TWI231511B - Variable capacitance membrane actuator for wide band tuning of microstrip resonators and filters - Google Patents
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1231511 玖、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 發明領域 本發明是有關用於調整諧振器之膜致動器,以及有關 5於膜致動器之製造方法。更尤其是有關用於微條帶諧振器 與濾波器之寬頻帶調整之可變電容膜致動器。 發明背景 在近幾年來,對於高度準確、快速、可靠濾波器調整 10技術之須求加劇。此具有高度興趣之領域之代表為高性能 表現諧振器與濾波器,尤其是具有可調整寬頻帶之中等_至 -高功率微型濾波器。此等種類之裝置須要具有非常小的尺 寸,以便裝設於高性能表現平面漉波器中,例如:微機械 加工條帶與高溫超導體(HTS)多極濾波器。 15 通常使用微機械加工此名詞以描述化學蝕刻製程,姜 選擇性地去除在某纽置巾之某純料,Μ同於標準备 機械加工技術,其以機械的方式去除材料。由於在^學告 刻中可以轉非常嚴格的公差,所以可製成非常小且高方 準確的特徵,因此稱為“微,,機械加工。此外、,通常使^ 電子電路應时之許多基板(例如,切、_製成)由_ 料破裂之可能性,不容易使用標準技術作機械加工。 此種適合用於可調整濾波器與相位移 φ w时之1置是:| 冤子機械(MEM)電容器與電容MEM^^關。 制^ 然而,如此方3 衣乂之依靠靜電致動之可變電容器由於 田a所谓的‘‘突然$ 20 1231511 落”(snapdown)現象,只能有33%之電容改綠 人艾,如同以下將 更佳說明者。在諧振器/濾波器中央頻率中+ & # 卞裝置之連續 調整能力小於10%。 其他所知之遽波器調整技術’例如為:极狀鐵電材料、 5 10 變容二極體、以及鋇勰鈦(BST)薄膜。請參考例如·、,、〆 利案號USP 5,990,766(粒狀鐵電調整)、 》果國專利案號 4,468,644(變容二極體調整)、以及美國專利案號υ§ρ 5,877,123(薄膜調整)。然而,此等裝置亦具有缺點,其主要 是由於低的三級攔截點(IP3)與高的插入損失。此具^低的 IP3之可調整雜H之缺點為,它們具有騎有限的功率處 理能力,因此它們無法使用於例如雷達系統中作為預選擇 器。此外,此具有高插入損失之帶通濾波器之另一缺點為 它們不具有㈣鮮寬度。糾,㈣鐵電㈣須要施加 高電壓以調整此裝置並且是昂貴的。 15 【發明内容】 發明概要 根據本發明,揭示一種用於諧振器與濾波器寬頻調整 之微機械式可變電容膜致動器(VCMA),其較佳使用晶圓位 準封裝技術製造。 根據第一觀點,本發明揭示一種用於調整電子電路之 裝置’包括:可移動膜,其中在此膜與電子電路之間距離 之改變產生電子電路之電容中改變;與此膜操作有關之第 一電容配置,包括第一電容器板與第二電容器板,其中此 第一電容器板是位於距此電子電路第一距離處且與此膜連
I2315U 接,以及第二電容器板是位於距此電子電路第二距離處, 此第二距離大於第一距離。 根據第二觀點,本發明揭示一種用於改變電子電路之 電容之敦動器,包括:可移動膜,其中膜之移動改變電子 電路之電容·,以及與此膜連接之桿,其中:此膜之移動藉 由改k此桿距電子電路之距離而獲得,此膜具有靜態情況 與動悲情況;以及在此膜之動態情況期間介於此膜與電子 電路之間之距離可以大於或小於,此膜靜態情況期間介於 此膜與電子電路之間之距離。 15 20 電路。 根據第三觀點,本發明揭示一種用於 膜致動器,包括:第-基板;設置於第-基板上 材料並且包含此電子電路,此第一基板與第一導電材料形 成第一層;可變形膜;與此雜助連接之第二導電材料, 此彈性膜與第二導電材料形成第二層,此彈性膜盘第二導 電材料是位於此第一基板與第一導電材料_段距離處;第 -基板;與第二基板連接之第三導電材料;第二基板與第 -¥電材料形成第三層;以及裝附於此膜之磁性元件,苴 中當對磁性元件施加偏壓時產生之磁力造成此膜變形,因 而改變第二導電材料距電子電路之距離,並·整此電子 根據第四觀點,本發明揭 種用於調整電子電路之 、動态,包括··第一基板;設置在此第 斤 導電材料並且包括電子電路,此第基板上之弟-來m 卞私路此弟-基板與第-導電材料 形成弟一層;彈性膜;接觸 斤丨王胰之弟—導電材料,此彈 7 1231511 性膜與第二導電材料形成第二層,此彈性膜與第二導電材 料是設置在第-基板與第一圖案上;第二基板;接觸此第 基板之第二導電材料,第二基板與第三導電材料形成第 三層,其忙在第二層與第三層之間形成具有上板與下板 5 ^平仃板電容器’第二導電材料形成電容器之上板,且第 三導電材料形成電容器之下板,且當在上板與下板之間施 力偏壓日守產生邊电力而造成此膜變开),因而改變電子電路 之電容。 