CHUYỂN MẠCH RF MEMS ĐIỆN DUNG DỰA TRÊN VẬT LIỆU TANTALUM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ BÁO CÁO: CHUYỂN MẠCH RF MEMS ĐIỆN DUNG DỰA TRÊN VẬT LIỆU TANTALUM Môn học: Công nghệ MEMS dùng cho thiết bị Điện tử - Viễn thông Giảng viên: TS. Chử Đức Trình Nguyễn Thị Anh Đào Nguyễn Thị Thùy Dương Đỗ Tiến Dũng Hà Nội, tháng 3 năm 2012 1 Mục lục 1 Giới thiệu 3 1.1 Chuyển mạch RF MEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 Chuyển mạch RF MEMS điện dung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Chuyển mạch RF MEMS điện dung dùng vật liệu Tantalum . . . . . . . . . 3 2 Phương pháp chế tạo chuyển mạch RF MEMS điện dung sử dụng vật liệu Tantalum 4 2.1 Đặc trưng vật liệu TaN và Ta 2 O 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.1.1 Các màng mỏng TaN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.1.2 Cấu trúc MIM dựa trên Ta 2 O 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2 Quy trình chế tạo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3 Khảo sát thuộc tính RF 8 3.1 S-Tham số . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3.2 Mô hình khảo sát . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3.3 Thuộc tính RF khi chuyển mạch trong trạng thái đóng . . . . . . . . . . . . 10 3.4 Thuộc tính RF khi chuyển mạch trong trạng thái mở . . . . . . . . . . . . . 10 3.5 Tính ổn định . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 4 Kết luận 11 2 1 Giới thiệu 1.1 Chuyển mạch RF MEMS Hệ thống RF MEMS có ưu điểm nổi bật so với chuyển mạch bán dẫn là công suất tiêu tán và mất mát lối vào rất thấp, khoảng cách ly lớn và có tính chất tuyến tính [?]. Hơn nữa, việc sử dụng công nghệ III-V chế tạo chuyển mạch RF MEMS mở đường cho việc ứng dụng các module truyền/nhận trong tương lai nhờ việc tích hợp nguyên khối các thành phần MEMS và HEMT trong quá trình chế tạo [?]. Tuy nhiên, mặc dù có những ưu điểm đáng chú ý, độ tin cậy của các thiết bị RF MEMS là mối quan tâm chính trong những ứng dụng đòi hỏi thời gian dài. Hiện tại, nhiều nỗ lực nghiên cứu đang được hướng đến lĩnh vực này [?] - [?]. Thời gian sống của các thiết bị chuyển mạch RF MEMS bị giảm bởi sự suy giảm của các lớp tiếp xúc kim loại - kim loại giữa electron kích thích và cầu (brigde). Sự suy giảm này là do các hiện tượng khác nhau như sự pha tạp và khuyếch tán electron của vật liệu giữa các lớp tiếp xúc, sự ăn mòn, tính dễ uốn và dễ gãy của lớp bảo vệ của các lớp liên kết và tính cứng của vùng liên kết. Tuy nhiên, nhược điểm này có thể được kiểm soát bằng cách thiết kế điện áp không vượt quá 50V. 1.2 Chuyển mạch RF MEMS điện dung Trong các chuyển mạch RF MEMS điện dung, thay vì sử dụng lớp tiếp xúc kim loại - kim loại, người ta phủ lên bề mặt kích thích một lớp điện môi, việc này đồng thời đồng thời giúp tăng tỉ lệ điện dung giữa trạng thái đóng và trạng thái mở của chuyển mạch. Tuy nhiên, lớp điện môi nằm dưới cầu thường phải trải qua các