专利名称：一种含mems开关的可重构微波低通滤波器及其制备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种含MEMS (微电子机械)开关的可重构微波低通 滤波器及其制备，属于微机械系统和微波交叉的技术领域。
背景技术：
可重构微波低通滤波器是微波无线通信系统中的重要元件之一。 它可以显著减小多波段的模拟接收前端子系统的尺寸、抑制强信号干 扰和实现多波段转换，尤其在毫米波段更能体现出它的高性能品质。
传统的可重构的微波低通滤波器基于同轴线或微带线，制作在印 刷电路板(PCB)上，体积大，不利于用IC工艺集成，另外传统的可重 构的微波低通滤波器一般使用PIN 二极管开关和FET开关来实现滤 波器频率的可调，而这些开关需要大量的偏置电路，使得滤波器的插 入损耗大，尺寸大，不适合小型射频接收机前端的应用。
发明内容
MEMS开关有体积小、隔离度好、插入损耗低、控制电路功耗低、 工作频带宽和可用IC工艺集成的优点，特别适于用来代替PIN 二极 管开关或FET开关来实现微波低通滤波器频率的重构，大幅度减小 滤波器的体积，使整个滤波器可用IC工艺集成在Si基衬底上。
本发明要解决的第一个技术问题是推出一种含MEMS开关的可 重构的微波低通滤波器。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下的技术方案。本发明的 可重构微波低通滤波器是制作在高阻硅片的衬底上的集成电路，CPW 共面波导地线和信号线构成低通滤波器的感抗元件，MEMS膜桥与偏 压线构成MEMS开关，它一方面为低通滤波器提供容抗元件，另一 方面通过MEMS开关的通断改变共面波导的长度，使滤波器的频率 可调，从而达到滤波器的重构目的。现结合附图详细描述本发明的技术方案。所述的低通滤波器含三 个输入端、三个输出端、五个MEMS膜桥、四个偏压垫、两个地线、 六个偏压线、九个信号线和十个桥墩，三个输入端分别为第一输入端 10、第二输入端11和第三输入端12，三个输出端分别为第一输出端 20、第二输出端21和第三输出端22，五个MEMS膜桥分别为第一 MEMS膜桥30、第二 MEMS膜桥31、第三MEMS膜桥32、第四MEMS 膜桥33和第五MEMS膜桥34，四个偏压垫分别为第 一 偏压垫40、 第二偏压垫41、第三偏压垫42和第四偏压垫43，两个地线分别为第 一地线50和第二地线51，六个偏压线分别为第一偏压线60、第二偏 压线61、第三偏压线62、第四偏压线63、第五偏压线64和第六偏 压线65，九个信号线分别为第一信号线70、第二信号线71、第三信 号线72、第四信号线73、第五信号线74、第六信号线75、第七信号 线76、第八信号线77和第九信号线78，十个桥墩分别为第一桥墩 80、第二桥墩81、第三桥墩82、第四桥墩83、第五桥墩84、第六桥 墩85、第七桥墩86、第八桥墩87、第九桥墩88和第十桥墩89，其 特征在于，九个信号线平行布列在第一地线50和第二地线51之间， 第一桥墩80、第二桥墩81、第三桥墩82、第四桥墩83、第五桥墩 84依次排列在第一地线50的外侧，第一偏压线60、第二偏压线61、 第一偏压垫40和第六偏压线65分布在第一桥墩80、第二桥墩81、 第三桥墩82、第四桥墩83和第五桥墩84的外侧，第六桥墩85、第 七桥墩86、第八桥墩87、第九桥墩88、第十桥墩89依次排列在第 二地线51的外侧，第三偏压线62、第四偏压线63第五偏压线64、 第二偏压垫41、第三偏压垫42和第四偏压垫43分布在第六桥墩85、 