专利名称：一种快速射频微机械开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及射频微机电(RF MEMS)技术领域，更特别地，本发明涉及一种基于金属/介质层复合悬臂梁结构的快速射频微机械开关。
背景技术：
RF MEMS开关是指通过微加工工艺制成的微型机械化开关，靠机械位移实现对射频或微波信号传输线的开断控制，是RF MEMS的核心器件。与现有的半导体FET和PIN 二极管开关相比，RF MEMS开关具有插入损耗低、隔离度高、功耗小、互调失真低等优点，因此， 在军用和民用方面都有着广泛的应用前景。RF MEMS开关由机械部分和电学部分组成。常用的机械结构有悬臂梁、双端固支桥式、梳齿以及薄膜结构等，其中薄膜、桥式结构的尺寸相对较大，开关的速度受限，而梳齿结构的加工较为复杂，因此，从减小结构尺寸提高开关速度方面考虑，悬臂梁结构是最佳选择。开关可采用静电、静磁、压电或者热提供驱动，其中，由于静电驱动具有很多优点零直流功耗、小的电极尺寸、相对较短的开关时间等，所以是目前使用最普遍的驱动方式。最早的RF MEMS开关是Petersen于1979年研制的静电驱动的悬臂梁开关I，开关采用Cr/Au作为开关的结构层和上电极，电镀2 μ m Au形成开关的接触点，开关总长为83 μ m,开关时间为40 μ s，下拉电压约70V。上世纪90年代以来，MEMS开关获得了巨大发展。继Rockwell Scientific2和Texas Instruments3报道了串联接触式和电容式开关以来，全球有很多研究机构相继报道了不同性能的RF MEMS开关，其中比较成熟的开关，典型的有Radant MEMS公司研制的串联接触式开关，它的可动结构为电镀Au悬臂梁，厚度为7 9 μ m,开关时间仅为2 3 μ s,但是驱动电压比较高,约60 80V4。Motorola公司研制了介质悬臂梁开关，开关时间为2 4μ S，驱动电压为40 60V，但由于应力问题，开关容易发生翘曲，可靠性比较差5。目前，制约RF MEMS开关发展的主要问题仍然是开关速度不够快、驱动电压高、薄膜应力变形、可靠性差等方面，这些因素极大的影响了 RF MEMS开关实际商业化的应用。引用文献I K.Ε·Petersen, Micromechanical membrane switches on silicon, IBMJ. Res. Develop. 1979(4) :376-382R. E. Mihialovich, et al.，MEM relay for reconfigurable RF circuits.IEEE Microwave Wireless Components Letters，2001，11(2) :53-55.3C.L Goldsmith，et al. , Performance of low-loss RF MEMS capacitiveswitches, IEEE Microwave Guided Wave Lett. ,1998(8) :269-271.4S.Majumder，et al.，A Packaged，High-Lifetime Ohmic MEMS RF Switch,IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest,2003 :1935-1938.5Lei L. Mercado, et al. , Mechanics-Based Solutions to RF MEMS SwitchStiction Problem， IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies，2004(27) :560-567.