根據第五觀點,本發明揭示用於調整電子電路之致動 10器丄包括:第-基板;位於第一基板中之第一腔;設置於 此第-腔中之第-導電配置,此第一導電配置包括電子電 路,第一基板,位於第二基板中之第二腔;設置於第二腔 中之第二導電配置;位於第一基板與第二基板之間之彈性 膜;以及接觸此彈性膜之第三導電配置,其中藉由彈性膜 15之移動而達成電子電路之調整。 根據第六觀點,本發明是有關用於製造膜之方法,其 ο括以下步驟·提供_基板;在此基板上沈積第—金屬層; 將第-金屬層製成圖案以形成第一金屬墊;在基板與第— 金屬塾上沈積膜層;將此膜層固化;在此經固化膜層上沈 20積第二金屬層;在第二金屬層上沈積光阻層;將光阻層製 成圖案以形成光阻塾;將第二金屬層製成圖案以形成第二 金屬墊;去除第一金屬墊;以及去除光阻墊。 根據第七觀點,本發明是關於薄膜製造方法,其包括 以下步驟:提供具有第-面與第二面之基板;在第—面上 1231511 沈積第-保護層’ ·在第二面上沈積第二保護層;在第一保 護層上沈積第-金屬層;將第一金屬層圖案化以形成第一 金屬墊;將第二保護層圖案化以形成姓刻窗口,·在此基板 與第一金屬墊上形成膜層’·將此膜層固化;在經固化膜層 5上沈積第二金屬層;在第二金屬層上形成光阻層;將光阻 層圖案化以形成光阻墊;經由第二保護層之钱刻窗口去除 基板之-部份’將第二金屬層圖案化以形成第二金屬塾; 去除第一金屬墊;以及去除光阻墊。 此VCMA可以包括多個靜電控制彈性膜,其在基板或 1〇晶圓上被圖案化與金屬化。此晶圓直接接合至包括多個相 位移器電路之電路基板上。此電路基板可以例如為:高電 阻石夕或銘基板,或高溫超導體(HTS)(例如:Μ叫或吨〇) 基板。 15 、,本發明之第-優點為:採用VCMA/晶圓位準封裝方法 以製造根據本發明之VCMA可達成電容之範圍,是較·任 何膜式調整方法所製成者例如微電子機械系統_MS) 電容器或電容式mems開關可達成之電容範圍大—午多。更 特別是’此根據本發明之VCMA提供可觀之電容變化與S 的Q因數’導致即使對於非常窄頻帶之帶通整= 的渡波器插人損失。與此等裝置之最大電容改變相對照,- 此根據本發明之VCMA/晶圓位準封裝方法可 圍之電錢化。 了叫供較見範 此根據本發明裝置之較寬之電容調整笳 死阁,疋猶由從 %路上以靜方式致動此膜而達成。截至目前為止所有電容 20 1231511 膜之使用是藉由設置在膜下之電路以靜電方式玫動膜而致 動此膜。在習知技術實施例中,此致動電路是與使用於承 載RF信號電路相同。此事實由於須要RF電路亦為承載DC 膜偏壓電路而使RF設計複雜。此外,將此膜以靜電方式拉 5 下會造成在DC電容中之改變,其更增加向下之拉力。其結 果為在此膜變得不穩定且突然下降至偏壓電路之前,其只 可移動介於此膜與偏壓電路之間整個距離之部份距離,因 此去除此電谷間隙。由於此不穩定,此膜之移動僅限於整 個間隙之33%。因此,最大電容改變只限於此膜與偏壓電 10 路之間之間隙之三分之一。此RF電路之額外的存在使得此 間隙非常的小,以致於只可獲得有限的電容改變。 在此實施例期間,使用“直流,,(“〇€,,)此名詞以描述非 常低頻率之信號。可將任何信號DC或AC應用至薄膜,然 而,由於涉及機械響應,此膜之響應只限於低頻。在此使 15用DC此名詞是與所建立之習慣符合一致,雖然應瞭解它包 括低頻變化。 本發明藉由將此膜朝位於此膜上之偏壓電路向上拉, 而大幅地延伸此電容範圍。由於此電路不承載RF信號,可 將此膜與偏壓電路之間之間隙製成得大於此膜與RF電路之 20 間之間隙。因此,在上部間隙膜之位置中33%之改變,可 以造成RF間隙中非常大百分比改變。以此方式可以實現非 常大的電容改變,其範圍為40-60%。 本發明其他的優點為:如此獲得之可調整濾波器可製 成得具有以下特性:高的][PS、低的插入損失、非常窄的頻 1231511 二理2的對超出頻帶拒斥、陡仙濾、波11邊緣、高的功率 处里肐力U及高的可靠度。此外,此根據本發明之晶圓位 準封^方法’對於與習知技術之微機械加丄/封裝技術有關 、、+夕問題提供解決方法,並且確保此等可調整諧振器與 慮波裔之良好均勻性與可再製性。 