CN103545108B

CN103545108B - 一种热致驱动的mems可变电容器及其制备方法

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Publication number: CN103545108B
Application number: CN201310519353.8A
Authority: CN
Inventors: 沈娇艳; 陈立军; 程新利; 潘涛
Original assignee: Suzhou University of Science and Technology
Current assignee: Suzhou University of Science and Technology
Priority date: 2013-10-29
Filing date: 2013-10-29
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2033-10-29
Also published as: CN103545108A

Abstract

本发明涉及一种热致驱动的MEMS可变电容器及其制备方法。电容器由固定的下极板和由热致驱动的上极板组成；热致驱动器包括固定于衬底的冷臂和加热臂组成，通过输入电压，使热致驱动器发生变形，带动电容器的上极板向上运动，使电容值发生变化。本发明技术方案提供的可变电容器，其电容值相对变化率比较大，可达10倍以上。本发明中的可变电容器制造时采用标准的MEMS技术，与半导体工艺完全兼容，具有体积小，加工工艺简单，制作成本较低，容易实现大批量生产，提高了产品性价比和市场竞争力。

Description

一种热致驱动的MEMS可变电容器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种微机电系统（MicroElectroMechanicalSystem,MEMS）器件的电容器，特别涉及一种具有高电容可调比的微型MEMS热致驱动可变电容器。

背景技术

目前，在高速发展的通信和射频的技术领域，计算机、平板电脑、智能手机、GPS系统甚至很多玩具，都能提供复杂的计算和信号处理功能。每个电子器件都有自己独特的工作频率范围，可变器件可以集成于芯片中，有效降低成本，提高使用范围。可变电容器是电路元器件中，最常见的被动器件之一。常见改变电容值的方法包括改变极板间距、相对面积或材料的介电常数，通过这些参数的改变，使得电容值从最大值到最小值之间发生变化。其中，最方便也是最容易实现的方法是改变极板间距。改变极板间距的方法包括静电驱动、磁驱动、压电陶瓷驱动或者电热驱动。

静电驱动可变电容通过非线性静电力，带动极板运动从而改变极板间距。但是在可动极板和固定极板间距为它们总间距的1/3时，会出现下拉现象（Pulleffect），从而导致只有1.5的最大电容可调比。而且静电驱动产生的位移变化比较小，通常小于10um，且驱动电压比较高，通常达到10V以上。磁驱动或压电陶瓷驱动可以在较低驱动电压下极板间距产生较大的变化，但是磁性材料和压电材料与半导体材料和工艺不兼容，它们的应用受到一定的限制。电热驱动结构简单，变形范围比较大，只需要电流或电压进行加热，一般加热功率在mW级别，可以很快获得较大的电容变化率。极板间距变化大可以得到较大的电容变化率，驱动电压较低可以使得可变电容更容易控制，可以在比较小的空间内快速实现电容值的改变。考虑驱动电压，电容值变化率和生产工艺等因素，电热驱动MEMS电容是一种比较理想的实现电容值可变的方式。

发明内容

本发明所要解决的问题是克服现有技术存在的不足，提供了一种体积小、电容可调比大的热致驱动的MEMS可变电容器。

本发明技术方案包括提供一种热致驱动的MEMS可变电容器，一种热致驱动的MEMS可变电容器，其特征在于：所述的电容器包括衬底、一个固定的下极板和一个可上下活动的上极板，上极板通过呈对称结构布置的四个热驱动器驱动；所述热驱动器包括四根悬臂梁，呈两侧对称分布，其中的两根悬臂梁为冷臂，另两根悬臂梁为加热臂；所述的冷臂包括冷臂一侧的下电极、冷臂一侧的通孔、冷臂一侧的悬臂梁、冷臂的连接平台、冷臂另一侧的悬臂梁、冷臂另一侧的通孔和冷臂另一侧的下电极，冷臂的一端固定于衬底上的锚点，另一端与上极板连接；所述的加热臂包括加热臂的输入电极、加热臂一侧的通孔、加热臂一侧的悬臂梁、加热臂的连接平台、加热臂另一侧的悬臂梁、加热臂另一侧的通孔和加热臂的输出电极；上极板、冷臂的悬臂梁和冷臂的连接平台处于同一平面A；加热臂的悬臂梁和加热臂的连接平台处于平面A的下层，加热臂的连接平台与冷臂的连接平台之间以绝缘层隔离；四个热驱动器的加热臂的输入电极相互并联，作为所述可变电容器的加热信号的输入端，加热臂的输出电极相互并联，作为所述可变电容器的加热信号的输出端；四个热驱动器的冷臂的下电极相互并联，作为所述可变电容器与外电路连接的一个电极，下极板为所述可变电容器与外电路连接的另一个电极。

