CN1295728C - 低阈值直交流可分的微电子机械开关及其制造方法 - Google Patents

Abstract

低阈值直交流可分的微电子机械开关及其制造方法是通过两个驱动电极的设计，实现一种低阈值电压直交流可分的MEMS开关的结构设计，其制造方法为：a.准备基片：用浓HCL和氨水清洗砷化镓衬底；b.在准备的衬底上淀积并光刻共面波导、以及直流驱动电极，生成开关的共面波导、以及直流驱动电极的结构；c.生长介质保护层：用PECVD工艺生长SiN绝缘层；d.淀积并光刻牺牲层：在GaAs衬底上涂覆聚酰亚胺牺牲层并光刻；e.溅射上极板在聚酰亚胺层上溅射用于电镀的Ti/Au/Ti底金层；f.光刻并腐蚀Ti/Au/Ti底金层，形成腐蚀孔；g.在Ti/Au/Ti底金层电镀金；h.释放牺牲层：形成悬浮的可动膜结构。

Description

低阈值直交流可分的微电子机械开关及其制造方法

                         技术领域

本发明是通过两个驱动电极的设计，实现一种低阈值电压直交流可分的MEMS开关的结构设计，属于微电子机械***(MEMS)技术领域。

                         背景技术

MEMS开关具有低的***损耗，高的隔离度，宽的工作频带，易与高速电子器件集成以及好的线性度，在象雷达和无线通讯等重量和体积要求严格的领域，得到了广泛的应用。

并联电容式膜开关与串联接触式开关相比其优点在于消除了导线间直接接触带来的接触损耗和微连接力。

传统的MEMS电容式开关一般采用固支梁结构，这种结构的MEMS开关具有如下的缺点：较高的阈值电压，通常尺寸的MEMS电容式开关的阈值电压约为20～50V，而且直流和交流加载在同一条信号线上。

                           发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种高可靠性、高重复性、低生产成本的低阈值直交流可分的微电子机械开关及其制造方法。

技术方案：本发明的低阈值直交流可分的微电子机械开关以衬底为基底，在衬底的中间设有一条共面波导的信号线，在衬底的两边分别设有一条共面波导的地线，在共面波导的信号线与共面波导的地线之间设有直流驱动电极，在直流驱动电极和共面波导的信号线的中间窄带部分的上面覆盖绝缘层，在绝缘层的上部设有上极板可动膜，上极板可动膜的两端固定在共面波导的地线上，绝缘层与上极板可动膜之间是间隙层。在上极板可动膜上可根据需要设有一个浅凹槽。

本发明的低阈值直交流可分的微电子机械开关的制造方法基于GaAs MMIC工艺实现，其制造方法为：

a、准备基片：用浓HCL和氨水清洗砷化镓衬底，观测回抛片上的步进式光刻机的对准标记是否清晰；

b、在准备的衬底上淀积并光刻共面波导、以及直流驱动电极：在砷化镓衬底上，先溅射AuGeNi/Au层，然后在超声发生器中剥离该金属层，最后生成开关的共面波导、以及直流驱动电极的结构；

c、生长介质保护层：在共面波导的信号线和直流驱动电极上用PECVD工艺生长SiN绝缘层，并光刻；

d、淀积并光刻牺牲层：在GaAs衬底上涂覆聚酰亚胺牺牲层并光刻，光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留上极板可动膜下的牺牲层，并在牺牲层中间形成一个浅凹；

e、溅射上极板：在聚酰亚胺层上溅射用于电镀的Ti/Au/Ti底金层；

f、光刻并腐蚀Ti/Au/Ti底金层，形成腐蚀孔；

g、在Ti/Au/Ti底金层电镀金；

h、释放牺牲层：先用丙酮去除残留的光刻胶，然后用显影液溶解开关梁下的聚酰亚胺牺牲层，并用无水乙醇脱水。形成悬浮的可动膜结构。

区分是否为该结构的标准为：

(a)结构自上而下分别为上极板可动膜；间隙层；绝缘层；共面波导的信号线，共面波导的地线和直流驱动电极；衬底。

(b)在固定梁的信号线两端设计两个直流驱动电极；

(c)在可动膜上可根据需要设计一个浅凹，使膜在关态时与绝缘层良好接触，抵消膜的应力。

满足以上结构即为我们所设计的结构。

当开关导通时，信号经由信号线直接输出，当有外加直流驱动电压时，开关梁在静电力的作用下发生偏移。当直流电压增大到某一值时，开关梁和绝缘层相接触，处于关断态，此时开关梁和共平面波导信号线间形成较大的耦合电容，信号被耦合到地，开关由“开”态变为“关”态。