為達成用於RF與DC小與準確間隙之較佳方式,是使用 ^如阳圓位準封裝技術與微機械加工之現代半導體處理技 造結構。晶圓位準封裝允許製成非常小的結構,並 且將多個結構以數微米(10·8πι)等級之非常高準確之間隙匹 10 配在一# m , 社 I。因此,可以保持非常嚴格之公差,且所產生的 了構具有良好均勻性與再製性之可能性。此保持金屬餘刻 圖案嚴袼公差與膜/電路分隔之能力,在重新產生可變肝電 '、中疋非g重要。使用微機械加工在基板材料中彈位膜之 位置產生開口。此晶圓位準封裝方法亦允許同時製成許多 15裝置,因此減少各裝置之成本。 此根據本發明之VCMA在諧振器/濾波器中間頻率中提 供+/-20-30%之連續可調整性(其對應於大約4〇_6〇%之電容 改變)’此超過目前技術水準之小於1〇%之可調整能力。此 外,藉由使用VCMA調整諧振器之共振頻率,以及改變此 2〇等咱振益之間耦合之數量,而可獨立地控制諧振器/濾波器 之中間頻率與頻帶寬度。 根據本發明可以提供可連續調整之相位移器,而使用 於須要高性能表現相位移器之電子掃描天線(ESA)或其化 之應用中。此外,X-頻帶前端可選擇濾波器庫、進階之多 11 1231511 功能RF系統、UHF通信雷達、商用與軍用SATC〇M終端機、 以及無線基地台,皆為用於本發明高度興趣之領域。 根據本發明VCMA可提供任何所想要值之連續可調整 能力(取決於電路結構),且在寬的操作頻率上亦提供幾乎恆 5定的集體延遲。此後者之特性對於寬度ESA操作極為重要。 本發明將由以下詳細說明並參考所附圖式而獲得更佳 之瞭解。 圖式簡單說明 第1圖為可變電容酸動器習知技術之概要圖; 10 .第2Α與2Β圖為對應於第1圖之習知技術配置之數學模 15 膜 移動 20 第3圖為根據本發明可變電容膜致動器之概要立 第4圖為對應於第3圖配置之數學模型; , =圖為連接至膜位置控制電路之第3圖之實施例; 第6圖為具有倍增偏壓配置之本發明之數學模型。 苐7圖為本發明之另电 月之另1_ ’其中以機械方式調整 第8圖為本發明之實施例,其藉由磁性致動而獲得 參 膜之 第9圖為本發明 之須要;以及 之另一實施例,其去除對於 精準間隔器 弟10 19«為製造使料本發㈣之膜之方法 【實冷式】 較佳實施例之詳細說明 之步驟 12 1231511 第1圖為VCMA之習知技術配置,其亦顯示於N.S.
Barker 與 G.M· Rebeiz 所著 “Distributed MEMS true-time delay phase shifters and wideband switches,” IEEE Trans· Microwave Theory Tech·,Vol. 46, ρρ·1881-1890, Nov· 1998· 5 之中。更特別是,第1圖顯示石英基板1之橫截面,此包括 共平面波導傳輸線,此基板具有中央導體2與接地平面間隙 3。金橋4是設置在中央導體2上,而連接至接地金屬5。當 將電壓差施加於中央導體2與接地之間時,將金橋4以靜電 方式吸往中央導體2,因此將金橋4變形。此結果為在中央 10 導體2與接地之間之電容增加。此電容之變化可以藉由控制 所施加之電壓差而控制。 苐2A與2B圖顯示對應於第1圖配置之數學模型。根據 此模型,可將VCMA配置模製作為“在彈簧上,,之平行板電 容器,這即是將電容器之頂板裝附於彈簧,如同於第2八圖 15 中所顯示。 請參考第2A圖之模型,此包括RF電路(例如,相位移 裔)之基板是由數字11表示。此金屬化膜或金橋是以12表 示。可將膜12想像為經由彈簧14連接至支撐13。此在圖中 所示沿著X垂直軸膜12之零偏壓位置是以X()表示。一俟將偏 20壓Vbias施加於膜12與基板11之間,則靜電力F將膜12向下 移。膜12之移動造成底部電路*RF電容之改變,而會調整 個別諧振器之共振頻率以及諧振器之間之耦合係數。 在第2B圖中顯示所施加電壓Vbias與在χ軸上膜12位置 之間之關係。從該圖中可以看出,在未施加電壓時膜12之 13 1231511 位置是在χ〇(即x/x〇=l)。一旦所施加電壓vbias上升,則膜12 移向基板11。然而,當偏壓到達值vmax(即,V /ν —η 時,膜電容器之上板)突祕下,而將電容器之底板(RF 基板11)短路。此突然落下在x=2/3xG(即,χ/χ严〇·66)之位置 5發生。因此,此板之彈箕如果被壓縮至此值以下,則此等 板會短路。這意味著電容之調整範圍限制於此值之, 如同在本發明之介紹部份已經指出者。 第3圖顯示根據本發明可變電容膜致動器之概要透視 圖。其顯示第-基板或晶圓i5(例如,經微機械加工晶圓)。 Π)在其上設置較佳為金之導電材料圖案16。