CN108550965A - 一种可变mems微波滤波器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变MEMS微波滤波器的发卡型可变电极单元结构，包括：硅衬底；设置在所述硅衬底第一面上的发卡型谐振器电极；设置在所述硅衬底第一面上的电极延伸结构，且所述电极延伸结构位于所述发卡型谐振器电极的端部延伸位置；设置在所述发卡型谐振器电极端部与所述电极延伸结构之间的MEMS开关；以及设置在所述硅衬底与第一面相对的第二面的背部电极。

Description

一种可变MEMS微波滤波器及其制备方法

技术领域

本发明涉及无线通信硬件设备技术领域，尤其涉及一种可变MEMS微波滤波器及其制备方法技术领域。

背景技术

滤波器是射频微波系统必不可少的重要组成部分，性能优异的滤波器模块是射频微波通信系统能正常工作的必要前提。

为了满足无线通信系统对多频带、多功能、多模式的应用需求，适应不同的应用标准，需要具有多种不同频率特性的滤波器组件。通常的滤波器组是将多个不同频率的滤波器和开关集成在一起，由于器件数量较多，所以体积比较大。此外，在一种改进型的现有技术中，集成式多频滤波器通过设计多组不同结构的滤波器电极，然后在通过选择开关来实现不同频率需求的滤波器切换，其占用的芯片面积同样较大，成本较高。

近二十多年来，随着MEMS(微机电系统)工艺和MEMS器件的逐渐成熟，给微波滤波器的小型化、集成化提供了契机。与传统VLSI工艺相比，MEMS技术在不牺牲器件性能的前提下，可以实现微波无源器件的小型化和集成化。此外，将滤波器与MEMS开关集成在单一芯片上，可以实现滤波器之间的切换以满足不同的通信信道，有利于系统的进一步小型化和成本的降低。

中国专利“基于微机械通孔的MEMS数字可调滤波器”(申请公开：201510990489.6)提出了一种基于MEMS的可调滤波器，该申请需要在硅衬底制备额外的电容器件来进行滤波器的调谐，这样造成了器件的制备工艺复杂化和器件体积的增加，此外，还需在基板上制备接地通孔，工艺难度增大且成本较高。

本发明提出了一种可变MEMS微波滤波器的技术方案，该方案基于发卡型谐振器，通过MEMS开关的通断实现滤波器电极尺寸的变化从而实现滤波器不同谐振频率的切换，相比于常规的开关滤波器组，有效的减小了体积，同时降低了制备成本。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，根据本发明的一个实施例，提供一种可变MEMS微波滤波器的发卡型可变电极单元结构，包括：

