專利名稱：可變電容器及相關(guān)的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及可變電容及相關(guān)的制造方法，更具體地說，涉及具有高Q值的微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的可變電容器及相關(guān)的制造方法。
可變電容器可以用于許多應(yīng)用中，而可調(diào)諧濾波器經(jīng)常利用可變電容器來相應(yīng)地對其進(jìn)行調(diào)諧以通過具有預(yù)定頻率的信號而同時(shí)拒絕具有其它頻率的信號。對于使用在高頻應(yīng)用中的可調(diào)諧濾波器，例如涉及射頻(FR)信號的應(yīng)用中，可調(diào)諧濾波器最好具有低損耗和高Q值，即高品質(zhì)因數(shù)。遺憾地是，含有由常規(guī)的金屬形成的電極的可變電容器通常并不具備在高頻應(yīng)用中的足夠的高Q值。雖然由超導(dǎo)材料形成的電極可能有利地增加所得可變電容器的Q值，但使用超導(dǎo)材料通常和微細(xì)加工技術(shù)并不相容，例如與制造常規(guī)的MEMS可變電容器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要的技術(shù)就不相容。例如，在微細(xì)加工基片時(shí)所使用的化學(xué)藥品，如蝕刻劑，很可能對酸及水敏感的超導(dǎo)材料是有害的。此外，常規(guī)微細(xì)加工所需的在400℃范圍甚至更高的高溫將損壞對溫度敏感的超導(dǎo)材料。
因此，具有改進(jìn)的性能特性的MEMS可變電容器對許多應(yīng)用都是需要的。例如，需要具有更高Q值的可調(diào)諧濾波器以便適用于對高頻信號濾波，但目前它們的尺寸大，制造時(shí)昂貴而且只有有限的性能特性。
該可變電容器包括一基片和至少一個(gè)配置在該基片上的基片電極，它由低電阻材料，如高溫超導(dǎo)(HTS)材料或厚的金屬層所構(gòu)成。該可變電容器還包括一個(gè)雙晶構(gòu)件(bimorph member)，它從基片向外延伸并覆蓋在至少一個(gè)基片電極之上。所述雙晶構(gòu)件包括由具有不同熱膨漲系數(shù)的材料構(gòu)成的第一和第二層。雙晶構(gòu)件的第一和第二層限定至少一個(gè)雙晶電極，以使在基片電極和雙晶電極之間建立的電壓差使雙晶構(gòu)件能相對于基片移動，由此改變極間的距離。因此，雙晶構(gòu)件起著執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用以便有控制地使雙晶電極相對于固定的基片電極移動。
可變電容器還可以包括一配置在基片上的基片電容器板。基片電容器板最好也由低電阻材料形成，如HTS材料或厚金屬層。雙晶構(gòu)件最好也限定一雙晶電容器板，它響應(yīng)基片和雙晶電極之間的電壓差而和雙晶構(gòu)件一起移動，由此而相應(yīng)地改變基片和雙晶電容器板之間的電容量。因此，通過有選擇地建立基片和雙晶電極之間的電壓差，雙晶構(gòu)件能夠相對于下面的基片而移動，使得基片與雙晶電容器板之間的距離以及建立在它們之間所得到的電容量可有選擇地改變。
在一個(gè)實(shí)施例中，雙晶構(gòu)件規(guī)定了雙晶電極和雙晶電容器板作為雙晶構(gòu)件的一個(gè)連續(xù)的導(dǎo)電層。這樣，單獨(dú)一個(gè)導(dǎo)電層同時(shí)用作雙晶電極和雙晶導(dǎo)電板。在另一實(shí)施例中，雙晶構(gòu)件規(guī)定了雙晶電極和雙晶電容器板是分立的部件。特別是，雙晶構(gòu)件最好規(guī)定雙晶電極總體上要和基片電極對準(zhǔn)。此外，這個(gè)實(shí)施例的雙晶構(gòu)件最好規(guī)定雙晶電容器板要與雙晶電極有間距并且總體上與基片電容器板對準(zhǔn)配置。
雙晶構(gòu)件可以由多種材料制成。例如，雙晶構(gòu)件的第一層可以包括象金這樣的金屬，而且雙晶構(gòu)件的第二層可以包括象鋁這樣的金屬。一般說來，為雙晶構(gòu)件各層所選的材料將有完全不同的熱膨漲系數(shù)以方便雙晶構(gòu)件正確的熱作用。作為替換，雙晶構(gòu)件的第一層可以包括介電材料，如氮化硅、氧化硅或合適的聚合物，而且雙晶構(gòu)件的第二層可包括像金這樣的金屬。形成第一和第二層的材料最好這樣來選擇，使得雙晶構(gòu)件在預(yù)定的工作溫度下在沒有外加電壓的情況下由于形成雙晶構(gòu)件的第一和第二層的材料有不同的熱膨漲系數(shù)而以離開基片的方向卷曲。這樣，通過向基片和雙晶電極上適當(dāng)?shù)厥┘与妷?，雙晶體構(gòu)件因此至少部分地展開，以便控制基片電容器板和雙晶電容器板之間的間距。
按照本發(fā)明的另一方面還提供一種制造可變電容器的方法。在這方面，一種低電阻材料，例如HTS材料被最初沉積在基片上以限定至少一個(gè)基片電極，更可取的是同時(shí)沉積基片電極和基片電容器板?？晒┻x擇的是，介電層可以沉積在至少一個(gè)基片電極和基片電容器板上以便有需要時(shí)提供電絕緣。此后，一犧牲層(a sacrifical layer)沉積在基片電極、基片電容器板和任選的電介質(zhì)層上，這個(gè)犧牲層最好是由低溫氧化物、金屬或光刻膠形成。然后包括雙晶電極的尤為可取的是同時(shí)包括雙晶電極和雙晶電容器板的雙晶構(gòu)件，形成在犧牲層的至少一部分上和在穿過犧牲層而使下面的基片暴露的窗口之內(nèi)。這樣，雙晶構(gòu)件從基片向外延伸并覆蓋在基片電極和基片電容器板之上。一旦形成了雙晶構(gòu)件就去除犧牲層，使得雙晶構(gòu)件向上卷曲，而且可響應(yīng)基片和雙晶電極之間的電壓差而相對于底下的基片、基片電極和基片電容器板移動。
