本發(fā)明涉及一種射頻微機(jī)電開(kāi)關(guān)(RF MEMS switch)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于表面半導(dǎo)體工藝的射頻微機(jī)電開(kāi)關(guān)及其制備方法。
背景技術(shù)：
RF MEMS開(kāi)關(guān)在插入損耗、隔離度、頻率和線性等方面具有優(yōu)異的性能，在衛(wèi)星通信、導(dǎo)航和雷達(dá)等系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的PIN及FET微波開(kāi)關(guān)器件相比，MEMS開(kāi)關(guān)不但具有高隔離度、低損耗、低插損、高線性度等優(yōu)異的微波性能，同時(shí)具有批量制作、易于與先進(jìn)的微波、射頻電路相集成的特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)小型化，低成本，高性能的微波收發(fā)前端系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。
RF MEMS開(kāi)關(guān)按機(jī)械結(jié)構(gòu)劃分為懸臂梁式開(kāi)關(guān)、固支粱開(kāi)關(guān)；按照開(kāi)關(guān)在射頻電路中的連接方式，分為串聯(lián)式和并聯(lián)式；而按照開(kāi)關(guān)接觸方式劃分為電容耦合式開(kāi)關(guān)和歐姆接觸式開(kāi)關(guān)；按照開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)機(jī)制又可分為靜電、電磁、電熱、壓電、形狀記憶金屬開(kāi)關(guān)，目前研究和應(yīng)用最多的為靜電驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)。傳統(tǒng)的靜電驅(qū)動(dòng)的串聯(lián)式開(kāi)關(guān)通常由金屬懸臂梁、下拉電極和帶有金屬接觸點(diǎn)的信號(hào)線三部分組成。其工作原理為：當(dāng)施加驅(qū)動(dòng)電壓后，金屬懸臂梁與CPW傳輸線上的接觸點(diǎn)之間的電接觸，從而實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的導(dǎo)通；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓撤銷(xiāo)時(shí)，金屬懸臂梁由于彈性力的作用回復(fù)到初始的隔離狀態(tài)，金屬懸臂梁與接觸點(diǎn)斷開(kāi)，使射頻信號(hào)隔離。
目前常規(guī)的RF MEMS開(kāi)關(guān)制備工藝還存在一定的缺點(diǎn)。首先，文獻(xiàn)報(bào)道的RF MEMS開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟電壓普遍較高，在應(yīng)用上受到很大的限制，減少RF MEMS開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟電壓已成為目前的研究重點(diǎn)。其次，RF MEMS開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的制備一般是觸點(diǎn)與CPW傳輸線采用兩步工藝制備，會(huì)存在接觸電阻，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)的串聯(lián)電阻較大；另外，常規(guī)的電鍍種子層的去除方法多采用腐蝕，這種工藝會(huì)對(duì)傳輸線有側(cè)向腐蝕作用，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致懸臂梁錨點(diǎn)與襯底的結(jié)合松動(dòng)，甚至導(dǎo)致懸臂梁倒塌。同時(shí)，酸性的腐蝕液還會(huì)對(duì)鈍化層有一定程度的破壞，導(dǎo)致鈍化層中出現(xiàn)針孔等缺陷；這些常規(guī)工藝中存在的問(wèn)題不僅使制造工藝復(fù)雜，而且成品率低。所以，優(yōu)化RF MEMS開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)和制造工藝，提高生產(chǎn)成品率。同時(shí)從工藝及材料選擇方面入手，改善性能指標(biāo)，是RF MEMS開(kāi)關(guān)制造業(yè)面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種基于表面半導(dǎo)體工藝的射頻微機(jī)電開(kāi)關(guān)及其制備方法，在常規(guī)射頻微機(jī)電開(kāi)關(guān)基礎(chǔ)上，提出新的射頻微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)及其工藝方法，使制造過(guò)程簡(jiǎn)單易控，提高生產(chǎn)成品率，同時(shí)改善射頻微機(jī)電開(kāi)關(guān)的機(jī)械特性和電學(xué)性能指標(biāo)。
