專(zhuān)利名稱(chēng)：基于微機(jī)械電容式串聯(lián)開(kāi)關(guān)的可變叉指電容網(wǎng)絡(luò)及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出了一種基于微機(jī)械電容式串聯(lián)開(kāi)關(guān)的可變叉指電容網(wǎng)絡(luò)及其制 備方法，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
可變電容在射頻和微波電路中具有廣泛的應(yīng)用，它可以構(gòu)成濾波和相移網(wǎng)絡(luò)以及混頻器、放大器和壓控振蕩器等RF電路。和傳統(tǒng)的半導(dǎo)體變?nèi)荻O管相 比，微電子機(jī)械(MEMS)可變電容在插入損耗、直流功耗、溫度特性以及噪聲 等方面都具有優(yōu)異的性能。此外，MEMS可變電容的表面微加工工藝和常規(guī)的IC 平面工藝相兼容,易于實(shí)現(xiàn)片上集成。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，目前MEMS可變電容的實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于文獻(xiàn) Darrin J" Young，Bernhard E Boser, A Micromachine based RF Low—Noise Voltage-Controlled Oscillator, IEEE 1997 Accustom Intergrated Circuits Conference, 1997, 431 - 434 (基于微加工的射頻低噪聲壓控可變電容)中采用 的利用靜電力改變電容上下極板間距從而改變電容量的方法。這種電容的可調(diào) 范圍不大，而且很難精確的控制的電容的變化，增加了應(yīng)用的難度。發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是提供一種基于微機(jī)械電容式串聯(lián)開(kāi)關(guān)的可變叉 指電容網(wǎng)絡(luò)及其制備方法，通過(guò)簡(jiǎn)單的控制與叉指電容連接的微機(jī)械開(kāi)關(guān)的通 斷來(lái)確定接入網(wǎng)絡(luò)的叉指電容的個(gè)數(shù)從而改變整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電容值。技術(shù)方案本發(fā)明提出的基于微機(jī)械電容式串聯(lián)開(kāi)關(guān)的可變叉指電容網(wǎng)絡(luò) 包括一系列的叉指電容(C0 Cn)和微電子機(jī)械開(kāi)關(guān)(kl kn),整個(gè)系統(tǒng)的示 意圖如圖l所示。本發(fā)明的基于微機(jī)械電容式串聯(lián)開(kāi)關(guān)的可變叉指電容網(wǎng)絡(luò)包括一系列相并
聯(lián)的電容支路組成，每一個(gè)電容支路由一個(gè)叉指電容和一個(gè)微機(jī)械電容式串聯(lián) 開(kāi)關(guān)串聯(lián)組成；通過(guò)控制與叉指電容連接的微機(jī)械電容式串聯(lián)開(kāi)關(guān)的通斷來(lái)確 定接入網(wǎng)絡(luò)的叉指電容的個(gè)數(shù),從而改變整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電容值。叉指電容以GaAs襯底為襯底，在GaAs襯底的上表面的中部設(shè)有叉指結(jié)構(gòu)， 兩邊分別設(shè)有第一段傳輸線(xiàn)、第二段傳輸線(xiàn)。