一种基于表面半导体工艺的射频微机电开关及其制备方法 |
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| 申请号 | CN201610772249.3 | 申请日 | 2016-08-30 | 公开(公告)号 | CN106298371A | 公开(公告)日 | 2017-01-04 |
| 申请人 | 北京航天微电科技有限公司; | 发明人 | 李志东; 董鹏; 陈瑞; 边旭明; 段斌; 赵宏忠; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种基于表面 半导体 工艺的射频微机电 开关 及其制备方法。射频微机电开关由衬底、 电极 接触 孔、驱动电极、隔离 电阻 和 钝化 层、共面波传输线、共面 波导 地线、 锚点 、 悬臂梁 结构、上接触点、弓形结构、通孔等组成。射频微机电开关的制备方法主要包括:衬底清洗、驱动电极制备、隔离电阻制备、共面波导传输线图形制备、牺牲层制备、 钝化层 制备及悬臂梁结构制备、牺牲层结构释放等工艺步骤，使 制造过程 简单易控，提高生产成品率，同时改善射频微机电开关的机械特性和电学性能指标。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于表面半导体工艺的射频微机电开关，其特征在于，该开关包括：衬底(1)；在所述衬底(1)上设有隔离电阻(4)，所述隔离电阻(4)两端与电极接触孔(2)和驱动电极(3)相连；在所述隔离电阻(4)、电极接触孔(2)和驱动电极(3)上设有钝化层(5)；在所述钝化层(5)上设有共面波导传输线(6)、共面波导地线(7)；所述共面波导地线(7)上设有锚点(8)； |
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| 说明书全文 | 一种基于表面半导体工艺的射频微机电开关及其制备方法技术领域[0001] 本发明涉及一种射频微机电开关(RF MEMS switch)技术领域，尤其涉及一种基于表面半导体工艺的射频微机电开关及其制备方法。 背景技术[0002] RF MEMS开关在插入损耗、隔离度、频率和线性等方面具有优异的性能，在卫星通信、导航和雷达等系统中得到了广泛应用。与传统的PIN及FET微波开关器件相比，MEMS开关不但具有高隔离度、低损耗、低插损、高线性度等优异的微波性能，同时具有批量制作、易于与先进的微波、射频电路相集成的特点，是实现小型化，低成本，高性能的微波收发前端系统的关键技术。 [0003] RF MEMS开关按机械结构划分为悬臂梁式开关、固支粱开关；按照开关在射频电路中的连接方式，分为串联式和并联式；而按照开关接触方式划分为电容耦合式开关和欧姆接触式开关；按照开关驱动机制又可分为静电、电磁、电热、压电、形状记忆金属开关，目前研究和应用最多的为静电驱动开关。传统的静电驱动的串联式开关通常由金属悬臂梁、下拉电极和带有金属接触点的信号线三部分组成。其工作原理为：当施加驱动电压后，金属悬臂梁与CPW传输线上的接触点之间的电接触，从而实现射频信号的导通；当驱动电压撤销时，金属悬臂梁由于弹性力的作用回复到初始的隔离状态，金属悬臂梁与接触点断开，使射频信号隔离。 [0004] 目前常规的RF MEMS开关制备工艺还存在一定的缺点。首先，文献报道的RF MEMS开关的开启电压普遍较高，在应用上受到很大的限制，减少RF MEMS开关的开启电压已成为目前的研究重点。其次，RF MEMS开关触点的制备一般是触点与CPW传输线采用两步工艺制备，会存在接触电阻，导致开关的串联电阻较大；另外，常规的电镀种子层的去除方法多采用腐蚀，这种工艺会对传输线有侧向腐蚀作用，严重时会导致悬臂梁锚点与衬底的结合松动，甚至导致悬臂梁倒塌。同时，酸性的腐蚀液还会对钝化层有一定程度的破坏，导致钝化层中出现针孔等缺陷；这些常规工艺中存在的问题不仅使制造工艺复杂，而且成品率低。所以，优化RF MEMS开关结构和制造工艺，提高生产成品率。同时从工艺及材料选择方面入手，改善性能指标，是RF MEMS开关制造业面临的一个巨大挑战。 发明内容[0005] 本发明的目的在于提供一种基于表面半导体工艺的射频微机电开关及其制备方法，在常规射频微机电开关基础上，提出新的射频微机电开关结构及其工艺方法，使制造过程简单易控，提高生产成品率，同时改善射频微机电开关的机械特性和电学性能指标。 [0006] 为实现上述技术目的，本发明提出一种基于表面半导体工艺的射频微机电开关： [0007] 该开关包括：衬底；在所述衬底上设有隔离电阻，所述隔离电阻两端与电极接触孔和驱动电极相连；在所述隔离电阻、电极接触孔和驱动电极上设有钝化层；在所述钝化层上设有共面波导传输线、共面波导地线；所述共面波导地线上设有锚点；所述锚点与悬臂梁结构相接；所述悬臂梁结构上设有接触点、通孔；所述悬臂梁结构为弓形结构，所述悬臂梁结构上的弓形下凹结构与驱动电极相对应。 [0008] 进一步，所述衬底为正切损耗更低的蓝宝石Al2O3。 [0009] 有益效果：采用蓝宝石Al2O3作为射频微机电开关的衬底，与传统Si衬底相比，具有更低的电导率及损耗正切，可以很大程度上降低RF MEMS开关的插入损耗。 [0010] 进一步，隔离电阻采用反应溅射的TaN材料，其两端分别连接电极接触孔和驱动电极。 [0012] 进一步，悬臂梁结构采用Au材料，并且悬臂梁结构上具有圆形通孔。 [0013] 进一步，悬臂梁结构采用一种弓形结构，在与驱动电极所对应的位置具有弓形下凹结构。 [0014] 进一步，悬臂梁结构上设有接触点，所述接触点对应共面波导传输线的信号输出端。 [0015] 本发明提出一种基于表面半导体工艺的射频微机电开关的制备方法，该方法的具体步骤为： [0016] 步骤1，清洗衬底； [0017] 步骤2，在所述衬底上形成电极接触孔、驱动电极、隔离电阻和钝化层； [0018] 步骤3，在所述钝化层上形成共面波导传输线、共面波导地线、锚点、悬臂梁结构； [0019] 步骤4，在所述悬臂梁结构上形成接触点、弓形下凹结构、通孔。 [0020] 进一步，所述隔离电阻采用反应溅射的TaN材料，其两端分别连接电极接触孔和驱动电极。 [0021] 有益效果：利用反应溅射的高阻材料TaN作为内置隔离电阻，对射频信号与驱动电极旁路进行隔离，避免射频信号通过驱动电极耦合到地。 [0022] 进一步，采用光刻形成共面波导传输线图形，接着溅射NiCr或Au金属种子层，再次采用厚光刻胶作为电镀掩膜，电镀加厚Au层，用丙酮超声去除电镀掩膜，同时实现对种子层的剥离，实现共面波导传输线的图形化，最后制得共面波导传输线。 [0023] 有益效果：电镀种子层的图形化采用剥离工艺，与传统的腐蚀方法相比，避免了侧向腐蚀和酸性的金属腐蚀液对钝化层的影响。 [0024] 进一步，所述步骤3中锚点制备方法：在共面波导地线上表面旋涂第一牺牲层，对第一牺牲层进行120℃预固化处理，并光刻图形化，通过显影在第一牺牲层中形成悬臂梁的锚点图形，再进行250℃固化处理，最后制得锚点。 [0025] 进一步，所述步骤3上接触点和弓形下凹结构的制备方法为：旋涂第二牺牲层，对第二牺牲层进行120℃预固化处理，并光刻图形化，通过显影在第二牺牲层中形成悬臂梁结构上的弓形下凹结构和接触点的三维图形，再进行250℃固化，最后制得接触点和弓形下凹结构。 [0026] 有益效果：开关的接触点和弓形下凹结构的制备，利用牺牲层固化前后在显影液中溶解度的变化，采用两层牺牲层工艺，形成锚点图形、接触点图形、弓形下凹结构图形等。本发明所制备上接触点与悬臂梁结构一体制造，不存在接触电阻，可以明显降低射频微机电开关的串联电阻；悬臂梁结构上的弓形下凹结构，与驱动电极的位置相对应，这种结构设计，在保持接触点与传输线的距离不变的同时使驱动电极与悬臂梁结构距离更近，减小了驱动电极与悬臂梁结构之间的距离，这样可以使开关在隔离度不发生变化的前提下，降低射频微机电开关的开启电压。 附图说明 [0027] 图1是本发明的射频微机电开关剖面图。 [0028] 1、衬底；2、电极接触孔；3、驱动电极；4、隔离电阻；5、钝化层；6、共面波导传输线；7、共面波导地线；8、锚点；9、悬臂梁结构；10、通孔；11、接触点；12、弓形下凹结构具体实施方式 [0029] 以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。 [0030] 如图1所示本发明提供一种基于表面半导体工艺的射频微机电开关及其制备方法，包括：提供衬底1；沉积于衬底1上的电极接触孔2、驱动电极3、隔离电阻4、钝化层5等；在所述钝化层5上制备的共面波导传输线6、共面波导地线7、锚点8、悬臂梁结构9等；以及在所述悬臂梁结构9上的通孔10、接触点11、弓形下凹结构12等。 [0031] 本发明技术方案采用蓝宝石Al2O3作为射频微机电开关的衬底，与传统Si衬底相比，具有更低的电导率及损耗正切，可以很大程度上降低射频微机电开关的插入损耗；开关的接触点11和弓形下凹结构12的制备，利用牺牲层固化前后在显影液中溶解度的变化，采用两层牺牲层工艺，形成锚点8图形、接触点11图形、弓形下凹结构12图形等。这种弓形下凹结构12的设计，可以使开关在隔离度不发生的变化的前提下，降低射频微机电开关的开启电压；电镀种子层的图形化采用剥离工艺，与传统的腐蚀方法相比，避免了侧向腐蚀和酸性的金属腐蚀液对钝化层的影响。同时，利用反应溅射的高阻材料作为内置隔离电阻，对射频信号与驱动电极旁路进行隔离，避免射频信号通过驱动电极耦合到地。 [0032] 隔离电阻4由反应溅射的TaN材料形成，为了实现TaN线条的高阻值，要求所溅射的TaN薄膜方块电阻在1000电学方阻以上，反应气体由一定比例的Ar气和一定比例的N2气组成，实验的TaN薄膜的厚度为 方阻为1100电学方阻。 [0033] 共面波导传输线6的制作采用的技术方案为：首先，通过光刻图形化，使共面波导传输线6图形位置的光刻胶去除干净，然后采用磁控溅射一层NiCr/Au合金薄膜作为电镀的种子层，厚度分别为 和 再次通过AZ系列厚光刻胶，形成电镀掩膜，电镀完成后，去除电镀掩膜，并采用丙酮剥离的方法将种子层图形化。 [0034] 作为更进一步优化，悬臂梁结构9采用Au材料，厚度为6-10um，在悬臂梁结构9的表面设有贯穿悬臂梁的通孔10，设置通孔10是为了减少悬臂梁结构9上下运动时的空气阻尼，增加开关速度，降低开启电压；通孔10的存在使悬臂梁结构9在释放过程中，增加更多的氧等离子体与牺牲层的接触面积，加速结构释放；并且悬臂梁通孔10的设置在一定程度上使悬臂梁结构9释放后，内部的残余应力减少，同时降低悬臂梁结构9的杨氏模量，从而降低射频微机电开关的开启电压。 [0035] 以下是本发明射频微机电开关的制备工艺步骤： [0036] S1，清洗衬底1； [0037] S2，隔离电阻4的制备：将基片进行光刻处理，在需要做高阻偏压线的位置去除光刻胶，其他位置光刻胶保留，之后送入磁控溅射台中，溅射TaN薄膜，厚度 。溅射完成后，放入丙酮溶液中浸泡足够时间，然后放入超声容器中进行剥离，之后酒精清洗后，吹干； [0038] S3，驱动电极3的制备：将制备完高阻偏压线的基片进行光刻处理，在需要做驱动电极3的位置去除光刻胶，其他位置光刻胶保留，然后用电子束蒸发台蒸发Ti/Al薄膜，厚度为 剥离后形成驱动电极3； [0039] S4，钝化层5的制备：由于金属的存在，采用PECVD低温制备钝化层4(氮化硅)，厚度为 [0040] S5，共面波导传输线6制备：光刻形成共面波导传输线图形，并采用磁控溅射制备NiCr/Au金属结构种子层，厚度为 和 同时考虑金属厚度对性能的影响，采用AZ系列厚光刻胶作为电镀掩膜，加厚Au层，共面波导传输线总厚度2um； [0041] S6，种子层去除：电镀工艺完成后，用丙酮超声去除电镀掩膜，同时实现对种子层的剥离，实现共面波导传输线的制备； [0043] S8，锚点8制备：在共面波导地线7上表面旋涂厚度为2um的第一牺牲层，然后对第一牺牲层进行120℃预固化处理，其中牺牲层是化学材料，本发明采用的是聚酰亚安作为牺牲层，并光刻图形化，通过显影在第一牺牲层中形成悬臂梁的锚点8图形，250℃固化，去胶； [0044] S9，接触点11和弓形下凹结构的制备：旋涂厚度为0.5um的第二牺牲层，然后对第二牺牲层进行120℃预固化处理，并光刻图形化，通过显影在第二牺牲层中形成悬臂梁上的弓形下凹结构12和接触点11的三维图形，250℃固化，去胶； [0045] S10，悬臂梁结构9制备：在固化后的牺牲层上一次通过光刻种子层图形，溅射NiCr/Au种子层，光刻悬臂梁电镀掩膜，然后电镀加厚处理，并采用同步骤S6的。工艺实现悬臂梁的图形化，本步骤可实现悬臂梁上通孔10的制备； [0046] S11，结构释放：氧等离子体刻蚀技术去除牺牲层，实现结构释放。 [0047] 上述所用的剥离技术是：在衬底上首先做光刻胶的图形，通过光刻曝光，选择性的在特定区域去除光刻胶，然后通过镀膜技术，在其上覆盖一层所需要的金属或介质薄膜，再通过丙酮溶液，使没有去除的光刻胶溶于丙酮溶液，随之而脱离衬底的还有光刻胶上面的金属或介质薄膜，最后只剩下原先去除光刻胶的地方存在所制备的薄膜。 |
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