為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明提出一種基于表面半導(dǎo)體工藝的射頻微機(jī)電開(kāi)關(guān)：
該開(kāi)關(guān)包括：襯底；在所述襯底上設(shè)有隔離電阻，所述隔離電阻兩端與電極接觸孔和驅(qū)動(dòng)電極相連；在所述隔離電阻、電極接觸孔和驅(qū)動(dòng)電極上設(shè)有鈍化層；在所述鈍化層上設(shè)有共面波導(dǎo)傳輸線、共面波導(dǎo)地線；所述共面波導(dǎo)地線上設(shè)有錨點(diǎn)；所述錨點(diǎn)與懸臂梁結(jié)構(gòu)相接；所述懸臂梁結(jié)構(gòu)上設(shè)有接觸點(diǎn)、通孔；所述懸臂梁結(jié)構(gòu)為弓形結(jié)構(gòu)，所述懸臂梁結(jié)構(gòu)上的弓形下凹結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)電極相對(duì)應(yīng)。
進(jìn)一步，所述襯底為正切損耗更低的藍(lán)寶石Al2O3。
有益效果：采用藍(lán)寶石Al2O3作為射頻微機(jī)電開(kāi)關(guān)的襯底，與傳統(tǒng)Si襯底相比，具有更低的電導(dǎo)率及損耗正切，可以很大程度上降低RF MEMS開(kāi)關(guān)的插入損耗。
進(jìn)一步，隔離電阻采用反應(yīng)濺射的TaN材料，其兩端分別連接電極接觸孔和驅(qū)動(dòng)電極。
進(jìn)一步，鈍化層為氮化硅薄膜。
進(jìn)一步，懸臂梁結(jié)構(gòu)采用Au材料，并且懸臂梁結(jié)構(gòu)上具有圓形通孔。
進(jìn)一步，懸臂梁結(jié)構(gòu)采用一種弓形結(jié)構(gòu)，在與驅(qū)動(dòng)電極所對(duì)應(yīng)的位置具有弓形下凹結(jié)構(gòu)。
進(jìn)一步，懸臂梁結(jié)構(gòu)上設(shè)有接觸點(diǎn)，所述接觸點(diǎn)對(duì)應(yīng)共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)輸出端。
本發(fā)明提出一種基于表面半導(dǎo)體工藝的射頻微機(jī)電開(kāi)關(guān)的制備方法，該方法的具體步驟為：
步驟1，清洗襯底；
步驟2，在所述襯底上形成電極接觸孔、驅(qū)動(dòng)電極、隔離電阻和鈍化層；
步驟3，在所述鈍化層上形成共面波導(dǎo)傳輸線、共面波導(dǎo)地線、錨點(diǎn)、懸臂梁結(jié)構(gòu)；
步驟4，在所述懸臂梁結(jié)構(gòu)上形成接觸點(diǎn)、弓形下凹結(jié)構(gòu)、通孔。
進(jìn)一步，所述隔離電阻采用反應(yīng)濺射的TaN材料，其兩端分別連接電極接觸孔和驅(qū)動(dòng)電極。
有益效果：利用反應(yīng)濺射的高阻材料TaN作為內(nèi)置隔離電阻，對(duì)射頻信號(hào)與驅(qū)動(dòng)電極旁路進(jìn)行隔離，避免射頻信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電極耦合到地。
進(jìn)一步，采用光刻形成共面波導(dǎo)傳輸線圖形，接著濺射N(xiāo)iCr或Au金屬種子層，再次采用厚光刻膠作為電鍍掩膜，電鍍加厚Au層，用丙酮超聲去除電鍍掩膜，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)種子層的剝離，實(shí)現(xiàn)共面波導(dǎo)傳輸線的圖形化，最后制得共面波導(dǎo)傳輸線。
有益效果：電鍍種子層的圖形化采用剝離工藝，與傳統(tǒng)的腐蝕方法相比，避免了側(cè)向腐蝕和酸性的金屬腐蝕液對(duì)鈍化層的影響。
進(jìn)一步，所述步驟3中錨點(diǎn)制備方法：在共面波導(dǎo)地線上表面旋涂第一犧牲層，對(duì)第一犧牲層進(jìn)行120℃預(yù)固化處理，并光刻圖形化，通過(guò)顯影在第一犧牲層中形成懸臂梁的錨點(diǎn)圖形，再進(jìn)行250℃固化處理，最后制得錨點(diǎn)。
