TWI248194B - An high variation externally-touch mode RF inductor - Google Patents

Description

1248194

【發明所屬之技術領域] 本發明為一種有關於使 製程來設計與製作微型可變 觸式可變電感的設計與製作 性、高的變化率、與較廣的 電感作結合’可廣泛應用於 體電路晶片中。 用微機電技術或加上標準CMOS 電感的方法，特別是指一種接 方法。該可變電感具有高可控 操作頻率，容易與其他形式之 通訊領域，或整合於通訊的積 【先前 近 望能致 多使用 …等地 電感最 多的研 此外， 說，帶 依此達 的功能 應用， 但減少 不能像 習知的 出現於 年來， 力於發 在慮波 方，尤 大的發 究都致 可變電 通濾波 到阻抗 ’以及 若能有 被動元 電容互 可變電 文獻（ 。午多的研究都針對無線通訊的前段電路，希 ^高效能的被動元件，如電感。現今電感大 為:網路阻抗匹配電路與壓控震盪器（VC0) 其^傳送與收發模組更是與電感密不可分。 展障礙在於高損耗、低Q值的特性，因此許 力於Q factor的改善。 感提供了 RF前段電路一個優勢，舉例來 器了依了、I：電感調整中心頻率、匹配網路可 匹配、壓控展盪器可依此達到調變震盪頻率 其他許多與共振頻率或阻抗匹配有關的多頻 可變電感作為元件之一，將更容易實現，不 =數目，更可縮小電路面積（因為不同電感 疊），因此發展可變電感有其必要。 感有兩種’第一種為多電感多開關切換型： A micro variable inductor chip using

1248194 五、發明說明（3) MEMS relays Shifang Zhou; Xi-Qing Sun; Carr, W.N.; Solid State Sensors and Actuators, 1997. TRANSDUCERS Chicago, 1997 International Conference on , Volume: 2 , 16-19 June 1997 Page (s): 1137 -1140 vo 1.2) 此文獻主要是使用16個共平面 固定電感，從2· 5nH到324. 8nH，然後以多個微型開關作數 位的切換，使多個電感，可以串接，達到數位變換電感值 的目的，此法的缺點是所需面積大，並且需要多個微型開 關，自振頻率也僅為1 · 9GHz 。另一種多電感多開關切換 型：出現於文獻（Variable Inductance Multilayer Inductor With MOSFET Switch Control , Park, P.;

Kim, C. S. ； Park, Μ.Y. ; Kim, S. D. ; Yu, H.K.;Electron Device Letters, IEEE , Volume: 25 , Issue: 3，March 20 04 Pages:1 44 - 1 46 )此文獻主要是 使用三個固定電感，以立體的方式做堆疊再利用兩個 MOSFET來短路電感，達到電感值的改變，此可變電感於自 振頻率2· 4GHz時，電感值可由8nH到23nH，但此法的電感 值無法作多段的變化，倘若要作多段連續變化電感值的 話，會因為電晶體的阻值過大而產生過多的損耗。另外也 有敢新專利（US6573822，Tunable Inductor using microel ectroraechanical switches)，主要也是使用多 個微型開關，將多段的平面電感，分段串聯，以達到電感 值可數位變化的功用，此法的缺點也是所需面積大，電感 值變化不連續，並且需要多個微型開關。

