利用MEMS技術(shù)制作無線通信用RF元件

　　最近幾年利用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS；Micro Electro Mechanical System）技術(shù)，在硅晶圓基板表面制作機(jī)電結(jié)構(gòu)的技術(shù)備受關(guān)注，主要原因移動(dòng)電話與WLAN（Wireless Local Wireless Network）等無線通信，隨著寬頻化、高頻化、全球化的技術(shù)進(jìn)化，高頻用射頻元件（Radio Frequency devices）成為不可或缺的關(guān)鍵性元件，尤其移動(dòng)電話的RF單元必需使用高Q值，適合2～5GHz高頻的FBAR濾波器（Film Bulk Acoustic Resonator filter）的發(fā)展，更是受到通信業(yè)者高度注意。有監(jiān)于此本文要介紹FBAR濾波器（filter）、RF-MEMS開關(guān)（switch），以及MEMS可變電容器的制作技術(shù)。

　　發(fā)展經(jīng)緯

　　寬頻化后的移動(dòng)電話面臨HSDPA（High Speed Downlink Packet Access）、Super3G、4G等技術(shù)挑戰(zhàn)，在此同時(shí)WLANIEEE802同樣面臨2.5GHz、5GHz、WiMAX（World Interoperability for Microwave Access）系統(tǒng)高頻領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化等問題。

　　針對2.0GHz以上的高頻化需求，除了必需使用頻率范圍比SAW濾波器更高的FBRA濾波器之外，高頻電路的小型化、低成本化、模組化、一體化（monolithic）也是業(yè)者必需克服的難題，一般認(rèn)為在硅晶圓基板表面制作RF-MEMS，可以獲得較佳的競爭優(yōu)勢。

　　在此同時(shí)移動(dòng)電話與WLAN寬頻化后，電路系統(tǒng)的消費(fèi)電力也隨著增加，而且更容易受到多通衰減（multi pass facing）的影響，有效對策例如使用適應(yīng)型陣列天線（adaptive array antenna）技術(shù)等等。然而利用RF元件達(dá)成上述技術(shù)時(shí)，必需使用可變或是可切換元件，因此低損失、低歪斜MEMS元件的發(fā)展，受到無線通信業(yè)者高度期待。

　　有關(guān)寬頻化方面的進(jìn)展，雖然多頻（multi band）已經(jīng)行之多年，不過系統(tǒng)切換用開關(guān)要求使用低損失、高絕緣、低歪斜的RF開關(guān)。

　　有關(guān)終端高性能方面的進(jìn)展，國外通信業(yè)者正積極開發(fā)軟體選擇「軟件無線技術(shù)（SDR；Software Defined Radio）」，試圖應(yīng)用在各種移動(dòng)通信系統(tǒng)，在此前提下如果應(yīng)用MEMS技術(shù)，可望制成可變電容器與可變電感器等無線通信元件。

　　FBRA濾波器的制作技術(shù)

　　首先介紹5GHz WLAN用、2GHz W-CDMA用FBRA共振體與濾波器的構(gòu)造、壓電薄膜與電極膜的選擇槽穴（cavity）的制作方法，以及低損失寬頻化BRA濾波器的設(shè)計(jì)技巧。

　　所謂FBRA是指壓電體被施加交流電界時(shí)，壓電體厚度方向發(fā)生振動(dòng)，利用壓電體具備的固有振動(dòng)特性的共振器而言。FBRA的動(dòng)作特性與 、 、石英bulk共振體非常類似，不過傳統(tǒng) bulk共振體高頻化時(shí)有一定極限，無法應(yīng)用在 等級，必需改用SAW構(gòu)成的共振體與濾波器。目前SAW元件廣泛應(yīng)用在行動(dòng)電話，全球市場需求量更高達(dá)20億個(gè)以上，F(xiàn)BRA與SAW元件處于相互競爭的局面，不過FBRA具備以下優(yōu)點(diǎn)：