第七桥墩86、第八桥墩87、第九桥墩88、第十桥墩89的外侧，第 一桥墩80、第二桥墩81、第三桥墩82、第四桥墩83和第五桥墩84 分别与第六桥墩85、第七桥墩86、第八桥墩87、第九桥墩88、第十 桥墩89组成五个桥墩对，第一输入端IO和第一输出端20分别与第 一地线50的左端和右端连接，第三输入端12和第三输出端22分别 与第二地线51的左端和右端连接，第二输入端11与第一信号线70、第五信号线74和第六信号线75连接，第二输出端21与第四信号线 73、第五信号线74和第九信号线78连接，第一偏压线60跨接在第 一桥墩80和第一偏压垫40之间，第六偏压线65跨接在第一偏压垫 40和第五桥墩84之间，第二偏压线61跨接在第二桥墩81和第四桥 墩83之间，第三偏压线62跨接在第七桥墩86和第二偏压垫41之间， 第四偏压线63跨接在第八桥墩87和第三偏压垫42之间，第五偏压 线64跨接在第九桥墩88和第四偏压垫43之间，第一 MEMS桥膜30 跨接在第一桥墩80和第六桥墩85之间，第二 MEMS桥膜31跨接在 第二桥墩81和第七桥墩86之间，第三MEMS桥膜32跨接在第三桥 墩82和第八桥墩87之间，第四MEMS桥膜33跨接在第四桥墩83 和第九桥墩88之间，第五MEMS桥膜34跨接在第五桥墩84和第十 桥墩89之间。
本发明要解决的第二个技术问题是提供该滤波器的制备方法。为 解决上述的技术问题，本发明采用以下的技术方案。该滤波器以高阻 硅片为衬底，用与IC工艺兼容的工艺，通过清洗硅片，热氧化，蒸 发钛层和金层，正胶光刻一号掩膜板、电镀，正胶光刻二、三号掩膜 板、电镀，负胶光刻，腐蚀金层、钛层，去负胶，生长氮化硅膜，正 胶光刻四号掩模板、去除氮化硅膜，正胶光刻五号掩膜板，蒸发淀积 铝硅合金膜，腐蚀铝硅合金膜形成桥膜和去除牺牲层工艺步骤制得。
现详细说明本发明的技术方案。
一种含MEMS开关的可重构的微波低通滤波器的制备方法，其 特征在于，该方法与IC工艺兼容，总共采用六块掩膜板，具体操作
步骤
第一步清洗硅片
将厚度和直径分别为55(^m和两英寸的高阻硅片置于 H202:H2S04=1:1的混合液，煮至沸腾冒黑烟，去离子水清洗，然后把 硅片放入一号清洗液煮至沸腾，去离子水清洗，最后把硅片放入二号 清洗液煮至沸腾，去离子水冲洗、甩干、烘干， 一号清洗液的配方为 27%NH4OH: 30%H2O2:去离子水=1:2:5， 二号清洗液的配方为37% 的HCL: 30%H2O2:去离子水=1:2:8;第二步热氧化
用热氧化法在高阻硅片的表面生长厚度为lpm的二氧化硅层， IO分钟通入干氧、100分钟通入湿氧、再加10分钟通入干氧； 第三步蒸发钛层和金层
在经第二步处理的高阻硅片的二氧化硅层上依次蒸发沉积钛层 和金层，厚度分别为1000A和3000A，蒸发炉内的温度和真空度分别 为250。C和10xl0'5Torr;
第四步正胶光刻一号掩膜板、电镀
对经第三步处理的高阻硅片实施正胶光刻一号掩膜板工艺，1800 转/分的转速下，将正胶覆盖在高阻硅片上，通过一号掩膜板对高阻 硅片上的正胶进行光刻，留出需要电镀的图形，电镀金层，厚度为 2nm，形成三个输入端、三个输出端、十个桥墩和四个偏压垫，去胶；
第五步正胶光刻二、三号掩膜板，电镀
用与第四步完全相同的正胶光刻方法，依次通过二号掩膜板和三 号掩膜板对高阻硅片上的正胶进行光刻，正胶光刻二号掩膜板，电镀 金层，厚度为2pm，形成两根地线、九根信号线、六根偏压线，正胶 光刻三号掩膜板，电镀金层，使三个输入端、三个输出端、四个偏压 垫和十个桥墩的厚度由原来的2pm增至4pm，去胶；
第六步负胶光刻，腐蚀金层、钛层
