CN1832081A - 射频微电子机械双膜桥并联电容式开关及其制备方法 - Google Patents

Abstract

射频微电子机械双层膜桥并联电容式开关用于射频微波电路中。该结构使用双端固支梁作为开关膜桥，采用双层膜结构解决了由于射频高功率引起的自执行和自锁效应。具体的结构为：开关做在砷化镓衬底上(1)；开关以共面波导为端口(2)；开关桥是信号线的一部分(3)，采用双端固支梁实现；在信号线开关桥的上方是共面波导地线的连接线(4)，也是开关的地耦合线；在信号线开关桥的下方是直流控制电极(5)；在直流电极(5)以及地线连接线(4)与开关桥(3)相对的面上都长有一层氮化硅介质层(91、92)。采用MMIC工艺制作，利用聚酰亚胺作为牺牲层。该开关延续了MEMS开关低功耗、高隔离度和低插入损耗以及较好线形度的优点。

Description

射频微电子机械双膜桥并联电容式开关及其制造方法

技术领域

本发明是关于一种射频微电子机械系统双膜桥并联电容式开关及其制造方法，属于微电子机械系统(MEMS)技术领域。

背景技术

与传统的半导体有源开关例如FET和PIN二极管开关相比较，MEMS电容式开关具有很多优点，例如：消除了欧姆接触中的接触电阻和扩散电阻，因此极大地减少了器件的电阻损耗；线性度非常好，显著地减小了开关的谐波分量和互调分量；具有较高的开关电容比，通常尺寸下，MEMS开关的开/关电容比约为20-100；静电驱动的RF MEMS开关具有极低的直流功耗，典型的瞬态功耗为10nJ；其几乎能制作在任何衬底上。但是静电驱动也有其固有的问题，就是高功率的可靠性问题，换句话说就是功率处理能力较差，从而限制了MEMS开关在射频领域的应用。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种可以增强功率处理能力的射频微电子机械双膜桥并联电容式开关及其制造方法，应用该结构可以解决静电驱动MEMS开关的高功率自执行和自锁问题，从而增强MEMS开关的功率处理能力，具有可靠性高、成本低、可以与砷化镓电路集成的优点。

技术方案：本发明的射频微电子机械并联电容式开关放在共面波导的信号线上，采用双层膜桥的设计。地线连接线和信号线上的膜桥组成传统意义上的MEMS开关，而直流控制电极是针对自执行和自锁效应设计的，它将和信号线上的膜桥构成另一个电容，其大小与开关电容相同，产生额外的静电力来平衡射频功率耦合的等效静电力。

该开关做在砷化镓衬底上，由共面波导端口、开关桥、地线连接线、直流控制电极、共面波导地线匹配区域、氮化硅上介质层、氮化硅下介质层组成；共面波导地线位于砷化镓衬底上的四周，开关桥位于砷化镓衬底上的中间，同时也是信号线的一部分，采用双端固支梁实现；在信号线开关桥的上方是共面波导地线的连接线，也是开关的地耦合线；在信号线开关桥的下方是直流控制电极；在直流控制电极上面长有氮化硅上介质层，氮化硅上介质层与开关桥之间是下间隙，在地线连接线的下面长有一层氮化硅下介质层，氮化硅下介质层与开关桥之间是上间隙。

信号线开关桥的上方的地线连接线厚度较厚，相对于开关桥是刚性的。

开关桥与地线连接线以及开关桥与直流控制电极分别形成的电容大小相等，使得开关桥在“关”态下不受射频功率引起的自执行效应的影响。

本发明的开关的制作工艺采用MMIC工艺，具体的流程为：

a、准备砷化镓衬底：选用砷化镓回抛片，用浓HCL和氨水清洗，同时要注意观测回抛片的步进式光刻机的对准标记是否清晰；

b、光刻共面波导端口，直流控制电极，地线连接线桥墩；在砷化镓衬底上，先溅射800/300/2200的AuGeNi/Au层，然后在超发生器中剥离该金属层，最后生长开关的共面波导端口、直流电极和地线连接线桥墩；