hiệu ứng nạp [?] - [?], điều này có thể gây nên ma sát giữa lớp điện môi và cầu kim loại hoặc làm tăng điện áp đóng mạch (pull-down voltage). Quá trình nạp vào lớp điện môi tăng lên tương ứng với điện trường đặt vào và vì vậy, ta có thể điều khiển điện thế kích thích bằng cách tối ưu quá trình chế tạo cầu. Ngày nay, hầu hết các hạn chế của công nghệ chế tạo chuyển mạch RF MEMS vẫn chưa được giải quyết, đặc biệt là công nghệ III-V, thậm chí còn nhiều thiếu sót hơn quá trình chế tạo dựa trên Si. Do vậy, việc nghiên cứu các vật liệu thay thế cho những vật liệu đang được sử dụng trong công nghệ III, bao gồm cả thành phần điện môi và đường kích hoạt trong các chuyển mạch MEMS trở thành bài toán bắt buộc. 1.3 Chuyển mạch RF MEMS điện dung dùng vật liệu Tantalum Báo cáo này trình bày về quá trình chế tạo chuyển mạch RF MEMS điện dung song song dạng cấu hình phẳng sử dụng công nghệ III-V với các vật liệu đã được thay thế. Cụ thể là các lớp màng TaN và Ta 2 O 5 được lựa chọn để chế tạo được kích hoạt và lớp điện môi. Những vật liệu mới này có cấu tạo, cấu trúc, và đặc tính về điện phù hợp, có khả năng thay thế 3 hữu hiệu cho các vật liệu truyền thống sử dụng trong công nghệ III-V. Đặc biệt, điện trở của màng mỏng TaN có thể được điều chỉnh từ 0.01 đến 30 Ω.cm bằng cách thay đổi các tham số trong quá trình kết tủa. Mặt khác, màng điện môi Ta 2 O 5 có mật độ dòng rò rỉ thấp cỡ vài nanoampere trên một centimet bình phương trong điện trường E ∼ 1 MV/cm, trường đánh thủng cao cỡ 4 MV/cm, và hằng số điện môi cao cỡ 32. Các chuyển mạch khi được chế tạo trong thực tế có điện áp kích hoạt tốt, nằm trong dải từ 15 đến 20V, mất mát lối vào tối đa −0.8 dB tại tần số lên tới 30 GHz và khoảng cách ly ∼ 40 dB tại tần số cộng hưởng, giá trị này phụ thuộc vào chiều dài của cầu, trong khi tần số cộng hưởng nằm trong dải từ 15 đến 30 GHz. 2 Phương pháp chế tạo chuyển mạch RF MEMS điện dung sử dụng vật liệu Tantalum 2.1 Đặc trưng vật liệu TaN và Ta 2 O 5 Trong phần này, ta trình bày về cấu trúc của vật liệu dùng để chế tạo chuyển mạch điện dung và ưu điểm của nó so với các vật liệu truyền thống trước đây. 2.1.1 Các màng mỏng TaN Các màng mỏng TaN được tạo ra bằng cách phun xạ magnetron phản ứng (reactive magnetron sputtering) bắt đầu từ một tấm đế Ta. Các hỗn hợp tỉ lệ khác nhau của Nitơ và Argon, với tỉ lệ N 2 thay đổi từ 20% đến 33%, được sử dụng để điều khiển kết cấu của lớp màng. Cấu tạo cũng như điện trở suất của các màng mỏng TaN thay đổi tuỳ vào tỉ lệ N 2 và nhiệt độ lớp đế (bảng 1). Tất cả các màng mỏng được hình thành tại công suất cố định 200W và có độ dày 150nm. TaN (1) TaN (2) TaN(3) TaN (4) Nhiệt độ ( ◦ C) 25 300 25 300 N 2 (%) 33 33 20 20 Tỉ lệ Ta/N 0.7 0.9 0.7 0.6 Điện trở suất (Ω  cm) 34.5 1.23 1.4 ×10 −2 3.9 ×10 −2 Bảng 1: Cấu tạo và điện trở suất của màng mỏng TaN Ta có thể thấy rằng tỉ lệ Ta/N gần bằng 1 (0.9), đều đạt được với tỉ lệ N 2 lớn hơn trong quá trình trộn