逢甲大學

自動控制工程學系專題製作

專題論文

射頻微機電開關之設計與製作 Design and Fabrication RF

MEMS Switch

指導教授：鄒慶福 老師 學 生：劉鴻智

林志典 沈家弘

中華民國九十六年十月

誌謝

感謝在自控系四年以來，系上所有師長在課業學習上以及生活方面的指噵與

鼓勵，同時也感謝恩師鄒慶福教授給我們一個研究方向，使得我們減少摸索的時

間，在做研究的同時也給予我們非常多的想法與指導。在另一方面老師在生活上

更亦師亦友，平常相處就如同朋友般，提供我們前人的經驗和方向，引導我們走

向正確的道路。在做研究的這段日子裡，更感謝實驗室的賴騰憲、林哲煒、黃建

儒、陳建宏、陳威宇、黃正翰等各位學長的幫助。在每次做實驗教導我們操作儀

器、介紹各個實驗步驟細節、以及在每次實驗後的問題與討論，學長們總是傾力

幫忙我們解決問題，讓我們備感溫暖。在此感謝各位老師及學長與國科會大專生

參與專題研究計畫(NSC96-2815-C-035 -005 -E)的經費補助，學生才能完成這份論

文，對於恩師教誨，永銘於心。未來我們也會帶著所有人的關心繼續面對重重挑

戰，勇往直前、永不退縮、絕不放棄。

中文摘要

鑒於目前半導體製程技術快速的成長，微機電技術的發展越來越成熟，以及

微電子電路的訊號處理功能越來越強，微感測器及微致動器之應用範圍也越來越

廣泛。因傳統電子元件體積大又重，加上其插入損失大及消耗功率高，所以無法

達到目前所需的元件規格要求。為了提高無線通訊系統操作頻率、有效降低功率

損耗和減少體積，透過微機電技術的發展，可製作出具有輕、薄、短、小、高精

密、高解析、高性能、及低耗電的元件。故可利用微機電技術製作出射頻微機電

開關來取代傳統的PIN 開關，然而為了求多功能整合、頻寬大、訊號損失低和

體積小等要求，往更高的頻率發展已是未來的趨勢。而就目前微機電技術在射頻

領域的應用主要包含了射頻開關、震盪器、天線等；而射頻微機電開關在個人手

機或基地台的功用大致有兩個，一個是在雙天線系統使用的切換器開關，另一個

則是位在無線通訊系統前端選擇傳送或接收信號的切換器開關；其驅動方式由於

靜電式之驅動技術較為成熟，因此目前大多的射頻微機電開關驅動方式以靜電式

為主，此專題研究是先以靜電驅動方式做出個開關，然後嘗試改良此開關，以不

同的驅動方式讓整個系統所消耗的能量可以進一步降低，也讓成本也相對下降，

進而要求將插入損失降至最低、提高隔絕能力、降低趨動電壓等特性。

1

Abstract

The electrical RF switch has some disadvantages which are high insertion loss

and large power consumption was exhibited. These characteristics of the electrical RF

switch will not compatible to the communication system in the future. In order to find

the way to overcome the bottleneck that mention in the above. Therefore, the RF

switch which is fabricated by the MEMS technology was developed. Utilizing the

MEMS technology to manufacture the component has the characteristic which are

smaller size, high electrical performance and lower power consumption. The RF

switch has two important applications in the communication system. One is applied in

the dui-antenna system to switch the signal. The other one is used in the front section

of the communication system to switch the input and output signal. The main

actuation method of the RF MEMS switch includes the electrostatic, piezoelectric and

magnetic. In order to compatible the easily design principle. The actuation method of

the electrostatic is widely use in the RF MEMS switch. However, the electrostatic

driving switch usually has the problem which the higher voltage is needed to drive the

component. Therefore, in this research the special electrode shape with the bend

suspending cantilever beam is designed to reduce the actuation voltage. Besides, the

high electrical isolation also could achieve in this RF MEMS switch.

