RF MEMS關鍵技術(shù)與器件

RFMEMS關鍵技術(shù)與器件1引言微電子機械系統(tǒng)(MicroElectroMechanicalSystem)，簡稱MEMS，是以微電子技術(shù)為基礎而興起發(fā)展的，以硅、砷化鎵、藍寶石等為襯底材料，將常規(guī)集成電路工藝和微機械加工獨有的特殊工藝相結(jié)合，全面繼承了氧化、光刻、擴散、薄膜、外延等微電技術(shù)，還發(fā)展了平面加『[技術(shù)、體硅腐蝕技術(shù)、固相鍵合技術(shù)、LIGA技術(shù)等，應用這些技術(shù)手段制造出層與層之間有很大差別的三維微結(jié)構(gòu)，包括膜片、懸臂粱、凹槽、孔隙和錐體等，即微機械結(jié)構(gòu)。這些微結(jié)構(gòu)與特殊用途的薄膜、高性能的電路相結(jié)合，便可以制造出相應的傳感器、執(zhí)行器，從而實現(xiàn)對壓力、加速度、流量、磁場、溫度、濕度、氣體成分、離子和分子濃度、RF等的測量與探測，在醫(yī)療、生物技術(shù)、空間技術(shù)、無線通訊等方面有著巨大的經(jīng)濟與軍事價值。所謂RFMEMS是用MEMS技術(shù)加工的RF產(chǎn)品。RF-MEMS技術(shù)可望實現(xiàn)和MMIC的高度集成，使制作集信息的采集、處理、傳輸、處理和執(zhí)行于一體的系統(tǒng)集成芯片(SOC)成為可能。按微電子技術(shù)的理念，不僅可以進行圓片級生產(chǎn)、產(chǎn)品批量化，而且具有價格便宜、體積小、重量輕、可靠性高等優(yōu)點。MEMS技術(shù)在無線電通訊、微波技術(shù)上的應用受到國際上的廣泛重視，目前已經(jīng)成為MEMS研究的重要方向。2RFMEMS關鍵加工技術(shù)RFMEMS器件主要可以分為兩大類：一類稱為無源MEMS，其結(jié)構(gòu)無可動零件；另一類稱為有源MEMS，有可動結(jié)構(gòu)，在電應力作用下，可動零件會發(fā)生形變或移動。其關鍵加工技術(shù)分為四大類：平面加工技術(shù)、體硅腐蝕技術(shù)、固相鍵合技術(shù)、LIGA技術(shù)。2.1表面加工技術(shù)表面加工技術(shù)又叫表面犧牲層腐蝕技術(shù)，是把沉積于硅晶體的表面膜制作加丁成MEMS的“機械”部分，然后使其局部與硅體部分分離，呈現(xiàn)可運動的機構(gòu)。分離主要依靠犧牲層技術(shù)。主要由淀積和刻蝕兩種工藝所組成。淀積的薄膜包括結(jié)構(gòu)層和犧牲層兩類，通常是將按一定形狀和順序淀積的多層薄膜中的一種有選擇性地腐蝕掉，應用這種技術(shù)可制作各種尺寸極小的懸式結(jié)構(gòu)，如微型懸臂、微型橋和微型腔體等。其淀積的工藝主要應用蒸發(fā)、濺射和電鍍技術(shù)。適用的襯底材料包括：硅、砷化鎵、AlO，、石英等。該種工藝技術(shù)與常規(guī)Ic工藝兼容，大量應用了標準的Ic工藝的薄膜技術(shù)、圖形制作技術(shù)，而且微機械元件還可以很方便地制作在已經(jīng)完成的電路、且為微型元件留下空間的芯片上而形成一個整體，如驅(qū)動電路等，直接形成具有一定功能的傳感器。分離主要依靠犧牲層技術(shù)。表面微機械加工的主要優(yōu)點就是與常規(guī)ICI．藝的兼容性。另一個優(yōu)點是器件占用的硅片面積比傳統(tǒng)各向異性體硅腐蝕加工的器件的尺寸小很多。