利用MEMS技术制作无线通信用RF元件

最近几年利用微机电系统（MEMS；Micro Electro Mechanical System）技术，在硅晶圆基板表面制作机电结构的技术备受关注，主要原因移动电话与WLAN（Wireless Local Wireless Network）等无线通信，随着宽频化、高频化、全球化的技术进化，高频用射频元件（Radio Frequency devices）成为不可或缺的关键性元件，尤其移动电话的RF单元必需使用高Q值，适合2～5GHz高频的FBAR滤波器（Film Bulk Acoustic Resonator filter）的发展，更是受到通信业者高度注意。有监于此本文要介绍FBAR滤波器（filter）、RF-MEMS开关（switch），以及MEMS可变电容器的制作技术。

发展经纬 宽频化后的移动电话面临HSDPA（High Speed Downlink Packet Access）、Super3G、4G等技术挑战，在此同时WLANIEEE802同样面临2.5GHz、5GHz、WiMAX（World Interoperability for Microwave Access）系统高频领域标准化等问题。 针对2.0GHz以上的高频化需求，除了必需使用频率范围比SAW滤波器更高的FBRA滤波器之外，高频电路的小型化、低成本化、模组化、一体化（monolithic）也是业者必需克服的难题，一般认为在硅晶圆基板表面制作RF-MEMS，可以获得较佳的竞争优势。 在此同时移动电话与WLAN宽频化后，电路系统的消费电力也随着增加，而且更容易受到多通衰减（multi pass facing）的影响，有效对策例如使用适应型阵列天线（adaptive array antenna）技术等等。然而利用RF元件达成上述技术时，必需使用可变或是可切换元件，因此低损失、低歪斜MEMS元件的发展，受到无线通信业者高度期待。 有关宽频化方面的进展，虽然多频（multi band）已经行之多年，不过系统切换用开关要求使用低损失、高绝缘、低歪斜的RF开关。 有关终端高性能方面的进展，国外通信业者正积极开发软体选择「软件无线技术（SDR；Software Defined Radio）」，试图应用在各种移动通信系统，在此前提下如果应用MEMS技术，可望制成可变电容器与可变电感器等无线通信元件。