微機(jī)械電容式串聯(lián)開(kāi)關(guān)以GaAs襯底為襯底，在GaAs襯底的上表面的中部 設(shè)有下拉電極，兩端設(shè)有第三段傳輸線(xiàn)和第四段傳輸線(xiàn)，在第四傳輸線(xiàn)的內(nèi)側(cè) 上部設(shè)有第二 SiN介質(zhì)層在下拉電極上設(shè)有第一 SiN介質(zhì)層，在第三段傳輸線(xiàn) 上有錨區(qū)，錨區(qū)與開(kāi)關(guān)梁的一端相連，開(kāi)關(guān)梁懸空在第一SiN介質(zhì)層和第二SiN 介質(zhì)層的上方。基于微機(jī)械電容式串聯(lián)開(kāi)關(guān)的可變叉指電容網(wǎng)絡(luò)的制備方法具體包括以下 步驟第一步.準(zhǔn)備襯底選用未摻雜的半絕緣砷化鎵作為GaAs襯底(1);第二步.在GaAs襯底(1)上光刻傳輸線(xiàn)及下拉電極涂光刻膠(9)并光 刻刻蝕出第一段傳輸線(xiàn)(2-1)、第二段傳輸線(xiàn)(2-2)、第三段傳輸線(xiàn)(4-1)、 第四段傳輸線(xiàn)(4-2)，及下拉電極(7)的形狀；第三步.在襯底(1)和光刻膠(9)上濺射AuGeNi/Au層(11):濺射 800/300/2200A厚的AuGeNi/Au層；第四步.光刻AuGeNi/Au層光刻AuGeNi/Au層(11)，剝離不需要的光刻 膠(9),形成第一段傳輸線(xiàn)(2-1)、第二段傳輸線(xiàn)(2-2)、第三段傳輸線(xiàn)(4-1)、 第四段傳輸線(xiàn)(4-2)和下拉電極(7);第五步.在下拉電極(7)和第四段傳輸線(xiàn)(4-2)上光刻、淀積第一 SiN 介質(zhì)層(8-1)和第二SiN介質(zhì)層(8-2):用PECVD工藝生長(zhǎng)1000A的SiN介質(zhì) 層；第六步.在部分第一段傳輸線(xiàn)(2-1)、和SiN介質(zhì)層(8)上淀積聚酰亞胺 犧牲層(12):淀積1.6微米厚的聚酰亞胺犧牲層；第七步.在整個(gè)加工平面上濺射Ti/Au/Ti層(10):在聚酰亞胺層(12) 上濺射用于電鍍的底金Ti/Au/Ti-500/1500/300A，形成用于電鍍開(kāi)關(guān)梁(6)， 在其他區(qū)域?yàn)R射形成叉指結(jié)構(gòu)(3)的底金種子層；第八步.光刻Ti/Au/Ti層(10):光刻鈦/金/鈦層，保留不需要電鍍的地
方的光刻膠(9);第九步.在Ti/Au/Ti層(10)上電鍍金層(13):在55°氰基溶液中電鍍 金，電鍍金層的厚度為2微米，有Ti/Au/Ti層(10)覆蓋的區(qū)域才能電鍍形成 Au層(13);第十步.釋放聚酰亞胺犧牲層(12)并腐蝕底金種子層丙酮去除殘留的光刻膠，然后用顯影液融解開(kāi)關(guān)梁下的聚酰亞胺犧牲層，并用無(wú)水乙醇脫水，形成懸空的開(kāi)關(guān)梁(6)結(jié)構(gòu)。叉指電容和微機(jī)械電容式串聯(lián)開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖2、圖3所示。通 過(guò)控制與叉指電容連接的微機(jī)械開(kāi)關(guān)的通斷來(lái)確定接入網(wǎng)絡(luò)的叉 指電容的個(gè)數(shù)從而可以改變整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電容值，實(shí)現(xiàn)該基于微機(jī)械電容式串聯(lián) 開(kāi)關(guān)的可變叉指電容網(wǎng)絡(luò)的工藝與傳統(tǒng)麗IC工藝兼容。如圖2所示的叉指電容以砷化鎵為襯底，傳輸線(xiàn)和叉指結(jié)構(gòu)均采用金制作。 它具有平面結(jié)構(gòu)的特征，制備工藝簡(jiǎn)單，容易與微波電路集成。與平行板結(jié)構(gòu) 的MIM電容相比，叉指電容占用面積較大，可實(shí)現(xiàn)的電容值較小，比較適合制備 pF以下的電容。如圖3所示的微機(jī)械電容式串聯(lián)開(kāi)關(guān)以砷化鎵為襯底，與開(kāi)關(guān)連接的兩段傳 輸線(xiàn)、錨區(qū)、開(kāi)關(guān)梁和驅(qū)動(dòng)電極采用金制作，此外還包含覆蓋在驅(qū)動(dòng)電極和部 分傳輸線(xiàn)上的氮化硅介質(zhì)層。