利用MEMS技术制作MMIC的三维电容电感和滤波器

时间：2007-05-24

随着信息时代的发展，对于无线通信设备中的一些外接的分立元件的微型化、低功耗及可携带性提出了更高的要求。现在通常采用单片微波集成电路（MMIC）技术来制作微波电路器件。传统的MMIC技术制作电路的特点是：用半绝缘材料（GaAs）作绝缘衬底；将衬底的背面金属化，且作为地。但是MMIC技术也存在其不可避免的缺点：由于GaAs的成本较高，使得采用MMIC技术制作的微波器件的成本也比较高；当频率大于12GHz后，器件必须用通孔才能做到与地充分接触，而且毫米波通过通孔使电路性能变差；还有采用MMIC技术制作的无源器件的面积占到了整个器件的绝大部分；采用MMIC技术制作的无源器件的Q值也比较低。

为了克服MMIC技术的缺点，人们开始对微电子机械系统（MEMS）技术的研究产生了极大的兴趣，MEMS是一项有广泛应用前景的新兴应用基础技术。利用MEMS技术可以使无线通信设备中的外接分立元件达到微型化，低功耗及可携带性的要求。MEMS采用深刻蚀技术，实现宏观机械上的三维结构，使以前的无源器件的小型化成为可能，同时将版图面积大幅度下降，另外更加容易集成；牺牲层技术MEMS的一项十分重要的技术，它是制作可动、可调器件的关键；MEMS的器件主要是以Si作为加工材料，这就使它相对传统的利用MMIC技术制作的器件的成本大幅度下降，而且由于有微电子技术的支持，使得MEMS的集成化成为可能。MEMS的这些特点也就决定了它向微小型化、多样性和微电子技术方向不断发展。

根据MEMS和MMIC技术特点，希望能够制成一种结合两种技术优点的器件或电路。由于微波器件和电路对频率的要求比较高，故在其使用之前必须进行频率的匹配工作，而且器件和电路的个体差异较大，所以匹配工作比较烦琐且无统一的规律可循。传统的滤波器版图面积比较大，而且频率较低，故准备设计并制作一个利用MEMS技术制作的滤波器，采用三维电容和高Q值电感器件，从而可以比较和方便的调整电路的固有频率，并且比较有效的缩小版图面积，体现其高集成的特性。

一、滤波器的设计与计算

滤波器作为微波通讯中不可缺少的重要器件之一，一直都是人们努力优化设计的对象。考虑到本次设计的滤波器将主要应用于无线通讯设备中，将它的低通截止频率设计在2GHz附近，输入和输出的阻抗为50殴姆。下面主要分析切比雪夫滤波器和巴特沃兹滤波器设计过程。

●　切比雪夫滤波器的拓扑图如图1所示，利用MATLAB编程计算得到其参数值为Rs=50(殴姆), Rl=50(殴姆), C1=2.1(pF), C2=1.3(pF) ,L1=4.4118(nH), L2=7.0441(nH)，并用PSPICE进行模拟，模拟结果如图2所示。

●　巴特沃兹滤波器的拓扑图如图3所示，利用MATLAB编程计算得到其参数值为Rs=50(殴姆)，Rl=50(殴姆)，C1=1.6(pF) ,C2=1.6(pF)，L1=7.9577(nH)，并用PSPICE进行模拟，模拟结果如图4所示。

巴特沃兹滤波器虽然通带比较平稳，但是截止频率处衰减较大，所以考虑通过提高截止频率实现在2GHz处的低衰减特性。再通过PSPICE进行模拟，可以得到在截止频率为4GHz时，f=2GHz处的衰减较小，如图5所示，故采用该截止频率得到的设计参数为Rs=50殴姆，Rl=50殴姆，C1=0.8pF，C2=0.8pF，L1=4.0nH。与切比雪夫滤波器比较，提高截止频率后，巴特沃兹滤波器的优点更为突出。所以本文将采用巴特沃兹滤波器进行设计计算。