有益效果：与通常的膜开关相比，本发明的优点为：

1.开关的直流驱动电压可加载在信号线两端的电极上，从而减小了阈值电压；

2.可以直流交流分开；

3.改善了开关的线性度；

4.这种结构可结合平膜梁，折叠梁以及T形梁一起使用；

5.无粘粘现象；

6工艺中用浅凹处理接触问题；

7.易于制造单刀多掷开关；

8.制造工艺简单，与GaAs MMIC工艺兼容。

基于以上低阈值直交流可分并联膜开关结构的特点，本发明很好的解决了阈值电压高，直交流加载在同一条信号线上的问题，并易于实现器件的高可靠性、高重复性、低生产成本，很好的满足微电子***对器件的基本要求。因此，低阈值直交流可分并联膜开关的结构具有较好的应用价值和广阔的市场潜力。

低阈值电压直交流分离的MEMS(微电子机械***)开关具有以下几个特征：

1.低损耗，高隔离度，工作频带宽2.与GaAs MMIC工艺兼容也可与高速电子器件集成3.由于设计了两个额外的电极，这样在降低开关阈值电压的同时，还可以使信号直流交流分开，提高开关的线性度。此外，这种低阈值电压的MEMS开关的制作工艺非常简单。解决了原先实现MEMS开关结构在材料，工艺，可靠性，可重复性和生产成本等诸多方面的问题。

                          附图说明

图1是低阈值直交流分离的MEMS开关俯视图。

图2是低阈值直交流分离的MEMS开关剖面图。

图3是低阈值直交流分离的MEMS开关俯视图(去掉上层膜)。

图4是开关的***损耗和回波损耗示意图。

图5是开关的隔离度和回波损耗示意图。

图6是带浅凹的膜开关的剖面图。

图7是带浅凹的膜开关的俯视图。

                        具体实施方案

本发明的低阈值直交流可分的MEMS开关，以衬底7为基底，在衬底7的中间设有一条共面波导的信号线4，在衬底7的两边分别设有一条共面波导的地线6，在共面波导的信号线4与共面波导的地线6之间设有直流驱动电极5，在直流驱动电极5和共面波导的信号线4的中间窄带部分的上面覆盖绝缘层3，在绝缘层3的上部设有上极板可动膜1，上极板可动膜1的两端固定在共面波导的地线6上，绝缘层3与上极板可动膜1之间是间隙层2。在上极板可动膜1上可设有一个浅凹槽8。

基于GaAS工艺实现低阈值直交流可分的MEMS开关具体工艺步骤和参数如下：

1.准备基片：微机械开关的衬底由于选用的是砷化镓回抛片，所以必须用浓HCL和氨水清洗，同时要注意观测回抛片上的步进式光刻机的对准标记是否清晰。

2.淀积并光刻共面波导、以及直流驱动电极：在砷化镓衬底上，先溅射800/300/2200A的AuGeNi/Au层，然后在超声发生器中剥离该金属层，最后生成开关的共面波导、以及直流驱动电极(5)结构。共面波导尺寸为84-140-84um，不均匀区长度340um，不均匀区共面波导尺寸为300-140-300um。

3.生长介质保护层：在共面波导的信号线和直流驱动电极上，固定梁的上面用PECVD工艺生长1000A的SiN绝缘层，并光刻。绝缘层的宽度为120um。

4.淀积并光刻牺牲层：在GaAs衬底上涂覆聚酰亚胺牺牲层并光刻。聚酰亚胺牺牲层的厚度决定了开关极板间隙，选择为2um。这可通过调节甩胶机的转速和聚酰亚胺溶液的浓度来改变牺牲层的厚度。光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留开关梁下的牺牲层，并在梁中间形成一个浅凹，以在关态形成良好接触。

