TWI439411B - 多重驅動之微機電高頻切換器 - Google Patents

Description

多重驅動之微機電高頻切換器

本發明係有關於一種多重驅動之微機電高頻切換器。

目前應用在無線通訊上之標準或頻段已達七種以上，包括GSM、Bluetooth、CDMA以及WiMAX，每個標準都有其獨特的特性，如頻率以及頻寬，也就是說，通訊模組複雜度大幅提高，為了滿足新需求，因而使用更高的頻寬。與二極體或電晶體相較，只有微機電(MEMS)元件才能提供在GHz應用中較佳的射頻表現，因此，若能將RF MEMS元件利用CMOS技術與其他電路元件共同整合成為模組，則可縮小體積並降低生產成本。

RF切換器在RF電路上具有多種應用，例如，由一區塊將RF信號切換至另一區塊，或是直接藉由調校網路(Tuning Network)中的切換電容改變RF區塊特徵。設計好的RF微機電切換器具有幾個特性，包括低致動電壓、低功率消耗、高切換速度、低插入損耗、高隔離性以及可靠度。

第1圖為習知微機電高頻切換器之示意圖。請參閱第1圖，第1圖係為美國專利US 6,486,425號中之圖式，習知微機電高頻切換器30包括玻璃基板31、金屬層32、凸出部33、34、固定電極35、36、移動端37以及固定端38、39，此一微機電高頻切換器30透過凸出部33、34以及固定電極35、36施加電壓來產生靜電力，以使移動端37與固定端38、39相接觸，此單純靜電力驅動需要較高之驅動電壓。

第2圖係為習知微機電高頻切換器之示意圖。請參閱第2圖，第2圖係為美國專利US 6,927,352號中之圖式，習知微機電高頻切換器10包括氧化矽層11、橫樑12、加熱器13、14、互補電極15、16、17、18、連接塊19、導電區塊20、21、空隙22以及金屬構件23、24，加熱器13、14設於橫樑12中。習知微機電高頻切換器10必須利用額外製程以形成金屬構件23、24，其成形於下方薄膜作為雙金屬，而電流通過加熱器13、14以開啟切換器10，由焦耳效應所釋放之熱量會影響橫樑12之形變而易於靠近導電區塊20、21，形變來自於金屬部與橫樑之間的膨脹差異，而膨脹差異足夠使橫樑12之中央部連接。

揭露一多重驅動之微機電高頻切換器實施範例，包括一基板、設於基板上之一加熱器、位於一下層金屬層之共平面波導線、一可動薄膜具有中央為凹陷之兩端固定橫樑、一位於下層金屬層之共平面波導線以及位於共平面波導線與可動薄膜之間的一介電層。其中，具有連接單元之二金屬層形成一立體堆疊結構。當加熱器產生之熱能傳導至可動薄膜，或可動薄膜與共平面波導線之間產生靜電力，或兩者同時發生時，可動薄膜將往共平面波導線方向彎折。

為了讓本發明能更明顯易懂，下文特別舉出實施例，並配合所附圖示，作詳細說明如下。

第4圖係為依據一實施例之多重驅動之微機電高頻切換器在通路狀態之示意圖，此多重驅動之微機電高頻切換器實施例之切換原理如第4圖所示，多重驅動之微機電高頻切換器包括基板41、設於基板41上之加熱器42、位於下層金屬層45上之共平面波導線(CPW)451以及位於共平面波導線(CPW)451上之可動薄膜48，可動薄膜48為立體堆疊結構，可由具有貫孔層之二堆疊金屬層組裝而成。訊號線4511則設計成通路，可動薄膜48與訊號線4511形成一平行板電容結構，在作動時因可動薄膜48往下形變靠近訊號線4511，在訊號線4511上形成一較大之電容，高頻訊號會通過此一電容經由可動薄膜48被傳導至接地端，因此無法通過到訊號線4511的另一端，也就是說，訊號線形成斷路，達到切換高頻訊號之功能，此型式之多重驅動之微機電高頻切換器適合於高頻(1~10GHz)至超高頻(>10GHz)的應用上。

