专利名称：隔膜促动微机电开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微机电系统(MEMS)开关，尤其涉及一种MEMS开关，其允许低电压(小于10V)受控促动(actuation)，同时维持良好的开关特性，如隔离和低插入损耗。
背景技术：
无线通信设备正在变得越来越普及，由此，为具有给出最优性能和最小成本的技术的人们提供了巨大的商机。成功的无线通信设备以合理的成本提供纯净、低噪声的信号发送和接收，并且在便携式设备的情况下以低功耗工作从而使电池的寿命最大化。目前的产业焦点在于将无线通信所需的所有部件整体集成到一个集成电路(IC)芯片上，以进一步降低成本和尺寸，同时提高性能。
无线通信设备的未整体集成到IC上的一个部件是开关。开关用于发送和接收模式之间的切换，并且还为信道辨别而切换滤波网络。尽管存在固态开关并且其能够与其他IC部件整体集成，但这些开关的普通的性能和相对较高的成本引起了对于微机电系统(MEMS)开关的强烈关注。MEMS开关被有利地设计从而以极低的功耗工作，即使不能提供极佳的性能，也能够提供等同的性能，并且能够被整体集成。
尽管MEMS开关已被评测了若干年，但技术问题延迟了它们与无线设备的迅速结合。一个技术问题是开关在导通和断开状态之间的可靠动作。这个问题随着低开关促动电压的使用而加剧，当这些装置与其中的可用电压信号通常小于10V的先进IC芯片集成时通常就是这样。现有技术的MEMS开关构造在满足开关插入损耗和隔离技术标准的同时不能提供低促动电压和功耗下的可靠开关。
现有技术的MEMS开关的典型构造如图1A-1B所示。MEMS开关5使用了一对平行电极11和14，它们由薄介电层12和由电介质支座(dielectricstandoff)16所限定的空气间隙或空腔13所分隔。电极14安装在可机械位移的隔膜或可移动梁上。另一电极11接合在衬底10上并且不能自由移动。MEMS开关5在名义上具有两种状态，即打开(如图1A所示)或闭合(如图1B所示)。在打开状态，在电极11和14之间存在空气间隙，并且电极之间的电容较低。在这种状态下，施加到电极14的RF信号不会有效地耦合到电极11。通过在两个电极11和14之间施加DC静电势来闭合MEMS开关5，该静电势使可移动电极14位移从而减小间隙距离或者使电极14与覆盖相对的电极11的介电层12紧密接触，如图1B所示。介电层12防止了电极11和14之间的DC静电势短路，并且还限定了闭合状态下的开关的电容。当电极14与介电层12接触时，电容增加，电极14上的RF信号有效地耦合到电极11。为了释放(deactivate)开关，去除静电势，使得隔膜(或梁)机械地返回其初始位置并恢复平行电极之间的间隙13。然而，根据定义，MEMS开关器件很小，例如电介质带电和静摩擦的效应常常干扰MEMS开关的可靠促动和释放。如上所述，对于将MEMS开关用于便携式通信设备的应用，允许的供电电压不能可靠地驱动大部分现有技术的MEMS开关。对于确保可靠的开关释放的结构，需要不能接受的高电压。此外，由于电介质覆盖层12的退化，这些电压在开关的寿命期内必定增大。为了可靠的开关促动，将隔膜或可移动梁制造为具有低的刚性，这减小了所需的促动电压以及后续对于电介质覆盖层12的损害。然而，由于静摩擦，低的刚性还增大了去除促动电压时梁或隔膜不会被释放的概率，使开关保留在闭合的位置。而且，用于便携式通信设备的MEMS开关还需要低的导通插入损耗和高的断开状态隔离，这部分上指定了固定电极11和可动电极14之间所需的间隙。
到目前为止，没有能够满足便携式通信设备应用所需的可靠性、低驱动电压、低功耗和信号衰减的已知的已制造出来的MEMS开关器件。
发明内容