2.2體硅腐蝕技術(shù)體硅腐蝕技術(shù)是形成MEMS結(jié)構(gòu)的關鍵技術(shù)，有化學腐蝕和離子刻蝕兩大類，即常指的濕法與干法刻蝕，濕法腐蝕包括各向異性腐蝕法、選擇腐蝕法和電化學腐蝕法。各向異性腐蝕法是利用腐蝕劑對硅片的不同晶向腐蝕速率不同的特性，腐蝕出一定的結(jié)構(gòu)，如V形槽和懸臂梁等。選擇腐蝕法也稱為P停止腐蝕，指在硅中摻雜濃B+，以極大地降低腐蝕液對其的腐蝕速度，達到終止腐蝕的目的。這種腐蝕方法能有效地制作特殊形狀，可以精確地控制硅膜厚度。電化學腐蝕法通常是在P型硅襯底上外延一層一定厚度的N型硅，然后進行腐蝕，利用P型和N型硅的鈍化電位不同，以P-N結(jié)作為腐蝕終點制作硅膜，膜厚南外延工藝控制，又稱為P—N結(jié)自停止腐蝕法。而干法刻蝕主要采用RIE、ICP等手段，是加工硅、SiO2和多晶硅的通用辦法，其顯著優(yōu)點是可以實現(xiàn)定向深刻蝕。2.3LIGA技術(shù)LIGA是一個德文縮略語，德文光刻-電鍍-鑄模的縮寫，意即x射線同步輻射光刻所產(chǎn)生的電鑄鑄模。最早是由前西德人研制出來的，可以進行三維微結(jié)構(gòu)的制作，具有較高的深寬比，能以m級的精度進行數(shù)百微米至一毫米的深度加工，非常適合于制作復雜的微機械結(jié)構(gòu)，而且可加工多種材料，如金屬、陶瓷、玻璃、塑料等，突破了半導體工藝對材料和深度的限制。主要包括光刻、電鑄成型和鑄塑三個過程，可以制作出自由振動或轉(zhuǎn)動的微結(jié)構(gòu)。準LIGA技術(shù)是改進的LIGA技術(shù)，采用傳統(tǒng)的深紫外線曝光、厚光刻膠作掩膜和電鑄技術(shù)，加工厚度為數(shù)微米至數(shù)十微米，且與IC工藝兼容性好。在集成電路部分制作之后，準LIGA技術(shù)還能夠用來制作后續(xù)的微機械系統(tǒng)，是一種很有發(fā)展前途的MEMS制作技術(shù)，因而越來越引起人們的興趣。2.4固相鍵合技術(shù)同相鍵合技術(shù)的思路來源于SOl技術(shù)，機理是分子鍵鍵合，是把兩個固態(tài)部件鍵合在一起的加工技術(shù)，以形成復雜的三維機械結(jié)構(gòu)，其典型鍵合模式是硅／玻璃、硅／硅、金屬／玻璃問的鍵合。晶片鍵合技是不使用粘接劑，而將兩塊固態(tài)材料鍵合在一起的方法。硅／玻璃鍵合和硅／硅鍵合是目前兩種主要的鍵合形式。3RFMEMS基礎元件RFMEMS工藝技術(shù)在微電子工藝技術(shù)基礎上發(fā)展起來的，叉超越了微電子工藝技術(shù)，具有三維加T特色，應用其工藝技術(shù)所研制的RF元器件在性能上相對常規(guī)的微波元件發(fā)生了質(zhì)的飛躍。3.1可變電容器電容器在射頻電路中應用廣泛，但采用常規(guī)方法制得的可變電容器體積大、Q值低、所需調(diào)節(jié)電壓大，而MEMS可變電容器可以克服這些缺點。MEMS電容器有兩種主要形式，即平行板式和叉指式，前者上板是懸掛狀態(tài)，利用的是微機械彈簧與下板之間得保持一定距離，該距離在靜電作用下發(fā)生變化。又指電容是隨兩片齒狀平行板相互嵌入程度而變化。3.2RFMEMS開關射頻MEMS開關主要有串聯(lián)和并聯(lián)兩種，按結(jié)構(gòu)分為懸臂梁、膜橋和扭轉(zhuǎn)擺種。