CN101840781A - 一种框架式可变电容器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种框架式可变电容及其制备方法属于微电子机械系统MEMS器件技术领域，其特征在于所述框架式可变电容器由三维梳齿状驱动电极和三维梳齿状可调电容器构成，是一种双向可动结构，高频或射频信号可以通过所述框架式可变电容的框架结构上的细长而弯曲的悬臂梁引入，电容的可调比小，但电容绝对值大，也可以通过所述框架式可变电容的框架结构上的框架引入，电容可调比大，但电容绝对值小，提出了该可变电容的优选设计参数，相应地提出了制备方法。本发明既可完成对电容值的控制，并能有效提高电容的品质因数Q以及电容的可调比。
Description
技术领域
本发明属于微机械电子系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)器件及其制备范围，特别涉及以现有MEMS制造技术为基础的，具有高Q值、高电容可调比，框架结构叉指驱动式的微型MEMS可变电容及其制备方法。
背景技术
近年来由于微机械电子系统MEMS在包括卫星通讯、战场检测武器导航、汽车电子等军事、民用领域的广泛应用前景，推动了MEMS自身研究不断发展。在高频或射频RF领域中的MEMS器件，由于在体积、功耗、可靠性和价格方面相比目前传统器件的优势，成为下一代射频器件研制的热点之一。由于经典常用的平行板电极型MEMS可变电容器，在使用过程中采用非线性静电力的驱动，使得可动电极板在平行电极总间隙距离三分之一处呈现“下拉”现象Pull-in effect，从而导致只有1.5最大电容可调比，使得平行板电极技术得到的最大电容调谐范围受到限制，也导致MEMS器件的可靠性大幅度降低。如何克服平板电容器结构Pull-in effect，且使可变电容器适于高频和RF应用，成为急需解决的问题。美国英特尔公司专利ZL01822646.9提出具有柔性介电材料的切换多级可变电容，使用了平行板电容和多级开关结构。美国国际商用机器公司专利ZL200510008190.2提出了一种增加侧壁金属面积的多层结构，具有平板型固定电极和梳状可动电极，其为结构多层并采用埋置弹性材料，结构复杂工艺难度大，材料应力不匹配会造成结构翘曲，性能参数无法达到设计值，且没有如何提高Q值、变容比的可变电容器的发明内容；美国JDS尤尼费斯公司申请专利00803826.0提出了一种双晶片结构bimorph member的平行板型可变电容器，结构由低电阻材料，如高温超导HTS或厚金属层构成。
本发明目的是提供一种高频或射频RF使用的框架结构MEMS可变电容及其制备方法，该器件使用三维梳齿驱动电极，通过控制梳齿电极，既可完成对电容的操纵，又可以改变MEMS电容的可变范围，并有效提高Q值和电容可调比。
发明内容
本发明一种框架式可变电容器，其特征之一在于，
含有三维梳齿状驱动电极和三维梳齿状可调电容，其中，
三维梳齿状可调电容，引入直流电压，含有两个可调电容部分，每个可调电容部分包括分为固定部分1和可动部分2、两个驱动电极，每个驱动电极包括固定部分3和可动部分4、四个细长且弯曲悬臂梁5、所述悬臂梁上的锚点6、框架结构7以及衬底8，其中：
两个可调电容部分，对称地位于所述框架式可变电容水平轴线的上、下两侧，该框架式可变电容器的水平方向两侧通过所述框架相连，所述四个细长而弯曲的悬臂梁5的各自连接到所述框架的一角上，而与一端连接着各自的锚点6，其中：
整个所述两个三维梳齿状可调电容部分，每个分为固定部分和可动部分，可调电容每个固定和可动部分长度均为295微米，所述可调电容每个固定部分1和可动部分2的交叠部分长度均为290微米，所述可调电容的每个固定部分1和可动部分2的宽度均为8微米，所述可调电容每个固定部分1和可动部分2的间隙均为3微米，所述两个可调电容间距为9微米，
所述两个三维梳齿状驱动电极，每个分为固定部分和可动部分，三维梳齿状驱动电极位于所述可调电容框架两端，且对称地位于所述框架式可变电容水平轴线的上下两侧，其中：
