利用MEMS技術制作無線通信用RF元件

利用MEMS技術制作無線通信用RF元件最近幾年利用微機電系統(tǒng)（MEMS；MicroElectroMechanicalSystem）技術，在硅晶圓基板表面制作機電結構的技術備受關注，主要原因移動電話與WLAN（WirelessLocalWirelessNetwork）等無線通信，隨著寬頻化、高頻化、全球化的技術進化，高頻用射頻元件（RadioFrequencydevices）成為不可或缺的關鍵性元件，尤其移動電話的RF單元必需使用高Q值，適合2～5GHz高頻的FBAR濾波器（FilmBulkAcousticResonatorfilter）的發(fā)展，更是受到通信業(yè)者高度注意。有監(jiān)于此本文要介紹FBAR濾波器（filter）、RF-MEMS開關（switch），以及MEMS可變電容器的制作技術。發(fā)展經(jīng)緯寬頻化后的移動電話面臨HSDPA（HighSpeedDownlinkPacketAccess）、Super3G、4G等技術挑戰(zhàn)，在此同時WLANIEEE802同樣面臨2.5GHz、5GHz、WiMAX（WorldInteroperabilityforMicrowaveAccess）系統(tǒng)高頻領域標準化等問題。

針對2.0GHz以上的高頻化需求，除了必需使用頻率范圍比SAW濾波器更高的FBRA濾波器之外，高頻電路的小型化、低成本化、模組化、一體化（monolithic）也是業(yè)者必需克服的難題，一般認為在硅晶圓基板表面制作RF-MEMS，可以獲得較佳的競爭優(yōu)勢。

在此同時移動電話與WLAN寬頻化后，電路系統(tǒng)的消費電力也隨著增加，而且更容易受到多通衰減（multipassfacing）的影響，有效對策例如使用適應型陣列天線（adaptivearrayantenna）技術等等。然而利用RF元件達成上述技術時，必需使用可變或是可切換元件，因此低損失、低歪斜MEMS元件的發(fā)展，受到無線通信業(yè)者高度期待。

有關寬頻化方面的進展，雖然多頻（multiband）已經(jīng)行之多年，不過系統(tǒng)切換用開關要求使用低損失、高絕緣、低歪斜的RF開關。

有關終端高性能方面的進展，國外通信業(yè)者正積極開發(fā)軟體選擇「軟件無線技術（SDR；SoftwareDefinedRadio）」，試圖應用在各種移動通信系統(tǒng)，在此前提下如果應用MEMS技術，可望制成可變電容器與可變電感器等無線通信元件。

FBRA濾波器的制作技術

首先介紹5GHzWLAN用、2GHzW-CDMA用FBRA共振體與濾波器的構造、壓電薄膜與電極膜的選擇槽穴（cavity）的制作方法，以及低損失寬頻化BRA濾波器的設計技巧。

所謂FBRA是指壓電體被施加交流電界時，壓電體厚度方向發(fā)生振動，利用壓電體具備的固有振動特性的共振器而言。FBRA的動作特性與、、石英bulk共振體非常類似，不過傳統(tǒng)bulk共振體高頻化時有一定極限，無法應用在等級，必需改用SAW構成的共振體與濾波器。目前SAW元件廣泛應用在行動電話，全球市場需求量更高達20億個以上，F(xiàn)BRA與SAW元件處于相互競爭的局面，不過FBRA具備以下優(yōu)點：

⑴.無微細圖案（finpattern）容易高頻化，電極的耐電力性非常高。

⑵.高Q值（表示共振器的銳利度）構成的共振體與濾波器損失非常低。

⑶.在硅晶圓半導體基板上制作FBRA，RF電路可以一體化。

如上所述施加交流電界時壓電體會自由振動，因此FBRA要求一定空間（cavity）。圖1是FBAR與SAW的結構比較，由圖可知FBAR的基本結構，分別在硅晶圓半導體基板上制作具備空間的下方電極、壓電薄膜、上方電極，整體結構非常簡潔。若與SAW的結構比較，SAW必需激振彈性表面波，此外為進行收訊基板表面設置數(shù)十根梳狀電極，至于電極的數(shù)量則取決于共振頻率與電極間距（圖1（b））。