接觸式串聯(lián)開關將微波傳輸線中間斷開，通過懸空的微帶線的運動實現(xiàn)傳輸線的通斷，常用于DC／6GHz頻段。并聯(lián)開關使用共面波導(CPW)，通過可動結(jié)構(gòu)控制在信號線與地線形成的電路，使電容在數(shù)十fF(關態(tài))和幾PF(開態(tài))之間跳變，實現(xiàn)微波信號的通斷，常使用于高頻段。表1為RFMEMS開關與PIN開關及FET開關的性能比較。3.3MEMS電感器采用MEMS技術(shù)容易通過高阻襯底來降低襯底寄生電容，從而提高電感器的Q值。目前主要有兩種結(jié)構(gòu)，一種將電感線圈制作在絕緣層上，與襯底構(gòu)成懸空結(jié)構(gòu)；一種結(jié)構(gòu)是將電感線圈繞組制作在NiFe膜層上，NiFe作為磁芯起耦合作用。3.4MEMS諧振器采用微機械加工技術(shù)做的腔體諧振器具有極高的O值，很低的損耗，很寬的工作頻率范圍以及靈活的結(jié)構(gòu)設計和材料選擇等特點。x波段諧振器腔體，其尺寸僅為16mm×32mm×0．465mm，Q值達到500以上，但尺寸僅為波導型諧振器的幾十分之一。3.5MEMS濾波器MEMS濾波器制作在與載體懸空的高阻薄膜上，與濾波器相關的介質(zhì)介電常數(shù)僅為1．04，其損耗極小，僅相當于傳輸線的電阻損耗，帶內(nèi)抑制可達60dB，而插損僅為1dB，Q值可達800以上。3.6MEMS傳輸線采用MEMS技術(shù)制作的傳輸線大大削弱了襯底對傳輸線性能的影響。按制作方法常分為四類：膜片支撐的微帶線；共面的微屏蔽傳輸線；頂部刻蝕的共面波導和微機械波導。可以集成在微波集成電路中，并能保證TEM的傳播模式。由膜片支撐的微帶線采用高阻硅襯底，通過體硅T藝制作懸空的膜片，在上面制作Au微帶傳輸線，這種傳輸線的傳播模幾乎是TEM，損耗極小，因而帶寬很大，可達Dc／320GHz。3.7MEMS移相器微波移相器是相控陣雷達、衛(wèi)星通信、移動通信設備中的核心組件，它的T作頻帶、插入損耗直接影響著這些設備的抗干擾能力和靈敏度，以及系統(tǒng)的重量、體積和成本。因此研究寬帶、低插損的移相器在軍事上和民用衛(wèi)星通信領域具有重要的意義。RFMEMS移相器的研制主要采用的結(jié)構(gòu)有：DMTL型、開關線型和反射型。近年來，隨著RFMEMS開關的研究不斷取得進展，使MEMS開關替代傳統(tǒng)的鐵氧體開關、p—in二極管、FET，設計制造寬帶、低插損RFMEMS移相器已經(jīng)成為可能。RFMEMS移相器，具有較低的插入損耗、寬帶寬、小體積的特點，工作頻段可從幾吉赫到上百吉赫?；贛EMS開關的移相器的研究，國外從1998年開始報導。自1998年N．S．Barker研制了第一個寬帶、實時延MEMS移相器以來，目前已有多種MEMS移相器的報道，其中大多數(shù)使用RFMEMS開關周期性地分布在MEMS傳輸線(DMTL)上，在CPW(共平面波導)的中心導體和地之間外加模擬控制電壓，使MEMS膜橋拉向中心導體，引起了相速度的增加，達到相位改變的目的，因此形成了實時延移相器。通過連續(xù)改變控制電壓，相位連續(xù)可調(diào)，從而形成模擬分布式移相器。而數(shù)字DMTL移相器，每一位移相器都有不同數(shù)量的開關陣列加載在不同長度的傳輸線上，加驅(qū)動電壓時，MEMS開關陣列膜橋同時下拉至CPW導體，從而得到某一精確的相移度數(shù)。