每个三维梳齿状驱动电极固定部分3和可动部分4的交叠部分长均为15微米，每个所述电极固定部分3和可动部分4的间隙均为3微米，每个所述电极固定部分3和可动部分4的宽度均为3微米，每个所述电极的固定部分3和可动部分4的长度为25微米。
框架7的宽度为1500微米，长度为2000微米，厚度为10微米，所述锚点所在的悬臂梁5宽度4微米，
所述框架式可变电容器的结构厚度为25微米，
高频或射频信号通过所述悬臂梁5上的锚点6引入到所述可变电容部分，
高频或射频信号的通过在一个可变电容电极固定部分9上加入交流电压正极VAC+，另一个可变电容电极固定部分10接地的方式，使靠近可变电容的驱动电极相连锚点6处加交流电压负极VAC-，与所述可变电容电极形成高频或射频信号通路。两个驱动电极固定部分11、12上分别加入直流电压Vdc1与Vdc2。
本发明一种框架式可变电容器，其特征之二在于，其中，
三维梳齿状可调电容，引入直流电压，含有两个可调电容部分，每个可调电容部分包括分为固定部分1和可动部分2、两个驱动电极，每个驱动电极包括固定部分3和可动部分4、四个细长且弯曲悬臂梁5、所述悬臂梁上的锚点6、框架结构7以及衬底8，其中：
两个可调电容部分，对称地位于所述框架式可变电容水平轴线的上、下两侧，该框架式可变电容器的水平方向两侧通过所述框架相连，所述四个细长而弯曲的悬臂梁5的各自连接到所述框架的一角上，而与一端连接着各自的锚点6，其中：
整个所述两个三维梳齿状可调电容部分，每个分为固定部分和可动部分，可调电容每个固定和可动部分长度均为295微米，所述可调电容每个固定部分1和可动部分2的交叠部分长度均为290微米，所述可调电容的每个固定部分1和可动部分2的宽度均为8微米，所述可调电容每个固定部分1和可动部分2的间隙均为3微米，所述两个可调电容间距为9微米，
所述两个三维梳齿状驱动电极，每个分为固定部分和可动部分，三维梳齿状驱动电极位于所述可调电容框架两端，且对称地位于所述框架式可变电容水平轴线的上下两侧，其中：
每个三维梳齿状驱动电极固定部分3和可动部分4的交叠部分长均为15微米，每个所述电极固定部分3和可动部分4的间隙均为3微米，每个所述电极固定部分3和可动部分4的宽度均为3微米，每个所述电极的固定部分3和可动部分4的长度为25微米。
框架7的宽度为1500微米，长度为2000微米，厚度为10微米，所述锚点所在的悬臂梁5宽度4微米，
所述框架式可变电容器的结构厚度为25微米。
高频或射频信号通过所述框架7引入到所述可变电容电极部分。
高频或射频信号的通过在一个可变电容电极固定部分9上加入交流电压正极VAC+，另一个可变电容电极固定部分10上加入交流电压负极VAC-的方式，使靠近可变电容的框架部分与所述可变电容电极形成高频或射频信号通路。两个驱动电极固定部分11和12上分别加入直流电压Vdc1与Vdc2。
本发明一种框架式可变电容器，其特征三在于，
依次含有如下步骤：
步骤(1)，在n型双面抛光的SOI(silieon-on-insulator)片上依次接如下步骤形成所述SOI片的清洁；
步骤(1.1)，在所述n型双面抛光的SOI片上用化学汽相淀积CVD方法淀积形成一层磷硅玻璃，其中，所述SOI片从上到下依次由硅、氧化层和衬底构成。
步骤(1.2)，在Ar气中，于1050℃下退火1小时，
步骤(1.3)，用湿法腐蚀的方式去除所述磷硅玻璃；
步骤(2)，在步骤(1)得到的SOI片上接如下步骤形成或下述两种金属图形中的任何一种图形：Cr/Au和Ti/Pt/Au的图形，
步骤(2.1)，使用负性光刻胶，进行第一次光刻，在步骤(2)所述的SOI片上形成正面金属图形，
步骤(2.2)，再依次溅射50纳米至400纳米Cr、50纳米至600纳米Au，或者依次溅射20纳米至50纳米Ti、20纳米至30纳米的Pt和60纳米至150纳米Au，然后通过丙酮去胶剥离，得到相应的Cr/Au图形或Ti/Pt/Au图形；
