作者姓名：顧磊
　　論文題目：高性能MEMS射頻無源器件與三維硅微機(jī)械加工技術(shù)
　　作者簡介：顧磊，男1980年4月出生，2004年4月師從中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所李昕欣研究員，于2007年7月獲博士學(xué)位。

　　中文摘要
　　片上集成電感、互感和可調(diào)電容是射頻集成電路中三種最重要的射頻無源元件，在整個電路系統(tǒng)中起著決定性的作用，是單片RF集成電路如壓控振蕩器（VCOs）、低噪聲放大器(LNAs)及無源濾波器中的關(guān)鍵性部件，在個人移動通訊、全球定位系統(tǒng)（GPS）以及衛(wèi)星信號接收等高頻電路系統(tǒng)中占有重要的地位。利用微機(jī)械技術(shù)研究射頻無源器件是目前MEMS研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。體微機(jī)械、表面微機(jī)械以及LIGA技術(shù)是MEMS領(lǐng)域重要的三種加工手段，幾種加工方式的融合與實(shí)現(xiàn)片上集成也是目前MEMS加工領(lǐng)域的發(fā)展方向。
　　本論文工作主要研究硅基三維微機(jī)械結(jié)構(gòu)制造及射頻關(guān)鍵器件的研制技術(shù)。一方面針對目前電訊用RFIC的高性能無源元件，如電感、互感和可變電容。所開發(fā)的低溫工藝可以與射頻CMOS工藝相兼容，同時利用MEMS技術(shù)解決了硅襯底損耗等問題，實(shí)現(xiàn)了高性能的RF電感、互感和可變電容等關(guān)鍵元件，另一方面還針對微納操縱和精確定位系統(tǒng)需求的X-Y微移動平臺，用深溝側(cè)壁隔離（Trench-sidewall）?MEMS工藝形成具有微米級移動范圍和納米級定位精度的高性能X-Y微移動載臺，為微米電子機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)入到納米電子機(jī)械系統(tǒng)研究提供了基本的操作平臺，同時新型的電絕緣技術(shù)使該微平臺可以在普通硅片上制作實(shí)現(xiàn)，替代SOI硅片，大大降低了制造成本。主要研究工作和成果分項(xiàng)歸納為：
　　1）在國際上首次報(bào)道一種采用低溫CMOS兼容工藝制造的嵌入式懸浮螺管?(Concave-Suspended?Solenoid)?結(jié)構(gòu)電感和互感（L.Gu,?X.Li,?IEEE?Trans.?Electron?Devices?54，2007，pp.882；L.Gu,?X.Li,IEEE?Trans.?Microwave?Theory?Tech.?55，2007，pp.1237）。為了便于封裝以及后續(xù)加工，電感或互感線圈嵌入在硅片內(nèi)部，電感線圈周圍的硅材料被XeF2氣體各向同性腐蝕去除，整個線圈結(jié)構(gòu)通過兩邊伸出的二氧化硅薄膜支撐（發(fā)明專利CN200610029276.8李昕欣,顧磊）。由于線圈周圍的硅都被腐蝕移除，電感的襯底損耗極低，大大提高器件的高頻性能。而采用銅電鍍工藝又顯著降低線圈的歐姆損耗。上面兩個因素使得新型電感和互感的Q值和諧振頻率得到顯著提高。兩邊二氧化硅膜支撐也使得整個懸浮結(jié)構(gòu)更加結(jié)實(shí)，制作的器件在10000g加速度沖擊試驗(yàn)下完好無損。利用有限元分析軟件ANSYS仿真100g的環(huán)境加速度以及80攝氏度環(huán)境溫度改變下的電感值變化，分析得到的變化值比目前國際上報(bào)道最好的懸浮結(jié)構(gòu)還要低一個量級。針對該創(chuàng)新結(jié)構(gòu)嵌入式懸浮螺管電感和互感，建立了集總和準(zhǔn)分布兩種電路模型，模型與測量結(jié)果相吻合，能夠指導(dǎo)電感或互感的優(yōu)化設(shè)計(jì)?(L.Gu,?X.Li,?IEEE?J-MEMS?16，2007，pp.1162)。電感高頻性能測量結(jié)果表明2.47nH電感的Q值在2GHz時高達(dá)54，自諧振頻率超過15GHz，優(yōu)于已發(fā)表的各種CMOS兼容微機(jī)械片上電感。在電感制造基礎(chǔ)上進(jìn)一步工藝創(chuàng)新，設(shè)計(jì)制造出雙螺旋結(jié)構(gòu)懸浮互感，建立了器件模型（L.Gu,?X.Li,IEEE?Trans.?Microwave?Theory?Tech.?55，2007，pp.1237）?；ジ杏行挏y量值為14Ghz到16GHz，有效增益（可以作為評價(jià)互感性能的綜合指標(biāo)）為0.89，在國際報(bào)道的片上集成互感中性能最好。該電感和互感創(chuàng)新技術(shù)2006年入選著名的國際電子器件大會（IEDM）作報(bào)告?(L.Gu,?X.Li,?IEEE?IEDM?2006，pp.521)?。?
