CN101782627A - 微电子机械开关自激励机理的测试结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明的微电子机械开关自激励机理的测试结构具有实验结果精确，可比较性强，对测试仪器的要求简单等特点。该结构以砷化镓为衬底，在衬底上设有CPW、一分四功率分配器和梁阵列。该测试结构具有五个相同的梁结构，其中一个梁结构直接与RF输入端口和RF输出端口连接，其余四个梁结构分别与一分四功率分配器的四个输出端口连接，另一端分别接RF输出端口，五个梁结构各自具有独立的驱动电极；在机械结构上，CPW(a)、一分四功率分配器(b)、梁结构阵列(c)设置在同一块衬底(1)上。

Description

微电子机械开关自激励机理的测试结构及其制备方法

技术领域

本发明提出了微电子机械开关的自激励机理的测试结构及其制备方法，属于微电子机械系统的技术领域。

背景技术

微电子机械开关具有高隔离度、低插入损耗和高线性度等优点。然而，由于自激励机理的存在，与传统的半导体开关相比，微电子机械开关的功率处理能力较小，一般不超过几瓦。因此，在微电子机械开关的应用过程中，有必要对自激励机理进行理论分析和实验验证。目前对微电子机械开关的自激励机理验证的方法是通过相关的仪器设备对普通的开关进行测试，而对开关自激励机理的测试结构没有进行专门设计。然而，为了更精确的验证开关的自激励机理，设计专门的微电子机械开关自激励机理的测试结构是有必要的。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出微电子机械开关自激励机理的测试结构及其制备方法，实现对自激励机理的精确测试，并简化实验过程对所需仪器设备的要求。

技术方案：本发明的微电子机械开关自激励机理的测试结构以砷化稼为衬底，在衬底上设有共面波导(Coplanar Waveguide，简称CPW)、一分四功率分配器和梁结构阵列：

CPW用于实现测试仪器和一分四功率分配器，一分四功率分配器和梁结构阵列以及梁结构阵列和测试仪器的电路连接。

一分四功率分配器由三个一分二Wilkinson功率分配器组成：一个射频(RadioFrequency，简称RF)输入端口，与测试仪器相连；四个RF输出端口，与四个梁结构相连。一分二Wilkinson功率分配器以CPW连接两路的不对称共面带线(AsymmetricCoplanar Waveguide，简称ACPS)的方式实现，隔离电阻采用氮化钽薄膜电阻。一分四功率分配器实现了把RF输入端口的信号等分成四路输出。

微电子机械开关自激励机理的测试结构具有五个相同的梁结构，其中一个梁结构直接与RF输入端口和RF输出端口连接，其余四个梁结构分别对应与一分四功率分配器的四个输出端口连接，另一端分别接RF输出端口，五个梁结构各自具有独立的驱动电极；在机械结构上，CPW、一分四功率分配器、梁结构阵列设置在同一块衬底上。

CPW由CPW的信号线和地线构成。

一分四功率分配器由三个一分二Wilkinson功率分配器组成，形成RF输入端口和四个RF输出端口；一分二Wi lkinson功率分配器以CPW连接两路ACPS的方式实现，隔离电阻采用氮化钽薄膜电阻。

梁结构阵列由一个单独的梁结构和四个分别与一分四功率分配器四个RF输出端口相连的梁结构组成；梁结构是固支梁，或是悬臂梁；固支梁横跨在CPW上，两个锚区分别位于CPW的两个地线上；固支梁下面的CPW信号线被氮化硅介质层覆盖，至于悬臂梁则为插入式，也就是说，CPW的信号线除去一段，梁的锚区位于信号线断开的一端，梁的接触端悬空但与信号线断开的另一端交叠；驱动电极上覆盖氮化硅介质层，固支梁结构的驱动电极位于CPW信号线与CPW的地线的空隙上，而悬臂梁的驱动电极位于CPW信号线的断开处，驱动电极的引线从CPW的地线的断开处引出，而CPW地线的断开处用空气桥连接。