1248194 五、發明說明（4) 第二種為電感線圈相對位置變化型··可參考期刊論文（

Se1f-assemb1i ng MEMS variable and fixed RF inductors Lubecke, V. M. ; Barber, B. ； Chan E · Lopez, D. ; Gross, Μ. E. ; Gammel, P. ； Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions, Volume: 49 Issue: 11 ， Nov. 2001， Page(s): 2093 2098) 主要疋使用二維自組裝的架構來建立可變電感，運用多層 薄膜間的應力，使電感的線圈部分彎曲，離開基板，因^ 減少基板的寄生相失’增加Q值。使用加熱變形，使線圈 使相對位置改變’達到電感變化的功用，缺點是變化率僅 有1 8%-3 0%，而且需要用加熱模式來驅動線圈變形，實用 化不易。另一缺點是在製程上很難控制金屬沈積的製程參 數，使電感架構能理想變化。 > 由上述說明可知，習知技術要同時使可變電感達到高變化 率與面積小，單一驅動裝置（如微型開關），以及製程簡易 可靠，產品實用，仍有許多困難，本發明的目的即是在於 符合以上的需求。本發明可提供一種新的可變電感形式， 再配合標準CMOS製程技術與MEMS幾項後製程，使可變電感 不但有多段連續性的高電感變化率，而且q值亦不低，其 製程相容性上亦不侷限於CMOS製程或其他標準半導體積體 電路製程，且具有自我封裝的功能，對於使用其它製程如 :MUMPS、SMart、MPMC…等，也能實現。並且可與多楂習 知的電感做搭配，例如螺線管式電感，請參見文獻 [Chua, C.L.; Fork, D.K.； Van Schuy1enbergh, K.；

第10頁 1248194 五、發明說明（5)

Jeng-Ping Lu; J Out-of-plane high—Q inductors on low-resistance silicon’， Journal of Microe1ectromechanica 1 Systems , Volume 12， Issue 6，Dec. 2003 Pages989 - 995〕所提之電感。 【發明内容】 本發明的主要目的’乃在於提供一高變化率與面積小的可 變電感。 本發明之另一目的，係提供一可變電感，使其僅需要一可 控變形的微型驅動裝置，即可階段性改變電感器的電感 值。 本發明之另一目的，係提供一Q值不隨電感降低而變小之 微型可變電感，以應用在需要高Q值的可變共振電路。 mil:目的’乃在於提供-可使用微機電製程完成 本發明之另一目的，乃在於提供一 1C製程相容而完成的可變電^ 了使用u機電製程並與 本發明之另一目的，乃. 可變電感。 纟於栓供-可達到自我封裝功能的 本發明之另一目的，乃. 可變電感 在於k供一可搭配多種電感形式之 本發明之另一目的， 率、與較廣的操作頻率的可高的，:匕 域，或整合於通訊的於电以了廣泛應用於通吼領 q積體電路晶片中。 第11頁 1248194 五、發明說明（6) 為使 貴審查委員對本發明之目 的、特徵及功效能夠有 進一 步的了解與認識， 茲配合下列圖示詳細說明於後 圖號 名稱 圖號 名稱 10 懸臂式支撐架構 20 Me t a 1 2 11 控制用固定電極 21 Via 2 12 電感下拉導線 22 Metal 3 13 固定埠 23 Via 3 14 Po 1 ys i1i coni 24 Metal 4 15 ILD 25 Oxide 16 Po 1 ys i1i con2 26 保護層 17 Contact 27 Silicon 18 Meta11 28 電感 19 Vial 29 光阻 圖號 名稱 圖號 名稱 110 懸臂式支撐架構 113 固定槔 111 控制用固定電極 114 二氧化矽 112 電感架構 115 犧牲層 圖號 名稱 圖號 名稱 210 懸臂式支撐架構 213 固定埠

第12頁

1248194 五、發明說明（7) 211 控制用固定電極 214 二氧化矽 212 電感架構 215 保護層 圖號 名稱 圖號 名稱 310 懸臂式支撐架構 320 Metal 2 311 控制用固定電極 321 Via 2 312 電感下拉導線 322 Metal 3 313 固定埠 323 Via 3 314 Polysi1iconl 324 Metal 4 315 ILD 325 Oxide 316 Polysi1icon2 326 保護層 317 Contact 327 Silicon 318 Me t a 11 328 電感 319 Via 1 329 光阻 如圖一所不本發明之可變電感架構，是採用接觸電感下拉 導線使電感圈數改變的模式，達到電感值可以調變的功 能〔若施加電壓於間距控制用上下電極丨丨時，會使上 1 0叉到#電力的影響而產生位移’本發明利用懸臂右 的彎曲變形與接觸限制邊界後漸次變形的形式來產生電1 值的變化’因此稱之為接觸型高變化率可變電感，其變=

