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1、38電容式橋型射頻微機電切換器之設計摘要以目前的無線通信架構而言，許多關鍵性的射頻元件尚無法整合至積體電路中。許多國內外研究單位已利用微機電技術製作開發 帶 通 濾 波 器(Filter)、 微 型 切 換 器(Switch)、晶體震盪器及可調式元件等，以期獲得高品質因素、體積小、價格低及特性佳的元件，使得單一晶片系統的理想更易於實現。此外，除了取代現有無線通訊架構之個別元件，更可以利用微機電元件之好處發展全新架構，更有利於功率及高頻率效率之改善。本文將介紹射頻微機電微型切換器 (RFMEMS Switch) 之技術與國家奈米元件實驗室南區辦公室所製作的設計實例。關鍵字：射頻微機電，開關，製程
2、，電磁模擬 前言微機電技術應用於無線通訊的元件製造上，在最近這幾年逐漸嶄露頭角，如高品質因素的機械式共振器、電壓控制之可調式電容、低損失的立體懸浮式電感及低損失的機械式微機電切換器等 1。其中，微機電切換器具有較小的寄生電容電感效應，並具有低損耗、易於控制切換器機構等優點，適用於傳送與接收切換器系統及部分相位天線陣列(phased antenna arrays)。2-4 而切換器採用靜電方式致動，不僅製程符合 CMOS 製程，且易於控制切換器的機構，不僅可以得到較低的插入損失，亦有較高的隔離度。除了因為利用微機電技術所製作之元件具有某些優良特性外，其與一般 IC 製程相容之製造特性使其可與一般
3、主動 IC 晶片整合，將使得通信系統做成單一晶片 (system on a chip,SOC) 的可能性大增，對於通信系統及一般被動元件產業將造成重大之衝擊。5 如圖 1所示乃利用面加工技術以二氧化矽作為犧牲層，而以多晶矽 (Poly Si) 為主要的懸空架橋結構，其在去除犧牲層後，定義出 40 m 20 m 的凹槽用來作為開關之接觸點，可將接觸電阻值降至最低。並且利用微機電技術所製造的切換器線性度高，能提供寬頻帶的使用範圍及高頻信號處理的能力等優點，微機電切換器在未來將是無線通訊系統往高頻發展的最佳選擇。以射頻微機電微切換器為例，我們可以發現它可以提供的優點包括：(1) 微小化 (可小於)；
4、(2) 沒有因為接觸和歐姆接觸(Ohmic contact) 所產生的展延電阻(Spreading resistance)，元件阻抗損失較低。除此之外，由於是被動元件而非以往電子式微切換器，採主動方式製作被動元件，能源損耗上大為改善 (手機中，PIN 二極體微切換器中所需偏壓電流是能源損耗的主要因素)；(3) 具有與 IC 製程相容之可能性；(4) 由於採機械結構，插入損失較低 (在 40GHz 可小於0.2dB)； (5)目 前 訊 號 操 作 可 從DC 到100GHz，遠較電子式為佳；(6) 由於機械結構無半導體接面，因此可以降低元件之 I-V圖1所示乃利用面加工技術以二氧化矽作為犧牲層
5、之射頻開關239的非線性化及功率承受，不會像電子元件對高頻訊號會產生相互調變 (Inter-modulation)之非線性現象2。當然，微機電技術製作之元件也並非完全完美，以微機電切換器為例，其控制電壓 (Control voltage) 過高、壽命(約106 cycles) 及操作速度 (Switching time)(最快約 5s) 皆遠較電子式為差。然而，其可整合其他功能亦是微機電技術吸引人之處。如表 1 即是將傳統的電子式切換器 (如場效電晶體 (Field Effect Transistor) 及 PIN二極體 (Diode) ) 和微機電技術製作之射頻微切換器之優缺點做一番比較2。