3.8微型天線微機械加工方法已經(jīng)被用于不同頻段的平面或三維微型天線之中，以提高天線的效率或縮小天線的尺寸。其中微帶天線由于簡單、設計靈活、易于集成，已經(jīng)得到廣泛應用，包括遙測、雷達、導航和生物醫(yī)學等。對于無線通訊來說，研制出用于0．9~4GHz波段的微小型天線有著重要意義，因為這一波段的應用涉及WLANs(900MHz-2．4GHz)、GPS(1．5GHz)、藍牙(2．4GHz)等。減小天線尺寸的方法通常是提高等效介電常數(shù)。然而高介電常數(shù)基底材料中表面波的顯著激勵，使微帶天線性能明顯降低。解決這一問題的方法是采用合適的平面微帶線結(jié)構(gòu)和饋線網(wǎng)絡、部分去除襯底介質(zhì)、采用光子帶隙結(jié)構(gòu)等。利用微機械加工方法，重慶大學最近在高介電常數(shù)的硅材料基底上獲得了一種微帶貼片天線，此天線的主模式為TM10，其中心頻率為4．1GHz，帶寬約為3％，微帶線尺寸為28．0mm×24．0mm。4MMIC存在的問題與RFMEMS的優(yōu)勢目前，MMIC技術(shù)已在軍事系統(tǒng)和空間系統(tǒng)以及無線通訊方面占據(jù)極其重要的位置。但隨著現(xiàn)代軍事電子系統(tǒng)的不斷發(fā)展，未來數(shù)字戰(zhàn)對微波部件的技術(shù)性能包括微波性能、重量尺寸、互操作性及抗惡劣環(huán)境能力提出了更高的要求，MMIC主要在以下幾個方面存在不足。4.1功率問題MMIC功率發(fā)生器的單個Si、GaAs或InP晶體管通常提供不出多數(shù)有源系統(tǒng)所需要的連續(xù)波功率，需要功率合成，而平面電路不可避免的損耗造成合成效率較低，寄生效應的存在對系統(tǒng)的寬帶性能會造成傷害。另外，作為微波器件和電路，由于PN結(jié)的存在使電路損耗較大，電路效率較低，因而對發(fā)射功率與系統(tǒng)供電提出了較高的要求。4.2體積重量問題作為機載或星載應用的有源相控陣雷達系統(tǒng)，希望微波模塊體積盡可能地小，重量盡可能地輕，而微波前端由于技術(shù)原因目前仍使用較多的離散元件，無法做到系統(tǒng)集成。同時系統(tǒng)中大量采用的波導系統(tǒng)使系統(tǒng)的體積重量大大增加。系統(tǒng)中的晶振、SAM、VCO等無法做到單片集成，從而影響了系統(tǒng)的高性能與微小型化的同步發(fā)展。4.3傳輸線MMIC中使用的傳輸線處于一個非均勻的環(huán)境中，上部是空氣，下部是介電常數(shù)遠大于空氣的半導體襯底，不能實現(xiàn)理想的TEM模傳輸，存在著高次模和襯底模。存在非TEM模使微帶線的分析和設計難度增大，工作帶寬受到限制，襯底模導致信號的損耗。對于毫米波MMIC，傳統(tǒng)的微帶線的損耗同時還包括寄生輻射和接地通孔的寄生損耗。4.4集總元件問題MMIC還大量使用了集總元件，主要特點是面積小、成本低、帶寬大。其中高功率振蕩器、功率放大器以及寬帶電路常選擇集總參數(shù)設計。由于能提供比分布參數(shù)更大的變換比，集總參數(shù)元件還廣泛用于阻抗變換器。但集總參數(shù)元件寄生效應大，不能視之為本征性能的純元件，不僅使電路的微波性能受損，而且由于其復雜性而難以建模，給MMIC設計增加了難度。4.5RFMEMS的優(yōu)勢MEMS本質(zhì)上是一種機械系統(tǒng)。