FBRA滤波器的制作技术 首先介绍5GHz WLAN用、2GHz W-CDMA用FBRA共振体与滤波器的构造、压电薄膜与电极膜的选择槽穴（cavity）的制作方法，以及低损失宽频化BRA滤波器的设计技巧。 所谓FBRA是指压电体被施加交流电界时，压电体厚度方向发生振动，利用压电体具备的固有振动特性的共振器而言。FBRA的动作特性与 、 、石英bulk共振体非常类似，不过传统 bulk共振体高频化时有一定极限，无法应用在 等级，必需改用SAW构成的共振体与滤波器。目前SAW元件广泛应用在行动电话，全球市场需求量更高达20亿个以上，FBRA与SAW元件处于相互竞争的局面，不过FBRA具备以下优点： ⑴. 无微细图案（fin pattern）容易高频化，电极的耐电力性非常高。 ⑵. 高Q值（表示共振器的锐利度）构成的共振体与滤波器损失非常低。 ⑶. 在硅晶圆半导体基板上制作FBRA，RF电路可以一体化。 如上所述施加交流电界时压电体会自由振动，因此FBRA要求一定空间（cavity）。图1是FBAR与SAW的结构比较，由图可知FBAR的基本结构，分别在硅晶圆半导体基板上制作具备空间的下方电极、压电薄膜、上方电极，整体结构非常简洁。若与SAW的结构比较，SAW必需激振弹性表面波，此外为进行收讯基板表面设置数十根梳状电极，至于电极的数量则取决于共振频率与电极间距 （图1（b））。 　 相较之下FBAR的共振频率是由压电薄膜厚度决定，虽然空间可以利用传统干蚀刻技术制作，不过它属于异方性干蚀方式，为确保预期的空间，制作上会产生所谓的「坏死空间（dead space）」不适合小型化元件加工，而且干蚀刻加工方式不易维持尺寸精度，必需改用可以作深孔蚀刻的Deep-RIE技术，才能够获得小型、高精度的共振器（图2）。 　 压电薄膜通常都使用AIN、ZnO等材料。表1是使用AIN、ZnO压电薄膜的特性比较，由表可知ZnO具有高电气机械结合系数的优点，不过综合考虑音速、频率温度系数、高Q等特性时，研究人员最后决定改用AIN材料。 　 材料  AIN ZnO 电气机械结合系数k2（%） 6.5 8.5 频率温度系数（ppm/℃） -25 -60 音速（m/s） 11300 6080 高Q 良好 控制复杂 表1 压电薄膜的特性比较 　 图3是使用AIN与ZnO材料的压电薄膜，5GHz时的共振特性比较，如图所示使用AIN的压电薄膜具有尖锐（sharp）良好的共振特性，滤波器低损失化与宽频化时要求结晶性良好的AIN，尤其是AIN的c轴配向非常好，它对电极薄膜的选择与表面状态是非常重要的要素。 　 电极材料的要求特性分别如下: ⑴.高音响阻抗（impedance）（亦即高杨氏率、高密度）。 ⑵.低阻抗。 ⑶.低表面粗糙性。 因此新世代FBAR的电极使用高音响阻抗Ru材料。Ru质电极表面状态经过平坦化加工，在其上方堆积的AIN可以顺利达成高配向化，若与传统Mo电极材料比较，Ru质电极可以获得高Q值，图4是FBAR的压电薄膜与电极断面构造。 　 滤波器的设计经常应用在SAW滤波器，图5是梯型（Ladder Type）FBAR滤波器的内部结构，如图所示它是由并联碗型共振器与串联碗型共振器，两者呈阶梯状连接构成，接着使两种共振器的反共振频率接近一致，如此就能够获得良好的频通（band pass）特性。此处为了赋予并联与串联共振器频率差，因此在并联碗型共振器上方制作负载膜，利用它的质量负载效应使频率低于联碗型共振器。此时只要设定连接后的共振器基本区段间段数，控制并联碗型共振器的静电容量比，以及晶片或是封装内配列的电感（inductance）（Lo，Lp），就能够控制滤波器的损失与衰减特性，获得低损失高频通特性的滤波器。 　 　 研究人员应用上述技术分别开发两种滤波器，分别是北美欧洲地区用5.15～5.35GHz宽频FBAR滤波器，与日本地区用5.15～5.25GHz窄频FBAR滤波器。 图6是北美欧洲地区用5.15～5.35GHz宽频FBAR滤波器的特性，由图可知该滤波器的损失低于2dB以下，SAW滤波器若与传统陶瓷滤波器比较，不论是损失或是频通都具有非常优秀的特性；有关耐电力特性，FBAR滤波器若与SAW比较，同样具有非常优秀的特性。 　 图7是研究人员改变制程试作可以内建在2.0×1.6×0.6mm小型封装内的2GHz FBAR滤波器的特性，根据测试结果显示，它可以获得非常优秀的损失与频通抑压特性。