因此，本申请的一个目的是提供一种MEMS开关，其具有通过外加DC电压而被激发的电极，该DC电压使可移动梁或隔膜打开或闭合电路。
另一个目的是提供一种MEMS开关，其将促动器(actuator)间隙区域与RF信号间隙区域分离。
又一个目的是提供一种MEMS开关，其具有在“断开”位置的大间隙(为了高隔离)和在“导通”位置的小(或不存在)间隙(为了低插入损耗)相结合的优点。
本发明的又一个目的是制造一种MEMS开关，其可靠地提供低损耗导通状态和高隔离断开状态。
又一个目的是提供一种MEMS开关，其具有在梁或隔膜上方和下方的电极以克服由静摩擦引起的问题。
此处公开的本发明的构造是MEMS RF开关，其使用可弯曲的隔膜来促动开关触点(switch contact)。所述隔膜结合有叉指型金属电极，所述金属电极在用DC电场促动时，在隔膜中引起应力梯度。该应力梯度造成隔膜的可预测弯曲或位移，并用于机械地移动开关触点。该构造优于现有技术的开关的独特优点之一在于促动器间隙和RF间隙的分离，这与图1所示示例的促动器间隙和RF间隙相同的情况不同。在本发明的构造中，RF间隙区域与促动器电极间隙区域完全分开。除了此独特的属性之外，梁能够在两个方向上被静电地移位，从而有助于开关的促动和释放。
在本发明的一个方面中，提供一种微机电系统(MEMS)开关，其包括空腔；与作为所述空腔的边界的第一表面集成的至少一个导电路径；与作为所述空腔的边界的该第一表面平行的柔性隔膜，所述柔性隔膜具有多个促动电极；以及在离开所述促动电极的方向上附着在所述柔性隔膜上的柱塞，所述柱塞具有至少一个导电表面从而与所述至少一个导电路径电接触。
在本发明的另一方面中，提供一种微机电系统(MEMS)开关，其包括a)衬底，该衬底包括其上形成空腔的镶嵌导电金属的表面；b)在所述空腔上的第一牺牲层，接着是第一导电层和第二导电或电介质层，所述两个导电层被构图为倒“T”的形式；c)位于所述空腔中并且被平坦化至所述空腔的顶表面的第二牺牲层；d)在所述平坦化表面上的图案化金属层，电介质层，以及暴露所述图案化金属(在所述平坦化表面上)的图案化通孔；e)导电表面，其填充所述通孔并在填充的通孔上方提供有限的厚度，该导电表面被构图为促动指(actuating finger)的形状，a)至e)的组合形成了柔性隔膜；以及f)穿过所述柔性隔膜而蚀刻并同时提供在所述隔膜的外部被蚀刻的通道缝(access slot)的通孔，其中空气代替了所述第一和第二牺牲层。
本发明的MEMS开关能够被有利地构造为单极单掷(SPST)开关或者通过并联连接用于N个掷(throw)的N个开关的信号输入端而形成的单极多掷(SPMT)开关。
通过结合附图的以下详细描述，本发明的这些和其他目的、方面及优点，以及其实施例将被更好地理解且变得更加显而易见，附图中图1A-1B是打开和闭合状态下的现有技术的MEMS开关的示意图；图2A-2B分别是根据本发明的隔膜促动型MEMS开关的侧视图和顶视图；图3A-3B是根据本发明的MEMS开关的另一剖面图，表示了导致隔膜弯曲曲率的金属促动器之间的静电吸引；图4A-4C是可与图2-3的开关一起使用的隔膜/电极几何形状的侧视图(针对“导通”状态下的开关)；图5表示用于图2-3的MEMS开关的备选的隔膜/电极组件(针对“断开”状态下的开关)，其中在促动电极之间使用压电元件以代替空气间隙；图6A-6B表示附加的优选实施例，示出在隔膜上方以及下方的叉指型促动电极(图6A)以及备选的“单触点”MEMS开关(图6B)；图7表示单极多掷结构中的MEMS开关；图8A-8K表示制造本发明的MEMS开关所需的步骤。
具体实施例方式
为了充分地说明本发明开关的独特构造，以下将参照图2A-2B对MEMS开关进行详细描述。
