专利名称：Mems硅桥膜结构继电器及其制备方法
技术领域：
本发明属于基于MEMS技术的制造范畴，特别涉及MEMS桥膜结构继电器及其制备方法。
背景技术：
米用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及领域中有着十分广阔的应用前景。桥膜结构在继电器、开关、传感器等MEMS器件中应用广泛，如何方便地形成高质量的桥膜结构具有较大的研究价值。传统的桥膜结构形成采取牺牲层释放工艺，即在底层结构完成之后覆盖牺牲层材 料，待完成顶部结构的加工后，采用一定手段去除牺牲层，形成空间结构。常用于牺牲层释放工艺的材料有聚酰亚胺、SU-8胶、SiO2等。然而，该方法容易造成牺牲层释放不彻底，在器件结构上附着有残余的牺牲层材料，此外，在牺牲层上加工顶部结构也会引起残余应力，释放得到的顶层结构可能产生较大的初始变形，这些都会对器件性能产生较大影响。
发明内容
针对传统桥膜结形成方法中牺牲层释放不彻底而影响器件性能的问题提出本发明。本发明的主要目的在于提供一种MEMS硅桥膜结构的形成方法，以获得较高质量的桥膜结构，从而提高MEMS继电器的性能。本发明的MEMS桥膜结构继电器制备方法之一，其特征在于采用SOI硅片玻璃键合结构，以Si作为上接触电极，依次按以下步骤制成一个MEMS桥膜结构静电驱动继电器步骤(I)、选取玻璃片清洗，再甩干；步骤(2)、第一次光刻，干法刻蚀或湿法腐蚀步骤⑴所述的玻璃片，形成“山”字型一级台阶；步骤(3)、第二次光刻，干法刻蚀或湿法腐蚀步骤(2)所述具有“山”字形一级台阶的玻璃片，形成中间低、两侧高的“山”字形二级台阶；步骤(4)、在步骤(3)所述的“山”字形两级台阶的玻璃片处，在中间台阶以及两侧凹槽处进行第三次光刻，溅射Ti/Au种子层，进行电镀Au，在所述中间台阶处形成Au接触极板，在所述两侧凹槽处形成Au下电极，最后，去除两侧台阶上的光刻胶以及Ti/Au层；步骤(5)、选取一片SOI硅片，使用清洗液去除所述SOI硅片表面有机物及杂质，在所述SOI硅片的顶层硅膜进行P离子注入以降低电阻，剂量5el5，能量SOkeV ；步骤(6)、对步骤(5)得到的SOI硅片，进行第四次光刻，干法刻蚀或者湿法腐蚀步骤(5)的得到的SOI片的硅膜层和SiO2绝缘层，形成所述MEMS桥膜结构静电驱动继电器的顶层梁结构，再去除所述顶层梁结构的光刻胶；步骤(7)、把步骤(6)得到的SOI硅片和步骤(4)得到的玻璃片进行阳极键合，用化学机械抛光CMP法把原SOI片衬底硅减薄，再用KOH湿法腐蚀对SOI硅片腐蚀至SiO2层，形成桥膜结构。本发明的MEMS桥膜结构继电器制备方法之二，其特征在于制备方法一所述的玻璃片用硅片代替步骤(I)、选取硅片，使用清洗液去除硅片表面有机物及杂质，再甩干；步骤(2)、第一次光刻，干法刻蚀或湿法腐蚀步骤⑴所述的硅片，形成“山”字型一级台阶；步骤(3)、第二次光刻，干法刻蚀或湿 法腐蚀步骤(2)所述具有“山”字形一级台阶的硅片，形成中间低、两侧高的“山”字形二级台阶；步骤(4)、在步骤(3)所述的“山”字形两级台阶的硅片处，在中间台阶以及两侧凹槽处进行第三次光刻，溅射Ti/Au种子层，进行电镀Au，在所述中间台阶处形成Au接触极板，在所述两侧凹槽处形成Au下电极，最后，去除两侧台阶上的光刻胶以及Ti/Au层；步骤(5)、选取一片SOI硅片，使用清洗液所述SOI硅片表面有机物及杂质，在所述SOI硅片的顶层硅膜进行P离子注入以降低电阻，剂量5el5，能量SOkeV ；步骤(6)、对步骤(5)得到的SOI硅片，进行第四次光刻，干法刻蚀或者湿法腐蚀步骤(5)的得到的SOI片的硅膜层和SiO2绝缘层，形成所述MEMS桥膜结构静电驱动继电器的顶层梁结构，再去除所述顶层梁结构的光刻胶；步骤(7)、把步骤(6)得到的SOI硅片和步骤⑷得到的硅片进行直接键合，用化学机械抛光CMP法把原SOI片衬底硅减薄，再用KOH湿法腐蚀对SOI硅片腐蚀至SiO2层，形成桥膜结构。本发明的MEMS桥膜结构继电器制备方法之三，其特征在于采用SOI硅片一玻璃键合结构，以金属作为上接触电极，依次按以下步骤制成一个MEMS桥膜结构静电驱动继电器步骤⑴、选取玻璃片清洗，再甩干；步骤(2)、第一次光刻，干法刻蚀或湿法腐蚀步骤(I)所述的玻璃片，形成“山”字型一级台阶；步骤(3)、第二次光刻，干法刻蚀或湿法腐蚀步骤⑵所述具有“山”字形一级台阶的玻璃片，形成中间低、两侧高的“山”字形二级台阶；步骤⑷、在步骤(3)所述的“山”字形两级台阶的玻璃片处，在中间台阶以及两侧凹槽处进行第三次光刻，溅射Ti/Au种子层，进行电镀Au，在所述中间台阶处形成Au接触极板，在所述两侧凹槽处形成Au下电极，最后，去除两侧台阶上的光刻胶以及Ti/Au层；步骤(5)、选取一片SOI硅片，使用清洗液所述SOI硅片表面有机物及杂质，在所述SOI硅片的顶层硅膜进行P离子注入以降低电阻，剂量5el5，能量SOkeV ；步骤￠)、对步骤(5)得到的SOI硅片，进行第四次光刻，干法刻蚀或者湿法腐蚀步骤(5)的得到的SOI片的硅膜层和SiO2绝缘层，形成所述MEMS桥膜结构静电驱动继电器的顶层梁结构，再去除所述顶层梁结构的光刻胶；步骤(7)、对步骤(6)得到的SOI硅片进行热氧化，SiO2氧化层的厚度为2000.\;步骤⑶、对步骤(7)得到的SOI硅片进行第五次光刻，溅射Cr/Au层，剥离之后形成上方接触电极，用HF缓冲溶液漂SiO2层露出键合表面；步骤(9)、对步骤⑶得到的SOI硅片和步骤⑷得到的玻璃片进行阳极键合，先用化学机械抛光CMP法把SOI片衬底硅减薄，再用KOH施法腐蚀对余下的腐蚀至SiO2层停止，形成最终结构。本发明的MEMS桥膜结构继电器制备方法之四，其特征在于制备方法三所述的玻璃片用硅片代替步骤(I)、选取硅片，使用清洗液去除表面有机物及杂质，再甩干；步骤(2)、第一次光刻，干法刻蚀或湿法腐蚀步骤⑴所述的硅片，形成“山”字型一级台阶；步骤(3)、第二次光刻，干法刻蚀或湿法腐蚀步骤(2)所述具有“山”字形一级台阶的硅片，形成中间低、两侧高的“山”字形二级台阶；
步骤(4)、在步骤(3)所述的“山”字形两级台阶的硅片处，在中间台阶以及两侧凹槽处进行第三次光刻，溅射Ti/Au种子层，进行电镀Au，在所述中间台阶处形成Au接触极板，在所述两侧凹槽处形成Au下电极，最后，去除两侧台阶上的光刻胶以及Ti/Au层；步骤(5)、选取一片SOI硅片，使用清洗液所述SOI硅片表面有机物及杂质，在所述SOI硅片的顶层硅膜进行P离子注入以降低电阻，剂量5el5，能量SOkeV ；步骤￠)、对步骤(5)得到的SOI硅片，进行第四次光刻，干法刻蚀或者湿法腐蚀步骤(5)的得到的SOI片的硅膜层和SiO2绝缘层，形成所述MEMS桥膜结构静电驱动继电器的顶层梁结构，再去除所述顶层梁结构的光刻胶；步骤(7)、对步骤(6)得到的SOI硅片进行热氧化，SiO2氧化层的厚度为2000Λ:步骤⑶、对步骤(7)得到的SOI硅片进行第五次光刻，溅射Cr/Au层，剥离之后形成上方接触电极，用HF缓冲溶液漂SiO2层露出键合表面；步骤(9)、对步骤⑶得到的SOI硅片和步骤⑷得到的硅片进行直接键合，先用化学机械抛光CMP法把SOI片衬底硅减薄，再用KOH施法腐蚀对余下的腐蚀至SiO2层停止，形成最终结构。