射频微机电技术

IEEE microwave magazine December 2004 36 应用于无处不在的无线连接之中的 射频微机电技术: 第一部分 —制造技术 Hector J.De Los Santos, George Fischer, Harrie A.C. Tilmans, Joost T.M. van Beek 微机电技术（MEMS – micro-electro-mechanical system） 在射频/微波系统中的应用正在对无线通讯产生着革命性 的作用[1]。事实上，射频微机电技术可以用来制造性能 优异的无源器件，如开关，可切换电容器（2个状 态），可变电容（变容器），电感，传输线及谐振器， 使其成为生产众多可用于家庭，移动通讯，太空应用[2] 如手提式无线系统，基站，卫星系统中射频器件的首选 技术。这些系统的精华在于低功耗及其可重置性。因 此，射频微机电将成为无处不在的无线连接系统的一个 关键技术。在这个前提下，本文旨在阐述用微机电技术 制造的可切换电容，变容器，开关在手提式无线系统， 基站，卫星这三类系统中的应用所产生的影响及目前的 发展现状。本文着重在系统层次上讨论了微机电技术应 用的背景，器件要求，规模生产，封装，性能现状及可 靠性等方面的问题。 本文的第一部分将重点讨论制造技术和工艺（面 微细加工和基片微细加工）及各自的局限性，比较了射 频微机电器件主要的物理驱动机理及在器件层次上的封 装技术。紧接着这篇文章的是本文的第二部分，重点讨 论了射频微机电器件在无线系统尤其是手提式无线系 统，基站，太空应用方面的进展及其所产生的影响。 射频微机电技术的基本原理 制造技术： 射频微机电器件的制造是基于已经很成熟的集成电路(IC) 制造技术之上的。实际上，可以参考图1所示的2维集成 电路的制造工艺过程[1]，该工艺过程的基础是光刻和化 学蚀刻技术，基本步骤如下： 1) 在硅园晶片上涂敷一层阻挡层（对硅晶片来说 通常使用SiO2）。 2) 在阻挡层上再涂敷一层光敏聚合物，简称感光 树脂（PR）。 ©1997 PHOTODISC, INC. ©1999 PHOTODISC ©EYEWIRE ———————————————————————————————————————————— Hector J.De Los Santos(NanoMEMSLLC@aol.com)is with NanoMEMS Research, LLC Irvine, CA 92604 USA Georg Fisher is with Lucent-Bell Labs Europe Nuremberg, Germany. Harrie A.C. Tilmans is with Inter-University Microelecltronics Center (IMEC) Leluvern , Belgium.Joost T.M. van Beek is withi Philips Research Lalboratories Eindhoven, The Netherlands December 2004 IEEE microwave magazine 37 3) 将光掩即一块方形的一面按照光刻的几何 图形涂敷了感光乳胶或金属薄膜的玻璃板放在 园晶片上，板上透明部分的PR即被暴露在高强 度的紫外线下(UV)。 PR的获取是通过一个类似于照相底片的工艺过程， 也分为正胶和负胶，经光照后会产生下列结果： 1） 当紫外线照射到正胶PR上时，会弱化光胶聚合 物，这样将曝光后溶解的光胶擦去，则光掩膜 的正图形便被转移到了光胶上。 2） 当紫外线照射到负胶上时，会加强光胶聚合 物，未暴露在紫外线的光胶被除去后，就将光 掩膜板的负图像形转移到了光胶上。 射频微机电器件第三维的形状是通过两种主要技术 来获取的，称为表面微细加工和基片微细加工。 表面微细加工如图2(a)所示，将一层薄膜有选择性地 加到硅晶片上或从硅晶片上去除。被去除的薄膜层称为 牺牲层，而保留下来的薄膜则称为结构层。例如，一个 悬臂结构的形成可以通过向硅晶片上浇注SiO2作为牺牲 层，然后喷涂多晶硅作为结构层，在多晶硅上加工出所 需的悬臂结构，再将结构层下的牺牲层溶解。最后一步 称为释放，其目的是产生一个可移动的独立的机械结 构。表1列出了表面微细加工所使用的典型材料[3]。 