MEMS器件中僅包含金屬和介質(zhì)，而不存在半導體結(jié)，因此既沒有歐姆接觸的擴散電阻，也不呈現(xiàn)勢壘結(jié)的非線性伏安特性，因此RFMEMS具有超低的損耗、良好的線形特性。MEMS的膜片、懸臂等零件惰性極小，因而響應速度快，其運動受靜電控制，使直流功耗降低，MEMS獨特的工藝技術(shù)使系統(tǒng)單片集成化成為了可能，其幾何尺寸、功能、重量、物理性能等方面的優(yōu)越性可以實現(xiàn)更強的性能，彌補MMIC的不足。5RFMEMS需解決重點問題5.1封裝問題MEMS產(chǎn)品實現(xiàn)商品化的前提必須解決封裝問題，因為MEMS產(chǎn)品容易受周圍環(huán)境的影響，RFMEMS電路正常1=作很大程度上取決于由封裝所提供的內(nèi)部環(huán)境與保護。而目前有關MEMS封裝的研究還處于初級階段，MEMS器件的多樣性和非密封性往往需要為每種器件單獨開發(fā)相應的封裝技術(shù)，需要在不影響MEMS器件I生能的前提下，為設計者提供一系列標準化的封裝技術(shù)。5.2可靠性問題RFMEMS有源器件，尤其開關必須表現(xiàn)出優(yōu)良的可靠性，才能介入系統(tǒng)應用。由于RFMEMS特殊的結(jié)構(gòu)，主要存在以下失效機理：①梁結(jié)構(gòu)的斷裂；②薄膜結(jié)構(gòu)的磨損；③可動結(jié)構(gòu)在應力作用下的疲勞；④環(huán)境導致的失效，包括高溫、輻射、振動、沖擊等因素，包含著對惡劣環(huán)境的適應能力。5.3RFMEMS的設計技術(shù)RFMEMS的設計技術(shù)主要包括以下內(nèi)容：①仿真與集總參數(shù)模型的建立；②經(jīng)過驗證的標準化器件庫的建模；③器件內(nèi)部的電磁場模型與數(shù)學分析等。目前絕大多數(shù)MEMS器件都沒有精確的解析模型預測其行為，所以需要高效率的模擬和仿真工具，精確預測MEMS行為，縮短開發(fā)時間，適應市場要求。MEMS器件的設計必須同復雜的工藝流程分離，必須開發(fā)出相應的工藝例程，提供與工藝相關的交互式設計接口，降低MEMS的設計門檻，提高器件的工藝性。6RFMEMS的應用前景RFMEMS的研究目標是實現(xiàn)集成在單芯片上的RF系統(tǒng)。目前的研究主要集中在兩個方面：①高O值無源元件的實現(xiàn)，主要是利用MEMS技術(shù)盡可能地減小襯底損耗；②設計出高性能的有源RFMEMS結(jié)構(gòu)器件。從其技術(shù)層面上分類，可以分為以下3類：①由微機械開關、可變電容、電感、諧振器組成的基礎元件層面；②由移相器、濾波器、VCO等組成的組件層面；③由單片接受機、變波束雷達、相控陣天線組成的應用系統(tǒng)層面。正像傳統(tǒng)的半導體技術(shù)的起步一樣，MEMS技術(shù)的研究目前尚處于起步階段，但其產(chǎn)業(yè)化的前景是顯而易見的，無線通信裝置和汽車防撞雷達因MEMS技術(shù)的介入在性價比上發(fā)生了質(zhì)的躍遷，MEMS技術(shù)的潛能也將產(chǎn)生巨大的沖擊力。作為RFMEMS器件潛在的應用前景包括：①個人通訊：移動電話、PDA、便攜式計算機的數(shù)據(jù)交換；②車載、機載、船載收發(fā)機和衛(wèi)星通訊終端、GPS接收機等；③信息化作戰(zhàn)指揮、戰(zhàn)場通信、微型化衛(wèi)星通信系統(tǒng)、相控陣雷達等。當前，基于MEMS的RF開關、可變