2

目錄

感謝……………………………………………………………………………………1

中文摘要………………………………………………………………………………2

英文摘要………………………………………………………………………………3

目錄……………………………………………………………………………………4

圖目錄…………………………………………………………………………………5

表目錄…………………………………………………………………………………8

第一章 緒論………………………………………………………………..………..9

1.1 研究動機…….…………………………………………………………………..9

1.2 射頻微開關簡介…..……………………………………………………….......11

第二章 理論分析與模擬…………………………………………………………..17

2.1 元件設計……………..………………………………………………...............17

2.2 Coventor Ware模擬……………………………………………………............17

2.3 元件尺寸設計與分析 ……..….….……..…………………….………………18

2.3.1 下驅動電極…………………………………………………………………..18

2.3.2 懸臂樑長……………………………………………………………………..18

2.3.3 間距大小……………………………………………………………………..19

2.3.4 電極材料……………………………………………………………………..19

2.4 Pull-in 電壓模擬結果….….….….….….….………………………………….19

第三章 製程規劃…………………………………………………………………..28

3.1 光罩設計……….………………………………………………………………28

3.2 製程流程…..……………………………………………………………...……29

第四章 實驗結果…………………………………………………………………..33

4.1 預期結果………………………………………………………………….……33

4.2 實驗結果………………………………………………………….……………33

3

4.3 遭遇問題……………………………………………………………………….34

第五章 結論與後續工作…………………………………………………………..38

誌謝…………………………………………………………………………………..39

參考文獻……………………………………………………………………………..39

4

圖目錄

圖 1.1 低損失微機械式微波開關示意圖[6]………………….………….………13

圖 1.2 開關電路圖[7]……………………………………….…………….………13

圖 1.3 對稱開關概要圖[8]……………………………….……………….………14

圖 1.4 低電壓之微形開關 SEM 圖[9]……………….………………….……….14

圖 1.5 熱電式微懸臂式開關示意圖[10]………….……………………….……..15

圖 1.6 熱電式微繼電器示意圖[11]…………….………………………….……..15

圖 1.7 懸臂式微波機械開關示意圖[12]…….…………………………….……..16

圖 1.8 歐姆接觸開關的 SEM 圖[13]…….………………………………….……16

圖 2.1 歐姆式(series switch)微射頻開關結構示意圖…………………….……...20

圖 2.2 Coventor Ware 分析流程圖………………………………………….……20

圖 2.3 製程流程圖…………………………………………………………….…..21

圖 2.4 AutoCAD 繪製之光罩圖……………………………………………….….21

圖 2.5 RF MEMS Switch 3D 模型示意圖…………………………………….…..22

圖 2.6 Pull-In voltage 分析：未加電壓………….…………………………….…..24

圖 2.7 Pull-In voltage 分析：施予電壓……….……………………………….…..25

圖 2.8 磁滯曲線 150μm……………………………………………….…………..25

圖 2.9 磁滯曲線 175μm……………………………………….....………………..26

圖 2.10 磁滯曲線 200μm…..………………………………………...……………..26

圖 2.11 磁滯曲線 250μm……………………………………………………….…..27

圖 3.1 製程流程圖………………………………………………………….……..30

圖 3.2 MASK – 1………………………………………………………………… 31

圖 3.3 MASK – 2………………………………………………………………… 31