實現之製作流程可利用半導體代工廠之2多晶矽(poly-Si)層以及4金屬層之標準0.35um之CMOS(互補式金屬-氧化層-半導體)積體電路製程，代工廠製作完成之實施例結構如第3圖所示，第3圖說明半導體廠完成此多重驅動之微機電高頻切換器後之結構，需要再進行後製程利用濕式或乾式蝕刻的方式將可動薄膜的結構釋放，若採用濕蝕刻的方式可選用的氫氟酸等具有較佳二氧化矽蝕刻能力且對於金屬蝕刻速度較慢之蝕刻液，完成結構釋放後之最終結構如第4圖所示，薄的二氧化矽層仍位於下層金屬層上，以形成介電層。

第6圖係為依據一實施例之多重驅動之微機電高頻切換器移除第一形變部、上層金屬層以及鈍化層後，顯示第二形變部之範例俯視圖。共平面波導線451由訊號線4511與兩條接地線4512所組成，可動薄膜48橫跨於共平面波導線451之上，加熱器42位於可動薄膜48左右兩側之外側。此外，第二形變部441之兩側有一個或多個溝槽444，藉由該溝槽444可釋放製程所造成可動薄膜48上之殘留應力，以減少結構釋放後之預變形並使其有較佳的可撓性。

第4圖係為一實現多重驅動之微機電高頻切換器實施範例在尚未進行驅動時為通路狀態之結構剖面圖。第5圖係為依據一實施例在電熱或與靜電驅動時形成斷路狀態之一範例示意圖。多重驅動之微機電高頻切換器40包括基板41、加熱器42、下層金屬層45、可動薄膜48、共平面波導線451、複數個連接單元481-490、介電層47。加熱器42設於基板41上，上層金屬層43、相鄰金屬層44、下層金屬層45由上而下依序相疊，可動薄膜48為至少兩金屬層組成之立體堆疊結構，於本實施例中，可動薄膜48由上層金屬層43與相鄰金屬層44組成。共平面波導線451位於下層金屬層45上，介電層47位於下層金屬層45之上且位於設於可動薄膜48與共平面波導線451之間。相鄰金屬 層44與下層金屬層45之間具有一間隙50，又，可設置一或多個堆疊金屬層46於相鄰金屬層44與下層金屬層45之間，或更可包括一鈍化層(passivation)52，設於上層金屬層43上。在本發明一實施例中，其中介電層47係利用時間控制的方式，使一二氧化矽材料殘留而形成。

上層金屬層43包括第一形變部431、432，而相鄰金屬層44包括第二形變部441，共平面波導線(Co-Planar Waveguide,CPW)451位於下層金屬層45上，連接單元481使加熱器42與下層金屬層45連接，連接單元482連接下層金屬層45與堆疊金屬層46，連接單元483連接堆疊金屬層46與相鄰金屬層44，而連接單元484連接相鄰金屬層44與上層金屬層43，連接單元485、486使第一形變部431、432與第二形變部441連接，另一側的連接單元487-490以相同方式連接。

於本實施範示例中，第一形變部431、432之外側固定朝間隙50之中央延伸且位於第二形變部441之左右兩側。介電層47位於共平面波導線451上，或位於第二形變部441下方，間隙50大致位於整個多重驅動之微機電高頻切換器40之中央區域，主要位於第二形變部441與介電層47之間。在多重驅動之微機電高頻切換器40處於接通狀態之下，第二形變部441與介電層47不會接觸。於本實施範示例中，加熱器42係為多晶矽(poly-Si)，基板41係為上方具有氧化層之矽基板，而連接單元481-486之主要材料係為鎢。