tại nhiệt độ nền. Với các mẫu khác, tỉ lệ Ta/N thấp hơn. Điện trở suất của màng có bậc 10 −2 Ω khi tỉ lệ N 2 chiếm 20% trong hỗn hợp khí trộn. Khi tỉ lệ N 2 tăng lên 33%, điện trở suất tăng lên đáng kể. Khi các màng mỏng được kết tủa tại nhiệt độ phòng, điện trở suất tăng lên lớn hơn gấp 1000 lần. Có thể thấy các màng mỏng TaN có điện trở suất cao hơn NiCr, là vật liệu tiêu chuẩn 4 được sử dụng chế tạo đường kích hoạt trong các chuyển mạch RF MEMS. Việc ứng dụng TaN có lợi hơn NiCr do điện trở suất cao hơn, cho phép việc chia cách dòng DC và tín hiệu RF tốt hơn. Thêm vào đó, điện trở suất cao gấp 1000 lần còn mang đến khả năng vượt qua một số giới hạn công nghệ liên quan đến độ mỏng của các màng. 2.1.2 Cấu trúc MIM dựa trên Ta 2 O 5 Các lớp mỏng Ta 2 O 5 được tạo ra bằng cách phun xạ RF-magnetron phản ứng từ một tấm đế kim loại Ta sạch. Công suất phun 200W, áp suất không gian 9mtorr. Hỗn hợp khí Argon và Oxy tỉ lệ 1:2. Tụ có cấu trúc kim loại - cách điện - kim loại (MIM, Metal - Insulator - Metal) được chế tạo trên lớp đế GaAs, với lớp cách điện chính là tấm mỏng Ta 2 O 5 . Các lớp kim loại đều được tạo ra bằng phương pháp phun xạ magnetron phản ứng trong hệ thống chân không. Lớp kim loại bên dưới gồm nhiều lớp liên tục Ti/Au/Ti (10/100/10 nm), lớp kim loại bên trên là một hình vuông Ti/Au (10/300 nm) kích thước 180µm. Hình 1 là ảnh chụp trên kính hiển vi điện tử thể hiện rõ cấu trúc này. Hình 1: (a). Ảnh chụp trên kính hiển vi điện tử cấu trúc MIM dựa trên Ta 2 O 5 . (b). Ảnh chụp bề mặt lớp Ta 2 O 5 . (c). Ảnh chụp bề mặt lớp tiếp xúc Ti/Au Hình 2 chỉ ra đường cong J − E điển hình được đo tại nhiệt độ phòng của tụ MIM dựa trên Ta 2 O 5 . Trong vùng điện trường 0.2 − 1 MV/cm, mật độ dòng tăng gần như tuyến tính, và độ dẫn điện rất thấp. Trong vùng này, dòng điện trong lớp điện môi có được là do cơ chế dẫn điện mong đợi (hopping conduction), ví dụ, các electron bị bẫy di chuyển từ vị trí bẫy này sang vị trí bẫy khác dưới tác dụng của kích thích nhiệt. Tại vùng có cường độ lớn hơn 1MV/cm, đường cong J − E xuất hiện một điểm uốn, chỉ ra rằng cơ chế dẫn điện không còn là cơ chế dẫn điện mong đợi. Đặc biệt, với E > 1.2 MV/cm, có thể thấy ln(J/E) tăng tuyến tính so với E 1 2 , phù hợp với giá trị trường đánh thủng lớn nhất của lớp Ta 2 O 5 . 5 Hình 2: Đường đặc trưng J − E của cấu trúc MIM dựa trên Ta 2 O 5 đo tại nhiệt độ phòng Việc thực hiện đo điện dung của các cấu trúc MIM dựa trên Ta 2 O 5 được thực hiện tại tần số 1MHz. Nếu không có điện trường đặt vào, giá trị điện dung là 28,77 pF. Hằng số điện môi của lớp Ta 2 O 5 đo được là 32, giá trị này cao hơn Si 3 N 4 , chất thường được sử dụng trong các chuyển mạch RF MEMS. Giá trị điện môi cao của Ta 2 O 5 được sử dụng trong các chuyển mạch vì nó cho phép tăng đáng kể tỉ lệ điện dung C down /C up , với C down là điện dung khi chuyển mạch ở trạng thái đóng, C up là điện dung khi chuyển mạch ở trạng thái mở. Để xem xét hiệu ứng nạp của Ta 2 O 5 , các giá trị quá độ dòng và điện dung được đo dưới các điện trường không đổi trong khoảng 0.3 − 4 MV/cm. Các kết quả đo được cho thấy cả giá trị quá độ dòng và điện dung đều tuân theo định luật rút ra từ sự phân cực của dung môi, trình bày trong [?]