按照一個(gè)實(shí)施例，雙晶構(gòu)件是通過將第一層沉積在犧牲層上并且是在穿過犧性層而使底下的基片暴露的窗口之內(nèi)而形成的。此后，第二層就沉積在第一層上，且第一層和第二層要這樣選擇，使第二層與第一層有不同的熱膨漲系數(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，第二層的沉積可以包括在第一層上沉積連續(xù)的第二層，使得連續(xù)的第二層同時(shí)用作雙晶電極和雙晶電容器板。換一方案，第二層的沉積包括在第一層上形成至少一個(gè)雙晶電極，并且在總體上和至少一個(gè)基片電極對準(zhǔn)而沉積。在形成至少一個(gè)雙晶電極之外，第二層的沉積可以包括一雙晶電容器板，它與至少一個(gè)雙晶電極分開并且總體上與基片電容器板對準(zhǔn)而沉積。
按照本發(fā)明，提供一種可變電容器和相關(guān)的制造方法，它允許利用微細(xì)加工技術(shù)來制造具有由像HTS材料這樣的低電阻材料形成的電極和電容器板的可變電容器。這樣就可以精確地規(guī)定可變電容器，它能夠有小的尺寸而比起常規(guī)的可變電容器來又有改進(jìn)的性能特性。其結(jié)果是，這種可變電容器可以在各種應(yīng)用中使用，包括用于具有相當(dāng)高Q值的可調(diào)諧濾波器中。由于含有本發(fā)明的可變電容器的可調(diào)諧濾波器具有相當(dāng)高的Q值，故此可調(diào)諧濾波器可以用來對具有高頻的信號濾波，如射頻信號。
圖2是

圖1的可變電容器的截面?zhèn)纫晥D。
圖3是按照本發(fā)明的另一實(shí)施例的可變電容器的截面圖，它具有埋入基片中的基片電極和基片電容器板。
圖4a-4b是可變電容器的平面圖，表明按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的基片電極的基片電容器板的配置和形狀的兩種方案。
圖5是按照本發(fā)明另一實(shí)施例的可變電容器的截面圖，它具有非連續(xù)第二層的雙晶構(gòu)件，雙晶電極和雙晶電容器板是分開的。
圖6a-6b是按照本發(fā)明各實(shí)施例的雙端和三端可變電容器的簡化電原理圖。
圖7是按照本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例的可變電容器的截面圖，它實(shí)現(xiàn)一類似墩的結(jié)構(gòu)(post-like structures)的陣列以克服靜磨擦。
圖8是按照本發(fā)明的另一實(shí)施例的可變電容器的截面圖，它實(shí)現(xiàn)波紋(dimple)和相應(yīng)的島(island)的陣列以克服靜磨擦。
圖9a-9d是說明按照本發(fā)明在制造HTS可變電容器時(shí)所實(shí)施的順序操作的截面圖。
圖10a-10b是說明按照本發(fā)明在非HTS可變電容器中制造埋入電極和電容器板中所實(shí)施的順序操作的截面圖。
現(xiàn)在參見圖1，這里表示按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的可變電容器10。該可變電容器包括一微電子基片12。為了允許由超導(dǎo)材料形成的部件能在基片上生成，該基片最好具有高的介電常數(shù)、低損耗正切角和它的熱膨漲系數(shù)(CTE)要類似于電容器和電極材料的CTE。例如，如果希望要和高溫超導(dǎo)(HTS)材料相兼容，那么基片可以由氧化鎂(MgO)或其它類似材料來達(dá)成，例如可以用LaAlO3或NdCaAlO4。如果電極和電容器板由非HTS材料生成，則基片可由石英、藍(lán)寶石或其它適宜的基片材料來形成。
如在圖2中更加清楚地表示的、可變電容器10還包括配置在基片12上的至少一個(gè)基片電極14。雖然可變電容器可以包括多個(gè)配置在基片上的基片電極，但在此后為了說明的目的可變電容器將以具有單個(gè)基片電極的可變電容器這一含義來敘述。為了增加所得可變電容器的Q值，基片電極是由在相關(guān)頻率下具有低電阻的材料所形成的。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中基片電極是由高溫超導(dǎo)(HTS)材料形成的。雖然可以使用多種HTS材料，一個(gè)有利的優(yōu)選實(shí)施例的基片電極是由釔鋇銅氧化物(YBCO)或鉈鋇鈣銅氧化物(TBCCO)形成的。
在一個(gè)替代實(shí)施例中基片電極可以包括一厚金屬層，例如厚的金層。為了減少損耗，金屬層必須是電容器工作頻率下的橫穿信號的集膚深度的若干倍。厚的金屬層可保證低的電阻并允許有相關(guān)頻率下的電導(dǎo)性。金屬層的厚度至少是工作頻率下橫穿信號的集膚深度的兩倍(2X)。例如，在約850兆赫時(shí)，集膚深度為約2微米，相應(yīng)的基片電極的厚度將為約4微米到約6微米。具有這樣凸起厚度的電極將在電容器元件中引起嚴(yán)重的表面構(gòu)形問題，并會在電容器構(gòu)造的后繼生成層的制造中引起困難。為了克服這一問題，基片電極可以將厚金屬層沉積在凹槽中而埋頭在基片中。圖3表示按照本發(fā)明的一實(shí)施例的可變電容器的截面圖，它具有埋頭到基片12中的基片電極14(以及基片電容器板18)?；姌O和基片電容器板的下埋為后繼的保護(hù)膜16建立了一個(gè)平坦表面。
