RF-MEMS的关键技术与器件

RF MEMS的关键技术与器件 ) k! e$ exr2 4 l9 w& K# K1 引言# q4 r) H! r& G微电子机械系统（Micro Electro Mechanical System），简称MEMS，是以微电子技术为基础而兴起发展的，以硅、砷化镓、蓝宝石等为衬底材料，将常规集成电路工艺和微机械加工独有的特殊工艺相结合，全面继承了氧化、光刻、扩散、薄膜、外延等微电子技术，还发展了平面加工技术、体硅腐蚀技术、固相键合技术、LIGA技术等，应用这些技术手段制造出层与层之间有很大差别的三维微结构，包括膜片、悬臂梁、凹槽、孔隙和锥体等，即微机械结构。这些微结构与特殊用途的薄膜、高性能的电路相结合，便可以制造出相应的传感器、执行器、从而实现对压力、加速度、流量、磁场、温度、湿度、气体成分、离子和分子浓度、RF等的测量与探测，在医疗、生物技术、空间技术、无线通讯等方面有着巨大的经济与军事价值。所谓RF MEMS是用MEMS技术加工的RF产品。RF-MEMS技术可望实现和MMIC的高度集成，使制作集信息的采集、处理、传输、处理和执行于一体的系统集成芯片（SOC）成为可能。按微电子技术的理念，不仅可以进行圆片级生产、产品批量化，而且具有价格便宜、体积小、重量轻、可靠性高等优点。6 j5 e; r3 y1 s Y8 z5 ) t/ e# o3 z: IMEMS技术在无线电通讯、微波技术上的应用受到国际上的广泛重视，目前已经成为MEMS研究的重要方向。2 RF MEMS关键加工技术9 * e% g* e( r$ n6 k, x1 eRF MEMS器件主要可以分为两大类：一类称为无源MEMS，其结构无可动零件；另一类称为有源MEMS，有可动结构，在电应力作用下，可动零件会发生形变或移动。其关键加工技术分为四大类：平面加工技术、体硅腐蚀技术、固相键合技术、LIGA技术。& t a: H6 0 M* f$ S3 k+ e9 s. , d7 z. 2.1 表面加工技术/ T) J6 V4 t8 6 Z表面加工技术又叫表面牺牲层腐蚀技术，是把沉积于硅晶体的表面膜制作加工成MEMS的机械部分，然后使其局部与硅体部分分离，呈现可运动的机构。分离主要依靠牺牲层技术。主要由沉积和刻蚀两种工艺所组成。沉积的薄膜包括机构层和牺牲层两类，通常是将按一定形状和顺序淀积的多层薄膜中的一种有选择性地腐蚀掉，应用这种技术可制作各种尺寸极小的悬式机构，如微型悬臂、微型桥和微型腔体等。其淀积的工艺主要应用蒸发、溅射和电镀技术。适用的衬底材料包括：硅、砷化镓、AI2O3、石英等。该种工艺技术与常规IC工艺兼容，大量应用了标准的IC工艺的薄膜技术、图形制作技术，而且微机械元件还可以很方便地制作在已经完成的电路、且为微型元件留下空间的芯片上而形成一个整体，如驱动电路等，直接形成具有一定功能的传感器。分离主要依靠牺牲层技术。 8 i+ y0 S) % Q9 y- q表面微机械加工的主要优点就是与常规IC工艺的兼容性。另一个优点是器件占用的硅片面积比传统各向导性体硅腐蚀加工的器件的尺寸小很多。2.2 体硅腐蚀技术% h- m2 i2 2 _0 _体硅腐蚀技术是形成MEMS结构的关键技术，有化学腐蚀和离子刻蚀两大类，即常指的湿法与干法刻蚀，湿法腐蚀包括各向异性腐蚀法、选择腐蚀法和电化学腐蚀法。各向异性腐蚀法是利用腐蚀剂对硅片的不同晶向腐蚀速率不同的特性，腐蚀出一定的结构，如V形槽和悬臂粱等。选择腐蚀法也称为P停止腐蚀，指在硅中掺杂浓B，及极大地降低腐蚀液对其的腐蚀速度，达到终止腐蚀的目的。这种腐蚀方法能有效的制作特殊形状，可以精确地控制硅膜厚度。电化学腐蚀法通常是在P型硅衬底上外延一层一定厚度的N型硅，然后进行腐蚀，利用P型和N型硅的钝化电位不同，以PN结作为腐蚀终点制作硅膜，膜厚由外延工艺控制，又称为PN结自停止腐蚀法。而干法刻蚀主要采用RIE、ICP等手段，是加工硅、SiO2和多晶硅的通用办法，其显著优点是可以实现定向深刻蚀。