RF MEMS关键技术与器件

1 引言

微电子机械系统(MicroElectroMechanicalSystem)，简称MEMS，是以微电子技术为基础而兴起发展的，以硅、砷化镓、蓝宝石等为衬底材料，将常规集成电路工艺和微机械加工独有的特殊工艺相结合，全面继承了氧化、光刻、扩散、薄膜、外延等微电技术，还发展了平面加『[技术、体硅腐蚀技术、固相键合技术、LIGA技术等，应用这些技术手段制造出层与层之间有很大差别的三维微结构，包括膜片、悬臂粱、凹槽、孔隙和锥体等，即微机械结构。这些微结构与特殊用途的薄膜、高性能的电路相结合，便可以制造出相应的传感器、执行器，从而实现对压力、加速度、流量、磁场、温度、湿度、气体成分、离子和分子浓度、RF等的测量与探测，在医疗、生物技术、空间技术、无线通讯等方面有着巨大的经济与军事价值。

所谓RFMEMS是用MEMS技术加工的RF产品。RF-MEMS技术可望实现和MMIC的高度集成，使制作集信息的采集、处理、传输、处理和执行于一体的系统集成芯片(SOC)成为可能。按微电子技术的理念，不仅可以进行圆片级生产、产品批量化，而且具有价格便宜、体积小、重量轻、可靠性高等优点。

MEMS技术在无线电通讯、微波技术上的应用受到国际上的广泛重视，目前已经成为MEMS研究的重要方向。

2 RFMEMS关键加工技术

RFMEMS器件主要可以分为两大类：一类称为无源MEMS，其结构无可动零件；另一类称为有源MEMS，有可动结构，在电应力作用下，可动零件会发生形变或移动。其关键加工技术分为四大类：平面加工技术、体硅腐蚀技术、固相键合技术、LIGA技术。

2.1 表面加工技术

表面加工技术又叫表面牺牲层腐蚀技术，是把沉积于硅晶体的表面膜制作加丁成MEMS的"机械"部分，然后使其局部与硅体部分分离，呈现可运动的机构。分离主要依靠牺牲层技术。主要由淀积和刻蚀两种工艺所组成。淀积的薄膜包括结构层和牺牲层两类，通常是将按一定形状和顺序淀积的多层薄膜中的一种有选择性地腐蚀掉，应用这种技术可制作各种尺寸极小的悬式结构，如微型悬臂、微型桥和微型腔体等。其淀积的工艺主要应用蒸发、溅射和电镀技术。适用的衬底材料包括：硅、砷化镓、AlO，、石英等。该种工艺技术与常规Ic工艺兼容，大量应用了标准的Ic工艺的薄膜技术、图形制作技术，而且微机械元件还可以很方便地制作在已经完成的电路、且为微型元件留下空间的芯片上而形成一个整体，如驱动电路等，直接形成具有一定功能的传感器。分离主要依靠牺牲层技术。

表面微机械加工的主要优点就是与常规ICI．艺的兼容性。另一个优点是器件占用的硅片面积比传统各向异性体硅腐蚀加工的器件的尺寸小很多。

2.2 体硅腐蚀技术

体硅腐蚀技术是形成MEMS结构的关键技术，有化学腐蚀和离子刻蚀两大类，即常指的湿法与干法刻蚀，湿法腐蚀包括各向异性腐蚀法、选择腐蚀法和电化学腐蚀法。

各向异性腐蚀法是利用腐蚀剂对硅片的不同晶向腐蚀速率不同的特性，腐蚀出一定的结构，如V形槽和悬臂梁等。选择腐蚀法也称为P停止腐蚀，指在硅中掺杂浓B+，以极大地降低腐蚀液对其的腐蚀速度，达到终止腐蚀的目的。这种腐蚀方法能有效地制作特殊形状，可以精确地控制硅膜厚度。电化学腐蚀法通常是在P型硅衬底上外延一层一定厚度的N型硅，然后进行腐蚀，利用P型和N型硅的钝化电位不同，以P-N结作为腐蚀终点制作硅膜，膜厚南外延工艺控制，又称为P—N结自停止腐蚀法。而干法刻蚀主要采用RIE、ICP等手段，是加工硅、SiO2和多晶硅的通用办法，其显著优点是可以实现定向深刻蚀。

2.3 LIGA技术

LIGA是一个德文缩略语，德文光刻-电镀-铸模的缩写，意即x射线同步辐射光刻所产生的电铸铸模。最早是由前西德人研制出来的，可以进行三维微结构的制作，具有较高的深宽比，能以m级的精度进行数百微米至一毫米的深度加工，非常适合于制作复杂的微机械结构，而且可加工多种材料，如金属、陶瓷、玻璃、塑料等，突破了半导体工艺对材料和深度的限制。主要包括光刻、电铸成型和铸塑三个过程，可以制作出自由振动或转动的微结构。

准LIGA技术是改进的LIGA技术，采用传统的深紫外线曝光、厚光刻胶作掩膜和电铸技术，加工厚度为数微米至数十微米，且与IC工艺兼容性好。在集成电路部分制作之后，准LIGA技术还能够用来制作后续的微机械系统，是一种很有发展前途的MEMS制作技术，因而越来越引起人们的兴趣。

2.4 固相键合技术

同相键合技术的思路来源于SOl技术，机理是分子键键合，是把两个固态部件键合在一起的加工技术，以形成复杂的三维机械结构，其典型键合模式是硅／玻璃、硅／硅、金属／玻璃问