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TWI231511B - Variable capacitance membrane actuator for wide band tuning of microstrip resonators and filters - Google Patents

Variable capacitance membrane actuator for wide band tuning of microstrip resonators and filters Download PDF

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Publication number
TWI231511B
TWI231511B TW092129034A TW92129034A TWI231511B TW I231511 B TWI231511 B TW I231511B TW 092129034 A TW092129034 A TW 092129034A TW 92129034 A TW92129034 A TW 92129034A TW I231511 B TWI231511 B TW I231511B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
film
substrate
layer
electronic circuit
distance
Prior art date
Application number
TW092129034A
Other languages
English (en)
Other versions
TW200411689A (en
Inventor
Jonathan J Lynch
Sarabjit Mehta
John Pasiecznik
Peter Petre
Original Assignee
Hrl Lab Llc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hrl Lab Llc filed Critical Hrl Lab Llc
Publication of TW200411689A publication Critical patent/TW200411689A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI231511B publication Critical patent/TWI231511B/zh

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    • H01G5/00—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture
    • H01G5/16—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture using variation of distance between electrodes
    • H01G5/18—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture using variation of distance between electrodes due to change in inclination, e.g. by flexing, by spiral wrapping
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Description

1231511 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 發明領域 本發明是有關用於調整諧振器之膜致動器，以及有關 5於膜致動器之製造方法。更尤其是有關用於微條帶諧振器 與濾波器之寬頻帶調整之可變電容膜致動器。 發明背景 在近幾年來，對於高度準確、快速、可靠濾波器調整 10技術之須求加劇。此具有高度興趣之領域之代表為高性能 表現諧振器與濾波器，尤其是具有可調整寬頻帶之中等_至 -高功率微型濾波器。此等種類之裝置須要具有非常小的尺 寸，以便裝設於高性能表現平面漉波器中，例如：微機械 加工條帶與高溫超導體(HTS)多極濾波器。 15 通常使用微機械加工此名詞以描述化學蝕刻製程，姜 選擇性地去除在某纽置巾之某純料，Μ同於標準备 機械加工技術，其以機械的方式去除材料。由於在^學告 刻中可以轉非常嚴格的公差，所以可製成非常小且高方 準確的特徵，因此稱為“微，，機械加工。此外、，通常使^ 電子電路應时之許多基板(例如，切、_製成）由_ 料破裂之可能性，不容易使用標準技術作機械加工。 