高性能RF MEMS全硅腔/基片集成滤波器工艺及可重构技术研究
发布时间：2022-11-12 09:04
本论文围绕RF MEMS（RF microelectromechanical systems）滤波器的加工工艺和可重构设计技术,分别研究了基于硅微加工技术的全硅腔凋落模可调滤波器和基于商用RF MEMS器件的可重构微带滤波器,具体研究内容如下。（一）首次提出基于硅微加工技术的K–Ka频段二阶RF MEMS全硅腔凋落模可调带通滤波器,并提出基于纯金溅射工艺的新型微齿薄膜用于该滤波器的频率调谐。该滤波器的耦合凋落模腔体谐振器采用四甲基氢氧化铵（Tetramethylammonium hydroxide,TMAH）湿法刻蚀技术制作在（700±25）-?m厚低阻（电阻率5–10Ω·cm,下同）硅衬底上,表面金属淀积采用1-?m厚纯金溅射工艺;微齿薄膜的齿同样采用TMAH湿法刻蚀技术制作在（300±25）-?m厚低阻硅衬底上,1-?m厚溅射金薄膜采用硅的二氟化氙气体干法刻蚀释放。提出的滤波器具有在23–35 GHz范围内通带中心频率连续可调,滤波器品质因数（Q）高（530–750）和静电驱动电压低（小于140 V）的优势。对于实现相同的频率调谐范围,微齿薄膜的静电驱动电压远小于传统商用压电执行器...
【文章页数】：242 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
主要符号与英文缩写列表
第一章 绪论
1.1 RF MEMS基本概念
1.2 RF MEMS滤波器研究背景和意义
1.3 RF MEMS滤波器研究现状和进展
1.3.1 微加工单片静态滤波器
1.3.2 频率可调谐振器调谐原理与RF MEMS开关式可调滤波器
1.3.3 高Q值RF MEMS可调腔体滤波器
1.3.4 多功能可重构滤波器
1.4 本文的主要贡献与创新
1.5 本论文的结构安排
第二章 RF MEMS凋落模腔体可调带通滤波器基本理论
2.1 高Q值凋落模腔体谐振器的等效电路模型
2.2 高Q值凋落模腔体谐振器的物理结构
2.2.1 基片集成凋落模腔体谐振器与压电执行器膜片
2.2.2 基片集成凋落模腔体谐振器与静电驱动薄膜执行器
2.2.3 凋落模全硅腔谐振器与静电驱动薄膜执行器
2.3 本章小结
第三章 K–Ka频段RF MEMS全硅腔可调带通滤波器设计与工艺
3.1 引言
3.2 K–Ka频段RF MEMS凋落模全硅腔可调带通滤波器设计与仿真
3.2.1 全硅微谐振腔
3.2.2 微齿薄膜调谐器
3.2.2.1 MEMS平面薄膜的静态力学模型
3.2.2.2 MEMS齿形薄膜的机械分析
3.2.2.3 纯金微齿薄膜调谐器的物理结构
3.2.3 耦合全硅腔谐振器
3.2.3.1 射频/微波滤波器耦合矩阵理论
3.2.3.2 全硅腔谐振器的级间耦合
3.2.3.3 全硅腔谐振器的输入输出耦合
3.2.4 二阶可调带通滤波器
3.2.5 三阶可调带通滤波器
3.2.6 四阶可调带通滤波器
3.3 二阶RF MEMS凋落模全硅腔可调带通滤波器微加工工艺
3.3.1 全硅微谐振腔
3.3.2 微齿薄膜调谐器
3.3.3 直流偏置电极
3.4 二阶全硅腔可调滤波器的封装
3.4.1 裸片的金—金表面活化热压键合
3.4.2 用于射频调测的滤波器封装
3.5 全硅腔滤波器工艺的检测和可靠性
3.5.1 全硅微谐振腔工艺的检测
3.5.2 微齿薄膜调谐器工艺的检测
3.5.3 直流偏置电极工艺的检测
3.5.4 全硅腔滤波器工艺中的问题与解决方案
3.6 本章小结
第四章 抗蠕变纳米晶粒金钒合金微齿薄膜
4.1 引言