普通的微电子机械开关自激励机理的测试结构一般都是把一个梁结构制作在CPW而实现的。本发明的测试结构另外把四个相同的梁结构与一分四功率分配器相连，每个梁的驱动电极都是独立分开的，也就是说可以对四个梁分别加不同的驱动电压。

微电子机械开关输入RF信号，自激励现象将对RF开关的梁产生下拉力。该下拉力可以等效为静电驱动电压V_eqv所产生的下拉力。因而V_eqv可以表征自激励的作用大小。当RF信号和静电驱动电压V_e同时存在时，总的等效的静电驱动电压为 $V_{\mathrm{sum}}=\sqrt{{V_{\mathrm{eqv}}}^2+{V_e}^2}.$ 在梁结构阵列中，单独的梁结构设为A，其他与一分四功率分配器相连的梁结构分别设为B、C、D和E。对A施加静电驱动电压可以测试出梁的下拉电压V_pullin。而对B、C、D和E分别加上静电驱动电压V_e+0.1V、V_e+0.01V、V_e+0.001V和V_e+0.0001V，V_e小于并接近V_pullin。保持一分四功率分配器的输入的RF功率不变——通过B、C、D、E的RF功率相同且不变——调整V_e大小，直到出现B下拉而E没有下拉的情况。可分析如下：(1)假如B下拉而C、D、E没有下拉，则可以求得 $\sqrt{{V_{\mathrm{pullin}}}^2-{(V_e+0.1)}^2}<V_{\mathrm{eqv}}<\sqrt{{V_{\mathrm{pullin}}}^2-{(V_e+0.01)}^2};$ (2)假如B、C下拉而D、E没有下拉，则可以求得 $\sqrt{{V_{\mathrm{pullin}}}^2-{(V_e+0.01)}^2}<V_{\mathrm{eqv}}<\sqrt{{V_{\mathrm{pullin}}}^2-{(V_e+0.001)}^2};$ (3)假如B、C、D下拉而E没有下拉，则可以求得 $\sqrt{{V_{\mathrm{pullin}}}^2-{(V_e+0.001)}^2}<V_{\mathrm{eqv}}<\sqrt{{V_{\mathrm{pullin}}}^2-{(V_e+0.0001)}^2}.$ 如果想得到更精确的V_eqv，可以对B、C、D和E所加的静电驱动电压进行细化。例如，对于情况(2)，如果对B、C、D和E分别加上静电驱动电压V_e+0.01V、V_e+0.0033V、V_e+0.0066V和V_e+0.001V，求得的V_eqv的精度将得到提高；其他情况如此类推。可见，只要实验验证过程直流电压源提供足够精确的静电驱动电压，本发明的微电子机械开关自激励机理的测试结构就能得到足够精确的实验结果。

微电子机械开关自激励机理的测试结构制备方法如下：

1)准备砷化镓衬底；选用的是未掺杂的半绝缘砷化镓衬底，

2)淀积氮化钽，

3)光刻并刻蚀氮化钽，形成一分四功率分配器的隔离电阻，即氮化钽薄膜电阻，

4)光刻；去除在CPW、一分四功率分配器和静电驱动电极以其引线的光刻胶，

5)溅射金，剥离去除光刻胶；形成CPW、一分四功率分配器和静电驱动电极以其引线，金的厚度为0.3μM，

6)淀积氮化硅介质层；用等离子体增强化学气相淀积法工艺生长

的氮化硅介质层，

7)光刻并刻蚀氮化硅介质层；保留静电驱动电极和空气桥下方驱动电极引线上的氮化硅；对于固支梁结构，则要另外保留固支梁下面CPW信号线的氮化硅，

8)淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层；在砷化镓衬底上涂覆1.6μM厚的聚酰亚胺牺牲层，要求填满凹坑，聚酰亚胺牺牲层的厚度决定了梁与氮化硅介质层所在平面的距离，光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留梁和空气桥下方的牺牲层。对于悬臂梁，要另外刻蚀牺牲层以便形成触点，