請參閱第4、5圖為揭露之一實施範例，電壓V_g 為接 地電壓，當施加電壓V_b2 於加熱器42或施加電壓V_b1 於第二形變部441時，可動薄膜48可被驅動。當電壓V_b2 被施加於加熱器42上時，加熱器42會產生熱能，並且藉由連接單元481-486將熱能由加熱器42經過下層金屬層45、堆疊金屬層46、相鄰金屬層44以及上層金屬層43，由下而上傳遞，當熱能被傳遞至上層金屬層43之第一形變部431、432時，第一形變部431因受熱而朝間隙50中央伸長，並且朝箭頭B之方向彎曲(即朝基板41方向彎曲)，同樣地，第一形變部432也因受熱而朝間隙50中央伸長，並且朝箭頭A之方向彎曲(朝基板41方向彎曲)，由於第一形變部431、432分別藉由連接單元485、486與第二形變部441之端部442、443連接，因此，熱能會再被傳遞至第二形變部441上，第二形變部441受到加熱延伸之作用以及第一形變部431、432牽動的影響，第二形變部441中央部份亦朝基板41方向彎曲，即第二形變部441之端部442、443會根據箭頭D、C彎曲。換句話說，第一形變部431、432受熱朝基板41方向彎曲，而第二形變部441中央部份受第一形變部431、432之牽動亦朝基板41方向彎曲。當電壓V_b1 被施加於第二形變部441且電壓大於吸入電壓(pull-in voltage)時，第二形變部441與共平面波導線451之訊號線4511之間會產生一靜電力，使第二形變部441與訊號線4511彼此吸引，直到第二形變部441與介電層47接觸。當第二形變部441與介電層47接觸時，會形成一平行板電容結構53，此時高頻信號會通過平行板電容結構53，高頻信號會通過平行板電容結構53而導入共平面波導 線451兩側之接地線4512(請搭配參閱第3圖)，此時，多重驅動之微機電高頻切換器40處於斷路狀態。應注意的是，可動薄膜48為中心凹陷且兩端固定之橫樑結構，第二形變部441之設置位置較第一形變部431、432為低。

多重驅動之微機電高頻切換器40應用靜電力以及電熱改變薄膜位置，可控制使高頻訊號是否可通過訊號線4511。而設計時可僅應用靜電力或僅應用加熱產生形變，亦可同時應用兩者產生形變。

第7圖為另一微機電高頻切換器之共平面波導線實施例之示意圖。

第7圖之實施例中揭露微機電高頻切換器60包括共平面波導線651以及可動薄膜68，可動薄膜68橫跨於共平面波導線651之上。共平面波導線651包括訊號線6511，本實施例與前一實施例不同處即在於：本實施例之訊號線6511設計成斷路，如第7圖所示，訊號線6511並未導通。在微機電高頻切換器60作動時，因可動薄膜68往下形變靠近訊號線6511，當可動薄膜68與訊號線6511接觸之後，可將訊號線6511導通為通路，訊號可通過此路徑傳到訊號線6511的另一端，也就是說，訊號線6511形成通路，達到切換高頻訊號之功能，此型式之多重驅動之微機電高頻切換器適合於直流至高頻(DC~10GHz)的應用上。微機電高頻切換器60之其餘作動方式與前一實施例大致相同，不再贅述。

第8圖為另一微機電高頻切換器實施例之示意圖。

請參閱第8圖，微機電高頻切換器70包括基板71、 加熱器72、下層金屬層75、可動薄膜78、共平面波導線751。共平面波導線751包括訊號線7511以及驅動電極7513，上層金屬層73、相鄰金屬層74、下層金屬層75由上而下依序相疊，可動薄膜78為至少兩金屬層組成之立體堆疊結構，於本實施例中，可動薄膜78由上層金屬層73與相鄰金屬層74組成。共平面波導線751位於下層金屬層75上。相鄰金屬層74與下層金屬層75之間具有一間隙80。上層金屬層73包括第一形變部731、732，而相鄰金屬層74包括第二形變部741，共平面波導線751位於下層金屬層75上，本實施例與第3圖實施例明顯不同處在於，驅動電極7513上以電極沈積(electrode-position)之方式將帶電的高分子材料吸附於通電後之沉積區域，以形成絕緣薄膜7514，而不保留薄的二氧化矽層作為介電層。本實施例可避免後續乾燥製程時，殘留在薄膜間隙中的液體表面張力而導效的沾黏情形，同時避免操作過程中，濕氣之影響以及絕緣層失效的問題。