4.2 金属薄膜机械性能的材料力学理论
4.2.1 金属的应力—应变关系曲线
4.2.2 弹性、塑性、粘弹性和粘塑性
4.2.3 蠕变与应力松弛
4.2.3.1 概念和机械响应
4.2.3.2 蠕变的描述与典型机制
4.2.3.3 金属薄膜蠕变与应力松弛的传统测量方法
4.3 纯金微齿薄膜的机械可靠性
4.4 典型的金属薄膜机械性能强化机制
4.4.1 晶界强化
4.4.2 固溶强化
4.4.3 弥散强化
4.4.4 新型高可靠性合金薄膜材料及其应用
4.5 抗蠕变纳米晶粒金钒合金微齿薄膜
4.5.1 晶界强化金钒合金（2.2 at. %钒）薄膜
4.5.1.1 金钒合金薄膜的共溅射与退火
4.5.1.2 金钒合金薄膜中的钒含量检测
4.5.1.3 薄膜的表面形貌
4.5.1.4 薄膜的应力松弛响应
4.5.1.5 薄膜机械性能一致性的量化比较
4.5.2 晶界强化金钒合金（0.7 at. %钒）薄膜
4.5.2.1 加工工艺
4.5.2.2 钒含量检测
4.5.2.3 薄膜的表面形貌
4.5.2.4 薄膜的应力松弛响应
4.5.3 固溶强化金钒合金（6.8 at. %钒）薄膜
4.5.3.1 加工工艺
4.5.3.2 钒含量检测
4.5.3.3 薄膜的表面形貌
4.5.3.4 薄膜的应力松弛响应
4.6 本章小结
第五章 抗蠕变纳米晶粒金钒合金薄膜的电气性能
5.1 引言
5.2 金钒合金薄膜电导率的直流测量
5.3 金钒合金薄膜电导率的射频测量
5.4 钒含量和退火工艺对传输线衰减因子的影响
5.5 表面粗糙度对薄膜电导率的影响
5.6 本章小结
第六章L频段RF MEMS可重构窄带陷波带通滤波器
6.1 引言
6.2 L频段RF MEMS可重构窄带陷波带通滤波器
6.2.1 1.575-GHz三阶静态窄带带通滤波器
6.2.2 1.525/1.625-GHz频率切换式准吸收式窄带带阻滤波器
6.2.3 带通—带阻级联滤波器的仿真与调测
6.3 本章小结
第七章 0.95/2.45-GHz频率切换式可重构恒定带宽带通滤波器
7.1 引言
7.2 0.95/2.45-GHz频率切换式可重构恒定带宽带通滤波器
7.2.1 设计指标与方案
7.2.2 0.95-GHz四阶集总元件带通滤波器
7.2.3 2.45-GHz四阶微带带通滤波器
7.2.4 带通滤波器的并联
7.2.5 并联滤波器的仿真与调测
7.3 本章小结
第八章 全文总结与展望
8.1 全文总结
8.2 后续工作展望
致谢
参考文献
附录A 全硅腔滤波器常用加工工艺
A.1 热氧化
A.2 光学光刻
A.3 刻蚀
A.3.1 湿法刻蚀
A.3.2 干法刻蚀
A.3.2.1 反应离子刻蚀
A.3.2.2 深反应离子刻蚀
A.3.2.3 硅的XeF_2气体刻蚀
A.4 化学气相淀积
A.4.1 低压化学气相淀积
A.4.2 等离子体增强化学气相淀积
A.5 金属淀积
A.6 晶圆划片
附录B 全硅腔滤波器工艺常用化学品
B.1 Nano-Strip 2X
B.2 Microposit~(TM)SC~(TM) 1827
B.3 Microposit~(TM)MF~(TM)-26A
B.4 去离子水
B.5 Buffered Oxide Etch
B.6 Baker PRS-2000TM
B.7 四甲基氢氧化铵
B.8 Triton~(TM) X-100
B.9 硫酸
B.10 过氧化氢
B.11 异丙醇
B.12 Crystalbond~(TM) 555
B.13 丙酮
B.14 Gold Etchant Type TFA
B.15 氢氧化铵
B.16 划片胶带
B.17 二氟化氙
B.18 AZ 9260 (520 CPS)