　　2）針對該創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，提出并實(shí)現(xiàn)了各種經(jīng)常使用的電感或互感設(shè)計(jì)方法?(L.Gu,?X.Li,IEEE?MEMS?2007，pp.771)，針對更大的電感值，為節(jié)省芯片面積，首尾串聯(lián)的緊密型電感結(jié)構(gòu)是合適的選擇；反之如果希望進(jìn)一步提高性能但對芯片面積要求不高，則“S”型結(jié)構(gòu)更加合適；為避免電感線圈形成的電磁場對周圍電路的影響，提出并實(shí)現(xiàn)了一種閉合回路結(jié)構(gòu)，HFSS軟件分析表明該結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒋帕€幾乎全部限制在線圈內(nèi)部(L.Gu,?X.Li,?Microelectron.?Eng.85，2008，pp.697)。此外，為了進(jìn)一步提高電感或互感的性能及一致性，提出并實(shí)現(xiàn)了一種帶有絕緣溝槽的微結(jié)構(gòu)，通過精確限制XeF2氣體腐蝕區(qū)域的技術(shù)，顯著提高了器件性能的一致性。通過在焊盤底部放置厚二氧化硅層減少引線焊盤引入的寄生效應(yīng)，使得器件在滿足片上集成需要的之外還可以作為高性能分立器件倒裝焊封裝到SiP射頻電路中?(L.Gu,?X.Li,?Microw.?Opt.?Technol.?Lett.?50,2008,pp.2442)。
　　3）針對射頻集成電路用微機(jī)械可變電容存在的問題，提出了一系列的解決辦法和創(chuàng)新技術(shù)。為了減少串聯(lián)電阻、降低工藝復(fù)雜度并與Post-CMOS工藝兼容，發(fā)明一種低應(yīng)力多層金屬電鍍技術(shù)來制造懸浮可變面積及可變間距梳齒電容?(L.Gu,?X.Li,?Microw.?Opt.?Technol.?Lett.?50,2008,pp.2469)。利用金屬鎳優(yōu)異的機(jī)械性能，我們采用鎳制作器件結(jié)構(gòu)，在金屬鎳的表面電鍍一薄層金用來降低串聯(lián)電阻并防止鎳在空氣中氧化。為降低襯底損耗，可變電容結(jié)構(gòu)底部硅用干法腐蝕去除，可動結(jié)構(gòu)通過周圍的二氧化硅錨點(diǎn)支撐固定。整個制造過程溫度不超過120攝氏度，僅需兩塊光刻版?（發(fā)明專利CN200710044283.3，李昕欣、顧磊）。器件測量結(jié)果為：4V電壓驅(qū)動下，電容值的可調(diào)比高達(dá)2.98:1，1GHz時的Q值為103，2GHz時的Q值為46.2，優(yōu)于目前報(bào)道的各種CMOS兼容片上集成微機(jī)械可變電容。
　　為了避免驅(qū)動電壓端口對射頻信號端口的影響，提出并實(shí)現(xiàn)了一種新的相互絕緣式可變電容結(jié)構(gòu)(L.Gu,?X.Li,?Electronics?Lett.?43,2007,pp.808)。電容驅(qū)動端與敏感電容端通過二氧化硅薄膜橋?qū)崿F(xiàn)機(jī)械上相連，但電學(xué)上相互絕緣。該結(jié)構(gòu)消除了直流偏置電路對可變電容性能的影響，提高了可變電容在電路布局中的靈活性，測量得到4V電壓驅(qū)動下，電容的可調(diào)比高達(dá)3.18:1，Q值在1GHz時為115.0，在2GHz時為40.2。
　　4）國際上首次提出并實(shí)現(xiàn)一種旋轉(zhuǎn)式微結(jié)構(gòu)可變電容，能夠抵抗外界環(huán)境振動或沖擊對可變電容穩(wěn)定性的影響?(L.Gu,?X.Li,?IEEE?Electron?Device?Letters?29,2008,pp.195)。當(dāng)施加靜電驅(qū)動力時，梳齒電容的運(yùn)動方向是沿著器件中心軸旋轉(zhuǎn)。這種結(jié)構(gòu)只有受到軸向力才會產(chǎn)生明顯形變，而外界環(huán)境加速度的影響幾乎都為水平單一方向，很少會產(chǎn)生沿中心軸旋轉(zhuǎn)加速度的干擾，故該結(jié)構(gòu)能夠有效抑制移動通訊系統(tǒng)應(yīng)用時環(huán)境振動沖擊對器件的影響，顯著提高了可靠性(發(fā)明專利CN200710045457.4,李昕欣、顧?磊)。該旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)在10g環(huán)境加速度下，電容的變化值比傳統(tǒng)微機(jī)械可變電容（直向運(yùn)動）的電容變化值低兩個量級以上。性能測試得到12V電壓下，可變電容可調(diào)比為2.1:1，Q值在2GHz時仍高達(dá)35.2。