当采用湿式侵蚀剂来溶解牺牲层时，必须保证的是 这个机械结构的弹力要能克服湿式侵蚀剂的表面张力。 否则，将无法正常释放，该结构或是粘附到硅体上，或 是与其它结构粘附在一起。这种粘附现象同样会发生在 静电驱动的器件中，我们将在下面讨论由于吸合而产生 的粘附现象[1]，[3]-[5]。 而基片微细加工，如图2(b)所示，则是通过湿式或 干式蚀刻技术利用硅晶材料不同晶面的各项异性的蚀刻 速度不同而有选择地将硅体材料除去从而在硅体中形成 所需的机械结构。 微机电技术在系统集成方面的应用更有吸引力，因 为通过将三维自由移动的机械结构与其它电子器件集成 在同一个硅片上，就有可能制造出其它方法无法达到的 具有新的性能高度的功能系统，特别是当其性能与系统 体积，重量，功耗和成本方面有关时。我们正在讨论的 三维微机电结构可以通过不同的方式来驱动，如静电驱 动，电热驱动，压电驱动，电磁驱动，电动力驱动等。 但是，从系统层次或功能上讲，不论是何种驱动方式， 微机电结构都有两对电极，一对电极用作直流偏置，使 器件产生运动，另一对电极，称为开关电极或触点，是 引入射频信号的。当两对电极彼此被电气隔离时，这种 结构称为继电器。另外一方面，如果直流和射频信号使 用的是同一对电极，这种结构称为开关。从电路的角度 上说，继电器可以看成是四端子器件，开关可看成是二 端子器件。但直流偏置和射频信号有可能共用同一个接 地电极，从而形成三端子继电器。 从电路的角度上看，器件结构的本质是非常重 要的，无论它是继电器结构还是开关结构。这是因为， 继电器结构的直流偏置和射频信号端是电气隔离的，而 开关则不然。所以，当使用开关结构时，必须采取某些 措施如使用偏置T电路来将直流偏置与射频信号去耦合 （分开）。从图3的射频微机电继电器和开关的基本结 构中能够直观地理解上述这些概念。 我们将在本文中重点讨论三种通过表面微细加工而 制造的射频微机电器件，即可切换电容(SC)，变容器 （可变电容），和阻性开关。接下来，我们要比较一下 用于射频微机电结构中不同的驱动机理。 驱动机理 射频微机电器件，如开关，可变电容和机械谐振器，都 包含着可通过微驱动而移动的部分。例如，射频微机电 开关，和半导体开关一样只有两种状态。两种状态之间 的变换是通过器件中称为电枢的可自由移动部分的机械 位移来实现的。这种位移是由微驱动器的感应而产生 的，驱动方式包括静电驱动，电热驱动，压电驱动和电 磁驱动[6]。图4，6，7和8是以挠性射频微机电悬臂开关 结构为例所分别展示的这四种驱动机理。下来我们要进 一步讨论每一种驱动方式的驱动机理。 大多数的射频微机电结构采用的是静电驱动[7]， [8]，如图4(a)所示的一种微机电开关器件。静电驱动是 基于异性电荷之间的库仑引力Fel产生的。当两块平行板 上施加电压V时，两板之间的静电引力为： 图 1 集成电路（IC）制造工艺顺序图解 IEEE microwave magazine December 2004 38 图 2 (a) 通过表面微细加工形成的悬臂 (b)通过基片微细加工形成的腔体 表 1 结构/牺牲层/蚀刻材料[3] 22 01 1 2 2 2 0 AVQ F A d ε ε= = (1) 其中，Q (=CV, C = ε0A/d，为电容)是电容板上的电荷 量，A是平板面积，d是两板之间的距离，ε0为真空介电 常数。如式(1)所示，库仑引力与距离的平方成反比，这 种非线性的关系使得器件在外加电压超过了所谓吸合电 压(或排出电压) VPI时会产生不稳定性，换句话说，吸合 现象意味着在此电压作用下，对于静电驱动的微机电器 件来说，此时悬臂的静电力和弹力之间的平衡被打破 了。通过研究弹力和静电力之间的方程式就可以发现这 一点，方程的解即为平板电容器在静电力作用下的位 移，x(V), 见图4(b)。 方程式如下： ( ) 2 0 2 0 0 2 AV kx d x ε− =− ⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠ (2) 从以上方程可以看出，从V=0+开始，x会自动调节直到 (2)式成立。为了使 x 能够自动调节，V的幅值必须保证 (2)的初始值应当大于零。在这种情况下，(2)才有实数解 （物理解），即x(V)>0。根据(2), 当弹力和静电引力之 差达到最小时，所对应的电压即可将 x 的范围划定出 来。