本发明所述的呈两侧对称分布的四根悬臂梁，其外侧的两根悬臂梁为冷臂，内侧的两根悬臂梁为加热臂。

如上所述的热致驱动的MEMS可变电容器的制备方法，包括如下步骤：

（1）在一个衬底上面制备一层衬底绝缘层，用于隔离衬底和衬底上的MEMS可变电容器；

（2）在衬底绝缘层上生长一层掺杂后导电的第一半导体材料层，厚度为0.5～0.6um，在第一半导体材料层上刻蚀加热臂的输入电极和输出电极，冷臂的下电极以及MEMS可变电容的下极板，其余部分去除；

（3）在步骤（2）得到的表面上填充第一牺牲层，经回流平坦化工艺处理得到平整表面；其中第一牺牲层的上表面到衬底绝缘层的厚度为1.4～2.5um，到第一半导体材料层的厚度为2.0～3.0um；在第一牺牲层上刻蚀窗口，刻蚀深度至加热臂的输入电极和输出电极，以备生长加热臂的半导体材料的通孔；

（4）在第一牺牲层的上表面上生长2.0～3.0um厚度的掺杂后导电的第二半导体材料层，在第二多晶硅层上刻蚀出加热臂的加热臂一侧的悬臂梁、加热臂的连接平台和加热臂另一侧的悬臂梁，其余部分去除；

（5）在步骤（4）得到的表面上制备一层绝缘层，厚度为0.75～1.0um，在加热臂的连接平台上刻蚀出绝缘层（10），其余部分去除；

（6）在步骤（5）得到的表面上填充第二牺牲层，经回流平坦化工艺处理得到平整表面，第二牺牲层的上表面与绝缘层的上表面平齐，绝缘层的上表面裸露，第二牺牲层的上表面到第一牺牲层的上表面厚度为2.75～4.0um，在第二牺牲层上表面依次通过第二牺牲层、第一牺牲层刻蚀窗口，直至冷臂的下电极，以备生长冷臂的半导体材料的通孔；

（7）在第二牺牲层和绝缘层的上表面上生长1.5～2.0um厚度掺杂后导电的第三半导体材料层，在第三半导体材料层上刻蚀出冷臂一侧的悬臂梁、冷臂的连接平台、冷臂另一侧的悬臂梁和MEMS可变电容器的上极板，其余部分去除；

（8）溶解去除第一牺牲层和第二牺牲层，即得到一种热致驱动的MEMS可变电容器。

本发明技术方案中，衬底的材料为硅、不锈钢、石英玻璃、锗、砷化镓中的一种。衬底绝缘层的材料为SiO_2、Si₃N₄、AlO₂中的一种。绝缘层的材料为Si₃N_4、SiO₂中的一种。半导体材料层为掺杂后导电的多晶硅层，如掺杂砷化镓的多晶硅层半导体材料。

本发明的原理是：在高频或者射频条件下使用的MEMS可变电容器，由一个固定的下极板和一个可上下活动的上极板组成；可上下活动的上极板由对称结构的四个热驱动器带动，通过电热驱动器的变形来实现上极板的上下移动；每个电热驱动器主要由内外四根悬臂梁组成。两根悬臂梁作为冷臂，一端固定于衬底上的锚点，另一端连接到电容器的上极板，上极板和外侧的两根悬臂梁以及两根悬臂梁之间的连接平台处于同一平面。另两根悬臂梁作为加热臂，加热臂的两根悬臂梁以及它们之间的连接平台处于内侧两根冷臂悬臂梁所在平面的下层，两层的连接平台之间采用绝缘层隔离；电容器的上下极板和热驱动器的导电部分采用掺杂多晶硅材料。通过电压或电流驱动导致加热臂发热，使得悬臂梁发生形变产生旋转力矩，带动电容器上极板上下运动，从而改变电容器极板间距，达到可调比大的可变电容。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的可变电容器，电容值的相对变化率比较大，可达10倍以上。