圖 3.4 MASK – 3…………………………………………………………….…... 31

圖 3.5 MASK – 4………………………………………………………….………32

5

圖 3.5 對準口……………………………………………………………………..32

圖 4.1 第一道製程OM圖……………………………………………………...….35

圖 4.2 第二道製程OM圖……………………………………………………...….35

圖 4.3 第三道製程OM圖……………………………………………………...….35

圖 4.4 問題OM圖一…………………………………………………………...….36

圖 4.5 問題OM圖二.…...……………………………………………………...….36

圖 4.6 問題OM圖三…………………………………………………………...….36

圖 4.7 問題OM圖四…………………………………………………………...….36

圖 4.8 移除犧牲層前……………………………………………………...…...….36

圖 4.9 SU-8 高度…………………………………………………………….....….36

圖 4.10 遭受破壞之結構層…..………………………….……………………...….37

6

表目錄

表 2.1 為各尺寸 Pull-In voltage 及垂直位移變化量之模擬結果........................22

表 2.1.1 上、下驅動電極材料為鎳(Ni)gap(3μm) —beam(2μm).........................22

表 2.1.2 上、下驅動電極材料為鎳(Ni)gap(3μm) —beam(1.5μm)......................23

表 2.1.3 上、下驅動電極材料為鎳(Ni)gap(5μm) —beam(2μm).........................23

表 2.2 上、下驅動電極材料為不同材料比較 gap(3μm)～beam(1.5μm)…....24

表 3.1 各種設計尺寸……………….…………………………………………..28

7

第一章 緒論

1.1 研究動機與目的

隨著微機電技術的發展越來越成熟，以及微電子電路的訊號處理功能越來越

強，微感測器及微致動器之應用範圍也越來越廣泛。其中，微感測器是用來量測

物理量或化學量，如微加速規、微壓力計、陀螺儀、觸覺、流體、影像、溫度、

溼度、磁場、光、化學及氣體等感測元件；微致動器則可將輸入能源轉化為運動

輸出，如光開關、微馬達、微幫浦、靜電式、電熱式、電磁式、壓電式及氣/液

動式等致動元件。而射頻微機電(RF MEMS)元件，如微開關、微繼電器;就目前

無線通信系統而言，其主要涵蓋範圍有地面行動電話、個人通訊系統、衛星通訊

和無線區域網路等，為了提高無線通訊系統操作頻率、有效降低功率損耗和減少

體積，可利用以微機電技術為基礎的微機電開關。其中，目前已有許多學者提出

一些關於微機電開關研究。未來微機械式開關若能和其他元件有效整合，將能製

出更多新的模組。用微機電技術製作出來的微感測器，如壓力計、加速規、及陀

螺儀等等從 1970 年代就開始發展了，但以微機電系統技術製作出的微機電開關

則是在 1980 年代才出現。直到 1990-1991 年間，DARPA(Defense Advanced

Research Projects Agency)才真正的製作出第一個以微機電技術為基礎的微機電

開[1]。

目前以微機電技術發展的射頻微機電元件，包括了微開關、微電感、可變電

容、微共振器，而其中的微開開(Micro Switch)，若以驅動方式作為分類，驅動

機械結構的機制包括靜電式、壓電式、熱電式、電磁式、記憶金屬式。其介紹如

下：

靜電式：外加電壓於元件中特定的電極間造成正負電荷的聚集，形成庫倫吸引力

來驅動機械元件[2]。

壓電式：外加電場於結構中的壓電材料層，使壓電材料產生變形，藉此驅動元件

[3]。

8

電熱式：將電流通入元件中的金屬部份使其發熱而膨脹變形，藉此變形量來驅動

元件[4]。

電磁式：利用磁式材料或電磁鐵來驅動元件[5]。

記憶金屬式：某些材料在低溫時產的變氣，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。

若以電路特性來看，微開關可分為電阻式及電容式，若從與RF線路的連接

方式(Configuration)來分，開關與RF線路常見的連接方式有串聯(Series)與分流

(Shunt)。

ㄧ、分流式：

如1999 年Yao, Z.J等人利用薄膜金屬與共平面波導管的相互結合製作出一

射頻為機電電容開關，可獲得較低的插入損失。驅動電壓50V，隔絕率在20GHz

為24dB、35GHz為35dB，插入損失在20GHz為0.14dB、35GHz為0.25dB，結構如