B.19 AZ 400K
B.20 DuPont~(TM) Riston? 200 系列光刻胶胶带
B.21 一水合碳酸钠
B.22 氢氟酸
附录C 石英玻璃掩模设计
附录D 薄膜应力松弛响应的Prony级数拟合MATLAB程序
D.1 3小时应力松弛响应的四项Prony级数拟合
D.2 12小时应力松弛响应的五项Prony级数拟合
攻读博士学位期间取得的成果
期刊论文
会议论文
获奖
结业证书
本文编号：3706086
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【学位级别】：博士
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摘要
abstract
主要符号与英文缩写列表
第一章 绪论
1.1 RF MEMS基本概念
1.2 RF MEMS滤波器研究背景和意义
1.3 RF MEMS滤波器研究现状和进展
1.3.1 微加工单片静态滤波器
1.3.2 频率可调谐振器调谐原理与RF MEMS开关式可调滤波器
1.3.3 高Q值RF MEMS可调腔体滤波器
1.3.4 多功能可重构滤波器
1.4 本文的主要贡献与创新
1.5 本论文的结构安排
第二章 RF MEMS凋落模腔体可调带通滤波器基本理论
2.1 高Q值凋落模腔体谐振器的等效电路模型
2.2 高Q值凋落模腔体谐振器的物理结构
2.2.1 基片集成凋落模腔体谐振器与压电执行器膜片
2.2.2 基片集成凋落模腔体谐振器与静电驱动薄膜执行器
2.2.3 凋落模全硅腔谐振器与静电驱动薄膜执行器
2.3 本章小结
第三章 K–Ka频段RF MEMS全硅腔可调带通滤波器设计与工艺
3.1 引言
3.2 K–Ka频段RF MEMS凋落模全硅腔可调带通滤波器设计与仿真
3.2.1 全硅微谐振腔
3.2.2 微齿薄膜调谐器
3.2.2.1 MEMS平面薄膜的静态力学模型
3.2.2.2 MEMS齿形薄膜的机械分析
3.2.2.3 纯金微齿薄膜调谐器的物理结构
3.2.3 耦合全硅腔谐振器
3.2.3.1 射频/微波滤波器耦合矩阵理论
3.2.3.2 全硅腔谐振器的级间耦合
3.2.3.3 全硅腔谐振器的输入输出耦合
3.2.4 二阶可调带通滤波器
3.2.5 三阶可调带通滤波器
3.2.6 四阶可调带通滤波器
3.3 二阶RF MEMS凋落模全硅腔可调带通滤波器微加工工艺
3.3.1 全硅微谐振腔
3.3.2 微齿薄膜调谐器
3.3.3 直流偏置电极
3.4 二阶全硅腔可调滤波器的封装
3.4.1 裸片的金—金表面活化热压键合
3.4.2 用于射频调测的滤波器封装
3.5 全硅腔滤波器工艺的检测和可靠性
3.5.1 全硅微谐振腔工艺的检测
3.5.2 微齿薄膜调谐器工艺的检测
3.5.3 直流偏置电极工艺的检测
3.5.4 全硅腔滤波器工艺中的问题与解决方案
3.6 本章小结
第四章 抗蠕变纳米晶粒金钒合金微齿薄膜
4.1 引言
4.2 金属薄膜机械性能的材料力学理论
4.2.1 金属的应力—应变关系曲线
4.2.2 弹性、塑性、粘弹性和粘塑性
4.2.3 蠕变与应力松弛
4.2.3.1 概念和机械响应
4.2.3.2 蠕变的描述与典型机制
4.2.3.3 金属薄膜蠕变与应力松弛的传统测量方法
4.3 纯金微齿薄膜的机械可靠性
4.4 典型的金属薄膜机械性能强化机制
4.4.1 晶界强化
4.4.2 固溶强化
4.4.3 弥散强化
4.4.4 新型高可靠性合金薄膜材料及其应用
4.5 抗蠕变纳米晶粒金钒合金微齿薄膜
4.5.1 晶界强化金钒合金（2.2 at. %钒）薄膜