c、在直流控制电极上淀积并光刻氮化硅上介质层：在直流电极上面用PECVD工艺生长1000的氮化硅介质层；

d、在氮化硅上介质层上淀积并光刻第一层聚酰亚胺牺牲层：在完成上述工艺的砷化镓基片上涂敷2μm的聚酰亚胺层、并光刻；此聚酰亚胺层的厚度决定了开关桥和直流控制电极之间的间隙，通过调节甩胶机的转速和聚酰亚胺溶液的浓度来改变牺牲层的厚度；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留开关膜下的牺牲层；

e、在第一层聚酰亚胺牺牲层上溅射开关桥并光刻：在聚酰亚胺层上溅射用于电镀的底金Ti/Au/Ti＝500/1500/300；光刻并腐蚀Ti/Au/Ti底金层，形成腐蚀孔：腐蚀孔的大小为8μm×8μm；然后电镀金：在55°氰基溶液中电镀金1.7μm；

f、去除残留的光刻胶：利用丙酮去除上面工艺中的残留光刻胶；

g、在开关桥上淀积并光刻第二层聚酰亚胺牺牲层：在完成上述工艺的砷化镓基片上涂敷2μm的聚酰亚胺层、并光刻；此聚酰亚胺层的厚度决定了开关桥和地线连接线之间的间隙，光刻出地线连接线的桥墩；

h、在第二层聚酰亚胺牺牲层上淀积氮化硅下介质层：在直流控制电极上面用PECVD工艺生长1000的SiN介质层；

i、溅射地线连接线并光刻：在聚酰亚胺层上溅射用于电镀的底金Ti/Au/Ti＝500/1500/300；光刻并腐蚀Ti/Au/Ti底金层，形成腐蚀孔：腐蚀孔的大小为8μm×8μm；然后电镀金：在55°氰基溶液中电镀金3μm；

j、释放牺牲层：先用丙酮去除残留的光刻胶，然后用显影液溶解开关膜下的聚酰亚胺牺牲层，并用无水乙醇脱水，形成最终的开关膜结构。

区分是否为该结构的标准为：

(a)、该开关的结构按从下到上的顺序为：砷化镓衬底；共面波导端口和直流控制电极；第一层氮化硅电介质；开关桥；第二层氮化硅电介质；地线连接线；

(b)、在信号线上制作开关并在开关桥上下各加一层极板，形成双膜桥、三层电极；

(c)、开关桥与另外两个极板形成的初始电容大小相等；

(d)、利用改变共面波导地线与信号线之间的距离对开关进行阻抗匹配。

满足以上几个条件的结构即应视为该射频微电子机械双层膜并联电容式开关结构。

有益效果：

1、本开关为静电力驱动微电子机械开关，与普通的有源半导体开关相比，具有静态功耗小、隔离度高、插损低和线性度相对较好的优点；

2、本开关采用双膜桥结构，解决了高功率射频自执行和自锁效应；

3、与其它解决功功率可靠性问题的方法相比，本开关解决自执行无需任何直流功耗；

4、本开关将直流控制电极放在下面，将地线连接线放在开关桥上，这样方便了直流控制电极的引出；

5、本开关对开关和CPW端口进行了阻抗匹配，提高了开关的射频性能；

6、制作工艺采用MMIC工艺，易于与砷化镓集成电路工艺集成。

附图说明

图1是射频微电子机械双膜桥并联电容式开关俯视图。

图2是射频微电子机械双膜桥并联电容式开关剖面图，即图1中A-A向剖面图。

图3是射频微电子机械双膜桥并联电容式开关外形示意图。

图4是图3中机械双膜桥部分的放大示意图。

图5是射频微电子机械双膜桥并联电容式开关在“关”态时的插入损耗和回波损耗示意图。

图6是射频微电子机械双膜桥并联电容式开关在“开”态时的插入损耗和回波损耗示意图。

以上的图中有：砷化镓衬底1、共面波导端口2、开关桥3、地线连接线4、直流控制电极5、共面波导地线匹配区域6、横向匹配长度L₁ 71、纵向匹配长度L₂ 72、下间隙81、上间隙82、氮化硅上介质层91、氮化硅下介质层92。

具体实施方式

对于本发明的射频微电子机械双膜桥并联电容式开关结构，我们已经设计出了完整的实现方案，并通过软件模拟得出了较好的特性。这种射频微电子机械双膜桥并联电容式开关结构方案具体如下：