狀態如圖二所示。 〃艾V 本發明以微機電技術製作高變化率可變電感，亦可以伊、準

1248194 五、發明說明（8) CMOS製程，如2P4M，來製作高變化率可變電感 示。上層為可動之懸浮架構部分，其中懸臂^ ’如圖三所 即為控制用極板之上電極，下層架構為為抑擇架構1 〇 電極u與電感下拉導線架構12。固定部分的工架：=: 用極板下電極11、電感下拉導線架構丨2以外， * ί &制 1 3。懸臂式支撐架構可以設計成不同形式的長另=固定埠 :例，架構形狀以獲得高Q值、低作動電壓 '、線、寬、厚； 化、與縮小整體的面積。 谈觸义 圖四為以標準CMOS製程為設計規範之可變電感$ 咅 圖，保護層26做為自我封裝時的上蓋，m臂結ςι〇 = metal3，下拉導線20使用metal2，控制用極板下電極“使 用，etall。圖五（a)為利用類比軟體建立之扑架構圖，為 間化不必要之類比時間，故採用此種類比架構。圖五 ^類比電感之佈局圖’本設計之可變電感採用方形螺旋電 感，例如線寬lOum、間距10um ;另外本設計主要是希望當 電感值變化時，Q值仍不會太低，因此本設計將其中一個 ，ϋ接至懸臂架構上，使得當懸臂架構隨靜電壓而逐漸 =二$接觸的同日守，整體架構的内阻值亦會因為訊號路徑 =而隨著變小，結果雖然電感值逐漸變小，但由於内阻 值亦同時降低，故Q值仍具有一定的水準。 ίIϋ接觸型高變化率可變電感的電感相關特性參數，特 承&碑之電感之數學形式做整理，其整理如下，在此僅以 紫：、疑電感的式為例說日月，其餘的塑式的電感相關從 菜人貝可據此加以推展，不再贅述：

1248194 五、發明說明（9) 如圖六為中空形式的螺旋電感，其電感值如（1 )式 L 45 μ0η2α2 5 ^ 22r-14a ---( 1 ) 其中a 是螺旋式電感的平均半徑，其定義為從中心至中間 圈數的距離，r 為方形平面螺旋電感邊長的一半，η 為 電感所繞的圈數，// 0為真空的磁導率

如圖七，是一個螺旋電感的等效模型，其各元件參數計算 如下戶斤示 ：

Rs : metal series resistance 串聯電阻 w σδ\ 1-e

趨膚深度（skin depth)

Cs :金屬繞線重疊產生之寄生電容

Ci = nw2

Cox :金屬層與基底間的寄生電容

第15頁 1248194

Rsub ·基底寄生電阻損耗

GS為基材的單位面積電導卜lxl(r7^j)

Csub :基底寄生電容損耗 cs為基材的單位面積容抗卜1〇3〜i(r2^£^j ，中L為電感的感值，其值的大小主要取決於電感繞的圈

=° Μ為電感的串聯電阻’其值的大小是電感在低頻時Q 的，決原素。CP為螺旋電感上層金屬跟下層金屬相交鏈 2私谷，直接影響到電感的共振頻率。C〇x為電感對基底 六生的電容。RSUB為基底的電阻。CSUB為基底對地的電 =二u為電感繞線的長度。w為金屬線的寬度。σ為金屬的 =電係數。5為金屬的肌膚深度，受到訊號頻率的影響很 t為金屬導線的厚度。“〇為真空的導磁數。。為金屬 钕線所繞的圈數。 ε ox為材質的介電常數。toxl為上層金屬和下層金屬導線 之間的距離。 t〇x2為電感到基底之間氧化層的距離。以和以為以⑽和

第16頁 1248194 五、發明說明（11) CSUB 的fitting parameter。惟上述公式並不足以描述相 當複雜的導線間的互感及交鏈電容的關係。 對於電感值之量測，經網路分析儀量測S參數，注意需將 GSG pad的寄生效應給考量進來，亦即量測待測架構時的 同時，也做沒有電感的GSG pad (dummy)量測，然後根 (1 )式分別把待測架構的s參數和dummy的s參 =:3測到之Υ參數即可推算出實4為電 V ^ ~ ^11 X1 + ^22)+ SnS^ γ -码2 γ - 2¾ 與L值，如（3 ) 、 （ 4 )式所 催才出貝1不木構的Q值 12