多重驅動之微機電高頻切換器可由CMOS製程來達成，切換器由電熱力(electro-thermal force)以及靜電力同時驅動，若僅有靜電力時，切換狀態則被鎖定。熱致動器相對於電熱致動器而言可能僅需要低電壓，而靜電力幾乎可能不需要能量來維持切換狀態，因此，可能僅需提供低驅動電壓，且若要使其具有在電熱驅動器以及靜電驅動器之間的致動速度，也可能有較低的能量損耗。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範 圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10、30．．．微機電高頻切換器

11．．．氧化矽層

12．．．橫樑

13、14．．．加熱器

15、16、17、18．．．互補電極

19．．．連接塊

20、21．．．導電區塊

22．．．空隙

23、24．．．金屬構件

31．．．玻璃基板

32．．．金屬層

33、34．．．凸出部

35、36．．．固定電極

37．．．移動端

38、39．．．固定端

40、60、70．．．多重驅動之微機電高頻切換器

41、71．．．基板

42、72．．．加熱器

43、73．．．上層金屬層

431、432、731、732．．．第一形變部

44、74．．．相鄰金屬層

441、741．．．第二形變部

442、443．．．端部

444．．．溝槽

45、75．．．下層金屬層

451、651、751．．．共平面波導線

4511、6511、7511．．．訊號線

4512．．．接地線

46．．．堆疊金屬層

47．．．介電層

48、68、78．．．可動薄膜

481-490．．．連接單元

49．．．隔熱層

50、80．．．間隙

52．．．鈍化層

53．．．平行板電容結構

7513．．．驅動電極

7514．．．絕緣薄膜

V_g 、Vb1、Vb2．．．電壓

A、B、C、D．．．箭頭

第1圖係為習知微機電高頻切換器之示意圖；

第2圖為另一習知微機電高頻切換器之示意圖；

第3圖說明半導體廠完成之多重驅動之微機電高頻切換器後之結構一實施例；

第4圖係為依據一實施例之多重驅動之微機電高頻切換器在通路狀態之示意圖；

第5圖係為依據一實施例之多重驅動之微機電高頻切換器在斷路狀態之一範例示意圖；

第6圖係為依據一實施例之多重驅動之微機電高頻切換器移除第一形變部、上層金屬層以及鈍化層後，顯示第二形變部之範例俯視圖；

第7圖為另一微機電高頻切換器之共平面波導線實施例之示意圖；以及

第8圖為另一微機電高頻切換器實施例之示意圖。

40．．．多重驅動之微機電高頻切換器

41．．．基板

42．．．加熱器

43．．．上層金屬層

431、432．．．第一形變部

44．．．相鄰金屬層

442、443．．．端部

441．．．第二形變部

45．．．下層金屬層

451．．．共平面波導線

4511．．．訊號線

4512．．．接地線

46．．．堆疊金屬層

481-486．．．連接單元

47．．．介電層

48．．．可動薄膜

49．．．隔熱層

50．．．間隙

52．．．鈍化層Vg、V_b1 、V_b2 電壓

Claims (20)