这个值可以通过对(2)求导，令其导数为零而得出， ( ) 030 2 0 =−− xd AVk ε (3) 通过同时解方程式(2)和 (3)，可以得出： 3 0 0 8 27 PI kd V Aε = 0 r d d ε ε >>⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠ (4a) 以及， 0 3PI d x = , (4b) 其中VPI即为吸合电压，xPI是当发生吸合现象时，两板 间产生的位移。图4(c)是归一化的位移量与归一化的外 加电压之间(归一化到吸合电压)的关系图。从图中不难 看出，出现吸合现象时，位移量成为虚数，此时所施加 电压的斜率不再能控制位移的距离。 当吸合现象发生时，降低外加电压，则悬臂要在更 低的电压下才能恢复原状，称为脱出电压VPO。因此, 静 电驱动会产生一个滞后。脱出电压可近似表达为： 2 0 2 0 2 PO r kd d V A ε ε ε = 0 r d d εε>> ⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠ （5） December 2004 IEEE microwave magazine 39 其中，εr和dε分别为覆盖下电极的介质材料的介电常数和间隙 间的距离。当没有介质材料时，εr = 1, ds变为dR，d0变为(d0 - dR)，其中dR是当间隙闭合式的剩余距离。吸合电压和脱 出电压的准确表达式只适用于集总式弹性系统。对于一 个典型的射频微机电开关设计而言，当d0 =2.5µm, dε=0.2 µm, εr = 7, K = 10N/m，A=100×100 µm2时，则VPI ≈ 23V, VPO ≈ 0.7 V。 需要指出的是，静电引力Fel并不是随着电压的增高 而无限增加的，静电引力的极限值取决于空气间隙的击 穿电压。微小间隙的击穿场强大约是3·108V/m, 则当电极 面积为A=100×100 µm2时，最大静电引力约为4mN。要 将1μm的间隙击穿，所施加的电压大约是300V。更实用 的电压电平约为10V时将产生大约0.004mN的力，即比 最大引力小3个数量级。当采用质量不高的金接触来实 现微继电器时，至少需要50-100µN的接触力才能保证接 触电阻较低且稳定，此时，除非驱动面积很大(>1×1m2) 或施加很高的电压(>100V)，否则静电驱动方式不再具 有吸引力。 吸合方式的重要性不能被过于强调，因为它会影响 平行板类型可调电容的性能。当吸合现象发生在间隙的 1/ 3处时，调节的范围限制在150%之内（针对于电容变 化的最大比为2：1时）。现在已有许多避免吸合现象的 方法。其中特别值得一提的是将控制电极与信号电极分 图3 射频微机电继电器和开关结构的设置和偏置。（a）在CPW传输线上实施的静电驱动容性并联开关（宽边配 置）。(b)采用悬臂结构（宽边配置）实施的静电驱动欧姆串联继电器。(c) 静电驱动的三端容性并联开关（宽边配 置）。(d) 在CPW传输线上实施的静电驱动容性串联开关（直列配置）。(e)并联开关的偏置网络。(f) 串联开关的偏 置网络 IEEE microwave magazine December 2004 40 图4 (a)微继电器的静电驱动原理演示 (b)静电驱动器集总参数模型的受力图 (c)归一化的位移量与归一化到吸合 电压的外加电压的关系图[3]。 开（称为双间隙方法），不同电极到上板的距离分别为 d2和d1，并且d1 ≤ d2/3，见图5，这种结构使得调节范围 从理论上的吸合极限 50% 增加到 400% [4]。最新的一种 方法是由Rijks等提出的双间隙变容器，可调节范围达到 了1,600% [5]。 静电驱动器件的功耗极低，这是因为只有当其位置 发生变化时才有功耗(类似于数字反相器)。静电驱动器 件的其它优点是制造工艺比较简单，可与标准的集成电 路的制造工艺相兼容。很容易与其它平面器件和微带线 集成在一起，并且响应速度快(微秒数量级)。静电驱动 的主要缺点是对于大间隙的射频微机电开关，所需的驱 动电压较高(12-60伏)。很难用较低的驱动电压来得到一 个既有很好的隔离度又有很好的抗冲击和抗震动性的串 连式开关（或者有很好的插入损耗的并联开关）。另外 一方面，对于高频(>100MHz)机械谐振器，其间隙应该 比较窄，以便能得到高的机电耦合系数或者说小的移动 电阻。