在此圖案Μ上形 成例如相位移器之電子電路,其電容必須調整。為了清楚 目的,在細中並未顯示此種電路。此第―晶圓丨德= 形成根據本發明結構之第—層。此根據本發㈣構之第 -層包括:設置於彈性膜17τ㈣電材料較佳由金所構成 15二::17與圖案18。此第二層是設置於第-層之上。此 弟二層藉由精準間隔器31而分開。此精準間隔哭31 積一層特定厚度均勻之絕緣體(例如,聚酿亞胺) ^尸:形成。然後’使用標準之微影技術將此聚醯亞胺 或亀擇性地_’以形成任何所想要形狀之精準門Ρ 20器。因此,第二層接合第一芦,而 搰旱間隔 間保持準確的距離。a χ間隔器31在此兩層之 ,> T . Α 吕又置於晶圓19之下 由例如至之導電材料所構成之第二。 ΟΛ ^ 一'基板或晶圓19與圖幸 2〇。第三層是設置於第二層之 屬 此弟一層與第三層是藉 14 1231511 由第三晶圓32之微機械加工部份而分開。以替代的方式, 可以使用像是間隔器31之聚醯亞胺間隔器將第二層與第三 層分開。較佳在當第二層與第三層之間之間隙為小(<25 μπι)時,使用聚醯亞胺間隔器;而在間隙為大(>25 μπι)時, 5使用晶圓之微機械加工部份作為間隔器。 此彈性膜17可以使用微影術技術界定。尤其,晶圓32 以特定厚度適當材料(例如:聚醯亞胺)之薄膜塗佈,其然後 以導電材料(例如金)圖案化。然後將晶圓選擇性地蝕刻去 除’而留下聚醯亞胺原封未動。因此,在基板被去除之部 10份中形成彈性導電膜。在根據本發明的裝置中,較佳使用 微機械加工,以便產生矽或玻璃之小膜而同時保持非常嚴 格之公差。 以此方式在第二與第三層之間形成平行板電容器。此 在彈性膜17之下之導電層18形成電容器之下板,而在第二 I5曰曰圓19下之導電層20形成電容器之上板。此平行板電容器 是與第一層和第二層之間所形成之電容器分離。在上部電 容器之板18與20之間施加DC偏壓Vbias會在膜17上產生向上 之靜電力,且造成膜17變形,因此形成可變電容膜致動器。 膜17之移動造成在底部RF電路中RF電容改變。此改變會調 2 0整個別諳振器之共振頻率以及介於諳振器之間之耦合係 數。此電容之值取決於金屬層18與20之間之距離,並且隨 著距離減少而增加。因此,移動此膜改變金屬層18與2〇之 間之距離,並且因此改變電容。 在習知技術之實施例中,此將被調整之電路是設置在 15 1231511 與電容器下板相同之位準,如同於第1與2A圖中所示者。根 據本發明,電容器之下板與上板均在將被調整電路之上。 因此’在第3圖中所揭示之裝置允許較傳統方法高許多 之電容變化,此傳統方法將DC偏壓施加於RF基板以產生靜 5電力。事貫上,在板18與20之間未設置被調整之電路,則 可允許板18與20之間之距離較習知技術配置之此等板之間 之距離大許多。 其結果為,以在第一層與第二層之間小的間隙亦可獲 RF電容相當鬲的改變,因為電容之改變取決於第二層與第 10 三層之間之距離。 將致動電路設置於被調整電路之上可允許相當高的電 容改變’此種配置使用在基板與膜17(第一與第二層)之間之 小的間隙’以及在膜17與第二晶圓19(第二與第三層)之間之 大的間隙。事實上,大的上板間隙產生增加的移動距離以 15及因此咼的1^電容改變。以此方式,可以合理的調整電壓 範圍產生大的諧振器調整,而同時將用於第二_第三層電容 器以及用於RF電路之0(:偏差保持完全分離。 第4圖顯不對應於第3圖配置之數學模型。此包括RF電 路(例如:相位移器)之第一層是以21表示。膜是以22表示。 2〇可將膜22想像為經由彈簧Μ連接至支撐a,類似於在第2A 圖中所示者。 不同於習知技術,第三層25是設置在膜22上。此致動 DC電壓Vbias是施加至形成於膜22與第三層%之間之上部電 容器。一旦施加電壓Vbias,則在向上之方向產生靜電力F。 16 1231511 以此方式,將膜22強迫向上,因此將膜22周圍附近改變至 包含RF電路之下部基板21。此周圍附近中之改變因此改變 層21之RF電路中之RF電容。 在已知之應用將此裝置受到南的加速(兩值震撼、機械 5 振動,等)。此等加速常與本發明組合時,可以造成膜之移 動以及因此電容之改變。此結果為由於機械振動所產生之 RF雜訊(通常稱為“微音器,,)之增加。 一種克服此問題之方式是使用回饋控制系統以控制膜 之位置。以此種設計,可感測到膜電容(使用額外電路)並且 1〇 將此值回饋至膜位置控制器。如果外力嘗試改變膜之位 置’則偵測到電容之改變,並且由回饋控制系統修正此位 置。由於藉由施加吸引靜電力(此等力一直為吸引力)以維持 此位置’其有時須要兩個方向(上與下)中施加吸引力,以便 控制膜之位置。 