相較之下FBAR的共振頻率是由壓電薄膜厚度決定，雖然空間可以利用傳統(tǒng)干蝕刻技術制作，不過它屬于異方性干蝕方式，為確保預期的空間，制作上會產(chǎn)生所謂的「壞死空間（deadspace）」不適合小型化元件加工，而且干蝕刻加工方式不易維持尺寸精度，必需改用可以作深孔蝕刻的Deep-RIE技術，才能夠獲得小型、高精度的共振器（圖2）。

壓電薄膜通常都使用AIN、ZnO等材料。表1是使用AIN、ZnO壓電薄膜的特性比較，由表可知ZnO具有高電氣機械結合系數(shù)的優(yōu)點，不過綜合考慮音速、頻率溫度系數(shù)、高Q等特性時，研究人員最后決定改用AIN材料。

材料AINZnO電氣機械結合系數(shù)k2（%）6.58.5頻率溫度系數(shù)（ppm/℃）-25-60音速（m/s）113006080高Q良好控制復雜表1壓電薄膜的特性比較

圖3是使用AIN與ZnO材料的壓電薄膜，5GHz時的共振特性比較，如圖所示使用AIN的壓電薄膜具有尖銳（sharp）良好的共振特性，濾波器低損失化與寬頻化時要求結晶性良好的AIN，尤其是AIN的c軸配向非常好，它對電極薄膜的選擇與表面狀態(tài)是非常重要的要素。

電極材料的要求特性分別如下:

⑴.高音響阻抗（impedance）（亦即高楊氏率、高密度）。

⑵.低阻抗。

⑶.低表面粗糙性。

因此新世代FBAR的電極使用高音響阻抗Ru材料。Ru質電極表面狀態(tài)經(jīng)過平坦化加工，在其上方堆積的AIN可以順利達成高配向化，若與傳統(tǒng)Mo電極材料比較，Ru質電極可以獲得高Q值，圖4是FBAR的壓電薄膜與電極斷面構造。

濾波器的設計經(jīng)常應用在SAW濾波器，圖5是梯型（LadderType）FBAR濾波器的內(nèi)部結構，如圖所示它是由并聯(lián)碗型共振器與串聯(lián)碗型共振器，兩者呈階梯狀連接構成，接著使兩種共振器的反共振頻率接近一致，如此就能夠獲得良好的頻通（bandpass）特性。此處為了賦予并聯(lián)與串聯(lián)共振器頻率差，因此在并聯(lián)碗型共振器上方制作負載膜，利用它的質量負載效應使頻率低于聯(lián)碗型共振器。此時只要設定連接后的共振器基本區(qū)段間段數(shù)，控制并聯(lián)碗型共振器的靜電容量比，以及晶片或是封裝內(nèi)配列的電感（inductance）（Lo，Lp），就能夠控制濾波器的損失與衰減特性，獲得低損失高頻通特性的濾波器。

研究人員應用上述技術分別開發(fā)兩種濾波器，分別是北美歐洲地區(qū)用5.15～5.35GHz寬頻FBAR濾波器，與日本地區(qū)用5.15～5.25GHz窄頻FBAR濾波器。

圖6是北美歐洲地區(qū)用5.15～5.35GHz寬頻FBAR濾波器的特性，由圖可知該濾波器的損失低于2dB以下，SAW濾波器若與傳統(tǒng)陶瓷濾波器比較，不論是損失或是頻通都具有非常優(yōu)秀的特性；有關耐電力特性，F(xiàn)BAR濾波器若與SAW比較，同樣具有非常優(yōu)秀的特性。

圖7是研究人員改變制程試作可以內(nèi)建在2.0×1.6×0.6mm小型封裝內(nèi)的2GHzFBAR濾波器的特性，根據(jù)測試結果顯示，它可以獲得非常優(yōu)秀的損失與頻通抑壓特性。

RF-MEMS開關的制作技術

行動電話內(nèi)部的GaAs半導體開關，主要功能是切換天線與頻域（band），通訊頻率越高損失越大，絕緣特性相對降低，歪斜特性則隨著增加，整體通信性能明顯劣化。根據(jù)研究報告指出機械式RF-MEMS開關，在高頻范圍可以獲得低損失、高絕緣以及線性特性。

