Hochtemperaturstabile mikromechanische Hochfrequenzschalter

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurden elektrostatisch angesteuerte RF-MEMS Schalter mit kapazitiver Kopplung entwickelt, die Prozesstemperaturen von 400°C und darüber hinaus ohne Verlust der Funktionstüchtigkeit überstehen. Als Funktionsmaterial wird einerseits eine AlSiCu und andererseits eine WTi Legierung verwendet.

Das Schalterprinzip beruht auf dem Wanderkeileffekt, der einen gekrümmten Biegebalken nutzt. Diese Verbiegung weg von der Substratoberfläche, die durch einen wohldefinierten intrinsischen Spannungszustand hervorgerufen wird, ermöglicht die Realisierung eines Schalters mit hoher Isolation bei gleichzeitig moderater Pull-In-Spannung. Die Kenntnis des inneren Spannungszustands der AlSiCu bzw. WTi Schichten und dessen Zusammenhang mit den verwendeten Abscheideparametern sind somit von besonderer Bedeutung und werden daher näher untersucht.

Die realisierten AlSiCu RF-MEMS Schalter zeigen abhängig von den gewählten Abscheideparametern Auslenkungen zwischen 248 und 300 µm bei einer Länge von 506 µm. Die prozentuale Auslenkung bezogen auf den Ursprungswert beträgt für Ausheiztemperaturen von bis zu 400°C zwischen 20 und 100% bzw. 98 und 138%. Bei gleicher Länge ist die Auslenkung der WTi basierten Schalter mit 66 bis 113 µm deutlich kleiner. Dort treten, abhängig von Bauform und Abscheidbedingung, bis 400°C Abweichungen bis 9% bzw. bis 32% von der ursprünglichen Auslenkung auf.

Aluminium-Silizium-Kupfer Schalter zeigen im Frequenzbereich von 20 bis 35 GHz eine Einfügedämpfung von -0,31 bis -0,4 dB und eine Sperrdämpfung von -22,0 bis -14,0 dB. Die entsprechenden Werte der Wolfram-Titan Schalter betragen -0,2 bis -0,5 dB für die Einfüge- und -19,0 bis -11,7 dB für die Sperrdämpfung.

In this work capacitive RF-MEMS switches are developed on the basis of either an aluminum-silicon-copper alloy (AlSiCu) or an alloy that is composed of tungsten and titanium (WTi). The switches are electrostatically activated and withstand in-process temperatures of 400°C and above without losing their operational reliability.

A moving-wedge actuator with a large out of plane deflection provides the basic architecture of the switches. The high open state deflection is realized by incorporating a well defined intrinsic stress into the cantilever structure and allows to combine a high open state isolation with a moderate pull-in voltage. Precise knowledge of the stress conditions of the two alloys and their correlation with the deposition parameters are of key importance for this project and therefore were investigated intensively.

Depending on deposition parameters the deflection of 506 µm long AlSiCu RF-MEMS switches is between 248 and 300 µm. Up to annealing temperatures of 400°C the deflection referred to the as-deposited value varies between 20 and 100% and between 98 and 138%, respectively. In comparison the deflection of WTi switches of the same length is significantly smaller (66…113 µm). In the same temperature range the deflection of WTi switches differs from the initial value between 1 and 9% or up to 32% depending on type and deposition parameters.

In the frequency range of 20 to 35GHz switches based on AlSiCu have an insertion loss between -0,31 and -0,4 dB and an isolation of -22,0 to -14,0 dB. The corresponding values for WTi switches are -,2 to -0,5 dB and -19,0 to -11,7 dB, respectively.