负胶光刻二号掩膜版，显影后放在130'C的烘箱内坚膜30分钟， 然后等离子刻蚀20秒，最后在常温下依次把未电镀部分的金层、钛 层腐蚀掉，保留三个输入端、三个输出端、两个地线、九根信号线、 四个偏压垫，六根偏压线和十个桥墩，腐蚀金的溶液的配方为KI: 12: H2O=20g: 6g: 100ml，腐蚀钛的溶液的配方为K2[Fe ( CN) 6]: KOH: H2O=30g: 5g: 100ml;
第七步去负胶
采用氧气等离子体刻蚀去除经第六步处理的高阻硅片上的负胶， 刻蚀功率、氧气流量、刻蚀时间分别为50W、 60ml/min和20秒； 第八步生长氮化硅膜
用化学气相淀积在经第七步处理的高阻硅片的表面淀积一层氮化硅膜，厚度为0.3nm，氨气流量、硅垸流量和温度分别为24ml/min、 560ml/min禾B 280。C ;
第九步正胶光刻四号掩模板、去除氮化硅膜
对经第八步处理的高阻硅片实施正胶光刻四号掩模板工艺，用正 胶覆盖四号掩模板上的图形，保护需要保留的氮化硅膜，用SF6气体 等离子体刻蚀氮化硅膜，刻蚀功率、SF6气体的流量和刻蚀时间分别 为50w、 2.4ml/s禾口 l分50秒；
第十步正胶光刻五号掩膜板
2000转/分的转速下，在经第九步处理的高阻硅片的表面上旋涂 一层厚度为2nm的聚酰亚胺膜作为牺牲层，9(TC下烘一小时，再在 13(TC下烘半小时，在牺牲层上旋涂2pm厚的正胶，通过5号掩膜板 光刻，显影后去除正胶，得到牺牲层图形，然后将高阻硅片置于200°C 下固化l个小时；
第十一步蒸发淀积铝硅合金膜
5xlO—5Torr的真空度下，在经第十步处理的高阻硅片上蒸发淀积 铝硅合金膜，该铝硅合金膜的含硅和厚度分别为4%和0.5pm; 第十二步腐蚀铝硅合金膜形成桥膜
对经第十一步处理的高阻硅片实施负胶光刻六号掩膜板工艺，在 70°(:下将该高阻硅片放在浓度285%的H3P04溶液中，腐蚀铝硅合金 膜至磷酸溶液中冒出的气泡非常微弱，形成桥膜，用去离子水清洗该 高阻硅片；
第十三步去除牺牲层
等离子刻蚀去除经第十二步处理的高阻硅片上的负胶和牺牲层， 等离子刻蚀功率、氧气流量和氮气流量分别为50w、60ml/s和2.8ml/s， 得到五个悬空的桥膜，该桥膜就是MEMS开关活动触片。
与背景技术相比，本发明有以下优点-
1、该滤波器由淀积在硅片上的MEMS开关与共面波导传输线结 合而成，前者替代传统的PIN开关二极管、变容二极管或FET等开 关器件实现滤波器的频率重构，后者替代了传统的PCB板上的共面 波导传输线，有结构紧凑简单、尺寸微小、隔离度好、插入损耗低、控制电路功耗低、工作频率高的优点。
2、该滤波器可与传统的IC工艺兼容，集成在高阻硅的衬底上， 工艺成熟，成本低廉，适合于批量生产。
图1是本发明的可重构微波低通滤波器的结构示意图。
图2是一号掩膜板图形的示意图。
图3是二号掩膜板图形的示意图。
图4是三号掩膜板图形的示意图。
图是四号掩膜板图形的示意图。
图6是五号掩膜板图形的示意图。
图7是六号掩膜板图形的示意图。
图8是可重构微波低通滤波器重构
图9是可重构微波低通滤波器重构后的S参数。
图IO是重构前的可重构微波低通滤波器的结构。
图11是重构前的可重构微波低通滤波器的等效电路。
图12是重构后的可重构微波低通滤波器的结构。
图13是重构后的可重构微波低通滤波器的等效电路。
具体实施方式
现结合附图和实施例具体描述本发明的技术方案。 实施例1
本实施例所涉的低通滤波器具有与"发明内容"所述的低通滤波 器完全相同的结构，这里就不再赘述。该滤波器重构前、后的3dB 截止频率分别为21GHz和12GHz。
