專利名稱：抗環(huán)境振動影響的旋轉(zhuǎn)式微機(jī)械可變電容的結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種抗環(huán)境振動影響的旋轉(zhuǎn)式懸浮可變電容的結(jié)構(gòu)，所 述的這種結(jié)構(gòu)能有效抑止環(huán)境加速度對器件性能的影響。屬于射頻元件和電 路技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著射頻技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，對于高性能可變電容的要求，使得這方面的研究越來越多。硅微機(jī)械加工技術(shù)具有一些標(biāo)準(zhǔn)CMOS制造技術(shù)所 沒有的特點(diǎn)，它擴(kuò)展了器件設(shè)計(jì)的能力，從傳統(tǒng)的兩維器件擴(kuò)展到三維器件。 隨著無線通訊領(lǐng)域，對信號靈敏度以及器件的功耗的要求越來越高，特別需 要一些高性能的射頻器件，如手機(jī)、衛(wèi)星通訊、射頻識別以及各種無線網(wǎng)絡(luò)。 可變電容是通訊電路中應(yīng)用較為廣泛的一種無源器件，或稱為變抗器。 它用在低噪聲放大器、諧波發(fā)生器以及頻率控制中。傳統(tǒng)的可變電容利用pn 結(jié)或者schottky-barrier (肖特勢壘)結(jié)構(gòu)制造在硅或者砷化鎵(GaAs)襯底上， 隨著MEMS的優(yōu)勢逐漸明顯，越來越多的研究者從事微機(jī)械可變電容的研 究，使這些微機(jī)械可變電容通過調(diào)節(jié)器件物理尺寸來改變它們的電容值，電 容的介質(zhì)一般為空氣，能夠構(gòu)消除主要的介質(zhì)損耗。在MEMS可變電容的 發(fā)展過程中，梳齒驅(qū)動變面積可變電容比較常見，這種電容結(jié)構(gòu)一般采用梳 齒電極作為靜電執(zhí)行器驅(qū)動和電容檢測極板，通過改變梳齒電極交疊面積改 變電容值大小。這種結(jié)構(gòu)在低電壓下具有較高的可變比。Larson等人在1991 年第一次報(bào)道利用表面微機(jī)械加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)的變面積可變電容[L. E. Larson, R.H. Hackett， M. A. Melendes and R.F. Lohr, "Micromachined microwaveactuator (MIMAC) technology-a new tuning approach for microwave integrated circuits" Mfcra，ve a"c/ M肌附efer畫恥ve M "o礎(chǔ)/c czVcwto S戸/ , 1991: 27-30.]，該器件為梳齒驅(qū)動，由于梳齒間的邊緣電容非常小，所以施加的電 壓需提高到80—200V。電容從35fF變化到lOOfF，梳齒交疊間距從150微 米變化到375微米。梳齒驅(qū)動檢測的變面積可變電容能夠不受任何理論上可 變比的限制，線性度較好，射頻功率承受能力不受電容變化的影響。J.J.Yao 等人在1998年報(bào)道了一種懸浮式梳齒驅(qū)動檢測的變面積可變電容[J. J. Yao, S. Park and J. DeNatale， "High tuning-ratio MEMS-based tunable capacitors for RF communications applications" So/zW 5"/tofe 5fe"sor awd v4c/wa/or ^b/^s/zo/ , 1998:124-127.]，它利用深刻蝕單晶硅在SOI硅片上制作完成，最后為了降 低串聯(lián)電阻提高可變電容的Q值，又在梳齒表面覆蓋一薄層金屬來減小串聯(lián) 電阻。不像間隙可變電容，這種結(jié)構(gòu)的電容可變比沒有理論上的限制，報(bào)道 的器件可變比為3.18: 1，也就是電容值變化了 218%,最高的可以達(dá)到8.4:1。 但目前所能見到的微機(jī)械梳齒可變電容結(jié)構(gòu)都沿水平或垂直方向直線運(yùn)動。 