自卷曲可调电容器及其实现方法技术

本发明专利技术公开的一种自卷曲可调电容器及其实现方法，属于可调电容器技术领域。本发明专利技术公开的一种自卷曲可调电容器，包括衬底、牺牲层、应力调控层、第一电极、第二电极、加热器。通过沉积两种具有不同应力的薄膜将电容做成卷曲形状，将二维的平板电容卷曲成三维卷曲结构，从而显著降低可调电容的占地面积；通过在层间加入导热电阻或电容两侧加入外部热源，增加可调电容的能量密度，利用电热驱动调节卷曲结构的曲率半径，达到调节电容的目的。本发明专利技术无需额外的牺牲层，电极层充当应力调控层，工艺简单，易于实现。本发明专利技术具有微型化、高密度的特点，能够用于集成电路中，减小电容的占地面积，进一步减小电路的面积，降低生产成本。降低生产成本。降低生产成本。

【技术实现步骤摘要】
自卷曲可调电容器及其实现方法


[0001]本专利技术涉及一种自卷曲可调电容器及其实现方法，属于可调电容器


技术介绍

[0002]单片电容器在射频(RF)下工作，是无线通信集成电路中的关键元件。可调谐电容器可用于各种电路，例如可调谐滤波器、可调谐移相器和可调谐天线。随着电子设备的高密度安装结构的发展和RF IC小型化，对更高容量和更小尺寸的电容器的需求正在增加。目前制造可调或可切换RF电容器的两项技术是具有可调极板间隔的电容器以及具有可调电介质的电容器。但是，这些方案受到现有三维结构搭建的限制导致了可调电容的低能量密度，从而限制了在集成电路上的应用。因此，为了适应电路小型化的需要，需要开发一种高容量高密度的可调电容器。