15 第5圖顯示實施例,其中膜之位置借助於上述之回饋控 制系統而控制。更特別的是,第5圖顯示在第3圖中所示裝 置之侧視圖。使用此由導電元件18與20取得代表膜電容之 電氣信號,以控制此高頻電壓控制振盪器(¥(:〇)51之頻率。 將此振盪器51之頻率與此穩定參考振盪器52之頻率比較。 20使用混頻器幻作此比較。借助於低通濾波器(LPF)54將此混 頻器53之輸出過濾。將此LPF 54設計成在正常的操作期 間’此混頻器輪出之頻率是落在此低通濾波器之帶通邊緣 之外。因此,如果此VCO 51之輸出頻率太高,則此LPF 54 之輸出電壓振幅將為低。此偵測裝置55之輸出所具有之信 1231511 號強度與混頻器之輸出振幅成比例。此偵測裝置55之輸出 信號強度與差動放大器56之控制電壓位準比較,其輸出調 整膜之偏壓。以此方式,膜之移動造成膜電容之改變,其 造成VCO頻率之移動。此頻率移動造成混頻器輸出之誤差 5電壓,而將其回饋至膜偏壓。因此,改變此控制電壓可改 變此膜電容器之額定板間隔。 克服此膜之機械振動問題之第二種方式為強迫此膜作 雙向移動。更尤其是,可對頂層與底層施加偏壓。這在膜 位置感測之應用中是為重要,且將此資訊回饋至偏壓電 10路。以此方式藉由封閉迴路伺服機構,可將此膜保持在正 確之位置。 第6圖顯示此種配置之數學模型,而施加第一偏壓 Vbiasl(第一與第二層)以及第二偏壓Vbias2(第二與第三層)。 第7圖顯示本發明之另一替代實施例,其中膜22之移動 15借助於測微器26而機械地調整;此測微器包括連接至膜22 之測微器杯27。在此實施例中,可以強迫此膜在兩個方向 中移動。此外,只須要兩個基板。因此,可以調整在膜22 與電子電路之間之距離,較在膜22之靜態情況期間所調整 之膜22與電子電路之間距離更大或更小。 20 在第8圖中顯示本發明還有另一實施例。第8圖之實施 例類似於第5圖之實施例。此主要之不同為磁性元件之存 在,例如裝附於膜17之聲音線圈6〇,其允許藉由磁性致動 之膜17之移動’㈣如同在先前實施例巾所*之藉由靜電 力或機械致動。膜之移動是藉由將電流通過線圈而達成。 18 1231511 因此 以產生磁力 且調整此電路 ,當對磁性元件或線圈60施加偏壓時可 造成膜變形,因此改變膜至電路之距離並 此膜較佳可只向上移動,或向上與向下移動。 即 在所有的實施例(靜電、磁性以及機械)中,此金屬 在RF電路板上之移動改變在处電路板上之電氣特性、 、磁性或靜電方式 電容。不論此膜之移動是藉由直接接觸 達成,其結果為改變之電容。 。。本發明之還有另—實施例去除對於第9圖中精準間隔 10 15 器之須求。在此實施例中,將第一基板或晶圓刚選擇性: 向下钱刻至經控制之距離(例如,4G微米),而在靠近此基板 中央之區域中產生第_腔1()2,其足夠的大以容納:被= 之電路例如微波電路’以及由導電材料構成之第—圖案 104。亦將第二晶圓1()6選擇性地向下姓刻至經控制距離⑽ 如40微米)而造成第二腔1〇8。此第二腔1〇8包括由導電材料 構成之第二圖案110。膜112是位於第一晶圓1〇〇與第二晶圓 106之間。此外,此由導線材料114所構成之第三圖案接觸 膜 112。 第9圖實施例之操作類似於第3圖實施例之操作,其藉 由調整形成電容器之各上板與下板之導電材料11〇與114之 20間之偏壓而調整電路。而且在此情形中,藉由調整導電材 料114與104之間之偏壓,而可獲得膜之額外向下移動。 此根據本發明之VCMA致動器可以使用微影術與濕性 蝕刻技術,即,晶圓位準封裝技術製成。此在第3圖中所示 之諸層例如可以由光蝕刻之玻璃(例如由Mikr〇glas公司所 19 1231511 製之Foturan™)或由矽製成。 程。此Foturan™之製程是類 以下將說明使用於矽之製 似的。 4、: 图”、、員示用於製造本發明所使用薄膜之過程。 明左忍在切圖中所示之膜可以藉由以下圖中所描述以外 ^過程而製成。此外,雖然以下圖式說明數個各別的製造 '驟Λ、、: 1¾¾代之製造過程可以允許將數個各別步驟組合
成較少步驟。最後,此等替代製造過程可讀用不同之步 驟序列。 。第1G圖顯示第—步驟,其提供基板或石夕晶圓細。在晶 圓細之兩面上設置例如由SiN所製成之保護層201,搬。 第圖”、、員示第二步驟,其在保護層201上沈積例如為
Tl如層之金屬薄膜層203。此層203之厚度較佳為大約〇·5 μιη。