9)溅射钛/金/钛；溅射用于CPW、一分四功率分配器、梁和空气桥的底金钛/金/钛＝500/1600/

10)光刻钛/金/钛；去除CPW、一分四功率分配器、梁和空气桥以外的光刻胶，

11)电镀金；电镀金的厚度为2μm，

12)去除光刻胶；

13)反刻金层，腐蚀底金层，形成CPW、一分四功率分配器、梁和空气桥，

14)释放牺牲层；用显影液溶解梁结构和空气桥下方的聚酰亚胺牺牲层，并用无水乙醇脱水，形成悬浮的梁结构和空气桥。

有益效果：与现有的普通的微电子机械开关自激励机理的测试结构相比，本发明的微电子机械开关自激励机理的测试结构具有以下显著的优点：

1、实验结果精确，可比较性强，易于对自激励机理分析；

2、简化对测试仪器的要求，只需要RF信号源和直流电压源等基本的仪器。

附图说明

图1微电子机械开关自激励机理的测试结构的原理图

图2一分四功率分配器的示意图

图3梁结构的正面的俯视图和A-A面的剖视图，(a)为固支梁结构，(b)为悬臂梁结构。

图中包括：砷化镓衬底1，氮化钽薄膜电阻2，CPW的信号线3，CPW的地线4，一分四功率分配器的RF输入端口5，一分四功率分配器的RF输出端口6，一分四功率分配器的RF输出端口7，一分四功率分配器的RF输出端口8，一分四功率分配器的RF输出端口9，ACPS的信号线10，ACPS的地线11，氮化硅介质层12，固支梁13，悬臂梁14，梁的锚区15，驱动电极16，驱动电极引线17，空气桥18，悬臂梁的触点19。

具体实施方式

本文发明的微电子机械开关自激励机理的测试结构的具体实施方案如下：

在衬底1上设有：CPW a、一分四功率分配器b、梁阵列c：

CPW a由CPW的信号线3和地线4构成。

一分四功率分配器b由三个一分二Wilkinson功率分配器组成，形成RF输入端口5和四个RF输出端口6、7、8、9。一分二Wilkinson功率分配器由CPW和两路ACPS连接而成，隔离电阻采用氮化钽薄膜电阻2。

梁结构阵列c由一个单独的梁结构和四个分别与一分四功率分配器b四个RF输出端口6、7、8、9相连的梁结构组成。梁结构可以是固支梁13，也可以是悬臂梁14。固支梁13横跨在CPW a上，两个锚区15分别位于CPW的两个地线4上。固支梁13下面的CPW信号线3被氮化硅介质层12覆盖。至于悬臂梁14则为插入式，也就是说，CPW的信号线3除去一段，梁的锚区15位于CPW信号线3断开的一端，梁的接触端悬空但与CPW信号线3断开的另一端交叠。驱动电极上覆盖氮化硅介质层，固支梁结构的驱动电极16位于CPW信号线3与CPW的地线4的空隙上，而悬臂梁14的驱动电极16位于CPW信号线3的断开处。驱动电极的引线17从CPW的地线4的断开处引出，而CPW地线4的断开处用空气桥18连接。