技术实现思路

[0003]为了克服可调电容体积大，密度低的缺点，本专利技术的目的在于提供一种自卷曲可调电容器及其实现方法，所述自卷曲可调电容器为基于MEMS制造的电容值连续可调的电容器，能够将二维的平板电容卷曲成三维卷曲结构，从而显著降低可调电容的占地面积，增加可调电容的能量密度。
[0004]为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：
[0005]本专利技术公开的一种自卷曲可调电容器，包括衬底、牺牲层、应力调控层、第一电极、第二电极、加热器。通过沉积两种具有不同应力的薄膜将电容做成卷曲形状，将二维的平板电容卷曲成三维卷曲结构，从而显著降低可调电容的占地面积；通过在层间加入导热电阻或电容两侧加入外部热源，增加可调电容的能量密度，利用电热驱动调节卷曲结构的曲率半径，达到调节电容的目的。
[0006]本专利技术公开的一种自卷曲可调电容器有两种调节电容的方式：
[0007]方式一：自卷曲梳齿可调电容器。
[0008]自卷曲梳齿可调电容器由衬底上卷起的多层薄膜堆叠组成，所述多层薄膜以覆盖的方式布置平面内并围绕卷曲轴心卷起。自卷曲梳齿电容器的最下面一层牺牲层，牺牲层上方沉积两层应力调控层，包括压应力调控层和张应力调控层，然后在应力调控层上沉积金属电极层，并图形化形成第一梳齿电极和第二梳齿电极，两个电极平行于卷曲轴心方向，通过两条电导线连接衬底层上的焊盘。去除牺牲层后，由于压应力调控层的膨胀和张应力调控的收缩使得牺牲层上方的薄膜发生卷曲，形成自卷曲梳齿电容器。第一梳齿电极和第二梳齿电极之间形成电容，应力调控层充当电介质。通过电热驱动调节卷曲结构的曲率半径，电极相邻层的梳齿电极产生相对滑动，从而改变正负电极的重叠面积，达到连续调节电容值的目的。
[0009]自卷曲梳齿可调电容器电容调节方法：
[0010]当第一梳齿电极与第二梳齿电极正好相对时，电容器的电容值最大。当第一梳齿
电极与第二梳齿电极正好相对时正好错开时，此时电容器的电容值最小。通过电热驱动改变卷曲薄膜的曲率半径，进而在两种状态下转换，进而达到调节电容的目的。
[0011]针对内嵌电阻层的卷曲梳齿结构，建立联立公式(1)(2)(3)(4)(5)所示的电压与电容值关系，根据联立公式(1)(2)(3)(4)(5)调节电容。
[0012]所述相对滑动位移与通电压力的关系主要用两个应变薄膜层之间的相对滑动造成：
[0013][0014]其中ΔT是整个应变薄膜层的温度变化。是加热器的电阻，ξ是加热器的电阻温度系数，V是施加在电热器上驱动电压，是应变薄膜层和衬底之间的平均热阻。
[0015]由于温度变化引起的应变薄膜的曲率半径ρ为：
[0016][0017]其中α1和α2分别是两个应变薄膜层的温度系数，t1和t2分别是两个应变薄膜层的厚度，E1和E2分别是两个应变薄膜层的杨氏模量。
[0018]对于卷曲梳齿电容来说，由于薄膜厚度在纳米级别，而卷曲半径通常在微米级别。因此，卷曲结构端点的位移Δx近似等于N个卷曲结构内径ρ
in_N
的总变化。
[0019][0020]其中ρ
in_N_T
为第N个卷曲结构温度变化后的内径。
[0021]当自卷曲梳齿可调电容器的第一梳齿电极和第二梳齿电极完全相对时，其电容值C
f_max
为
[0022][0023]其中n为梳齿电极的数目，w
c
为梳齿电极的宽度，l
c
为梳齿电极的长度，d为卷曲后两个电极之间的距离，ε为两个重叠电极之间的介电常数。
[0024]当卷曲半径发生变化时，电容值的变化跟交叠面积相关，此时的电容值为
[0025][0026]因此，联立公式(1)(2)(3)(4)(5)便得到梳齿电容V
‑
C
f
的关系。
[0027]方式二：自卷曲平板可调电容器。
[0028]自卷曲平板可调电容器的正负电极分别放置在两个薄膜层上，衬底上沉积一层第
一电极层，并在第一电极层上沉积牺牲层，牺牲层上沉积应力调控层，第二电极层沉积在应力调控层上，第一电极层和第一电极层之间形成电容，应力调控层充当电介质。应力调控层内部沉积电阻层，通过加热电阻改变卷曲薄膜的应力，使第二电极层卷曲，调节第一电极层和第二电极层之间重叠的面积进而改变电容。
[0029]通过在层间加入导热电阻或电容两侧加入外部热源，分别对应加热方式一、方式二：
[0030]加热方式一：在两层应力调控层之间加入电阻层。
[0031]通过在薄膜层中增加电阻层来实现，将电阻丝产生的热量传入其他膜层中，由于不同膜层的热膨胀系数不同，两个应力调控层会产生不同的应变，进而达到调节曲率半径的目的。电阻层的位置在应力调控层之间或者在应力调控层的上方。根据电阻层中加热电阻丝的布线方式不同，分为三种方式：加热电阻丝布置在未卷曲电极结构的两侧；加热电阻丝布置在电极结构的顶部；加热电阻丝布置在电极结构的内部。
