高性能RF MEMS全硅腔-基片集成濾波器工藝及可重構(gòu)技術(shù)研究.pdf

1、本論文圍繞RF MEMS（RF microelectromechanical systems）濾波器的加工工藝和可重構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，分別研究了基于硅微加工技術(shù)的全硅腔凋落?？烧{(diào)濾波器和基于商用RF MEMS器件的可重構(gòu)微帶濾波器，具體研究內(nèi)容如下。
　?。ㄒ唬┦状翁岢龌诠栉⒓庸ぜ夹g(shù)的K–Ka頻段二階RF MEMS全硅腔凋落模可調(diào)帶通濾波器，并提出基于純金濺射工藝的新型微齒薄膜用于該濾波器的頻率調(diào)諧。該濾波器的耦合凋落模腔體諧振器采用

2、四甲基氫氧化銨（TMAH）濕法刻蝕技術(shù)制作在(700±25)-?m厚低阻（電阻率5–10Ω·cm，下同）硅襯底上，表面金屬淀積采用1-?m厚純金濺射工藝；微齒薄膜的齒同樣采用 TMAH濕法刻蝕技術(shù)制作在(300±25)-?m厚低阻硅襯底上，1-?m厚濺射金薄膜采用硅的二氟化氙氣體干法刻蝕釋放。提出的濾波器具有在23–35 GHz范圍內(nèi)通帶中心頻率連續(xù)可調(diào)，濾波器品質(zhì)因數(shù)（Q）高（530–750）和靜電驅(qū)動(dòng)電壓低（小于140 V）的優(yōu)勢。

3、對(duì)于實(shí)現(xiàn)相同的頻率調(diào)諧范圍，微齒薄膜的靜電驅(qū)動(dòng)電壓遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)商用壓電執(zhí)行器膜片，且不存在壓電執(zhí)行器膜片偏置電壓—形變關(guān)系的遲滯效應(yīng)；與相同物理尺寸的平面金膜相比，微齒薄膜的靜電驅(qū)動(dòng)電壓減小了2倍以上。
　?。ǘ┦状翁岢龌诮稹⑩C雙金屬源共濺射技術(shù)的抗蠕變納米晶粒金釩合金微齒薄膜，研究了金釩合金微齒薄膜的抗蠕變性能。針對(duì)純金微齒薄膜在 RF MEMS全硅腔可調(diào)濾波器寬頻率范圍調(diào)諧中的蠕變，在濺射金薄膜中引入極少量的釩（2.2原子百

4、分比（at.％）釩）可以大幅度細(xì)化晶粒，增大材料的屈服強(qiáng)度，明顯提升薄膜的抗蠕變性能，這符合金屬薄膜的晶界強(qiáng)化機(jī)制。首次在微齒薄膜加工中引入純氬氣環(huán)境中的2小時(shí)300℃退火工藝，進(jìn)一步提升了薄膜的抗蠕變性能。1-?m厚共濺射金釩合金微齒薄膜制作在(300±25)-?m厚低阻硅襯底上；采用X射線光電子能譜技術(shù)（XPS）檢測金釩合金薄膜中的釩含量；用場發(fā)射掃描電子顯微技術(shù)（FESEM）觀察比較退火前后薄膜表面的晶粒形貌并測量薄膜的平均表面晶

5、粒尺寸；在微力探針臺(tái)上測量微齒薄膜的應(yīng)力松弛響應(yīng)，量化比較薄膜的抗蠕變性能。金釩合金（2.2 at.%釩）微齒薄膜的平均表面晶粒尺寸比純金微齒薄膜減小了50%以上，其穩(wěn)態(tài)應(yīng)力松弛響應(yīng)在第3和第12小時(shí)處的應(yīng)力松弛速率分別為后者的約1/2和1/10，且12小時(shí)的回復(fù)力衰減量比后者減少13.4%。提出的金釩合金薄膜與傳統(tǒng)純金薄膜加工工藝兼容性好，抗蠕變性能明顯優(yōu)于后者，能夠有效地改善薄膜使能的RF MEMS器件長期工作下的機(jī)械可靠性。