& z l6 c U1 9 E0 a( # U/ z % N: * M2.3 LIGA技术LIGA是一个德文缩略语，德文光刻电镀铸模的缩写，意即X射线同步辐射光刻所产生的电铸铸模。最早是由前西德人研制出来的。可以进行三维微结构的制造，具有较高的深宽比，能以m级的精度进行数百微米至一毫米的深度加工，非常适合于制作复杂的微机械结构，而且可加工多种材料，如金属、陶瓷、玻璃、塑料等，突破了半导体工艺对材料和深度的限制，主要包括光刻、电铸成型和铸塑三个过程，可以制造出自由振动或转动的微结构。+ E3 o9 B. P8 x9 _% 2 L准LIGA技术是改进的LIGA技术，采用传统的深紫外线曝光、厚光刻胶作掩膜和电镀技术，加工厚度为数微米至数十微米，且与IC工艺兼容性好。在集成电路部分制作之后，准LIGA技术还能够用来制作后续的微机械系统，是一种很有发展前途MEMS制作技术，因而越来越引起人们的兴趣。 j5 R9 G2 R( N9 k; L Z2.4 固相键合技术; R) o( g* Z8 o固相键合技术的思路来源于SOI技术，机理是分子键键合，是把两个固态部件键合在一起的加工技术，以形成复杂的三维机械结构，其典型键合模式是硅/玻璃、硅/硅、金属/玻璃间的键合。晶片键合技是不使用粘接剂，而将两块固态材料键合在一起的方法。硅/玻璃键合和硅/硅键合是目前两种主要的键合形式。8 s6 n8 L4 _1 D% y% C& Y, $ _* 9 V2 V) Z( q2 3 RF MEMS基础元件/ |8 / k2 IQM# h2 ?RF MEMS工艺技术在微电子工艺技术基础上发展起来的，又超越了微电子工艺技术，具有三维加工特色，应用其工艺技术所研制的RF元器件在性能上相对常规的微波元件发生了质的飞跃。3.1 可变电容器% D0 + T2 D; 5 R| 电容器在射频电路中应用广泛，但采用常规方法制得的可变电容器体积大、Q值低、所需调节电压大，而MEMS可变电容器可以克服这些缺点。MEMS电容器有两种主要形式，即平行板式和叉指式，前者上板是悬挂状态，利用的是微机械弹簧与下板之间得保持一定距离，该距离在静电作用下发生变化。又指电容是随两片齿状平行板相互嵌入程度而变化。* M x7 a( q8 Y* + 5 a: d3.2 RF MEMS开关9 X, b; y1 M* g5 Ki6 Y射频MEMS开关主要有串联和并联两种，按结构分为悬臂梁、膜桥和扭转摆三种。接触式串联开关将微波传输线中间断开，通过悬空的微带线的运动实现传输线的通断，常用于DC/6GHz频段。并联开关使用共面波导（CPW），通过可动结构控制在信号线与地线形成的电路，使电容在数十fF（关态）和几PF（开态）之间跳变，实现微波信号的通断，常使用于高频段。表1为RF MEMS开关与PIN开关及FET开关的性能比较。% n8 N3 T5 _% b$ K g1 9 B) P u$ L9 i3.3 MEMS电感器. C, e2 T$ j1 b- N/ u, R+ T采用MEMS技术容易通过高阻衬底来降低衬底寄生电容，从而提高电感器的Q值。目前主要有两种结构，一种将电感线圈制作在绝缘层上，于衬底构成悬空结构；一种结构是将电感线圈绕组制作在NiFe膜层上，NiFe作为磁芯起耦合作用。p( U- Q$ R& w2 x# ?$ s3.4 MEMS谐振器采用微机械加工技术做的腔体谐振器具有极高的Q值，很低的损耗，很宽的工作频率范围以及灵活的结构设计和材料选择等特点。X波段谐振器腔体，其尺寸仅为16mm32mm0.465mm，Q值达到500以上，但尺寸仅为波导型谐振器的几十分之一。/ b4 * u! p. + W3.5 MEMS滤波器( G D! r8 O% i9 C( U7 PMEMS滤波器制作在与载体悬空的高阻薄膜上，与滤波器相关的介质介电常数仅为1.04，其损耗极小，仅相当于传输线的电阻损耗，带内抑制可达60dB，而插损仅为1dB，Q值可达800以上。