Vi r21 21 z22 0 β =

1248194 五、發明說明（12) 【實施方式】 〔本發明實施例一〕 CMOS 0· 35um 2P4M 標準製程 首先要了解接觸型高變化率可變電感與標準製程，以 判斷是否能以標準製程製作，接著依所要求之設計規格進 行設計類比，再經由Cadence進行晶片佈局驗証，下線給 晶圓代工廠如T S M C製作晶片，最後將製作完成晶片進行微 機電後製程製作及量測封裝，整個流程如圖八所示。 當得到所需之設計規格後，便利用台積電之⑽⑽〇· 35um 2P4M標準製程來設計接觸型高變化率可變電感。圖九所示 為CMOS標準製程的可變電感剖示圖，電感使用的是平面方 形螺f走電感，線寬1 〇um、間距1 〇um，其中懸臂式支撐架構 1 0使^ Metal 3，而且懸臂支撐架構可因應需求設計成不同 的形狀架構；控制用極板下電極Η使用Metall •，下拉導線 木構 12 使用 Metal2，另外Metal3、Metal2、Metall 與

Vial、Via2為可變電感之固定埠13部分。各層厚度如下表 所示：

Meta 1 3 Meta 1 2 Metal 1 Via2 Vial 0.64 um紹石夕鋼合金 〇·64 um鋁；ε夕鋼合金 〇· 665 um鋁矽銅合金 1 um鶴 1 um嫣

第18頁 1248194

via3、 圖十一（c ) via3、 圖十二（c ) 濕餘刻製程完成之後， oxide，或者是厚光阻 其製造方法，先利用Cadence軟體進行晶片佈局和驗証， 再下線給晶圓代工廠wTSMC即可進行晶片製作，接著將 TSMC运回來的裸晶進行所需的〇MS後製程。 ： 由於在電路佈局（i ay〇ut)時就已經將一部分的區域 在干墊（P AD )的模式裸露在外（v丨a與金屬蝕刻孔），並不舜: 保護層’所以在晶片上的架構僅只有如圖十所示，並^ = 將電感的，份做在晶片上，電感將於後製程的時候再^鍍 上去，於是在後製程的部分，先以化學濕蝕刻將蝕刻液^ 飯刻孔流入將紹矽銅合金〔蝕刻液為16H3p〇4 + lHN〇3 + 1CH3C〇〇H + 2H20〕鈦〔蝕刻液為H20:HF :11202:20:1 :i〕、 鎢〔蝕刻液為H202〕等…將保護層以下的金屬犧牲層移

=同f個蝕刻流程如A-A方向剖視圖圖十一、Μ方‘剖視 圖圖十二所示。 圖十一（b)表示蝕刻液由蝕刻孔流入將metaU meta13蝕刻掉，留下中間所要的調整片部分 表不將調整片上下的via3 & via2部分蝕刻掉 圊十二（b)表示蝕刻液由蝕刻孔流入將 met_al 3蝕刻掉，留下中間所要的調整片部分一、 :不，ia3 & Vla2的钱刻時間，只餘刻掉一部份的 =垃猎以保護中間的調整片不被蝕 刻，…12。圖十二⑷表欄掉…丨&⑽)表丁.· v 1 a 3 ° 在晶片上利用PECVD沈積上一層 如S U 8 ’ 以完成自我封裝的功

第19頁 1248194 五、發明說明（14) 能，如此可以提升可動電極 觸水氣的功能，如圖十三所 25，或是以旋塗厚光阻的方 封裝功能。由於在晶片上又 孔的部份就被填塞，方便在 在電鍍電感之前，先在晶片 電鍍的區域，再利用乾式|虫 打掉’使得金屬層2 4裸露， 分’最後再電鍍出電感28， 示’晶片最上層的金屬為24 26，電鍍電感28連接於金屬 膜的厚度來得到所需要的電 蝕刻掉，而欲電鍍的電感不 不同的需求，電鍍不同的電 D.K.; Van Schuy1enbergh, of-plane high-Q inductor silicon”， Journal of Mic 板的響應與具有防止氧化或接 示’於晶片上沉積一層oxide 式將蝕刻孔封閉，即完成自我 沈積上一層〇 X i d e，所以|虫刻 上面電鍍電感。 上旋塗上一層光阻2 9定義出預 刻將欲電鍍電感區域的保護層 周圍以保護層2 6作為侧璧部 電感的材質為銅，如圖十四所 ，於金屬層24上層的是保護層 層2 4之上。而我們可以控制鍍 感特性，所以保護層就不將它 限於一般型式的電感，可依照 感，如文獻〔C.L.; Fork， Κ·; Jeng-Ping Lu;丨丨 Out-s on low-resistance roelectromechanical