硅衬底；

设置在所述硅衬底第一面上的发卡型谐振器电极；

设置在所述硅衬底第一面上的电极延伸结构，且所述电极延伸结构位于所述发卡型谐振器电极的端部延伸位置；

设置在所述发卡型谐振器电极端部与所述电极延伸结构之间的MEMS开关；以及

设置在所述硅衬底与第一面相对的第二面的背部电极。

在本发明的一个实施例中，所述发卡型谐振器电极和电极延伸结构的厚度为4微米至8微米。

在本发明的一个实施例中，所述MEMS开关进一步包括：

MEMS开关上电极；

MEMS开关下电极，且所述下电极与所述上电极之间具有1微米至3微米的间隙；

通过导电线路电连接至所述上电极的第一电极；以及

通过导电线路电连接至所述下电极的第二电极。

在本发明的一个实施例中，所述MEMS开关下电极设置在所述电极延伸结构与所述发卡型谐振器电极之间的硅衬底上，且电连接至所述电极延伸结构；以及

所述MEMS开关上电极部分设置在所述发卡型谐振器电极端部的上表面上，部分延伸至所述MEMS开关下电极的上方，且未延伸至所述电极延伸结构区域。

在本发明的一个实施例中，所述MEMS开关下电极设置在所述电极延伸结构与所述发卡型谐振器电极之间的硅衬底上，且电连接至所述发卡型谐振器电极；以及

所述MEMS开关上电极部分设置在所述电极延伸结构临近发卡型谐振器电极一端的上表面上，部分延伸至所述MEMS开关下电极的上方，且未延伸至所述发卡型谐振器电极区域。

在本发明的一个实施例中，一个所述发卡型谐振器电极的延伸位置设置有N组所述MEMS开关和电极延伸结构，其中N≥2。

根据本发明的另一个实施例，提供一种可变MEMS微波滤波器结构，包括：

硅衬底；

位于所述硅衬底第一面上的滤波器第一输入输出端口；

位于所述硅衬底第一面上的滤波器第二输入输出端口；

位于所述硅衬底第一面上的发卡型谐振器电极；

位于所述硅衬底第一面上的电极延伸结构，且所述电极延伸结构设置在所述发卡型谐振器电极的端部延伸位置；

设置在所述发卡型谐振器电极端部与所述电极延伸结构之间的MEMS开关；以及

设置在所述硅衬底与第一面相对的第二面的背部电极。

在本发明的另一个实施例中，所述滤波器第一输入输出端口耦合至一个所述发卡型谐振器电极，所述滤波器第二输入输出端口耦合至另一所述发卡型谐振器电极。

根据本发明的又一个实施例，提供一种可变MEMS微波滤波器的形成方法，包括：

提供硅衬底；

在所述硅衬底的上表面形成电镀种子层；

在所述电镀种子层上图形化电镀形成谐振器及MEMS开关的引线和电极；

在所述硅衬底的下表面形成背面电极；

在硅衬底上表面图形化形成MEMS开关的下电极；

在硅衬底上表面沉积形成氧化硅薄膜；

图形化刻蚀去除非MEMS开关区域的氧化硅薄膜；

在硅衬底上表面图形化形成MEMS开关的上电极；以及

去除MEMS开关上下电极间的氧化硅薄膜，释放形成MEMS开关结构。

根据本发明的又一个实施例，提供所述MEMS开关的下电极和所述MEMS开关的上电极通过溅射铬、金形成，其中铬层厚度约为100埃至400埃，金层厚度约为1000埃至3000埃。

本发明提供一种可变MEMS微波滤波器及其制备方法，基于发卡型谐振器结构，在发卡型谐振器电极的端部延伸位置制作电极延伸结构，并在发卡型谐振器电极的端部与电极延伸结构之间制作MEMS开关，通过MEMS开关的通断实现滤波器电极尺寸的变化，从而进一步实现滤波器不同谐振频率的切换，相比于常规的开关滤波器组，有效的减小了体积，同时降低了制备成本。

附图说明

为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出根据本发明的一个实施例的一种可变MEMS微波滤波器的发卡型可变电极单元结构100的正视图。

图2示出根据本发明的一个实施例的一种可变MEMS微波滤波器的发卡型可变电极单元结构100的沿图1中AA’虚线的截面剖视图。

图3示出根据本发明的一个具体实施例的一种可变MEMS微波滤波器结构300的正视图。

图4A至图4I示出根据本发明的一个实施例形成一种可变MEMS微波滤波器的过程剖面投影示意图。

图5示出的是根据本发明的一个实施例形成一种可变MEMS微波滤波器300的流程图500。

图6示出根据本发明的又一实施例的一种可变MEMS微波滤波器的发卡型可变电极单元结构600的正视图。

具体实施方式

在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了方便区分各步骤，而并不是限定各步骤的先后顺序，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。

本发明提供一种可变MEMS微波滤波器及其制备方法，基于发卡型谐振器结构，在发卡型谐振器电极的端部延伸位置制作电极延伸结构，并在发卡型谐振器电极的端部与电极延伸结构之间制作MEMS开关，通过MEMS开关的通断实现滤波器电极尺寸的变化，从而进一步实现滤波器不同谐振频率的切换，相比于常规的开关滤波器组，有效的减小了体积，同时降低了制备成本。