微电子机械开关输入RF信号，自激励现象将对RF开关的梁产生下拉力。该下拉力可以等效为静电驱动电压V_eqv所产生的下拉力。因而V_eqv可以表征自激励的作用大小。当RF信号和静电驱动电压V_e同时存在时，总的等效的静电驱动电压为 $V_{\mathrm{sum}}=\sqrt{{V_{\mathrm{eqv}}}^2+{V_e}^2}.$ 在梁结构阵列中，单独的梁结构设为A，其他与一分四功率分配器相连的梁结构分别设为B、C、D和E。对A施加静电驱动电压可以测试出梁的下拉电压V_pullin。而对B、C、D和E分别加上静电驱动电压V_e+0.1V、V_e+0.01V、V_e+0.001V和V_e+0.0001V，V_e小于并接近V_pullin。保持一分四功率分配器的输入的RF功率不变——通过B、C、D、E的RF功率相同且不变——调整V_e大小，直到出现B下拉而E没有下拉的情况。可分析如下：(1)假如B下拉而C、D、E没有下拉，则可以求得 $\sqrt{{V_{\mathrm{pullin}}}^2-{(V_e+0.1)}^2}<V_{\mathrm{eqv}}<\sqrt{{V_{\mathrm{pullin}}}^2-{(V_e+0.01)}^2};$ (2)假如B、C下拉而D、E没有下拉，则可以求得 $\sqrt{{V_{\mathrm{pullin}}}^2-{(V_e+0.01)}^2}<V_{\mathrm{eqv}}<\sqrt{{V_{\mathrm{pullin}}}^2-{(V_e+0.001)}^2};$ (3)假如B、C、D下拉而E没有下拉，则可以求得 $\sqrt{{V_{\mathrm{pullin}}}^2-{(V_e+0.001)}^2}<V_{\mathrm{eqv}}<\sqrt{{V_{\mathrm{pullin}}}^2-{(V_e+0.0001)}^2}.$ 如果想得到更精确的V_eqv，可以对B、C、D和E所加的静电驱动电压进行细化。例如，对于情况(2)，如果对B、C、D和E分别加上静电驱动电压V_e+0.01V、V_e+0.0033V、V_e+0.0066V和V_e+0.001V，求得的V_eqv的精度将得到提高；其他情况如此类推。可见，只要实验验证过程直流电压源提供足够精确的静电驱动电压，本发明的微电子机械开关自激励机理的测试结构就能得到足够精确的实验结果。

微电子机械开关自激励机理的测试结构制备方法如下：

1)准备砷化镓衬底1；选用的是未掺杂的半绝缘砷化镓衬底，

2)淀积氮化钽，

3)光刻并刻蚀氮化钽，形成一分四功率分配器b的隔离电阻，即氮化钽薄膜电阻2，

4)光刻；去除在CPW a、一分四功率分配器b和静电驱动电极16以其引线17的光刻胶，

5)溅射金，剥离去除光刻胶；形成CPW a、一分四功率分配器b和静电驱动电极16以其引线17，金的厚度为0.3μm，

6)淀积氮化硅介质层12；用等离子体增强化学气相淀积法工艺生长

的氮化硅介质层12，

7)光刻并刻蚀氮化硅介质层12；保留静电驱动电极16和空气桥18下方驱动电极引线17上的氮化硅。对于固支梁结构，则要另外保留固支梁13下面CPW信号线3上的氮化硅。

8)淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层；在砷化镓衬底1上涂覆1.6μm厚的聚酰亚胺牺牲层，要求填满凹坑，聚酰亚胺牺牲层的厚度决定了梁与氮化硅介质层12所在平面的距离，光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留梁和空气桥18下方的牺牲层。对于悬臂梁14，要另外刻蚀牺牲层以便形成触点19。

9)溅射钛/金/钛；溅射用于CPW a、一分四功率分配器b、梁和空气桥18的底金钛/金/钛＝500/1600/

10)光刻钛/金/钛；去除CPW a、一分四功率分配器b、梁和空气桥18以外的光刻胶，

11)电镀金；电镀金的厚度为2μm，

12)去除光刻胶；

13)反刻金层，腐蚀底金层，形成CPW a、一分四功率分配器b、梁和空气桥18，

14)释放牺牲层；用显影液溶解梁结构和空气桥18下方的聚酰亚胺牺牲层，并用无水乙醇脱水，形成悬浮的梁结构和空气桥18。

区分是否为该结构的标准如下：

本发明的微电子机械开关自激励机理的测试结构为了实现可比较性测试，具有五个相同的梁结构，其中一个梁结构直接与RF输入端口和RF输出端口连接，其余四个梁结构分别与一分四功率分配器的四个输出端口连接，同时，五个梁结构具有独立的驱动电极。

满足以上条件的结构即视为本发明的微电子机械开关自激励机理的测试结构。

Claims (5)

