專利名稱：碳化硅射頻微電子機(jī)械系統(tǒng)濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種碳化硅射頻微電子機(jī)械
系統(tǒng)(MEMS)濾波器的制作方法。
背景技術(shù)：
隨著通信領(lǐng)域技術(shù)的迅猛發(fā)展，無線通信系統(tǒng)從軍事應(yīng)用發(fā)展到民 用，在毫米波和微波電路及系統(tǒng)中都有著重大應(yīng)用。其中一重要應(yīng)用領(lǐng)域 就是無線個(gè)人通信系統(tǒng)如手機(jī)。在無線基站和手機(jī)中應(yīng)用了大量的射頻元 件，這些射頻元件包括諧振器和由諧振器組成的濾波器。隨著無線通信系 統(tǒng)通信頻帶向高頻方向的發(fā)展(kHz GHz)，發(fā)展瓶頸之一是在匹配電路 中缺乏具有高品質(zhì)因子(Q)( 1000)的無源元件。如何獲取高Q值諧 振器和濾波器成為當(dāng)前超外差式收發(fā)器研究的熱點(diǎn)之一。目前一般釆用的 解決方法是在系統(tǒng)中使用大量的表面或體聲學(xué)波諧振器和石英晶體諧振 器，它們占用的體積大，只能作為分立元件應(yīng)用，增加了系統(tǒng)的體積和成 本，不能滿足無線通信系統(tǒng)微型化和低功耗的發(fā)展要求。射頻微機(jī)械系統(tǒng) (RF MEMS)采用表面加工工藝，可以實(shí)現(xiàn)片上微機(jī)械元件集成，器件 結(jié)構(gòu)尺寸可以達(dá)到微米甚至納米級(jí)，集成化和生產(chǎn)的批量化可以大大降低 系統(tǒng)的體積和生長(zhǎng)成本。射頻諧振器和濾波器器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研制可以 作為射頻元件應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)中，高的諧振頻率和Q值可以滿足通信 系統(tǒng)向高頻方向發(fā)展的要求，采用的表面微加工工藝可以滿足系統(tǒng)微型化 要求。
目前射頻濾波器中采用的結(jié)構(gòu)材料多為單晶硅和多晶硅材料，硅材料 只能承受低于25(TC的工作溫度，限制了器件應(yīng)用領(lǐng)域。碳化硅材料具有 寬帶隙，高擊穿場(chǎng)強(qiáng)，高熱導(dǎo)率，高飽和電子漂移速率，極好的物理化學(xué) 穩(wěn)定性等，采用碳化硅材料研制濾波器，可以應(yīng)用于高溫及其它惡劣環(huán)境 中，大大拓寬了器件的應(yīng)用領(lǐng)域。更重要的是，碳化硅材料具有高的楊氏模量，其聲學(xué)速率v:V^約為15， 400m/s，高出硅材料的50%，因此 對(duì)于相同尺寸結(jié)構(gòu)的濾波器來說，采用碳化硅材料可以大大提高中心頻 率，在保證諧振頻率下可以得到較高的Q值。
在本發(fā)明中，設(shè)計(jì)了一種碳化硅射頻濾波器結(jié)構(gòu)，并采用表面微加工 工藝制作出碳化硅濾波器，為應(yīng)用于射頻通信領(lǐng)域提供了器件研制技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種碳化硅射頻微電子機(jī)械系統(tǒng)濾波器的制
作方法。包括如下步驟
(1) 在襯底上制作引出電極；
(2) 在電極上淀積犧牲層；
(3) 犧牲層上淀積碳化硅；
(4) 在碳化硅層上采用光刻和干法刻蝕的方法刻蝕出濾波器結(jié)構(gòu)；
(5) 采用犧牲層腐蝕液釋放犧牲層；
(6) 在引出電極上淀積金屬電極。
進(jìn)一步，所述襯底為硅，或?yàn)樗{(lán)寶石，或?yàn)樘蓟瑁驗(yàn)榈?，?為砷化鎵。
進(jìn)一步，所述引出電極采用低阻硅、或多晶硅、或低阻碳化硅材料， 其厚度為10納米 5000納米。
進(jìn)一步，所述引出電極采用光刻和刻蝕工藝形成。
進(jìn)一步，所述犧牲層為氧化硅、或?yàn)榱坠璨ＡА⒒驗(yàn)榕鸸璨Ａ?、或?yàn)?多晶硅，其厚度為1納米 1000納米。
進(jìn)一步，所述犧牲層采用等離子體化學(xué)氣相沉積方法、或常壓化學(xué)氣 相沉積方法、或低壓化學(xué)氣相沉積方法制備。
進(jìn)一步，所述釋放犧牲層采用濕法腐蝕工藝或干法刻蝕工藝。
進(jìn)一步，所述金屬電極采用鉻/金、鎳、鈦、鋁、鉑或鎢材料，淀積 金屬電極采用蒸發(fā)或磁控濺射方法，其厚度為10納米 5000納米。
進(jìn)一步，所述碳化硅采用低壓化學(xué)氣相沉積方法制備，源氣體為乙烯 或丙烷和硅烷，流量為1.5 6標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘和0.5 2標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘， 生長(zhǎng)壓力為40 100托，生長(zhǎng)溫度為1000 1250°C;通過原位摻雜技術(shù)實(shí)