進(jìn)一步，所述步驟3上接觸點(diǎn)和弓形下凹結(jié)構(gòu)的制備方法為：旋涂第二犧牲層，對(duì)第二犧牲層進(jìn)行120℃預(yù)固化處理，并光刻圖形化，通過(guò)顯影在第二犧牲層中形成懸臂梁結(jié)構(gòu)上的弓形下凹結(jié)構(gòu)和接觸點(diǎn)的三維圖形，再進(jìn)行250℃固化，最后制得接觸點(diǎn)和弓形下凹結(jié)構(gòu)。
有益效果：開(kāi)關(guān)的接觸點(diǎn)和弓形下凹結(jié)構(gòu)的制備，利用犧牲層固化前后在顯影液中溶解度的變化，采用兩層犧牲層工藝，形成錨點(diǎn)圖形、接觸點(diǎn)圖形、弓形下凹結(jié)構(gòu)圖形等。本發(fā)明所制備上接觸點(diǎn)與懸臂梁結(jié)構(gòu)一體制造，不存在接觸電阻，可以明顯降低射頻微機(jī)電開(kāi)關(guān)的串聯(lián)電阻；懸臂梁結(jié)構(gòu)上的弓形下凹結(jié)構(gòu)，與驅(qū)動(dòng)電極的位置相對(duì)應(yīng)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在保持接觸點(diǎn)與傳輸線的距離不變的同時(shí)使驅(qū)動(dòng)電極與懸臂梁結(jié)構(gòu)距離更近，減小了驅(qū)動(dòng)電極與懸臂梁結(jié)構(gòu)之間的距離，這樣可以使開(kāi)關(guān)在隔離度不發(fā)生變化的前提下，降低射頻微機(jī)電開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟電壓。
附圖說(shuō)明
圖1是本發(fā)明的射頻微機(jī)電開(kāi)關(guān)剖面圖。
1、襯底；2、電極接觸孔；3、驅(qū)動(dòng)電極；4、隔離電阻；5、鈍化層；6、共面波導(dǎo)傳輸線；7、共面波導(dǎo)地線；8、錨點(diǎn)；9、懸臂梁結(jié)構(gòu)；10、通孔；11、接觸點(diǎn)；12、弓形下凹結(jié)構(gòu)
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。
如圖1所示本發(fā)明提供一種基于表面半導(dǎo)體工藝的射頻微機(jī)電開(kāi)關(guān)及其制備方法，包括：提供襯底1；沉積于襯底1上的電極接觸孔2、驅(qū)動(dòng)電極3、隔離電阻4、鈍化層5等；在所述鈍化層5上制備的共面波導(dǎo)傳輸線6、共面波導(dǎo)地線7、錨點(diǎn)8、懸臂梁結(jié)構(gòu)9等；以及在所述懸臂梁結(jié)構(gòu)9上的通孔10、接觸點(diǎn)11、弓形下凹結(jié)構(gòu)12等。
本發(fā)明技術(shù)方案采用藍(lán)寶石Al2O3作為射頻微機(jī)電開(kāi)關(guān)的襯底，與傳統(tǒng)Si襯底相比，具有更低的電導(dǎo)率及損耗正切，可以很大程度上降低射頻微機(jī)電開(kāi)關(guān)的插入損耗；開(kāi)關(guān)的接觸點(diǎn)11和弓形下凹結(jié)構(gòu)12的制備，利用犧牲層固化前后在顯影液中溶解度的變化，采用兩層犧牲層工藝，形成錨點(diǎn)8圖形、接觸點(diǎn)11圖形、弓形下凹結(jié)構(gòu)12圖形等。這種弓形下凹結(jié)構(gòu)12的設(shè)計(jì)，可以使開(kāi)關(guān)在隔離度不發(fā)生的變化的前提下，降低射頻微機(jī)電開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟電壓；電鍍種子層的圖形化采用剝離工藝，與傳統(tǒng)的腐蝕方法相比，避免了側(cè)向腐蝕和酸性的金屬腐蝕液對(duì)鈍化層的影響。同時(shí)，利用反應(yīng)濺射的高阻材料作為內(nèi)置隔離電阻，對(duì)射頻信號(hào)與驅(qū)動(dòng)電極旁路進(jìn)行隔離，避免射頻信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電極耦合到地。
隔離電阻4由反應(yīng)濺射的TaN材料形成，為了實(shí)現(xiàn)TaN線條的高阻值，要求所濺射的TaN薄膜方塊電阻在1000電學(xué)方阻以上，反應(yīng)氣體由一定比例的Ar氣和一定比例的N2氣組成，實(shí)驗(yàn)的TaN薄膜的厚度為方阻為1100電學(xué)方阻。
共面波導(dǎo)傳輸線6的制作采用的技術(shù)方案為：首先，通過(guò)光刻圖形化，使共面波導(dǎo)傳輸線6圖形位置的光刻膠去除干凈，然后采用磁控濺射一層NiCr/Au合金薄膜作為電鍍的種子層，厚度分別為和再次通過(guò)AZ系列厚光刻膠，形成電鍍掩膜，電鍍完成后，去除電鍍掩膜，并采用丙酮?jiǎng)冸x的方法將種子層圖形化。