. 2.2 Quy trình chế tạo Chuyển mạch điện dung song song được chế tạo từ các lớp mỏng TaN và Ta 2 O 5 kết tủa theo công nghệ III-V, bằng phương pháp gia công vi bề mặt (surface-micromachining). Các chuyển mạch được cấu hình dạng sóng đồng phẳng (coplanar waveguide - CPW), với một cầu kim loại lơ lửng kết nối mặt phẳng đất với lớp cách điện trên dây dẫn trung tâm, tạo nên điện dung khi cầu ở trạng thái ngắt (down state). Việc sản xuất chuyển mạch thông qua một quá trình gồm 8 lớp mặt nạ như sau: 1. Trên lớp đế GaAs dầy 625µm, một lớp Si 3 N 4 dầy 500nm được kết tủa lên trên toàn bộ lớp đế như một lớp cách ly. Tiếp đó, một lớp TaN dầy 120nm được kết tủa bằng cách thổi hỗn hợp khí chứa 20% N 2 tại nhiệt độ 25 ◦ C. Để tạo điện cực kích hoạt, tấm 6 mỏng TaN được tạo hình bằng quá trình ăn mòn ion phản ứng (RIE), tốc độ ăn mòn là 28nm/phút. Đường kích hoạt thu được là phần màu đỏ trong hình 3(a). Hình 3: (a). Cấu trúc đường kích hoạt (màu đỏ), đường dẫn bên dưới (màu xanh) và các lỗ via (màu đen). (b) Thiết kế đầy đủ của chuyển mạch 2. Sau đó, một lớp Ta 2 O 5 dầy 400nm được kết tủa, đồng thời các lỗ via được chế tạo để kết nối các điện cực bằng kỹ thuật ăn mòn khô và photolithography. 3. Một lớp đa kim loại Ti/Pt/Au (30/30/60nm) sau đó được kết tủa để tạo ra một đường dẫn bên dưới và lớp đế để tiếp xúc với điện cực TaN bằng kỹ thuật liftoff (vùng màu vàng trong hình 3(a)). 4. Lớp kim loại sau đó được bao phủ bởi lớp cách điện Ta 2 O 5 , các lỗ via được thực hiện bằng phương pháp ăn mòn khô và photolithography giống như ở bước 2 (hình vuông màu đen trong hình 3(a)). 5. Tiếp đó, để bảo vệ cầu kim loại, một khoảng không khí ở bên dưới cầu được tạo thành từ lớp cản quang dầy 3µm. 6. Một lớp đa kim loại Ti/Au/Ti (5/50/5 nm) được làm bay hơi lên toàn bộ bề mặt, được sử dụng như một tấm dẫn điện và lớp kết tinh cho quá trình mạ điện tiếp theo. Cầu không khí, trụ neo, đường CPW, đế đất được chế tạo sử dụng lớp cản quang 3µm. Cầu được thiết kế có các lỗ cho phép loại lớp bảo vệ bằng phương pháp ăn mòn khô, đồng thời tăng tốc độ hoạt động của chuyển mạch do các lỗ thoát làm giảm áp lực không khí bên dưới cầu. 7. Trong bước tiếp theo, một lớp kết tủa vàng 1.5µm được sử dụng để làm dầy thêm đường CPW và đế đất, đồng thời tăng độ phẳng của cầu (hình vuông màu xanh nước biển trong hình 3(b)) 7 8. Cuối cùng, cầu không khí hay lớp cản quang bảo vệ ở bên dưới được giải phóng bằng cách sử dụng quá trình plasma O 2 áp suất cao. Hình 4 là ảnh chụp qua hính hiển vi điện tử cho ta mô tả chi tiết hơn cấu trúc từng lớp của chuyển mạch. Hình 4: Ảnh chụp trên kính hiển vi điện tử chuyển mạch RF MEMS điện dung