下面结合图1和图2来详细介绍根据本发明的一个实施例的一种可变MEMS微波滤波器的发卡型可变电极单元结构。图1示出根据本发明的一个实施例的一种可变MEMS微波滤波器的发卡型可变电极单元结构100的正视图；图2示出根据本发明的一个实施例的一种可变MEMS微波滤波器的发卡型可变电极单元结构100的沿图1中AA’虚线的截面剖视图。如图1、图2所示，该可变MEMS微波滤波器的发卡型可变电极单元结构100进一步包括硅衬底101、发卡型谐振器电极102、电极延伸结构103、MEMS开关104以及背部电极105。

在本发明的一个实施例中，硅衬底101的材料为高阻硅，其厚度约为400微米。

发卡型谐振器电极102设置在硅衬底101的第一面上，在本发明的一个具体实施例中，发卡型谐振器电极102的形状为U型，但也可以根据设计需要将其形状设计成其他类似发卡型形状，如E型等。在本发明的一个具体实施例中，发卡型谐振器电极102通过图形化电镀形成，其材料主要为金(Au)，厚度约为4-8微米。具体的电镀方法通常为先溅射(PVD)形成铬/金电镀种子层，然后电镀金层。本领域的技术人员应该理解，发卡型谐振器电极102的材料不限于上述具体材料，在本发明的其它实施例中，发卡型谐振器电极102可以是其它材料的一层或多层金属或合金。

电极延伸结构103也设置在硅衬底101的第一面上，具体位置为发卡型谐振器电极102的端部延伸位置。在本发明的一个实施例中，电极延伸结构103是通过图形化电镀与发卡型谐振器电极102同时形成，其材料主要为金(Au)，厚度约为4-8微米。但本领域的技术人员应该了解到，电极延伸结构103也可以不与发卡型谐振器电极102同时形成，其材料和厚度也可以不同于发卡型谐振器电极102。

MEMS开关104设置在发卡型谐振器电极102的端部与电极延伸结构103的一端之间。在本发明的一个实施例中，MEMS开关104进一步包括上电极1041、下电极1042、通过导电线路电连接至上电极1041的第一电极1043以及通过导电线路电连接至下电极1042的第二电极1044。在本发明的一个具体实施例中，MEMS开关104的下电极1042位于电极延伸结构103与发卡型谐振器电极102之间的硅衬底101上，且电连接至电极延伸结构103；MEMS开关104的上电极1041部分设置在发卡型谐振器电极102端部的上表面上，部分延伸至MEMS开关下电极1042的上方，且未延伸至电极延伸结构103区域。但本领域的技术人员可以了解到，所述MEMS开关104的上下电极可以互换性设计，即MEMS开关104的下电极1042电连接到发卡型谐振器电极102，MEMS开关104的上电极1041电连接至电极延伸结构103，具体方案不在赘述。在本发明的一个实施例中，MEMS开关104的第一电极1043、第二电极1044以及与两个电极电连接的导电线路是通过图形化电镀与发卡型谐振器电极102、电极延伸结构103同时形成。在本发明的又一实施例中，MEMS开关104的下电极1042与上电极1041的材料为铬/金，其中铬的厚度约为200埃，金的厚度约为2000埃，一般通过溅射(PVD)形成，下电极1042与上电极1041之间的间隙约为2微米。

背部电极105设置在硅衬底101的与第一面相对的第二面上，属于滤波器件的共地面，通过大面积的镀金形成。在本发明的一个实施例中，背部电极105的金层厚度约为4-8微米。