如圖2和3所示，保護(hù)性介電層16可任選地覆蓋基片電極14。如在后面結(jié)合制造可變電容器10的一種方法的討論所述明的那樣，在由HTS材料形成基片的實(shí)施例中最好要用介電層覆蓋基片電極。介電層的保護(hù)性質(zhì)用來在隨后的制造步驟中屏蔽HTS材料。尤其是，介電層將保護(hù)HTS材料免受在制造過程中所用的化學(xué)藥品如蝕刻劑的作用。因此，介電層通常是由能耐受在制造過程所用的化學(xué)藥品的材料形成的，同時(shí)，它通常也是低損耗的介電材料。在這方面，材料的介電性質(zhì)有利于在電氣上使基片電極與雙晶構(gòu)件分隔。此外，介電層一般是較薄的膜，其典型厚度為小于約1微米。在使用HTS以形成電極的實(shí)施例中，介電層可包括聚合物材料或別的適合于對HTS提供保護(hù)的材料。
在其它使用非HTS基片電極的實(shí)施例中可以省掉介電層16。在非HTS基片電極實(shí)施例中介電層的保護(hù)性質(zhì)不是關(guān)鍵性的。如果在非HTS電極實(shí)施例中使用了介電層，那么它一般是用于絕緣特性。因此，在非HTS基片電極實(shí)施例中介電層可以包括氧化物或別的合適的介電材料。如果省掉了介電層因此空氣用作為電介質(zhì)，那么其它某種介電元件或隔離支持一般將存在于可變電容器中以防止基片電極與雙晶電極短路。
除了基片電極14之外，可變電容器還包括配置在基片12上的基片電容器板18。和基片電極一樣，基片電容器板最好由在相關(guān)頻率下呈現(xiàn)低電阻的材料形成。因此，基片電容器板最好也用如YBCO或TBCCO這樣的HTS材料形成。此外，基片電容器板可以包括厚金屬層，如厚的金層。如上所述，厚金屬層必須有電容器工作頻率下橫穿信號集膚深度的幾倍厚。金屬層的厚度最好是工作頻率下橫穿信號的集膚深度的至少兩倍(2X)。如圖3所示，在厚金屬電容器板的實(shí)施例中基片電容器板18可以埋入基片12以減輕涉及構(gòu)形的問題。
在基片電極和基片電容器板是由同一材料例如YBCO或TBCCO，或厚的金層形成的實(shí)施例中，這些部件的加工可以在同一或相同幾個(gè)步驟中完成。如圖2和3所示，基片電容器板最好和基片電極相互隔開。此外，雖然基片電容器板和基片電極在圖中具有大體相同的尺寸和形狀，但基片電容器板和基片電極可以有不同的尺寸和形狀而不背離本發(fā)明的精神和范圍。通過改變基片電極和基片電容器板的配置，就可能在跨越整個(gè)雙晶構(gòu)件20的整體范圍內(nèi)具有均勻的作用力。圖4a和4b表示可變電容器10的平面圖，它詳細(xì)表示了基片電極和基片電容器板的另外的形狀和配置。如圖4a所示，基片電極和電容器板配置的優(yōu)選實(shí)施例表明配置在基片12上的基片電極14，它在長度方向從隨后形成的雙晶構(gòu)件20的靠近固定部分20a的一個(gè)區(qū)域開始一直到該雙晶構(gòu)件的最遠(yuǎn)到達(dá)的末端部分20b相鄰近的區(qū)域?yàn)橹??；娙萜靼?8以相同的長度方向配置在基片電極的鄰近。如圖4b所示，基片電極14是U形的，其U形的底部靠近雙晶構(gòu)件20的固定部分20a，而基片電容板則配置在基片上，使它被U形的基片電極的三個(gè)邊所包圍。這兩個(gè)實(shí)施例，以及其它可想象的配置和形狀的實(shí)施例，都用來保證跨越整個(gè)雙晶構(gòu)件上所施加的作用力是均勻的。
如上所述，和基片電極一起，由HTS材料形成的基片電容器板同樣最好用一層介電膜16來覆蓋以保護(hù)基片電容器板避開在制造過程中所使用的化學(xué)藥品并提供一層電介質(zhì)。例如，基片電容器板可以涂一層聚酰亞胺或別的合適的介電材料的介電薄膜，在基片電極和基片電容器板兩者都由HTS材料形成的實(shí)施例中，介電層可以在同一加工步驟中安排。在基片電容器板由非HTS材料形成的實(shí)施例中可以省略介電層16。如果在非HTS電容器板的實(shí)施例中使用了介電層，則它可以包括氧化物材料或別的合適的介電材料。如果省掉了介電層，因而空氣被用作電介質(zhì)，那么在可變電容器中將典型地出現(xiàn)別的類型的介電元件或隔離支持以防止基片電極和雙晶電極短路。
如圖1和2所示，可變電容器10還包括一雙晶構(gòu)件20，它是可控地相對于下面的基片12而可移動的，因此也相對于配置在基片上的基片電容器板18是可移動的。雙晶構(gòu)件的近端20a是用一個(gè)支點(diǎn)22固定在基片上的，這使得雙晶構(gòu)件以臺階的方式從基片向外伸展然后在基片電極之上方伸展到遠(yuǎn)端20b。這樣，雙晶構(gòu)件以懸臂方式覆蓋在基片電極14和基片電容板之上。圖1和2所示的支點(diǎn)是一簡化的剛性支點(diǎn)，它跨越雙晶構(gòu)件的整個(gè)近端而配置并使雙晶構(gòu)件能夠以懸臂方式延伸。這種類型的支點(diǎn)只是作為例子的方式來表示。其它的用來在基片上建立固定點(diǎn)并允許雙晶構(gòu)件的懸臂部分能有預(yù)定的機(jī)械偏置(即允許雙晶結(jié)構(gòu)去接觸基片構(gòu)造的上層)的支點(diǎn)和懸掛結(jié)構(gòu)也都是可能的并是在這里公開的發(fā)明概念之內(nèi)的。