如果沒(méi)有施加驅(qū)動(dòng)電壓(注驅(qū)動(dòng)電壓由連接至 開(kāi)關(guān)梁和驅(qū)動(dòng)電極的金屬線(xiàn)或電阻偏置線(xiàn)施加，圖3中沒(méi)有畫(huà)出)，開(kāi)關(guān)梁懸浮 于傳輸線(xiàn)上，微波信號(hào)不能通過(guò)，此時(shí)微機(jī)械開(kāi)關(guān)"關(guān)斷"，如圖3 (b)。當(dāng)施 加驅(qū)動(dòng)電壓后，驅(qū)動(dòng)電極和開(kāi)關(guān)梁之間由于電壓差產(chǎn)生靜電力吸引，使開(kāi)關(guān)梁 下拉，直至開(kāi)關(guān)梁的末端與氮化硅介質(zhì)層接觸，如圖3 (c)。此時(shí)，開(kāi)關(guān)梁末端、 傳輸線(xiàn)和氮化硅介質(zhì)層構(gòu)成一個(gè)MIM電容，該電容值比較大， 一般為幾到幾十個(gè) pF，微波信號(hào)可以通過(guò)此M頂電容傳播，微機(jī)械開(kāi)關(guān)"導(dǎo)通"。此時(shí)相當(dāng)于在兩 段傳輸線(xiàn)間串聯(lián)了一個(gè)MIM電容，故稱(chēng)為微機(jī)械電容式串聯(lián)開(kāi)關(guān)。減少開(kāi)關(guān)梁與 傳輸線(xiàn)的交疊面積可以使開(kāi)關(guān)梁的末端與氮化硅介質(zhì)層更好接觸；將驅(qū)動(dòng)電極 的位置靠近錨區(qū)可以減少驅(qū)動(dòng)電壓的值；這些都能增加該微機(jī)械電容式串聯(lián)開(kāi) 關(guān)的可靠性。當(dāng)微機(jī)械開(kāi)關(guān)(kl kn)全都關(guān)斷時(shí)，可變叉指電容網(wǎng)絡(luò)等效為圖4 (a) 所示的電路，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電容值為CO;當(dāng)施加驅(qū)動(dòng)電壓使任意一個(gè)微機(jī)械開(kāi)關(guān)
(比如kl)導(dǎo)通后，此時(shí)開(kāi)關(guān)電容為Ckl，可變叉指電容網(wǎng)絡(luò)等效為圖4 (b)所 示的電路，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電容值為C0+^^"，由之前的討論知道可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)微電子機(jī)械開(kāi)關(guān)和叉指電容的尺寸使oum ci，則此時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電容值為C0 + C1;當(dāng)任意兩個(gè)微機(jī)械開(kāi)關(guān)(比如kl和k2)導(dǎo)通的等效電路如圖4 (c)， 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電容值為C0 + C1 + C2。其他的情況也類(lèi)似。通過(guò)以上的分析可以著出，本發(fā)明提出的基于微機(jī)械電容式串聯(lián)開(kāi)關(guān)的可 變叉指電容網(wǎng)絡(luò)只需要簡(jiǎn)單的控制與叉指電容連接的微機(jī)械開(kāi)關(guān)的通斷來(lái)確定 接入網(wǎng)絡(luò)的叉指電容的個(gè)數(shù)從而可以改變整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電容值。