此種適合用於可調整濾波器與相位移 φ w时之1置是：| 冤子機械(MEM)電容器與電容MEM^^關。 制^ 然而，如此方3 衣乂之依靠靜電致動之可變電容器由於 田a所谓的‘‘突然$ 20 1231511 落”(snapdown)現象，只能有33%之電容改綠 人艾，如同以下將 更佳說明者。在諧振器/濾波器中央頻率中+ & # 卞裝置之連續 調整能力小於10%。 其他所知之遽波器調整技術’例如為：极狀鐵電材料、 5 10 變容二極體、以及鋇勰鈦(BST)薄膜。請參考例如·、,、〆 利案號USP 5,990,766(粒狀鐵電調整）、 》果國專利案號 4,468,644(變容二極體調整）、以及美國專利案號υ§ρ 5,877，123(薄膜調整）。然而，此等裝置亦具有缺點，其主要 是由於低的三級攔截點(IP3)與高的插入損失。此具^低的 IP3之可調整雜H之缺點為，它們具有騎有限的功率處 理能力，因此它們無法使用於例如雷達系統中作為預選擇 器。此外，此具有高插入損失之帶通濾波器之另一缺點為 它們不具有㈣鮮寬度。糾，㈣鐵電㈣須要施加 高電壓以調整此裝置並且是昂貴的。 15 【發明内容】 發明概要 根據本發明，揭示一種用於諧振器與濾波器寬頻調整 之微機械式可變電容膜致動器（VCMA)，其較佳使用晶圓位 準封裝技術製造。 根據第一觀點，本發明揭示一種用於調整電子電路之 裝置’包括：可移動膜，其中在此膜與電子電路之間距離 之改變產生電子電路之電容中改變；與此膜操作有關之第 一電容配置，包括第一電容器板與第二電容器板，其中此 第一電容器板是位於距此電子電路第一距離處且與此膜連
I2315U 接，以及第二電容器板是位於距此電子電路第二距離處， 此第二距離大於第一距離。 根據第二觀點，本發明揭示一種用於改變電子電路之 電容之敦動器，包括：可移動膜，其中膜之移動改變電子 電路之電容·，以及與此膜連接之桿，其中：此膜之移動藉 由改k此桿距電子電路之距離而獲得，此膜具有靜態情況 與動悲情況；以及在此膜之動態情況期間介於此膜與電子 電路之間之距離可以大於或小於，此膜靜態情況期間介於 此膜與電子電路之間之距離。 15 20 電路。 根據第三觀點，本發明揭示一種用於 膜致動器，包括：第-基板；設置於第-基板上 材料並且包含此電子電路，此第一基板與第一導電材料形 成第一層；可變形膜；與此雜助連接之第二導電材料， 此彈性膜與第二導電材料形成第二層，此彈性膜盘第二導 電材料是位於此第一基板與第一導電材料_段距離處；第 -基板；與第二基板連接之第三導電材料；第二基板與第 -¥電材料形成第三層；以及裝附於此膜之磁性元件，苴 中當對磁性元件施加偏壓時產生之磁力造成此膜變形，因 而改變第二導電材料距電子電路之距離，並·整此電子 根據第四觀點，本發明揭 種用於調整電子電路之 、動态，包括··第一基板；設置在此第 斤 導電材料並且包括電子電路，此第基板上之弟-來m 卞私路此弟-基板與第-導電材料 形成弟一層；彈性膜；接觸 斤丨王胰之弟—導電材料，此彈 7 1231511 性膜與第二導電材料形成第二層，此彈性膜與第二導電材 料是設置在第-基板與第一圖案上；第二基板；接觸此第 基板之第二導電材料，第二基板與第三導電材料形成第 三層，其忙在第二層與第三層之間形成具有上板與下板 5 ^平仃板電容器’第二導電材料形成電容器之上板，且第 三導電材料形成電容器之下板，且當在上板與下板之間施 力偏壓日守產生邊电力而造成此膜變开），因而改變電子電路 之電容。 根據第五觀點，本發明揭示用於調整電子電路之致動 10器丄包括：第-基板；位於第一基板中之第一腔；設置於 此第-腔中之第-導電配置，此第一導電配置包括電子電 路，第一基板，位於第二基板中之第二腔；設置於第二腔 中之第二導電配置；位於第一基板與第二基板之間之彈性 膜；以及接觸此彈性膜之第三導電配置，其中藉由彈性膜 15之移動而達成電子電路之調整。 根據第六觀點，本發明是有關用於製造膜之方法，其 ο括以下步驟·提供_基板；在此基板上沈積第—金屬層； 將第-金屬層製成圖案以形成第一金屬墊；在基板與第— 金屬塾上沈積膜層；將此膜層固化；在此經固化膜層上沈 20積第二金屬層；在第二金屬層上沈積光阻層；將光阻層製 成圖案以形成光阻塾；將第二金屬層製成圖案以形成第二 金屬墊；去除第一金屬墊；以及去除光阻墊。 根據第七觀點，本發明是關於薄膜製造方法，其包括 以下步驟：提供具有第-面與第二面之基板；在第—面上 1231511 沈積第-保護層’ ·在第二面上沈積第二保護層；在第一保 護層上沈積第-金屬層；將第一金屬層圖案化以形成第一 金屬墊；將第二保護層圖案化以形成姓刻窗口，·在此基板 與第一金屬墊上形成膜層’·將此膜層固化；在經固化膜層 5上沈積第二金屬層；在第二金屬層上形成光阻層；將光阻 層圖案化以形成光阻墊；經由第二保護層之钱刻窗口去除 基板之-部份’將第二金屬層圖案化以形成第二金屬塾； 去除第一金屬墊；以及去除光阻墊。 此VCMA可以包括多個靜電控制彈性膜，其在基板或 1〇晶圓上被圖案化與金屬化。此晶圓直接接合至包括多個相 位移器電路之電路基板上。