/第12圖顯示此方法之第三步驟,此金屬層203被圖案化 以幵y成墊204。較佳選擇此金屬墊2〇4之尺寸較最後膜尺寸 稍小(例如大約1〇〇 μηι)。此確係此金屬層204保護在第π圖 中所示步驟中所曝露膜之大部份,而同時使得能夠最後去 除在第18圖中所示步驟中之墊2〇4。 第13圖顯示第四步驟,其將在晶圓背面上之保護層2〇2 圖案化’以形成用於矽蝕刻之遮罩,因此在區域2〇2,與2〇2,, 之間形成窗口 205。使用紅外線遮罩對準器將窗口 205對準 在正面上之金屬墊。 第14圖顯示第五步驟,其將聚醯亞胺旋塗在晶圓上以 20 1231511 獲得聚醯亞胺薄膜206。如果須要的話,則此聚醯亞胺與黏 者促進劑一起旋塗。此旋塗(spin-on)速率例如可以在介於 1500 rpm與500〇rpm之範圍中。此聚醯亞胺薄膜2〇6厚度之 範圍可以例如為介於5 μιη與15 μπι之間。 5 在此方法之第六步驟中,將此聚醯亞胺在提高的溫度 固化,其較佳介於200°C與450°C之間,以及更佳是大約35〇 °C。 第15圖顯示本發明之第七步驟,其將金屬薄膜層2〇7 沈積在經固化之聚醯亞胺206上。此層207通常為Ti_Au層較 10佳具有大約1 μιη之厚度。此層207最後被圖案化成電極,如 同稿後於弟18與19圖中所示者。 第16圖顯示本發明之第八步驟,其將光阻層旋塗與圖 案化成為塾208,且在金屬層207上被硬烤成作為防止金屬 層餘刻劑之保護層。 15 第17圖顯示本發明之第九步驟,其例如藉由將晶圓安 裝於訂製的晶圓容器中且浸入於100°CiK〇H溶液中,而從 背面姓刻;5夕層205。 第18圖顯示本發明之第十步驟,其例如藉由持續地將 晶圓侵入緩衝之氧化物蝕刻劑(B〇E)與金蝕刻劑中,而 20將保護層2〇1與Ti-Au層207蝕刻去除。以此方式將金屬墊 204去除,且在膜2〇6上將Ti-Au電極209圖案化。 第19圖顯示本發明之第十一步驟,其藉由以丙酮濺鍍 而去除剩餘光阻208並旋轉乾燥。 以此方式製成聚醯亞胺膜與電極。當典型地以KOH蝕 21 1231511 刻劑蝕刻Si晶圓時,此SiN層201作用為蝕刻終止層。使用 SiN層202以形成蝕刻窗口以便蝕刻矽。可以不使用SiN而使 用其他材料。一種可能的材料為使用乙烯聯氨焦苯隣二酚 . (EDP)餘刻劑與Si〇2。然而,較佳使用SiN/K〇H之組合,因 5 為當蝕刻具有高阻抗之矽晶圓時,它較Si02/EPD更有效。 此外,當使用EDP時之蝕刻副產品傾向於沈積在樣品的其 餘部份,因此增加清理過程之負擔。 可以使用“電漿增強式化學氣相沈積,,(PECVD)或“低 壓化學氣相沈積”(LPCVD)技術實施SiN層之沈積步驟。 _ 10 雖然已經顯示與描述本發明數個實施例,然而對於熟 習此技術人士而言,可以作各種變化與替代實施例。可以 設想並實施此等變化與替代實施例,而未偏離在所附申請 專利範圍中所界定之本發明範圍。 【圖式簡單^^明;j 15 第1圖為可變電容膜致動器習知技術之概要圖; 第2 A與2 B圖為對應於第i圖之習知技術配置之數學模 型; · 第3圖為根據本發明可變電容膜致動器之概要立體圖; 第4圖為對應於第3圖配置之數學模型; 20 第5圖為連接至膜位置控制電路之第3圖之實施例; 第6圖為具有倍增偏壓配置之本發明之數學模型。 第7圖為本發明之另-實施例,其中以機械方式調整 膜; 第8圖為本發明之實施例,其藉由磁性致動而獲得膜之 22 1231511 移動; 第9圖為本發明之另一實施例,其去除對於精準間隔器 之須要;以及 第10-19圖為製造使用於本發明之膜之方法之步驟。 5 【圖式之主要元件代表符號表】 1…基板 25…第三層 2…導體 26…測微器 3…間隙 27···測微器桿 4···金橋 31··,韧隔器 5…金屬 32…晶圓 11…數字 51…振盪器 12…膜 52…振盪器 13…支撐 53···混頻器 14…彈簧 54…低通濾波器 15…晶圓 55…偵測裝置 16…圖案 56…放大器 17…膜 60…聲音線圈 18…圖案 100…第一晶圓 19…晶圓 , 102…第一腔 20…圖案 104…導電材料 21…第一層 106…第二晶圓 22…膜 108…第二腔 23…支撐 110···第二圖案 24…彈簧 112···膜
23 1231511 114···導電材料 ' 204…金屬墊、 200···矽晶圓 205···窗口 201…保護層 206…聚醯亞胺薄膜 202···保護層 , 207…金屬層 202’…區域 208…墊 202”…區域 209…電極 203…金屬層
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Claims (1)
