减少mems器件中的空气阻尼的制作方法

专利名称：减少mems器件中的空气阻尼的制作方法
技术领域：
本发明涉及MEMS器件，涉及半导体器件，例如集成电路，并且涉及结合这种MEMS器件的设备，涉及在这些器件上提供通信服务的方法。
背景技术：
术语“MEMS”(微机电系统或结构或开关)可以包含各种不同的器件。MEM器件通常的装置包括带有相对第二电极设置的第一电极的独立梁。第一和第二电极通过空气间隙互相分开。第一电极可以在驱动电压提供的静电力的作用下朝向或远离第二电极移动(原理上可以使用其他力，例如感应力)。
一些通常的应用是用作麦克风或扩音器；(使用隔膜的具体类型)用作传感器，具体为空气压力传感器用作谐振器用作显示器的象素开关，或驱动光学开关的镜子用于RF应用，具体是作为开关或可变电容器。
商业上的重要应用之一是，用于与诸如电话、计算机的移动无线设备前端中的集成波段切换匹配的可变阻抗。
如下是两种通常的结构1.硅基板上的MEMS结构。在这种情况下，电极垂直于基板表面。该结构用于传感器应用和谐振器应用(不排除其他的应用)。
2.如同薄膜器件的MEMS结构。此时的梁实际上平行于基板。该类型的MEMS结构用于RF MEMS。对于梁至少存在两种结构双端固支梁(梁在两侧或多侧连接到基板表面，因此相对于基板的偏转发生在梁的中央)。这种类型的梁被称之为两端固定梁，并且是超静定的(statically indeterminate)。
单端固支梁(在这种情况下，相对于基板的偏转发生在梁的端部)。这种类型的梁被称之为悬臂梁，并且是静定的(staticallydeterminate)。
梁通常具有孔，为蚀刻梁和基板之间的牺牲层以产生空气间隙而准备。当打开或闭合梁时，这些孔还有助于通过允许空气流入和流出梁和基板之间空腔的方式减少空气阻尼。然而，存在将梁装配到基板上的制造技术，因此就不必如GB-A-2,353,410中所述需要用于蚀刻的孔了。也可以使用这种梁，其是项部电极和底部电极之间的中间层。
由US专利5,955,659中可知，在MEM压力传感器件的可移动隔膜装置中具有孔，以排出空腔中的流体。由US专利申请2003/0148550中可知，提供了可移动装置中带有孔的MEM器件，并且具有凹进基板内部的铜电极以减少粘着。WO 01/59504中示出了另一种解决粘着的方法，使用片状阀迫使流体(例如气体)通过基板中的孔进入接触区域。还可知的是，所具有的接触表面是粗糙或褶皱的，以减少粘着。

发明内容
本发明的目的是提供改进的器件。根据第一方面，本发明提供了微机电器件，含有基板、可相对于基板(例如，向着基板)移动的可移动装置，可移动装置和基板的相对表面的形状使得当其在闭合位置时，通过相对的表面限定一个或多个排气通道，配置使得相对表面之间的流体可以流过相对的表面，从而进入或离开位于相对表面之间的区域。流体可以是气体，例如空气和氮气。排气通道主要沿相对的表面平行延伸。优选的，通道结束于垂直的排气孔和表面的旁边。通过使用基板转移技术去除部分基板可以使排气通道延伸进入基板和沿着基板延伸。
由于在排气孔的位置上，表面不是彼此相对的，所以排气孔不允许流体/气体进入相对表面之间的区域。排气通道可以是底部电极设计的一部分。术语“通道”包括在横向(例如，平行于基板)上任意的二维延伸。
通道允许流体进入相对表面之间的区域是本发明重要的优点。
