《图一　改变人类生活的各种无线通讯技术》

如同Intel的Centrino无线网路平台广告中所表达的意象，无线通讯的无远弗届让人们有可能脱离办公室的束缚，重新拥抱自然；亦如Nokia 的手机广告，无线通讯的传输让在办公室人们感觉和大自然也只有几个按键的距离。终于人类又有机会回到过去效法蒙古人翱翔天际、万里长征的年代，我们称之为「新游牧民族时代」。因此近年来之无线通讯的发展，其实乃著重于行动通讯之发展；换句话说，无线通讯产品之方向，一定要走向更轻、更薄、更短、更小。

射频单晶片系统

目前行动通讯产品从短小轻薄的眼光来看，现况是如何呢？ (图二)是GSM手机电路之方块图[1​​]。其中红色代表外接离散之元件；蓝色代表砷化镓（GaAs）；黑色代表矽双极技术（Silicon Bipolar）；绿色代表互补式金氧半导体技术（Complimentary Metal Oxide Semiconductor；CMOS）。可见行动通讯乃是采用各种制程技术且有许多被动元件未被整合制作于晶片上。

《图二　GSM手机电路之方块图》

在此无线通讯系统中，简单来说，在接收方面，讯号先由天线接收，经切换开关（采GaAs制程）、频带选择滤波器（高Q材料）、切换开关（采GaAs制程）、低杂音放大器（采Silicon Bipolar制程）、镜像抑制滤波器（高Q材料）、射频混波器（采Silicon Bipolar制程）、中频放大器（采Silicon Bipolar制程）、中频混波器（采Silicon Bipolar制程） 、类比数位转换器（ADC，采CMOS制程）而输入到讯号处理电路（采CMOS制程）以转成所要之资讯。其中混波器尚需有来自本地振荡器（采Silicon Bipolar制程）的讯号。振荡器又受锁相回路控制（PLL，在射频采CMOS制程，在中频采Silicon Bipolr制程）。在发射方面，则是将经过数位讯号处理电路（采CMOS制程）处理过之讯号，先滤波（高Q材料），再由混波器（采Silicon Bipolar制程）升频后，滤波（高Q材料）而以功率放大器（GaAs制程）放大，经切换开关（采GaAs制程）、频带选择滤波器（高Q材料）及天线放射出去。

RF CMOS技术为热门制程技术

目前10 GHz以下之射频及中频积体电路仍以Silicon Bipolar技术为主。由于CMOS于低频及数位电路展现出极高性能与低廉价格，因此能整合高频Bipolar与低频CMOS于同一晶片之Bi-CM​​OS制程为极佳之选择。特别是矽锗（SiGe） Bipolar又比Silicon Bipolar性能更优越，故SiGe Bi-CM​​OS制程目前颇受注目，但其价格比纯CMOS高。 LNA/Mixer/VCO由Silicon Bipolar或SiGe Bipolar所实现。 Channel select PLL则由CMOS制程达成。GaAs制程虽然性能最佳，但价格高、良率低，且无法与CMOS制程整合，故目前只用于需耐电压高之功率放大器以及要求导通电阻低之切换开关。最近由于CMOS闸极长度越来越短，其操作频率越来越高，已可达10 GHz左右，因此「RF CMOS」突然间成为热门的研究题目，因为其可以较Bi-CM​​OS低之价格而整合射频、中频及基频积体电路。