4.5.1.1 金钒合金薄膜的共溅射与退火
4.5.1.2 金钒合金薄膜中的钒含量检测
4.5.1.3 薄膜的表面形貌
4.5.1.4 薄膜的应力松弛响应
4.5.1.5 薄膜机械性能一致性的量化比较
4.5.2 晶界强化金钒合金（0.7 at. %钒）薄膜
4.5.2.1 加工工艺
4.5.2.2 钒含量检测
4.5.2.3 薄膜的表面形貌
4.5.2.4 薄膜的应力松弛响应
4.5.3 固溶强化金钒合金（6.8 at. %钒）薄膜
4.5.3.1 加工工艺
4.5.3.2 钒含量检测
4.5.3.3 薄膜的表面形貌
4.5.3.4 薄膜的应力松弛响应
4.6 本章小结
第五章 抗蠕变纳米晶粒金钒合金薄膜的电气性能
5.1 引言
5.2 金钒合金薄膜电导率的直流测量
5.3 金钒合金薄膜电导率的射频测量
5.4 钒含量和退火工艺对传输线衰减因子的影响
5.5 表面粗糙度对薄膜电导率的影响
5.6 本章小结
第六章L频段RF MEMS可重构窄带陷波带通滤波器
6.1 引言
6.2 L频段RF MEMS可重构窄带陷波带通滤波器
6.2.1 1.575-GHz三阶静态窄带带通滤波器
6.2.2 1.525/1.625-GHz频率切换式准吸收式窄带带阻滤波器
6.2.3 带通—带阻级联滤波器的仿真与调测
6.3 本章小结
第七章 0.95/2.45-GHz频率切换式可重构恒定带宽带通滤波器
7.1 引言
7.2 0.95/2.45-GHz频率切换式可重构恒定带宽带通滤波器
7.2.1 设计指标与方案
7.2.2 0.95-GHz四阶集总元件带通滤波器
7.2.3 2.45-GHz四阶微带带通滤波器
7.2.4 带通滤波器的并联
7.2.5 并联滤波器的仿真与调测
7.3 本章小结
第八章 全文总结与展望
8.1 全文总结
8.2 后续工作展望
致谢
参考文献
附录A 全硅腔滤波器常用加工工艺
A.1 热氧化
A.2 光学光刻
A.3 刻蚀
A.3.1 湿法刻蚀
A.3.2 干法刻蚀
A.3.2.1 反应离子刻蚀
A.3.2.2 深反应离子刻蚀
A.3.2.3 硅的XeF_2气体刻蚀
A.4 化学气相淀积
A.4.1 低压化学气相淀积
A.4.2 等离子体增强化学气相淀积
A.5 金属淀积
A.6 晶圆划片
附录B 全硅腔滤波器工艺常用化学品
B.1 Nano-Strip 2X
B.2 Microposit~(TM)SC~(TM) 1827
B.3 Microposit~(TM)MF~(TM)-26A
B.4 去离子水
B.5 Buffered Oxide Etch
B.6 Baker PRS-2000TM
B.7 四甲基氢氧化铵
B.8 Triton~(TM) X-100
B.9 硫酸
B.10 过氧化氢
B.11 异丙醇
B.12 Crystalbond~(TM) 555
B.13 丙酮
B.14 Gold Etchant Type TFA
B.15 氢氧化铵
B.16 划片胶带
B.17 二氟化氙
B.18 AZ 9260 (520 CPS)
B.19 AZ 400K
B.20 DuPont~(TM) Riston? 200 系列光刻胶胶带
B.21 一水合碳酸钠
B.22 氢氟酸
附录C 石英玻璃掩模设计
附录D 薄膜应力松弛响应的Prony级数拟合MATLAB程序
D.1 3小时应力松弛响应的四项Prony级数拟合
D.2 12小时应力松弛响应的五项Prony级数拟合
攻读博士学位期间取得的成果
期刊论文
会议论文
获奖
结业证书
本文编号：3706086
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