作為更進(jìn)一步優(yōu)化，懸臂梁結(jié)構(gòu)9采用Au材料，厚度為6-10um，在懸臂梁結(jié)構(gòu)9的表面設(shè)有貫穿懸臂梁的通孔10，設(shè)置通孔10是為了減少懸臂梁結(jié)構(gòu)9上下運(yùn)動(dòng)時(shí)的空氣阻尼，增加開(kāi)關(guān)速度，降低開(kāi)啟電壓；通孔10的存在使懸臂梁結(jié)構(gòu)9在釋放過(guò)程中，增加更多的氧等離子體與犧牲層的接觸面積，加速結(jié)構(gòu)釋放；并且懸臂梁通孔10的設(shè)置在一定程度上使懸臂梁結(jié)構(gòu)9釋放后，內(nèi)部的殘余應(yīng)力減少，同時(shí)降低懸臂梁結(jié)構(gòu)9的楊氏模量，從而降低射頻微機(jī)電開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟電壓。
以下是本發(fā)明射頻微機(jī)電開(kāi)關(guān)的制備工藝步驟：
S1，清洗襯底1；
S2，隔離電阻4的制備：將基片進(jìn)行光刻處理，在需要做高阻偏壓線的位置去除光刻膠，其他位置光刻膠保留，之后送入磁控濺射臺(tái)中，濺射TaN薄膜，厚度。濺射完成后，放入丙酮溶液中浸泡足夠時(shí)間，然后放入超聲容器中進(jìn)行剝離，之后酒精清洗后，吹干；
S3，驅(qū)動(dòng)電極3的制備：將制備完高阻偏壓線的基片進(jìn)行光刻處理，在需要做驅(qū)動(dòng)電極3的位置去除光刻膠，其他位置光刻膠保留，然后用電子束蒸發(fā)臺(tái)蒸發(fā)Ti/Al薄膜，厚度為剝離后形成驅(qū)動(dòng)電極3；
S4，鈍化層5的制備：由于金屬的存在，采用PECVD低溫制備鈍化層4(氮化硅)，厚度為
S5，共面波導(dǎo)傳輸線6制備：光刻形成共面波導(dǎo)傳輸線圖形，并采用磁控濺射制備N(xiāo)iCr/Au金屬結(jié)構(gòu)種子層，厚度為和同時(shí)考慮金屬厚度對(duì)性能的影響，采用AZ系列厚光刻膠作為電鍍掩膜，加厚Au層，共面波導(dǎo)傳輸線總厚度2um；
S6，種子層去除：電鍍工藝完成后，用丙酮超聲去除電鍍掩膜，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)種子層的剝離，實(shí)現(xiàn)共面波導(dǎo)傳輸線的制備；
S7，刻蝕鈍化層5:光刻形成下電極接觸孔2的圖形，利用干法刻蝕對(duì)氮化硅鈍化層進(jìn)行刻蝕，去除光刻膠，形成電極接觸孔2；
S8，錨點(diǎn)8制備：在共面波導(dǎo)地線7上表面旋涂厚度為2um的第一犧牲層，然后對(duì)第一犧牲層進(jìn)行120℃預(yù)固化處理，其中犧牲層是化學(xué)材料，本發(fā)明采用的是聚酰亞安作為犧牲層，并光刻圖形化，通過(guò)顯影在第一犧牲層中形成懸臂梁的錨點(diǎn)8圖形，250℃固化，去膠；
S9，接觸點(diǎn)11和弓形下凹結(jié)構(gòu)的制備：旋涂厚度為0.5um的第二犧牲層，然后對(duì)第二犧牲層進(jìn)行120℃預(yù)固化處理，并光刻圖形化，通過(guò)顯影在第二犧牲層中形成懸臂梁上的弓形下凹結(jié)構(gòu)12和接觸點(diǎn)11的三維圖形，250℃固化，去膠；
S10，懸臂梁結(jié)構(gòu)9制備：在固化后的犧牲層上一次通過(guò)光刻種子層圖形，濺射N(xiāo)iCr/Au種子層，光刻懸臂梁電鍍掩膜，然后電鍍加厚處理，并采用同步驟S6的。工藝實(shí)現(xiàn)懸臂梁的圖形化，本步驟可實(shí)現(xiàn)懸臂梁上通孔10的制備；
S11，結(jié)構(gòu)釋放：氧等離子體刻蝕技術(shù)去除犧牲層，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)釋放。
上述所用的剝離技術(shù)是：在襯底上首先做光刻膠的圖形，通過(guò)光刻曝光，選擇性的在特定區(qū)域去除光刻膠，然后通過(guò)鍍膜技術(shù)，在其上覆蓋一層所需要的金屬或介質(zhì)薄膜，再通過(guò)丙酮溶液，使沒(méi)有去除的光刻膠溶于丙酮溶液，隨之而脫離襯底的還有光刻膠上面的金屬或介質(zhì)薄膜，最后只剩下原先去除光刻膠的地方存在所制備的薄膜。
在本說(shuō)明書(shū)中，對(duì)上述術(shù)語(yǔ)的示意性表述不必須針對(duì)的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將本說(shuō)明書(shū)中描述的不同實(shí)施例或示例以及不同實(shí)施例或示例的特征進(jìn)行結(jié)合和組合。
盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可以理解的是，上述實(shí)施例是示例性的，不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。