Systems， ， Volume 12 ， Issue 6 ， Dec. 2003 Pages989 - 995〕中所提之電感或是螺線管式電感。 當製程部分完成後，接著對可變電感進行電感值、Q值、 作動電壓、S參數進行分析，其結果分析如圖十五所示。 架構設計尺寸如下： 懸臂長= 20 0um 懸臂至電感之可作動距離=1 um

第20頁 1248194

電壓極板面積=l〇〇*l〇〇=1〇〇〇〇 um2 電感線寬=1 0 u m 電感線寬間距=1 0 u m 圖十五（a〜b)為架構及佈局圖，圖十五（c)為靜電壓與 接觸電感線圈情形的關係圖，可得到電壓作動行程： 在14〜19V。圖十五（d)為線圈依序短路後其可變電感之電 感值、Q值及Smith Chart。由結果可以發現，當電感值 懸臂架構逐漸變形接觸而降低時，Q值並不會因此而 太多’另外本設計懸臂至電感之可作動距離為^，實p 上可依設計要求而採用符合CM〇s之製程厚度，當作動、距/離 ::Ξ:1上：’但相對的可使懸臂支撐架構作相 當微小的接觸變化，亦即可得釗作‘ # k J 1 j侍到很細致的電感變化。 以上雖然=CMOS製程為實施例，但實際上並+以 限，任何具有夕層中間連接金屬（intercc)nn 為 導體積體電路製程皆可適用，如GaAs on)的+

Bipolar等等，來製作本發明所稱的可變電6感。1 CM〇S， 〔本發明實施例二〕 不以CMOS標準製程為基礎的模式設計與製& 本發明因架構簡單，故十分適合使用微機制 作，如圖十六所示。先在晶圓上沈積_屑1仃衣 第二步再濺鍍一層金屬，分別定義出二一虱化矽114， 構112、下電壓控制極板111、及固定 电级下拉V線架 疋阜1 1 3，金屬材料視

第21頁 1248194 五、發明說明（16) 所需架構設計而定。第三步是接著以濺鍍沈積電感的連接 層〔via〕及固定埠113，其高度視需求而定。第四步開始 定義電感下拉導線1 1 2之佈局，材料示設計而定，隨後沈 積犧牲層11 5，材料以容易蝕刻為主，並定義出固定埠1 i 3 區域’其厚度視電壓極板1 1 Q及電感1 1 2間距而定。最後在 犧牲層1 1 5上沈積金屬作為架構之懸臂樑，完成後蝕刻掉 犧牲層1 1 5即可完成架構釋放。

當製程設計部分完成後，接著利用c〇vent〇rWare類比軟顚 内的模組對可變電感進行類比，首先以有限元素法將可變 電f網格化’接著對可變電感進行電感值、位移、應力、 電壓進行分析類比，透過軟體的類比建立可變電感的各夺 參數，以分析了解其特性，最後將做好之晶片進行量測凝 6正類比結果與貫際完成的結果是否一致。 以上雖然以使用非積體電路製程的一般性微機電 施例，但實際上並不以此兔h目古夕政& ^ ^ • 卜A此為限，任何具有多層中間連接 (interconnection)金屬或多晶矽的微機電製程 :變；rs、SMart、_ …等，

〔本發明實施例三] 由多層堆疊的模式來努；二！执二螺'線管電感需 τ於電流集膚效應也有較佳的控制（ 以CMOS標準製程為基礎的螺線管可變電感 另一種習知的電感形式太 一 " 層堆疊的模式央制ί ί官電感，螺線管電感需