5現(xiàn)低阻碳化硅生長(zhǎng)，N型摻雜采用氨氣或氮?dú)猓琍型摻雜采用硼垸或三甲 基鋁，氨氣或氮?dú)饬髁繛?.1 1標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘，硼烷或三甲基鋁流量為 1 10標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘；碳化硅層的厚度為0.1 10微米。
進(jìn)一步，所述濾波器器件結(jié)構(gòu)由諧振器和耦合梁組成。 進(jìn)一步，所述諧振器結(jié)構(gòu)為兩端固支梁諧振器、或自由梁諧振器、或 梳齒狀諧振器，工作方式包括縱向諧振方式和橫向諧振方式。
進(jìn)一步，所述耦合梁為一單臂梁，連接兩個(gè)或多個(gè)上述諧振器構(gòu)成濾 波器結(jié)構(gòu)。
進(jìn)一步，所述濾波器的中心頻率由諧振器的工作頻率決定，濾波器的 帶寬靠耦合梁調(diào)整，諧振器和耦合梁的結(jié)構(gòu)尺寸由器件性能決定。
采用碳化硅材料作為器件結(jié)構(gòu)材料，碳化硅的優(yōu)越性能可以使器件應(yīng) 用于高溫、高頻或腐蝕性等極端惡劣環(huán)境中，碳化硅具有高的楊氏模量，
高的聲學(xué)速率^V^可以提高器件的諧振頻率，增加頻率選擇性，更好 的應(yīng)用于射頻無線通信系統(tǒng)中。


圖1是本發(fā)明的碳化硅濾波器的截面示意圖2是本發(fā)明的碳化硅固支梁濾波器的表面結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明的碳化硅固支梁濾波器的顯微鏡觀察照片。
具體實(shí)施例方式
為進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，以下結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作一詳 細(xì)的描述，其中
圖1是本發(fā)明的碳化硅濾波器的截面示意圖，圖2是本發(fā)明的碳化硅 固支梁濾波器的表面結(jié)構(gòu)示意圖。參照?qǐng)D1和圖2，本發(fā)明提出的一種碳
化硅射頻MEMS濾波器制作方法，包括以下步驟
襯底11材料為硅，或?yàn)樗{(lán)寶石，或?yàn)樘蓟?，或?yàn)榈?，或?yàn)樯?化鎵。在上述襯底上淀積低阻單晶硅、或多晶硅或其它半導(dǎo)體材料，厚度
為10 5000納米，通過光刻和刻蝕工藝形成壓焊盤(pad) 12，形狀為方
6形或圓形。
淀積犧牲層，厚度為i iooo納米，犧牲層為氧化硅、或?yàn)榱坠璨Ａ?(PSG)、或?yàn)榕鸸璨Ａ?BSG)、或?yàn)槎嗑Ч瑁梢圆捎玫入x子體化學(xué)氣相 沉積方法、或常壓化學(xué)氣相沉積方法、或低壓化學(xué)氣相沉積方法來制備。 犧牲層的厚度根據(jù)器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)而定，決定懸空結(jié)構(gòu)和襯底之間的間隙。
采用低壓化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)淀積碳化硅層，厚度為O. 1 10微米，生 長(zhǎng)壓力為40 100托，生長(zhǎng)溫度為1200 1350°C，源氣體為乙烯(丙垸) 和硅烷，乙烯流量為1.5 6標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘，硅烷流量為0.5 2標(biāo)準(zhǔn)毫升 /分鐘。在碳化硅生長(zhǎng)的同時(shí)通入摻雜劑進(jìn)行原位摻雜，N型摻雜采用氨 氣或氮?dú)?，P型摻雜采用硼烷或三甲基鋁，氨氣或氮?dú)饬髁繛?.1 1標(biāo)準(zhǔn) 毫升/分鐘，硼烷或三甲基鋁流量為1 10標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘。
采用光刻和干法刻蝕技術(shù)在碳化硅上刻蝕出濾波器結(jié)構(gòu)14，濾波器 14由耦合梁21連接兩個(gè)或多個(gè)諧振器22組合而成，耦合梁21為單臂梁， 連接的兩個(gè)或多個(gè)諧振器22為平行放置，耦合梁21連接相鄰兩個(gè)諧振器 22，位置在靠近諧振器的一端錨點(diǎn)23處，，諧振器結(jié)構(gòu)22為兩端固支梁 諧振器、自由梁諧振器或梳齒狀諧振器。
釋放犧牲層采用濕法腐蝕工藝或干法刻蝕工藝，具體工藝條件根據(jù)犧 牲層材料和厚度而定，由于犧牲層的厚度較小，釋放犧牲層時(shí)需采用一定 工藝阻止結(jié)構(gòu)層與襯底粘連。