song song 3 Khảo sát thuộc tính RF 3.1 S-Tham số Hình 5: Mô hình mạng hai cổng Vì chuyển mạch hoạt động ở tần số cao, do vậy để khảo sát thuộc tính của thiết bị, ta quan tâm đến S-Tham số. Xét môt mạng hai cổng như trong hình 5, a 1 , a 2 , b 1 , b 2 lần lượt là sóng tới và sóng phản xạ của cổng 1 và cổng 2 tương ứng. I 1 , V 1 là dòng đi tới và thế trên 8 cổng 1. I 2 , V 2 là dòng đi ra và thế trên cổng 2. Ta có mối liên hệ giữa các thông số a i và b j như sau:  b 1 b 2  =  S 11 S 12 S 21 S 22  a 1 a 2  hay b = Sa trong đó, S là ma trận tán xạ (scattering matrix), các phần tử của ma trận, S ij là các tham số tán xạ, hay S-Tham số. S 11 và S 22 là các hệ số phản xạ, S 21 , S 12 là các hệ số truyền qua. Để khảo sát thuộc tính của chuyển mạch điện dung, ta quan tâm đến hai tham số là hệ số phản xạ tại cổng 1 S 11 và hệ số truyền qua tại cổng 2 S 21 , được tính như sau: S 11 = b 1 a 1 , S 21 = b 2 a 1 Như vậy, bằng cách đo S 11 và S 21 cho ta biết đáp ứng của thiết bị khi có dòng cao tần truyền qua. Hình 6: Hệ số phản xạ S 11 và hệ số truyền qua S 21 của chuyển mạch trong trạng thái đóng 3.2 Mô hình khảo sát Để khảo sát các đặc trưng của huyển mạch, ta sử dụng máy phân tích mạng HP8510C, tần số tín hiệu thay đổi từ 1-40 GHz, điện thế kích hoạt chuyển mạch thay đổi trạng thái là 9 15-20 V, được điều khiển bằng một xung điện thế tam giác có độ dốc 1 V/giây. Các S-Tham số được ghi lại trong cả trạng thái đóng và mở của chuyển mạch. Để đánh giá hiệu quả hoạt động của chuyển mạch, ta so sánh các S-Tham số của nó với các S-Tham số của mô hình mô phỏng một mạch RLC tương ứng, mô hình này cùng các công thức liên quan được đề xuất trong [?]. 3.3 Thuộc tính RF khi chuyển mạch trong trạng thái đóng Khi ở trạng thái đóng, chuyển mạch cho phép dòng cao tần đi qua, do vậy ta mong đợi hệ số truyền qua S 21 bằng 1 (hay 0 dB) và hệ số phản xạ S 11 rất nhỏ bằng 0. Thực tế khi khảo sát ta thu được kết quả như trong hình 6. Có thể thấy các đường thực nghiệm bám khá sát với đường mô phỏng, với tần số tín hiệu dưới 20 GHz thì hệ số truyền qua là gần bằng 0 dB. Hệ số phản xạ S 11 cũng cho thấy rất tốt, dưới 10 dB với tầm số tín hiệu dưới 30 GHz. 3.4 Thuộc tính RF khi chuyển mạch trong trạng thái mở Ngược lại, trong trạng thái mở, chuyển mạch không cho dòng đi qua, hệ số truyền qua S 21 rất nhỏ trong khi hệ số phản xạ S 11 rất lớn. Kết quả khảo sát S-Tham số cùng với kết quả mô phỏng được chỉ ra trong hình 7. Ta thấy S 11 hầu như bằng 0 dB với tần số lớn hơn 10 Ghz và bám sát với đường mô phỏng, trong khi S 21 còn có giá trị thấp hơn đường mô phỏng và thấp nhất tại 23 GHz tương ứng với tần số cộng hưởng f o (chênh lệch giữa S 11 và S 21 lúc này khoảng -38 dB) Hình 7: Hệ số phản xạ S 11 và hệ số truyền qua S 21 của chuyển mạch trong trạng thái mở 10 [...]