有益效果本發(fā)明只需要簡(jiǎn)單的控制與叉指電容連接的微機(jī)械電容式串聯(lián) 開(kāi)關(guān)的通斷來(lái)確定接入網(wǎng)絡(luò)的叉指電容的個(gè)數(shù)從而可以改變整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電容 值，不僅操作方便，而且效果明顯；整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電感量只與接入網(wǎng)絡(luò)中的叉指 電容有關(guān)，故可實(shí)現(xiàn)的電容變化范圍大；實(shí)現(xiàn)該基于微機(jī)械電容式串聯(lián)開(kāi)關(guān)的 可變叉指電容網(wǎng)絡(luò)的工藝與傳統(tǒng)MMIC工藝兼容，增加了本發(fā)明的實(shí)用性；另外 本發(fā)明的可變叉指電容網(wǎng)絡(luò)由于使用損耗較小的金和砷化鎵襯底，射頻和微波 條件下的損耗很小，滿(mǎn)足高性能的微波集成電路的應(yīng)用要求。


圖1是基于微機(jī)械電容式串聯(lián)開(kāi)關(guān)的可變叉指電容網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)示意圖； 圖2 (a)是叉指電容的俯視圖；圖2 (b)是叉指電容的A-A面剖視圖； 圖3 (a)是微機(jī)械電容式串聯(lián)開(kāi)關(guān)的俯視圖；圖3 (b)是微機(jī)械電容式串 聯(lián)開(kāi)關(guān)的A-A面剖視圖；圖3 (c)是該微機(jī)械開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)的A-A面剖視圖； 圖4 (a)是微機(jī)械電容式串聯(lián)開(kāi)關(guān)全都關(guān)斷時(shí)可變叉指電容網(wǎng)絡(luò)的等效電路圖；圖4(b)是微機(jī)械開(kāi)關(guān)kl導(dǎo)通時(shí)可變叉指電容網(wǎng)絡(luò)的等效電路圖；圖4(c)是微機(jī)械開(kāi)關(guān)kl、 k2導(dǎo)通時(shí)可變叉指電容網(wǎng)絡(luò)的等效電路圖； 圖5是一組微機(jī)械電容式串聯(lián)開(kāi)關(guān)和叉指電容的工藝步驟； 以上圖中有GaAs襯底l，第一段傳輸線(xiàn)2-l、第二段傳輸線(xiàn)2-2、第三段傳輸線(xiàn)4-l、第四段傳輸線(xiàn)4-2，叉指結(jié)構(gòu)3，錨區(qū)5，開(kāi)關(guān)梁6，下拉電極7，氮化硅SiN介質(zhì)層8。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明步驟的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。如圖2和圖3所示為本發(fā)明方法制備出的叉指電容的示意圖，包括砷化鎵 (GaAs)襯底1，傳輸線(xiàn)2，叉指結(jié)構(gòu)3。該叉指電容以GaAs襯底1為襯底，在 GaAs襯底1的上表面有傳輸線(xiàn)2，叉指結(jié)構(gòu)3。圖3所示為本發(fā)明方法制備出的 微機(jī)械電容式串聯(lián)開(kāi)關(guān)的示意圖，包括砷化鎵(GaAs)襯底l，傳輸線(xiàn)4，錨區(qū) 5，開(kāi)關(guān)梁6，下拉電極7孕氮化硅(SiN)介質(zhì)層8。該微機(jī)械開(kāi)關(guān)以GaAs襯 底1為襯底，在GaAs襯底1的上表面有傳輸線(xiàn)4和下拉電極7，在傳輸線(xiàn)4-2 的一部分和下拉電極7上有一層SiN介質(zhì)層8，在傳輸線(xiàn)4-l上有錨區(qū)5，錨區(qū) 5與開(kāi)關(guān)梁6的一端相連，使開(kāi)關(guān)梁6懸空在SiN介質(zhì)層8的上方。如圖5所示，本發(fā)明具體的應(yīng)現(xiàn)工藝包括以下步驟(圖5包括一組微機(jī)械 電容式串聯(lián)開(kāi)關(guān)和叉指電容的工藝步驟)第一步.