射频微电子机械单刀双掷膜开关及其制造方法.pdf

射频微电子机械单刀双掷膜开关及其制造方法属于微电子机械系统领域。每个单刀双掷膜开关中有一个由微带线构成的微波T形头，其包括一条用作高频信号输入端的信号线和两条与之相连构成对称T形结构的分支信号线，每条分支信号线上各连接有一个相同的单刀单掷膜开关。微波T形头中每条分支信号线的有效长度b与分支信号线到共面波导信号线中点的长度a的总和为输入高频信号波长的1/4。通过控制电路控制两个单刀单掷膜开关的开或关来实现单刀双掷功能。它解决了MEMS膜开关阈值电压高且控制电压干扰传输信号的问题，从而实现了低阈值电压、低隔离度、低插入损耗及良好线性度的目的。其在材料、可靠性、可重复性及低成本方面具有优越特点。

1.  一种射频微电子机械单刀双掷膜开关，其特征是：在该单刀双掷膜开关的下侧设有一个由微带线构成的微波T形头(11)，该微波T形头(11)的下端是一条用作高频信号输入端的信号线(111)，两侧是两条与之相连构成对称T形结构的分支信号线(112、113)，每条分支信号线(112、113)上各有一个单刀单掷膜开关(10)与之对称相连。

2、  根据权利要求1所述的射频微电子机械单刀双掷膜开关，其特征是单刀单掷膜开关(10)的结构为：在衬底(1)上表面的中间设有一条共面波导信号线(21)，位于共面波导信号线(21)两侧分别设有一条直流驱动电极(3)，位于直流驱动电极(3)外侧分别设有一条共面波导地线(22)，绝缘介质层(4)覆盖在共面波导信号线(21)和直流驱动电极(3)的中段，在绝缘介质层(4)的上方设有一个横跨于共面波导信号线(21)之上的平膜(5)以及两个支撑该平膜的支撑梁(6)，其中平膜(5)与绝缘介质层(4)之间为一层空气间隙层(7)。

3、  根据权利要求1或2所述的射频微电子机械单刀双掷膜开关，其特征是：微波T形头(11)中每条分支信号线(112、113)的有效长度b与分支信号线(113)到共面波导信号线(21)中点的长度a的总和为输入高频信号波长的1/4。

4、  一种如权利要求1所述的射频微电子机械单刀双掷膜开关的制造方法，其特征在于采用基于GaAs MMIC工艺制作，具体工艺流程如下：
a、准备衬底(1)：选用砷化镓回抛片，用浓HCL和氨水清洗，同时要注意观测回抛片的步进式光刻机的对准标记是否清晰；
b、淀积并光刻形成微波T形头微带线的金属地层(8)：在砷化镓衬底上，先溅射800/300/2200A的AuGeNi/Au层，然后在超生发生器中剥离该金属层，使得保证在微波T形头的下面形成一层金属地层；
c、淀积一层氮化硅层(9)：用PECVD工艺在裸露衬底及T形头金属地层上生长1000A的SiN介质层；
d、淀积并光刻共面波导信号线与地线(21和22)、支撑梁(6)的桥墩(61)、直流驱动电极(3)以及微波T形头微带线的信号线(111、112、113)：在砷化镓衬底上，先溅射AuGeNi/Au层，然后在超生发生器中剥离该金属层，最后生成开关的共面波导、支撑梁的桥墩、直流驱动电极以及微波T形头的信号线；
e、生长绝缘介质层(4)：在共面波导信号线(21)及直流驱动电极(3)之上，平膜(5)下方用PECVD工艺生长SiN绝缘介质层；
f、淀积并光刻牺牲层：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空气间隙层(7)的厚度，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，仅保留开关膜下的牺牲层；
g、溅射平膜(5)并光刻：在聚酰亚胺层上溅射用于电镀的底金Ti/Au/Ti；
h、光刻并腐蚀Ti/Au/Ti底金层，形成腐蚀孔；
i、电镀金：在55氰基溶液中电镀金；
j、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膜下的聚酰亚胺牺牲层，并用无水乙醇脱水，形成悬浮的开关膜结构。