5.溅射上极板：在聚酰亚胺层上溅射用于电镀的底金Ti/Au/Ti＝500/1500/300A

6.光刻并腐蚀Ti/Au/Ti底金层，形成腐蚀孔腐蚀孔的尺寸为8×8um，

7、电镀金：在55氰基溶液中在Ti/Au/Ti底金层电镀金，电镀金层厚度为1.4um，梁长L为380um，梁宽60um，

8、释放牺牲层：先用丙酮去除残留的光刻胶，然后用显影液溶解开关梁下的聚酰亚胺牺牲层，并用无水乙醇脱水。形成悬浮的开关梁结构。

除此之外，整个技术方案中还需注意一些问题，其中包括：驱动电极与共面波导尺寸的设计，这对于整体器件结构的实现、阈值电压的大小，非线性特性都是具有十分重要的意义；牺牲层的选择，这决定了释放后表面的粗糙程度和关态的电容值，关系到开关的隔离度；可在上极板膜上设计一个浅凹以使上极板微凹，以抵消膜的残余应力，使膜关态时跟下极板良好接触，提高隔离度；上极板膜可以使用平膜，也可使用折叠梁或T型梁，以进一步降低开关的阈值电压。

纵观整个实现该低阈值直交流可分的MEMS开关的工艺过程，其中没有任何的特殊材料也未引进任何的复杂特殊的工艺，完全与GaAs MMIC工艺相兼容。因此，应用本发明中的低阈值直交流可分的MEMS开关结构可以降低开关的阈值电压，实现直交流分离，改善开关的特性。

Claims (3)

1、一种低阈值直交流可分的微电子机械开关，其特征在于该微电子机械开关以衬底(7)为基底，在衬底(7)的中间设有一条共面波导的信号线(4)，在衬底(7)的两边分别设有一条共面波导的地线(6)，在共面波导的信号线(4)与共面波导的地线(6)之间设有直流驱动电极(5)，在直流驱动电极(5)和共面波导的信号线(4)的中间窄带部分的上面覆盖绝缘层(3)，在绝缘层(3)的上部设有上极板可动膜(1)，上极板可动膜(1)的两端固定在共面波导的地线(6)上，绝缘层(3)与上极板可动膜(1)之间是间隙层(2)。

2、根据权利要求1所述的低阈值直交流可分的微电子机械开关，其特征在于在上极板可动膜(1)上设有一个浅凹槽(8)。

3、一种如权利要求1所述的低阈值直交流可分的微电子机械开关的制造方法，其特征在于该微电子机械开关基于GaAs工艺的实现，其制造方法为：

a、准备基片：用浓HCL和氨水清洗砷化镓衬底(7)，观测回抛片上的步进式光刻机的对准标记是否清晰；

b、在准备的衬底(7)上淀积并光刻共面波导、以及直流驱动电极(5)：在砷化镓衬底(7)上，先溅射AuGeNi/Au层，然后在超声发生器中剥离该金属层，最后生成开关的共面波导、以及直流驱动电极(5)的结构；

e、生长介质保护层：在共面波导的信号线(4)和直流驱动电极(5)上用PECVD工艺生长SiN绝缘层，并光刻；

d、淀积并光刻牺牲层：在GaAs衬底(7)上涂覆聚酰亚胺牺牲层并光刻，光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留上极板可动膜(1)下的牺牲层，并在牺牲层中间形成一个浅凹；

e、溅射上极板：在聚酰亚胺层上溅射用于电镀的Ti/Au/Ti底金层；

f、光刻并腐蚀Ti/Au/Ti底金层，形成腐蚀孔；

g、在Ti/Au/Ti底金层电镀金；

h、释放牺牲层：先用丙酮去除残留的光刻胶，然后用显影液溶解开关梁下的聚酰亚胺牺牲层，并用无水乙醇脱水，形成悬浮的可动膜(1)结构。

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