基于本发明的MEMS桥膜结构继电器具有以下优点(I)、SOI——玻璃键合手段形成的桥膜结构避免了牺牲层的使用，结构表面洁净，残余应力小；(2)、桥膜结构中桥膜厚度由SOI硅片顶层硅的厚度直接决定，与传统的表面牺牲层溅射、电镀工艺相比，便于控制。(3)、Au-Si接触继电器结构简单，易于加工，Si顶层结构同时有吸合和导通作用；(4)、Au-Au接触继电器金属作为上方触点起导通作用，与起吸合作用的顶层Si由SiO2绝缘层隔离。
图1为玻璃基片不意图；图2为玻璃片第一次光示意图；图3为玻璃片一级台阶成形示意4为玻璃片第二次光刻示意图；图5为玻璃片二级台阶形成示意图；图6为玻璃片下电极、接触电极形成示意图；图7为玻璃片最终结构图8为SOI备片不意图9为继电器SOI片旋涂光刻胶示意图；图10为Au-Si接触继电器SOI片硅膜层图形化示意图；图11为Au-Si接触继电器SOI片上层结构示意图(倒置)；图12为Au-Si接触继电器硅一玻璃阳极键合示意图；图13为Au-Si接触继电器SOI片CMP减薄示意图；图14为Au-Si接触MEMS继电器最终结构示意图；图15为Au-Si接触MEMS继电器三维效果图；图16为Au-Au接触继电器SOI片硅膜层图形化示意·
图17为Au-Au接触继电器SOI片上层结构示意图；图18为Au-Au接触继电器SOI片覆盖氧化层示意图；图19为Au-Au接触继电器上层电极形成示意图；图20为Au-Au接触继电器S1-Si直接键合键合示意图；图21为Au-Au接触继电器SOI片CMP减薄示意图；图22为Au-Au接触MEMS继电器最终结构示意图；图23为Au-Au接触MEMS继电器三维效果图。标志说明图15Au_Si接触继电器1 :锚区；2 :右侧弯折梁；3 :阻尼孔；4 :左侧弯折梁；5 :玻璃；6 :左侧下方极板；7 :下方接触电极；8 :右侧下方极板；9 :上方活动极板；图23Au_Au接触继电器10 =SiO2绝缘层；11 :上方接触电极。
具体实施例方式本发明涉及的静电驱动MEMS继电器结构使用SO1-玻璃片阳极键合手段形成，通过对SOI片硅膜部分光刻一刻蚀得到不同的梁结构，工艺流程如下实施例一一种Au-Si接触MEMS桥膜静电驱动继电器的具体实施步骤(I)玻璃片备片与清洗，清洗步骤先用去离子水冲洗，再使用清洗液(清洗液配方按体积比混合NH4OH: H2O2: H2O=1:2:5),温度75至85°C浸泡20分钟，再使用甲醇超声清洗，后用去离子水冲洗，旋转甩干或N2气吹干，如图1所示；(2)第一次光刻，干法刻蚀或湿法腐蚀玻璃片1. 5i!m，呈“山”字型，形成一级台阶(缓冲氧化硅腐蚀液BOE =Buffer Oxide Etcher,体积比NH4F :HF=6:1，腐蚀速率1(:)00 A /min)，如图2、图3所示；(3)第二次光刻，干法刻蚀或湿法腐蚀玻璃片2 ym，形成二级台阶，方法同步骤