射频微电子机械单刀双掷膜开关及其制造方法
                          技术领域
本发明是关于一种射频微电子系统单刀双掷膜开关及其制造方法，属于微电子机械系统(MEMS)技术领域。
                          背景技术
和传统的半导体开关例如FET和PIN二极管开关相比较，由于在结构上消除了金属-半导体结和PN结，MEMS膜开关具有很多优点，例如：消除了欧姆接触中的接触电阻和扩散电阻，因此极大的减少了器件的电阻损耗；具有极低的三阶互调积，从而显著的减小了开关的谐波分量和互调分量，线性度非常好；具有较高的开关电容比，通常尺寸下，MEMS开关的开/关电容比约为20-100；静电驱动的RF MEMS开关具有极低的直流功耗，典型的瞬态功耗为10nJ；其几乎能制作在任何衬底上。但是对此种开关的使用仅仅停留在单刀单掷阶段，由于技术上难以突破，单刀双掷的MEMS膜开关的研究进展不大。因为实际使用中需要很多单刀双掷开关，因此MEMS膜开关相对于传统半导体开关的诸多优点无法全面发挥。
                          发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种射频微电子机械单刀双掷膜开关及其制造方法，应用该结构可以解决和缓解MEMS开关中阈值电压高、直流控制电压对高频信号产生干扰、共面波导损耗大的问题，并且可利用单刀单掷膜开关的诸多优点实现单刀双掷功能。本发明的MEMS单刀双掷膜开关具有可靠性高、成本低的优点。
技术方案：本发明的射频微电子机械单刀双掷膜开关的下侧设有一个由微带线构成的微波T形头，该微波T形头的下端是一条用作高频信号输入端的信号线，两侧是两条与之相连构成对称T形结构的分支信号线，每条分支信号线上各有一个单刀单掷膜开关与之对称相连。
单刀单掷膜开关的结构为：在衬底上表面的中间设有一条共面波导信号线，位于共面波导信号线两侧分别设有一条直流驱动电极，位于直流驱动电极外侧分别设有一条共面波导地线，绝缘介质层覆盖在共面波导信号线和直流驱动电极的中段，在绝缘介质层的上方设有一个横跨于共面波导信号线之上的平膜以及两个支撑该平膜的支撑梁，其中平膜与绝缘介质层之间为一层空气间隙层。微波T形头中每条分支信号线的有效长度b与分支信号线到共面波导信号线中点的长度a的总和为输入高频信号波长的1/4。
采用基于GaAs MMIC工艺制作，实现本发明单刀双掷膜开关中的单刀单掷膜开关的具体工艺流程如下：
a、准备衬底：选用砷化镓回抛片，用浓HCL和氨水清洗，同时要注意观测回抛片的步进式光刻机的对准标记是否清晰；
b、淀积并光刻形成微波T形头微带线的金属地层：在砷化镓衬底上，先溅射800/300/2200A的AuGeNi/Au层，然后在超生发生器中剥离该金属层，使得保证在微波T形头的下面形成一层金属地层；
c、淀积一层氮化硅层：用PECVD工艺在裸露衬底及T形头金属地层上生长1000A的SiN介质层；
d、淀积并光刻共面波导信号线与地线、支撑梁的桥墩、直流驱动电极以及微波T形头微带线的信号线：在砷化镓衬底上，先溅射AuGeNi/Au层，然后在超生发生器中剥离该金属层，最后生成开关的共面波导、支撑梁的桥墩、直流驱动电极以及微波T形头的信号线；
e、生长绝缘介质层：在共面波导信号线及直流驱动电极之上，平膜下方用PECVD工艺生长SiN绝缘介质层，绝缘层的宽度为120um，长度由开关膜的长度确定；
f、淀积并光刻牺牲层：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空气间隙层的厚度，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，仅保留开关膜下的牺牲层；
g、溅射平膜并光刻：在聚酰亚胺层上溅射用于电镀的底金Ti/Au/Ti；
h、光刻并腐蚀Ti/Au/Ti底金层，形成腐蚀孔；