发明内容
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本发明的主要目的是要提出一种基于复合悬臂梁结构的快速射频微机械开关，以在保持较低驱动电压的情况下，实现μ s级的快速开关时间。
(二)技术方案为达到上述目的，本发明提出了一种快速射频微机械开关，包括复合悬臂梁I、驱动下电极4、射频传输线5和高阻硅衬底7，复合悬臂梁I是由上下两层介质层和中间的金属层构成的三明治结构，该快速射频微机械开关采用inline排布，复合悬臂梁I位于驱动下电极4的正上方，平行于射频传输线5 ;复合悬臂梁结构I中的金属层作为驱动上电极，在开关导通时复合悬臂梁I成为信号线的一部分；在复合悬臂梁I的自由端形成金属接触头2，在复合悬臂梁I两侧有一对支撑小臂10 ;三明治结构的复合悬臂梁I通过锚点3固定于射频传输线5上。上述方案中，所述复合悬臂梁I中的上下两层介质层选用高杨氏模量低密度的材料。所述高杨氏模量低密度的材料为氮化硅。上述方案中，所述复合悬臂梁I是该快速射频微机械开关的可动结构，在该可动结构中的金属层采用金Au。上述方案中，所述复合悬臂梁I上具有规则排列的小孔。上述方案中，所述复合悬臂梁I正对驱动下电极4的部分，其横向尺寸与驱动下电极4尺寸一致。上述方案中，所述复合悬臂梁I侧面制作有一对支撑小臂10，且所述支撑小臂10是由上下两层介质层和中间金属层构成的三明治结构，与复合悬臂梁I同时制作形成。所述支撑小臂10形状为直角折型、钝角折型或直角弓形，支撑小臂10与复合悬臂梁I的主梁连接处是在前端或中间驱动电极板处。上述方案中，所述射频传输线5固定在淀积有绝缘层6的高阻硅衬底7上，并且采用共面波导传输模式，地线分布在传输线两侧，通过双端固支梁11连接。所述射频传输线5采用厚金属层结构，该厚金属层结构为厚铜；所述绝缘层6是由热氧化500nm 二氧化硅和LPCVD 500nm氮化硅构成，所述高阻硅衬底7是电阻率为彡20000 Ω · cm的高阻硅衬底。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明的有益效果是I、本发明提供的基于复合悬臂梁结构的快速射频微机械开关，通过采用高杨氏摸量低密度的氮化硅材料制作复合悬臂梁结构，在保持较低驱动电压的情况下，能够实现μ s级的快速开关时间。2、本发明提供的基于复合悬臂梁结构的快速射频微机械开关，通过调节三明治结构上下介质层的生长条件改善了应力问题，提高了开关的可靠性。3、本发明提供的基于复合悬臂梁结构的快速射频微机械开关，具有体积小、速度快、可靠性高等优势，而且保持了相对较低的驱动电压，是能满足雷达、卫星通讯系统以及便携式射频装置等应用需求的理想RFMEMS开关。
图I为本发明提供的快速RF MEMS开关的剖面结构示意图；图2为本发明提供的快速RF MEMS开关的(不包含可动部分)上表面结构示意图；图3为本发明提供的快速RF MEMS开关下拉导通时的剖面结构示意图；图4为本发明提供的快速RF MEMS开关的上表面结构示意图；图5为本发明提供的快速RF MEMS开关的带侧面小臂的复合悬臂梁结构示意图。附图标记说明I.复合悬臂梁结构；2.突起金属接触头；3.锚点；4.下拉电极；5.射频传输线；6.绝缘层；7.高阻硅衬底；8.共面波导(CPW)地线；9.传输线上的接触点；10.复合悬臂梁侧面支撑小臂；11.连接地的双端固支梁。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。本发明提供了一种基于复合悬臂梁结构的快速射频微机械开关，通过采用高杨氏摸量、低密度的氮化硅材料和金Au组成三明治复合悬臂梁结构，以及侧面加小臂的方法，一方面解决了传统悬臂梁应力导致弯曲变形的问题，提高了可靠性，另一方面，在尽量保持较低驱动电压的情况下，减少了开关时间，提高了开关速度。