1.一种微电子机械开关自激励机理的测试结构，其特征在于该测试结构具有五个相同的梁结构，其中一个梁结构直接与RF输入端口和RF输出端口连接，其余四个梁结构分别对应与一分四功率分配器的四个输出端口连接，另一端分别接RF输出端口，五个梁结构各自具有独立的驱动电极；在机械结构上，CPW(a)、一分四功率分配器(b)、梁结构阵列(c)设置在同一块衬底(1)上。

2.根据权利要求1所述的微电子机械开关自激励机理的测试结构，其特征在于CPW由CPW的信号线(3)和地线(4)构成。

3.根据权利要求1所述的微电子机械开关自激励机理的测试结构，其特征在于一分四功率分配器(b)由三个一分二Wilkinson功率分配器组成，形成RF输入端口(5)和四个RF输出端口；一分二Wilkinson功率分配器以CPW连接两路ACPS的方式实现，隔离电阻采用氮化钽薄膜电阻(2)。

4.根据权利要求1所述的微电子机械开关自激励机理的测试结构，其特征在于梁结构阵列(c)由一个单独的梁结构和四个分别与一分四功率分配器四个RF输出端口相连的梁结构组成；梁结构是固支梁(13)，或是悬臂梁(14)；固支梁(13)横跨在CPW(a)上，两个锚区(15)分别位于CPW的两个地线(4)上；固支梁下面的CPW信号线(3)被氮化硅介质层(12)覆盖，至于悬臂梁(14)则为插入式，也就是说，CPW的信号线(3)除去一段，梁的锚区(15)位于信号线(3)断开的一端，梁的接触端悬空但与信号线(3)断开的另一端交叠；驱动电极(16)上覆盖氮化硅介质层(12)，固支梁结构的驱动电极(16)位于CPW信号线(3)与CPW的地线(4)的空隙上，而悬臂梁(14)的驱动电极(16)位于CPW信号线(3)的断开处，驱动电极的引线(17)从CPW的地线(4)的断开处引出，而CPW地线(4)的断开处用空气桥(18)连接。

5.一种如权利要求1所述的微电子机械开关自激励机理的测试结构的制备方法，其特征在于制备方法为：

1)准备砷化镓衬底(1)；选用的是未掺杂的半绝缘砷化镓衬底，

2)淀积氮化钽，

3)光刻并刻蚀氮化钽，形成一分四功率分配器(b)的隔离电阻，即氮化钽薄膜电阻(2)，

4)光刻；去除在CPW(a)、一分四功率分配器(b)和静电驱动电极(16)以其引线(17)的光刻胶，

5)溅射金，剥离去除光刻胶；形成CPW(a)、一分四功率分配器(b)和静电驱动电极(16)以其引线(17)，金的厚度为0.3μm，

6)淀积氮化硅介质层(12)；用等离子体增强化学气相淀积法工艺生长1000

的氮化硅介质层(12)，

7)光刻并刻蚀氮化硅介质层(12)；保留静电驱动电极(16)和空气桥(18)下方驱动电极引线(17)上的氮化硅；对于固支梁结构，则要另外保留固支梁(13)下面CPW信号线(3)的氮化硅，

8)淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层；在砷化镓衬底(1)上涂覆1.6μm厚的聚酰亚胺牺牲层，要求填满凹坑，聚酰亚胺牺牲层的厚度决定了梁与氮化硅介质层(12)所在平面的距离，光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留梁和空气桥(18)下方的牺牲层。对于悬臂梁(14)，要另外刻蚀牺牲层以便形成触点(19)，

9)溅射钛/金/钛；溅射用于CPW(a)、一分四功率分配器(b)、梁和空气桥(18)的底金钛/金/钛＝500/1600/300

10)光刻钛/金/钛；去除CPW(a)、一分四功率分配器(b)、梁和空气桥(18)以外的光刻胶，

11)电镀金；电镀金的厚度为2μm，

12)去除光刻胶；

13)反刻金层，腐蚀底金层，形成CPW(a)、一分四功率分配器(b)、梁和空气桥(18)，

14)释放牺牲层；用显影液溶解梁结构和空气桥(18)下方的聚酰亚胺牺牲层，并用无水乙醇脱水，形成悬浮的梁结构和空气桥(18)。

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