此電路基板可以例如為：高電 阻石夕或銘基板，或高溫超導體(HTS)(例如：Μ叫或吨〇) 基板。 15 、，本發明之第-優點為：採用VCMA/晶圓位準封裝方法 以製造根據本發明之VCMA可達成電容之範圍，是較·任 何膜式調整方法所製成者例如微電子機械系統_MS) 電容器或電容式mems開關可達成之電容範圍大—午多。更 特別是’此根據本發明之VCMA提供可觀之電容變化與S 的Q因數’導致即使對於非常窄頻帶之帶通整= 的渡波器插人損失。與此等裝置之最大電容改變相對照，- 此根據本發明之VCMA/晶圓位準封裝方法可 圍之電錢化。 了叫供較見範 此根據本發明裝置之較寬之電容調整笳 死阁，疋猶由從 %路上以靜方式致動此膜而達成。截至目前為止所有電容 20 1231511 膜之使用是藉由設置在膜下之電路以靜電方式玫動膜而致 動此膜。在習知技術實施例中，此致動電路是與使用於承 載RF信號電路相同。此事實由於須要RF電路亦為承載DC 膜偏壓電路而使RF設計複雜。此外，將此膜以靜電方式拉 5 下會造成在DC電容中之改變，其更增加向下之拉力。其結 果為在此膜變得不穩定且突然下降至偏壓電路之前，其只 可移動介於此膜與偏壓電路之間整個距離之部份距離，因 此去除此電谷間隙。由於此不穩定，此膜之移動僅限於整 個間隙之33%。因此，最大電容改變只限於此膜與偏壓電 10 路之間之間隙之三分之一。此RF電路之額外的存在使得此 間隙非常的小，以致於只可獲得有限的電容改變。 在此實施例期間，使用“直流，，(“〇€，，)此名詞以描述非 常低頻率之信號。可將任何信號DC或AC應用至薄膜，然 而，由於涉及機械響應，此膜之響應只限於低頻。在此使 15用DC此名詞是與所建立之習慣符合一致，雖然應瞭解它包 括低頻變化。 本發明藉由將此膜朝位於此膜上之偏壓電路向上拉， 而大幅地延伸此電容範圍。由於此電路不承載RF信號，可 將此膜與偏壓電路之間之間隙製成得大於此膜與RF電路之 20 間之間隙。因此，在上部間隙膜之位置中33%之改變，可 以造成RF間隙中非常大百分比改變。以此方式可以實現非 常大的電容改變，其範圍為40-60%。 本發明其他的優點為：如此獲得之可調整濾波器可製 成得具有以下特性：高的][PS、低的插入損失、非常窄的頻 1231511 二理2的對超出頻帶拒斥、陡仙濾、波11邊緣、高的功率 处里肐力U及高的可靠度。此外，此根據本發明之晶圓位 準封^方法’對於與習知技術之微機械加丄/封裝技術有關 、、+夕問題提供解決方法，並且確保此等可調整諧振器與 慮波裔之良好均勻性與可再製性。 為達成用於RF與DC小與準確間隙之較佳方式，是使用 ^如阳圓位準封裝技術與微機械加工之現代半導體處理技 造結構。晶圓位準封裝允許製成非常小的結構，並 且將多個結構以數微米（10·8πι)等級之非常高準確之間隙匹 10 配在一# m , 社 I。因此，可以保持非常嚴格之公差，且所產生的 了構具有良好均勻性與再製性之可能性。此保持金屬餘刻 圖案嚴袼公差與膜/電路分隔之能力，在重新產生可變肝電 '、中疋非g重要。使用微機械加工在基板材料中彈位膜之 位置產生開口。此晶圓位準封裝方法亦允許同時製成許多 15裝置，因此減少各裝置之成本。 此根據本發明之VCMA在諧振器/濾波器中間頻率中提 供+/-20-30%之連續可調整性（其對應於大約4〇_6〇%之電容 改變）’此超過目前技術水準之小於1〇%之可調整能力。此 外，藉由使用VCMA調整諧振器之共振頻率，以及改變此 2〇等咱振益之間耦合之數量，而可獨立地控制諧振器/濾波器 之中間頻率與頻帶寬度。 根據本發明可以提供可連續調整之相位移器，而使用 於須要高性能表現相位移器之電子掃描天線(ESA)或其化 之應用中。此外，X-頻帶前端可選擇濾波器庫、進階之多 11 1231511 功能RF系統、UHF通信雷達、商用與軍用SATC〇M終端機、 以及無線基地台，皆為用於本發明高度興趣之領域。 根據本發明VCMA可提供任何所想要值之連續可調整 能力（取決於電路結構），且在寬的操作頻率上亦提供幾乎恆 5定的集體延遲。此後者之特性對於寬度ESA操作極為重要。 本發明將由以下詳細說明並參考所附圖式而獲得更佳 之瞭解。 圖式簡單說明 第1圖為可變電容酸動器習知技術之概要圖； 10 .第2Α與2Β圖為對應於第1圖之習知技術配置之數學模 15 膜 移動 20 第3圖為根據本發明可變電容膜致動器之概要立 第4圖為對應於第3圖配置之數學模型； ， =圖為連接至膜位置控制電路之第3圖之實施例； 第6圖為具有倍增偏壓配置之本發明之數學模型。 苐7圖為本發明之另电 月之另1_ ’其中以機械方式調整 第8圖為本發明之實施例，其藉由磁性致動而獲得 參 膜之 第9圖為本發明 之須要；以及 之另一實施例，其去除對於 精準間隔器 弟10 19«為製造使料本發㈣之膜之方法 【實冷式】 較佳實施例之詳細說明 之步驟 12 1231511 第1圖為VCMA之習知技術配置，其亦顯示於N.S.