本發(fā)明的關(guān)鍵在于提供了一種碳化硅射頻MEMS濾波器的制作方法， 采用碳化硅材料研制器件可以拓寬器件應(yīng)用領(lǐng)域，適用于高溫及惡劣環(huán)境 中；碳化硅高的楊氏模量可以提高器件的頻率選擇性，有效解決射頻無線 通信系統(tǒng)高頻發(fā)展中的瓶頸；采用MEMS工藝，可以與集成電路工藝相 兼容，實(shí)現(xiàn)無線通信系統(tǒng)的單片集成。
下面以一具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明
采用以下具體工藝步驟，設(shè)計(jì)并完成了固支梁濾波器制作。該濾波器 結(jié)構(gòu)由兩個(gè)兩端固支梁諧振器22和耦合梁21組成。兩個(gè)兩端固支梁諧振 器22平行放置，結(jié)構(gòu)尺寸完全相同，諧振梁長(zhǎng)度、寬度和厚度分別為18000 納米，8000納米和2000納米。耦合梁21連接兩個(gè)固支梁諧振器22，其兩端位置在距諧振器一端錨點(diǎn)23 1000納米處，耦合梁21的長(zhǎng)度、寬度和 厚度分別為12000納米，3000納米和2000納米。具體工藝步驟如下
(1) 選取藍(lán)寶石襯底，在襯底11上淀積多晶硅層12，厚度為300納 米，采用光刻和刻蝕工藝形成上、下電極形狀，為邊長(zhǎng)卯OO納 米的正方形。
(2) 采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法淀積氧化硅層，厚度為100 納米，200納米和300納米。
(3) 采用低壓化學(xué)氣相沉積方法淀積碳化硅層，厚度為2000納米。 生長(zhǎng)溫度為120(TC，生長(zhǎng)壓力為5300帕，生長(zhǎng)源氣體采用丙烷 和硅烷，流量為3標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘和1標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘；原位摻雜 氣體采用氨氣，流量為0.5標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘。
(4) 采用光刻和干法刻蝕技術(shù)刻蝕碳化硅濾波器結(jié)構(gòu)14，該濾波器 由耦合梁21連接兩個(gè)固支梁諧振器22組成，其中諧振梁的長(zhǎng)度 和寬度為18000納米和8000納米，耦合梁的長(zhǎng)度和寬度為12000 納米和3000納米。
(5) 釋放犧牲層，在氫氟酸溶液(5%)中浸泡30分鐘，完全腐蝕掉 氧化硅層。
(6) 熱蒸發(fā)Cr/Au電極，其中Cr層15的厚度為20納米，Au層13 的厚度為500納米。
圖3是本發(fā)明的碳化硅固支梁濾波器的顯微鏡觀察照片。 本發(fā)明提出了一種碳化硅射頻MEMS濾波器的制作方法，可根據(jù)性 能要求靈活設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)和尺寸，采用MEMS工藝制作出濾波器器件。 研制的碳化硅射頻濾波器器件可以應(yīng)用于射頻無線通信系統(tǒng)中。
至此已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述。應(yīng)該理解，本領(lǐng)域技 術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進(jìn)行各種其它的改 變、替換和添加。因此，本發(fā)明的范圍不局限于上述特定實(shí)施例，而應(yīng)由 所附權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1. 一種碳化硅射頻微電子機(jī)械系統(tǒng)濾波器制作方法，其特征在于，包括如下步驟(1)在襯底上制作引出電極；(2)在電極上淀積犧牲層；(3)犧牲層上淀積碳化硅；(4)在碳化硅層上采用光刻和干法刻蝕的方法刻蝕出濾波器結(jié)構(gòu)；(5)采用犧牲層腐蝕液釋放犧牲層；(6)在引出電極上淀積金屬電極。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波器制作方法，其特征在于，所述襯底為 硅，或?yàn)樗{(lán)寶石，或?yàn)樘蓟?，或?yàn)榈墸驗(yàn)樯榛墶?br> 3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波器制作方法，其特征在于，所述引出電 極采用低阻硅、或多晶硅、或低阻碳化硅材料，其厚度為10納米 5000 納米。