2、本发明提供的可变电容器采用标准的MEMS技术，与半导体工艺完全兼容。

3、本发明提供的MEMS可变电容器体积小，加工工艺简单，制作成本较低，容易实现大批量生产，提高了产品性价比和市场竞争力。

附图说明

图1是本发明实施例提供的热致驱动的MEMS可变电容器的立体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的热驱动器的立体结构示意图；

图3是在Si₃N₄绝缘层上生长一层掺杂后导电的第一多晶硅层，并刻蚀出加热臂的输入电极和输出电极，冷臂的下电极以及可变电容的下极板的结构示意俯视图；

图4是在第一牺牲层（PSG1牺牲层）上刻蚀出加热臂通孔的结构示意主视剖面图；

图5是生长一层掺杂后导电的第二多晶硅层（Poly1层），并刻蚀出加热臂一侧的悬臂梁、加热臂的连接平台和加热臂另一侧的悬臂梁的结构示意俯视图；

图6是生长一层Si₃N₄绝缘层后，并在每组热驱动器的加热臂连接平台和冷臂连接平台之间刻蚀出Si₃N₄绝缘层的结构示意主视剖面图；

图7是生长第二牺牲层（PSG2牺牲层）后的结构示意主视剖面图；

图8是在第二牺牲层（PSG2牺牲层）上刻蚀出冷臂通孔的结构示意俯视图；

图9是生长一层掺杂后导电的第三多晶硅层（Poly2层），并刻蚀出冷臂一侧的悬臂梁、冷臂的连接平台、冷臂另一侧的悬臂梁和可变电容器的上极板的结构示意俯视图；

图中，1、Si衬底；2、Si₃N₄衬底绝缘层；3、加热臂的输入电极；4、加热臂的输出电极；5、冷臂一侧的下电极；6、冷臂另一侧的下电极；7、MEMS可变电容器的下极板；8、PSG1牺牲层；9、加热臂；9A、加热臂一侧的通孔；9B、加热臂一侧的悬臂梁；9C、加热臂的连接平台；9D、加热臂另一侧的悬臂梁；9E、加热臂另一侧的通孔；10、Si₃N₄绝缘层；11、PSG2牺牲层；12、冷臂；12A、冷臂一侧的通孔；12B、冷臂一侧的悬臂梁；12C、冷臂的连接平台；12D冷臂另一侧的悬臂梁；12E、冷臂另一侧的通孔；13、MEMS可变电容器的上极板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的阐述。

实施例1

参见附图1，它是本实施例提供的热致驱动的MEMS可变电容器的立体结构示意图；在Si衬底1之上生长一层Si₃N₄衬底绝缘层2，用于隔离衬底和衬底上的MEMS可变电容器，可变电容器的主要结构包括：MEMS可变电容器的上极板13、下极板7和四个对称结构的热驱动器；热驱动器包括冷臂12和加热臂9；电容器的下极板7固定于Si₃N₄衬底绝缘层2上的第一多晶硅层Poly0层，可活动的上极板13和热驱动器的冷臂12连成一体。

参见附图2，它是本实施例提供的热驱动器的立体结构示意图；每个热驱动器主要包括冷臂12和加热臂9,加热臂9由加热臂一侧的通孔9A、加热臂一侧的悬臂梁9B、加热臂的连接平台9C、加热臂另一侧的悬臂梁9D、加热臂另一侧的通孔9E组成；冷臂12由冷臂一侧的通孔12A、冷臂一侧的悬臂梁12B、冷臂的连接平台12C、冷臂另一侧的悬臂梁12D、冷臂另一侧的通孔12E组成。冷臂的连接平台12C和加热臂的连接平台9C用Si₃N₄绝缘层10隔离。冷臂12的两根悬臂梁12B、12D比加热臂9的两根悬臂梁9B、9D长度短，且制备时处于不同层。加热臂9的输入电极3和冷臂12的下电极5处于同一层Poly0上。