本实施例的工作原理。
该可重构低通滤波器通过五个MEMS开关的关闭和开启得到重 构的功能，如图1所示，重构前，30V电压一端加在第一地线50和 第二地线51上，另一端加在第一偏压垫40和第三偏压垫42上，那么由于静电作用第一 MEMS膜桥30、第三MEMS膜桥32和第五 MEMS膜桥34闭合，第二 MEMS膜桥31和第四MEMS膜桥33开 启，忽略开启MEMS开关的寄生效应，此时的结构图如图10，相当 于两个小单元的低通滤波器串联，其等效电路图如图11， LI是第一信 号线70、第二信号线71、第五信号线74、第六信号线75、第七信号 线76的等效电感，L2是第三信号线72、第四信号线73、第五信号 线74、第八信号线77和第九信号线78等效电感，Cl、 C2、 C3分别 为第一MEMS膜桥30、第三MEMS膜桥32、第五MEMS膜桥34。
重构后，35V电压一端加在第一地线50和第二地线51上，另一 端加在第二偏压垫41和第四偏压垫43上。此时第二 MEMS膜桥31 和第四MEMS膜桥33由于受到静电力的作用闭合，同时连接第一信 号线70、第三信号线72、第六信号线75和第八信号线77分别与和 第二信号线71、第四信号线73、第七信号76和第九信号线78连接， 30V电压一端加在第一地线50和第二地线51上，另一端加在第一偏 压垫40上，第一 MEMS膜桥30和五MEMS膜桥34闭合，第三MEMS 膜桥32因未受静电而开启，忽略开关的寄生电容，该滤波器重构后 的的结构图如图12。此时的滤波器相当于一个与原来的低通滤波器 单元结构相似，但是传输线长度为原来一倍的滤波器，其电路结构如 图13。L3、L4为底部信号线构成的电感，C4和C5分别为第一 MEMS 膜桥30和第二 MEMS膜桥34与底部信号线构成的电容。因为重构 后信号线长度为重构前的一倍，所以滤波器的3dB截止频率从21dB 降低为12dB，带内插损小于1.3dB，带外抑制大于25dB，从而实现 低通滤波器的可重构。
本发明的低通滤特别适于应用在相控滤波器阵列中，作多频段和 宽带的可重构的微波低通滤波器，有尺寸小、频率高、插入损耗小等 优点。此外，该低通滤波器还可用于射频器件集成，为未来移动通讯 的发展做出贡献。
权利要求
1、一种含MEMS开关的可重构的微波低通滤波器，含三个输入端、三个输出端、五个MEMS膜桥、四个偏压垫、两个地线、六个偏压线、九个信号线和十个桥墩，三个输入端分别为第一输入端(10)、第二输入端(11)和第三输入端(12)，三个输出端分别为第一输出端(20)、第二输出端(21)和第三输出端(22)，五个MEMS膜桥分别为第一MEMS膜桥(30)、第二MEMS膜桥(31)、第三MEMS膜桥(32)、第四MEMS膜桥(33)和第五MEMS膜桥(34)，四个偏压垫分别为第一偏压垫(40)、第二偏压垫(41)、第三偏压垫(42)和第四偏压垫(43)，两个地线分别为第一地线(50)和第二地线(51)，六个偏压线分别为第一偏压线(60)、第二偏压线(61)、第三偏压线(62)、第四偏压线(63)、第五偏压线(64)和第六偏压线(65)，九个信号线分别为第一信号线(70)、第二信号线(71)、第三信号线(72)、第四信号线(73)、第五信号线(74)、第六信号线(75)、第七信号线(76)、第八信号线(77)和第九信号线(78)，十个桥墩分别为第一桥墩(80)、第二桥墩(81)、第三桥墩(82)、第四桥墩(83)、第五桥墩(84)、第六桥墩(85)、第七桥墩(86)、第八桥墩(87)、第九桥墩(88)和第十桥墩(89)，其特征在于，九个信号线平行布列在第一地线(50)和