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。