1231511 拾、申請專利範圍: i· 一種用於調整電子電路之# <衣置’其特徵為包括: 可移動膜,其巾此_衫電路之間距離之改變造 成電子電路之電容改變; 第私今配置可與此膜操作上相關聯,包括··第一 電容器板與第二電容器板’其中此第—電容器板位於距 電子電路第—㈣處,叫第二電㈣板是位於距電子 電路第二距離處,此第二㈣大於第一距離。 10 士申响專利I巳圍第1項之裝置,其中此膜具有未致動情 况與致動情況’並且其竹子電狀調妓在此膜致 動情況期間發生。 3·如申請專利範圍第2項之裝置,其中此膜之致動情況期 間此膜與電子電路之間之距離,大於在此膜未致動情況 期間此膜與電子電路之間之距離。 15 4.如申請專利範圍第2項之裝置,更包括第二電容配置, 具有:第三電容器板與第四電容器板。 5·如申請專利範圍第4項之裝置,其中在此膜之致動情況 期間介於此膜與電子電路之間之距離 ,大於或小於在此 膜之未致動情況期間介於此膜與電子電路之間之距離。 6’如申凊專利範圍第4項之裝置,其中此第三電容器板是 第一電容器板,以及第四電容器板包括電子電路。 7·如申請專利範圍第1項之裳置,纟中此裝置使用晶圓位 準封裝技術製成。 8· 一種用於改變電子電路之電容之致動器,其特徵為包 25 1231511 括: 可私動膜其中膜之移動改變此電子電路之電容; 以及 ^ 與此膜連接之桿; 5 其中: 此膜之移動是藉由改變桿與電子電路之距離 成; 此膜具有靜態情況與動態情況;以及 在此膜動態情況期間此膜與電子電路之間之距 1〇 離,可以大於或小於此膜之靜態情況期間此膜與電子電 路之間之距離。 % 9.如申請專利範圍第8項之致動器,其中此桿為測微器桿。 1〇· -種用於調整電子電路之膜致動器,其特徵為包括: 第一基板; 15 設置於第一基板上並且包括電子電路之第_導電 材料,此第一基板與第一導電材料形成第一層; 可變形膜; 14此彈性膜連接之弟一導電材料,此彈性膜與第一 〇 導電材料形成第二層,此彈性膜與第二導電材料、以及 第一基板與第一導電材料相隔一段距離; 第二基板; 與第二基板連接之第三導電材料,此第二基板與第 二導電材料形成第三層;以及 裝附於膜之磁性元件; 26 1231511 其中’當對磁性元件施加偏壓時產生磁力造成此膜 變形,因此改變此第二導電材料距電子電路之距離,並 且調整此電子電路。 11. 如申請專利範圍第10項之膜致動器,其中當施加偏壓 5 日守,此膜與電子電路之間之距離是大於當未施加偏壓時 此膜與電子電路之間之距離。 12. 如申請專利範圍第1〇項之膜致動器,其中當施加偏壓 時,此膜與電子電路之間之距離可以大於或小於未施加 偏壓時此膜與電子電路之間之距離。 馨 10 13.如巾請專利範圍㈣項之膜致動器,其中此磁性元件是 聲音線圈。 14_ -種用於調整電子電路之膜致動器,其特徵為包括: 第一基板; 15 ^置於第—基板上且包括電子電路之第-導電材 15 料,此第一基板與第一導電材料形成第_層; 彈性膜; 接觸彈性膜之第二導電材料,此彈性膜與第二導電 · 材料形成第二層,此彈性膜與第二導電材料設置在第一 基板與第一圖案之上; 弟二基板; 一 •接觸此第二基板之第三導電材料,此第二基板與第 一導電材料形成第三層; 其中: 具有上板與下板之平行板電容器形成介於第二層 27 1231511 與第三層之間,此第二導電材料形成電容器之上板,並 且此第三導電材料形成電容器之下板;以及 當在上板與下板之間施加偏壓時,產生靜電力造成 此膜變形,因此改變電子電路之電容。 5 15.如申請專利範圍第14項之膜致動器,其中當施加偏壓 時,此膜與電子電路之間之距離,大於未施加偏壓時此 膜與電子電路之間之距離。 16. 如申請專利範圍第14項之膜致動器,其中當施加偏壓時 此膜與電子電路之間之距離可大於或小於未施加偏壓 10 時此膜與電子電路之間之距離。 17. 如申請專利範圍第14項之膜致動器,其中此第一基板是 微機械加工晶圓。 18. 如申請專利範圍第14項之膜致動器,更包括聚醯亞胺間 隔器,用於將第一層與第二層分離。 15 19.如申請專利範圍第14項之膜致動器,更包括聚醯亞胺間 隔器,用於將第一層與第二層分離,以及將第二層與第 三層分離。 20.如申請專利範圍第14項之膜致動器,更包括回饋控制系 統以控制膜之位置。 20 21.