因为需要施加较高的电压才能达到较高的耦合系 数，所以高频机械谐振器的实现比较困难。很明显，在 设计时，必须采取一个折衷。如果将电压限制在3-5 伏，即手机里器件的电压，则可以将一些芯片产品如迪 克森直流电压乘法器这样的高压发生器直接集成在一 起。这种集成或通过单片电路，例如按照集成电路的工 艺完成，或者按混合电路方式来生产，正如摩托罗拉公 司最近所展示的这方面的工艺技术[10]。 压电驱动和检测分别是基于反压电效应和直接压电 效应的原理[11]。压电材料可以提供自偏置电压，这或 者是因为单晶材料没有几何对称中心［如氮化铝 （AIN）或氧化锌（ZnO）］，或者是因为所使用的是 如铅钡锆(PZT)族类材料这样的永久性极化的电铁体的 原因。反压电材料表现为在电压作用下材料本身会产生 机械变形。如图6所示，当施加电压后，悬臂上由于涂 敷了压电材料从而在悬臂顶部的尖端处会产生一个弯矩 MPE。这个弯矩会使得悬臂随着尖端一起弯曲，尖端弯 曲度δ≈MPEl2/2EI, 其中EI是悬臂的等效弯曲钢度，l是悬 December 2004 IEEE microwave magazine 41 图5 MEMS变容器的截面图[4]。 Vctl为驱动电压或控制 电压 臂的长度。如果压电层的厚度比承载层的厚度小得多的 话，并且忽略电极的机械效应，压电体弯矩表达式可以 简化为[12]： 1 312PE p sM d E bh V≈ (hp<4000C)。进一步说，在低压 下密封（如LPCVD氮化物）对微机电开关和可调电容也 不合适，因为这些器件必须在惰性环境的“标准”压力下 才能可靠地工作而不会出现接触反弹或需要很长的稳定 时间（由于没有阻尼）。从温度设计要求来说，是可以 使用金属薄膜密封法的，但在文献[25]中所介绍的方法 进行的是真空封装。 另外一方面，芯片式封装法的优点则是在工艺过程 中对温度和环境控制上有很大的灵活性。在芯片式封装 中，通常把一个凹形的薄片粘接到含有微机电器件的晶 片上，见图10(b)。粘接密封环的宽度一般是50-300μm。 粘接必须要在足够低的温度下进行（一般要低于 3500C），这样才不会影响微机电器件中金属化材料和 其它材料。通常使用的密封法有：焊接，金-金热压粘接 法，以及使用低温玻璃（熔化密封），环氧，或聚合物 粘胶剂如焊铜材料来进行粘接密封。粘接质量是通过强 度（剪切强度和拉伸强度）和密封性来衡量的。器件的 性能很大程度上取决于环境条件。例如，表面张力，这 或者是因为吸收了潮气后所形成的薄膜，或者由于被喷 涂上其它有机物或杂质，使得接触面“粘附“在一起而 产生的表面张力。金属也会由于腔体内的潮气而被腐 蚀。同样，微机电谐振器的Q值也取决于环境压力[23]。 一个可靠的设计必须进行器件的零级封装以防止潮气和 其它有机杂质进入到器件的工作区。大多数聚合物的缺 点是易吸收潮气。最理想的密封剂有（不可渗透）玻 璃，氮化硅，陶瓷和金属。一个很有前景的候补方法是 将热量局限在粘接点处很小的范围内[26]。这样可以承 受相当高的粘接温度（如8000C），更快更好地控制温 度，提高粘结质量，同时可以在更大的范围内选择性能 比低温粘结材料更好的密封材料。微机电器件零级封装 的另一个要考虑的问题是其内特别小的空腔体积（几百 个纳升）。腔体内的压力要稳定, 所以要求泄漏速度特 别小（10-15mbar.l/s[27]），而从腔体向外漏气以及当封 装材料从腔体表面蒸发时会迅速导致腔体压力极大的变 化。控制腔体环境的一种可行的方案是在微机电器件的 封装材料中加入能够吸潮的材料，如Pd，Pt, Ti ，Zr-Al- Fe，通过它们来吸收潮气和其它气体 [28]。 从研发射频微机电开关开始，许多研究者都忽略了 这类器件的封装问题。通常器件的的开发与封装是相互 独立的，直到最近，当第一篇提出零级封装的文章发表 后，这种状况才开始有所改变[29]-[31]。在IMEC研制的 射频微机电开关的零级封装中，采用了两种不同的芯片 密封法，一种是使用焊料 [19]， [32]，另一种是使用 BCB[27]，[29]作为封装和密封层。图11[30]是与Alcatel 微电子公司（现改名为AMIS公司）联合开发的零级封 装的电容式射频微机电开关。采用BCB作密封剂。BCB 除了泄漏小，吸潮率低外，还有很好的射频特性。