步骤(3)，在步骤(2)得到的正面具有金属图形的SOI片上，进行第二次光刻，形成光刻图形，以所述光刻图形为掩膜，使用硅深层等离子刻蚀DRIE(Deepreactive ion etching)工艺，刻蚀所述SOI片的正面图形结构，直至达到所述SOI片中间的氧化层；
步骤(4)，接如下步骤，在步骤(3)形成的SOI片的底部表面，依次接如下步骤，进行第三次光刻形成背面窗口的结构：
步骤(4.1)，在经过步骤(3)刻蚀后的所述SOI片正面的图形上涂布聚酰亚胺以起保护作用，
步骤(4.2)在步骤(3)得到的所述SOI片反面进行第三次光刻，得到图形化的光刻胶结构，形成所述DRIE的掩膜层，
步骤(4.3)再次使用所述的DRIE工艺，刻蚀到所述SOI片中的所述氧化层，形成衬底层结构的DRIE工艺；
步骤(5)，在198毫升HF酸中加入113毫升NH4F，配成缓冲氢氟酸，以100纳米/分钟的腐蚀速率，腐蚀SOI片中的氧化层，直至SOI片反面窗口底部的氧化层均腐蚀掉；
步骤(6)，用氧等离子体刻蚀步骤(4.1)中的聚酰亚胺，释放结构；
步骤(7)，使用荫罩版Shadow Mask，在所述SOI片的已经得到的结构设计的区域，依次溅射相应的Cr/Au或Ti/Pt/Au层。
本发明使用绝缘体上的硅(silicon-on-insulator，SOI)片，同时也可以使用硅-玻璃或兼容结构，设计采用驱动电极和检测电极/电容读出电极分离，且驱动电极和可调电容均采用三维梳状结构，既可提高单位面积驱动电极的驱动力，提高了静态电容的绝对值。由于梳齿驱动的可调电容，可以使可变电容的间距达到理论无上限近，因此可变电容值可以理论上达到无穷大。经典可变电容是单向的可动结构，而本发明采用双向可动结构，增大电容的可变范围，可变电容器在高频或射频RF领域应用时，高频品质因数Q值是表征在一个周期内平均能量存储与能量耗散比值的参数，Q值越高，对于高频或射频RF应用的可变电容器其性能越好。Rs是在RF信道中一系列电阻的总称，是影响Q值重要的特征参数之一，Rs与Q成反比。
本发明的框架结构的MEMS可变电容，具有高Q值、高变容比，采用现有的MEMS工艺，制备流程简单且与集成电路工艺兼容，易于将其和传统晶体管器件集成，其成品率和可靠性均较高，并且成本较低。
附图说明
图1为按照本发明的一个实施例的可变电容示意图；
图2为可变电容俯视设计优选参数标注示意图；
图3为可变电容一种高频或射频信号引入示意图；
图4为可变电容另一种高频或射频信号引入示意图；
图5为可变电容制备工艺流程图示意图；
图6为可变电容制备工艺流程图示意图；
图7为可变电容制备工艺流程图示意图；
图8为可变电容制备工艺流程图示意图；
图9为可变电容制备工艺流程图示意图；
图10为可变电容制备工艺流程图示意图；
图11为可变电容制备工艺流程图示意图；
图12为可变电容制备工艺流程图示意图；
图13为可变电容制备工艺流程图示意图；
具体实施方式
工艺流程如下：
1.第一次光刻，表面金属化剥离；
2.第二次光刻，正面深层反应离子刻蚀(Deep Reactive Ion Etch，DRIE)，形成正面结构；
3.正面结构聚酰亚胺Polyimide保护，形成正面保护，支撑正面已经形成结构；
4.第三次光刻，背面衬底层深槽DRIE，形成背面窗口结构；
5.背面结构使用HF酸湿法腐蚀，去除SOI片中相应结构下的氧化层结构；
6.去除正面聚酰亚胺保护层，释放结构；
7.使用荫罩版Shadow Mask，完成SOI片表面相应位置的金属图形化，做电学连接准备。
由于一般设计可变电容器时需要减小驱动电压，所以梁结构通常设计为细长和弯曲的，其Rs也较大。而本发明可调电容至少具有两种使用模式：
1.RF信号通过细长和弯曲梁结构，其Rs大，最终Q值小，电容可调比小，但是电容绝对值大；
2.RF信号不通过细长和弯曲梁结构，而通过Rs小的宽大框架结构，最终Q值大，电容可调比大，但是电容绝对值小。
具体可变电容器设计优选参数值：
| 参数 | 值 |
| 可调电容间隙(微米) | 3 |
| 可调电容电极宽(微米) | 8 |
| 可调电容电极长(微米) | 295 |
| 可调电容电极交叠(微米) | 290 |