由上之讨论可以得知，行动通讯电路之「版图」乃是GaAs、Silicon Bipolar（含SiGe Bipolar）、CMOS三种制程技术，呈现三雄鼎立、拥兵自重的局面。毫无疑问在基频方面，CMOS已建立其屹立不摇的稳固地盘，因此若要达成大一统而将所有射频及基频电路全部整合制作同一晶片上，如(图三)所示，只有CMOS制程较为可能。但以CMOS制程制作射频电路有二大障碍：一是其操作速度不够快，二是其被动元件损耗很大。在第一点障碍部分，近年来随着CMOS深次微米制程技术之进展，已逐步被排除，在文献中已有不少以CMOS制程制作的GSM 900 [3-4]、DCS 1800 [5] 、IEEE 802.11b 2.4GHz WLAN[6]及IEEE 802.11a 5.25GHz WLAN [7-8]等无线电路的报导。在市场上也已有Silicon Lab.之全CMOS GSM/DCS手机晶片组[9]及Atheros之全CMOS 802.11a WLAN晶片组 [10]。至于在第二个障碍部分，则可利用微机电（MEMS）技术来解决突破，在下一段会有更深入的讨论

《图三　整合所有射频及基频电路之单晶片》

射频微机电元件

在上一段的讨论中，我们可以确定CMOS制程是最具有资格成为射频单晶片系统的技术，然而我们也提到利用CMOS制程来制作射频单晶片（RF Single Chip）仍然会遇到一些与生俱来的障碍，而微机电技术正可补足CMOS电子电路不足的地方。以下我们简介几个目前比较可行的射频微机电元件。

切换器（Switch）

在无线通讯系统中，切换器都用在最前端，主要是作是作传送与收发讯号（Transmit/Receive）的切换。现在商业化的产品主要是采用固态电子制成的电路，其使用的元件又有场效电晶体（Field Effect Transistor）及PIN二极体（Diode）等二种型式，而以材料而言主要为矽底材及砷化镓（GaAs）二种。现在砷化镓的PIN二极体式微切换器由于插入损失（Insertion Loss）较低及切换速度快等特点，已逐渐成为主流，然而其成本较高、无法整合，因此成为微机电领域可以切入的一个目标，因为微机电式的切换器具有更低的Insertion Loss、隔绝性佳，且操作频率相宽广，已经有相当多的研究[11,12]在开发适合射频晶片使用的切换开关。

可变电容（Tunable Capacitor）

一般而言可变电容又称为Varactor，常用于可调式过滤器（tunable filter）及电压控制震荡器（Voltage Control Oscillator ；VCO）等。在CMOS制程上可以用PN接面形成的接面电容来当可变电容，其电容值会随着跨在PN两端的压降改变而改变，然而随着操作频率的上升，其Q值已变的相当的低，在5GHz时其Q值已和电感相当，如此一来便使得VCO的相位杂讯就变的更差。相对而言，以微机电技术制作之可变电容可以提供许多好处，如Q值的提升、较大的Tuning Range、较高的操作频率。但受限于制程，一般制作可变电容时以平行板电容为主。这种方式可变动的部份主要是平行板中间间距及二平行板的重覆面积区域。研究颢示电容可以从2.11pF变成2.46pF，可变比例为16％，Q值可达62。

电感（Inductor）

电感在RF IC中伴演着极重要的角色，它对于很多电路设计都非常的重要，例如、杂讯放大器（LNA）、VCO、filter等。可惜利用CMOS制程做出来的电感却成了CMOS RF IC最大的障碍，它低Q值的缺点，使LNA的杂讯过大、增益降低，​​另外也使VCO的相位杂讯无法降低。

首先，仔细分析电感的模型可以知道其Q值不高的原因主要有两个：

(1)来自金属的损耗，由于传统CMOS制程并没有提供一层高导电度的金属层，使得电感串联电阻不够低，直接影响了Q值，而且电阻值会因肌肤效应（skin effect） 随着频率的上升而增大。

(2)主要来自基板的损耗，由于矽基板本身具有导电性，使得电感产生很多来自基皮的杂散效应，另外也会有涡电流（Eddy current）的出现，而这些不良的效应都会随着频率的增加变得更严重。