虽然上述具体实施方式描述了一种U型的发卡可变MEMS微波滤波器的发卡型可变电极单元结构，但本领域的技术人员应该可以了解到，其还包括基于本发明构思的很多不同实施方式，如在上述实施例的基础上，通过MEMS开关进一步增加一组或多组电极延伸结构(如图6所示，601为硅衬底、602为谐振器电极、603和605为两级电极延伸结构、604和606为两组MEMS开关)，从而实现更多个谐振频率的切换，从而实现更多个频率的微波滤波。此外，本领域的技术人员也可以了解到，基于本发明的MEMS开关，通过设计可以具有更多个开关状态的切换从而实现多组电极延伸结构的选择，如通过三态开关可以选择加载两个不同长度的电极延伸结构。

下面结合图3来介绍根据本发明的一个实施例的一种可变MEMS微波滤波器结构。图3示出根据本发明的一个具体实施例的一种可变MEMS微波滤波器结构300的正视图。如图3所示，该可变MEMS微波滤波器结构300进一步包括：硅衬底301、滤波器第一输入输出端口302、滤波器第二输入输出端口303、发卡型谐振器电极304、电极延伸结构305、MEMS开关306、MEMS开关第一电极307、MEMS开关第二电极308以及背部电极(图中未示出)。

硅衬底301的材料为高阻硅，在本发明的一个实施例中，其厚度约为400微米。

滤波器第一输入输出端口302和滤波器第二输入输出端口303设置在硅衬底301的第一面上，两者一起构成该可变MEMS微波滤波器300的一对输入输出端口。发卡型谐振器电极304也设置在硅衬底301的第一面上，在本发明的一个实施例中，发卡型谐振器电极304的形状为U型，但也可以根据设计需要将其形状设计成其他类似发卡型形状，如E型等。电极延伸结构305也设置在硅衬底301的第一面上，具体位置为发卡型谐振器电极304的端部延伸位置。在本发明的一个具体实施例中，滤波器第一输入输出端口302、滤波器第二输入输出端口303、发卡型谐振器电极304以及电极延伸结构305是通过一次图形化电镀形成，其材料主要为金(Au)，厚度约为4-8微米。具体的电镀方法通常为先溅射(PVD)形成铬/金电镀种子层，然后电镀金层。

MEMS开关306进一步包括设置在发卡型谐振器电极304的端部上表面位置的上电极(图中未示出)和设置在电连接至电极延伸结构305的一端的衬底301上的下电极(图中未示出)。在本发明的一个实施例中，MEMS开关306的下电极与上电极的材料为铬/金，其中铬的厚度约为200埃，金的厚度约为2000埃，一般通过溅射(PVD)形成，下电极与上电极之间的间隙约为2微米。

MEMS开关第一电极307通过导线线路电连接至MEMS开关306的下电极，MEMS开关第二电极308通过导线线路电连接至MEMS开关306的上电极。在本发明的一个实施例中，MEMS开关第一电极307、MEMS开关第二电极308以及导电线路与前述滤波器第一输入输出端口302、滤波器第二输入输出端口303、发卡型谐振器电极304以及电极延伸结构305是通过一次图形化电镀形成在硅衬底301的第一面上，其材料主要为金(Au)，厚度约为4-8微米。具体的电镀方法通常为先溅射(PVD)形成铬/金电镀种子层，然后电镀金层。

该可变MEMS微波滤波器结构300的背部电极(图中未示出)设置在硅衬底301的与第一面相对的第二面上，属于滤波器件的共地面，通过大面积的镀金形成。在本发明的一个实施例中，背部电极105的金层厚度约为4-8微米。

下面结合图4A至图4I以及图5来详细描述形成一种可变MEMS微波滤波器300的过程。图4A至图4I示出根据本发明的一个实施例形成一种可变MEMS微波滤波器300的过程剖面投影示意图；图5示出的是根据本发明的一个实施例形成一种可变MEMS微波滤波器300的流程图500。

首先，在步骤501，如图4A所示，提供硅衬底401。硅衬底401的材料为阻硅，厚度约为400微米。

接下来，在步骤502，如图4B所示，在硅衬底401的上表面形成电镀种子层402。该电镀种子层402具体为铬金种子层，其中铬层厚度约为1000埃，金层厚度2500埃，一般通过溅射(PVD)沉积形成。