该通道能够使可移动装置移动的流体(例如气体)阻尼受控。通常，希望增加进入或离开相对表面之间区域的流量，以减少该阻尼，并且因此增加了器件打开和闭合的速度。由于当电极最为接近时，静电吸引是最大的，所以大多打开延迟与打开的初始阶段有关。通常，由于驱动电压是切断的，所以打开期间的静电力接近于0。由于空气移动的空间很小，所以这里的空气阻尼大。对于器件闭合是类似的，由于同样的原因，阻尼的减少在闭合的最后阶段是最为明显的。由于多数闭合延迟在此处发生，所以通道能够显著的增加闭合的速度。速度方面的好处可以换来其他优势，例如对于给定速度下减小驱动电压或弹性(spring rate)，或给定速度下使用更高操作压力或更高粘性的流体。对于通道的另一个应用是，在关闭时可以允许强制流体进入相对表面之间，帮助强迫其离开，从而增加打开速度或克服粘着。
作为附加特征，该器件含有用于驱动可移动装置的电极，并且通道中的一个和多个位于电极的表面上。电极通常是相对表面的最大部分，因此如果通道位于电极上可以更加有效的减少阻尼。
具体的，带有排气通道的MEMS器件可以通过包括机械层和中间层的可移动装置的方法实现。机械层提供了所需的机械稳定性。中间层中限定的电极可以朝向或背离基板移动，从而调整容量或，打开或闭合开关。该中间层中的电极通过垂直互连连接到机械层。该垂直互连可以加工成机械层中的一体部分。如果此时该电极是分段的，那么各个部分之间的空间可以有效的用于排气通道部分。
附加特征是可移动装置或基板含有孔，从而将流体从接触表面排放出去。这对于减少阻尼也有好处。
另一个附加特征是，设置通道使其从孔延伸到没有孔的区域。这可以使通道和孔的结合更加有效的工作。该通道可以设置成围绕每个孔的星形图案。
另一附加特征是，通道的横截面积在1μm2到500μm2之间。理想的通道横截面应近似于间隙的大小，例如从25μm2到50μm2。这可以实现有用的流动速率，而不会对设计的其他方面产生过大的影响。
另一个附加特征是，通过基板中的凹槽限定通道。相对于可移动装置上的凹槽，这更易于制造，并且能够避免削弱可移动装置的结构，或是使可移动结构更重。可移动装置中非穿透的凹槽是有利的。
另一个附加特征是，器件包含在压力低于环境气压的密闭外壳中。这也有助于减小阻尼。
另一个附加特征是，设置的弹性支撑提供了回复力以分离相对的表面，回复力是非线性的，在接近闭合位置时，提供较大的力。这是另一种能够增加开关速度的方法。
本发明的其他方面包括半导体器件，例如含有该器件的集成电路、含有该器件的移动手机和在该手机上提供通信服务的方法。所认可的是，改进设备的最终目的是改善付费的通信服务。服务的价值可以远远大于设备的销售价值，在某些情况下，可以免费提供设备，因此，所有的价值来自服务。
任意的附加特征可以彼此相互组合，并且可以和本发明的其他方面组合。对于本领域的技术人员，其他优点是显而易见的，尤其是同其他现有技术相比。在不脱离本发明权利要求范围的情况下，可以有众多的变化和修改。因此，应清楚理解的是，这里仅说明了本发明的形式，无意限制本发明的范围。现在，通过参考附加示意图的示例的方式，详细描述如何实施本发明。


通过参考图示了本发明优选实施例的附图，可以更好的理解本发明的特征，图中图1到图3示出了本发明实施例的横截面，图4示出了根据本发明另一实施例的含有孔的装置的示意图，图5和图6示出了根据本发明另一实施例的含有孔和星形图案通道的集成电路俯视图，以及图7示出了本发明另一实施例和低压外壳的示意图，该实施例含有戳以提供非线性弹簧力。
具体实施例方式
根据具体实施例并参考

本发明，但是本发明不限制于此，而是仅由所附权利要求限定。所描绘的图只是示意性的，不是限制性的。图中，为了说明的目的，有些装置的尺寸可以是放大的，不是按比例绘制的。在涉及单数名词时所使用的不定冠词或定冠词中，除非明确指出，还包括该名词的复数。
另外，说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三等用于区别相似的装置，不一定用于描述有序或时间顺序的次序。可以理解的是，在适当的条件下，所使用的术语是可以互换的，并且这里描述的本发明的实施例能够在此处描述或图示的顺序之外的其他顺序下操作。