| 两个可调电容间距(微米) | 9 |
| 驱动电极间隙(微米) | 3 |
| 驱动电极宽(微米) | 3 |
| 驱动电极长(微米) | 25 |
| 驱动电极交叠(微米) | 15 |
| 框架宽度(微米) | 1500 |
| 框架长度(微米) | 2000 |
| 框架厚度(微米) | 10 |
| 锚点部分悬臂梁宽度 | 4 |
| 结构厚度 | 25 |
1.使用n型双面抛光的4英寸直径SOI片(硅结构层15厚度为25微米、氧化层16厚度为2微米、衬底层8厚度为400微米)，首先在硅片表面惨杂，采用化学汽相淀积CVD方法，在SOI片表面淀积生长一层磷硅玻璃17(Phosphosilicate glass，PSG)，再Ar气中，1050℃退火1小时。之后通过湿法腐蚀(15毫升HF酸，加10毫升硝酸，加300毫升去离子水，腐蚀速率10-4微米/秒)去除PSG，这一步是为了硅结构表面磷惨杂，使得后续形成金属和硅结构层之间的接触是欧姆接触。
2.第一次光刻形成SOI片正面金属图形18，使用负胶形成光刻图案，再依次溅射Cr50纳米至400纳米和Au50纳米至600纳米，或使用Ti20纳米至50纳米、Pt20纳米至30纳米、Au60纳米至150纳米，通过丙酮去胶剥离的方法，形成Cr/Au或Ti/Pt/Au的图形。
3.第二次光刻，涂胶、光刻、显影，形成光刻图形，以图形为掩膜，使用DRIE工艺，刻蚀SOI片正面图形结构，直至达到SOI片中间的氧化层。
4.在SOI结构层正面DRIE刻蚀后的图形上涂布聚酰亚胺19，正面保护已经刻蚀好的硅结构。在SOI片的底部表面，第三次光刻。光刻好的图形化光刻胶结构，成为DRIE的掩膜层，通过DRIE工艺，刻蚀穿通硅支撑层/衬底，直至SOI片中的氧化层。
5.使用Buffer HF缓冲氢氟酸(198毫升HF酸加113克NH4F，腐蚀速率约100纳米/分钟)，腐蚀氧化层，直至将SOI片底部DRIE刻蚀完成后留下部分的氧化层均腐蚀完成。
6.氧等离子体刻蚀干法聚酰亚胺，释放结构。
7.通过使用荫罩版Shadow Mask，在SOI片结构设计区域，依次蒸发Cr 50纳米至500纳米、Au 50纳米至600纳米。
Claims (3)
1.一种框架式可变电容器，其特征在于，含有三维梳齿状驱动电极和三维梳齿状可调电容，其中：
三维梳齿状可调电容，引入直流电压，含有两个可调电容部分、四个细长且弯曲的悬臂梁、所述悬臂梁上的锚点、框架以及衬底，其中：
两个可调电容部分，对称地位于所述框架式可变电容水平轴线的上、下两侧，该两个可调电容部分的水平方向的相对两侧通过所述框架相连，所述四个细长而弯曲的悬臂梁的各自连接到所述框架的一角上，而另一端连接着各自的锚点，其中：
所述两个可调电容部分，每个可调电容分为固定和可动部分，每个可调电容的固定和可动部分长度均为295微米，所述每个可调电容固定和可动部分的交叠部分长度均为290微米，所述每个可调电容的固定和可动部分的宽度均为8微米，所述每个可调电容的固定和可动部分间隙均为3微米，所述两个可调电容间距为9微米，
框架的宽度为1500微米，长度为2000微米，厚度为10微米，所述锚点所在的悬臂梁宽度4微米，
所述两个三维梳齿状驱动电极，位于所述两个可调电容部分之间，且对称地位于所述框架式可变电容水平轴线的上下两侧，其中：
每个梳齿状驱动电极的固定部分和可动部分的交叠部分长均为15微米，所述固定部分和可动部分的间隙均为3微米，固定部分和可动部分的宽度均为3微米，固定部分和可动部分的长度为25微米。
所述框架式可变电容器的结构厚度为25微米，
高频或射频信号通过所述悬臂梁上的锚点引入到所述可变电容部分，
高频或射频信号的通过在一个可变电容电极固定部分上加入交流电压正极VAC+，另一个可变电容电极固定部分接地的方式，使靠近可变电容的驱动电极相连锚点处加交流电压负极VAC-，与所述可变电容电极形成高频或射频信号通路，两个驱动电极固定部分上分别加入直流电压Vdc1与Vdc2。