(2)，如图4、图5所示；(4)继续使用第二次光刻的掩膜，溅射Ti/Au种子层，厚度分别为500A/2000 A,剥离，电镀Au，厚度I ym，形成下电极结构，Au电镀液配方14g/l的KAu(CN)2，40g/l的K2HPO4,10g/l的KH2PO40电解液的pH值5. 8至6. 5，温度范围60。。至75°C，如图6、图7所示；(5)选择SOI硅片，硅膜厚度2 iim，SiO2绝缘层厚度1000A左右，使用清洗液(清洗液配方按体积比混合H2SO4 =H2O2=IO 1)去除硅片表面有机物及杂质，如图8所示，对SOI片顶层硅进行离子注入，降低电阻；(6)第四次光刻，涂胶后如图9所示，干法刻蚀或者湿法腐蚀SOI片的硅膜层和SiO2层，形成继电器的顶层梁结构如图10，去胶后如图11所示；(7) SOI硅片与玻璃片进行阳极键合，如图12所示，先用CMP (化学机械抛光)将厚Si层减薄至30 μ m左右，如图13所示，然后使用KOH湿法腐蚀对SOI腐蚀至SiO2层，形成最终结构，如图14所示,立体效果图如图15所示；实施例二 一种Au-Au接触的MEMS桥膜静电驱动继电器的具体实施步骤(I)玻璃片备片与清洗，清洗步骤先用去离子水冲洗，再使用清洗液(清洗液配方按体积比混合NH4OH: H2O2: H2O=1:2:5),温度75至85°C浸泡20分钟，再使用甲醇超声清 洗，后用去离子水冲洗，旋转甩干或N2气吹干，如图1所示；(2)第一次光刻，干法刻蚀或湿法腐蚀玻璃片1. 5μπι，呈“山”字型，形成一级台阶(缓冲氧化硅腐蚀液BOE =Buffer Oxide Etcher,体积比NH4F :册=6:1，腐蚀速率1000 A /min)，如图2、图3所示；(3)第二次光刻，干法刻蚀或湿法腐蚀玻璃片2 μ m，形成二级台阶，方法同步骤
(2)，如图4、图5所示；(4)继续使用第二次光刻的掩膜，溅射Ti/Au种子层，厚度分别为500A/2000 A,剥离，电镀Au，厚度I μ m，形成下电极结构，Au电镀液配方14g/l的KAu (CN)2，40g/1的K2HPO4,10g/l的KH2PO40电解液的pH值5. 8至6. 5，温度范围60。。至75°C，如图6、图7所示；(5)选择SOI硅片，硅膜厚度2 μ m, SiO2绝缘层厚度IOOOA左右，使用清洗液(清洗液配方按体积比混合H2SO4 =H2O2=IO 1)去除硅片表面有机物及杂质，如图8所示，对SOI片顶层硅进行离子注入，降低电阻；；(6)第四次光刻，涂胶后如图9所示，干法刻蚀或者湿法腐蚀SOI片的硅膜层和SiO2层，形成继电器的顶层梁结构如图16所示，去胶后如图17所示；(7)热氧化，氧化层厚度为2000A，如图18所示；(8)第五次光刻，溅射Cr/Au厚度分别为300A和1500A,剥离之后形成上方电极结构，用缓冲HF溶液漂SiO2层，露出键合表面，如图19所示；(9) SOI硅片与玻璃片进行阳极键合，如图20所示，先用CMP (化学机械抛光)将厚Si层减薄至30 μ m左右，如图21所示，然后使用KOH湿法腐蚀对SOI腐蚀至SiO2层，形成最终结构，如图22所示,立体效果图如图23所示。
权利要求