圖8是典型接觸式MEMS開關的基本結構，如圖所示它是在設有信號線路的基板制作金屬接點形成懸臂（cantilever）結構，利用連動器（actuator）驅動進行開、閉動作，利用薄膜的積層與圖案化為主的表面加工制程制成的連動器，整體結構非常簡潔，因此成為靜電驅動型MEMS開關的主流。

此外制作微米等級的高精度間隙（gap），長膜時要求精密的應力控制技術，一般認為不易實現(xiàn)低損失要求的線路低阻抗化，因此研究人員開發(fā)不需要應力控制可以實現(xiàn)低損失的RF-MEMS開關結構（圖9）。

新型RF-MEMS開關同樣采用靜電驅動型懸臂設計，信號線路利用厚膜電鍍技術制作，它可以達成低阻抗化要求。具體步驟首先在高阻抗Si的SOI（SilicononInsulator）表面制作上層硅，接著利用蝕刻技術通過欄柵（slit），去除中間的氧化膜形成懸臂，由于厚質bulk硅的懸臂是由薄膜構成，因此幾乎無應力變形問題，而且能夠在電鍍金屬之間形成高精度狹窄間隙。

此時若對電鍍制成的GND電極，與懸臂上方的驅動電極之間施加電壓，懸臂受到靜電影響會朝上方反翹，前端接點與信號線接觸變成ON狀態(tài)，懸臂同時利用接點支撐，由于懸臂擁有的彈簧系數(shù)非常大，因此構造上驅動電極一直到最后，都不會主動與GND電極接觸。

此外驅動電極與GND電極不需要挾持絕緣層，所以不會因為絕緣層chargeup（亦即未施加電壓狀態(tài)下出現(xiàn)ON現(xiàn)象）發(fā)生誤動作，一旦切斷驅動電壓利用懸臂的彈性，接點會跳脫信號線變成OFF狀態(tài)。圖10是RF-MEMS的電子顯微鏡照片；圖11是編號SP4具備一個輸入四個輸出的RF-MEMS開關電子顯微鏡照片，SP4的驅動電壓低于10V，屬于低電壓靜電驅動型RF-MEMS開關；圖12是上述新型RF-MEMS開關的動作特性，設計目標是2GHz時的損失低于0.3dB，絕緣大于30dB。

MEMS可變電容器的制作技術

目前大部份的移動電話RF電路單元，包含模擬被動元件在內(nèi)的頻率都被固定，隨著移動電話高性能化，市場強烈要求RF模組小型化，同時必需能夠支援多頻化（multiband），一般認為同一個RF電路如果具備可以支援多頻的可變同調功能，就能夠大幅抑制電路制作成本與電路規(guī)模。接著介紹可以實現(xiàn)可變電容器被動元件的MEMS可變電容器的制作技術。

有關MEMS可變電容器的結構，例如平行平板型或是梳狀齒形電極，不易同時獲得寬廣可變?nèi)萘浚ǎ┡c高Q值，此外目前移動電話常用的利用電壓控制容量的可變電容器（Varactor），雖然可變?nèi)萘浚ǎ┓浅拸V，不過Q值卻不如預期高，因此研究人員決定利用MEMS技術，開發(fā)兩者兼具的次世代可變電容器。

圖13是次世代MEMS可變電容器的基本構造，如圖所示它是利用懸浮在空中的薄膜狀上方可動電極，與下方可動電極挾持狹窄間隙，在封密領域形成電容器（Capacitor），此時為了獲得大容量，因此在下方可動電極上方制作高誘電率絕緣性薄膜。

一般積層薄膜容易殘留薄膜應力不易獲得平坦形狀，必需有效利用電極的反翹特性設計可變結構，具體方法使電容器單元的下方可動電極朝上方彎曲（凸狀），其中一部份接近上方可動電極，一旦對上下方可動電極之間施加電壓，利兩電極之間的靜電吸引力使近接部位朝中心移動，兩電極之間的間隙變窄電容量也隨著改變，電極近接部位產(chǎn)生的靜電變大，即使低電壓也可以高精度控制電極之間的間隙，實現(xiàn)低電壓大容量可變電容器的預期目標。

圖14是試作靜電驅動型MEMS可變電容器（1.5×1.8mm）的外形；圖15是施加電壓時的電容量變化特性，根據(jù)測試結果顯示次世代MEMS可變電容器，5V的驅動電壓可以獲得寬廣容量變化，從0V到5V反覆次連續(xù)改變施加電壓，