他們面臨這樣一個矛盾，低驅(qū)動電壓下要想獲得大的可變比就需要低的支撐 梁彈性系數(shù)，但低的彈性系數(shù)又容易受到環(huán)境沖擊或加速度的影響，外界環(huán) 境加速度一般都沿水平或垂直方向，這與可變電容的運(yùn)動方向一致，將會導(dǎo) 致可變電容值發(fā)生改變，從而引起電路或設(shè)備的誤操作。能否給出一種結(jié)構(gòu) 既保持了低驅(qū)動電壓下和高的可變比又能抵抗環(huán)境加速度的影響已成為本 領(lǐng)域技術(shù)人員渴望解決的技術(shù)難點(diǎn)，從而也引導(dǎo)出本發(fā)明的目的。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種抗環(huán)境振動影響的旋轉(zhuǎn)式懸浮微機(jī)械可變 電容。所述的旋轉(zhuǎn)式懸浮微機(jī)械可變電容結(jié)構(gòu)能夠抵抗外界環(huán)境加速度以及 振動對器件性能的影響。所述的懸浮的可變電容的可動電極沿中心軸旋轉(zhuǎn)方 向運(yùn)動，可動電極結(jié)構(gòu)通過兩部分梁連接支撐，即一部分連接到外框的固定 端，另一部分連接到中心處固定端。
由本發(fā)明所提供的旋轉(zhuǎn)式懸浮可變電容的結(jié)構(gòu)如圖1所示。懸浮的可變電容的可動電極沿中心軸旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動，1為驅(qū)動部分，2為敏感電容部 分。整個可動電極通過支撐梁連接到外框與中心處的固定端，在可變電容底 部的硅被移除后，可變電容結(jié)構(gòu)懸浮在硅片表面。綜上所述，本發(fā)明提供的一種新型旋轉(zhuǎn)式懸浮可變電容，能夠有效抑止 環(huán)境加速度的影響。本發(fā)明提供的旋轉(zhuǎn)式懸浮可變電容結(jié)構(gòu)是1、 懸浮的可變電容的結(jié)構(gòu)整體布局為圓形或橢圓形；2、 可變電容的可動電極沿中心軸旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動；3、 可動電極通過兩部分梁支撐， 一部分連接到外框上， 一部分連接到 中心處固定端處。4、 驅(qū)動部分和敏感電容部分均采用梳齒或夾板結(jié)構(gòu)； 本發(fā)明提供的旋轉(zhuǎn)式懸浮可變電容的制作特征是(a) 選用N型或P型(100)硅片經(jīng)清洗后在硅片上形成氧化硅薄膜作為器件支撐層，光刻出各向異性腐蝕區(qū)域，并去除該區(qū)域內(nèi)氧化層；(b) 在硅片上濺射金屬種子層，旋轉(zhuǎn)涂膠，光刻出可變電容結(jié)構(gòu)形狀;(c) 電鍍金屬層，以形成器件結(jié)構(gòu)層，并電鍍一層防止金屬氧化的薄層，然后去除種子層；(d) 利用XeF2氣體進(jìn)行硅的各向同性腐蝕，電容周圍區(qū)域的硅全部被清除，使可變電容懸浮于硅片襯底。所述的硅片的電阻率為3—8Q，cm，厚400—500jxm，硅片切邊的角度誤 差<1%;所述的氧化硅薄膜的厚度為l一3微米； 所述旋轉(zhuǎn)涂膠，光刻膠厚度8—15微米；所述的器件結(jié)構(gòu)層的厚度為1一100微米；結(jié)構(gòu)層材料為硅、銅、鎳、 多或銀，厚度為5 — 10微米，薄層金的厚度為03—0.8微米，器件結(jié)構(gòu)層厚
度即為固定電極與可動電極的厚度；所述的懸浮的可變電容與底部硅襯底的間隙為5 — 70微米。綜上所述，本發(fā)明提供的一種新型旋轉(zhuǎn)式懸浮可變電容的結(jié)構(gòu)及制作方法具有以下七個特點(diǎn)。1、 懸浮的可變電容的可動電極的工作方向?yàn)檠刂行妮S旋轉(zhuǎn)，能夠避免 外界環(huán)境加速度的影響；2、 懸浮的可變電容的可動電極沿中心軸旋轉(zhuǎn)角度為0—10度；3、 驅(qū)動部分與敏感電容部分的功能可以互換，亦即圖1的左邊為驅(qū)動 部分，右邊為敏感電容部分；反之依然，左邊為敏感電容部分，則右邊為驅(qū) 動部分；4、 該結(jié)構(gòu)適應(yīng)于CMOS、表面微機(jī)械、體微機(jī)械、LIGA (電鍍成形) 和準(zhǔn)LIGA加工方式中的任意一種；5、 用作器件結(jié)構(gòu)層的材料可以為硅、銅、鎳、金和銀中任意一種；6、 器件的結(jié)構(gòu)層厚度，即可動電極與敏感電極的厚度為5—100微米；7、 可變電容的結(jié)構(gòu)懸浮于硅片襯底的高度為5 70微米，即XeF2氣體 腐蝕硅材料后留下的空隙高度。