1.MEMS硅桥膜结构静电驱动继电器的制备方法，特征在于采用SOI硅片一玻璃键合结构，以Si作为上接触电极，依次按以下步骤制成一个MEMS桥膜结构静电驱动继电器 步骤(I)、选取玻璃片清洗，再甩干； 步骤(2)、第一次光刻，干法刻蚀或湿法腐蚀步骤(I)所述的玻璃片，形成“山”字型一级台阶； 步骤(3)、第二次光刻，干法刻蚀或湿法腐蚀步骤⑵所述具有“山”字形一级台阶的玻璃片，形成中间低、两侧高的“山”字形二级台阶； 步骤(4)、在步骤(3)所述的“山”字形两级台阶的玻璃片处，在中间台阶以及两侧凹槽处进行第三次光刻，溅射Ti/Au种子层，进行电镀Au，在所述中间台阶处形成Au接触极板，在所述两侧凹槽处形成Au下电极，最后，去除两侧台阶上的光刻胶以及Ti/Au层； 步骤(5)、选取一片SOI硅片，使用清洗液去除所述SOI硅片表面有机物及杂质，在所述SOI硅片的顶层硅膜进行P离子注入以降低电阻，剂量5el5，能量SOkeV ； 步骤￠)、对步骤(5)得到的SOI硅片，进行第四次光刻，干法刻蚀或者湿法腐蚀步骤(5)的得到的SOI片的硅膜层和SiO2绝缘层，形成所述MEMS桥膜结构静电驱动继电器的顶层梁结构，再去除所述顶层梁结构的光刻胶； 步骤(7)、把步骤(6)得到的SOI硅片和步骤(4)得到的玻璃片进行阳极键合，用化学机械抛光CMP法把原SOI片衬底硅减薄，再用KOH湿法腐蚀对SOI硅片腐蚀至SiO2层，形成桥膜结构。
2.根据权利要求1所述的MEMS桥膜结构静电驱动继电器的制备方法，其特征在于，所述的玻璃片用硅片代替 步骤(I)、选取硅片，使用清洗液去除硅片表面有机物及杂质，再甩干； 步骤(2)、第一次光刻，干法刻蚀或湿法腐蚀步骤(I)所述的硅片，形成“山”字型一级台阶； 步骤(3)、第二次光刻，干法刻蚀或湿法腐蚀步骤⑵所述具有“山”字形一级台阶的硅片，形成中间低、两侧高的“山”字形二级台阶； 步骤(4)、在步骤(3)所述的“山”字形两级台阶的硅片处，在中间台阶以及两侧凹槽处进行第三次光刻，溅射Ti/Au种子层，进行电镀Au，在所述中间台阶处形成Au接触极板，在所述两侧凹槽处形成Au下电极，最后，去除两侧台阶上的光刻胶以及Ti/Au层； 步骤(5)、选取一片SOI硅片，使用清洗液所述SOI硅片表面有机物及杂质，在所述SOI硅片的顶层硅膜进行P离子注入以降低电阻，剂量5el5，能量SOkeV ； 步骤￠)、对步骤(5)得到的SOI硅片，进行第四次光刻，干法刻蚀或者湿法腐蚀步骤(5)的得到的SOI片的硅膜层和SiO2绝缘层，形成所述MEMS桥膜结构静电驱动继电器的顶层梁结构，再去除所述顶层梁结构的光刻胶； 步骤(7)、把步骤(6)得到的SOI硅片和步骤⑷得到的硅片进行直接键合，用化学机械抛光CMP法把原SOI片衬底硅减薄，再用KOH湿法腐蚀对SOI硅片腐蚀至SiO2层，形成桥膜结构。
3.MEMS硅桥膜结构静电驱动继电器的制备方法，特征在于采用SOI硅片一玻璃键合结构，以金属作为上接触电极，依次按以下步骤制成一个MEMS桥膜结构静电驱动继电器 步骤(I)、选取玻璃片清洗，再甩干；步骤(2)、第一次光刻，干法刻蚀或湿法腐蚀步骤(I)所述的玻璃片，形成“山”字型一级台阶； 步骤(3)、第二次光刻，干法刻蚀或湿法腐蚀步骤⑵所述具有“山”字形一级台阶的玻璃片，形成中间低、两侧高的“山”字形二级台阶； 步骤(4)、在步骤(3)所述的“山”字形两级台阶的玻璃片处，在中间台阶以及两侧凹槽处进行第三次光刻，溅射Ti/Au种子层，进行电镀Au，在所述中间台阶处形成Au接触极板，在所述两侧凹槽处形成Au下电极，最后，去除两侧台阶上的光刻胶以及Ti/Au层； 