密封 盖使用的是低损耗硼硅玻璃（AF45）。晶片上的芯片安 装使用的是倒置定位和焊接法，密封剂用来分别覆盖每 个独立的开关。器件的密封性非常好，其剪切强度超过 了10Mpa。未发现大的泄漏（泄漏速度>10-4mbar.l/s）, 说明微机电开关在加工和后处理（最后的晶片切割）时 被很好地保护起来了。另一方面，真正意义上的完全的 密封不可能通过使用BCB这类聚合物来实现。首次进行 的一系列测试结果表明用BCB做为密封材料，当密封环 的 宽 度 为 100μm 时 ， 腔 体 的 泄 漏 速 度 为 10-7-10- 8mbar.l/s。 在封装射频微机电开关（或其它射频微机电器件 时），封装本身对器件性能的影响应减到最小。对理想 的封装来说，器件的射频特性在封装前后应该是一样 的。这便要求射频损耗低，附加损耗减到最小，微带线 与封装盖之间的趋近耦合所带来的参数微调。图12[33] 给出了四种可能的射频过渡的方式： 1） 共面水平馈线，见图12(a)[29],[34] 2） 埋入式水平馈线，见图12(b)[32] 3） 穿过基片的垂直孔道, 见图12(c)[30], [31] 4） 穿过器件封装盖的垂直孔道，见图12(d) 采用垂直孔道结构比采用水平馈线的结构更为紧凑，但 工艺过程更复杂，因为需要蚀刻一个穿过晶片的小孔。 就射频性能而言，四种方式相差不大，而埋入式馈线的 宽度在频率高于30GHz下要求更窄，这将会增加其损 耗。 图11所示开关使用的共面馈线从设计和工艺的角度 上讲是最简单的。当使用低损耗高阻性材料的封装盖， 并且当封装腔体有足够高度时，可以大大减小封装盖对 器件性能的影响[34]。这个特性显示在图13中，图13是 一个使用BCB作为介电材料（同时也用作密封材料）， 采用共面馈线时的射频特性曲线，射频特性是由直通共 面波导(CPW)传输线来测得的。从测试结果可以看出， 采用50Ω，地对地之间的间隔为150μm的CPW所实现的 微机电器件，当使用高阻性硅作为芯片封装盖且腔体高 度超过45μm，并且其高度是CPW平面波导中地对地距 一级封装对其内的器件提供了机械 和环境上的保护，但却会降 低器件的电气性能 射频微机电技术可以用来制 造性能优异的无源器件，使其成为 生产众多可用于家庭，移动通讯， 太空应用的首选技术 December 2004 IEEE microwave magazine 47 离的1/3时，封装对器件射频性能的影响非常小，可以忽 略不计[34]。 当采用了零级封装后，含有微机电器件的芯片便可 以采用常规的集成电路晶片的处理工艺，此时切割芯片 便不会损坏微机电器件。当芯片被切割后，零级封装器 件可以作为一个独立体而进行一级封装，即安装在陶瓷 [图14(a)]或塑料模刻封装中[图14(b)] [19], [30]。另一个 办法是采用更先进的封装技术，即采用芯片级封装 （CSP），可直接进入到印刷电路板上[图14(c)]或放入 球栅阵列胶模中（BGA）[图14(d)]。 一级封装对其内的器件提供了机械和环境上的保 护，但却会降低器件的电气性能。特别是在微波频率 （或更高频率）下，包装材料对电气性能的影响在器件 设计上变得非常重要[35]。塑料包装[图14(b)]适合于频 率在几个GHz以下。通过仔细选择塑料模压材料，和仔 细设计射频引线，可以设计出最高工作频率为10GHz的 射频器件。为了使器件能工作在更高的频率下，使用基 于低温共烧（LTCC）陶瓷封装或高温共烧（HTCC）的 陶瓷封装技术，再加上使用低介电材料以及缩短接线距 离的导致组装法，则有可能在毫米波范围内（直到 80GHz）也具有潜在的良好性能[36]。 结论 本文介绍了射频微机电技术的基本原理。特别是，微机 电器件的各种制造技术（表面微细加工和基体微细加 工）和它们的局限性，以及关键的物理驱动机理和器件 层次上的各种封装方法。 接下来，本文的第二部分要介绍一下通过表面微细 加工所制造的用于手提式无线系统，基站和卫星中的3 类器件，即切换电容器，变容器（可变/可调电容），以 及欧姆式开关。特别是，要在系统层次上逐一讨论使用 射频微机电技术的背景，器件的要求，规模化生产，封 装以及目前器件所能达到的性能水平和可靠性等。 参考文献 [1] H.J. 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