二、三维电容的设计与计算

由于电容的性能决定了整个电路性能的好坏，所以可调电容以及容值较易改变的电容已经成为电容的发展趋势。提出了在电容的两个极板上外加静电偏置电压，使极板间的距离发生变化，从而达到改变容值的方法，并且可以将电容的两个极板制成梳状结构，增大它的容值及其改变量。由于集成电路中无源器件占的面积比较大，而且想改变它的大小又必须改版，很不方便。有资料提出一种堆叠式的电容，虽然它的面积下降很多，但是由于它采用多层工艺，技术难度较大，所以本文提出一种三维电容。

考虑到侧面介质厚度比水平面较薄，侧面介质厚度d3为

d3=k*d2 (0<1)

该三维电容的容值为：

其中参数的意义分别为：

　SiO2： SiO2的介电常数

　l1:　槽的宽度

　l2:　凸台的宽度

　W:　槽的长度

　d1:　槽深

　d2:　水平面上介质厚度

　n: 　槽的个数

　a:　槽的侧面与底面的夹角

　k:　槽的侧面介质厚度与底面介质厚度的比

经化简可得：

对于采用传统的平面电容，其容值为C'=Esio2xWxNx(l1+l2)/d2

这样就可以得到在相同面积下，三维电容的容值与传统的平面电容的容值的比Y。

由滤波器的设计一节中，可知截止频率f=4GHz时，计算得到电容值为0.8pF，选取介质厚度为0.3um，SiO2的介电常数为3.8，k=0.8，陡直度为85o，选取槽的宽度为6um，凸台的宽度为4um，槽深20um，槽的个数为4，横向宽度35um，边上的两个台面上引线电极长度均为21um，其示意图如图6所示。从而得到三维电容面积为3200um2，而平面电容的版图面积为7100um2，采用三维电容之后，面积只有平面电容的32％。

三、电感的设计与计算

本次设计的电感采用平面矩形螺旋电感，提出此电感的计算方法:

Ls=0.02l*{ln2l/(a+b)+0.50049+(a+b)/3l}
Lm=2l*{ln[l/d+(1+((l/d)*(l/d))^1/2]-((1+(l/d)*(l/d))^1/2+d/l}

其中Ls表示自感，Lm表示互感，单位均为uH，d表示线圈之间的中心距离，a和b分别表示导线的宽度和厚度。根据工艺条件，选取参数值为：d=10um，a=10um，b=2um，内部孔隙32umx32um，将模拟计算结果L=4nH代入MATLAB程序，计算结果为31段，约为8圈，版图面积为0.053mm2。

四、相关技术的进一步讨论

1.二氧化硅层的保护

制作这种三维电容需要注意的问题是当淀积第二层SiO2时，由于温度过高，可能会将层的金属破坏，故必须在蒸层金属的时候，掺杂抗高温的材料，例如Ti、Wu等。

2.深刻蚀的实现

由于这种三维电容槽的深宽比较大，所以不能采用传统的反应离子刻蚀（RIE）方法。提出一种采用CCl2F2/O2的高深宽比硅槽的刻蚀技术。CCl2F2/O2的刻蚀机理为：在合适的压力和ICP功率范围内，CCl2F2离解出大量的Cl粒子和CFx粒子，在后者对Si表面的轰击下，前者与溅射出的Si原子反应生成挥发性的SiCl4，产生刻蚀。O2的加入一方面形成钝化层SixOyFz保护侧壁，另一方面通过消耗CFx粒子减少其与Cl的再结合而达到加速的目的。本实验中采用ICP技术实现深刻蚀。从图7所示刻蚀效果图中可以看出，其陡直度是可以满足要求的。

3.电感的设计

有一种立式的电感结构，其设计中均将衬底除去，而这篇文献中设计的电感线圈依然在硅衬底上。由于电感的Q值远远低于电容的Q值，故为了提高整个电路的性能，必须尽量提高电感的Q值。本次设计中采用了将电感线圈的背面衬底掏空和淀积聚酰亚胺的办法，来达到这个目的。具体的结构如图8所示。

五、结论

采用MEMS技术制作三维电容和电感的滤波器，较传统的滤波器有了很大的改善。采用ICP可以刻蚀出具有高深宽比的深槽，从而实现三维电容，大大减小电容的版图面积，提高了集成度。电感采用背面腐蚀技术，去掉硅衬底，减少了衬底损耗。这些工艺与IC工艺兼容，从而实现滤波器的单片集成。

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