1248194 五、發明說明（17) 螺線管電感的製程在此選用TSMC CMOS 0· 35um 2P4M來設 計製作螺線管式可變電感。圖十七所示為C Μ 0 S標準製程的 螺線管可變電感示意圖，電感使用的是螺線管電感，線寬 20um、間距20um，其中懸臂式支撐架構210使用Metal3 ’ 而且懸臂支撐架構可因應需求設計成不同的形狀架構；控 制用極板下電極211使用Metall ;電感架構212使用Metal4 與Metal2，電感外引線部分使用Metal2 ;其餘的Metal3、 Metal2、Metall與Vial、Via2為可變電感之固定埠213部 分。圖十八為螺線管電感之佈局圖，圖十九為螺線管電感 之架構圖。 當製程設計部分完成後，接著利用CoventorWare類比軟體 内的模組對可變電感進行類比，首先以有限元素法將可變 電感網格化，接著對可變電感進行電感值、位移、應力、 電壓進行分析類比，透過軟體的類比建立可變電感的各項 參數’以分析了解其特性，最後將做好之晶片進行量測驗 証類比結果與實際完成的結果是否一致。 以上雖然以CMOS製程為實施例，但實際上並不以此為限， 任何具有多層中間連接金屬（interconnection)的半導體 積體電路製程皆可適用，如GaAs，SiGe，BiCM()S， B1 po 1 ar等等，來製作本發明所稱的可變電感。如上 的接觸式可變電感’雖然其架構僅以平 施例’但其他型式的電感架構，如3D螺旋架構等電= 圈之間能形成共平面，使微致動器的可動電極得 使相鄰線圈短路改變電感有效圈數者，皆為可彳，另：電 第23頁 1248194 五、發明說明（18) 感線圈之厚度、線寬、 感參數接可依系統所需來二 ：大小…等’相關之電 使用-微致動器來變;匕：觸又電十=’上述之實施例雖僅 用多個微致動器來達成更好i^的線圈數’事實上亦可使 建成更好與更細致的變化效果。 〔本發明實施例四〕 低驅動電壓之最佳化設計： 為了要達到低驅動電壓的曰沾 、， rnnl1 ."电土的目的，百先需了解受吸附效應 (PuH-m effect )造成的吸附電壓 :H:ge)與介電係數、電壓極板面積、 二==係到製造成本，因此增加電麼極板面積並 間距會使吸附效應太明，使可變電容變化；：：厂“= 低=動電壓的最佳化料便採用介電係數增 方因此 以CMOS 0.35⑽龍製程為例。若為控制= 極311、Metal3為懸臂式支撐架構31〇 , 川上方之Vial、Metal2以二氧化石夕奶代替空氣口 G:f電壓便需考慮介電係數的變化。將原先靜電力公 式變化如下：

Pt: 6Elgc \3L~a) k 丫 其中

Pt :接觸點靜電力

m 第24頁 1248194 五、發明說明（19) L a gc ε ε r V i η ·接觸點電塵 g :空氣厚度 td ·二氧化石夕厚度 電壓極板面積 懸臂樑長度 電壓極板中心 電容極板間距 空氣介電係數 :二氧化矽介電係數 二氧化矽為1· 64um、空氣為lum， 了 1. 64um的二氧化石夕，其接觸 迷之公=知’多 圖二十所示，橫軸代表電壓v ’ /為原先的胃〇.54倍。如 ’ ® (a)表示未加0xide時的接觸電廢為二 圖（b )表不加上〇xide後，接觸電壓變為。 =樣以本實施例為例，但以metaU當作控制用固定電極 “\、，、上方之VU1層以二氧化矽填補（lum)，則其接觸點 電壓為原先的0· 44倍，但卻有明顯的吸附效應 〇 : 1 · 64 )，吸附電壓從原先未加二氧化矽的丨丨v降低到 6V。所以設計可變電感之低驅動電壓應注意需在不產生 Pu 1 1 - i n e f f ec t情況下，取適當比例的空氣厚度與二氧化 石夕厚度，以達成低驅動電壓的設計。不僅是CMOS製程，其 他如Smart、MUMPs、甚至是標準半導體製程都可以使用該 公式做一簡單的驅動電壓之最佳化設計。