準(zhǔn)備襯底選用未摻雜的半絕緣砷化鎵(GaAs， 400微米厚)作為 襯底1;第二步.光刻傳輸線(xiàn)及下拉電極涂光刻膠9并光刻刻蝕出傳輸線(xiàn)2、 4、及下拉電極7的形狀；第三步.濺射AuGeNi/Au層11:濺射800/300/2200A厚的AuGeNi/Au層； 第四步.光刻AuGeNi/Au層ll:剝離不需要的光刻膠(9)，形成第一段傳輸線(xiàn)(2-1)、第二段傳輸線(xiàn)(2-2)、第三段傳輸線(xiàn)(4-1)、第四段傳輸線(xiàn)(4-2)和下拉電極(7);第五步.光刻、淀積SiN介質(zhì)層3:用PECVD工藝生長(zhǎng)1000A的SiN介質(zhì)層 并光刻；第六步.淀積聚酰亞胺犧牲層12:淀積1.6微米厚的聚酰亞胺犧牲層； 第七步.濺射Ti/Au/Ti層10:在聚酰亞胺層上濺射用于電鍍的底金Ti/Au/Ti層，厚度為500/1500/300A，形成用于電鍍開(kāi)關(guān)梁6和叉指結(jié)構(gòu)3的底金種子層；第八步.光刻Ti/Au/Ti層10:光刻鈦/金/鈦(Ti/Au/Ti)層，保留不需要 電鍍的地方的光刻膠；第九步.電鍍Au層13:在55°氰基溶液中電鍍金，電鍍金層的厚度為2 微米；第十步.釋放聚酰亞胺犧牲層12并腐蝕底金種子層10:丙酮去除殘留的光 刻膠，然后用顯影液融解開(kāi)關(guān)梁下的聚酰亞胺犧牲層，并用無(wú)水乙醇脫水，形 成懸空的開(kāi)關(guān)梁(6)結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種基于微機(jī)械電容式串聯(lián)開(kāi)關(guān)的可變叉指電容網(wǎng)絡(luò)，其特征在于該網(wǎng)絡(luò)包括一系列相并聯(lián)的電容支路組成，每一個(gè)電容支路由一個(gè)叉指電容(Cn)和一個(gè)微機(jī)械電容式串聯(lián)開(kāi)關(guān)(Kn)串聯(lián)組成；通過(guò)控制與叉指電容(Cn)連接的微機(jī)械電容式串聯(lián)開(kāi)關(guān)(Kn)的通斷來(lái)確定接入網(wǎng)絡(luò)的叉指電容(Cn)的個(gè)數(shù)，從而改變整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電容值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微機(jī)械電容式串聯(lián)開(kāi)關(guān)的可變叉指電容網(wǎng) 絡(luò)，其特征在于叉指電容(Cn)以GaAs襯底(1)為襯底，在GaAs襯底(1) 的上表面的中部設(shè)有叉指結(jié)構(gòu)(3)，兩邊分別設(shè)有第一段傳輸線(xiàn)(2-1)、第二 段傳輸線(xiàn)(2-2)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微機(jī)械電容式串聯(lián)開(kāi)關(guān)的可變叉指電容網(wǎng) 絡(luò)，其特征在于微機(jī)械電容式串聯(lián)開(kāi)關(guān)(Kn)以GaAs襯底(1)為襯底，在GaAs 襯底(1)的上表面的中部設(shè)有下拉電極(7)，兩端設(shè)有第三段傳輸線(xiàn)(4-1) 和第四段傳輸線(xiàn)(4-2)，在第四傳輸線(xiàn)(4-2)的內(nèi)側(cè)上部設(shè)有第二SiN介質(zhì)層(8-2)在下拉電極(7)上設(shè)有第一SiN介質(zhì)層(8-1)，在第三段傳輸線(xiàn)(4-1) 上有錨區(qū)(5)，錨區(qū)(5)與開(kāi)關(guān)梁(6)的一端相連，開(kāi)關(guān)梁(6)懸空在第一 SiN介質(zhì)層(8-1)和第二SiN介質(zhì)層(8-2)的上方。