参见附图3，它是在Si₃N₄绝缘层上生长一层掺杂后导电的第一多晶硅层（Poly0层），并刻蚀出加热臂的输入电极和输出电极，冷臂的下电极以及MEMS可变电容的下极板的结构示意俯视图；Poly0生长于Si衬底上面的Si₃N₄衬底绝缘层之上，热臂的输入电极3和输出电极4、电容器下极板7和冷臂的下电极5、6处于同一层Poly0上。

由图1、2和3所示的结构可知，本发明所述的MEMS可变电容的工作原理为：加热电流或电压从加热臂9的输入电极3位置输入，加热电流流经热臂一侧通孔9A，悬臂梁9B、热臂的连接平台9C，再通过另一侧的悬臂梁9D、通孔9E、热臂的输出电极4。通过的电流产生焦耳热，使得加热臂9的悬臂梁9B、9D伸长变形。同时，由于冷臂12的连接平台12C和加热臂9的连接平台9C之间通过Si₃N₄绝缘层10绝缘，所以冷臂12内部不产生焦耳热，仅有因热传导和热辐射而产生形变。这样，冷臂12和加热臂9同时作用，产生一个旋转力矩，使得电容器上极板13向上运动，增大极板间距，电容值减小。每个热驱动器的加热臂9的输入电极3之间并联，输出电极4也相互并联，分别作为整个可变电容器的加热信号的输入、输出端；每个热驱动器的冷臂12的下电极5、6全部并联，且作为电容器的一极连接到外电路中，电容器的下极板7作为另一极连接到外电路。

以下结合附图3～9进一步描述可变电容的制备工艺，其步骤如下：

步骤1：如图3所示，在一个Si衬底上面生长一层Si₃N₄衬底绝缘层，用于隔离衬底和衬底上的可变电容器；在Si₃N₄衬底绝缘层上生长一层掺杂后导电的第一多晶硅层Poly0层，厚度为0.5～0.6um，在多晶硅Poly0层上刻蚀出加热臂的输入电极3和输出电极4，冷臂12的下电极5、6以及可变电容的下极板7，其余部分去除；

步骤2：如图4所示，在步骤1得到的凹凸不平的表面上填充一层PSG1牺牲层，并经过回流平坦化工艺使上表面平整。其中PSG1牺牲层的上表面到Si₃N₄衬底绝缘层的厚度为1.4～2.5um；到多晶硅Poly0层的厚度为2.0～3.0um。在PSG1牺牲层上刻蚀窗口，刻蚀深度至加热臂的输入电极和输出电极，以备生长加热臂的导电多晶硅材料的通孔9A、9E；

步骤3：如图5所示，在PSG1牺牲层的上表面上生长2.0～3.0um厚度的导电多晶硅Poly1层，在Poly1层上刻蚀出加热臂的加热臂一侧的悬臂梁9B、加热臂的连接平台9C和加热臂另一侧的悬臂梁9D，其余部分去除；

步骤4：如图6所示，在步骤3得到的凹凸不平的表面上外延生长一层等厚的Si₃N₄绝缘层，厚度为0.75～1.0um，并在加热臂的连接平台上刻蚀出Si₃N₄绝缘层10，其余部分去除；

步骤5：如图7和8所示，在步骤4得到的凹凸不平的表面上平面填充一层PSG2牺牲层11，并经过回流平坦化工艺使上表面平整，PSG2牺牲层11的上表面与绝缘层10的上表面平齐，因此绝缘层10的上表面裸露，而PSG2牺牲层11的上表面到PSG1牺牲层的上表面厚度为2.75～4.0um；如图8所示，在PSG2牺牲层上表面依次通过PSG2牺牲层、PSG1牺牲层刻蚀窗口，直至冷臂的下电极、以备生长冷臂的导电多晶硅材料的通孔12A、12E；

