缩短微机械圆盘谐振器缝隙的电极移动法

    1 引言

    微机械圆盘谐振器 (micromechanical diskresonator，简称 MEMS 圆盘谐振器)是近几年发展起来的一种射频谐振器，可以广泛应用于滤波器、振荡器、频率计和可调放大器中。相比其它射频谐振器，MEMS 圆盘谐振器具有小体积、高 Q 值、低功耗、易集成和潜在低成本特点，其谐振频率已经达到特高频中段(mid-UHF range), Q 值也已经超过了 10000[1]，成为了片上窄带滤波器和振荡器谐振单元的最佳选择。

    制作较好的 MEMS 圆盘谐振器的动态电阻为5 ∼50 k?[1]，电极和圆盘之间的缝隙越窄，交叠面积越大，串联动态电阻越小[2]。调整面积的效果远不如调整缝隙的效果好[2]，且圆盘增加的质量还会导致谐振频率的降低。于是，人们开始努力缩短电极-圆盘缝隙，但又无法迅速提高缝隙工艺水平。常见光刻、刻蚀方法得到的最窄缝隙宽度为 1 μm，制得的 200 MHz MEMS 圆盘谐振器动态电阻高达 286M ?[3]。采用电子束光刻和干刻蚀法可以将其缝隙宽度缩小到 0.1 μm，动态电阻下降为 29 k?[3]。当前MEMS 圆盘谐振器中常用的侧壁隔离牺牲层(sacrificial sidewall-spacer)技术因受牺牲层厚度限制而无法制作比 0.07 μm 更窄的缝隙[4]。而且，在该技术实施过程中，常常需要用先进的工艺技术对侧壁牺牲层厚度进行精确的控制，这影响到了器件的工艺流程、与 CMOS 的集成以及最终的成品率[5]。同时，先进 CMOS 工艺还会导致其成本的大幅度提高[6]。在 2009 年 Nguyen 等人[7]用原子层沉积系统(atomic layer deposition)实现了将 0.092 μm 缝隙缩短到 0.032 μm。此后康乃尔大学也用同样的仪器在电极内侧沉积二氧化铪，得到了 10 nm 的缝隙[4]。但是，原子层沉积系统的引入增加了 MEMS 圆盘谐振器的制作成本。2003 年 Lee 等人驱动缝隙闭合器(gap-closing actuators)制作了0.7~10 μm 缝隙宽度连续可调的变耦合系数光学微圆盘谐振器。但是，电子学 MEMS 圆盘谐振器不需要缝隙宽度连续可调，无需引入大面积四闭合器结构。2010 年 Chen 等人[6]用静电吸合的方法实现了MEMS 固支梁谐振器电极-梁缝隙宽度的缩小(0.058μm)，但聚合物的引入增加了成本，其厚度限制着缝隙宽度。

    本文在现有缝隙工艺水平下，将原有固定的电极悬置起来，通过静电驱动实现了电极-圆盘缝隙宽度的进一步缩小。该结构涉及的工艺均为 MEMS 典型工艺，无需采用原子层沉积系统。同时，缝隙的调整无需引入多余的静电驱动器(如缝隙闭合器)，仅利用谐振器自身结构就实现静电吸合。再者，该结构无需制作聚合物层，且电极的吸合可以通过谐振器自身的偏置电压实现。调整后的电极-圆盘缝隙由 0.1 μm 减小到 0.0016 μm，串联动态电阻变为原来的86.19 10−× 倍以下。对于电极-圆盘缝隙宽度处于 0.2~1.1 μm 范围内的圆盘谐振器，调整缝隙宽度后的串联动态电阻变为原来的810−倍以下。