第二地线(51)之间，第一桥墩(80)、第二桥墩(81)、第三桥墩(82)、第四桥墩(83)、第五桥墩(84)依次排列在第一地线(50)的外侧，第一偏压线(60)、第二偏压线(61)、第一偏压垫(40)和第六偏压线(65)分布在第一桥墩(80)、第二桥墩(81)、第三桥墩(82)、第四桥墩(83)和第五桥墩(84)的外侧，第六桥墩(85)、第七桥墩(86)、第八桥墩(87)、第九桥墩(88)、第十桥墩(89)依次排列在第二地线(51)的外侧，第三偏压线(62)、第四偏压线(63)第五偏压线(64)、第二偏压垫(41)、第三偏压垫(42)和第四偏压垫(43)分布在第六桥墩(85)、第七桥墩(86)、第八桥墩(87)、第九桥墩(88)、第十桥墩(89)的外侧，第一桥墩(80)、第二桥墩(81)、第三桥墩(82)、第四桥墩(83)和第五桥墩(84)分别与第六桥墩(85)、第七桥墩(86)、第八桥墩(87)、第九桥墩(88)、第十桥墩(89)组成五个桥墩对，第一输入端(10)和第一输出端(20)分别与第一地线(50)的左端和右端连接，第三输入端(12)和第三输出端(22)分别与第二地线(51)的左端和右端连接，第二输入端(11)与第一信号线(70)、第五信号线(74)和第六信号线(75)连接，第二输出端(21)与第四信号线(73)、第五信号线(74)和第九信号线(78)连接，第一偏压线(60)跨接在第一桥墩(80)和第一偏压垫(40)之间，第六偏压线(65)跨接在第一偏压垫(40)和第五桥墩(84)之间，第二偏压线(61)跨接在第二桥墩(81)和第四桥墩(83)之间，第三偏压线(62)跨接在第七桥墩(86)和第二偏压垫(41)之间，第四偏压线(63)跨接在第八桥墩(87)和第三偏压垫(42)之间，第五偏压线(64)跨接在第九桥墩(88)和第四偏压垫(43)之间，第一MEMS桥膜(30)跨接在第一桥墩(80)和第六桥墩(85)之间，第二MEMS桥膜(31)跨接在第二桥墩(81)和第七桥墩(86)之间，第三MEMS桥膜(32)跨接在第三桥墩(82)和第八桥墩(87)之间，第四MEMS桥膜(33)跨接在第四桥墩(83)和第九桥墩(88)之间，第MEMS桥膜(34)跨接在第五桥墩(84)和第十桥墩(89)之间。
2、 一种权利要求1所述的含MEMS开关的可重构的微波低通滤波器的制备方法，其特征在于，该方法与IC工艺兼容，总共采用六块掩膜板，具体操作步骤 第一步清洗硅片将厚度和直径分别为550pm和两英寸的高阻硅片置于 H202:H2S04=1:1的混合液，煮至沸腾冒黑烟，去离子水清洗，然后把 硅片放入一号清洗液煮至沸腾，去离子水清洗，最后把硅片放入二号 清洗液煮至沸腾，去离子水冲洗、甩干、烘干， 一号清洗液的配方为 27%NH4OH: 30%H2O2:去离子水=1:2:5， 二号清洗液的配方为37% 的HCL: 30%H2O2:去离子水=1:2:8;第二步热氧化用热氧化法在高阻硅片的表面生长厚度为lpm的二氧化硅层， IO分钟通入干氧、IOO分钟通入湿氧、再加10分钟通入干氧；第三步蒸发钛层和金层在经第二步处理的高阻硅片的二氧化硅层上依次蒸发沉积钛层 和金层，厚度分别为1000A和3000A，蒸发炉内的温度和真空度分别 为250。