雙晶構(gòu)件20包括由具有不同的熱膨漲系數(shù)的材料構(gòu)成的第一和第二層24、26。因此，雙晶構(gòu)件將響應(yīng)溫度的變化而相對于基片10因而也就相對于基片電容器板18而移動。如圖1和2所示，最好選擇這樣的材料使雙晶構(gòu)件在預(yù)定的工作溫度例如77°K時(shí)在沒有外加電壓時(shí)是離開基片而卷曲的。換句話說，相對于固定在基片上的雙晶構(gòu)件的近端20a，雙晶構(gòu)件的遠(yuǎn)端20b是卷曲地離開基片的。典型情況是，雙晶構(gòu)件是這樣形成的，形成第二層的材料比起第一層來有更大的熱膨漲系數(shù)，使得雙晶構(gòu)件在其第一層和第二層在大于預(yù)定的工作溫度的溫度下沉積在平行于基片的平面上之后當(dāng)雙晶構(gòu)件冷卻到預(yù)定的工作溫度時(shí)就遠(yuǎn)離于基片而卷曲，這將如下面所述。
例如，在優(yōu)選實(shí)施例中在一個(gè)有利的實(shí)施例中的雙晶構(gòu)件20包括第一彈性金屬材料的第一層24和第二彈性金屬材料的第二層26。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中第一層可包括金而第二層可包括鋁。典型地，第一和第二金屬材料將有強(qiáng)對比的熱膨漲系數(shù)以允許雙晶結(jié)構(gòu)中的偏置?；蛘撸谝粚涌砂ń殡姴牧?，例如氧化硅、氮化硅或合適的聚合物材料，而第二層可包括金屬材料，如金。選擇用于制造雙晶構(gòu)件的材料其特性為低電阻材料以允許工作于高頻下，如射頻。此外，如果雙晶構(gòu)件具備介電層，則該材料將能夠?yàn)闃?gòu)成雙晶構(gòu)件的導(dǎo)電層所選擇的材料提供電隔離。此外，如果使用HTS材料來形成基片電極14和基片板18，那么選擇能夠在足夠低的溫度下實(shí)現(xiàn)沉積的材料是有利的，例如250℃左右，這樣可以避免對以前沉積的HTS元件有不良影響。
雖然沒有示出，但雙晶構(gòu)件20也可以在第一和第二層之間包括一膠合層以便將第一和第二層固定在一起。雖然膠合層可以用不同材料形成，但膠合層典型地是由鉻或鈦形成的。典型地，對那些使用會引起膠合困難的材料如金這樣的實(shí)施例而言，將需要包括一個(gè)膠合層。
如圖2的截面所示，在本實(shí)施例中的雙晶構(gòu)件20的第一層24形成一個(gè)固定在基片10上的支點(diǎn)22以及一個(gè)延長的構(gòu)件，它以懸臂方式從靠近支點(diǎn)的近端20a向外延伸并越過基片電極14和基片電容器板18而到遠(yuǎn)端20b。在圖1和2中所示實(shí)施例的雙晶構(gòu)件的第二層同時(shí)用作為雙晶電極28和雙晶電容器板30。第一層可以由彈性金屬、聚合物材料、有機(jī)介電材料或其它合適的低損耗/低電阻材料形成。第二層典型地由像金或鋁這樣的金屬材料形成。不管用什么材料形成第一和第二層，本實(shí)施例的雙晶構(gòu)件的第二層是連續(xù)的，也就是說，雙晶構(gòu)件的第二層從近端20a延伸到遠(yuǎn)端20b。在這種方式下，第二層連續(xù)地跨越基片電極14和基片電容器板18兩者。不過，這一實(shí)施例的可變電容器10也允許基片電極和雙晶電極(即第二層)的極間距離根據(jù)雙晶構(gòu)件的第二層和基片電極之間的電壓差而變化，從而相應(yīng)地改變基片電容器板和作為雙晶電容器板用的雙晶構(gòu)件的第二層之間的間距。
圖5表示按照本發(fā)明的現(xiàn)有實(shí)施例的可變電容器10的截面圖，它具有雙晶電極28和構(gòu)成雙晶構(gòu)件20的第二層26的雙晶電容器板。在這一實(shí)施例中雙晶電極和雙晶電容器板是分開的元件，它們相互分隔。雖然雙晶構(gòu)件的第二層可以包括多個(gè)分開的雙晶電極，但雙晶構(gòu)件的第二層通常規(guī)定了和基片電極相同數(shù)量的雙晶電極，例如在圖5實(shí)施例中所表示的一個(gè)雙晶電極和一個(gè)基片電極。這至少一個(gè)雙晶電極將配置成總體上對準(zhǔn)并覆蓋在相應(yīng)的基片電極上。如圖5所示，雙晶構(gòu)件的第二層也規(guī)定了一個(gè)分開的雙晶電容器板使雙晶電容器板與各雙晶電極分隔開并配置成整體上與基片電容器板相對準(zhǔn)。此外，雖然雙晶電極和雙晶電容器可以有大致相同的尺寸和形狀，但如有需要，雙晶電極和雙晶電容器板可以有不同的尺寸、形狀和配置。典型地雙晶電極和雙晶電容器板的定尺寸、定形狀和配置將反映基片電極和晶片電容器板的定尺寸、定形狀和配置。
在工作時(shí)，在基片電極和第二層/雙晶電極14，26/28之間的距離，也就是雙晶電容器板和第二層/雙晶電容器板18，26/30之間的距離是通過有選擇地改變加在基片和雙晶電極上的電壓而控制的。在這方面，在基片和雙晶電極之間的電壓差將使載有雙晶電極的雙晶構(gòu)件20相對于基片而移動，從而以受控的方式改變電極間的距離。由于雙晶電容器板也是由雙晶構(gòu)件承載的，任何響應(yīng)在基片和雙晶電極之間所建立的電壓差而使雙晶構(gòu)件相對于基片的運(yùn)動也會可控地改變雙晶電容器板和基片電容器板之間的間距，從而也可控地調(diào)整了本發(fā)明的可變電容器10所得的電容量。由于在一對電極板之間所建立的電容量與板之間的距離或間隔成反比而變化，所以可變電容器的電容量將隨雙晶構(gòu)件向下面的基片伸展而增加。相應(yīng)地，可變電容器的電容量將隨雙晶構(gòu)件遠(yuǎn)離基片卷曲而減小。