圖1:本發(fā)明提供的旋轉(zhuǎn)式懸浮可變電容結(jié)構(gòu)布局圖，實(shí)心為固定電極， 空心的為可動電極。圖2:圖1所示的旋轉(zhuǎn)式懸浮可變電容按AA'剖面的視圖。 圖3:本發(fā)明所提供的旋轉(zhuǎn)式懸浮可變電容制作方法和制作出的器件。 (1)表示AA'剖面所示的工藝流程(a) 表示定義出XeF2氣體干法腐蝕的區(qū)域(b) 表示旋涂光刻膠及光刻顯影后結(jié)構(gòu)(c) 表示電鍍與去除種子層(d) 表示XeF2氣體各向同性腐蝕懸空可變電容器件 (2)制作出的旋轉(zhuǎn)式懸浮可變電容SEM照片 圖4:旋轉(zhuǎn)式懸浮可變電容的測試結(jié)果。(1) 變化電容值與電壓的關(guān)系(2) 可變的電容的Q值與頻率曲線圖5:利用ANSYS軟件分析旋轉(zhuǎn)式懸浮可變電容在10g環(huán)境加速度下 X方向的形變。 圖中1、驅(qū)動部分，2、敏感電容部分，3、薄層金，4、鎳金屬，5、鈦鎢銅 種子層，6、氧化硅層和氮化硅層，7、硅襯底，8、 XeF2氣體腐蝕移除部分， 9、固定電極，10、可動電極具體實(shí)施方式
實(shí)施例 一種抗環(huán)境振動影響的旋轉(zhuǎn)式微機(jī)械可變電容 圖1和2為本發(fā)明提供一種抗環(huán)境振動影響的旋轉(zhuǎn)式可變電容示意圖， 一種可能的制作實(shí)施方式以和實(shí)際制作的器件如圖3所示，其中(1)表示 AA'視角制作過程。本器件的實(shí)施不僅限于此工藝流程。結(jié)合

如下1、 所選用的材料4英寸N型或P型(100)硅片，電阻率3 8Q'cm， 硅片厚450士l(Him，硅片切邊的角度誤差<1%;經(jīng)常規(guī)清洗后采用離子體增 強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)的方法在硅片表面形成氧化硅薄膜，作為整個器 件結(jié)構(gòu)釋放后的支撐層，厚度為(1 3微米)；光刻出各向異性腐蝕的區(qū)域， 去除該區(qū)域內(nèi)的氧化層，如圖3 (1) .a所示；2、 在硅片上濺射金屬種子層(鈦鎢/銅)，旋轉(zhuǎn)涂膠，光刻膠厚度為9 IO微米，光刻出可變電容結(jié)構(gòu)形狀，如圖3 (1) .b所示；3、 電鍍金屬鎳和一層防止鎳被氧化的薄層金作為可變電容的結(jié)構(gòu)，金 屬鎳的厚度為7 9微米，薄層金厚度為0.5微米，然后去除種子層，如圖3(1) .c所示；4、 利用XeF2氣體進(jìn)行硅的各向同性腐蝕，電容周圍區(qū)域的硅全部被移 除，懸浮于硅片襯底的高度為30 50微米，整個電容結(jié)構(gòu)由步驟1中形成 的氧化硅薄膜在兩邊支撐，如圖3 (1) .d所示。所制作抗環(huán)境振動影響的旋轉(zhuǎn)式微機(jī)械可變電容結(jié)構(gòu)如圖3 (2)所示。 本發(fā)明制作出的可變電容在12V的電壓下變化比為2: 1， 2GHz下的Q值 為35.2，自諧振頻率為9.5GHz (如圖4 (1)和(2)所示)。在10g環(huán)境 加速度下最大形變僅為0.12微米，如圖5所示，本發(fā)明實(shí)施例1提供的旋轉(zhuǎn) 式微機(jī)械可變電容，比相同條件下的傳統(tǒng)微機(jī)械梳齒可變電容形變值低兩個 量級。
權(quán)利要求
1、一種旋轉(zhuǎn)式懸浮微機(jī)械可變電容，其特征在于懸浮的可變電容的可動電極沿中心軸旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動；懸浮的可動電極結(jié)構(gòu)通過兩部分梁支撐，一部分連接到固定的器件外框，另一部分連接到固定的器件中心處；驅(qū)動部分和敏感電容部分均采用梳齒結(jié)構(gòu)或夾板結(jié)構(gòu)。