此外，说明书和权利要求中的术语顶部、底部、上面、下面等是用于描述的目的，不一定是用于描述相对位置。可以理解的是，在适当的条件下，所使用的术语是可以互换的，并且这里描述的本发明的实施例能够在此处描述或图示的方向之外的其他方向下操作。
值得注意的是，权利要求中所使用的术语“包括”，不应认为是作为其后列出装置的限制，不排除其他的装置或步骤。因而，表述“一种器件，包括装置A和装置B”的范围不应限制为只包括组件A和组件B的器件。对于本发明，其意味着，该器件的相关组件是A和B。
术语“流体”包括气体和液体。
通过施加更高的驱动电压，可以增加静电开关的闭合速度。然而，由于静电力总是吸引力，因此，打开速度只由结构的弹性常数和空气阻尼决定。空气阻尼是限制RF-MEMS开关打开和闭合时间的主要因素。对于给定的开关电压和梁的硬度，周围空气压力的减少可以导致RF-MEMS开关打开和闭合时间巨大的减少。例如，压力从1巴减少到1毫巴可以使开关时间减少超过50倍。
对于MEMS开关(其中隔膜区域的尺寸通常远远大于间隙的距离)，主要的空气阻尼力是挤压膜的阻尼力，其通过如下给出Fsfd=bvz3---(1)]]>
其中v是速度，z是电极之间的距离。减少空气阻尼影响的一种方法是，使隔膜中具有孔以减少常数b。正如在G.Rebeiz，″RF-MEMS″，ISBN-0-471-20169-3.pp.62中所说明的，空气阻尼系数b源自于雷诺兹气体膜方程(Reynolds gas-film equation)，通过如下给出bb＝3.μA2/(π.g3)(2)其中μ是气体的粘性(其决定于气体的压力)，A是移动电极的面积，g是移动电极和固定电极之间的间隙。减少b的已知的方法是，以孔阵列的形式对移动电极进行打孔。这样，就减少了空气离开移动电极和固定电极之间的间隙所通过的距离。在公式(2)中，这等价于有效面积A的减少。
下面描述的实施例可以进一步减少有效面积A。通过在移动电极和固定电极之间产生共面的排气通道，减少空气阻尼。如图1所描述的，在MEMS制造期间，可以通过在底部电极中蚀刻凹槽并保形涂覆牺牲层，来限定通道。这里示出了基板10和形成于基板上的电极e1。这些可以构成例如用于开关的驱动电极或接触电极，用于可调电容器的电容电极。沿循惯例，通过在电极上、部件相对表面之间形成牺牲层，产生了宽度为t的间隙。间隙的上面是可移动电极e2。图2示出了去除牺牲层之后的器件。如图3中所示，当使用中将移动电极向下拉时，就产生了排气通道。在典型的示例中，通道的宽度为20μm，深度为5μm，但是较小的尺寸仍可以是有益的。根据流体的粘性、通道的长度，(决定于孔间的间距)以及其他因素来调整尺寸。图3中，距离t具体为3μm，排气通道具体为3×1μm2。
图4示出了另一实施例的侧视图。在这种情况下，其示出了MEMS开关，该开关包括2个电极e1和e2，被间隙分开，并在每侧通过弹簧k1形式的弹性支撑而悬停。这些可以带来结构上的好处。其具有抵抗静电力的回复力，其中在向电极施加较高的电压时，静电力迫使电极靠的更近(对于开关的应用，这相当于开关的闭合状态)。弹簧连接到支撑点20。对于器件根据其应用，例如，可移动装置可以连接镜子，连接电子开关触点，或连接电容器极板等。可移动装置上的电极e2具有很多孔，以允许在制造期间蚀刻间隙，并允许空气流动以减少空气阻尼。在底部电极e1中限定排气槽图案VC。排气通道的作用是对现有将移动电极打孔为排气孔阵列方法的补充。排气通道能够有助于流体通过电极中的孔从电极的侧面进入或离开。在基板上也可以存在孔。