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波器制作方法，其特征在于，所述引出電 極采用光刻和刻蝕工藝形成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波器制作方法，其特征在于，所述犧牲層 為氧化硅、或?yàn)榱坠璨Ａ?、或?yàn)榕鸸璨ＡА⒒驗(yàn)槎嗑Ч?，其厚度?納米 1000納米。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波器制作方法，其特征在于，所述犧牲層 采用等離子體化學(xué)氣相沉積方法、或常壓化學(xué)氣相沉積方法、或低壓化學(xué) 氣相沉積方法制備。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波器制作方法，其特征在于，所述釋放犧 牲層采用濕法腐蝕工藝或干法刻蝕工藝。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波器制作方法，其特征在于，所述金屬電 極采用鉻/金、鎳、鈦、鋁、鉑或鎢材料，淀積金屬電極采用蒸發(fā)或磁控 濺射方法，其厚度為10納米 5000納米。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波器制作方法，其特征在于，所述碳化硅 采用低壓化學(xué)氣'相沉積方法制備，源氣體為乙烯或丙垸和硅烷，流量為[1.5 6標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘和0.5 2標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘，生長(zhǎng)壓力為40 100托， 生長(zhǎng)溫度為1000 1250°C;通過原位摻雜技術(shù)實(shí)現(xiàn)低阻碳化硅生長(zhǎng)，N型 摻雜采用氨氣或氮?dú)猓琍型慘雜采用硼烷或三甲基鋁，氨氣或氮?dú)饬髁繛?0.1 1標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘，硼烷或三甲基鋁流量為1 10標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘；碳 化硅層的厚度為0.1 10微米。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波器制作方法，其特征在于，所述濾波器器件結(jié)構(gòu)由諧振器和耦合梁組成。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的濾波器制作方法，其特征在于，所述諧振器結(jié)構(gòu)為兩端固支梁諧振器、或自由梁諧振器、或梳齒狀諧振器，工作方 式包括縱向諧振方式和橫向諧振方式。
12. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的濾波器制作方法，其特征在于，所述耦合梁為一單臂梁，連接兩個(gè)或多個(gè)上述諧振器構(gòu)成濾波器結(jié)構(gòu)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波器制作方法，其特征在于，所述濾波 器的中心頻率由諧振器的工作頻率決定，濾波器的帶寬靠耦合梁調(diào)整，諧 振器和耦合梁的結(jié)構(gòu)尺寸由器件性能決定。
全文摘要
本發(fā)明是一種的碳化硅射頻微電子機(jī)械系統(tǒng)濾波器的制作方法。濾波器由兩個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸完全相同的諧振器和中間耦合梁組成。該發(fā)明設(shè)計(jì)的射頻濾波器的中心頻率為諧振器的頻率，其帶寬由中間耦合梁決定。優(yōu)化諧振梁結(jié)構(gòu)尺寸可以得到高的諧振頻率，同時(shí)優(yōu)化耦合梁尺寸可以調(diào)整帶寬。碳化硅優(yōu)越的材料性能可以使器件應(yīng)用于高溫及腐蝕性等惡劣環(huán)境中；碳化硅高的聲學(xué)速率v＝ E/P可以提高器件的中心頻率，增加頻率選擇性。本發(fā)明提出的碳化硅濾波器可以與集成電路工藝兼容，實(shí)現(xiàn)單片無線通信系統(tǒng)，滿足射頻通信系統(tǒng)高頻帶、微型化發(fā)展要求。
文檔編號(hào)H03H3/00GK101471637SQ20071030422
公開日2009年7月1日 申請(qǐng)日期2007年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月26日
發(fā)明者劉興昉, 孫國勝, 瑾 寧, 曾一平, 李晉閩, 亮 王, 雷 王, 趙萬順, 趙永梅 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所