　?、? 無微細(xì)圖案（fin pattern）容易高頻化，電極的耐電力性非常高。

　?、? 高Q值（表示共振器的銳利度）構(gòu)成的共振體與濾波器損失非常低。

　?、? 在硅晶圓半導(dǎo)體基板上制作FBRA，RF電路可以一體化。

　　如上所述施加交流電界時(shí)壓電體會(huì)自由振動(dòng)，因此FBRA要求一定空間（cavity）。圖1是FBAR與SAW的結(jié)構(gòu)比較，由圖可知FBAR的基本結(jié)構(gòu)，分別在硅晶圓半導(dǎo)體基板上制作具備空間的下方電極、壓電薄膜、上方電極，整體結(jié)構(gòu)非常簡潔。若與SAW的結(jié)構(gòu)比較，SAW必需激振彈性表面波，此外為進(jìn)行收訊基板表面設(shè)置數(shù)十根梳狀電極，至于電極的數(shù)量則取決于共振頻率與電極間距 （圖1（b））。

　　相較之下FBAR的共振頻率是由壓電薄膜厚度決定，雖然空間可以利用傳統(tǒng)干蝕刻技術(shù)制作，不過它屬于異方性干蝕方式，為確保預(yù)期的空間，制作上會(huì)產(chǎn)生所謂的「壞死空間（dead space）」不適合小型化元件加工，而且干蝕刻加工方式不易維持尺寸精度，必需改用可以作深孔蝕刻的Deep-RIE技術(shù)，才能夠獲得小型、高精度的共振器（圖2）。

　　壓電薄膜通常都使用AIN、ZnO等材料。表1是使用AIN、ZnO壓電薄膜的特性比較，由表可知ZnO具有高電氣機(jī)械結(jié)合系數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，不過綜合考慮音速、頻率溫度系數(shù)、高Q等特性時(shí)，研究人員最后決定改用AIN材料。

　　材料 AIN ZnO

　　電氣機(jī)械結(jié)合系數(shù)k2（%） 6.5 8.5

　　頻率溫度系數(shù)（ppm/℃） -25 -60

　　音速（m/s） 11300 6080

　　高Q 良好 控制復(fù)雜

　　表1 壓電薄膜的特性比較

　　圖3是使用AIN與ZnO材料的壓電薄膜，5GHz時(shí)的共振特性比較，如圖所示使用AIN的壓電薄膜具有尖銳（sharp）良好的共振特性，濾波器低損失化與寬頻化時(shí)要求結(jié)晶性良好的AIN，尤其是AIN的c軸配向非常好，它對電極薄膜的選擇與表面狀態(tài)是非常重要的要素。

　　電極材料的要求特性分別如下:

　?、?高音響阻抗（impedance）（亦即高楊氏率、高密度）。

　　⑵.低阻抗。

　　⑶.低表面粗糙性。

　　因此新世代FBAR的電極使用高音響阻抗Ru材料。Ru質(zhì)電極表面狀態(tài)經(jīng)過平坦化加工，在其上方堆積的AIN可以順利達(dá)成高配向化，若與傳統(tǒng)Mo電極材料比較，Ru質(zhì)電極可以獲得高Q值，圖4是FBAR的壓電薄膜與電極斷面構(gòu)造。

　　濾波器的設(shè)計(jì)經(jīng)常應(yīng)用在SAW濾波器，圖5是梯型（Ladder Type）FBAR濾波器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖所示它是由并聯(lián)碗型共振器與串聯(lián)碗型共振器，兩者呈階梯狀連接構(gòu)成，接著使兩種共振器的反共振頻率接近一致，如此就能夠獲得良好的頻通（band pass）特性。此處為了賦予并聯(lián)與串聯(lián)共振器頻率差，因此在并聯(lián)碗型共振器上方制作負(fù)載膜，利用它的質(zhì)量負(fù)載效應(yīng)使頻率低于聯(lián)碗型共振器。此時(shí)只要設(shè)定連接后的共振器基本區(qū)段間段數(shù)，控制并聯(lián)碗型共振器的靜電容量比，以及晶片或是封裝內(nèi)配列的電感（inductance）（Lo，Lp），就能夠控制濾波器的損失與衰減特性，獲得低損失高頻通特性的濾波器。