圖1.1所示[6]；在2004 年D. Mercier 等人製作出高性能的電阻式開關，其操作頻

率是從0Hz到100GHz，此開關的特性具有驅動電壓低(約22V)，亦具有切換速度

較快的優點，並且和W-band 有良好的相容性，其電路示意圖如圖1.2所示[7]；

在2005 年K. Rangra 等人製作出電極面積較大的電容式開關，在結構中採用剛

性較低的懸臂樑，將可達到低驅動電壓（8V~10V），且對開關的特性不會有太

大的影響，其結構如圖1.3所示[8]；

二、串聯式：

如2000年Sergio等人利用以polyimide當犧牲層的面型微加工技術和電鑄鎳

製程製作出大面積的彎曲彈簧，以獲得較大的電容值進一步獲得較小的驅動電

壓，如圖四所示。其驅動電壓小於9V，在15GHz 其隔絕率低於-15dB，對於無

線通訊元件有低功率消耗如圖1.4所示[9]；在2001 年Duffy 等人利用兩種膨脹係

數不相同的材料，設計出oxide-Al-oxide懸臂結構的電容式微開關，如圖五所示；

由於oxide 與Al 的膨脹係數相差甚大，因此結構會有大位移的翹曲，進而提高

此開關的隔絕率。此外，結構中皺摺薄膜的設計是用來減少接觸時的震盪情形。

9

插入損失在40GHz 為0.1~0.2dB，開啟與關閉狀態的電容比為 141：1 如圖1.5所

示[10]。在2002 年Ye Wang 等人以面型微加工技術，製作以熱致動方式的側邊

接觸微型繼電器，利用V 型結構以及氮化矽薄膜的設計來提高致動器的位移量

以及隔絕電與熱。有低插入損失(12GHz 時插入損失為-1dB)、高隔絕率(12GHz

時隔絕率為 -20dB)。其結構如圖1.6所示 [11]。在2003 年Yeong-Lin Lai 與

Ching-Hsiang Tu 利用懸臂樑結構與共平面波導管(CPW)製作出一射頻微機電電

容開關，結構如圖1.7所示。隔絕率在13GHz 為20dB，開啟與關閉狀態的電容比

為227：1[12]。在2004 年B. Schauwecker 等人以懸臂樑結構做成串接式開關，

此類型之微型開關適合在低頻操作。用在信號分配、網路的阻抗匹配、可調增益

的放大器，其結構如圖1.8所示[13]。

而射頻微機電開關在個人手機或基地台的功用大致有兩個，一個是在雙天線

系統使用的切換器開關，另一個則是位在無線通訊系統前端選擇傳送或接收信號

的切換器開關；由於靜電式之驅動技術較為成熟，因此目前大多的射頻微機電開

關驅動方式以靜電式為主，然而靜電式微開關通常需要較大的驅動電壓，本計劃

將藉由特殊結構的設計，可降低元件的驅動電壓此外也可提高隔絕能力，搭配不

同基底的使用，進而將插入損失降至最低。由於只須透過簡單的製程步驟即可製

作出此射頻元件，因此也讓成本相對下降。

1.2 射頻微開關簡介

微機電系統(micro-electro-mechanical system，MEMS)，其基本的技術背景

與應用層面是整合機械、電子、光學、材料、控制、物理、化學、生物、醫學等

各種不同領域，且元件尺寸、外型以及運動範圍能夠達到微米(μm)級的精準度或

位移量之系統。因此微機械加工技術有別於一般傳統產業之加工技術，其利用與

積體電路相容之半導體製程，大致上可分為面型微加工技術 (surface

micromachining) 與體型微加工技術(bulk micromachining)等技術製作微小的機

10

械元件與結構，而典型的微機電系統需包括：微感測器(microsensors)、微致動器

(microactuators)、及控制邏輯(control logic)等元件。由於微加工技術日新月異不

斷地進步，使得各領域元件與系統的製造技術漸趨成熟。

目前微機電技術在射頻領域的應用主要包含了射頻開關、震盪器、天線等；

傳統的 PIN 二極體開關及 FET 開關使用在微波訊號傳遞上特性較差，故有的重

量較重、尺寸大，且在製作製程和傳統的 CMOS 製程較不相容，因此透過微機

電技術的發展，可製作出具有輕、薄、短、小、高精密、高解析、高性能、及低

耗電的元件。

微射頻開關(RF MEMS switch)其操作原理主要是透過機械移動完成信號

傳輸線間的開/斷控制，由於具有低插入損失(low insertion loss)、高隔絕度(high

isolation)、高線性度、低功率消耗的的特性。

11

圖 1.1：低損失微機械式微波開關示意圖(a)結構示意圖及(b)SEM 影像圖[6]

圖 1.2：開關電路圖 (a)開路的狀態示意圖(b)關閉狀態示意圖[7]

12

圖 1.3：對稱開關概要圖(a)3D 圖示(b)截面積圖示[8]

圖 1.4：低電壓之微形開關 SEM 圖[9]

13

圖 1.5：熱電式微懸臂式開關示意圖[10]

圖 1.6：熱電式微繼電器示意圖(a)結構示意圖(b)SEM 影像圖[11]

14

圖 1.7：懸臂式微波機械開關示意圖(a)結構示意圖(b)電壓驅動示意圖[12]

圖1.8：歐姆接觸開關的SEM示意圖[13]