器件15形成在衬底18上，带有镶嵌金属迹线20的电介质22设置在衬底18上。这形成了一表面，其具有由电介质区域35分隔开的平坦导电电极。当电介质促动器隔膜60向下弯曲并使得接触电极30碰触或极接近金属迹线20时，电介质间隔35被金属接触电极30跨接。所形成的接触允许RF信号通过金属接触电极30在两个金属电极20之间传播。金属接触电极30在空腔250内部，并在物理上附着在电介质柱(或柱塞)40上，电介质柱(或柱塞)40在物理上又附着在隔膜60上。空腔250在侧面由电介质支座50界定。再如图2B所示，通道孔和缝80形成在电介质层60中，通道孔和缝在器件制造期间提供了从空腔250和间隙区域25去除牺牲层的途径。
以下将进一步描述顶部促动电极70、电极间隙71、导电通路75和金属镶嵌物72。
这种新的MEMS开关构造的操作如图3A-3B所示，图3A-3B示出了该器件的两种开关状态。通过如借助“+”和“-”符号表示的那样将相反极性的DC电压(参照任意的地电位(ground))施加到交替的促动电极上，促动或闭合开关，如图3B所示。促动电极之间的静电场使得电极在物理上被吸引向紧邻的所有周围电极。这种吸引在隔膜60中产生了应力梯度，引起隔膜60向下弯曲，从而推动柱40和接触电极30直至接触电极30的底部物理地碰触信号电极20的顶部。这一构造的独特优点在于促动电极70之间的间隙7 1和接触电极30与信号开关触点20之间的间隙25的分离，所有这些提供了一种开关，其中低促动电压在相对大的间隙上可靠地移位接触电极。通过促动电极和隔膜的几何形状构造，确定了接触电极30的垂直位移量，其表示了“导通”和“断开”状态下的RF信号衰减。这种构造的几个附加优点也是明显的。可靠地释放开关所需的机械恢复力在一定程度上与促动电压的需求分离。
图4A-4C示出了促动电极的两种额外构造的侧视图。为了清楚起见，仅表示了隔膜的一小部分，并且仅包括了电极70和电介质60的细节。电极70用作杠杆，当被制造得更高时，其诱发更大的曲率，该曲率引起更大的垂直位移d。通过增大促动电极70的金属厚度，可以引入附加的电极重叠区域，如图4B所示。这降低了为获得相等的静电力所需的电压。电极也可被制造得更高而没有附加的电极重叠，如图4C所示。通过增大隔膜的长度和促动电极的数量也能够获得更大的垂直位移。这种独特的促动方法的另一优点在于通过对所有的促动电极施加正电压能够有助于开关的释放。在本结构中，所有的促动电极趋于排斥并引起隔膜的相反的曲率，由此去除接触电极30的底部和信号电极20之间的接触。
图5表示用于图2-3的MEMS开关的可选择的隔膜/电极组件(针对“断开”状态下的开关)，其中在促动电极70之间插入压电元件以代替空气间隙71。压电材料在电场的影响下收缩，引起应力梯度从而使隔膜弯曲，如图3B所示。压电材料80在电场的影响下在一个晶轴方向上膨胀，在压电层80和电介质隔膜60之间引起了应力梯度。压电材料80和电介质60之间的应力梯度产生了弯曲的隔膜，与图3B所示的类似。在这种构造中，导电通路触点75与镶嵌的线路迹线72和相互交叉的指70相连，如图2和3详示的那样。根据所应用的压电材料及其晶体取向，在促动指之间施加电压差则产生凹或凸的曲率。
用于压电元件的优选材料是BaTiO3、含有La、Fe或Sr掺杂剂的Pb(ZrxTi1-x)O3、以及以KynarTM压电膜(Pennwalt有限公司的注册商标)著称的聚偏二氟乙烯(PVDF)。
在另一优选实施例中，可在隔膜下方制造附加的一组叉指型促动电极，如图6A所示，且金属镶嵌物72嵌入电介质60内，金属填充的通路(未示出)连接金属镶嵌物72与指70或74。在此构造中，下部的叉指型促动电极74有利地用于两个功能。一个功能是帮助静电“导通”促动，其中所有的下部电极指74被加以正电压脉冲，同时将交替的正和负电势施加到上部指70。这提供了移位开关触点30的附加静电力，从而该触点接触或极靠近金属迹线20。下部叉指型电极的第二个功能是推动开关的释放(向“断开”状态的转变)。为了释放该开关，对下部电极指74施加交替的正和负电势，同时对所有上部电极70加以正电压脉冲。于是，下部叉指型电极有助于开关的促动和释放。