　　研究人員應(yīng)用上述技術(shù)分別開發(fā)兩種濾波器，分別是北美歐洲地區(qū)用5.15～5.35GHz寬頻FBAR濾波器，與日本地區(qū)用5.15～5.25GHz窄頻FBAR濾波器。

　　圖6是北美歐洲地區(qū)用5.15～5.35GHz寬頻FBAR濾波器的特性，由圖可知該濾波器的損失低于2dB以下，SAW濾波器若與傳統(tǒng)陶瓷濾波器比較，不論是損失或是頻通都具有非常優(yōu)秀的特性；有關(guān)耐電力特性，F(xiàn)BAR濾波器若與SAW比較，同樣具有非常優(yōu)秀的特性。

　　圖7是研究人員改變制程試作可以內(nèi)建在2.0×1.6×0.6mm小型封裝內(nèi)的2GHz FBAR濾波器的特性，根據(jù)測試結(jié)果顯示，它可以獲得非常優(yōu)秀的損失與頻通抑壓特性。

　　RF-MEMS開關(guān)的制作技術(shù)

　　行動(dòng)電話內(nèi)部的GaAs半導(dǎo)體開關(guān)，主要功能是切換天線與頻域（band），通訊頻率越高損失越大，絕緣特性相對降低，歪斜特性則隨著增加，整體通信性能明顯劣化。根據(jù)研究報(bào)告指出機(jī)械式RF-MEMS開關(guān)，在高頻范圍可以獲得低損失、高絕緣以及線性特性。

　　圖8是典型接觸式MEMS開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)，如圖所示它是在設(shè)有信號線路的基板制作金屬接點(diǎn)形成懸臂（cantilever）結(jié)構(gòu)，利用連動(dòng)器（actuator）驅(qū)動(dòng)進(jìn)行開、閉動(dòng)作，利用薄膜的積層與圖案化為主的表面加工制程制成的連動(dòng)器，整體結(jié)構(gòu)非常簡潔，因此成為靜電驅(qū)動(dòng)型MEMS開關(guān)的主流。

　　此外制作微米等級的高精度間隙（gap），長膜時(shí)要求精密的應(yīng)力控制技術(shù)，一般認(rèn)為不易實(shí)現(xiàn)低損失要求的線路低阻抗化，因此研究人員開發(fā)不需要應(yīng)力控制可以實(shí)現(xiàn)低損失的RF-MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)（圖9）。

　　新型RF-MEMS開關(guān)同樣采用靜電驅(qū)動(dòng)型懸臂設(shè)計(jì)，信號線路利用厚膜電鍍技術(shù)制作，它可以達(dá)成低阻抗化要求。具體步驟首先在高阻抗Si的SOI（Silicon on Insulator）表面制作上層硅，接著利用蝕刻技術(shù)通過欄柵（slit），去除中間的氧化膜形成懸臂，由于厚質(zhì)bulk硅的懸臂是由薄膜構(gòu)成，因此幾乎無應(yīng)力變形問題，而且能夠在電鍍金屬之間形成高精度狹窄間隙。

　　此時(shí)若對電鍍制成的GND電極，與懸臂上方的驅(qū)動(dòng)電極之間施加電壓，懸臂受到靜電影響會(huì)朝上方反翹，前端接點(diǎn)與信號線接觸變成ON狀態(tài)，懸臂同時(shí)利用接點(diǎn)支撐，由于懸臂擁有的彈簧系數(shù)非常大，因此構(gòu)造上驅(qū)動(dòng)電極一直到最后，都不會(huì)主動(dòng)與GND電極接觸。