Barker 與 G.M· Rebeiz 所著 “Distributed MEMS true-time delay phase shifters and wideband switches,” IEEE Trans· Microwave Theory Tech·，Vol. 46, ρρ·1881-1890, Nov· 1998· 5 之中。更特別是，第1圖顯示石英基板1之橫截面，此包括 共平面波導傳輸線，此基板具有中央導體2與接地平面間隙 3。金橋4是設置在中央導體2上，而連接至接地金屬5。當 將電壓差施加於中央導體2與接地之間時，將金橋4以靜電 方式吸往中央導體2，因此將金橋4變形。此結果為在中央 10 導體2與接地之間之電容增加。此電容之變化可以藉由控制 所施加之電壓差而控制。 苐2A與2B圖顯示對應於第1圖配置之數學模型。根據 此模型，可將VCMA配置模製作為“在彈簧上，，之平行板電 容器，這即是將電容器之頂板裝附於彈簧，如同於第2八圖 15 中所顯示。 請參考第2A圖之模型，此包括RF電路(例如，相位移 裔）之基板是由數字11表示。此金屬化膜或金橋是以12表 示。可將膜12想像為經由彈簧14連接至支撐13。此在圖中 所示沿著X垂直軸膜12之零偏壓位置是以X()表示。一俟將偏 20壓Vbias施加於膜12與基板11之間，則靜電力F將膜12向下 移。膜12之移動造成底部電路*RF電容之改變，而會調整 個別諧振器之共振頻率以及諧振器之間之耦合係數。 在第2B圖中顯示所施加電壓Vbias與在χ軸上膜12位置 之間之關係。從該圖中可以看出，在未施加電壓時膜12之 13 1231511 位置是在χ〇(即x/x〇=l)。一旦所施加電壓vbias上升，則膜12 移向基板11。然而，當偏壓到達值vmax(即，V /ν —η 時，膜電容器之上板）突祕下，而將電容器之底板(RF 基板11)短路。此突然落下在x=2/3xG(即，χ/χ严〇·66)之位置 5發生。因此，此板之彈箕如果被壓縮至此值以下，則此等 板會短路。這意味著電容之調整範圍限制於此值之， 如同在本發明之介紹部份已經指出者。 第3圖顯示根據本發明可變電容膜致動器之概要透視 圖。其顯示第-基板或晶圓i5(例如，經微機械加工晶圓）。 Π)在其上設置較佳為金之導電材料圖案16。在此圖案Μ上形 成例如相位移器之電子電路，其電容必須調整。為了清楚 目的，在細中並未顯示此種電路。此第―晶圓丨德= 形成根據本發明結構之第—層。此根據本發㈣構之第 -層包括：設置於彈性膜17τ㈣電材料較佳由金所構成 15二::17與圖案18。此第二層是設置於第-層之上。此 弟二層藉由精準間隔器31而分開。此精準間隔哭31 積一層特定厚度均勻之絕緣體(例如，聚酿亞胺） ^尸:形成。然後’使用標準之微影技術將此聚醯亞胺 或亀擇性地_’以形成任何所想要形狀之精準門Ρ 20器。因此，第二層接合第一芦，而 搰旱間隔 間保持準確的距離。a χ間隔器31在此兩層之 ,> T . Α 吕又置於晶圓19之下 由例如至之導電材料所構成之第二。 ΟΛ ^ 一'基板或晶圓19與圖幸 2〇。第三層是設置於第二層之 屬 此弟一層與第三層是藉 14 1231511 由第三晶圓32之微機械加工部份而分開。以替代的方式， 可以使用像是間隔器31之聚醯亞胺間隔器將第二層與第三 層分開。較佳在當第二層與第三層之間之間隙為小（<25 μπι)時，使用聚醯亞胺間隔器；而在間隙為大（>25 μπι)時， 5使用晶圓之微機械加工部份作為間隔器。 此彈性膜17可以使用微影術技術界定。尤其，晶圓32 以特定厚度適當材料(例如：聚醯亞胺)之薄膜塗佈，其然後 以導電材料（例如金）圖案化。然後將晶圓選擇性地蝕刻去 除’而留下聚醯亞胺原封未動。因此，在基板被去除之部 10份中形成彈性導電膜。在根據本發明的裝置中，較佳使用 微機械加工，以便產生矽或玻璃之小膜而同時保持非常嚴 格之公差。 以此方式在第二與第三層之間形成平行板電容器。此 在彈性膜17之下之導電層18形成電容器之下板，而在第二 I5曰曰圓19下之導電層20形成電容器之上板。此平行板電容器 是與第一層和第二層之間所形成之電容器分離。在上部電 容器之板18與20之間施加DC偏壓Vbias會在膜17上產生向上 之靜電力，且造成膜17變形，因此形成可變電容膜致動器。 膜17之移動造成在底部RF電路中RF電容改變。此改變會調 2 0整個別諳振器之共振頻率以及介於諳振器之間之耦合係 數。此電容之值取決於金屬層18與20之間之距離，並且隨 著距離減少而增加。因此，移動此膜改變金屬層18與2〇之 間之距離，並且因此改變電容。 在習知技術之實施例中，此將被調整之電路是設置在 15 1231511 與電容器下板相同之位準，如同於第1與2A圖中所示者。根 據本發明，電容器之下板與上板均在將被調整電路之上。 因此’在第3圖中所揭示之裝置允許較傳統方法高許多 之電容變化，此傳統方法將DC偏壓施加於RF基板以產生靜 5電力。事貫上，在板18與20之間未設置被調整之電路，則 可允許板18與20之間之距離較習知技術配置之此等板之間 之距離大許多。 其結果為，以在第一層與第二層之間小的間隙亦可獲 RF電容相當鬲的改變，因為電容之改變取決於第二層與第 10 三層之間之距離。 