6、觸，會產生一接觸阻抗 (Ron)，因此而稱之。電阻式射頻微機電切換器在製造上較為簡單，適合從直流到高頻信號切換之用途，因金屬與金屬直接性接觸，容易有黏著效應(stiction) 和微銲接 (self-weld) 問題，且由於反覆驅動的關係，生命期約 1-100 million次，壽命較差。其結構分類為橋型和懸臂樑型射頻微機電切換器兩種。舉例來說，懸臂樑電阻式射頻微機電切換器性能可用 (1) 式評估(1)若 Ron與 Con愈小，切換器性能愈好。電容式 (金屬-絕緣層-金屬)：較電阻式不同的特色為其切換器和金屬接觸時透過一層介電質做耦合。亦即是在訊號線的金屬薄膜上面加了一層介電層，以克服金屬與金
7、屬因直接接觸的 self-weld 效應，訊號是利用電容耦合來導通，電容式的切換器在使用上必須考慮介電崩潰的問題。其在結構分類方法和電阻式相同，也分為橋型和懸臂樑型射頻微機電切換器。 (2)以 射 頻 電 路 組 態(RF circuit configuration) 區分一般電阻式的微切換器為串聯式，而電容式則採並聯方式較多，如圖3所示。為了達到電阻式接觸，一般採用金屬式接觸A適合從直流到高頻信號切換之用途，但壽命較表1傳統的RF Switch 與RF MEMS Switch 的比較射頻微機電切換器文獻回顧一般而言，射頻微機電切換器有以下的分類型式2-4：(1) 以接觸形式(form of
8、contact)區分(2) 以射頻電路組態 (RF circuit configuration)區分(3) 以機械結構 (mechanical structure)區分(4) 以驅動方式(Driving method)區分這四種分類互有相關性，接下來就針對上述的分類作一簡單的說明。(1)以接觸形式(form of contact)區分另外，從電路的特性來區分，製作微機電切換器主要採取兩種方式：一種為電阻式，另一種為電容式，如圖2所示。電阻式 (resistive) (金屬-金屬)：簡單的來說，就是切換器直接和傳輸線相互做金屬面的接觸，其之間並無任何介質。電阻式射頻微機電切換器在 on-stat
9、e 狀態造成懸掛在訊號線上方的金屬與訊號線的金屬直接性接fR Conon=1 2圖2射頻微機電切換器之種類 (a)電阻式 (b) 電容式 2(a)(b)40差。電容式一般以平行板電容之方式製作，中間電容由空氣及一層薄介電薄膜組成。藉由調整兩平板間的距離，改變其電容值，決定信號通過與否。但是其缺點不適合作低頻信號之用，然而因其為非接觸式的特性，故壽命較長。(2)(3)(3) 以機械結構 (mechanical structure) 區 分另以結構而言，可分為 (A) 懸臂樑型(Beam Type) 與 (B) 空橋式 (Air Bridge) 兩大類，若再細分可分為懸臂式 (Cantilever
10、Beam)、薄膜式 (Membrane Type) 及旋轉式(Rotary Type)。(A) 懸臂樑型懸臂樑型式的射頻微機電切換器是利用懸臂薄膜機械式的移動來形成訊號的導通或斷路。圖4為電阻式懸臂樑型射頻微機電切換器的串聯結構。如圖 4(a) 所示，當未施加電壓時，懸臂樑金屬薄膜有一張力，維持在上方，懸臂樑金屬薄膜與訊號線金屬造成一電容，為關狀態的電容 (Coff) 如 (2) 式，形成開路使得訊號無法導通。圖 4(b) 為當施加電壓後，懸臂樑金屬薄膜被靜電力吸引下來，懸臂樑金屬與訊號線金屬接觸，有一接觸阻抗 (Ron)，其等效電容 (Con) 可表示如 (3) 式，此時訊號由輸入端經由懸臂
11、樑至輸出端，此時訊號形成導通。懸臂樑型電容式射頻微機電切換器，與電阻式的差別，只是在訊號線金屬上鍍了一層介電層，其餘的作用原理均相同。圖 5 為電容式懸臂樑型射頻微機電切換器的示意圖。懸臂樑型與橋型結構相比，在機械結構上就擁有比較低的 k 值，所以所需要的驅動電壓會比較低。(B) 空橋型圖 6 為電阻式空橋型射頻微機電切換器的串聯結構，其動作原理與懸臂樑型電阻式圖3射頻微機電切換器的概念圖 (a) 為串聯型式 (b) 為並聯型式CD Ad Aoff dielectricdielectricoairo= +1CA dondielectricodielectric=圖4電阻式懸臂樑型射頻微機電切換