　　以上MEMS片上可調(diào)諧電容的相關(guān)成果又一次入選2007年國際電子器件大會（IEDM）做報(bào)告(L.Gu,?X.Li,?IEEE?IEDM?2007，pp.427)。
　　本論文在射頻電路用高性能MEMS器件方面的研究成果得到國際同行高度重視，作為中國學(xué)者，首次被邀請?jiān)?008年IEEE?RFIC國際會議做特邀報(bào)告（X.Li,?L.Gu，IEEE?RFIC-2008，pp.163）。
　　5)?首次采用深溝側(cè)壁（Trench-sidewall）MEMS集成工藝技術(shù)在單一硅片上成功制造微移動平臺?(L.Gu,et?al,?J?Micromech.?Microeng.?85,2008,pp.697)。采用的Trench-sidewall?MEMS技術(shù)能夠取代價(jià)格昂貴的SOI襯底，將靜電驅(qū)動，電容、壓阻信號檢測部分集成在單硅片上，并且能夠?qū)σ恍┕δ苓M(jìn)行自檢和反饋控制，提高的器件的精度和可靠性，降低制造成本?(X.Li，L.Gu，IEEE?Sensors?Journal,?8,2008,pp.1992)。顯微鏡測量制造出的兩維微位移載臺，在23V驅(qū)動電壓下載臺移動范圍為20×20微米2。為車輛載臺的移動定位精度，一種加熱SPM探針納米壓印方法被設(shè)計(jì)和用于測量。測量結(jié)果顯示位移精度優(yōu)于18nm，為將來的微電子機(jī)械系統(tǒng)研究進(jìn)入到納電子機(jī)械系統(tǒng)研究提供了必要的操作和測試平臺工具。
　　本論文工作用原始創(chuàng)新的關(guān)鍵技術(shù)解決了三維MEMS結(jié)構(gòu)集成制造的復(fù)雜難題。特別是與CMOS集成電路工藝兼容的片上集成高性能射頻無源器件技術(shù)，所取得的成果獲得國際學(xué)術(shù)界的認(rèn)可，所開發(fā)的可實(shí)用化技術(shù)也在微電子產(chǎn)業(yè)界獲得轉(zhuǎn)讓和推廣應(yīng)用。論文的相關(guān)學(xué)術(shù)成果兩度發(fā)表在國際電子器件領(lǐng)域論文錄取最為困難的“國際電子器件會議”（International?Electron?Device?Meeting,簡稱IEDM，在IEDM五十多年歷史中我國被錄取發(fā)表的論文僅寥寥數(shù)篇）。此外，論文多次發(fā)表在包括IEEE?E-D?Lett.,?IEEE?T-ED,?IEEE?J-MEMS,?IEEE?T-MTT等電子信息領(lǐng)域國際核心期刊上，引起了國際同行的重視。相關(guān)成果受2008年領(lǐng)域國際著名會議IEEE?International?RFIC?Symposium邀請作特邀報(bào)告，是我國首次在該會議獲邀作邀請報(bào)告。另外包括IEEE?ED?Society的副主席和IEEE?Fellow等國際著名學(xué)者紛紛主動就該成果進(jìn)行高性能RF集成電路技術(shù)合作研發(fā)。論文成果中包括三項(xiàng)核心發(fā)明專利（一項(xiàng)授權(quán)，兩項(xiàng)公開）。香港主版上市公司上海先進(jìn)半導(dǎo)體制造有限公司（ASMC）等企業(yè)就本論文的成果已經(jīng)與我們展開了專利技術(shù)轉(zhuǎn)讓來實(shí)現(xiàn)微電子制造產(chǎn)品技術(shù)。根據(jù)該技術(shù)應(yīng)用研發(fā)內(nèi)容，上海市科委近期確立了重點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)行支持。這種用自主創(chuàng)新的技術(shù)來提升我國微電子企業(yè)的產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平對推動我國微電子事業(yè)的發(fā)展具有重要意義。
　　本文所作的研究工作，在MEMS三維復(fù)雜集成結(jié)構(gòu)制造方面取得了突破性成果，對于實(shí)現(xiàn)高性能射頻集成電路、通訊系統(tǒng)以及納米操縱等具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值，有助于我國在信息技術(shù)領(lǐng)域取得突出的、有特色的進(jìn)展，獲得重大經(jīng)濟(jì)效益。
　　規(guī)定期限內(nèi)相關(guān)成果形成的論文和專利列表如下：
　　論文：
　　1.Lei?Gu,?Xinxin?Li,?Variable?Capacitors?and?Tunable?LC-Tanks?Formed?by?CMOS-Compatible?Metal?MEMS?for?RF?ICs,?IEDM?2007?---?53th?IEEE?International?Electron?Device?Meeting,?Washington?DC，USA,?10-13?Dec.,?2007,?pp.427-430.