通過以熟悉本技術(shù)的人所知道的方式將基片電極和第二層/雙晶電極14、26/28電氣連接到相應(yīng)的電接頭上并將基本電容器板和第二層/雙晶電容器板18、26/30連接到一電感器上，本發(fā)明的可變電容器10就可以用作為可調(diào)諧濾波器。通過改變電極間的間距，因而也就改變基片和雙晶電容器板之間的間距，濾波特性就能夠可控地改變。濾波器可以配置成通過具有預(yù)定頻率范圍的信號，而拒絕具有在預(yù)定頻率范圍之外的信號(即帶通濾波器)，或者另一種方式，濾波器可以配置成拒絕預(yù)定頻率范圍而通過預(yù)定頻率范圍之外的信號(即阻帶濾波器)。由于基片電極和基片電容器是優(yōu)選地用對于較高頻率的信號具有低電阻的材料構(gòu)成的，可調(diào)諧濾波器對于具有高頻率的信號，例如無線電頻率的信號進(jìn)行濾波是特別有利的。此外，基片電極和基片電容器板的低電阻特性將導(dǎo)致具有高Q值的可調(diào)諧濾波器，這對許多應(yīng)用是很合適的。本發(fā)明的可變電容器和所得的可調(diào)諧濾波器的Q因數(shù)能夠超過2000。
在本發(fā)明的最基本的實(shí)施例中可變電容器是作為兩端裝置而形成的。圖6a表明兩端可變電容器10的電原理圖，它具有按照本發(fā)明的基片電極14和雙晶電極28。在這個(gè)配置中DC偏置和RF信號共用接到裝置上去的引線端子?；姌O連接到第一引線端40，它導(dǎo)向第一DC偏置42和第一RF信號44。雙晶電極連接到第二引線端46，它導(dǎo)向第二直流偏置48和第二RF信號50。在這一配置中基片電極和雙晶電極起兩種作用即作為機(jī)行器電極和電容器板電極。但是，在這一實(shí)施例中在操作中當(dāng)遇到高的RF頻率時(shí)直流偏置網(wǎng)絡(luò)具有與交流信號相互作用并使其變劣的趨向。在這方面，將本發(fā)明的可變電容器作為三端或更多端的裝置來實(shí)現(xiàn)將是有利的，這樣可增加AC信號對DC偏置網(wǎng)絡(luò)的相對隔離。
圖6b揭示了三端可變電容器的電原理圖，它具有按照本發(fā)明的一實(shí)施例的基片電極14、基片電容器板電極18和雙晶電極28(配置在雙晶構(gòu)件上)?；姌O連接到第一引線端40，它導(dǎo)向第一DC偏置42。基片電容器板連接到第二引線端52，它導(dǎo)向第一RF信號44。雙晶電極連接到第三引線端54，它導(dǎo)向第二DC偏置48和第二RF信號50；雙晶電極則留在浮動電位。也有可能實(shí)現(xiàn)四或五端裝置以更加增加AC信號對DC偏置網(wǎng)絡(luò)的相對隔離。四或五端裝置是通過進(jìn)一步分開基片執(zhí)行機(jī)構(gòu)電極及/或電容器板電極而實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明的可變電容器可能對“靜磨擦”是敏感的。靜磨擦是在MEMS領(lǐng)域中經(jīng)常用到的術(shù)語，用以說明物理及/或化學(xué)的吸引力，它趨于在沒有其它第二力(例如靜電力等)的作用下將兩個(gè)表面保持在一起。靜磨擦?xí)闺p晶構(gòu)件在制造過程中去除了犧牲層之后或在工作期間去除了靜電力之后附著在基片電極上。工作中的影響可以是很小的并表現(xiàn)為性能中的滯后作用，但這種影響也可能更加明顯得多而使得雙晶元件在執(zhí)行力去掉之后仍永久性地附著在基片電極和電容器板上。
圖7和8表明本發(fā)明的兩個(gè)實(shí)施例的截面圖，它們用來減輕與靜磨擦相關(guān)的潛在問題。圖7是可變電容器的截面圖，它實(shí)現(xiàn)一個(gè)保護(hù)/介電層16，它形成一類似墩的結(jié)構(gòu)60的陣列。這個(gè)保護(hù)/介電層配置在微電子基片12、埋頭的基片電極14和埋頭的基片電容器板18上。類似墩的結(jié)構(gòu)是讓連續(xù)的保護(hù)/介電層進(jìn)行一成圖和蝕刻的過程。在基片電極及/或基片電容器板包括HTS材料的實(shí)施例中，類似墩的結(jié)構(gòu)可以由聚合物材料或別的類似材料構(gòu)成，它們給HTS提供隨后的加工保護(hù)和給基片電極和電容器板提供電隔離。在基片電極和基片電容器板是由非HTS材料例如厚金屬層構(gòu)成的實(shí)施例中，類似墩的結(jié)構(gòu)可以由氧化物材料、氮化物材料或別的合適的介電絕緣材料構(gòu)成。類似墩的結(jié)構(gòu)是在給保護(hù)層上配置犧牲層(圖6未示出)之前對保護(hù)層進(jìn)行常規(guī)的成圖和蝕刻處理而形成的。類似墩的結(jié)構(gòu)用來在雙晶構(gòu)件被吸引到基片電極上時(shí)減少雙晶構(gòu)件20所接觸的表面積的數(shù)量之用的。通過在雙晶構(gòu)件和基片結(jié)構(gòu)之間提供較少的接觸面積，就有可能減少靜磨擦的效應(yīng)。
圖8是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的可變電容器10的截面圖，它實(shí)現(xiàn)在雙晶構(gòu)件20上的波紋62的陣列和在基片12的島64的相應(yīng)陣列。在雙晶構(gòu)件的下面最靠近微電子基片處(即第一層24的暴露表面)形成了波紋(小凸起)的陣列。波紋用來為雙晶構(gòu)件的下面提供紋理。波紋一般是在提供第一層的同一處理步驟期間生成的。因此，波紋一般包括一層介電絕緣體，例如氮化物材料、氧化物材料或別的能夠提供電隔離的材料。在制造時(shí)，波紋一般是由對第二犧牲層(圖8中未示出)進(jìn)行作圖及蝕刻而形成的，這個(gè)犧牲層形成了在隨后的沉積雙晶構(gòu)件的第一層時(shí)表明在什么地方要生成波紋的模板。島是對應(yīng)于雙晶構(gòu)件中的波紋在基片上的表面。島用作為當(dāng)雙晶構(gòu)件被推向基片時(shí)供波紋支持的地方。在所示的實(shí)施例中，島存在于埋入的電極和電容器板之內(nèi)并在電極和電容器板之間。通過提供支持點(diǎn)，波紋對島的交界面為基片電極/基片電容器板和雙晶構(gòu)件之間建立了必要的間隙從而防止了短路。