RF-MEMS开关的制作技术 行动电话内部的GaAs半导体开关，主要功能是切换天线与频域（band），通讯频率越高损失越大，绝缘特性相对降低，歪斜特性则随着增加，整体通信性能明显劣化。根据研究报告指出机械式RF-MEMS开关，在高频范围可以获得低损失、高绝缘以及线性特性。 图8是典型接触式MEMS开关的基本结构，如图所示它是在设有信号线路的基板制作金属接点形成悬臂（cantilever）结构，利用连动器（actuator）驱动进行开、闭动作，利用薄膜的积层与图案化为主的表面加工制程制成的连动器，整体结构非常简洁，因此成为静电驱动型MEMS开关的主流。 　 　 此外制作微米等级的高精度间隙（gap），长膜时要求精密的应力控制技术，一般认为不易实现低损失要求的线路低阻抗化，因此研究人员开发不需要应力控制可以实现低损失的RF-MEMS开关结构（图9）。 　 新型RF-MEMS开关同样采用静电驱动型悬臂设计，信号线路利用厚膜电镀技术制作，它可以达成低阻抗化要求。具体步骤首先在高阻抗Si的SOI（Silicon on Insulator）表面制作上层硅，接着利用蚀刻技术通过栏栅（slit），去除中间的氧化膜形成悬臂，由于厚质bulk硅的悬臂是由薄膜构成，因此几乎无应力变形问题，而且能够在电镀金属之间形成高精度狭窄间隙。 此时若对电镀制成的GND电极，与悬臂上方的驱动电极之间施加电压，悬臂受到静电影响会朝上方反翘，前端接点与信号线接触变成ON状态，悬臂同时利用接点支撑，由于悬臂拥有的弹簧系数非常大，因此构造上驱动电极一直到最后，都不会主动与GND电极接触。 此外驱动电极与GND电极不需要挟持绝缘层，所以不会因为绝缘层charge up（亦即未施加电压状态下出现ON现象）发生误动作，一旦切断驱动电压利用悬臂的弹性，接点会跳脱信号线变成OFF状态。图10是RF-MEMS的电子显微镜照片；图11是编号SP4具备一个输入四个输出的RF-MEMS开关电子显微镜照片，SP4的驱动电压低于10V，属于低电压静电驱动型RF-MEMS开关；图12是上述新型RF-MEMS开关的动作特性，设计目标是2GHz时的损失低于0.3dB，绝缘大于30dB。

MEMS可变电容器的制作技术 目前大部份的移动电话RF电路单元，包含模拟被动元件在内的频率都被固定，随着移动电话高性能化，市场强烈要求RF模组小型化，同时必需能够支援多频化（multi band），一般认为同一个RF电路如果具备可以支援多频的可变同调功能，就能够大幅抑制电路制作成本与电路规模。接着介绍可以实现可变电容器被动元件的MEMS可变电容器的制作技术。 有关MEMS可变电容器的结构，例如平行平板型或是梳状齿形电极，不易同时获得宽广可变容量（）与高Q值，此外目前移动电话常用的利用电压控制容量的可变电容器（Varactor），虽然可变容量（）非常宽广，不过Q值却不如预期高，因此研究人员决定利用MEMS技术，开发两者兼具的次世代可变电容器。 图13是次世代MEMS可变电容器的基本构造，如图所示它是利用悬浮在空中的薄膜状上方可动电极，与下方可动电极挟持狭窄间隙，在封密领域形成电容器（Capacitor），此时为了获得大容量，因此在下方可动电极上方制作高诱电率绝缘性薄膜。 一般积层薄膜容易残留薄膜应力不易获得平坦形状，必需有效利用电极的反翘特性设计可变结构，具体方法使电容器单元的下方可动电极朝上方弯曲（凸状），其中一部份接近上方可动电极，一旦对上下方可动电极之间施加电压，利两电极之间的静电吸引力使近接部位朝中心移动，两电极之间的间隙变窄电容量也随着改变，电极近接部位产生的静电变大，即使低电压也可以高精度控制电极之间的间隙，实现低电压大容量可变电容器的预期目标。 　 图14是试作静电驱动型MEMS可变电容器（1.5×1.8mm）的外形；图15是施加电压时的电容量变化特性，根据测试结果显示次世代MEMS可变电容器，5V的驱动电压可以获得宽广容量变化，从0V到5V反覆次连续改变施加电压，它的容量变化几乎完全相同。 　 为实现高Q值通常必需降低信号线的阻抗损失、基板的诱电损失，不过研究人员发现透过信号线路的最佳化设计、上下方可动电极的中空配置、改用玻璃材质基板等等，可以有效降低上述各种损失，即使2.4GHz也能够获得40左右的高Q值，整体而言次世代静电驱动型MEMS可变电容器的电容可变范围是传统的2倍以上。

结语 以上介绍次世代高频无线通信不可或缺的关键性元件，FBAR滤波器（filter）、RF-MEMS开关（switch），以及MEMS可变电容器的制作技术。