6、如图9所示，在PSG2牺牲层和绝缘层的上表面（两者表面平齐）上生长1.5～2.0um厚度的导电多晶硅Poly2层，在Poly2层上刻蚀出冷臂一侧的悬臂梁12B、冷臂的连接平台12C、冷臂另一侧的悬臂梁12D，其余部分去除，可活动的上极板13和热驱动器的冷臂的连接平台12C连成一体；

7、溶解去除PSG1牺牲层和PSG2牺牲层，即得到如图1所示的本发明所述的热致驱动的MEMS可变电容器。

参见表1，它是按本实施例技术方案选择相关参数制备得到的可变电容器的电容变化率（最大电容值/最小电容值）的测定结果。

表1

热膨胀系数α	2.6e-6 K^-1	加热电压	4 V
				热容量Cp	678 J/(kg﹒K)	冷臂的悬臂梁长度	200 um
相对介电常数ε	4.5	加热臂的悬臂梁长度	225 um
				热导率kp	34 W/(m﹒K）	Poly0厚度	0.5 um
Poly层电导率	5e3 S/m	Poly1厚度	2 um
				Poly层杨氏模量E	160 GPa	Poly2厚度	1.5 um
Poly层密度ρ	2320 kg/m³	牺牲层PSG1厚度	2 um
				Poly层泊松比υ	0.22	牺牲层PSG2厚度	3 um
Poly层电阻率温度系数	1.3e-3 K^-1	Si₃N₄绝缘层	0.75 um
				表面导热系数 h	0.04 W/(m²﹒K)	极板面积	100 um×100 um
最大电容值/最小电容值	8：1

从表中可以看出，当选择表中的典型参数时，本实施例中的MEMS可变电容器的电容变化率高达8：1。

除本实施例所述的衬底材料硅外，还可以采用不锈钢、玻璃、锗或砷化镓等材料代替硅。本实施例提供的MEMS可变电容器的上下极板和热驱动器的导电部分还可由掺杂后的半导体材料，例如掺杂砷化镓的多晶硅层半导体材料。MEMS可变电容的上下极板和热驱动器的导电部分还可采用溅射、电镀等工艺制备的金属材料。

在本发明中，针对本实施例，冷臂和加热臂的位置可互换，即外侧两根悬臂梁可作为加热臂输入电流或电压，内侧两根悬臂梁可作为冷臂，这样电容器的上极板可向下运动，减小极板间距，进一步增大电容可调比。同时，MEMS可变电容器的上下极板和热驱动器的导电部分可通过掺杂程度调整电导率，以得到可调比更大的可变电容结构。

Claims

1.一种热致驱动的MEMS可变电容器，其特征在于：所述的电容器包括衬底（1）、一个固定的下极板（7）和一个可上下活动的上极板（13），上极板通过呈对称结构布置的四个热驱动器驱动；所述热驱动器包括四根悬臂梁，呈两侧对称分布，其中的两根悬臂梁为冷臂（12），另两根悬臂梁为加热臂（9）；所述的冷臂（12）包括冷臂一侧的下电极（5）、冷臂一侧的通孔（12A）、冷臂一侧的悬臂梁（12B）、冷臂的连接平台（12C）、冷臂另一侧的悬臂梁（12D）、冷臂另一侧的通孔（12E）和冷臂另一侧的下电极（6），冷臂（12）的一端固定于衬底（1）上的锚点，另一端与上极板（13）连接；所述的加热臂（9）包括加热臂的输入电极（3）、加热臂一侧的通孔（9A）、加热臂一侧的悬臂梁（9B）、加热臂的连接平台（9C）、加热臂另一侧的悬臂梁（9D）、加热臂另一侧的通孔（9E）和加热臂的输出电极（4）；上极板（13）、冷臂的悬臂梁（12B、12D）和冷臂的连接平台（12C）处于同一平面A；加热臂的悬臂梁（9B、9D）和加热臂的连接平台（9C）处于平面A的下层，加热臂的连接平台（9C）与冷臂的连接平台（12C）之间以绝缘层（10）隔离；四个热驱动器的加热臂（9）的输入电极（3）相互连接，作为所述可变电容器的加热信号的输入端，加热臂（9）的输出电极（4）相互连接，作为所述可变电容器的加热信号的输出端；四个热驱动器的冷臂（12）的下电极（5、6）相互连接，作为所述可变电容器与外电路连接的一个电极，下极板（7）为所述可变电容器与外电路连接的另一个电极。

