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過(guò)去數十年來(lái)，市場(chǎng)對MEMS器件的興趣主要集中在加速度計、陀螺儀、噴墨打印頭、麥克風(fēng)、投影顯示芯片、血壓和胎壓傳感器等，主要應用于直流或低頻應用。射頻MEMS（RF-MEMS）開(kāi)關(guān)的推出盡管已有幾十年歷史，但RF-MEMS開(kāi)關(guān)的市場(chǎng)滲透仍受到與封裝和環(huán)境密切相關(guān)的可靠性阻礙。

RF-MEMS開(kāi)關(guān)的主要應用包括交換網(wǎng)絡(luò )、移動(dòng)電話(huà)、汽車(chē)和消費電子產(chǎn)品等。例如，2014年~2019年，平板電腦和智能手機的全球互聯(lián)網(wǎng)流量保持約25%的年增長(cháng)率持續增長(cháng)。在這些器件中的輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò )，要求阻抗匹配必須由高性能、低功耗的開(kāi)關(guān)控制。

對于此類(lèi)應用，RF-MEMS并聯(lián)開(kāi)關(guān)是一種很有前景的選擇，它可以實(shí)現顯著(zhù)的電容變化，從而改變和控制總阻抗。RF-MEMS開(kāi)關(guān)的工藝集成必須具有良好的結構，因為它不僅決定了器件的最終性能，還決定了成本、良率和可靠性。目標集成器件的技術(shù)環(huán)境對其集成方案的影響很大。

由于RF-MEMS開(kāi)關(guān)對高壓和控制電路的高要求，需要全CMOS或雙極CMOS（BiCMOS）集成。這種單片集成在RF-MEMS開(kāi)關(guān)與高壓控制電子器件之間提供了最短的連接。單片集成可以通過(guò)在CMOS制造之前構建RF-MEMS開(kāi)關(guān)，通過(guò)將開(kāi)關(guān)嵌入可用的CMOS或BiCMOS工藝流程，或通過(guò)在完成BiCMOS工藝后添加額外的工藝步驟來(lái)實(shí)現。任何一種方法都有其自身的優(yōu)勢和局限性，每種技術(shù)都需要在特定RF-MEMS開(kāi)關(guān)的熱預算、CMOS兼容材料、設計規則和可用工藝集成方案的制造成本之間權衡。

封裝是MEMS器件面臨的主要挑戰之一。RF-MEMS開(kāi)關(guān)通常需要比其他類(lèi)型器件更復雜的封裝。如果沒(méi)有足夠的環(huán)境保護，RF-MEMS開(kāi)關(guān)的可靠性會(huì )受到嚴重限制。其機械可移動(dòng)部件以及對顆粒物的敏感性，使其封裝過(guò)程極具挑戰。此外，RF-MEMS開(kāi)關(guān)需要封裝腔體中的特定環(huán)境條件，以實(shí)現可靠穩定的運行壽命。

雖然已有許多不同的集成技術(shù)被開(kāi)發(fā)并用于封裝RF-MEMS開(kāi)關(guān)，但晶圓級封裝方法似乎仍是最有前途的方案之一，它為半導體代工廠(chǎng)提供了高性能、易集成以及更低的成本優(yōu)勢。在這種封裝工藝中，RF-MEMS器件上方或周?chē)男】子糜卺尫?，釋放后，這些小孔被封閉，RF-MEMS器件被密封完成封裝。

德國IHP萊布尼茨創(chuàng )新微電子研究所（IHP–Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik）的研究人員近期在IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology上發(fā)表了一篇研究成果。在這項研究中，研究人員通過(guò)晶圓級薄膜封裝（WLE），將用于毫米波（mmWave）應用的RF-MEMS開(kāi)關(guān)通過(guò)單片集成形式整合到130 nm BiCMOS技術(shù)的鋁基后道（BEOL）工藝之中。在晶圓級封裝之前，研究人員開(kāi)發(fā)并展示了用于MEMS器件釋放的濕法和蒸汽釋放技術(shù)。

最終的器件封裝實(shí)現為晶圓級封裝，具有采用Ti/TiN/AlCu/Ti/TiN層堆疊的3 μm厚金屬柵。采用高沉積速率（HDR）的二氧化硅沉積工藝對釋放孔完全封閉。最后，研究人員通過(guò)D波段的低頻C-V和高頻S參數測量，評估了封裝對RF-MEMS開(kāi)關(guān)性能的影響。

結果表明該器件的功能完整，性能無(wú)明顯下降。該封裝不需要額外的掩模，并且面向8英寸晶圓級工藝而開(kāi)發(fā)，因此，為RF-MEMS開(kāi)關(guān)的封裝提供了一種低成本、高通量的解決方案。

（a）130 nm BEOL剖面圖，（b）FIB-SEM圖像

標準BEOL工藝后未釋放的RF-MEMS開(kāi)關(guān)剖面示意圖，及其功能膜、RF信號線(xiàn)和HV電極

Pad打開(kāi)的RF-MEMS開(kāi)關(guān)示意圖，包括M4上的VES（垂直蝕刻阻擋層）和mLES（基于金屬的橫向蝕刻阻擋層）

初步封裝的RF-MEMS開(kāi)關(guān)

完成封裝的RF-MEMS開(kāi)關(guān)的SEM圖像