i、电镀金：在55氰基溶液中电镀金；
j、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膜下的聚酰亚胺牺牲层，并用无水乙醇脱水，形成悬浮的开关膜结构。
每个单刀单掷膜开关的工作原理为：当在直流驱动电极上不施加电压或施加0电压时，开关平膜横跨于共面波导信号线两端，并通过两个支撑梁支撑于共面波导两条地线上，由于平膜和共面波导信号线的距离(包括空气间隙层与介质层的厚度之和较大，所以它们间的电容值很小，因此高频信号可以几乎不受影响地通过共面波导，开关导通；当在直流驱动电极上施加直流电压的值增加到某个值(该值称为开关的阈值电压)时，由于静电吸引作用，平膜向下弯曲，并歙合到绝缘介质层之上，此时由于平膜到共面波导信号线的距离(仅仅为绝缘介质层的厚度)很小，所以它们间的电容值变得很大，高频信号则被耦合到地，因此开关关断。
本发明的这种单刀双掷开关地工作原理为：微波信号从微波T形头微带线的高频信号输入端输入，并通过两条分支线分为两路，通过控制电路向两个单刀单掷开关的直流驱动电极上施加不同的电压(例如，可在一个单刀单掷开关的直流驱动电极上施加某个大于阈值电压的直流电压，而在另外开关的直流驱动电极上施加0电压)使得一个开关导通而另一个开关关断，则在开关导通的支路信号通过而在开关关断的支路信号截止，从而实现了单刀双掷功能。
区分是否为该结构的标准如下：
(a)单刀双掷开关中有一个由微带线构成的微波T形头结构，该微波T形头结构包括一条高频信号输入端微带线与两条各自和一个单刀单掷开关相连的分支信号线；
(b)每个单刀单掷开关在共面波导信号线两侧各有一个直流驱动电极，用以施加直流电压来控制开关的开或关；
(c)微波T形头中每条分支信号线的有效长度b与分支微带线到共面波导信号线中点长度a的总和为输入高频信号波长的1/4。
满足以上几个条件的结构即应视为该单刀双掷膜开关结构。
有益效果：本发明的这种单刀双掷膜开关具有如下的优点：
①由于在单刀单掷开关中使用了两个额外的直流驱动电极，可以同过这两个直流驱动电极施加直流控制电压来控制开关的开或关，避免了以往开关中通过共面波导信号线施加直流控制电压时引起对传输高频信号的干扰，因此可以很好的减小开关的非线性失真；
②同样是由于上述的两个额外的直流驱动电极的引入，使得直流控制电压可以施加于开关平膜的两侧，这样平膜可以更均匀的受力，可以更容易被所施加的直流控制电压拉下，因此可以有效地减小开关的阈值电压；
③由于微波T形头是由微带线构成的，与采用共面波导信号线相比，其减小了微波信号额外损耗；
④由于从微波T形头分支处到单个单刀双掷开关膜下方的微波信号线的总长度为所传输高频信号波长的1/4，在两个开关中一个导通而另一个关闭时，关闭的开关即相当于一个1/4波长短路器，因此其不对另一开关中传输的信号产生影响，即信号可以完全从另一开关中通过；
⑤同时，由于本发明的开关是微电子机械技术制造，其为无源器件，因此和传统的半导体开关相比，具有插入损耗小、隔离度高以及功率损耗小的优点。
                          附图说明
图1是单刀单掷膜开关的平面示意图，
图2是单刀单掷膜开关的剖面示意图，
图3是单刀双掷膜开关的平面示意图，
图4是图3中A-A’剖面的示意图，
图5是本发明的插入损耗曲线图，
图6是本发明中单个膜开关的隔离度和回波损耗曲线图。
以上图中有：衬底1，单刀单掷膜开关10，微波T形头11，信号输入端信号线111，分支信号线112、113，共面波导信号线21，共面波导地线22，直流驱动电极3，绝缘介质层4，平膜5，支撑梁6，桥墩61，空气间隙层7，微带线的金属地层8，介质层9，分支信号线112、113的有效长度b，分支信号线113到共面波导信号线21中点的长度a。
                         具体实施方式
对于本发明的射频微电子机械单刀双掷膜开关结构，我们已经设计出了完整的实现方案，并通过试验验证测试出了较好的特性。这种射频微电子机械单刀双掷膜开关结构方案具体如下：