將致動電路設置於被調整電路之上可允許相當高的電 容改變’此種配置使用在基板與膜17(第一與第二層）之間之 小的間隙’以及在膜17與第二晶圓19(第二與第三層）之間之 大的間隙。事實上，大的上板間隙產生增加的移動距離以 15及因此咼的1^電容改變。以此方式，可以合理的調整電壓 範圍產生大的諧振器調整，而同時將用於第二_第三層電容 器以及用於RF電路之0(：偏差保持完全分離。 第4圖顯不對應於第3圖配置之數學模型。此包括RF電 路(例如：相位移器）之第一層是以21表示。膜是以22表示。 2〇可將膜22想像為經由彈簧Μ連接至支撐a，類似於在第2A 圖中所示者。 不同於習知技術，第三層25是設置在膜22上。此致動 DC電壓Vbias是施加至形成於膜22與第三層％之間之上部電 容器。一旦施加電壓Vbias，則在向上之方向產生靜電力F。 16 1231511 以此方式，將膜22強迫向上，因此將膜22周圍附近改變至 包含RF電路之下部基板21。此周圍附近中之改變因此改變 層21之RF電路中之RF電容。 在已知之應用將此裝置受到南的加速（兩值震撼、機械 5 振動，等）。此等加速常與本發明組合時，可以造成膜之移 動以及因此電容之改變。此結果為由於機械振動所產生之 RF雜訊(通常稱為“微音器，，)之增加。 一種克服此問題之方式是使用回饋控制系統以控制膜 之位置。以此種設計，可感測到膜電容(使用額外電路)並且 1〇 將此值回饋至膜位置控制器。如果外力嘗試改變膜之位 置’則偵測到電容之改變，並且由回饋控制系統修正此位 置。由於藉由施加吸引靜電力（此等力一直為吸引力）以維持 此位置’其有時須要兩個方向（上與下）中施加吸引力，以便 控制膜之位置。 15 第5圖顯示實施例，其中膜之位置借助於上述之回饋控 制系統而控制。更特別的是，第5圖顯示在第3圖中所示裝 置之侧視圖。使用此由導電元件18與20取得代表膜電容之 電氣信號，以控制此高頻電壓控制振盪器（¥(:〇)51之頻率。 將此振盪器51之頻率與此穩定參考振盪器52之頻率比較。 20使用混頻器幻作此比較。借助於低通濾波器（LPF)54將此混 頻器53之輸出過濾。將此LPF 54設計成在正常的操作期 間’此混頻器輪出之頻率是落在此低通濾波器之帶通邊緣 之外。因此，如果此VCO 51之輸出頻率太高，則此LPF 54 之輸出電壓振幅將為低。此偵測裝置55之輸出所具有之信 1231511 號強度與混頻器之輸出振幅成比例。此偵測裝置55之輸出 信號強度與差動放大器56之控制電壓位準比較，其輸出調 整膜之偏壓。以此方式，膜之移動造成膜電容之改變，其 造成VCO頻率之移動。此頻率移動造成混頻器輸出之誤差 5電壓，而將其回饋至膜偏壓。因此，改變此控制電壓可改 變此膜電容器之額定板間隔。 克服此膜之機械振動問題之第二種方式為強迫此膜作 雙向移動。更尤其是，可對頂層與底層施加偏壓。這在膜 位置感測之應用中是為重要，且將此資訊回饋至偏壓電 10路。以此方式藉由封閉迴路伺服機構，可將此膜保持在正 確之位置。 第6圖顯示此種配置之數學模型，而施加第一偏壓 Vbiasl(第一與第二層）以及第二偏壓Vbias2(第二與第三層）。 第7圖顯示本發明之另一替代實施例，其中膜22之移動 15借助於測微器26而機械地調整；此測微器包括連接至膜22 之測微器杯27。在此實施例中，可以強迫此膜在兩個方向 中移動。此外，只須要兩個基板。因此，可以調整在膜22 與電子電路之間之距離，較在膜22之靜態情況期間所調整 之膜22與電子電路之間距離更大或更小。 20 在第8圖中顯示本發明還有另一實施例。第8圖之實施 例類似於第5圖之實施例。此主要之不同為磁性元件之存 在，例如裝附於膜17之聲音線圈6〇，其允許藉由磁性致動 之膜17之移動’㈣如同在先前實施例巾所*之藉由靜電 力或機械致動。膜之移動是藉由將電流通過線圈而達成。 18 1231511 因此 以產生磁力 且調整此電路 ，當對磁性元件或線圈60施加偏壓時可 造成膜變形，因此改變膜至電路之距離並 此膜較佳可只向上移動，或向上與向下移動。 即 在所有的實施例(靜電、磁性以及機械）中，此金屬 在RF電路板上之移動改變在处電路板上之電氣特性、 、磁性或靜電方式 電容。不論此膜之移動是藉由直接接觸 達成，其結果為改變之電容。 。。本發明之還有另—實施例去除對於第9圖中精準間隔 10 15 器之須求。在此實施例中，將第一基板或晶圓刚選擇性： 向下钱刻至經控制之距離(例如，4G微米），而在靠近此基板 中央之區域中產生第_腔1()2，其足夠的大以容納：被= 之電路例如微波電路’以及由導電材料構成之第—圖案 104。亦將第二晶圓1()6選擇性地向下姓刻至經控制距離⑽ 如40微米）而造成第二腔1〇8。此第二腔1〇8包括由導電材料 構成之第二圖案110。膜112是位於第一晶圓1〇〇與第二晶圓 106之間。此外，此由導線材料114所構成之第三圖案接觸 膜 112。 第9圖實施例之操作類似於第3圖實施例之操作，其藉 由調整形成電容器之各上板與下板之導電材料11〇與114之 20間之偏壓而調整電路。而且在此情形中，藉由調整導電材 料114與104之間之偏壓，而可獲得膜之額外向下移動。 此根據本發明之VCMA致動器可以使用微影術與濕性 蝕刻技術，即，晶圓位準封裝技術製成。此在第3圖中所示 之諸層例如可以由光蝕刻之玻璃（例如由Mikr〇glas公司所 19 1231511 製之Foturan™)或由矽製成。 程。此Foturan™之製程是類 以下將說明使用於矽之製 似的。 4、: 图”、、員示用於製造本發明所使用薄膜之過程。 明左忍在切圖中所示之膜可以藉由以下圖中所描述以外 ^過程而製成。此外，雖然以下圖式說明數個各別的製造 '驟Λ、、: 1¾¾代之製造過程可以允許將數個各別步驟組合