　　2.Lei?Gu,?Xinxin?Li,?A?Post-CMOS?Concave-Suspending?MEMS?Process?in?Standard?Silicon?Wafers?for?High-Performance?Solenoidal-DNA-Configured?Micro-Transformers,?IEDM?2006?---?52th?IEEE?International?Electron?Device?Meeting?2006,?San?Francisco,?CA,?USA,?Dec.?11-13,?2006,?pp.?521-524.
　　3.Lei?Gu,?Xinxin?Li,?Rotational-driven?RF?Variable?Capacitors?with?Post-CMOS?Processes,?IEEE?Electron?Device?Letters,?Vol.29,?No.2,?2008,?pp.195-197.
　　4.Lei?Gu,?Xinxin?Li,?High-Q?Solenoid?Inductors?With?a?CMOS-Compatible?Concave-Suspending?MEMS?Process,?IEEE?Journal?of?Microelectromechanical?Systems,?VOL.?16,?NO.?5,?2007,?pp.1162-1172.
　　5.Lei?Gu,?Xinxin?Li,?High-Performance?CMOS-compatible?Solenoidal?Transformers?with?a?Concave-suspended?Configuration,?IEEE?Transactions?on?Microwave?Theory?and?Techniques,?VOL.?55,?NO.?6,?2007,?pp.1237-1245.
　　6.Lei?Gu?and?Xinxin?Li,?Concave-suspended?High-Q?Solenoid?Inductors?with?an?RFIC-compatible?Bulk-micromachining?Technology,?IEEE?Transactions?on?Electron?Devices,?Vol.54,?2007,?pp.882-885.
　　7.Lei?Gu,?Xinxin?Li,?Haifei?Bao,?Bin?Liu,?Yuelin?Wang,?Min?Liu,?Zunxian?Yang,?Baoluo?Cheng,?Single-Wafer-Processed?Nano-Positioning?XY-Stages?with?a?Trench-Sidewall?Micromachining?Technology,?J.?Micromech.?Microeng.,?16?(2006)?1349–1357.
　　8.L.?Gu?and?X.?Li,?Post-CMOS?micromachined?RF?varactor?with?mutual-isolated?large-tuning?capacitor?and?low-voltage?actuator,?Electronics?Letters,?Vol.?43,?No.?15,?2007,?pp.808-809.
　　9.Lei?Gu,?Xinxin?Li,?On-chip?embedded?toroidal-solenoid?inductors?and?transformers?formed?by?post-CMOS?micromachining?techniques,?Microelectronic?Engineering,?Vol.?85,?2008,?pp.697-703.
　　10.Lei?Gu,?Zhengzheng?Wu,?Xinxin?Li,?Post-CMOS?compatibly?micromachined?high-performance?on-chip?air-core?solenoidal?inductors,?Microwave?and?Optical?Technology?Letters,?Vol.?50,?2008,?pp.2442?–?2446.?
　　11.Lei?Gu,?Zhengzheng?Wu,?Xinxin?Li,?Post-CMOS?micromachined?nickel?tunable-capacitors?with?a?large?tuning-range?under?low?actuating?voltage,?Microwave?and?Optical?Technology?Letters,?Vol.?50,?2008,?pp.2469?–?2472.?