* a d : C8 X- q3.6 MEMS传输线. M7 C t8 uP- J采用MEMS技术制作的传输线大大削弱了衬底对传输线性能的影响。按制作方法常分为四类：膜片支撑的微带线；共面的微屏蔽传输线；顶部刻蚀的共面波导和微机械波导。可以集成在微波集成电路中，并能保证TEM的传播模式。由膜片支撑的微带线采用高阻硅衬底，通过体硅工艺制作悬空的膜片，在上面制作Au微带传输线，这种传输线的传输模几乎是TEM，损耗极小，因而带宽很大，可达DC/320GHz。$ q8 Z, Z1 D7 9 T7 V3.7 MEMS移相器 f4 P3 U. O+ C. Q; |- 4 l微波移相器是相控阵雷达、卫星通信、移动通信设备中的核心组件，它的工作频带、插入损耗直接影响着这些设备的抗干扰能力和灵敏度，以及系统的重量、体积和成本。因此研究宽带、低插损的移相器在军事上和民用卫星通信领域具有重要的意义。RF MEMS移相器的研制主要采用的结构有：DMTL型、开关线型和反射型。近年来，随着RF MEMS开关的研究不断取得进展，使MEMS开关替代传统的铁氧体开关、p-i-n二极管、FET，设计制造带宽、低插损RF MEMS移相器已经成为可能。RF MEMS移相器，具有较低的插入损耗、宽带宽、小体积的特点，工作频段可以从几吉赫到上百吉赫。基于MEMS开关的移相器的研究，国外从1998年开始报道，自1998年N.S.Barker研制了第一个宽带、实时延MEMS移相器以来，目前已有多种MEMS移相器的报道，其中大多数使用RF MEMS开关周期性地分布在MEMS传输线（DMTL）上，在CPW（共平面波导）的中心导体和地之间外加模拟控制电压，使ME MS膜桥拉向中心导体，引起了相速度的增加，达到相位改变的目的，因此形成了实时延移相器。通过连续改变控制电压，相位连续可调，从而形成模拟分布式移相器。而数字DMTL移相器，每一位移相器都有不同数量的开关阵列加载在不同长度的传输线上，加驱动电压时，MEMS开关阵列膜桥同时下拉至CPW导体，从而得到某一精确的相移度数。7 P4 Q0 fu3 ?% vV3.8微型天线. b8 u; u- % f* w微机械加工方法已经被用于不同频段的平面或三维微型天线之中，以提高天线的效率或缩小天线的尺寸，其中微带天线由于简单、设计灵活、易于集成，已经得到了广泛应用，包括遥测、雷达、导航和生物医学等。对于无线通信来说，研制用于0.94GHz波段的微小型天线有着重要意义，因为这一波段的应用涉及WLANs（900MHz2.4GHz）、GPS（1.5GHz）、蓝牙（2.4GHz）等。减小天线尺寸的方法通常提高等效介电常数。然而高介电常数基底材料中表面波的显著激励，使微带天线性能明显降低。解决这一问题的方法是采用合适平面微带线结构和馈线网络、部分去除衬底介质、采用光子带隙结构等。利用微机械加工方法，重庆大学最近在介电常数的硅材料基底上获得了一种微带贴片天线，此天线的主模式为TM10、其中心频率为4.1GHz，带宽约为3，微带线尺寸为28.0mm24.0mm。g/ G% r: p. a5 D: Y7 m1 Y4 MMIC存在的问题与RF MEMS的优势+ b0 G* F5 . H) h目前，MMIC技术已在军事系统和空间系统以及无线通讯方面占据极其重要的位置。但随着现代军事电子系统的不断发展，未来数字战对微波部件的技术性能包括微波性能、重量尺寸、互操作性及抗恶劣环境能力提出了更高的要求，MMIC主要在以下几个方面存在不足。0 3 m7 a m& df3 P& C4 F5 K% n+ s+ v0 ( d$ h7 s9 e8 U4 b I4.1 功率问题5 N: W# c! a6 Z) e0 k$ y+ P w+ k/ U! N5 Z/ : a cMMIC功率发生器的单个Si、GaAs或InP晶体管通常提供不出多数有源系统所需要的连续波功率，需要功率合成，而平面电路不可避免的损耗造成合成效率较低，寄生效应的存在对系统的宽带性能会造成伤害。另外，作为微波器件和电路，由于PN结的存在使电路损耗较大，电路效率较低，因而对发射功率与系统供电提出了较高的要求。