15

第二章 元件設計與分析模擬

2.1 元件設計

本專題所提出之歐姆式(series switch)微射頻開關，採用懸臂樑結構，透過靜

作動，結構示意圖如圖 2.1 所示。其主要設計概念主要是透過

翹曲

罩，再

本專題主要是為降低開關之驅動電壓而設計，選用 Coventor Ware 這套軟體

說可以分成三大部份即佈局(Layout)、分析

電力的方式使元件

的懸浮結構提高元件的隔絕率，由於懸浮薄板的金屬接觸端與導線間擁有較

大的間距，因此可提高輸出/輸入端的隔絕率；懸浮結構的平板上再鍍一層薄金

屬做為元件驅動的上電極，在基底上鍍上以ㄇ字型的薄金屬做為下驅動電極；為

了降低驅動時所需的電壓，因此規劃了較大面積的上下電極區域結構設計。在基

底的選擇上採用矽晶圓做為底材，於矽晶圓上方沉積氮化矽薄膜以降低訊號的損

失，翹曲的懸浮薄板則利用具有張應力(tensile)的氮化矽薄膜製作；當下方犧牲

層去除時，自由端為了釋放應力，因此會形成向上彎曲的懸浮結構；為了使開關

接觸點能與導線確實連接，故在製作導線時會增加導線的厚度。透過以上的設計

要點，即可製作出低驅動電壓、低插入損失與高隔絕率的微射頻開關。

關於歐姆式微射頻開關的設計，本專題將採用兩套軟體加以進行輔助設計，

分別為 CoventorWare 以及 AutoCAD。AutoCAD 主要是用來規劃製程的光

透過 CoventorWare 輔助分析可以計算出懸臂樑整個做動所需的電壓值

（pull-in），然後依據電壓值去設定磁滯曲線的電壓範圍，藉由磁滯曲線圖中可

觀察出，在各個電壓之下懸臂樑的垂直位移變化。

2.2 Coventor Ware 分析模擬

對靜電來分析及模擬。軟體整體來

(Analysis)以及系統的動態模擬(System Dynamic Simulation)，所謂佈局就是利用

軟體將所要的製程及光罩圖做搭配結合，將設計好的光罩和製程，經由軟體而建

構出一個實體的 3D 模型，分析就是在建立完 3D 模型後將自己所需要的邊界條

16

件輸入，經過軟體的數值運算如果可以滿足設定的需求，就可以形成一個動態模

式以便以後的分析。

Coventor Ware 可以快速的建立 3D 元件，且暫時可以將細微的製程省略，

並且可以評估整個元件的可行性。建立模型時，首先要設計好光罩，然後配合製

析

我們主要是將 Coventor Ware 模擬分成四大變數，分別為：改變ㄇ字型下驅

、不同的間距大小及電極的材料選取，藉由以上

在設計完製程流程後，如圖 2.2 所示，再利用 AutoCAD 所繪製的光罩圖，

入 Coventor Ware，藉由光罩和製程流程搭配建立成一 3D

藉著之前的寬度模擬，我們依然使用兩組分別為 30μm 和 50μm 下電極前

臂樑長改成 150μm、175μm、200μm 及 250μm，在其他

程定義出元件尺寸，最後設定完材料參數，即可建立出元件的 3D 模型，在網格

化後設定邊界條件，選擇機電耦合分析(CoSolveEM)進行模擬分析，解析完後就

可以看出 RF MEMS Switch 的作動情形及驅動電壓大小等特性，Coventor Ware

的分析流程圖 2.1 所示。

2.3 元件尺寸設計與分

動電極尺寸、不同懸臂樑長尺寸

四點找出最合適之參數設定。

2.3.1 下驅動電極

如圖 2.2 所示，然後匯

的元件模型，如圖 2.4，在 Coventor Ware 製程因下電極前端面積的改變，在結構

尺寸一樣的情況下，驅動電壓有些許的變化，不過垂直變化量卻沒有什麼改變，

但因懸臂樑與下電極的間距的不同，所以在模擬的整體來說，前端寬度為 50μm

會比 30μm 的電壓大 0.3V-1.5V 左右。

2.3.2 懸臂樑長

端寬度，且分別將懸

條件一樣的情況下，懸臂樑長和驅動電壓的關係。當懸臂樑愈短它的剛性就比較

17

大，因此所需的驅動電壓也比較大，而當懸臂樑愈長其剛性也相對較小，故較易

被驅動，而模擬結果也如預期 250μm 之驅動電壓是四種尺寸中最小的，而 150

μm 是最大的，但是懸臂樑過長可能會造成無法復歸的情形，而各個尺寸 Pull-In

驅動電壓垂直位移變化量模擬結果及尺寸模擬結果如表 2.1。

2.3.3 間距大小

在圖 2.5 中我們可看出改變 GAP 之大小，並且從下面的表格我們可以很清

度一樣的條件中，更改懸臂樑與下電極的間距，分別為 3μ

從表.2 中我們可以看到兩組不同的材料，且需要的驅動電壓也不同，其中以

oventor Ware 中，我們曾模擬過許多材料，有金、鋁、銅、

圖 2.6 中可以看出射頻微機電開關未施予電壓時的靜態模式，隨電壓值不斷

移量，當位移量大約達到間距的三分之ㄧ時，開關

楚的知道在懸臂樑厚

m 與 5μm 時，5μm 所需的驅動電壓相對於 3μm 是比較大的。

2.3.4 電極材料

金最適合，不過在 C

鎳，發現四個材料中，以金的驅動電壓最小，至於鋁和銅則是因為製程規劃上的

要求，所以不採用，但因金的價格昂貴，故選用鎳來當上下電極材料。

2.4 pull-in 電壓模擬結果

的增加，開關會產生不同的位

會產生 Pull-In 的情形，此時的電壓值即為開關之驅動電壓，如圖 2.7—2.10 所示。

藉由以上的模擬，我們可以得知懸臂樑長度增加、下驅動電極尺寸增加、間距縮

減及選取導電性較佳的材料皆可以降低驅動電壓。

18

光罩設計

製程設計

3D元件設計

網格化

設定邊界條件

求解

圖 2.1 歐姆式(series switch)微射頻開關結構示意圖

圖 2.2 Coventor Ware 分析流程圖

19

圖 2.3 製程流程圖

(a)

(b)

圖 2.4 AutoCAD 繪製之光罩圖

(a) ㄇ字型下電極前端的寬度 30μm(b) ㄇ字型下電極前端的寬度 50μm

20

表 2.1 為各尺寸 Pull-In voltage 及垂直位移變化量之模擬結果

表 2.1.1 上、下驅動電極材料為鎳(Ni) gap(3μm) — beam(2μm)

懸臂樑長度(μm) 150 150 175 175

圖 2.5 RF MEMS Switch 3D 模型示意圖

下電極前端寬度(μm) 30 50 30 50

Pull-In 驅動電壓(V) 15.625 14.688 12.186 11.250

垂直位移變化量(μm) 1.163 1.252 1.177 1.101

懸臂樑長度(μm) 200 200 250 250

下電極前端寬度(μm) 30 50 30 50

Pull-In 驅動電壓(V) 9.375 8.750 6.250 5.625

垂直位移變化量(μm) 1.112 1.086 1.286 0.968

21

表 2.1.2 上、下驅動電極材料為鎳(Ni)gap(3μm) — beam(1.5μm)