　　12.Lei?Gu,?Xinxin?Li,?An?wide-range?tunable?on-chip?radio-frequency?LC-tank?formed?with?a?post-CMOS?compatible?MEMS?fabrication?technique,?Microelectronics?Journal,?(論文已在網(wǎng)站上公開出版，日期為：Available?online?23?July?2008，編號：doi:10.1016/.2008.06.065，紙本期刊正在印刷中)
　　13.Lei?Gu,?Xinxin?Li,?CONCAVE-SUSPENDED?HIGH-Q?SOLENOID?INDUCTORS?WITH?A?POST-CMOS?MEMS?PROCESS?IN?STANDARD?SILICON?WAFERS,?IEEE?MEMS-07?---?the?20th?IEEE?International?Conference?on?Micro?Electro?Mechanical?Systems,?Kobe,?Japan,?Jan.?21-25,?2007,?pp.771.
　　14.Lei?Gu,?Xinxin?Li,?Haifei?Bao,?Bin?Liu,?Yuelin?Wang,?Min?Liu,?Zunxian?Yang,?Baoluo?Cheng,?A?Single-Wafer-Processed?XY-Stage?Fabricated?with?Trench-sidewall?Doping?and?Refilled-Trench?Isolating?Technology,?IEEE?NEMS-06?---?the?1st?IEEE?International?Conference?on?Nano/Micro?Engineered?and?Molecular?Systems,?Jan.?18-21,?2006,?Zhuhai,?China,?pp.860-863.
　　15.(邀請報(bào)告)?Xinxin?Li,?Lei?Gu,?(INVITED)?Hi-Performance?RF?passives?Using?Post-CMOS?MEMS?Techniques?for?RF?SoC,?IEEE?RFIC-2008?---?2008?IEEE?Radio?Frequency?Integrated?Circuits?Symposium,?June?15-17,?2008,?Atlanta,?GA,?USA,?pp.163-166.?(注：第一作者為申請者的導(dǎo)師)??
　　16.Xinxin?Li,?Lei?Gu,?Yuelin?Wang,?Heng?Yang,?Single-wafer-processed?Self-testable?High-g?Accelerometers?with?Both?Sensing?and?Actuating?Elements?Integrated?on?Trench-sidewall,?IEEE?Sensors?Journal,?Vol.?8,?2008,?pp.1992-1999.?(注：第一作者為申請者的導(dǎo)師)
　　17.Xinxin?Li,?Baoluo?Chen,　Yuelin?Wang,　Lei?Gu,　Jian?Dong,　Xiaohong?Ge，A?trench-sidewall?single-wafer-MEMS?technology?and?its?typical?application?in?high-performance?accelerometers，IEDM?2004---50th?IEEE?International?Electron?Device?Meeting,?San?Francisco,?CA?,13-15?Decmber，2004，pp.43-46.?(注：第一作者為申請者的導(dǎo)師)
　　18.Xinxin?Li,?Wei?Xu,?Ying?Chen,?Le?Luo,?Lei?Gu,?Min?Liu,?Baoluo?Cheng,?and?Yuelin?Wang,?Single-wafer-processed?trench-sidewall?integration?and?its?application?in?a?micro?resonant?detector?for?vacuum?monitoring,?J.?Vac.?Sci.?Technol.?B?24?(1),?Jan/Feb?2006,?pp16-19.?(注：第一作者為申請者的導(dǎo)師)
　　專利：
　　1.一種CMOS工藝兼容的嵌入懸浮螺管結(jié)構(gòu)電感或互感的制作方法,?CN200610029276.8,?李昕欣、顧磊（已授權(quán)）
　　2.一種CMOS工藝兼容的懸浮式可變電容的制作方法，CN200710044283.3，李昕欣、顧磊?（法律狀態(tài)：實(shí)質(zhì)審查的生效；公開（公告）號：101110354；公開（公告）日：2008-01-23）
　　3.一種抗環(huán)境振動的適用于移動電信的MEMS片上可變電容，CN200710045457.4,?李昕欣、顧?磊?（法律狀態(tài)：實(shí)質(zhì)審查的生效；公開（公告）號：101154505；公開（公告）日：2008-04-02）

　　關(guān)鍵詞：微電子機(jī)械系統(tǒng)，射頻無源器件，電感，互感，可變電容,可調(diào)諧諧振器，X-Y兩維微移動平臺，微機(jī)械加工