图5中所示的为与图4中装置类似的器件的设计平面图。这里示出了含有很多孔的电极e2，以允许在制造期间蚀刻间隙，并允许空气流动以减少空气阻尼。示出了4个支撑点20，处于正方形的每一边。弹性支撑元件k1从每个支撑点伸展到正方形的可移动装置e2的每个角。例如，可以通过长度、厚度和材料类型来设置这些弹性支撑元件中每个的弹簧常数。在其他电极之下的底部电极e1是非常模糊的，其应是与项部电极非常相似的外形。在图的项部和底部有接触区域。
图6示出了用于图5中器件的基板和底部电极e1的平面图。可以看到排气通道的星形图案呈规则排列，为了能够很好的覆盖孔之间的区域，以“X”形和“+”形轮流示出排气通道。
图7示出了另一个实施例，其通过使用戳(stamp)结构形式的额外弹簧，能够进一步的增加开关的速度。打开速度单纯决定于结构的弹簧常数和空气阻尼。该戳结构可以如下相对常规设计加以改进其可以增加打开的速度，可以通过增加分离相对表面的弹簧力从而有助于避免粘着的方式，提高可靠性。
与包括被间隙g1分开的2个电极e1和e2，并且通过弹簧k1而悬浮的常规MEMS开关相比，图7中的开关包括含有电极e2的可移动装置，和被称作“戳(stamp)”的可独立移动的部件。该戳以弹簧k2形式的弹性连接到顶部(或底部)电极，并且通过间隙g2与基板分离。该戳突出到间隙的内部，从而间隙g2小于电极之间的间隙。戳下面的接触区域A不作为电极使用，因此器件的面积可能略有增加。
对VPI的影响通常支配拉入和释放相对表面的电极电压电平的方程是VPI2＝8k1g13/(27Aε0)和Vrel2＝2g1k1Aε0/Cdown.
首先讨论所提出的开关的拉入和释放电压与常规开关的拉入和释放电压之间的差异。如果g2大于g1/3，那么顶部隔膜的拉入电压VPI将不受影响，因此在VPI下，开关将闭合直到戳接触基板。此时，电极之间的间隙为g1-g2，开关的有效弹簧常数为k1+k2。从拉入方程可以看出，只要下列关系成立，那么带有戳的结构的拉入电压与不带戳的结构的拉入电压一样k1gI3＞(k1+k2(g1-g2k2/(k1+k2))3.
例如，如果g2＝g1/2且k2＝k1，那么拉入电压不增加。注意，即使VPI增加，VPI/Vrel的比仍受戳的有益影响。
对Vrel的影响戳使Vrel2以如下因子增加Vrel.stamp2Vrel.conventional2=1+k2k1(1-g2g1)---(3)]]>从而可以看出戳结构可以增加MEMS结构的可靠性。例如，如果g2＝0.6g1且k2＝9k1，那么由于戳的结果释放电压将增加90％，而保持拉入电压未受影响。
对速度的影响尽管戳将使开关在其闭合动作期间稍有减慢，但是由于戳的力只在开关几乎闭合时明显，而该区域的静电力非常大，可以容易地抵消弹簧力，所以该影响不会非常大。可以看到的是，闭合期间的开关速度在电极接近到一起时最大。
当打开时，由于空气阻尼力在该区域是最大的(见方程(1))，所以戳的打开力在开关动作的第一阶段是非常有用的。通过典型的开关消耗大约80％的打开时间而仅行进间隙最初的20％的事实，可以确认的是，在开关动作最初打开阶段，那些额外的力能够大幅减少开关时间。如果g2＝0.6g1且k2＝9k1，可以看到闭合状态时的弹簧力增加了4.6倍，这必将明显的增加开关的速度，开关时间可以减少2-3倍。
如图7中所示，通过弹性连接k2在两侧支撑戳S。为了定位戳S，可移动装置含有中部有孔的电极e2。基板上的电极e1也在中部存在间隙，用于戳的接触区域。其他的结构是可能的。该器件可以随意封装在外壳30中，以使周围流体的压力降低，或是使该器件为液体或除了空气的气体所包围。在电极中可以存在孔。各种用于减少阻尼的措施相互补偿。如果希望为了使流体注入接触区域以帮助分离表面，通道可以相反的使用。
根据本发明和上面所述的MEM器件可以结合在半导体器件中，例如，包括含有L、C、R和/或二极管等的无源元件(例如无源芯片)以及含有有源元件的集成电路。