按照本發(fā)明的另一方面還提供了制造如結(jié)合圖1和2所述明的可變電容器10的一種方法。按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的可變電容器制造過程的各個(gè)階段揭示于圖9a-9d的截面圖中。這個(gè)方法詳細(xì)說明了具有由HTS材料形成的基片電極和電容器板的可變電容器在制造時(shí)所涉及的加工。在這方面，一層例如YBCO或TBCCO這樣的HTS材料最初被沉積在基片12上，這種基片可以由MgO、LaAlO3、或NdCaAlO4或其它能和HTS材料相容的材料形成。然后，用例如離子銑在HTS材料上構(gòu)圖以限定至少一個(gè)基片電極14和與基片電極相隔開的基片電容器板18。此后，基片電極和基片電容器板最好涂上一層介電層16，例如由聚酰亞胺形成的保護(hù)或類似的能給可變電容器提供絕緣手段的保護(hù)膜。雖然介電層可以用不同方式涂覆，但通常介電層是旋轉(zhuǎn)涂布的然后用活性離子蝕刻以產(chǎn)生中間結(jié)構(gòu)，在其中基片電極和基片電容器板都被涂上保護(hù)膜，如圖9a所示。另外的方法是可以利用光成象的保護(hù)膜使得這一層不必利用活性離子蝕刻，而是可以利用常規(guī)的光刻技術(shù)。
按照本發(fā)明的這一方面的方法，然后此中間結(jié)構(gòu)涂上一層低溫氧化物如二氧化硅的犧牲層80。利用低溫氧化物是為了避免將形成基片電極14和基片電容器板18的HTS材料暴露在足以損害HTS材料的高溫中(＞約攝氏300度)。在這方面，低溫氧化物通常是在約250℃到約300℃的溫度下用等離子體增強(qiáng)的化學(xué)汽相沉積法(PECVD)沉積的。然后低溫氧化物上被成圖和蝕刻以使在基片12上打開一個(gè)窗口42，雙晶構(gòu)件20的支點(diǎn)22將隨后形成在這窗口中。例如見圖9b。然后在犧牲層上形成雙晶構(gòu)件的第一層24。例如一層金屬，聚合物材料或另外的適當(dāng)?shù)慕殡姴牧?，可以旋轉(zhuǎn)涂布在犧牲層上。然后可用活性離子蝕刻來蝕刻第一層并進(jìn)行老化以形成如圖9c所示的結(jié)構(gòu)。
然后可以在第一層24上面沉積雙晶構(gòu)件20的第二層26。雖然所示的第二層可以是連續(xù)的但第二層也可以分成各個(gè)區(qū)，它們分別地規(guī)定雙晶電極和雙晶電容器板。在本實(shí)施例中，可以典型地使用常規(guī)的沉積技術(shù)來沉積例如鋁這樣的金屬以形成雙晶構(gòu)件第二層，這樣就產(chǎn)生了如圖9d所示的中間結(jié)構(gòu)。然后通過例如使用氫氧酸(HF)來蝕刻犧牲層以除去犧牲層，這樣雙晶構(gòu)件的遠(yuǎn)端20b就成為自由的，并可以卷曲而遠(yuǎn)離基片12，如圖1和2所示。
雖然在圖9a-9d中沒有示出，但本發(fā)明的制造方法可以包括在沉積第二層26之前在雙晶構(gòu)件20的第一層24上沉積一個(gè)膠合層。膠合層最好是由像鉻或鈦這樣的材料形成，它被作成和第二層具有相同的形狀和尺寸和的圖形。例如，如圖1和2所示的實(shí)施例中的可變電容器在其第一層上可以沉積一個(gè)膠合層然后在膠合層上用上述的方式沉積第二層。在雙晶構(gòu)件的第一和第二層之間沉積一個(gè)膠合層的結(jié)果是第二層可以更加牢固地附著在第一層上，尤其是在這樣的情況下，即在選擇雙晶構(gòu)件的第一和第二層的材料時(shí)如不這樣做將會使第二層不能牢固地粘附在第一層上?？赡苄枰@樣一個(gè)膠合層的這種例子是這樣的情況，即雙晶構(gòu)件的第一層是由金形成的，而雙晶構(gòu)件的第二層是由鋁構(gòu)成的。
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的另外一種制造可變電容器的方法示于圖10a-10b的截面圖中，該電容器的基片電極和基片電容器板由非HTS材料構(gòu)成，圖中表示了各個(gè)加工階段。在這方面，金屬，例如金的厚層被最初埋入基片中?；梢园ㄊ?、GaAs、或其它合適的基片材料。圖10a說明基片12在其上沉積了一層多晶硅材料82和一層光刻劑84。光刻劑材料被曝光和顯影以規(guī)定在基片上需要制造溝槽的區(qū)域。在光刻劑被顯影后多晶硅層和基片被蝕刻掉以規(guī)定溝槽86。在圖10b中，在溝槽中沉積了金屬以形成埋入的基片電極14和埋入的基片電容器板18、而剩下的光刻劑和多晶硅則被除去。可以實(shí)施一次任選的整平處理以整平基片和埋入的基片電極和電容器板。非HTS可變電容器的剩下的制造過程一般都利用前面討論的從在埋入元件和基片上涂布保護(hù)/介電層開始的各個(gè)加工步驟來實(shí)施。
在許多情況下，本發(fā)明這一方面的制造方法提供有效和可重復(fù)的技術(shù)以利用微細(xì)加工技術(shù)來制造可變電容器10，它同時(shí)包括了由低電阻材料形成的元件，如電極和電容器板。因此，所得的電容器有較低的損耗從而有較高的Q值。因此可變電容器可用于要求高Q值的應(yīng)用中，例如上述的高頻應(yīng)用中的可調(diào)諧濾波器。