成較少步驟。最後，此等替代製造過程可讀用不同之步 驟序列。 。第1G圖顯示第—步驟，其提供基板或石夕晶圓細。在晶 圓細之兩面上設置例如由SiN所製成之保護層201，搬。 第圖”、、員示第二步驟，其在保護層201上沈積例如為
Tl如層之金屬薄膜層203。此層203之厚度較佳為大約〇·5 μιη。
/第12圖顯示此方法之第三步驟，此金屬層203被圖案化 以幵y成墊204。較佳選擇此金屬墊2〇4之尺寸較最後膜尺寸 稍小(例如大約1〇〇 μηι)。此確係此金屬層204保護在第π圖 中所示步驟中所曝露膜之大部份，而同時使得能夠最後去 除在第18圖中所示步驟中之墊2〇4。 第13圖顯示第四步驟，其將在晶圓背面上之保護層2〇2 圖案化’以形成用於矽蝕刻之遮罩，因此在區域2〇2，與2〇2，， 之間形成窗口 205。使用紅外線遮罩對準器將窗口 205對準 在正面上之金屬墊。 第14圖顯示第五步驟，其將聚醯亞胺旋塗在晶圓上以 20 1231511 獲得聚醯亞胺薄膜206。如果須要的話，則此聚醯亞胺與黏 者促進劑一起旋塗。此旋塗(spin-on)速率例如可以在介於 1500 rpm與500〇rpm之範圍中。此聚醯亞胺薄膜2〇6厚度之 範圍可以例如為介於5 μιη與15 μπι之間。 5 在此方法之第六步驟中，將此聚醯亞胺在提高的溫度 固化，其較佳介於200°C與450°C之間，以及更佳是大約35〇 °C。 第15圖顯示本發明之第七步驟，其將金屬薄膜層2〇7 沈積在經固化之聚醯亞胺206上。此層207通常為Ti_Au層較 10佳具有大約1 μιη之厚度。此層207最後被圖案化成電極，如 同稿後於弟18與19圖中所示者。 第16圖顯示本發明之第八步驟，其將光阻層旋塗與圖 案化成為塾208，且在金屬層207上被硬烤成作為防止金屬 層餘刻劑之保護層。 15 第17圖顯示本發明之第九步驟，其例如藉由將晶圓安 裝於訂製的晶圓容器中且浸入於100°CiK〇H溶液中，而從 背面姓刻；5夕層205。 第18圖顯示本發明之第十步驟，其例如藉由持續地將 晶圓侵入緩衝之氧化物蝕刻劑(B〇E)與金蝕刻劑中，而 20將保護層2〇1與Ti-Au層207蝕刻去除。以此方式將金屬墊 204去除，且在膜2〇6上將Ti-Au電極209圖案化。 第19圖顯示本發明之第十一步驟，其藉由以丙酮濺鍍 而去除剩餘光阻208並旋轉乾燥。 以此方式製成聚醯亞胺膜與電極。當典型地以KOH蝕 21 1231511 刻劑蝕刻Si晶圓時，此SiN層201作用為蝕刻終止層。使用 SiN層202以形成蝕刻窗口以便蝕刻矽。可以不使用SiN而使 用其他材料。一種可能的材料為使用乙烯聯氨焦苯隣二酚 . (EDP)餘刻劑與Si〇2。然而，較佳使用SiN/K〇H之組合，因 5 為當蝕刻具有高阻抗之矽晶圓時，它較Si02/EPD更有效。 此外，當使用EDP時之蝕刻副產品傾向於沈積在樣品的其 餘部份，因此增加清理過程之負擔。 可以使用“電漿增強式化學氣相沈積，，(PECVD)或“低 壓化學氣相沈積”(LPCVD)技術實施SiN層之沈積步驟。 _ 10 雖然已經顯示與描述本發明數個實施例，然而對於熟 習此技術人士而言，可以作各種變化與替代實施例。可以 設想並實施此等變化與替代實施例，而未偏離在所附申請 專利範圍中所界定之本發明範圍。 【圖式簡單^^明；j 15 第1圖為可變電容膜致動器習知技術之概要圖； 第2 A與2 B圖為對應於第i圖之習知技術配置之數學模 型； · 第3圖為根據本發明可變電容膜致動器之概要立體圖； 第4圖為對應於第3圖配置之數學模型； 20 第5圖為連接至膜位置控制電路之第3圖之實施例； 第6圖為具有倍增偏壓配置之本發明之數學模型。 第7圖為本發明之另-實施例，其中以機械方式調整 膜； 第8圖為本發明之實施例，其藉由磁性致動而獲得膜之 22 1231511 移動； 第9圖為本發明之另一實施例，其去除對於精準間隔器 之須要；以及 第10-19圖為製造使用於本發明之膜之方法之步驟。 5 【圖式之主要元件代表符號表】 1…基板 25…第三層 2…導體 26…測微器 3…間隙 27···測微器桿 4···金橋 31··，韧隔器 5…金屬 32…晶圓 11…數字 51…振盪器 12…膜 52…振盪器 13…支撐 53···混頻器 14…彈簧 54…低通濾波器 15…晶圓 55…偵測裝置 16…圖案 56…放大器 17…膜 60…聲音線圈 18…圖案 100…第一晶圓 19…晶圓 , 102…第一腔 20…圖案 104…導電材料 21…第一層 106…第二晶圓 22…膜 108…第二腔 23…支撐 110···第二圖案 24…彈簧 112···膜