如申請專利範圍第20項之膜致動器,其中此回饋控制系 統包括: 電壓控制振盪器具有電壓控制振盪器頻率,此電壓 控制振盪器頻率是與電容器之電容有關; 具有參考振盪器頻率之參考振盪器; 28 1231511 用於比較電壓控制振盪器頻率與參考振盪器頻率 之混頻器,此混頻器具有連接至電壓控制振盪器之第一 混頻器輸入、連接至參考振盪器之第二混頻器輸入,以 及混頻器輸出,此混頻器輸出具有混頻器輸出振幅與混 5 頻器輸出頻率; 低通濾波器,具有連接至混頻器輸出之低通濾波器 輸入與低通濾波器輸出偵測裝置,具有連接至低通濾波 器輸出入之偵測裝置輸入,並且具有偵測裝置輸出;以及 差動放大器,具有:連接至偵測裝置輸出之第一差 10 動放大器輸入,連接至控制信號之第二差動放大器輸 入,以及差動放大器輸出,此差動放大器輸出連接至電 容器之上板與下板。 22. 如申請專利範圍第21項之膜致動器,其中設計此低通濾 波器,以致於在正常操作期間此混頻器之輸出頻率落在 15 此低通濾波器之通過頻帶邊緣之外。 23. 如申請專利範圍第21項之膜致動器,其中此偵測裝置輸 出所具有之輸出信號強度是與此混頻器之輸出振幅成 反比。 24. 如申請專利範圍第21項之膜致動器,其中此控制信號是 20 可調整的。 25. —種用於調整電子電路之致動器,其特徵為包括: 第一基板; 位於第一基板中之第一腔; 設置於此第一腔中之第一導電配置,此第一導電配 29 1231511 置包括此電子電路; 第二基板; 位於第二基板中之第二腔; 设置於此第二腔中之第二導電配置; 位於第一基板與第二基板之間之彈性膜;以及 接觸此彈性膜之第三導電配置,其中藉由彈性膜之 移動而獲得此電子電路之調整。 26·如申請專利範圍第25項之致動器,其中此第一基板與第 二基板為經微機械加工之晶圓。 10 27·如申請專利範圍第25項之致動器,其中此彈性膜裝附於 第一基板。 28·如申請專利範圍第25項之致動器,其中此第_腔與第二 腔是藉由將第一基板與第二基板蝕刻大約40微米而形 成。 15 29.如申請專利範圍第25項之致動器,其中經由靜電致動而 提供一基板; 在基板上沈積第一金屬層; 將第一金屬層圖案化,以形成第一金屬墊; 在基板與第一金屬墊上沈積膜層; 將膜層固化; 在固化膜層上沈積第二金屬層; 在第二金屬層上沈積光阻層; 獲得膜之移動。 30. —種用於製造膜之方法,其特徵為包括以下步 30 1231511 將光阻層圖案化以形成光阻墊; 將第二金屬層圖案化以形成第二金屬墊; 將第一金屬墊去除;以及 將光阻墊去除。 5 31.如申請專利範圍第30項之方法,其中此膜層為聚醯亞胺 層。 32.如申請專利範圍第30項之方法,其中此基板設有上保護 層與下保護層,此上保護層是在基板上沈積第一金屬層 步驟之後設置介於基板與第一金屬層之間。 10 33.如申請專利範圍第30項之方法,更包括以下步驟: 將下保護層圖案化; 將基板圖案化,以及 將上保護層圖案化。 34. 如申請專利範圍第33項之方法,其中此基板是矽晶圓, 15 並且此基板圖案化步驟是經由將基板浸入於大約100°C 之KOH溶液中而實施。 35. 如申請專利範圍第33項之方法,其中此基板是矽晶圓, 以及此上保護層與下保護層是由SiN製成,並且藉由將 基板浸入蝕刻劑中而實施以下步驟:將下保護層圖案化 20 步驟;將上保護層圖案化步驟;以及將第一金屬墊去除 之步驟。 36. 如申請專利範圍第35項之方法,其中此蝕刻劑包括緩衝 氧化物14刻劑與金(Au)餘刻劑。 ' 37. 如申請專利範圍第30項之方法,其中此第一金屬層為 31 1231511 Ti-Au 層。 38. 如申請專利範圍第30項之方法,其中此第二金屬層為 Ti-Au 層。 39. 如申請專利範圍第32項之方法,其中此上保護層與下保 5 護層是由SiN製成,並且使用PECVD技術沈積。 40. 如申請專利範圍第32項之方法,其中此上保護層與下保 護層是由SiN製成,並且使用LPCVD技術沈積。 41. 一種膜製造方法,其特徵為包括以下步驟: 提供具有第一面與第二面之基板; 10 在第一面上沈積第一保護層; 在第二面上沈積第二保護層; 在第一保護層上沈積第一金屬層; 將第一金屬層圖案化以形成第一金屬墊; 將第二保護層圖案化以形成蝕刻窗口; 15 在基板與第一金屬墊上形成膜層; 將此膜層固化; 在此固化膜層上沈積第二金屬層; 在第二金屬層上形成光阻層; 將光阻層圖案化以形成光阻墊; 20 經由第二保護層之蝕刻窗口,將基板之一部份去 除; 將第二金屬層圖案化以形成第二金屬層; 將第一金屬墊去除;以及 將光阻墊去除。 32 1231511 42. 如申請專利範圍第41項之方法,其中此上保護層與下保 護層是由SiN製成,並且使用PECVD技術沈積。 43. 如申請專利範圍第41項之方法,其中此上保護層與下保 護層是由SiN製成,並且使用LPCVD技術沈積。
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