步骤(5)、选取一片SOI硅片，使用清洗液所述SOI硅片表面有机物及杂质，在所述SOI硅片的顶层硅膜进行P离子注入以降低电阻，剂量5el5，能量SOkeV ； 步骤￠)、对步骤(5)得到的SOI硅片，进行第四次光刻，干法刻蚀或者湿法腐蚀步骤(5)的得到的SOI片的硅膜层和SiO2绝缘层，形成所述MEMS桥膜结构静电驱动继电器的顶层梁结构，再去除所述顶层梁结构的光刻胶； 步骤(7)、对步骤(6)得到的SOI硅片进行热氧化，SiO2氧化层的厚度为2000A: 步骤(8)、对步骤(7)得到的SOI硅片进行第五次光刻，溅射Cr/Au层，剥离之后形成上方接触电极，用HF缓冲溶液漂SiO2层露出键合表面； 步骤(9)、对步骤(8)得到的SOI硅片和步骤(4)得到的玻璃片进行阳极键合，先用化学机械抛光CMP法把SOI片衬底硅减薄，再用KOH施法腐蚀对余下的腐蚀至SiO2层停止，形成最终结构。
4.根据权利要求3所述的MEMS硅桥膜结构静电驱动继电器的制备方法，特征在于所述的玻璃片用硅片代替 步骤(I)、选取硅片，使用清洗液去除表面有机物及杂质，再甩干； 步骤(2)、第一次光刻，干法刻蚀或湿法腐蚀步骤(I)所述的硅片，形成“山”字型一级台阶； 步骤(3)、第二次光刻，干法刻蚀或湿法腐蚀步骤⑵所述具有“山”字形一级台阶的硅片，形成中间低、两侧高的“山”字形二级台阶； 步骤(4)、在步骤(3)所述的“山”字形两级台阶的硅片处，在中间台阶以及两侧凹槽处进行第三次光刻，溅射Ti/Au种子层，进行电镀Au，在所述中间台阶处形成Au接触极板，在所述两侧凹槽处形成Au下电极，最后，去除两侧台阶上的光刻胶以及Ti/Au层； 步骤(5)、选取一片SOI硅片，使用清洗液所述SOI硅片表面有机物及杂质，在所述SOI硅片的顶层硅膜进行P离子注入以降低电阻，剂量5el5，能量SOkeV ； 步骤￠)、对步骤(5)得到的SOI硅片，进行第四次光刻，干法刻蚀或者湿法腐蚀步骤(5)的得到的SOI片的硅膜层和SiO2绝缘层，形成所述MEMS桥膜结构静电驱动继电器的顶层梁结构，再去除所述顶层梁结构的光刻胶； 步骤(7)、对步骤(6)得到的SOI硅片进行热氧化，SiO2氧化层的厚度为2000A: 步骤(8)、对步骤(7)得到的SOI硅片进行第五次光刻，溅射Cr/Au层，剥离之后形成上方接触电极，用HF缓冲溶液漂SiO2层露出键合表面； 步骤(9)、对步骤⑶得到的SOI硅片和步骤⑷得到的硅片进行直接键合，先用化学机械抛光CMP法把SOI片衬底硅减薄，再用KOH施法腐蚀对余下的腐蚀至SiO2层停止，形成最终结构。
全文摘要
MEMS桥膜结构静电驱动继电器的制备方法属于MEMS器件的设计制造领域，其特征在于(1)该继电器工艺采用绝缘体上硅SOI(Silicon On Insulator)与玻璃片(或硅片)键合的方式；(2)通过键合形成硅—玻璃或硅—硅整体结构；(3)SOI片的顶层硅厚度决定了桥膜结构中桥膜厚度。本继电器桥膜结构以体硅工艺为主，避免了表面硅工艺牺牲层释放不彻底的问题，从而有效提高桥膜结构质量，在MEMS继电器、开关、传感器等方面有重要应用。
文档编号H01H59/00GK103000410SQ20121046992
公开日2013年3月27日 申请日期2012年11月19日 优先权日2012年11月19日
发明者阮勇, 张高飞, 常双凯, 马波, 尤政 申请人:清华大学