12、器的串聯結構圖5電容式懸臂樑型射頻微機電切換器的並聯結構示意圖341射頻微機電切換器相同。在結構上最大的不同在於金屬薄膜兩端被固定，所需要的驅動電壓因此而大於懸臂樑式的射頻微機電切換器。當除去直流電壓後，張力 (tensile force)會使金屬薄膜彈回到原來的位置，這時會造成一寄生電容 (parasitic fringing capacitance)決定出隔離度。當電極加上直流電壓後，產生靜電庫倫吸引力，上方薄膜因此被吸引下來，訊號則導通。金屬間接觸阻抗愈小愈好。(4) 以驅動方式(Driving method)區分目前所廣泛使用的驅動方式包含3：(1)靜電式 (Electrostatic
13、) 外加電壓於元件中特定的部位間造成正負電荷的積聚，形成庫侖力來驅動機械元件。(2) 壓電式 (Piezoelectric)外加電壓於結構中的壓電材料，使壓電材料產生變形，藉此驅動元件。(3) 磁動式(Magnetic) 利用磁性材料或電磁鐵來驅動元件。(4) 熱電式 (Thermal Electric) 將電流通入元件中的某一部分使其因生熱而膨脹，藉此一變形量來驅動元件。(5) 記憶金屬式(Bi-Metallic) 某些材料在低溫時產生的形變，在溫度高時會回到變形前的狀態，利用此一特性來驅動元件。這些驅動方式目前以靜電式驅動的技術最為成熟，這是因為所使用的表面加工技術製作靜電式驅動器與積體電
14、路製程最為相容，且速度夠快又節省能源。電容式橋型 X-Band 射頻微機電切換器設計實例目前國家奈米元件實驗室南區分部在射頻微機電元件研究上，我們以電容式橋型 X-Band 射頻微機電之並聯切換器作一設計實例。經圖 8 之模擬響應圖驗證後，此切換器設計具低插入損失 (insertion loss)，良好的隔離度 (isolation) 及與 CMOS 製程相容性等優點，進而將其實現。首先在矽基板上分別沈積 0.5m 厚的 G 氧化矽及 1m 厚的氮化矽，並以 1m 厚的鋁金屬定義出共面波導線(coplanar waveguide，CPW) ，然後於其中心部位沉積一 100m 100m大小之薄介
15、電薄膜氮化矽作為中間電容，其詳細製程如圖9。圖6橋型射頻微機電切換器 3電容式空橋型射頻微機電切換器又可為分串聯及並聯結構。其結構與電阻式相同，最大的不同只是在傳輸線上方鍍上了介電層。因此在這就介紹並聯結構。圖 7 為電容式空橋型射頻微機電切換器的並聯結構，橋金屬薄膜直接與地線連結，信號一般保持常開，與串聯型式不同的是當切換器在 on-state狀態的時侯，訊號耦合到接地端，為訊號截斷不導通的狀態。橋型並聯電容式射頻微機電切換器具有壽命長、可靠度高等優點。圖7電容式橋型射頻微機電切換器的並聯結構(a) 為此結構的立體圖 (b) 並聯切換器在未驅動的狀態 (c) 並聯切換器在驅動的狀態 342接
16、下來開始定義懸空架橋的高度，此高度將會和驅動電壓大小及切換器之開狀態(signal ON) 電容有關。我們先以光阻定義出懸空架橋高度為 1.8m 後，再鍍上 1m 厚的鋁金屬作出電容式切換器的上電極之懸空架橋，最後將作為犧牲層的光阻去除後即完成。如圖10 為利用光學顯微鏡及電子顯微鏡拍攝之實際圖。另外可在懸空電極上定義出些許孔洞，目的是為了減少架橋在除去底下犧牲層光阻的應力問題及減少上電極之懸空架橋的質量，另一方面可增加切換器切換的速度，如圖11所示。圖8X-Band 切換器作動的模擬響應圖(a)switch up state(b)switch down state圖9電容式橋型射頻微機電切換器製作流程圖10電容式橋型射頻微機電切換器實際成品圖圖11懸空電極上定義孔洞之射頻微機電切換器實際成品圖圖12(a) 為切換器尚未開始動作，此時切換器為 up state，即 signal on 狀態。利用直流電壓測試切換器的作動情形，如圖12(b) 為切換器上電極作動往 CPW 中心之下電極貼