4. 一種如權(quán)利要求1所述的基于微機(jī)械電容式串聯(lián)開(kāi)關(guān)的可變叉指電容網(wǎng) 絡(luò)的制備方法，其特征在于該方法具體包括以下步驟第一步.準(zhǔn)備襯底選用未摻雜的半絕緣砷化鎵作為GaAs襯底(1);第二步.在GaAs襯底(1)上光刻傳輸線(xiàn)及下拉電極涂光刻膠(9)并光 刻刻蝕出第一段傳輸線(xiàn)(2-1)、第二段傳輸線(xiàn)(2-2)、第三段傳輸線(xiàn)(4-1)、 第四段傳輸線(xiàn)(4-2)，及下拉電極(7)的形狀；第三步.在襯底(1)和光刻膠(9)上濺射AuGeNi/Au層(11):濺射 800/300/2200A厚的AuGeNi/Au層；第四步.光刻AuGeNi/Au層光刻AuGeNi/Au層(11)，剝離不需要的光刻 膠(9)，形成第一段傳輸線(xiàn)(2-1)、第二段傳輸線(xiàn)(2-2)、第三段傳輸線(xiàn)(4-1)、 第四段傳輸線(xiàn)(4-2)和下拉電極(7);第五步.在下拉電極(7)和第四段傳輸線(xiàn)(4-2)上光刻、淀積第一SiN 介質(zhì)層(8-1)和第二 SiN介質(zhì)層(8-2):用PECVD工藝生長(zhǎng)IOOOA的SiN介質(zhì) 層；第六步.在部分第一段傳輸線(xiàn)(2-1)、和SiN介質(zhì)層(8)上淀積聚酰亞胺 犧牲層(12):淀積1.6微米厚的聚酰亞胺犧牲層；第七步.在整個(gè)加工平面上濺射Ti/Au/Ti層(10):在聚酰亞胺層(12) 上濺射用于電鍍的底金Ti/Au/Ti-500/1500/300A，形成用于電鍍開(kāi)關(guān)梁(6)， 在其他區(qū)域?yàn)R射形成叉指結(jié)構(gòu)(3)的底金種子層；第八步.光刻Ti/Au/Ti層(10):光刻鈦/金/鈦層，保留不需要電鍍的地 方的光刻膠(9);第九步.在Ti/Au/Ti層(10)上電鍍金層(13):在55°氰基溶液中電鍍 金，電鍍金層的厚度為2微米，有Ti/Au/Ti層(10)覆蓋的區(qū)域才能電鍍形成 Au層(13);第十步.釋放聚酰亞胺犧牲層(12)并腐蝕底金種子層丙酮去除殘留的光刻膠，然后用顯影液融解開(kāi)關(guān)梁下的聚酰亞胺犧牲層，并用無(wú)水乙醇脫水，形成懸空的開(kāi)關(guān)梁(6)結(jié)構(gòu)。
全文摘要
基于微機(jī)械電容式串聯(lián)開(kāi)關(guān)的可變叉指電容網(wǎng)絡(luò)包括一系列的叉指電容和微電子機(jī)械開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制與叉指電容連接的微機(jī)械開(kāi)關(guān)的通斷來(lái)確定接入網(wǎng)絡(luò)的叉指電容的個(gè)數(shù)從而可以改變整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電容值。一種基于微機(jī)械電容式串聯(lián)開(kāi)關(guān)的可變叉指電容網(wǎng)絡(luò)，其特征在于叉指電容以GaAs襯底1為襯底，在GaAs襯底1的上表面有傳輸線(xiàn)2，叉指結(jié)構(gòu)3；微機(jī)械電容式串聯(lián)開(kāi)關(guān)以GaAs襯底1為襯底，在GaAs襯底1的上表面有傳輸線(xiàn)4和下拉電極7，在傳輸線(xiàn)4-2的一部分和下拉電極7上有一層SiN介質(zhì)層8，在傳輸線(xiàn)4-1上有錨區(qū)5，錨區(qū)5與開(kāi)關(guān)梁6的一端相連，使開(kāi)關(guān)梁6懸空在SiN介質(zhì)層8的上方。
文檔編號(hào)H01G5/38GK101127513SQ20071013094
公開(kāi)日2008年2月20日 申請(qǐng)日期2007年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月24日
發(fā)明者廖小平, 銳 武 申請(qǐng)人:東南大學(xué)