23 1231511 114···導電材料 ' 204…金屬墊、 200···矽晶圓 205···窗口 201…保護層 206…聚醯亞胺薄膜 202···保護層 ， 207…金屬層 202’…區域 208…墊 202”…區域 209…電極 203…金屬層
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Claims (1)

1231511 拾、申請專利範圍： i· 一種用於調整電子電路之# <衣置’其特徵為包括： 可移動膜，其巾此_衫電路之間距離之改變造 成電子電路之電容改變； 第私今配置可與此膜操作上相關聯，包括··第一 電容器板與第二電容器板’其中此第—電容器板位於距 電子電路第—㈣處，叫第二電㈣板是位於距電子 電路第二距離處，此第二㈣大於第一距離。 10 士申响專利I巳圍第1項之裝置，其中此膜具有未致動情 况與致動情況’並且其竹子電狀調妓在此膜致 動情況期間發生。 3·如申請專利範圍第2項之裝置，其中此膜之致動情況期 間此膜與電子電路之間之距離，大於在此膜未致動情況 期間此膜與電子電路之間之距離。 15 4.如申請專利範圍第2項之裝置，更包括第二電容配置， 具有：第三電容器板與第四電容器板。 5·如申請專利範圍第4項之裝置，其中在此膜之致動情況 期間介於此膜與電子電路之間之距離 ，大於或小於在此 膜之未致動情況期間介於此膜與電子電路之間之距離。 6’如申凊專利範圍第4項之裝置，其中此第三電容器板是 第一電容器板，以及第四電容器板包括電子電路。 7·如申請專利範圍第1項之裳置，纟中此裝置使用晶圓位 準封裝技術製成。 8· 一種用於改變電子電路之電容之致動器，其特徵為包 25 1231511 括： 可私動膜其中膜之移動改變此電子電路之電容； 以及 ^ 與此膜連接之桿； 5 其中： 此膜之移動是藉由改變桿與電子電路之距離 成； 此膜具有靜態情況與動態情況；以及 在此膜動態情況期間此膜與電子電路之間之距 1〇 離，可以大於或小於此膜之靜態情況期間此膜與電子電 路之間之距離。 ％ 9.如申請專利範圍第8項之致動器，其中此桿為測微器桿。 1〇· -種用於調整電子電路之膜致動器，其特徵為包括： 第一基板； 15 設置於第一基板上並且包括電子電路之第_導電 材料，此第一基板與第一導電材料形成第一層； 可變形膜； 14此彈性膜連接之弟一導電材料，此彈性膜與第一 〇 導電材料形成第二層，此彈性膜與第二導電材料、以及 第一基板與第一導電材料相隔一段距離； 第二基板； 與第二基板連接之第三導電材料，此第二基板與第 二導電材料形成第三層；以及 裝附於膜之磁性元件； 26 1231511 其中’當對磁性元件施加偏壓時產生磁力造成此膜 變形，因此改變此第二導電材料距電子電路之距離，並 且調整此電子電路。 11. 如申請專利範圍第10項之膜致動器，其中當施加偏壓 5 日守，此膜與電子電路之間之距離是大於當未施加偏壓時 此膜與電子電路之間之距離。 12. 如申請專利範圍第1〇項之膜致動器，其中當施加偏壓 時，此膜與電子電路之間之距離可以大於或小於未施加 偏壓時此膜與電子電路之間之距離。 馨 10 13.如巾請專利範圍㈣項之膜致動器，其中此磁性元件是 聲音線圈。 14_ -種用於調整電子電路之膜致動器，其特徵為包括： 第一基板； 15 ^置於第—基板上且包括電子電路之第-導電材 15 料，此第一基板與第一導電材料形成第_層； 彈性膜； 接觸彈性膜之第二導電材料，此彈性膜與第二導電 · 材料形成第二層，此彈性膜與第二導電材料設置在第一 基板與第一圖案之上； 弟二基板； 一 •接觸此第二基板之第三導電材料，此第二基板與第 一導電材料形成第三層； 其中： 具有上板與下板之平行板電容器形成介於第二層 27 1231511 與第三層之間，此第二導電材料形成電容器之上板，並 且此第三導電材料形成電容器之下板；以及 當在上板與下板之間施加偏壓時，產生靜電力造成 此膜變形，因此改變電子電路之電容。 5 15.如申請專利範圍第14項之膜致動器，其中當施加偏壓 時，此膜與電子電路之間之距離，大於未施加偏壓時此 膜與電子電路之間之距離。 16. 如申請專利範圍第14項之膜致動器，其中當施加偏壓時 此膜與電子電路之間之距離可大於或小於未施加偏壓 10 時此膜與電子電路之間之距離。 17. 如申請專利範圍第14項之膜致動器，其中此第一基板是 微機械加工晶圓。 18. 如申請專利範圍第14項之膜致動器，更包括聚醯亞胺間 隔器，用於將第一層與第二層分離。 15 19.如申請專利範圍第14項之膜致動器，更包括聚醯亞胺間 隔器，用於將第一層與第二層分離，以及將第二層與第 三層分離。 20.如申請專利範圍第14項之膜致動器，更包括回饋控制系 統以控制膜之位置。 