如图I所示，图I为本发明提供的基于复合悬臂梁结构的快速射频微机械开关的剖面结构示意图，该射频微机械开关包括可动部分和不可动部分。其中可动部分是由上下两层PECVD氮化硅和中间金属层共同组成的三明治复合悬臂梁结构1，悬臂梁中间金属层也是开关驱动的上电极，前端金属突起是开关的接触头2，复合悬臂梁侧面有一对支撑小臂10 ;不可动部分包括下拉电极4、共面波导射频传输线5、绝缘层6以及高阻硅衬底7。复合悬臂梁I是由上下两层介质层(PECVD氮化硅)和中间的金属层构成的三明治结构，其中，下层氮化硅厚度为800nm，采用低频生长富硅SiN膜，一方面调节悬臂梁的刚度，一方面抗缓冲氢氟酸腐蚀；上层氮化硅厚度为400nm，采用不同条件生长，主要调节应力，使整个悬臂梁的应力平衡，提高开关的可靠性；金属层由光刻、电子束蒸发Cr/Au/Pt/Cr(20/250/20/20nm)和丙酮剥离形成，其中，Cr为粘附层，Pt为阻挡层。该快速射频微机械开关采用inline排布，复合悬臂梁I位于驱动下电极4的正上方，平行于射频传输线5 ;复合悬臂梁结构I中的金属层作为驱动上电极，在开关导通时复合悬臂梁I成为信号线的一部分。在复合悬臂梁I的自由端形成金属接触头2，在复合悬臂梁I两侧有一对支撑小臂10 ;锚点3将三明治结构的复合悬臂梁I固定于射频传输线5上。金属接触头2有平行的两个，主要成分是金Au。为了增加悬臂梁刚度、减小开关时间，复合悬臂梁I中的上下两层介质层选用高杨氏模量低密度的材料，如氮化娃。
为了实现较小的传输损耗，以及形成可靠的金属-金属接触，所述的复合悬臂梁可动结构中的金属层具有较好导电性能和较高耐磨性，如金Au。
为了减小复合悬臂梁的质量和空气阻尼，以实现快速开关，在所述的复合悬臂梁上设计了规则排列的小孔。为了实现较小的开关时间(μ s级)，同时保持较小的驱动电压，增大了所述复合悬臂梁正对驱动下电极的横向尺寸，复合悬臂梁I正对驱动下电极4的部分，其横向尺寸与驱动下电极4尺寸一致。为了减小应力引起的悬臂梁弯曲，提高悬臂梁的热稳定性，以及辅助调节复合悬臂梁刚度，复合悬臂梁I侧面制作有一对支撑小臂10，且所述支撑小臂10是由上下两层介质层和中间金属层构成的三明治结构，与复合悬臂梁I同时制作形成。支撑小臂10形状可调，如直角折型、钝角折型或直角弓形，支撑小臂10与复合悬臂梁I的主梁连接处是在前端或中间驱动电极板处。射频传输线5固定在淀积有绝缘层6的高阻硅衬底7上，并且采用共面波导传输模式，地线分布在传输线两侧，通过双端固支梁11连接。为了减小开关的传输损耗，所述射 频传输线5采用厚金属层结构，如厚铜；所述绝缘层6是由热氧化500nm 二氧化硅和LPCVD500nm氮化硅构成，所述高阻硅衬底7是电阻率为彡20000 Ω · cm，厚度为500μπι±25μπι的闻阻娃衬底。下拉电极4位于悬臂梁正下方,垂直于共面波导传输线5,米用光刻、电子束蒸发Cr/Cu/Au(50/1200/250nm)以及丙酮剥离制作形成。上述共面波导射频传输线5，与下拉电极4同时制作形成。如图2所示，图2为本发明提供的快速射频微机电开关的(不包含可动部分)上表面结构示意图，该射频微机电开关的射频传输线5采用共面波导(CPW)传输模式，地线8位于信号传输线5两侧，传输线两端断开，一端有接触点9,下拉电极线4垂直位于传输线两端之间。如图3所示，图3为本发明提供的快速射频微机械开关下拉导通时的剖面结构示意图，所述开关，当上电极和下电极4之间加载上合适的驱动电压后，复合悬臂梁可动结构I向下运动，直到接触头2碰到传输线前端的接触点9，这时信号传输线5导通，信号可以顺利通过。此时悬臂梁的中间金属结构层也成为了传输线的一部分，信号流经整个复合悬臂梁I。如图4所示，图4为本发明提供的快速射频微机械开关的上表面结构示意图，所述射频微机械开关的地线8被下拉电极线4隔开，在加工复合悬臂梁结构层I的同时，制作双端固支梁结构11连接两端的地线8。