然后，在步骤503，如图4C所示，在电镀种子层402上图形化电镀形成谐振器及MEMS开关的引线和电极。具体包括可变MEMS微波滤波器300的滤波器的输入输出端口、发卡型谐振器电极403、电极延伸结构404、MEMS开关电极及导电线路。在本发明的一个具体实施例中，形成上述结构的方法进一步包括：光刻形成电镀开口、电镀形成厚度4-8微米的金层、去除光刻胶以及去除多余的电镀种子层。

接下来，在步骤504，如图4D所示，在硅衬底401的下表面形成背面电极405。背面电极405起到共面地的作用，通过大面积的镀金形成。在本发明的一个实施例中，形成所述背面电极405的具体方法进一步包括：在硅衬底401的下表面形成铬金种子层(其中铬层的厚度约为1000埃，金层的厚度约为2500埃)，再电镀形成背面电极405(电镀后背面金层的厚度约为4-8微米)。

然后，在步骤505，如图4E所示，在硅衬底上表面图形化溅射形成MEMS开关的下电极406。MEMS开关的下电极406位于硅衬底401上，且与电极延伸结构404电连接。MEMS开关的下电极406的材料为铬金，通常铬层的厚度约为200埃，金层的厚度约为2000埃。在本发明的一个具体实施例中，图形化溅射形成MEMS开关的下电极406的具体方法进一步包括：光刻形成MEMS开关的下电极406的图形开口、溅射形成铬金层、剥离光刻胶形成MEMS开关的下电极406。

接下来，在步骤506，如图4F所示，在硅衬底上表面沉积形成氧化硅薄膜407。在本发明的一个实施例中，氧化硅薄膜407通过PECVD沉积形成，其厚度约为2微米。

然后，在步骤507，如图4G所示，光刻图形化刻蚀去除非MEMS开关区域的氧化硅薄膜。保留下来的MEMS开关区域的氧化硅薄膜用作后续MEMS开关加工的牺牲层。在本发明的一个实施例中，光刻图形化刻蚀去除非MEMS开关区域的氧化硅薄膜的具体方法进一步包括：光刻形成MEMS开关区域的刻蚀掩膜、干法刻蚀区域无掩膜区域的氧化硅薄膜、去除MEMS开关区域的光刻胶刻蚀掩膜。

接下来，在步骤508，如图4H所示，在硅衬底上表面图形化溅射形成MEMS开关的上电极408。MEMS开关的上电极408电连接至发卡型谐振器电极403的端部，且与发卡型谐振器电极403的端部上表面附连。在本发明的一个实施例中，在硅衬底上表面图形化溅射形成MEMS开关的上电极408的具体方法进一步包括：光刻形成MEMS开关的上电极408的图形开口、溅射厚度约为2000埃的金层、剥离光刻胶形成光刻形成MEMS开关的上电极408。

最后，在步骤509，如图4I所示，去除MEMS开关上下电极间的氧化硅薄膜，释放形成MEMS开关结构。在本发明的一个具体实施例中，通过稀释氢氟酸湿法刻蚀去除位于MEMS开关上下电极间的氧化硅薄膜，释放MEMS开关的上电极408，释放后，MEMS开关的上电极408与MEMS开关的下电极406间形成约2um的间隙，完成最终的MEMS开关结构。

本发明提供的该种可变MEMS微波滤波器及其制备方法，基于发卡型谐振器结构，在发卡型谐振器电极的端部延伸位置制作电极延伸结构，并在发卡型谐振器电极的端部与电极延伸结构之间制作MEMS开关，通过MEMS开关的通断实现滤波器电极尺寸的变化，从而进一步实现滤波器不同谐振频率的切换，相比于常规的开关滤波器组，有效的减小了体积，同时降低了制备成本。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (10)

