃，腐蚀速率为1.4μm/min，Si的腐蚀为各向异性腐蚀，被HF酸刻蚀的SiO₂下方的Si被刻蚀掉，形成V型槽。

(3)静电驱动导体薄膜的制作

在制作硅片V型槽之后，溅射2μm的薄层Cu，甩5μm的正胶AZ P4620，曝光时间60s，显影时间80s，然后湿法腐蚀并剥离Cu金属，然后丙酮去正胶，形成固定极板结构(含外加电压Pad1的连接线)。甩5μm聚酰亚胺，化学机械抛光(CMP)，溅射100nm的种子层Cr/Cu，甩5μm的正胶AZ P4620，曝光时间60s，显影时间80s，电镀平面螺旋电感线圈的GSG共面波导以及固定极板的外加电压Pad1、可动导体薄膜(比如非晶态软磁合金)和可动导体薄膜的外加电压Pad2。可动导体薄膜的极板长和宽都为600μm，“蟹脚”状悬臂梁胫66和股55的长度分别为700μm、80μm，胫66和股55的宽度都为30μm。

(4)平面螺旋电感线圈的制作

在可动导体薄膜、柱子和连接线制作之后，甩10μm的正胶AZ P4903，曝光时间70s，显影时间120s，电镀平面螺旋线圈。平面螺旋线圈的匝数为8，导线宽度为50μm，导线间距为40μm。

实施例3：一种静电驱动导体薄膜的MEMS可调电感的制备方法，采用体硅和表面微机械加工技术相结合的三维微机械加工方法，即利用体硅微机械加工技术的方法刻蚀硅，形成V型槽，在V型槽内制作静电驱动的固定极板，再通过表面微机械加工技术的方法制作静电驱动的可动导体薄膜和平面螺旋电感线圈；

包含如下步骤：

(1)背面对准符号制作

在硅片背面溅射100nm的金属铬，然后甩5μm厚的正胶AZ P4620，光刻、显影，用8％盐酸刻蚀金属铬，用丙酮去除正胶，得到金属铬的背面对准符号。

(2)硅片V型槽制作

湿法刻蚀湿法刻蚀硅片表面SiO₂所用的腐蚀剂为缓冲氧化硅腐蚀液，腐蚀液成分为HF∶NH4F∶H2O＝84∶339∶510(质量比)，刻蚀温度为45℃，腐蚀速率为0.4μm/min。SiO₂的腐蚀为各向同性腐蚀，由于HF酸对SiO₂的腐蚀速率远大于对Si的腐蚀，因此在正胶的掩蔽作用下，光刻图形地方的SiO₂将被HF酸腐蚀。腐蚀SiO₂后，采用KOH溶液(配比KOH∶H₂O＝44g∶100ml)腐蚀Si，刻蚀温度为85℃，腐蚀速率为1.4μm/min，Si的腐蚀为各向异性腐蚀，被HF酸刻蚀的SiO₂下方的Si被刻蚀掉，形成V型槽。

(3)静电驱动导体薄膜的制作

在制作硅片V型槽之后，溅射2μm的薄层Cu，甩5μm的正胶AZ P4620，曝光时间60s，显影时间80s，然后湿法腐蚀并剥离Cu金属，然后丙酮去正胶，形成固定极板结构(含外加电压Pad1的连接线)。甩5μm聚酰亚胺，化学机械抛光(CMP)，溅射100nm的种子层Cr/Cu，甩5μm的正胶AZ P4620，曝光时间60s，显影时间80s，电镀平面螺旋电感线圈的GSG共面波导以及固定极板的外加电压Pad1、可动导体薄膜(比如纳米晶软磁合金)和可动导体薄膜的外加电压Pad2。可动导体薄膜的极板长和宽都为500μm，“蟹脚”状悬臂梁胫66和股55的长度分别为600μm、50μm，胫66和股55的宽度都为30μm。

(4)平面螺旋电感线圈的制作

在可动导体薄膜、柱子和连接线制作之后，甩10μm的正胶AZ P4903，曝光时间70s，显影时间120s，电镀平面螺旋线圈。平面螺旋线圈的匝数为6，导线宽度为60μm，导线间距为30μm。

Claims (6)

1、一种静电驱动导体薄膜的MEMS可调电感，包括固定极板、刻蚀硅片V型槽、可动导体薄膜和平面螺旋电感线圈，其特征在于：其结构是固定极板位于刻蚀硅片V型槽内，导体薄膜或可动极板位于硅片表面，并正对固定极板，而平面螺旋电感线圈位于可动导体薄膜的正上方。

2.根据权利要求1所述的一种静电驱动导体薄膜的MEMS可调电感，其特征是：在刻蚀V型槽内制作静电驱动极板的固定极板，在硅片表面制作静电驱动的可动导体薄膜，当固定极板和可动导体薄膜两端加上外加电压后，可动导体薄膜就会向固定极板运动。

3.根据权利要求1或2所述的一种静电驱动导体薄膜的MEMS可调电感，其特征是：其结构是硅片中刻蚀有硅片V型槽，可动导体薄膜有四个蟹脚状的悬臂梁和导体薄膜平板，悬臂梁连接在导体薄膜平板的四个直角处，电镀时是悬臂梁和导体薄膜平板一起电镀的，而悬臂梁的后端是锚点，锚接在硅片上。

4、静电驱动导体薄膜的MEMS可调电感的制备方法，其特征在包括如下步骤：

(a)处理、清洗硅片；

(b)在硅片背面制作用于对准的金属对准符号标记；

(c)KOH溶液选择性腐蚀硅，形成V型槽；

(d)等离子增强化学气相沉积PECVD薄层SiO₂和Si₃N₄；

(e)溅射薄层金属，甩正胶A，光刻，选择性剥离金属，形成位于V型槽槽底的固定极板结构层含外加电压Pad1的连接线，丙酮去正胶A；

(f)甩聚酰亚胺，化学机械抛光CMP，溅射种子层，甩正胶B，光刻，电镀平面螺旋电感线圈的GSG共面波导以及固定极板的外加电压Pad1、可动导体薄膜和可动导体薄膜的外加电压Pad2；

(g)甩正胶C，光刻，电镀微电感的两个支撑柱子；

(h)化学机械抛光CMP，甩正胶D，光刻，电镀连接平面螺旋电感线圈和柱子的横梁；

(i)溅射薄层SiO₂，甩正胶E，光刻，刻蚀SiO₂形成通孔，电镀SiO₂通孔，以连接横梁与平面螺旋电感线圈；

(j)甩正胶，光刻，电镀平面螺旋电感线圈；

(k)无掩膜曝光去正胶，刻蚀SiO₂，无掩膜曝光去正胶E、正胶D、正胶C和正胶B，去种子层，再氧气等离子体刻蚀聚酰亚胺。

5、按权利要求4所述的方法，其特征在于采用体硅和表面微机械加工技术相结合的三维微机械加工方法，即利用体硅微机械加工技术的方法刻蚀硅，形成V型槽，在V型槽内制作静电驱动的固定极板，再通过表面微机械加工技术的方法制作静电驱动的可动导体薄膜和平面螺旋电感线圈。

6、按权利要求4或5所述的方法，其特征在于可动导体薄膜为NiF合金或非晶态软磁合金或纳米晶软磁合金。

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