如图5所示，图5为本发明提供的快速RF MEMS开关的带侧面支撑小臂的复合悬臂梁结构示意图。所述支撑小臂10形状可调，可以是直角折型如图5(a)、钝角折型如图5(c)，以及直角弓形如图5(d);小臂与复合悬臂梁I连接处可以在前端如图5(a)和中间驱动电极板处如图5(b)。不同形状和连接位置的支撑小臂，对复合悬臂梁刚度和应力形变调节作用不同。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种快速射频微机械开关，包括复合悬臂梁(I)、驱动下电极(4)、射频传输线(5)和高阻硅衬底(7)，其特征在于， 复合悬臂梁(I)是由上下两层介质层和中间的金属层构成的三明治结构，该快速射频微机械开关采用inline排布，复合悬臂梁(I)位于驱动下电极(4)的正上方，平行于射频传输线(5);复合悬臂梁结构(I)中的金属层作为驱动上电极，在开关导通时复合悬臂梁(I)成为信号线的一部分； 在复合悬臂梁(I)的自由端形成金属接触头(2)，在复合悬臂梁(I)两侧有一对支撑小臂(10);三明治结构的复合悬臂梁(I)通过锚点(3)固定于射频传输线(5)上。
2.根据权利要求I所述的快速射频微机械开关，其特征在于，所述复合悬臂梁(I)中的上下两层介质层选用高杨氏模量低密度的材料。
3.根据权利要求2所述的快速射频微机械开关，其特征在于，所述高杨氏模量低密度的材料为氮化硅。
4.根据权利要求I所述的快速射频微机械开关，其特征在于，所述复合悬臂梁(I)是该快速射频微机械开关的可动结构，在该可动结构中的金属层采用金Au。
5.根据权利要求I所述的快速射频微机械开关，其特征在于，所述复合悬臂梁(I)上具有规则排列的小孔。
6.根据权利要求I所述的快速射频微机械开关，其特征在于，所述复合悬臂梁(I)正对驱动下电极(4)的部分，其横向尺寸与驱动下电极(4)尺寸一致。
7.根据权利要求I所述的快速射频微机械开关，其特征在于，所述复合悬臂梁(I)侧面制作有一对支撑小臂(10)，且所述支撑小臂(10)是由上下两层介质层和中间金属层构成的三明治结构，与复合悬臂梁(I)同时制作形成。
8.根据权利要求7所述的快速射频微机械开关，其特征在于，所述支撑小臂(10)形状为直角折型、钝角折型或直角弓形，支撑小臂(10)与复合悬臂梁(I)的主梁连接处是在前端或中间驱动电极板处。
9.根据权利要求I所述的快速射频微机械开关，其特征在于，所述射频传输线(5)固定在淀积有绝缘层(6)的高阻硅衬底(7)上，并且采用共面波导传输模式，地线分布在传输线两侧，通过双端固支梁(11)连接。
10.根据权利要求9所述的快速射频微机械开关，其特征在于， 所述射频传输线(5)采用厚金属层结构，该厚金属层结构为厚铜； 所述绝缘层(6)是由热氧化500nm 二氧化娃和LPCVD 500nm氮化娃构成,所述高阻娃衬底(7)是电阻率为≥20000 Ω · cm的高阻硅衬底。
全文摘要
本发明公开了一种快速射频微机械开关，包括复合悬臂梁、驱动下电极、射频传输线和高阻硅衬底，复合悬臂梁是由上下两层介质层和中间的金属层构成的三明治结构，该快速射频微机械开关采用inline排布，复合悬臂梁位于驱动下电极的正上方，平行于射频传输线；复合悬臂梁结构中的金属层作为驱动上电极，在开关导通时复合悬臂梁成为信号线的一部分；在复合悬臂梁的自由端形成金属接触头，在复合悬臂梁两侧有一对支撑小臂；三明治结构的复合悬臂梁通过锚点固定于射频传输线上。本发明在保持较低驱动电压的前提下实现了μs级的开关时间，通过调节三明治结构上下介质层的生长条件改善了应力问题，提高了开关的可靠性。
文档编号H01H59/00GK102623253SQ20121010518
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月11日 优先权日2012年4月11日
发明者朱银芳, 杨富华, 杨晋玲, 毛旭, 魏伟伟 申请人:中国科学院半导体研究所