1.一种可变MEMS微波滤波器的发卡型可变电极单元结构，包括：

硅衬底；

设置在所述硅衬底第一面上的发卡型谐振器电极；

设置在所述硅衬底第一面上的电极延伸结构，且所述电极延伸结构位于所述发卡型谐振器电极的端部延伸位置；

设置在所述发卡型谐振器电极端部与所述电极延伸结构之间的MEMS开关；以及

设置在所述硅衬底与第一面相对的第二面的背部电极。

2.如权利要求1所述的可变MEMS微波滤波器的发卡型可变电极单元结构，其特征在于，所述发卡型谐振器电极和电极延伸结构的厚度为4微米至8微米。

3.如权利要求1所述的可变MEMS微波滤波器的发卡型可变电极单元结构，其特征在于，所述MEMS开关进一步包括：

MEMS开关上电极；

MEMS开关下电极，且所述下电极与所述上电极之间具有1微米至3微米的间隙；

通过导电线路电连接至所述上电极的第一电极；以及

通过导电线路电连接至所述下电极的第二电极。

4.如权利要求3所述的可变MEMS微波滤波器的发卡型可变电极单元结构，其特征在于，

所述MEMS开关下电极设置在所述电极延伸结构与所述发卡型谐振器电极之间的硅衬底上，且电连接至所述电极延伸结构；以及

所述MEMS开关上电极部分设置在所述发卡型谐振器电极端部的上表面上，部分延伸至所述MEMS开关下电极的上方，且未延伸至所述电极延伸结构区域。

5.如权利要求3所述的可变MEMS微波滤波器的发卡型可变电极单元结构，其特征在于，

所述MEMS开关下电极设置在所述电极延伸结构与所述发卡型谐振器电极之间的硅衬底上，且电连接至所述发卡型谐振器电极；以及

所述MEMS开关上电极部分设置在所述电极延伸结构临近发卡型谐振器电极一端的上表面上，部分延伸至所述MEMS开关下电极的上方，且未延伸至所述发卡型谐振器电极区域。

6.如权利要求1所述的可变MEMS微波滤波器的发卡型可变电极单元结构，其特征在于，一个所述发卡型谐振器电极的延伸位置设置有N组所述MEMS开关和电极延伸结构，其中N≥2。

7.一种可变MEMS微波滤波器结构，包括：

硅衬底；

位于所述硅衬底第一面上的滤波器第一输入输出端口；

位于所述硅衬底第一面上的滤波器第二输入输出端口；

位于所述硅衬底第一面上的发卡型谐振器电极；

位于所述硅衬底第一面上的电极延伸结构，且所述电极延伸结构设置在所述发卡型谐振器电极的端部延伸位置；

设置在所述发卡型谐振器电极端部与所述电极延伸结构之间的MEMS开关；以及

设置在所述硅衬底与第一面相对的第二面的背部电极。

8.如权利要求7所述的可变MEMS微波滤波器结构，其特征在于，所述滤波器第一输入输出端口耦合至一个所述发卡型谐振器电极，所述滤波器第二输入输出端口耦合至另一所述发卡型谐振器电极。

9.一种可变MEMS微波滤波器的形成方法，包括：

提供硅衬底；

在所述硅衬底的上表面形成电镀种子层；

在所述电镀种子层上图形化电镀形成谐振器及MEMS开关的引线和电极；

在所述硅衬底的下表面形成背面电极；

在硅衬底上表面图形化形成MEMS开关的下电极；

在硅衬底上表面沉积形成氧化硅薄膜；

图形化刻蚀去除非MEMS开关区域的氧化硅薄膜；

在硅衬底上表面图形化形成MEMS开关的上电极；以及

去除MEMS开关上下电极间的氧化硅薄膜，释放形成MEMS开关结构。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述MEMS开关的下电极和所述MEMS开关的上电极通过溅射铬、金形成，其中铬层厚度约为100埃至400埃，金层厚度约为1000埃至3000埃。