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RF MEMS器件集成及其功能材料应用研究

葛羽屏  
【摘要】:由于在低阻Si衬底上制作微波无源器件的损耗极大,且衬底电阻率越低,损耗越大,且所制作的Si器件的工作频率受到了限制,因此几乎无法在低阻硅表面上直接制作微型CPW传输线和电感等重要的无源元件。多孔硅(Porous Silicon)作为RF隔离的热点材料,可以实现将无源器件跟微波电路集成在一片片子上。厚膜多孔硅的电阻率高于10~8欧姆厘米。PS区域非常适合用于制备极低损耗的微波无源器件,而没有被腐蚀的区域,仍具有低阻特性,这样便可实现无源分立元件与射频IC的集成。 本文介绍了从纳米多孔硅到大孔多孔硅厚膜的成膜机制,表面机理,和结构特性。通过广泛实验,调查了阳极腐蚀条件对多孔硅各尺寸参数、性能的影响。用一些模型来解释多孔硅的电导率。H原子在决定多孔硅的导电性能中起了很大的决定作用,主要原因是使杂质电离作用大大减弱。研究了PS/OPS阻抗特性、介电常数、光学特性随制备条件和尺寸参数的变化规律。由此,形成了一套适用于RF MEMS技术的多孔硅厚膜材料的系统依据。 多孔硅是否具有良好的性能主要关键在于多孔硅是否具有较高的孔隙率。P~+掺杂的孔的密度比较大,分布也比较均匀,说明P~+掺杂的硅比N~+的容易腐蚀。在多孔硅的形成过程中,制备条件和制备方法决定了孔隙率的大小,是非常重要的。 本文在厚膜PS/OPS和其他衬底材料上研制了无源器件——微共平面波导(CPW)和微机械微波开关和移相器。模拟分析了无源微波器件的损耗性能。在获得的厚膜PS/OPS衬底上成功制作了图形理想平整的1.2cm长CPW,其插入损耗仅次于石英衬底,在0-40GHz范围内均低于7.5dB,而测得在高阻硅上CPW样品的插入损耗随频率线性上升,与理论计算的结果一致。在高频范围内,在PS/OPS衬底上CPW的插入损耗比在2000Ω·cm高阻硅生长0.8μm多晶硅、0.2μmSiO_2的组合衬底上的CPW降低了10~20dB。通过以厚膜PS/OPS作为衬底获得低损耗微波共平面波导,证明了厚膜PS/OPS衬底可制备低损耗微波CPW传输线,性能优良,与VLSI工艺兼容,可作为低成本、低损耗、高性能微波单片集成应用。PS膜越厚,孔径较大,多孔度高,电阻率增大,微波隔离加强,从而有效抑制电磁耦合和介质损耗。 本文分析了多孔硅上的无源器件与SOI材料上的性能比较。与SOI材料相比,多孔硅作为介质隔离MEMS衬底材料,其工艺难度和成本大大降低、省时,且由于PS与体硅材料兼容,使应力也大大减小。通过在阳极氧化反应中采用不同的HF溶液的浓度、电流密度和反应时间来控制多孔硅的膜厚、孔隙度等特性。同时,在多孔硅上制备RF MEMS电感的Q值和应用频率比基于SOI材料的对应值有进一步提高。 本文在最后阐述了RF MEMS器件在MMIC电路中的集成研究。同时,研究了通过电化学腐蚀方法有选择地在其表面形成多孔硅,其中涉及的应力,氧化,以及集成区域掩膜等问题。随着孔隙率的增加,其对应的拉伸残余应力也相应增加。完成了多孔硅的成功氧化,有效地减少了多孔硅的龟裂失效,并分析了多孔硅的表面形貌。


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