6、>　?。ㄈ┰冢ǘ┑幕A(chǔ)上首次深入研究了2小時(shí)300℃退火和改變釩含量對(duì)金釩合金薄膜機(jī)械和電氣性能的影響。采用相同物理尺寸和加工工藝制備了釩含量分別為0.7 at.%和6.8 at.%的金釩合金微齒薄膜。類似地，薄膜的釩含量和平均表面晶粒尺寸分別用XPS和FESEM技術(shù)測得，薄膜的應(yīng)力松弛響應(yīng)用微力探針臺(tái)測得。實(shí)驗(yàn)表明，金釩合金（0.7或6.8 at.%釩）薄膜的平均表面晶粒尺寸與金釩合金（2.2 at.%釩）薄膜差異不大，但均遠(yuǎn)小于

7、純金薄膜的平均表面晶粒尺寸。兩種晶界強(qiáng)化金釩合金（0.7和2.2 at.%釩）微齒薄膜的12小時(shí)穩(wěn)態(tài)應(yīng)力松弛響應(yīng)無明顯區(qū)別，但明顯優(yōu)于純金薄膜。固溶強(qiáng)化金釩合金（6.8 at.%釩）微齒薄膜在所有被測材料薄膜中抗蠕變性能最好，且明顯優(yōu)于前兩種晶界強(qiáng)化金釩合金薄膜，其3小時(shí)的回復(fù)力衰減量僅約6%，分別是純金和金釩合金（2.2 at.%釩）微齒薄膜同期衰減量的約1/4和1/3，且在第3小時(shí)處的應(yīng)力松弛速率分別是后兩者的約1/9和1/5。實(shí)驗(yàn)

8、還發(fā)現(xiàn)在該退火條件下，純金薄膜退火后重結(jié)晶顯著導(dǎo)致應(yīng)力松弛明顯改善，但金釩合金薄膜退火后重結(jié)晶不明顯且應(yīng)力松弛無明顯改善。
　　在對(duì)金釩合金電氣性能的評(píng)估中，實(shí)驗(yàn)采用四端傳感技術(shù)測量了2小時(shí)300℃退火前后(500±50)-nm厚純金和金釩合金薄膜的表面電阻Rs，并計(jì)算出了薄膜的電阻率ρ和電導(dǎo)率σ。然后，實(shí)驗(yàn)基于500-?m厚石英襯底接地共面波導(dǎo)傳輸線測量了退火前后的純金和金釩合金（2.2 at.%釩）薄膜在毫米波20–40 GH

9、z頻段的傳輸性能，并計(jì)算出了薄膜的射頻衰減因子α。直流（四端傳感技術(shù)）和射頻（S參數(shù)）測量方法驗(yàn)證了薄膜電導(dǎo)率的一致性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，2小時(shí)300℃退火可以明顯提高純金薄膜的電導(dǎo)率，但是對(duì)改善金釩合金薄膜的電導(dǎo)率無明顯作用。退火后金釩合金（2.2 at.%釩）薄膜表面電阻為339.10 mΩ/□，電導(dǎo)率為5.9 MS/m，衰減因子為0.327–0.410 dB/mm。金釩合金（2.2 at.%釩）薄膜的電阻率約為純金薄膜的5倍，這是由于薄膜

10、平均晶粒的大幅度減小增大了晶界處的電子散射密度。
　　（四）基于商用RF MEMS開關(guān)和帶通—準(zhǔn)吸收式帶阻級(jí)聯(lián)濾波器拓?fù)?，提出了L頻段RF MEMS可重構(gòu)窄帶陷波微帶帶通濾波器。該濾波器中，1.575-GHz三階靜態(tài)窄帶帶通濾波器采用小型化發(fā)夾線形諧振器實(shí)現(xiàn)，而與帶通濾波器級(jí)聯(lián)的兩個(gè)準(zhǔn)吸收式帶阻濾波器采用Omron商用RF MEMS電阻性開關(guān)進(jìn)行陷波頻率的切換。提出的濾波器實(shí)現(xiàn)了三種可重構(gòu)狀態(tài)，即只含1.575-GHz帶通響應(yīng)、1

11、.575-GHz帶通響應(yīng)加1.525-GHz陷波和1.575-GHz帶通響應(yīng)加1.625-GHz陷波。該可重構(gòu)窄帶陷波實(shí)現(xiàn)了大于90 dB的衰減，這是傳統(tǒng)反射式帶阻濾波器無法實(shí)現(xiàn)的。
　　（五）基于商用RF MEMS可調(diào)電容器和并聯(lián)帶通濾波器拓?fù)?，提出?.95/2.45-GHz頻率切換式恒定帶寬帶通濾波器。該濾波器中，0.95-GHz四階帶通濾波器采用集總電感器和集總電容器實(shí)現(xiàn)，而2.45-GHz四階微帶帶通濾波器采用小型化發(fā)夾