根据本发明和上面所述的MEM器件可以结合在移动设备中，例如无线电话手机，或无线移动计算设备。尽管针对装置可垂直于基板移动进行了描述，但是原则上可以平行移动或含有平行的部件。如前面所述，微机电MEM器件含有基板(10)，能够向基板移动的可移动装置，可移动装置和基板的相对表面的形状使得当其在闭合位置时，通过相对的表面限定一个或多个排气通道VC，配置使得相对表面之间的流体可以流过相对的表面，从而进入或离开位于相对表面之间的区域。该通道可以使可移动装置的移动流体阻尼受控。增加进入或离开相对表面之间区域的流量，可以减少该阻尼，并且因此增加了器件打开和闭合的速度。该通道可以与电极的孔相连。
可以理解的是，尽管根据本发明，在此为器件讨论的是优选的实施例、具体的结构和配置以及材料，但是在不偏离本发明范围和精神的情况下，可以存在形式和细节上的不同变化或修改。
总之，本发明提供了一种微机电器件，含有基板10，能够在电极静电力的作用下向基板移动的可移动装置，可移动装置和基板的相对表面的形状使得当其在闭合位置时，通过相对的表面限定一个或多个排气通道VC，配置使得相对表面之间的流体可以流过相对的表面，从而进入或离开位于相对表面之间的区域。该通道可以使可移动装置的移动流体阻尼受控。增加进入或离开相对表面之间区域的流量，可以减少该阻尼，并且因此增加了器件打开和闭合的速度。该通道可以与电极的孔相连。
权利要求
1.一种微机电器件，含有基板(10)、可相对于基板移动的可移动装置(e2)，可移动装置和基板的相对表面的形状使得当它们在闭合位置时，通过相对的表面限定一个或多个排气通道(VC)，其被配置为使得相对表面之间的流体可以流过相对的表面，从而进入或离开位于相对表面之间的区域。
2.根据权利要求1所述的器件，含有用于驱动可移动装置的电极，且通道中的一个或多个位于所述电极的表面。
3.根据权利要求1所述的器件，可移动装置或基板含有一个或多个孔，以从接触表面排出流体。
4.根据权利要求3所述的器件，设置通道以从所述孔延伸到没有孔的区域。
5.根据权利要求4所述的器件，设置通道中的三个或多个通道，以使其从每个孔呈星形图案向外放射。
6.根据权利要求1所述的器件，通道横截面积在1μm2到500μm2之间，优选的是25到50μm2。
7.根据权利要求1所述的器件，通过基板上的凹槽限定通道。
8.根据权利要求1所述的器件，其包含在压力低于环境气压的密闭外壳中。
9.根据权利要求1所述的器件，含有弹性支撑以为分离相对的表面而提供回复力，回复力是非线性的，在接近闭合位置时，提供较大的力。
10.一种半导体器件，含有权利要求1所述的器件。
11.一种无线通信设备，含有如权利要求10中所述的半导体。
12.一种方法，在权利要求11中的通信设备上提供通信服务。
全文摘要
一种微机电器件，含有基板(10)、可移动装置，可移动装置能够在电极静电力的作用下向基板移动，可移动装置和基板的相对表面的形状使得当其在闭合位置时，通过相对的表面限定一个或多个排气通道(VC)，配置使得相对表面之间的流体可以流过相对的表面，从而进入或离开位于相对表面之间的区域。该通道可以使可移动装置的移动流体阻尼受控。增加进入或离开相对表面之间区域的流量，可以减少该阻尼，并且因此增加了器件打开和闭合的速度。该通道可以与电极的孔相连。
文档编号H01H59/00GK101049045SQ200580036791
公开日2007年10月3日 申请日期2005年10月24日 优先权日2004年10月27日
发明者彼得·G·斯蒂尼肯, 约瑟夫·托马斯·马蒂纳斯·范贝克, 特奥·里克斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司