... của chuyển mạch là độ phẳng của cầu 4 Kết luận Chuyển mạch RF MEMS điện dung mắc song song trình bày trong báo cáo này được xây dựng dựa trên công nghệ III-V sử dụng vật liệu TaN và Ta2 O5 tương ứng với đường kích hoạt và lớp cách điện Các đặc tính điện học cho thấy TaN và Ta2O5 là sự thay thế hiệu quả cho các vật liệu chuẩn sử dụng trước đây là NiCr và Si3 N4 Cấu tạo của chuyển mạch cho phép điện. .. mô phỏng sử dụng mô hình mạch tương đương Từ các kết quả đưa ra ở báo cáo này, ta có thể thấy được tiềm năng của việc sử dụng các vật liệu dựa trên Tantalum trong phát triển các chuyển mạch RF MEMS điện dung 11 Tài liệu [1] G Rebeiz, RF MEMS Theory, Design, and Technology NewYork: Wiley-Interscience, 2003 [2] V Ziegler, C Siegel, B Sch¨nlinner, U Prechtel, và H Schumacher, RF- MEMS switches o based on... tính ổn định của chuyển mạch, ta sử dụng một xung điện thế 15-20 V (duty cicle là 50% và chu kỳ 1 ms) Có thể thấy với sự thay đổi xung điện thế đưa vào, các tham số S không thay đổi đáng kể, tuy nhiên, độ cong hay phẳng của cầu lại ảnh hưởng khá lớn đến sự ổn định của chuyển mạch Mặc khác, hiện tượng ma sát lăn cũng xuất hiện khi điện thế ∼100 V Như vậy, khi điện thế điều khiển gần điện thế kích hoạt,... modeling of capacitive RF MEMS, ” IEEE Trans M icrow Theory Tech., vol 53, no 11, pp 3482–3488, Nov 2005 [4] W M van Spengen, R Puers, R Mertens, và I De Wolf, “The prediction of stiction failures in MEMS, ” IEEE Trans M icrow Theory Tech.,vol.3, no 4, pp 167–172, Dec 2003 [5] A Tazzoli, V Peretti, và G Meneghesso, “Electrostatic discharge and cycling effects on ohmic and capacitive RF- MEMS switches,” IEEE... Mardivirin, A Pothier, A Crunteanu, B Vialle, và P Blondy, “Charging in dielectricless capacitive RF- MEMS switches,” IEEE Trans Microw Theory Tech., vol 57, no 1, pp 231–236, Jan 2009 [7] C Goldsmith, J Ehmke, A Malczewski, B Pillars, S Eshelman, Z Yao, J Brank, và M Eberly, “Lifetime characterization of capacitive RF MEMS switches,” Proc I EEE MTT- S I nt M icrow S ymp Dig., Phoenix, AZ, 2001, pp 227–230 [8]... RF MEMS switches,” Proc I EEE MTT- S I nt M icrow S ymp Dig., Phoenix, AZ, 2001, pp 227–230 [8] A Persano, F Quaranta, và A Cola, “Transport and charging mechanisms in Ta2 O5 thin films for capacitive RF MEMS switches application,” J Appl Phys , vol 107, no 11, pp 114 502-1–114 502-6, Jun 2010 [9] G Bartolucci, R Marcelli, S Catoni, B Margesin, F Giacomozzi, V Mulloni, and P Farinelli, “An equivalent-circuit . tạo chuyển mạch RF MEMS điện dung sử dụng vật liệu Tantalum 2.1 Đặc trưng vật liệu TaN và Ta 2 O 5 Trong phần này, ta trình bày về cấu trúc của vật liệu dùng để chế tạo chuyển mạch điện dung. Chuyển mạch RF MEMS điện dung dùng vật liệu Tantalum . . . . . . . . . 3 2 Phương pháp chế tạo chuyển mạch RF MEMS điện dung sử dụng vật liệu Tantalum 4 2.1 Đặc trưng vật liệu TaN và Ta 2 O 5 3 1.1 Chuyển mạch RF MEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 Chuyển mạch RF MEMS điện dung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Chuyển mạch RF MEMS điện