懸臂樑長度(μm) 150 150 175 175

下電極前端寬度(μm) 30 50 30 50

Pull-In 驅動電壓(V) 6.250 5.938 5.000 4.688

垂直位移變化量(μm) 1.118 1.107 1.178 1.175

懸臂樑長度(μm) 200 200 250 250

下電極前端寬度(μm) 30 50 30 50

Pull-In 驅動電壓(V) 3.750 3.438 2.500 2.188

垂直位移變化量(μm) 1.086 0.926 1.064 0.771

表 2.1.3 上、下驅動電極材 鎳(Ni)gap(5μm) m(2μm

150 150 175

料為 — bea )

懸臂樑長度(μm) 175

下電極前端寬度(μm) 30 50 30 50

Pull-In 驅動電壓(V) 24.375 22.813 19.063 17.813

垂直位移變化量(μm) 1.890 1.896 2.132 1.927

懸臂樑長度(μm) 200 200 250 250

下電極前端寬度(μm) 30 50 30 50

Pull-In 驅動電壓(V) 14.688 13.750 9.375 9.063

垂直位移變化量(μm) 1.951 1.819 1.802 1.821

22

表 2.2 上、下驅動電極材料為 材料比 ap(3μm eam(1.5

金

μm) 15 175 200

不同 較 g )—b μm)

(Au)

懸臂樑長度( 0

下電極前端寬度(μm 30 30 30 )

Pull-In 驅動電壓(V) .00 3.750 2.812 5

垂直位移變化量(μm) 0.936 0.930 0.817

鎳

m) 150 175 200

(Ni)

懸臂樑長度(μ

下電極前端寬度(μm) 30 30 30

Pull-In 驅動電壓(V) 3.750 6.250 5.000

垂直位移變化量(μm) 1.086 1.118 1.178

圖 2.6 Pull-In voltage 分析：未加電壓

23

圖 2.7 Pull-In voltage 分析：施予電壓

圖 2.8 磁滯曲線 150μm

24

圖 2.9 磁滯曲線 175μm

圖 2.10 磁滯曲線 200μm

25

圖 2.11 磁滯曲線 250μm

26

第三章 製程規劃

3.1 光罩設計

由於製程規劃上的考量，於是我們總共設計了 4 道光罩來和製程相互搭配，

為了要印證模擬結果之正確性，所以光罩的尺寸也設計了多種的變化和模擬對

映，規格大致分為 8 類如表 3.1 所示。

表 3.1 各種設計尺寸

懸臂樑長度(μm) 150 175 200 250

30 30 30 30 ㄇ字型下電極前端

寬度(μm) 50 50 50 50

四道光罩的功能分別描述如

MASK-1：定義下電極的形狀，如圖 3.1 所示。

MASK-2：定義懸臂樑固定端的區域，如圖 3.2 所示。

MASK-3：定義上訊號電極的區域，如圖 3.3 所示。

MASK-4：定義懸臂樑及上驅動電極的形狀，如圖 3.4 所示。

對準記號的設計上如圖 3.6 所示，圖之左邊為第一組的對準記號，用來作為

後續二、三、四道的對準，圖之右邊為第二組的對準記號，用來做為後續三、四

道的對準。紅色是第一道光罩對準記號，黃色是第二道光罩對準記號，綠色是第

三道光罩對準記號，藍色是第四道光罩對準記號。

下:

27

3.2 製程流程

之歐姆式(series switch)射頻微機電開關，於製程規劃上首先利

(lift-off)技術製作出ㄇ字型下電極與訊號導線，接著沉積犧牲層，經由蝕

刻定義出懸臂樑固定端後，利用掀離(lift-off)技術製作訊號接觸電極，再分別沉

積具有張應力之氮化矽薄膜製作懸臂樑結構以及上驅動電極，最後利用移除犧牲

(a)用 ，後 化矽絕 薄膜。

(b)使 微影的 定義出 極區域

(c)沉 下電極鎳，再 掀離技 ift-off)製作元件之下電極。

(d)利用 LPCVD 沉積二氧化矽做為犧牲層。

(e)透過微影製程與 RIE 蝕刻，定義出懸臂樑之固定端。

(f)利用微影製程定義出上訊號電極的區域。

(g)沉積金屬鎳與利用掀離技術(lift-off)製作元件之金屬接觸端做為開關的上訊

號電極。

(h)沉積具有高應力之氮化矽薄膜。

(i)利用微影製程與蝕刻定義出懸臂樑結構圖形。

(j)利用微影製程定義出上驅動電極的區域。

(k)沉積金屬鎳及利用掀離技術(lift-off)製作元件之上驅動極。

(l)利用 BOE 蝕刻掉二氧化矽犧牲層。

本專題所提出

用掀離

層所產生之應力使具有張應力之懸臂樑向上翹曲。詳細的製程流程說明如下：

(100)單晶矽作為基材 成長氮 緣層

用第一道光罩和利用

積種子層鉻與

方式 下電 。

利用 術(l

28

圖 3.1 製程流程圖

29

圖 3.2 MASK – 1

圖 3.3 MASK – 2

圖 3.4 MASK – 3

30

圖 3.5 MASK – 4

圖 3.5

對準口

31

第四章 實驗結果

4.1 預期結果:

由於本研究專題“射頻微機電開關之設計與製作＂為一翹曲的懸臂樑結

構，搭配了大面積的上驅動電極及ㄇ字型下驅動電極的結構設計，再利用氮化矽

薄膜減少訊號損失，因此預期可以增高隔絕率、減低插入損失、降低驅動電壓、

微小化、元件損失阻抗低及對 IC 製程相容可能性高。

4.2 實驗結果:

驗成果主要是依據元件的製程規劃將整個射頻微機電開關製作出來，然後

將其遇到的問題加以討論。此研究共有四道光罩，目前已進行至第四道，不過

到製程上之瓶頸，尚在解決中，目前製作進度如下所述：

第一道光罩為製作下驅動電極與訊號導線，實驗結果如圖 4.1 所示，在圖中

色較深的區域為氮化矽之絕緣層，顏色較白的部份則是沉積鉻/鎳金屬的區

，用來製作下驅動電極與訊號導線。

第二道光罩為製作懸臂樑之固定端，在曝光顯影後送件至 NDL 完成 RIE 蝕

，實驗結果如圖 4.2 所示，由圖中可以明顯地看出固定端區域。

第三道製程為製作訊號接觸 完成後蒸鍍鎳與鉻，然後用掀離

技術完成此光罩製程，實驗結果如圖4.3 示，在圖中央亮白色區域為訊號接觸

電極的部份。

完成第三道製程之後，送件至NDL (1μm)，而沉積上去的氮

化矽表面緻密性良好，於是利用第四道光罩塗佈一層負光阻(SU8)並定義出上電

極部分。

實

再

遇

顏

域

刻

電極，微影曝光

所

沉積一層氮化矽

32

4.3 遭遇問題:

問題是在製作掀離(lift-off)製程時，會有殘餘光阻黏在電極

，第一次是先設法在蒸鍍金屬時減少厚度再進行掀

離製程，結果發現還是會有殘餘光阻，如圖 4.4 所示；第二次不只把金屬的厚度

減少，也把原來使用的厚光阻（AZ4620）改成薄光阻（MVP1225），結果顯示下

電極金屬掀離得很乾淨而且沒有了殘餘光阻的問題。

矽晶片在沉積完犧牲層厚，塗佈一層負光阻（SU-8），利用第二道光罩定

義出懸臂樑固定端區域之後，在製作 RIE 蝕刻時發現負光阻的部分都過度蝕

刻，甚至蝕刻到少許的二氧化矽；第二片在進行上述的同樣步驟後，卻出現在

所示。不過和老師討

論過後仍決定繼續往下製作。

矽晶片在第三道製程製作上訊號電極時，因為分開兩次掀離(lift-off)製程，

，如圖 所示，不過偏移的距離還在容忍的範為內，

所以仍繼續之後的製程步驟。

矽晶片在進行上述的步驟後，嘗試兩種金屬一起做掀離(lift-off)製程，但結果

，如圖 所示。最後經討論之後

一片相同方法去做掀離製程。

矽晶片進行至第四道光罩蝕刻氮化矽時，有向內蝕刻的現象，造成懸臂樑結

構被破壞，因此將其犧牲層移除，利用 觀察其結構層，如圖 至圖 所

示，其結構皆已被破壞，目前尚在討論解決中。

第一道光罩遭遇到的

上，甚至出現過度掀離的現象

RIE 蝕刻後，表面因為高溫關係出現焦黑的現象，如圖 4.5

出現鉻鎳兩種金屬有些偏移 4.6

發現掀離的金屬都黏在晶圓上 4.7 ，還是使用與第

SEM 4.8 4.10

33

圖4.1 第一道製程OM圖

圖4.2 第二道製程OM圖

34

圖4.3 第三道製程OM圖

35

圖 4.4 問題 OM 圖一 圖 4.5 問題 OM 圖二

圖 4.6 問題 OM 圖 4.7 問題 OM 圖四

三 圖

圖 4.8 移除犧牲層前 圖 4.9 SU-8 高度

(a) (b

) 圖 4.10 遭受破壞之結構層

36

第五章 結論與後續工作

本研究藉由微機電製程技術製作之微機械開關，內容包含微元件設計、製程

步驟規劃、模擬軟體應用等，為了使此元件能達到低驅動電壓，並考量在低成本

之下，依模擬結果為基礎去做結構改良、材料選取、尺寸設計，以達到此元件性

能的最佳化。

本研究主要研究目標是製作出一種微小化、低電壓、低插入損失、高效能與

高隔絕率的射頻開關，期望經由微機電相關技術的輔助，發展出微米級的射頻開

關並且應用在通訊設備上，尤其針對現在的 3G 多模手機的 RF MEMS 模式開

關，具體加速 3G 部署並穩定了通話品質 更加延長手機通話時間。而在製作過

程中，製程進行第四道要使用 BOE 蝕刻液對氮化矽進行溼蝕刻以定義出懸臂樑

區域，發現在懸臂樑部份都有向內蝕刻的狀況，甚至有些懸臂樑結構都被破壞，

對於此問題有考慮到其他蝕刻溶液，但大部分都會把整個結構蝕刻掉，之後會先

設法重新調配 BOE 溶液的比例再次進行蝕刻動作，還有一種考量就是使用異丙

醇溶劑，此種溶劑對金屬是不會產生蝕刻的現象，或者去詢問有那些機台儀器可

以進行第四道的蝕刻動作，這道設法解決之後，再完成沉積金屬與去除犧牲層這

兩步驟，元件大致上都完成了，接下來即可進行開關特性量測。

，

37

誌謝

《We are grateful to the National Center for High-performance Computing for

《感謝國家高速網路與計算中心提供軟硬體資源，使本研究得以順利進行》

computer time and facilities》

參考文獻

[1] De Los Santos, H.J.; Yu-Hua Kao; Caigoy, A.L.; Ditmars, E.D.; “Microwave

and mechanical considerations in the design of MEM switches for aerospace

applications”,Aerospace Conference, 1997. Pr

Feb. 1997 , Pages:235 - 254 vol.3

[2] Borwick, R.L., III; Stupar, P.A.; DeNatale, J.; “A hybrid approach to

low-voltage MEMS switches”,TRANSDUCERS, Solid-State Sensors, Actuators

and Microsystems, 12th International Conference on, 2003 , Volume: 1 , 8-12

June 2003, Pages:859 - 862 vol.1

[3] Gross, S.J.; Zhang, Q.Q.; Trolier-McKinstry, S.; Tadigadapa, S.; Jackson,

.N.; “RF MEMS piezoelectric switch”,Device Research Conference, 2003 , 23-25

une 2003 , Pages:99 – 100

] Ye Wang, Zhihong Li, Daniel T. McCormick and Norman C. Tien；“A

icromachined RF microrelay with electrothermal actuation”,Sensors and

ctuators A: Physical, Volume 103, Issues 1-2, 15 January 2003, Pages 231-236

] Meichun Ruan; Jun Shen; Wheeler, C.B.; “Latching micromagnetic relays”,

icroelectromechanical Systems, Journal of , Volume: 10 , Issue: 4 , Dec. 2001

oceedings., IEEE , Volume: 3 ,1-8

T

J

[4

m

A

[5

M

38

Pages:511 – 517

[6 shelman, S.; Denniston, D.; Goldsmith, C.;

Micromachined low-loss microwave switches” Microelectromechanical Systems,

Journal of , Volume: 8 , Issue: 2 , June 1999 Pages:129 – 134

Lorenzelli, and F. Giacomozzi, “Symmetric

oggle Switch-A New Type of RF MEMS Switch for Telecommunication

, C.T.-C.; “Design of low actuation

MEMS switch” Microwave Symposium Digest., 2000 IEEE MTT-S

.; Travis, L.; Wyatt, P.; Keast, C.;

, M.; “MEMS microswitches for reconfigurable microwave circuitry”

a

1] Y. Wang, Z. Li, D. T. McCormick, and N. C. Tien, “Low- Voltage

] Yao, Z.J.; Chen, S.; E

“

[7] D. Mercier, P. L. Charvet, P. Berruyer, and C. Zanchi, “A DC to 100 GHz

High Performance Ohmic Shunt Switch,” 0-7803-8331-1/04 2004 IEEE

[8] K. Rangra, B. Margesin, L.

T

Applications：Design and Fabrication,” Sensors and Actuators A physical . Vol.

A123-A124,pp.505-514.23 Sept .2005

[9] Pacheco, S.P.; Katehi, L.P.B.; Nguyen

voltage RF

International , Volume: 1 , 11-16 June 2000 Pages:165 - 168 vol.1

[10] Duffy, S.; Bozler, C.; Rabe, S.; Knecht, J

Gouker

Microwave and Wireless Components Letters, IEEE [see also IEEE Microw ve

and Guided Wave Letters] , Volume: 11 , Issue: 3 , March 2001 Pages:106 – 108

[1

Lateral-Contact Micro-relays for RF Applications,” 0-7803-7185-2/02 2002 IEEE

39

[12] Yeong-Lin Lai; Ching-Hsiang Tu; “Design of cantilever-type microwave

icromachined switches”Applied Electromagnetics, 2003. APACE 2003.

d J.-F. Luy, “Serial

ombination of Ohmic and Capacitive RF MEMS Switches for Large

m

Asia-Pacific Conference on , 12-14 Aug. 2003 Pages:63 – 6

[13] B. Schauwecker, K. M. Strohm, T. Mack, W. Simon, an

C

Broadband Applications,” ELECTRONICS LETTERS 8th January 2004 Vol.40

NO.1

40

射頻微開關論文(完成)-封面鴻智＿專題口試合格證明射頻微開關論文(完成)-內文