[0032]形成电阻丝的材料为Pt、W、Ti或镍铬合金。
[0033]方式二：在卷曲后的电容器两侧加入外部热源，通过热辐射的方式加热。外部热源可以是加热电阻等。
[0034]本专利技术公开一种自卷曲梳齿电容器的实现方法，用于制作自卷曲梳齿电容器。采用SOI顶硅当作牺牲层，不需要额外沉积牺牲层，同时电极层充当应力调控层。
[0035]在衬底上形成牺牲层，在牺牲层上形成应力调控层，电阻层和电极层，电阻层位于应力调控层之间。
[0036]步骤(a)：准备一张SOI晶圆。
[0037]步骤(b)：在SOI晶圆上沉积一层应力调控层，材料可以是SiO2。
[0038]步骤(c)：在第一层应力调控层上沉积电阻层。
[0039]步骤(d)：在电阻层上沉积相同的应力调控层，将电阻层覆盖住，起到与电极层绝缘的作用。
[0040]步骤(e)：刻蚀最上面的应力调控层，使电阻层的电连接孔暴露出来。
[0041]步骤(f)：在最上面的应力调控层上沉积一层金属电极层，材料可以是Al，图形化形成第一梳齿电极，第二梳齿电极，梳齿电极焊盘和电阻丝的焊盘。
[0042本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自卷曲可调电容器，其特征在于：包括衬底、牺牲层、应力调控层、第一电极、第二电极、加热器；通过沉积两种具有不同应力的薄膜将电容做成卷曲形状，将二维的平板电容卷曲成三维卷曲结构，从而显著降低可调电容的占地面积，增加电容的能量密度；通过在层间加入导热电阻或电容两侧加入外部热源，利用电热驱动调节卷曲结构的曲率半径，达到调节电容的目的。2.如权利要求1所述的一种自卷曲可调电容器，其特征在于：有两种调节电容的方式，方式一：自卷曲梳齿可调电容器；自卷曲梳齿可调电容器由衬底层上卷起的多层薄膜堆叠组成，所述多层薄膜以覆盖的方式布置平面内并围绕卷曲轴心卷起；自卷曲梳齿电容器的最下面一层为牺牲层，牺牲层上方沉积两层应力调控层，包括压应力调控层和张应力调控层，然后在应力调控层上沉积金属电极层，并图形化形成第一梳齿电极和第二梳齿电极，两个电极平行于卷曲轴心方向，通过两条电导线连接衬底层上的焊盘；去除牺牲层后，由于压应力调控层的膨胀和张应力调控的收缩使得牺牲层上方的薄膜发生卷曲，形成自卷曲梳齿电容器；第一梳齿电极和第二梳齿电极之间形成电容，应力调控层充当电介质；通过电热驱动调节卷曲结构的曲率半径，电极相邻层的梳齿电极产生相对滑动，从而改变正负电极的重叠面积，达到连续调节电容值的目的；方式二：自卷曲平板可调电容器；自卷曲平板可调电容器的正负电极分别放置在两个薄膜层上，衬底上沉积一层第一电极层，并在第一电极层上沉积牺牲层，牺牲层上沉积应力调控层，第二电极层沉积在应力调控层上，第一电极层和第一电极层之间形成电容，应力调控层充当电介质；应力调控层内部沉积电阻层，通过加热电阻改变卷曲薄膜的应力，使第二电极层卷曲，调节第一电极层和第二电极层之间重叠的面积进而改变电容。3.如权利要求2所述的一种自卷曲可调电容器，其特征在于：自卷曲梳齿可调电容器电容调节方法：当第一梳齿电极与第二梳齿电极正好相对时，电容器的电容值最大；当第一梳齿电极与第二梳齿电极正好相对时正好错开时，此时电容器的电容值最小；通过电热驱动改变卷曲薄膜的曲率半径，进而在两种状态下转换，进而达到调节电容的目的；针对内嵌电阻层的卷曲梳齿结构，建立联立公式(1)(2)(3)(4)(5)所示的电压与电容值关系，根据联立公式(1)(2)(3)(4)(5)调节电容；所述相对滑动位移与通电压力的关系主要用两个应变薄膜层之间的相对滑动造成：其中ΔT是整个应变薄膜层的温度变化；是加热器的电阻，ξ是加热器的电阻温度系数，V是施加在电热器上驱动电压，是应变薄膜层和衬底之间的平均热阻；由于温度变化引起的应变薄膜的曲率半径ρ为：
其中α1和α2分别是两个应变薄膜层的温度系数，t1和t2分别是两个应变薄膜层的厚度，E1和E2分别是两个应变薄膜层的杨氏模量；对于卷曲梳齿电容来说，由于薄膜厚度在纳米级别，而卷曲半径通常在微米级别。因此，卷曲结构端点的位移Δx近似等于N个卷曲结构内径ρ
in_N
的总变化。其中ρ
in_N_T
为第N个卷曲结构温度变化后的内径。当自卷曲梳齿可调电容器的第一梳齿电极和第...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹英超，谢会开，
申请(专利权)人：北京理工大学重庆微电子研究院，
类型：发明
国别省市：