/ w% * R) s( mw/ e/ 8 G a$ x! s& p0 |+ 4.2体积重量问题作为机载或星载应用的有源相控阵雷达系统，希望微波模块体积尽可能地小，重量尽可能地轻，而微波前端由于技术原因目前仍使用较多的离散元件，无法做到系统集成。同时系统中大量采用的波导系统使系统的体积重量大大增加。系统中的晶振、SAM、VCO等无法做到单片集成，从而影响了系统的高性能与微小型化的同步发展。4.3传输线 V+ V1 w& B A/ t$ h+ tMMIC中使用的传输线处于一个非均匀的环境中，上部是空气，下部是介电常数远大于空气的半导体衬底，不能实现理想的TEM模传输，存在着高次模和衬底模。存在非TEM模使微带线的分析和设计难度增大，工作带宽受到限制，衬底模导致信号的损耗，对于毫米波MMIC，传统的微带线的损耗同时还包括寄生辐射和接地通孔的寄生损耗。& Q) U$ l# t3 h, s2 x. U+ w S4 c8 ; t3 Q5 O( B4 7 U5 4.4集总元件问题; q* H; ? cm+ E% $ : K, M3 | i: D# V: R; zMMIC还大量使用了集总元件，主要特点是面积小、成本低、带宽大。其中高功率振荡器、功率放大器以及宽带电路常选择集总参数设计。由于能提供比分布参数更大的变换比，集总参数元件还广泛用于阻抗变换器。但集总参数元件寄生效应大，不能视之为本征性能的纯元件，不仅使电路的微波性能受损，而且由于其复杂性难以建模，给MMIC设计增加了难度。4.5 RF MEMS的优势# f& S( $ e$ o7 s& W t1 b: e5 / AMEMS本质上是一种机械系统。MEMS器件中仅包含金属和介质，而不存在半导体结，因此既没有欧姆接触的扩散电阻，也不呈现势垒结的非线性伏安特性，因此RF MEMS具有超低的损耗、良好的线性特性。MEMS的膜片、悬臂等零件惰性极小，因而影响速度快，其运动受静电控制，使直流功耗降低，MEMS独特的工艺技术使系统单片集成化成为了可能，其几何尺寸、功能、重量、物理性能等方面的优越性可以实现更强的性能，弥补MMIC的不足。) O; 6 l0 + V x |* ( p& f) M* G5 RF MEMS需解决重点问题1 a s1 H* r* 3 k5.1 封装问题MEMS产品实现商品化的前提比须解决封装问题，因为MEMS产品容易受周围环境的影响，RF MEMS电路正常工作很大程度上取决于由封装所提供的内部环境与保护。而目前有关MEMS封装的研究还处于初级阶段，MEMS器件的多样性和非密封性往往需要为每种器件单独开发相应的封装技术，需要在不影响MEMS器件性能的前提下，为设计者提供一系列标准化的封装技术。% ?/ A/ W$ R- M, r5 U8 o5 _5.2可靠性问题7 a7 m& k- c3 a g+ h5 * F0 VRF MEMS有源器件，尤其开关必须表现出优良的可靠性，才能介入系统应用。由于RF MEMS特殊的结构，主要存在以下失效机理：梁结构的断裂；薄膜结构的磨损；可动结构在应力作用下的疲劳；环境导致的失效，包括高温、辐射、振动、冲击等因素，包含着对恶劣环境的适应能力。 k6 c* # 3 a1 s8 5.3 RF MEMS的设计技术RF MEMS的设计技术主要包括以下内容：# ! M; l7 O: L仿真与集总参数模块的建立；经过验证的标准化器件库的建模；器件内部的电磁场模型与数字分析等。7 z( j) R/ Q$ G5 v x$ r- a3 I! D4 Q5 目前绝大多数MEMS器件都没有精确的解析模型预测其行为，所以需要高效率的模拟和仿真工具，精确预测MEMS行为，缩短开发时间，适应市场需求。! / h8 X: J8 A6 L2 $ s9 V7 _* |2 b% lvMEMS器件的设计必须同复杂的工艺流程分离，必须开发出相应的工艺例程，提供与工艺相关的交互式设计接口，降低MEMS的设计门槛，提高器件的工艺性。7 t*