该开关做在砷化镓衬底1上，由共面波导端口2、开关桥3、地线连接线4、直流控制电极5、共面波导地线匹配区域6、氮化硅上介质层91、氮化硅下介质层92组成；共面波导地线位于砷化镓衬底1上的四周，开关桥3位于砷化镓衬底1上的中间，同时也是信号线的一部分，采用双端固支梁实现；在信号线开关桥3的上方是共面波导地线的连接线4，也是开关的地耦合线；在信号线开关桥3的下方是直流控制电极5；在直流控制电极5上面长有氮化硅上介质层91，氮化硅上介质层91与开关桥3之间是下间隙81，在地线连接线4的下面长有一层氮化硅下介质层92，氮化硅下介质层92与开关桥3之间是上间隙82。信号线开关桥的上方的地线连接线4厚度较厚，相对于开关桥3是刚性的。开关桥3与地线连接线4以及开关桥3与直流控制电极5分别形成的电容大小相等，使得开关桥在“关”态下不受射频功率引起的自执行效应的影响。

开关的制备采用基于GaAs MMIC工艺制作，具体工艺流程如下：

a、准备砷化镓衬底1：选用砷化镓回抛片，用浓HCL和氨水清洗，同时要注意观测回抛片的步进式光刻机的对准标记是否清晰；

b、光刻共面波导端口2，直流控制电极5，地线连接线桥墩41；在砷化镓衬底1上，先溅射800/300/2200的AuGeNi/Au层，然后在超发生器中剥离该金属层，最后生长开关的共面波导端口、直流控制电极5和地线连接线桥墩；

c、在直流控制电极(5上淀积并光刻氮化硅上介质层(91)：在直流电极上面用PECVD工艺生长1000的氮化硅介质层；

d、在氮化硅上介质层91上淀积并光刻第一层聚酰亚胺牺牲层：在完成上述工艺的砷化镓基片上涂敷2μm的聚酰亚胺层、并光刻；此聚酰亚胺层的厚度决定了开关桥3和直流控制电极5之间的间隙81，通过调节甩胶机的转速和聚酰亚胺溶液的浓度来改变牺牲层的厚度；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留开关膜下的牺牲层；

e、在第一层聚酰亚胺牺牲层上溅射开关桥3并光刻：在聚酰亚胺层上溅射用于电镀的底金Ti/Au/Ti＝500/1500/300；光刻并腐蚀Ti/Au/Ti底金层，形成腐蚀孔：腐蚀孔的大小为8μm×8μm；然后电镀金：在55°氰基溶液中电镀金1.7μm；

f、去除残留的光刻胶：利用丙酮去除上面工艺中的残留光刻胶；

g、在开关桥3上淀积并光刻第二层聚酰亚胺牺牲层：在完成上述工艺的砷化镓基片上涂敷2μm的聚酰亚胺层、并光刻；此聚酰亚胺层的厚度决定了开关桥3和地线连接线4之间的间隙82，光刻出地线连接线的桥墩；

h、在第二层聚酰亚胺牺牲层上淀积氮化硅下介质层92：在直流控制电极上面用PECVD工艺生长1000的SiN介质层；

i、溅射地线连接线4并光刻：在聚酰亚胺层上溅射用于电镀的底金Ti/Au/Ti＝500/1500/300；光刻并腐蚀Ti/Au/Ti底金层，形成腐蚀孔：腐蚀孔的大小为8μm×8μm；然后电镀金：在55°氰基溶液中电镀金3μm；

j、释放牺牲层：先用丙酮去除残留的光刻胶，然后用显影液溶解开关膜下的聚酰亚胺牺牲层，并用无水乙醇脱水，形成最终的开关膜结构。

除此之外，整个技术方案中还需注意一些问题，其中包括：

a、直流控制电极、共面波导、地线连接线尺寸的设计：这对于整体器件结构的实现、阈值电压的大小，非线性特性以及自执行和自锁效应的消除都具有十分重要的意义；

b、牺牲层的选择，这决定了释放后表面的粗糙程度和关态的电容值，影响到开关的隔离度和可靠性；

纵观实现该射频微电子机械双膜桥并联电容式开关的工艺过程，其中没有任何的特殊材料，也不需要任何特殊的工艺，完全与GaAs MMIC工艺相兼容。因此，应用本发明中的射频微电子机械双膜桥并联电容式开关结构易于实现，且其可以与GaAs集成电路相集成，同时此结构增强了开关高功率的处理能力。