1. 一種多重驅動之微機電高頻切換器，包括：一基板；一加熱器，該加熱器設於該基板上；一可動薄膜，包括一兩端固定且中央凹陷之橫樑，其中具有連接單元之至少二金屬層組成一立體堆疊結構；一共平面波導線，位於一下層金屬層；以及一介電層，設於該共平面波導線與該可動薄膜之間；其中，當該加熱器產生熱能傳導至該可動薄膜，或該可動薄膜與該共平面波導線之間產生一靜電力，或二者同時產生時，該可動薄膜往該共平面波導線方向形變，其中該介電層係用電極沈積的方式將一帶電之高分子材料形成一絕緣薄膜，其中該共平面波導線包括一訊號線與一驅動電極，且該訊號線之初始狀態為斷路。
2. 如申請專利範圍第1項所述之多重驅動之微機電高頻切換器，其中該可動薄膜與該共平面波導線具有一間隙。
3. 如申請專利範圍第1項所述之多重驅動之微機電高頻切換器，其中該可動薄膜由一上層金屬層與一相鄰金屬層組成，且該上層金屬層包括一第一形變部，而該相鄰金屬層包括一第二形變部，該第一形變部與該第二形變部連接以形成該兩端固定且中央凹陷之橫樑，該第二形變部較該第一形變部為低，且當該加熱器產生熱能傳導至該可動薄膜，或該可動薄膜與該共平面波導線之間產生一靜電力或二者同時產生時，該第二形變部與該介電層接觸。
4. 如申請專利範圍第3項所述之多重驅動之微機電高頻切換器，其共平面波導線包含兩接地線，當該第二形變部與該介電層接觸時，會形成一平行板電容結構，使高頻信號通過該平行板電容結構而導入該接地線。
5. 如申請專利範圍第3項所述之多重驅動之微機電高頻切換器，其中該等第一形變部受熱後會朝該基板方向彎曲，而該第二形變部中央部份受該等第一形變部之牽動亦朝該基板方向彎曲，與該介電層接觸。
6. 如申請專利範圍第3項所述之多重驅動之微機電高頻切換器，其更包括複數個堆疊金屬層，該等堆疊金屬層設於該相鄰金屬層與該下層金屬層之間。
7. 如申請專利範圍第3項所述之多重驅動之微機電高頻切換器，其更包括一鈍化層(passivation)，該鈍化層設於該上層金屬層上。
8. 如申請專利範圍第3項所述之多重驅動之微機電高頻切換器，其中該第二形變部包括複數個溝槽，以釋放該第二形變部上之殘留應力。
9. 如申請專利範圍第3項所述之多重驅動之微機電高頻切換器，其中於該第二形變部與該共平面波導線之一訊號線間施加一電壓，以產生該靜電力。
10. 如申請專利範圍第3項所述之多重驅動之微機電高頻切換器，其更包括一連接單元，連接該可動薄膜之該第一形變部與該第二形變部，以及連接另一需要導電或導熱之路徑。
11. 如申請專利範圍第10項所述之多重驅動之微機電 高頻切換器，其中第一形變部位於第二形變部之上方且位於第二形變部之左右兩側，而該第二形變部包括至少二端部，該等第一形變部分別與該等端部藉由該等連接單元連接。
12. 如申請專利範圍第10項所述之多重驅動之微機電高頻切換器，其中該等連接單元之主要材料係為鎢。
13. 如申請專利範圍第1項所述之多重驅動之微機電高頻切換器，其中利用施加一電壓於該加熱器上以產生電熱力。
14. 如申請專利範圍第1項所述之多重驅動之微機電高頻切換器，其中該加熱器係為多晶矽(poly-Si)。
15. 如申請專利範圍第1項所述之多重驅動之微機電高頻切換器，其中該基板係為上方具有氧化層之高電阻值材料。
16. 如申請專利範圍第1項所述之多重驅動之微機電高頻切換器，其中該基板係為上方具有氧化層之矽基板。
17. 如申請專利範圍第1項所述之多重驅動之微機電高頻切換器，其中該介電層，設於該共平面波導線上。
18. 如申請專利範圍第3項所述之多重驅動之微機電高頻切換器，其中該介電層，設於該第二形變部下方。
19. 如申請專利範圍第1項所述之多重驅動之微機電高頻切換器，其中該介電層設於該下層金屬層上。
20. 一種多重驅動之微機電高頻切換器，包括：一基板；一可動薄膜，包括一兩端固定且中央凹陷之橫樑，其 中具有連接單元之至少二金屬層組成一立體堆疊結構；以及一共平面波導線，位於一下層金屬層且包括一訊號線以及一驅動電極，其中該訊號線之初始狀態為斷路，其中且該驅動電極上覆蓋一絕緣層薄膜，該絕緣薄膜係用電極沈積的方式將一帶電之高分子材料於該共平面波導線之該驅動電極上形成；其中，當產熱能傳導至該可動薄膜，或該可動薄膜與該共平面波導線之間產生一靜電力，或二者同時產生時，該可動薄膜往該共平面波導線方向形變。