目前可采用微机电技术针对第二个损耗作改善，其作法是先在布局时就在IC上留下所欲蚀刻的图样，然后根据矽晶格的蚀刻特性对基板作深蚀刻，我们采用TMAH（tetramethyl ammonium hydroxide；氢氧化四甲胺）作蚀刻液，乃因溶液对矽基板等向性蚀刻，因此最后利用侧向蚀刻把电感下方的Silicon 基板挖空，只剩电感悬浮在空气中，如此一来金属下面没有了导电层那么Eddy current 自然也没有了，另外金属和基板之间的电阻和电容也会少很多，此实验结果如(图四)所示[13]。不过这个方法只能让Q值在高频获得解决，如果想在2GHz以下的操作频率做改进，必须用另一个方式解决，那就是减低金属的损耗。要解决金属损耗而最快的方法就要利用微机电制程高深宽比的特性来实现厚膜金属的电感。

《图四　微机电式电感之Q值的改善》

事实上已有许多文献发表了利用微机电技术（制作于矽基板上）产生高Q值之电感[14]，而最成功的莫过于法国MEMSCAP所制造的电感，他们利用BCB（苯环丁烯）来垫高电感以减轻上述来自基板的损耗，再加上超过10μm的电铸铜做为电感材料以减轻来自金属的损耗，其Q值可高达80之世界纪录电感，如(图五)。

《图五　以微机电技术产生高Q值电感》

结论

全世界最大的半导体制造商Intel首席技术长（CTO）Patrick Gelsinger在IDF论坛中披露了几项拓展矽晶体应用范围的研究方向，即无线CMOS（CMOS-radio-based）感应器网路、MEMS和光子晶片。由此可见RF及MEMS已经成了无法抵挡的世界潮流。而我们更进一步把MEMS实际应用在RF IC上，并证明RF MEMS对于达到射频单晶片系统不只可行，而且更是势在必行。

（作者邱弘纬为台大电机所博士班研究生，吕学士为台大系统晶片中心研究教授）

参考资料:参考文献

[1]Hitachi internal report.

[2]J. C. Rudell, ..., and P. Gray, "Recent Development in High Integration Multi-Standard CMOS Transceivers for Personal Communication Systems," A talk given in NTUEE.

[3]J. Cros and M. S. J. Steyaert, "A Single-Chip 900 MHz CMOS Receiver Front-End with a High Performance Low-IF Topology," IEEE J. Solid-State Circuits, vol.30, pp.1483-1492, Dec. 1995.

[4] S. Tadjpour, E. Cijvat, E. Hegazi, and A. Abidi, "A 900MHz Dual Conversion Low-IF GSM Receiver in 0.35 um CMOS," Proc. ISSCC , pp. 292-293, 2001.

[5] M. S. J. Steyaert et al, "A 2-V CMOS Cellular Transceiver Front-End," IEEE J. Solid-State Circuits, vol.35, pp.1895-1907, Dec. 2000.

[6] F. Behbahani, .... and A. Abidi, "A 2.4 GHz Low-IF Receiver for Wideband WLAN in 0.6 um CMOS-Architecture and Front-End," IEEE J. Solid-State Circuits, vol.35, pp.1908-1916, Dec. 2000.

[7] H. Samavati, H. R. Rategh, and T. Lee "A 5-GHz CMOS wireless LAN receiver front end, " IEEE J. Solid-State Circuits, vol.35, pp.765-772, May 2000.

[8] T.P. Liu and E. Westerwick, "5 GHz CMOS Radio Transceiver Front-End Chipset," IEEE J. Solid-State Circuits, vol.35, pp.1927-1933, December 2000.

[9] Silicon lab data sheet.

[10]Atheros data sheet.

[11]H. W. Chiu and S.S. Lu, "Quality Factor Improvement of on-Chip Inductors for HIPERLAN RFIC by Micromachining", Asia-Pacific Microwave Conference, Taipei, vol. 2, pp. 859~862, Dec., 2001.

[12]MEMSCAP data sheet.

[13]H.W. Chiu, Shey-Shi Lu and C. M. Chiang, "Process Integration of active devices and micromachined passive components for the Evaluation of Micromachined Active Circuits", SNDT, 2002.