2.一种框架式可变电容器，其特征在于，含有三维梳齿状驱动电极和三维梳齿状可调电容，其中：
三维梳齿状可调电容，引入直流电压，含有两个可调电容部分、四个细长且弯曲的悬臂梁、所述悬臂梁上的锚点、框架以及衬底，其中：
两个可调电容部分，对称地位于所述框架式可变电容水平轴线的上、下两侧，该两个可调电容部分的水平方向的相对两侧通过所述框架相连，所述四个细长而弯曲的悬臂梁的各自连接到所述框架的一角上，而另一端连接着各自的锚点，其中：
所述两个可调电容部分，每个可调电容分为固定和可动部分，每个可调电容的固定和可动部分长度均为295微米，所述每个可调电容固定和可动部分的交叠部分长度均为290微米，所述每个可调电容的固定和可动部分的宽度均为8微米，所述每个可调电容的固定和可动部分间隙均为3微米，所述两个可调电容间距为9微米，
框架的宽度为1500微米，长度为2000微米，厚度为10微米，所述锚点所在的悬臂梁宽度4微米，
所述两个三维梳齿状驱动电极，位于所述两个可调电容部分之间，且对称地位于所述框架式可变电容水平轴线的上下两侧，其中：
每个梳齿状驱动电极的固定部分和可动部分的交叠部分长均为15微米，所述固定部分和可动部分的间隙均为3微米，固定部分和可动部分的宽度均为3微米，固定部分和可动部分的长度为25微米。
所述框架式可变电容器的结构厚度为25微米，
高频或射频信号通过所述悬臂梁引入到所述可变电容部分，
高频或射频信号的通过在一个可变电容电极固定部分上加入交流电压正极VAC+，另一个可变电容电极固定部分上加入交流电压负极VAC-的方式，使靠近可变电容的框架部分与所述可变电容电极形成高频或射频信号通路，两个驱动电极固定部分上分别加入直流电压Vdc1与Vdc2。
3.根据权利要求1或2所述的一种框架式可变电容器而提出的制备方法，其特征在于，依次含有如下步骤：
步骤(1)，清洁n型双面抛光的绝缘体上的硅SOI片步骤如下：
步骤(1.1)，在所述n型双面抛光的SOI片上用化学汽相淀积CVD方法淀积形成一层磷硅玻璃，其中，所述SOI片从上到下依次由硅、氧化层和衬底构成。
步骤(1.2)，在Ar气中，于1050℃下退火1小时，
步骤(1.3)，用湿法腐蚀的方式去除所述磷硅玻璃；
步骤(2)，在步骤(1)得到的SOI片上按如下步骤形成下述两种金属图形中的任何一种图形：Cr/Au和Ti/Pt/Au的图形，
步骤(2.1)，使用负性光刻胶，进行第一次光刻，在步骤(2)所述的SOI片上形成正面金属图形，
步骤(2.2)，再依次溅射50纳米至400纳米的Cr、50纳米至600纳米的Au，或者依次溅射20纳米至50纳米的Ti、20纳米至30纳米的Pt和60纳米至150纳米的Au，然后通过丙酮去胶剥离，得到相应的Cr/Au图形或Ti/Pt/Au图形；
步骤(3)，在步骤(2)得到的正面具有金属图形的SOI片上，进行第二次光刻，形成光刻图形，以所述光刻图形为掩膜，使用硅深层等离子刻蚀DRIE工艺，刻蚀所述SOI片的正面图形结构，直至达到所述SOI片中间的氧化层；
步骤(4)，在步骤(3)形成的SOI片的底部表面，依次按如下步骤，进行第三次光刻形成背面窗口的结构：
步骤(4.1)，在经过步骤(3)刻蚀后的所述SOI片正面的图形上涂布聚酰亚胺以起保护作用，
步骤(4.2)在步骤(3)得到的所述SOI片反面进行第三次光刻，得到图形化的光刻胶结构，形成所述DRIE的掩膜层，
步骤(4.3)再次使用所述的DRIE工艺，刻蚀到所述SOI片中的所述氧化层，形成衬底层结构的DRIE工艺；
步骤(5)，在198毫升HF酸中加入113毫升NH4F，配成缓冲氢氟酸，以100纳米/分钟的腐蚀速率，腐蚀SOI片中的氧化层，直至SOI片反面窗口底部的氧化层均腐蚀掉；
步骤(6)，用氧等离子体刻蚀步骤(4.1)中的聚酰亚胺，释放结构；
步骤(7)，使用荫罩版Shadow Mask，在所述SOI片的已经得到的结构设计的区域，依次溅射相应的Cr/Au或Ti/Pt/Au层。
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