20 21.如申請專利範圍第20項之膜致動器，其中此回饋控制系 統包括： 電壓控制振盪器具有電壓控制振盪器頻率，此電壓 控制振盪器頻率是與電容器之電容有關； 具有參考振盪器頻率之參考振盪器； 28 1231511 用於比較電壓控制振盪器頻率與參考振盪器頻率 之混頻器，此混頻器具有連接至電壓控制振盪器之第一 混頻器輸入、連接至參考振盪器之第二混頻器輸入，以 及混頻器輸出，此混頻器輸出具有混頻器輸出振幅與混 5 頻器輸出頻率； 低通濾波器，具有連接至混頻器輸出之低通濾波器 輸入與低通濾波器輸出偵測裝置，具有連接至低通濾波 器輸出入之偵測裝置輸入，並且具有偵測裝置輸出；以及 差動放大器，具有：連接至偵測裝置輸出之第一差 10 動放大器輸入，連接至控制信號之第二差動放大器輸 入，以及差動放大器輸出，此差動放大器輸出連接至電 容器之上板與下板。 22. 如申請專利範圍第21項之膜致動器，其中設計此低通濾 波器，以致於在正常操作期間此混頻器之輸出頻率落在 15 此低通濾波器之通過頻帶邊緣之外。 23. 如申請專利範圍第21項之膜致動器，其中此偵測裝置輸 出所具有之輸出信號強度是與此混頻器之輸出振幅成 反比。 24. 如申請專利範圍第21項之膜致動器，其中此控制信號是 20 可調整的。 25. —種用於調整電子電路之致動器，其特徵為包括： 第一基板； 位於第一基板中之第一腔； 設置於此第一腔中之第一導電配置，此第一導電配 29 1231511 置包括此電子電路； 第二基板； 位於第二基板中之第二腔； 设置於此第二腔中之第二導電配置； 位於第一基板與第二基板之間之彈性膜；以及 接觸此彈性膜之第三導電配置，其中藉由彈性膜之 移動而獲得此電子電路之調整。 26·如申請專利範圍第25項之致動器，其中此第一基板與第 二基板為經微機械加工之晶圓。 10 27·如申請專利範圍第25項之致動器，其中此彈性膜裝附於 第一基板。 28·如申請專利範圍第25項之致動器，其中此第_腔與第二 腔是藉由將第一基板與第二基板蝕刻大約40微米而形 成。 15 29.如申請專利範圍第25項之致動器，其中經由靜電致動而 提供一基板； 在基板上沈積第一金屬層； 將第一金屬層圖案化，以形成第一金屬墊； 在基板與第一金屬墊上沈積膜層； 將膜層固化； 在固化膜層上沈積第二金屬層； 在第二金屬層上沈積光阻層； 獲得膜之移動。 30. —種用於製造膜之方法，其特徵為包括以下步 30 1231511 將光阻層圖案化以形成光阻墊； 將第二金屬層圖案化以形成第二金屬墊； 將第一金屬墊去除；以及 將光阻墊去除。 5 31.如申請專利範圍第30項之方法，其中此膜層為聚醯亞胺 層。 32.如申請專利範圍第30項之方法，其中此基板設有上保護 層與下保護層，此上保護層是在基板上沈積第一金屬層 步驟之後設置介於基板與第一金屬層之間。 10 33.如申請專利範圍第30項之方法，更包括以下步驟： 將下保護層圖案化； 將基板圖案化，以及 將上保護層圖案化。 34. 如申請專利範圍第33項之方法，其中此基板是矽晶圓， 15 並且此基板圖案化步驟是經由將基板浸入於大約100°C 之KOH溶液中而實施。 35. 如申請專利範圍第33項之方法，其中此基板是矽晶圓， 以及此上保護層與下保護層是由SiN製成，並且藉由將 基板浸入蝕刻劑中而實施以下步驟：將下保護層圖案化 20 步驟；將上保護層圖案化步驟；以及將第一金屬墊去除 之步驟。 36. 如申請專利範圍第35項之方法，其中此蝕刻劑包括緩衝 氧化物14刻劑與金(Au)餘刻劑。 ' 37. 如申請專利範圍第30項之方法，其中此第一金屬層為 31 1231511 Ti-Au 層。 38. 如申請專利範圍第30項之方法，其中此第二金屬層為 Ti-Au 層。 39. 如申請專利範圍第32項之方法，其中此上保護層與下保 5 護層是由SiN製成，並且使用PECVD技術沈積。 40. 如申請專利範圍第32項之方法，其中此上保護層與下保 護層是由SiN製成，並且使用LPCVD技術沈積。 41. 一種膜製造方法，其特徵為包括以下步驟： 提供具有第一面與第二面之基板； 10 在第一面上沈積第一保護層； 在第二面上沈積第二保護層； 在第一保護層上沈積第一金屬層； 將第一金屬層圖案化以形成第一金屬墊； 將第二保護層圖案化以形成蝕刻窗口； 15 在基板與第一金屬墊上形成膜層； 將此膜層固化； 在此固化膜層上沈積第二金屬層； 在第二金屬層上形成光阻層； 將光阻層圖案化以形成光阻墊； 20 經由第二保護層之蝕刻窗口，將基板之一部份去 除； 將第二金屬層圖案化以形成第二金屬層； 將第一金屬墊去除；以及 將光阻墊去除。 32 1231511 42. 如申請專利範圍第41項之方法，其中此上保護層與下保 護層是由SiN製成，並且使用PECVD技術沈積。 43. 如申請專利範圍第41項之方法，其中此上保護層與下保 護層是由SiN製成，並且使用LPCVD技術沈積。
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