本发明的射频微电子机械单刀双掷膜开关中有一个由微带线构成的微波T形头11，其包括一条用作高频信号输入端的信号线111和两条与之相连构成对称T形结构的分支信号线112和113，每条分支信号线上各有一个单刀单掷膜开关10与之对称相连。通过一个控制电路来控制两个单刀单掷开关的的直流驱动电极进行开或关，从而实现了单刀双掷功能。其中，每个单刀单掷膜开关结构10包括：衬底1、一条共面波导信号线21、位于信号线两侧的两个直流驱动电极3、位于直流驱动电极外侧的两条共面波导地线22、覆盖共面波导信号线和直流驱动电极一部分的绝缘介质层4、一个横跨于共面波导信号线之上的平膜5以及两个支撑该平膜的支撑梁6，其中平膜5与绝缘介质层4之间为一层空气间隙层7。本发明中微波T形头每条分支信号线122或123的长度b与分支信号线到共面波导信号线中点的长度a的总和为输入高频信号波长的1/4。
实现上述开关结构的具体方法中包括微带线微波T形头结构的实现方法以及单刀单掷膜开关的实现方法，采用基于GaAs MMIC工艺制作器件。
其中实现本发明的单刀双掷膜开关中的单刀单掷膜开关的具体工艺流程如下：
a、准备衬底1：选用砷化镓回抛片，用浓HCL和氨水清洗，同时要注意观测回抛片的步进式光刻机的对准标记是否清晰；
b、淀积并光刻形成微波T形头微带线的金属地层8：在砷化镓衬底上，先溅射800/300/2200A的AuGeNi/Au层，然后在超生发生器中剥离该金属层，使得保证在微波T形头的下面形成一层金属地层；
c、淀积一层氮化硅层9：用PECVD工艺在裸露衬底及T形头金属地层上生长1000A的SiN介质层；
d、淀积并光刻共面波导信号线与地线21和22、支撑梁6的桥墩61、
直流驱动电极3以及微波T形头微带线的信号线111、112、113：在砷化镓衬底上，先溅射800/300/2200A的AuGeNi/Au层，然后在超生发生器中剥离该金属层，最后生成开关的共面波导、支撑梁的桥墩、直流驱动电极以及微波T形头的信号线；
e、生长绝缘介质层4：在共面波导信号线21及直流驱动电极3之上，平膜5下方用PECVD工艺生长1000A的SiN绝缘介质层。绝缘层的宽度为120um，长度由开关膜的长度确定；
f、淀积并光刻牺牲层：涂覆2um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空气间隙层7的厚度，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，仅保留开关膜下的牺牲层；
g、溅射平膜5并光刻：在聚酰亚胺层上溅射用于电镀的底金Ti/Au/Ti＝500/1500/300A；
h、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；
i、电镀金：在55氰基溶液中电镀金，电镀金层厚度为1.4um；
j、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膜下的聚酰亚胺牺牲层，并用无水乙醇脱水，形成悬浮的开关膜结构。
除此之外，整个技术方案中还需注意一些问题，其中包括：微波T形头微带线的尺寸设计、介质层厚度设计，其关系到高频信号的损耗问题；驱动电极与共面波导尺寸的设计，其对开关高频特性及阈值电压都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：控制电路的设计，其关系到两个开关导通与闭合的同步：上极板膜可以使用平膜，也可使用折叠梁或T形梁以及其他形式，以进一步降低开关的阈值电压。
纵观整个实现该单刀双掷膜开关的工艺过程，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，应用本发明中的单刀双掷膜开关结构易于实现且其可以实现直流、交流分离，改善开关的特性。