C和10xl(T5Torr;第四步正胶光刻一号掩膜板、电镀对经第三步处理的高阻硅片实施正胶光刻一号掩膜板工艺，1800 转/分的转速下，将正胶覆盖在高阻硅片上，通过一号掩膜板对高阻 硅片上的正胶进行光刻，留出需要电镀的图形，电镀金层，厚度为 2pm，形成三个输入端、三个输出端、十个桥墩和四个偏压垫，去胶；第五步正胶光刻二、三号掩膜板，电镀用与第四步完全相同的正胶光刻方法，依次通过二号掩膜板和三 号掩膜板对高阻硅片上的正胶进行光刻，正胶光刻二号掩膜板，电镀 金层，厚度为2pm，形成两根地线、九根信号线、六根偏压线，正胶 光刻三号掩膜板，电镀金层，使三个输入端、三个输出端、四个偏压 垫和十个桥墩的厚度由原来的2pm增至4pm,去胶；第六步负胶光刻，腐蚀金层、钛层负胶光刻二号掩膜版，显影后放在13(TC的烘箱内坚膜30分钟， 然后等离子刻蚀20秒，最后在常温下依次把未电镀部分的金层、钛 层腐蚀掉，保留三个输入端、三个输出端、两个地线、九根信号线、 四个偏压垫，六根偏压线和十个桥墩，腐蚀金的溶液的配方为KI: 12: H2O=20g: 6g: 100ml，腐蚀钛的溶液的配方为K2[Fe(CN)6]: KOH: H2O=30g: 5g: 100ml;第七步去负胶采用氧气等离子体刻蚀去除经第六步处理的高阻硅片上的负胶，刻蚀功率、氧气流量、刻蚀时间分别为50W、 60ml/min和20秒；第八步生长氮化硅膜用化学气相淀积在经第七步处理的高阻硅片的表面淀积一层氮 化硅膜，厚度为0.3pm，氨气流量、硅烷流量和温度分别为24ml/min、 560ml/min和280°C ;第九步正胶光刻四号掩模板、去除氮化硅膜对经第八步处理的高阻硅片实施正胶光刻四号掩模板工艺，用正 胶覆盖四号掩模板上的图形，保护需要保留的氮化硅膜，用SF6气体 等离子体刻蚀氮化硅膜，刻蚀功率、SF6气体的流量和刻蚀时间分别 为50w、 2.4ml/s和 l分50秒；第十步正胶光刻五号掩膜板2000转/分的转速下，在经第九步处理的高阻硅片的表面上旋涂 一层厚度为2pm的聚酰亚胺膜作为牺牲层，9(TC下烘一小时，再在 130'C下烘半小时，在牺牲层上旋涂2pm厚的正胶，通过5号掩膜板 光刻，显影后去除正胶，得到牺牲层图形，然后将高阻硅片置于200°C 下固化1个小时；第十一步蒸发淀积铝硅合金膜5xl(T5T0rr的真空度下，在经第十步处理的高阻硅片上蒸发淀积 铝硅合金膜，该铝硅合金膜的含硅和厚度分别为4%和0.5pm; 第十二步腐蚀铝硅合金膜形成桥膜对经第十一步处理的高阻硅片实施负胶光刻六号掩膜板工艺，在 70°〇下将该高阻硅片放在浓度^85%的H3P04溶液中，腐蚀铝硅合金 膜至磷酸溶液中冒出的气泡非常微弱，形成桥膜，用去离子水清洗该 高阻硅片；第十三步去除牺牲层等离子刻蚀去除经第十二步处理的高阻硅片上的负胶和牺牲 层，等离子刻蚀功率、氧气流量和氮气流量分别为50w、 60ml/s和 2.8ml/s，得到五个悬空的桥膜，该桥膜就是MEMS开关活动触片。
全文摘要
一种含MEMS开关的可重构微波低通滤波器及其制备。该滤波器是制作在高阻硅片的衬底上的集成电路，CPW共面波导地线和信号线构成感抗元件，MEMS开关一方面构成容抗元件，另一方面通过其通断改变共面波导的长度，使该滤波器的频率可调。该滤波器以高阻硅片为衬底，用与IC工艺兼容的工艺，通过热氧化，蒸发钛层和金层，正胶光刻、电镀，负胶光刻，腐蚀金层、钛层，去负胶，生长氮化硅膜，去除氮化硅膜，蒸发淀积铝硅合金膜，腐蚀铝硅合金膜形成桥膜和去除牺牲层等工艺步骤制得，有结构紧凑简单，尺寸微小，隔离度好，插入损耗低，控制电路功耗低，工作频率高，与传统的IC工艺兼容，成本低廉，适合于批量生产的优点。
文档编号H01P11/00GK101431172SQ20081004112
公开日2009年5月13日 申请日期2008年7月29日 优先权日2008年7月29日
发明者蕾 刘, 张永华, 欧阳炜霞, 超 王, 赖宗声, 郭兴龙 申请人:华东师范大学