　　此外驅(qū)動(dòng)電極與GND電極不需要挾持絕緣層，所以不會(huì)因?yàn)榻^緣層charge up（亦即未施加電壓狀態(tài)下出現(xiàn)ON現(xiàn)象）發(fā)生誤動(dòng)作，一旦切斷驅(qū)動(dòng)電壓利用懸臂的彈性，接點(diǎn)會(huì)跳脫信號線變成OFF狀態(tài)。圖10是RF-MEMS的電子顯微鏡照片；圖11是編號SP4具備一個(gè)輸入四個(gè)輸出的RF-MEMS開關(guān)電子顯微鏡照片，SP4的驅(qū)動(dòng)電壓低于10V，屬于低電壓靜電驅(qū)動(dòng)型RF-MEMS開關(guān)；圖12是上述新型RF-MEMS開關(guān)的動(dòng)作特性，設(shè)計(jì)目標(biāo)是2GHz時(shí)的損失低于0.3dB，絕緣大于30dB。

　　MEMS可變電容器的制作技術(shù)

　　目前大部份的移動(dòng)電話RF電路單元，包含模擬被動(dòng)元件在內(nèi)的頻率都被固定，隨著移動(dòng)電話高性能化，市場強(qiáng)烈要求RF模組小型化，同時(shí)必需能夠支援多頻化（multi band），一般認(rèn)為同一個(gè)RF電路如果具備可以支援多頻的可變同調(diào)功能，就能夠大幅抑制電路制作成本與電路規(guī)模。接著介紹可以實(shí)現(xiàn)可變電容器被動(dòng)元件的MEMS可變電容器的制作技術(shù)。有關(guān)MEMS可變電容器的結(jié)構(gòu)，例如平行平板型或是梳狀齒形電極，不易同時(shí)獲得寬廣可變?nèi)萘浚ǎ┡c高Q值，此外目前移動(dòng)電話常用的利用電壓控制容量的可變電容器（Varactor），雖然可變?nèi)萘浚ǎ┓浅拸V，不過Q值卻不如預(yù)期高，因此研究人員決定利用MEMS技術(shù)，開發(fā)兩者兼具的次世代可變電容器。

　　圖13是次世代MEMS可變電容器的基本構(gòu)造，如圖所示它是利用懸浮在空中的薄膜狀上方可動(dòng)電極，與下方可動(dòng)電極挾持狹窄間隙，在封密領(lǐng)域形成電容器（Capacitor），此時(shí)為了獲得大容量，因此在下方可動(dòng)電極上方制作高誘電率絕緣性薄膜。一般積層薄膜容易殘留薄膜應(yīng)力不易獲得平坦形狀，必需有效利用電極的反翹特性設(shè)計(jì)可變結(jié)構(gòu)，具體方法使電容器單元的下方可動(dòng)電極朝上方彎曲（凸?fàn)睿?，其中一部份接近上方可?dòng)電極，一旦對上下方可動(dòng)電極之間施加電壓，利兩電極之間的靜電吸引力使近接部位朝中心移動(dòng)，兩電極之間的間隙變窄電容量也隨著改變，電極近接部位產(chǎn)生的靜電變大，即使低電壓也可以高精度控制電極之間的間隙，實(shí)現(xiàn)低電壓大容量可變電容器的預(yù)期目標(biāo)。

　　圖14是試作靜電驅(qū)動(dòng)型MEMS可變電容器（1.5×1.8mm）的外形；圖15是施加電壓時(shí)的電容量變化特性，根據(jù)測試結(jié)果顯示次世代MEMS可變電容器，5V的驅(qū)動(dòng)電壓可以獲得寬廣容量變化，從0V到5V反覆次連續(xù)改變施加電壓，它的容量變化幾乎完全相同。

　　為實(shí)現(xiàn)高Q值通常必需降低信號線的阻抗損失、基板的誘電損失，不過研究人員發(fā)現(xiàn)透過信號線路的最佳化設(shè)計(jì)、上下方可動(dòng)電極的中空配置、改用玻璃材質(zhì)基板等等，可以有效降低上述各種損失，即使2.4GHz也能夠獲得40左右的高Q值，整體而言次世代靜電驅(qū)動(dòng)型MEMS可變電容器的電容可變范圍是傳統(tǒng)的2倍以上。

　　結(jié)語

　　以上介紹次世代高頻無線通信不可或缺的關(guān)鍵性元件，F(xiàn)BAR濾波器（filter）、RF-MEMS開關(guān)（switch），以及MEMS可變電容器的制作技術(shù)。(fengminxing)