熟悉本技術(shù)的人會想到本發(fā)明的許多改進(jìn)和別的實(shí)施例，本發(fā)明就涉及到這種技術(shù)并得益于上面說明書中所提出的概念和所附插圖。因此，應(yīng)該理解，本發(fā)明并不局限于所公開的特定實(shí)施例，并且改進(jìn)和其它實(shí)施例是要包括在所附權(quán)利要求的范圍之內(nèi)的。雖然在這里使用了專門術(shù)語，但它們是以廣泛和說明的意義上來使用的而不是用于限制的目的。
權(quán)利要求
1.一種微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的可變電容器，包括一基片；至少一個(gè)配置在所述基片上的基片電極，所述至少一個(gè)基片電極包括低電阻材料；以及一雙晶構(gòu)件，從所述基片向外延伸并覆蓋在至少一個(gè)基片電極之上，所述雙晶構(gòu)件包括由具有不同熱膨漲系數(shù)的材料形成的第一和第二層，所述雙晶構(gòu)件包括至少一個(gè)雙晶電極，使得在所述至少一個(gè)基片電極和所述至少一個(gè)雙晶電極之間建立的電壓差進(jìn)一步使所述雙晶構(gòu)件相對于所述至少一個(gè)基片電極移動，從而改變電極間的間距。
2.按照權(quán)利要求1的MEMS可變電容器，還包括一配置在所述基片上的基片電容器板，其中所述雙晶構(gòu)件還包括一雙晶電容器板，它響應(yīng)在所述至少一個(gè)基片電極和所述至少一個(gè)雙晶電極之間的電壓差而移動，從而相應(yīng)地改變基片電容器板和雙晶電容器板之間的電容量。
3.按照權(quán)利要求1的MEMS可變電容器，還包括一配置在上述基片電極和上述雙晶電極之間的介電元件，其中該介電元件在基片電極和所述雙晶電極之間提供電隔離。
4.按照權(quán)利要求2的MEMS可變電容器，還包括至少一個(gè)配置在上述基片電極和上述雙晶電極之間并配置在上述基片電容器板和上述雙晶電容器板之間的介電元件，其中該至少一個(gè)介電元件在基片電極和雙晶電極之間提供電隔離，及在基片電容器板和雙晶電容器板之間提供電隔離。
5.按照權(quán)利要求2的MEMS可變電容器，其中所述基片電容器板包括低電阻材料。
6.按照權(quán)利要求2的MEMS可變電容器，其中所述至少一個(gè)基片電極和所述基片電容器板中的每一個(gè)包括高溫超導(dǎo)(HTS)材料。
7.按照權(quán)利要求6的MEMS可變電容器，其中所述至少一個(gè)基片電極和所述基片電容器板中的每一個(gè)包括釔鋇銅氧化物(YBCO)。
8.按照權(quán)利要求6的MEMS可變電容器，其中所述至少一個(gè)基片電極和所述基片電容器板中的每一個(gè)包括鉈鋇鈣銅氧化物(TBCCO)。
9.按照權(quán)利要求5的MEMS可變電容器，其中所述至少一個(gè)基片電極和所述基片電容器板中的每一個(gè)包括一種其厚度為在工作頻率下橫穿信號的集膚深度的至少兩倍(2X)的金屬。
10.按照權(quán)利要求9的MEMS可變電容器，其中所述至少一個(gè)基片電極和所述基片電容器板中的每一個(gè)包括其厚度為在工作頻率下橫穿信號的集膚深度的至少兩倍(2X)的金。
11.按照權(quán)利要求2的MEMS可變電容器，其中所述雙晶構(gòu)件的第一和第二層中的每個(gè)都是連續(xù)層，以使該連續(xù)的第二層同時(shí)用作至少一個(gè)雙晶電極和雙晶電容器板。
12.按照權(quán)利要求2的MEMS可變電容器，其中所述雙晶構(gòu)件的第二層包括至少一個(gè)總體上與至少一個(gè)基片電極相對準(zhǔn)而配置的雙晶電極，還包括與至少一個(gè)雙晶電極隔開的總體上與基片電容器板相對準(zhǔn)而配置的雙晶電容器板。
13.按照權(quán)利要求1的MEMS可變電容器，其中所述雙晶構(gòu)件在預(yù)定的工作溫度下在沒有外加電壓時(shí)卷曲而遠(yuǎn)離所述基片。
14.按照權(quán)利要求1的MEMS可變電容器，其中所述雙晶構(gòu)件的第一層包括金，而且所述雙晶構(gòu)件的第二層包括鋁。
15.按照權(quán)利要求1的MEMS可變電容器，其中所述雙晶構(gòu)件的第一層包括聚合物材料，而且所述雙晶構(gòu)件的第二層包括金屬。
16.按照權(quán)利要求1的MEMS可變電容器，其中所述雙晶構(gòu)件的第一層包括氮化物材料，而且所述雙晶構(gòu)件的第二層包括金屬。
17.按照權(quán)利要求1的MEMS可變電容器，其中所述雙晶構(gòu)件的第一層包括氧化物材料，而且所述雙晶構(gòu)件的第二層包括金屬。
18.按照權(quán)利要求2的MEMS可變電容器，其中所述至少一個(gè)基片電極和所述基片電容器板被埋頭在該基片中。
19.按照權(quán)利要求1的MEMS可變電容器，還包括配置在基片上的類似墩的結(jié)構(gòu)，其中該類似墩的結(jié)構(gòu)用來阻止靜磨擦。
20.按照權(quán)利要求1的MEMS可變電容器，還包括配置在雙晶構(gòu)件的下面靠近基片一側(cè)的波紋和相應(yīng)的配置在基片上的島，其中的波紋和島用于阻止靜磨擦。
21.一種MEMS可變電容器，包括一基片；一配置在所述基片上的基片電容器板，所述基片電容器板包括低電阻材料；至少一個(gè)配置在所述基片上并與上述基片電容器板相隔開的基片電極，所述至少一個(gè)基片電極包括低電阻材料；一雙晶構(gòu)件，它從所述基片向外延伸并覆蓋在至少一個(gè)基片電極之上，所述雙晶構(gòu)件包括雙晶電容器板和至少一個(gè)雙晶電極；以及至少一個(gè)介電元件，它配置在基片電極和雙晶電極之間并配置在基片電容器板和雙晶電容器板之間，其中在所述至少一個(gè)基片電極和所述至少一個(gè)雙晶電極之間建立的電壓差，使上述雙晶構(gòu)件相對于上述基片移動從而改變上述基片電容器板和上述雙晶電容器板之間的間距。