2.根据权利要求1所述的一种热致驱动的MEMS可变电容器，其特征在于：呈两侧对称分布的四根悬臂梁，其外侧的两根悬臂梁为冷臂（12B、12D），内侧的两根悬臂梁为加热臂（9B、9D）。

3.如权利要求1所述的热致驱动的MEMS可变电容器的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）在一个衬底（1）上面制备一层衬底绝缘层（2），用于隔离衬底和衬底上的MEMS可变电容器；

（2）在衬底绝缘层（2）上生长一层掺杂后导电的第一半导体材料层，厚度为0.5～0.6um，在第一半导体材料层上刻蚀加热臂（9）的输入电极（3）和输出电极（4）、冷臂（12）的下电极（5、6）以及MEMS可变电容的下极板（7），其余部分去除；

（3）在步骤（2）得到的表面上填充第一牺牲层（8），经回流平坦化工艺处理得到平整表面；其中第一牺牲层（8）的上表面到衬底绝缘层（2）的厚度为1.4～2.5um，到第一半导体材料层的厚度为2.0～3.0um；在第一牺牲层（8）上刻蚀窗口，刻蚀深度至加热臂（9）的输入电极（3）和输出电极（4），以备生长加热臂（9）的半导体材料的通孔（9A、9E）；

（4）在第一牺牲层（8）的上表面上生长2.0～3.0um厚度的掺杂后导电的第二半导体材料层，在第二多晶硅层上刻蚀出加热臂（9）的加热臂一侧的悬臂梁（9B）、加热臂的连接平台（9C）和加热臂另一侧的悬臂梁（9D），其余部分去除；

（5）在步骤（4）得到的表面上外延生长一层Si₃N₄绝缘层，厚度为0.75～1.0um，在加热臂的连接平台（9C）上刻蚀出绝缘层（10），其余部分去除；

（6）在步骤（5）得到的表面上填充第二牺牲层（11），经回流平坦化工艺处理得到平整表面，第二牺牲层（11）的上表面与绝缘层（10）的上表面平齐，绝缘层（10）的上表面裸露，第二牺牲层（11）的上表面到第一牺牲层（8）的上表面厚度为2.75～4.0um，在第二牺牲层（11）上表面依次通过第二牺牲层（11）、第一牺牲层（8）刻蚀窗口，直至冷臂（12）的下电极（5、6），以备生长冷臂（12）的半导体材料的通孔（12A、12E）；

（7）在第二牺牲层（11）和绝缘层（10）的上表面上生长1.5～2.0um厚度掺杂后导电的第三半导体材料层，在第三半导体材料层上刻蚀出冷臂一侧的悬臂梁（12B）、冷臂的连接平台（12C）、冷臂另一侧的悬臂梁（12D）和MEMS可变电容器的上极板（13），其余部分去除；

（8）溶解去除第一牺牲层（8）和第二牺牲层（11），即得到一种热致驱动的MEMS可变电容器。

4.根据权利要求3所述的一种热致驱动的MEMS可变电容器的制备方法，其特征在于：衬底（1）的材料为硅、不锈钢、石英玻璃、锗、砷化镓中的一种。

5.根据权利要求3所述的一种热致驱动的MEMS可变电容器的制备方法，其特征在于：衬底绝缘层（2）的材料为SiO_2、Si₃N₄、AlO₂中的一种。

6.根据权利要求3所述的一种热致驱动的MEMS可变电容器的制备方法，其特征在于：绝缘层（10）的材料为Si₃N_4、SiO₂中的一种。

7.根据权利要求3所述的一种热致驱动的MEMS可变电容器的制备方法，其特征在于：半导体材料层为掺杂砷化镓的多晶硅层。