第25頁 1248194 五、發明說明（20) 1248194 圖式簡單說明 【圖式簡單說 圖一 圖二 圖三 圖四 圖五 圖六 圖七 圖八 圖九 圖十 圖十一 圖十二 圖十三 圖十四 圖十五 數 圖十六 圖十七 圖十八 圖十九 圖二十 本發明 本發明 本發明 本發明 本發明 本發明 本發明 本發明 本發明 本發明 本發 本發 本發 本發 本發 本發 本發 本發 本發 本發 之微型可變 之可變電感 之懸臂支撐 之標準CMOS 之電感類比 之一平面螺 之一螺旋電 之接觸式可 之CMOS標準 之下線佈局 明之後製程 明之後製程 明之自我封 明之電感電 明可變電感 明之微積電 明之CMOS標 明之螺線管 明之螺線管 明之驅動電

電感等效模型 變形圖 架構不意圖 製程可變電感架構剖面圖 佈局圖 旋電感佈局圖 感的等效模型 變電感設計與製造方法流程圖 製程的可變電感剖示圖 圖 濕式蝕刻示意圖A-A視角 濕式蝕刻示意圖B-B視角 裝示意圖 鍵示意圖 之電感值、Q值、作動電壓、S參 製程示意圖 準製程的螺線管可變電感示意圖 電感之佈局圖 電感之結構圖 壓與位移關係圖 第27頁

Claims (1)

1248194

中 ι· 請專利範圍 圈至少可拉出 一種接觸式可變電感，係包含 —*任意形式之電感，電感的每一線 條獨立的外引線； y —至少一微致動器 以及驅動可動電 一所謂的微致動器 於所謂的電感之任一 可動與固 架設 方， 臂架 一方 一所謂 靜電 觸所 的可 變化 路， 目的 其中一端為 構一方面係 面亦用來作 的微致動器 壓作用，懸 謂的電感外 動電極板完 ’利用此模 因而減少其 極板的控制電路所 其可動電極可為_ 側的線圈 而另一端 電感外引 之可動電 ’受微致 形，懸臂 仍可繼續 外引線接 電極接觸 ’達到有 固定埠， 用來當作 為控制用 可動電極 臂漸次變 引線後， 全與電感 式使可動 有效圈數 定兩平 組成； 懸臂支 外引線 為自由 線的接 極； 動器固 自由端 變形， 觸後停 到的電 效電感 行電極板 撐架構， 上方或下 端，此懸 觸片，另 定電極白勺 即使在接 直至所謂 止其接觸 感線圈短 值變化的

如申清專利範圍第丨項所邀的按蜩式可 ”任意形式之電感可為平面螺旋型電感 ΐ線:;3D螺旋管架構等，“感線圈之厚ΐ線 系統ir二:經大小...等，相關之電感參數接可依

第28頁 1248194 ------. /、申凊專利範圍 3 如申凊專利範圍第1項所述的接觸式可變電感，其中作 二恣=樑部分的微致動器可動電極可設計成不同的長、 見间形狀與厚度，以達成低作動電壓、高可控性的設計 當懸臂樑部分區段做適當的寬度縮減、長度增加、 ^ =在懸臂襟上打孔洞’這些方法都會造成彈性係數κ值 _ 低，使得懸臂樑更容易做漸次的變形，而達到低作動 電壓之目的。 一 t 申請專利範圍第1項所述的接觸式可變電感，其中微 夂動器之可動電極亦可為一簡支樑支撐結構。 5 ·如申請專利範圍第1項所述的接觸式可變電感，其製作 方法，是以一標準CMOS製程及微機電後製程來實現， 其特徵為 ' 〜一個以標準CMOS製程的第一金屬層（MetaU)作為可 麦電感的控制用固定電極、電感之部分架構、^定 埠，控制用固定電極與所謂的電感之部分架構電性 隔離； 個以標準CMOS製程的第一插銷層（vi ai )作為可變 電感的連接層與固定埠，固定埠設置於所謂的二 用固定電極的一側邊； 工制 〜—個以標準CMOS製程的的第二金屬層（Metal2)作 可變電感的下拉導線主要架構與固定埠，固定璋二