22.按照權(quán)利要求21的MEMS可變電容器，其中所述至少一個(gè)基片電極和所述基片電容器板中的每一個(gè)包括HTS材料。
23.按照權(quán)利要求21的MEMS可變電容器，其中所述至少一個(gè)基片電極和所述基片電容器板中的每一個(gè)包括釔鋇銅氧化物(YBCO)。
24.按照權(quán)利要求21的MEMS可變電容器，其中所述至少一個(gè)基片電極和所述基片電容器板中的每一個(gè)包括鉈鋇鈣銅氧化物(TBCCO)。
25.按照權(quán)利要求21的MEMS可變電容器，其中所述至少一個(gè)基片電極和所述基片電容器板中的每一個(gè)包括一種其厚度為在工作頻率下橫穿信號的集膚深度的至少兩倍(2X)的金屬。
26.按照權(quán)利要求25的MEMS可變電容器，其中所述至少一個(gè)基片電極和所述基片電容器板中的每一個(gè)包括其厚度為在工作頻率下橫穿信號的集膚深度的至少兩倍(2X)的金。
27.按照權(quán)利要求21的MEMS可變電容器，其中所述雙晶構(gòu)件包括由具有不同熱膨漲系數(shù)的材料形成的第一和第二層，使得所述雙晶構(gòu)件在預(yù)定的工作溫度下在沒有外加電壓時(shí)被卷曲而遠(yuǎn)離所述基片。
28.按照權(quán)利要求27的MEMS可變電容器，其中所述雙晶構(gòu)件的第一和第二層中的每個(gè)都是連續(xù)層，以使該連續(xù)的第二層同時(shí)用作至少一個(gè)雙晶電極和雙晶電容器板。
29.按照權(quán)利要求27的MEMS可變電容器，其中所述雙晶構(gòu)件的第二層包括至少一個(gè)總體上與至少一個(gè)基片電極相對準(zhǔn)而配置的雙晶電極，還包括與至少一個(gè)雙晶電極隔開的在總體上與基片電容器板相對準(zhǔn)而配置的雙晶電容器板。
30.按照權(quán)利要求27的可變電容器，其中所述雙晶構(gòu)件的第一層包括金，而且所述雙晶構(gòu)件的第二層包括鋁。
31.按照權(quán)利要求27的可變電容器，其中所述雙晶構(gòu)件的第一層包括聚合物材料，而且所述雙晶構(gòu)件的第二層包括金屬。
32.一種制造可變電容器的方法，包括在基片上沉積低電阻材料從而限定至少一個(gè)基片電極；在該基片的一部分和至少一個(gè)基片電極上沉積一犧牲層；在至少一部分的犧牲層上和在穿過犧牲層到達(dá)下面的基片的窗口內(nèi)形成一包括雙晶電極的雙晶構(gòu)件，以使該雙晶構(gòu)件從基片向外延伸并覆蓋在至少一個(gè)基片電極之上；以及一旦雙晶構(gòu)件形成就去除該犧牲層，使得雙晶構(gòu)件響應(yīng)在至少一個(gè)基片電極和雙晶電極之間建立起來的電壓差可相對于至少一個(gè)基片電極移動。
33.按照權(quán)利要求32的方法，其中在該基片上沉積該低電阻材料也限定一與至少一個(gè)基片電極相隔開的基片電容器板。
34.按照權(quán)利要求32的方法，其中形成雙晶構(gòu)件包括在該犧牲層上和該窗口內(nèi)沉積一第一層；以及在該第一層上沉積一第二層，其中該第二層具有與第一層不同的熱膨漲系數(shù)。
35.按照權(quán)利要求34的方法，其中沉積第二層包括在該第一層上形成至少一個(gè)雙晶電極并在總體上與該至少一個(gè)基片電極相對準(zhǔn)而配置；以及在該第一層上形成一雙晶電容器板并與該至少一個(gè)雙晶電極相隔開，其中該雙晶電容器板總體上與該基片電容器板相對準(zhǔn)而配置。
36.按照權(quán)利要求34的方法，其中沉積第二層包括在第一層上沉積連續(xù)的第二層。
37.按照權(quán)利要求34的方法，其中形成第一層包括形成由金構(gòu)成的第一層，而且形成第二層包括形成由鋁構(gòu)成的第二層。
38.按照權(quán)利要求34的方法，其中形成第一層包括形成由聚合物材料構(gòu)成的第一層，而且形成第二層包括形成由金屬構(gòu)成的第二層。
39.按照權(quán)利要求32的方法，其中沉積低電阻材料包括沉積HTS材料。
全文摘要
提供一種有低損耗和相應(yīng)的高Q值的可變電容器。除了基片外，該可變電容器包括配置在該基片上的至少一個(gè)基片電極和一基片電容器板，它們由低電阻材料如HTS材料或厚金屬層形成。可變電容器還包括一雙晶構(gòu)件，它由基片向外延伸并覆蓋在至少一個(gè)基片電極之上。雙晶構(gòu)件包括由具有不同熱膨脹系數(shù)的材料形成的第一和第二層。雙晶構(gòu)件的第一和第二層限定至少一個(gè)雙晶電極和雙晶電容器板，使得在基片電極和雙晶電極間建立的電壓差能使雙晶構(gòu)件相對于基片電極移動，從而改變極間距離和電容器板間的距離。因此，可變電容器的電容量可根據(jù)雙晶構(gòu)件及其下面的基片間的相對間距而控制。還提供一種方法以微細(xì)加工或者用別的方式制造一可變電容器，其電極和電容器板由低電阻材料形成，使所得的電容器有低損耗和相應(yīng)的高Q值。該可變電容器因此可用于高頻應(yīng)用，例如某些可調(diào)諧濾波器所需要的。
文檔編號H01G5/18GK1408120SQ00803826
公開日2003年4月2日 申請日期2000年11月28日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月15日
發(fā)明者阿倫·B·考恩, 維加庫瑪·R·度勒, 愛德華·A·希爾, 戴維·A·科斯特, 拉瑪斯瓦米·馬哈德萬 申請人:Jds尤尼費(fèi)斯公司