用于射频MEMS器件陶瓷基板的新型制成技术

微机电系统因其巨大的能力和良好的品质而经常用于T/R模块，特别是用于空间模块化应用。将MEMS技术用于射频应用可以制成高性能和低成本的集成元件，如可变电容器、电感器和开关。

因此，RF MEMS技术提供了先进的解决方案射频信号切换设备。该技术允许大幅减少设备尺寸和连接数量，以在0到50 GHz的大带宽信号下运行，并具有一致的性能。事实上，MEMS器件由于其极小的尺寸、开路状态下的高隔离度、短路状态下的低插入损耗和高线性质而被认为是一种很有前景的技术。此外，将MEMS器件与传输线单片集成在具有高介电常数的衬底上，例如陶瓷基板陶瓷衬底氧化铝、氮化铝、LTCC等，可以制造复杂的器件例如移相器、功率分配器、可调谐滤波器、耦合器等。

射频MEMS制造只需要表面微加工技术，Optel技术独立于所使用的陶瓷基板，因为它只需要薄膜PVD金属沉积、CVD钝化和电镀金。

Optel技术能够在不同的基板上制造可靠的射频MEMS器件：

1、Si(用于消费电子和CMOS技术的集成)

2、GaAs(用于半导体技术和高频应用中的集成)

3、GaN/Si(用于单片集成有源大功率、高速放大电子器件，例如GaN-HEMT)

此外，除了半导体陶瓷基板之外，RF MEMS器件已在陶瓷如氧化铝和LTCC抛光基板上单片制造。使用陶瓷基板的主要优点是良好的热稳定性、优异的硬度和耐磨性、良好的耐腐蚀性、优异的介电性能和可接受的导热性。

在制造过程的稳定性是由于Optel技术在静电和电磁水平上对半导体上MEMS器件进行了许多改进。虽然，陶瓷基板不受电离辐射的影响，因此避免了空间应用中产生电荷的许多问题。最后，电荷俘获现象是半导体上RF MEMS器件失效的最重要原因之一，也可以完全避免，因为高隔离基板上不需要电介质。事实上，去除梁下方的电介质，以及引入固定在基板上或集成到梁中的凹坑以停止桥驱动，

此外，Optel技术是一种低成本技术，相对于成熟的硅上射频MEMS制造而言。事实上，半导体基板比陶瓷基板更昂贵，提出的技术是一种用于微电子无源器件的工艺。这可以在没有源IC的过程(例如掺杂、离子注入和氧化物生长)的情况下完成。

在RF MEMS器件的标准提议工艺中，有4个金属化层：一个电阻层、一个导电层和2个电流厚度层。它们由2个钝化层隔开，其中通孔打开以提供与底层的互连。牺牲层是光致抗蚀剂，其上的膜由电流生长限定。

作为第一步，沉积600nm厚的氮化硅作为绝缘层，沉积并定义高电阻金属以创建驱动焊盘和偏置线。接下来，沉积新的氮化硅层以提供驱动电极所需要的高隔离度，然后在氮化硅层内定义和蚀刻接触直流通路。沉积并定义多层金属地下通道以及在电桥下方创建射频线，并由第二钝化层覆盖，该钝化层为射频线提供绝缘层。然后，在氮化硅内打开射频通孔。接下来，沉积并定义金属层以提供低电阻电接触。定义悬梁所需的牺牲层由3微米 厚的光刻胶，在电镀金之前沉积多金属层以获得电连续性层。然后，生长1 微米厚的金属层来定义膜，并生长2 微米厚的金属层来定义RF线。最后，通过等离子蚀刻工艺去除牺牲层(图1和图2)。

 

对于陶瓷基板上的制造工艺，钝化层可以减少到只需要在DC和RF线路之间进行隔离的小区域，并且可以在桥下完全去除。

关键步骤是膜定义和牺牲层去除，特别是减少对膜的离子轰击是一个众所周知的问题，它可能导致干法蚀刻工艺后的膜受到应力和变形。事实上，牺牲层蚀刻需要高度受限的等离子体，以尽量减少对金属悬浮结构的损坏。所以，适当改变工艺条件，效果一直不错。梁的特点是应力非常低、平整度高，并且在等离子体蚀刻过程中不会因减少热和离子碰撞而造成损坏。此外，半导体和块状或多层陶瓷的机械行为均未发生变化(图3)。

最后在表4，显示了三种RF MEMS开关的性能比较，但所呈现的性能并不具有密切的可比性，因为它们涉及开发研究原型。无论如何，关于Optel开关，悬臂拓扑已显示出DC和RF性能之间的最佳平衡。通常，欧姆接触MEMS开关的主要缺点是，由于电桥和传输线之间的非零接触电阻，它们相对于电容开关显示出更高的损耗，并且由于陶瓷基板的固有粗糙度而进一步增加了接触电阻。此外，接触区域容易产生高电流密度和可能的材料转移，从而导致过早失效。但另一方面相对于双锚式开关(固定-固定串联和分流)，悬臂式开关可缩短驱动时间并降低吸合电压。为了获得紧凑的低损耗欧姆接触悬臂MEMS开关，已经对这些方面进行了准确的分析和优化。

因此，所设计的悬臂开关已成为可重构射频MEMS器件的构建块。在Optel的活动旨在设计用于高频通信的T/R模块中的设备，例如步进延迟模块、移相器和功率分配器。这种器件需要低插入损耗、高可重构性和小尺寸。RF MEMS器件代表了一种极具吸引力的替代方案，可满足这一要求。因为与传统MMIC相比，RF MEMS器件保证了低损耗、低功耗和出色的线性度。此外，高频通信需要具有电子波束控制的发射和接收天线系统，RF MEMS可用于移相器，以控制天线阵列的各个辐射元件的相位。

审核编辑：汤梓红