麵

第29頁 1248194

置於所謂的控制用固定電極的 側邊 --*個以標 變電感的 電極的一 一一個以標 可變電感 板，其中 —利用名虫刻 第三插銷 要的可動 一濕餘刻製 氣相沉積 塗厚光阻 可以提升 水氣的功 上面電鍍 準CMOS製程的第二插銷層（Via2 )作為可 固定埠，固定埠設置於所謂的控制用固 側邊； 準CMOS製程的第三金屬層（MetaU )作 的懸臂支撐架構，或稱為所謂的可動電極 一側與固定埠連結為單邊支撐形式； 液由蝕刻孔流入將第四金屬層（MetaU)、 層（Via3 )、Metal3蝕刻掉，留下中間 電極板部分；

程完成之後，在晶片上利用電漿強化化 法（PECVD)沈積上一層二氧化矽，或者是孩 ，如SU8，藉以完成自我封裝的功能，如此 可動電極板的響應與具有防止氧化或接觸 能，並且因為钱刻孔的部份被填塞，可在 外加電感； 一在晶片上旋塗上一層光阻定義出欲電鍍的區域，再 電鑛出電感，電感的材質為導電性金屬如銅，可以 控制鍍膜的厚度來得到所需要的電感特性。

6·如申請專利範圍第4項所述的製作方法，其製程中所^ 的金屬層與插銷層，亦可利用標準CMOS製程其他的金屬^ (如 Metall、Metal2、Metal3、Metal4)與插銷層（如 曰 Vial、Via2、Via3 )來組合建構控制用的可動與固定兩平

1248194

1248194

六、申請專利範圍 _ 11. 如申請專利範圍第4項所述的製作方法，盆 鍍的電感不限於一般型式& a /、中所奴電 求，電鑛不同的電感的電4 ’可以是依照不同的需 12. 如申請專利範圍第4項所述的製作方法 他非CMOS的標準積體電路製程來完成。 了使用其 接：ί可變電感的製作方法，所謂的接觸式可變 ί路組成’其特徵為先在晶圓上沈積一層二氧化 Ϊ Ϊ : Ϊ制：f屬’分別定義出部分電感下拉導線架構、 定固定埠’金屬材料視所需架構設計而 定追，立二:接者以濺鍍沈積電感的連接層〔via〕及固 之佈乃’，、：二：需求而定；第四步開始定義電感下拉導線 餘刻為主，並定義出固定璋區域， 易 之縣臂^^ 層上沈積金屬作為架構 #梂几成後蝕刻掉犧牲層即可完成架構釋放。 1 4，—種具自我封裝功能的微型可變電感，直 Si;準;;:金:層作為输道，編:= 钱刻孔道給填補：沈積物將原本的 木使内一為封閉空間，其將蝕刻孔 第32頁 1248194 申晴專利範圍 =f補所沈積的材料可以是低、w 的卜=謂的封閉空間可因沈積=積的非金屬*金屬者’ 政果，或因此填入特定氣髀法的選擇，而有真空封裝 孔赞的效果。 15’ ：種接觸式可變電感，係包八 任意形式之電感； 〜至少一微致動器，主 以及驅動可動電極板的二=動與固$兩平行電極板 〜所謂的微致動器其可控制電路組成，· 構，架設於所謂的電残^，可為一簡支標支樓結 左右兩端為固定=夂任兩側的線圈上方，其中 構一方面係用來咨作:央為接觸端，此簡支樑結 亦用來作為控“之可：：：的接觸片，另-方面 —所謂的微致動器可動 ^ 靜電壓作用，#1 電 受微致動器固定電極的 端即传十垃$間支樑支撐結構漸次變形，中央接觸 直至所抑觸所謂的電感線圈後，仍可繼續變形， 豆垃艇=的可動電極板完全與電感線圈接觸後停止 • ^ 文化’利用此方式使可動電極接觸到的電感 變化的目的而減^其有效圈數’達到有效電感值

第33頁