Claims (4)

1、一种射频微电子机械双膜桥并联电容式开关，其特征是：该开关做在砷化镓衬底(1)上，由共面波导端口(2)、开关桥(3)、地线连接线(4)、直流控制电极(5)、共面波导地线匹配区域(6)、氮化硅上介质层(91)、氮化硅下介质层(92)组成；共面波导地线位于砷化镓衬底(1)上的四周，开关桥(3)位于砷化镓衬底(1)上的中间，同时也是信号线的一部分，采用双端固支梁实现；在信号线开关桥(3)的上方是共面波导地线的连接线(4)，也是开关的地耦合线；在信号线开关桥(3)的下方是直流控制电极(5)；在直流控制电极(5)上面长有氮化硅上介质层(91)，氮化硅上介质层(91)与开关桥(3)之间是下间隙(81)，在地线连接线(4)的下面长有一层氮化硅下介质层(92)，氮化硅下介质层(92)与开关桥(3)之间是上间隙(82)。

2、根据权利要求1所述的射频微电子机械双膜桥并联电容式开关，其特征在于信号线开关桥的上方的地线连接线(4)厚度较厚，相对于开关桥(3)是刚性的。

3、根据权利要求1和2所述的射频微电子机械双膜桥并联电容式开关，其特征在于开关桥(3)与地线连接线(4)以及开关桥(3)与直流控制电极(5)分别形成的电容大小相等，使得开关桥在“关”态下不受射频功率引起的自执行效应的影响。

4、一种如权利要求1所述的射频微电子机械双膜桥并联电容式开关的制造方法，其特征在于采用基于GaAs MMIC工艺制作，具体工艺流程如下：

a、准备砷化镓衬底(1)：选用砷化镓回抛片，用浓HCL和氨水清洗，同时要注意观测回抛片的步进式光刻机的对准标记是否清晰；

b、光刻共面波导端口(2)，直流控制电极(5)，地线连接线桥墩(41)；在砷化镓衬底(1)上，先溅射800/300/2200的AuGeNi/Au层，然后在超发生器中剥离该金属层，最后生长开关的共面波导端口、直流电极(5)和地线连接线桥墩；

c、在直流控制电极(5)上淀积并光刻氮化硅上介质层(91)：在直流电极上面用PECVD工艺生长1000的氮化硅介质层；

d、在氮化硅上介质层(91)上淀积并光刻第一层聚酰亚胺牺牲层：在完成上述工艺的砷化镓基片上涂敷2μm的聚酰亚胺层、并光刻；此聚酰亚胺层的厚度决定了开关桥(3)和直流控制电极(5)之间的间隙(81)，通过调节甩胶机的转速和聚酰亚胺溶液的浓度来改变牺牲层的厚度；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留开关膜下的牺牲层；

e、在第一层聚酰亚胺牺牲层上溅射开关桥(3)并光刻：在聚酰亚胺层上溅射用于电镀的底金Ti/Au/Ti＝500/1500/300；光刻并腐蚀Ti/Au/Ti底金层，形成腐蚀孔：腐蚀孔的大小为8μm×8μm；然后电镀金：在55°氰基溶液中电镀金1.7μm；

f、去除残留的光刻胶：利用丙酮去除上面工艺中的残留光刻胶；

g、在开关桥(3)上淀积并光刻第二层聚酰亚胺牺牲层：在完成上述工艺的砷化镓基片上涂敷2μm的聚酰亚胺层、并光刻；此聚酰亚胺层的厚度决定了开关桥(3)和地线连接线(4)之间的间隙(82)，光刻出地线连接线的桥墩；

h、在第二层聚酰亚胺牺牲层上淀积氮化硅下介质层(92)：在直流控制电极上面用PECVD工艺生长1000的SiN介质层；

i、溅射地线连接线(4)并光刻：在聚酰亚胺层上溅射用于电镀的底金Ti/Au/Ti＝500/1500/300；光刻并腐蚀Ti/Au/Ti底金层，形成腐蚀孔：腐蚀孔的大小为8μm×8μm；然后电镀金：在55°氰基溶液中电镀金3μm；

j、释放牺牲层：先用丙酮去除残留的光刻胶，然后用显影液溶解开关膜下的聚酰亚胺牺牲层，并用无水乙醇脱水，形成最终的开关膜结构。

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