2、 按權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)式懸浮微機(jī)械可變電容，其特征在于所述 的可變電容的結(jié)構(gòu)的整體布局為圓形或橢圓形。
3、 按權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)式懸浮微機(jī)械可變電容，其特征在于器件工作時(shí)，懸浮的可變電容的可動電極沿中心軸旋轉(zhuǎn)的角度為o—io度。
4、 按權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)式懸浮微機(jī)械可變電容，其特征在于驅(qū)動 部分與敏感電容部分的功能可以互換。
5、 按權(quán)利要求1或2所述的旋轉(zhuǎn)式懸浮可變電容的結(jié)構(gòu)，其特征在于 懸浮的可變電容的可動電極與底部硅襯底的間隙為5 70微米。
6、 制作如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)式懸浮微機(jī)械可變電容的方法，其特 征在于(a) 選用N型或P型(100)硅片經(jīng)清洗后在硅片上形成氧化硅薄膜作 為器件支撐層，光刻出各向異性腐蝕區(qū)域，并去除該區(qū)域內(nèi)氧化層；(b) 在硅片上濺射金屬種子層，旋轉(zhuǎn)涂膠，光刻出可變電容結(jié)構(gòu)形狀;(c) 電鍍金屬層，以形成器件結(jié)構(gòu)層，并電鍍一層防止金屬氧化的薄層，然后去除種子層；(d) 利用XeF2氣體進(jìn)行硅的各向同性腐蝕，電容周圍區(qū)域的硅全部被清除，使可變電容懸浮于硅片襯底。
7、 按權(quán)利要求6所述的旋轉(zhuǎn)式懸浮可變電容的制作方法，其特征在于 用作器件結(jié)構(gòu)層的材料為硅、銅、鎳、金或銀，厚度為5 — 10微米；薄層金 的厚度為0.3—0.8微米。
8、 按權(quán)利要求6所述的旋轉(zhuǎn)式懸浮可變電容的制作方法，其特征在于 器件的結(jié)構(gòu)層厚度為5 — 100微米。
9、 按權(quán)利要求6所述的旋轉(zhuǎn)式懸浮可變電容的制作方法，其特征在于:(1) 旋轉(zhuǎn)涂膠的光刻膠厚度為8 — 15微米；(2) 所述氧化硅薄膜厚度為l一3微米。
10、 按權(quán)利要求6所述的旋轉(zhuǎn)式懸浮可變電容的制作方法，其特征在于 該結(jié)構(gòu)適應(yīng)于CMOS、表面微機(jī)械、體微機(jī)械、電鍍成形或準(zhǔn)LIGA加工方 式。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)式懸浮微機(jī)械可變電容及制作方法，其特征在于旋轉(zhuǎn)式可變電容結(jié)構(gòu)能夠抵抗環(huán)境沖擊或加速度的影響，可變電容的驅(qū)動電極沿著中心軸旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)角度為0-10度，可變電容的可動電極通過周圍的連接梁支撐，在器件的周圍和中心處有連接支撐梁的固定端，下圖中實(shí)心為固定電極，空心為可動電極，驅(qū)動部分和敏感電容部分均采用梳齒或夾板結(jié)構(gòu)，本發(fā)明給出的旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)適合于各種CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)、微機(jī)械類型加工。且制作的微機(jī)械可變電容抗環(huán)境振動和環(huán)境加速度的影響。
文檔編號H01G5/00GK101154505SQ20071004545
公開日2008年4月2日 申請日期2007年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月31日
發(fā)明者李昕欣, 磊 顧 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所