在又一优选实施例中，开关被构造为仅具有一个机械RF信号触点，如图6B所示。在这种构造中，RF信号路径取道金属导电层90、柱塞元件40和接触元件30。当开关被促动时，元件30接触或极靠近信号金属迹线21以闭合开关。这种构造的优点在于与图2所示的构造相比，降低了接触电阻，在图2所示的构造中，元件30跨接信号金属迹线20并且两个接触电阻被串联添加。
通过并联连接用于N个掷的N个开关的信号输入端，所述的开关可被构造为单极多掷(SPMT)开关。这在图7中示出，其中使用了具有隔膜/电极几何形状的图2所示的单掷开关。一公共的RF输入端用于具有分开的RF输出端的三个MEMS开关器件。为了将RF输入信号传递到任何一个RF输出端，施加各Vdc+信号以“促动”开关。所描述和显示的开关可以被构造为电阻性开关，如图2和3所示，或者通过在信号电极20和/或跨接触点30之上添加薄介电层而被构造为电容耦合开关。
图8A-8K示出了制造本发明的MEMS开关所需的步骤。图8A示出了衬底18的剖面图，该衬底18具有镶嵌在周围电介质22中的金属迹线20。衬底18由通常用于制造半导体器件的任何衬底材料制成，如Si、GaAs、SiO2或玻璃。该衬底还可以包括预先制造的半导体器件，如晶体管、二极管、电阻器或电容器。还可在MEMS开关器件的制造之前或制造期间包括互连布线。
尽管对于一组给定的材料层示出了以下制造工艺，但应理解的是本领域技术人员可使用不同的材料组合来制造相同的器件。用于制造这种器件的材料划分为三组。第一组是由已知的导电金属元素以及所述元素的合金制成的金属迹线，如Al、Cu、Cr、Fe、Hf、Ni、Rh、Ru、Ti、Ta、W和Zr，但不限于这些。所述金属还可包含N、O、C、Si和H，只要所得的材料是导电的。第二组材料是电介质层，其用于隔膜，并绝缘金属导体且提供可移动梁与衬底的物理连接，如含碳材料(包括聚合物和非晶氢化碳)、AlN、AlO、HfO、SiN、SiO、SiCH、SiCOH、TaO、TiO、VO、WO和ZrO，或者其混合物，但不限于这些。第三组材料层是牺牲层材料，如硼磷硅酸盐玻璃(borophosphosilicate glassBPSG)、Si、SiO、SiN、SiGe、a-C:H、聚酰亚胺、聚芳醚类(polyaralene ethers)、降冰片烯类、以及它们的官能化衍生物、苯并环丁烷和光致抗蚀剂，但不限于这些。
电介质22可以是衬底18的一部分或MEMS开关的第一层。在包括镶嵌的金属迹线20和电介质22的此平坦表面之上，沉积并构图另一电介质层50，如图8B所示。可在电介质22和50之间添加可选的蚀刻终止电介质，从而使至电介质22和金属20内的蚀刻最小化。然后在图案化的电介质50上沉积牺牲层125，接下来沉积金属层130和电介质140，如图8C所示。光刻及之后的蚀刻首先应用于图案化电介质140，然后再用于图案130以形成柱141和跨接触点131，如图8D所示。层130和140可以是金属、电介质或二者的混合物，只要初始层130是直接沉积在牺牲层125上且对于良好的RF信号传输具有足够的导电性的导电金属。沉积并平坦化另一牺牲材料层126(图8E)。通过抛光或者通过如化学机械抛光(CMP)的技术来平坦化该表面。然后在该第二平坦化表面之上沉积并构图薄金属层72(图8F)。可在第二平坦化表面和层72之间使用蚀刻终止金属或电介质，以防止层72的构图工艺期间层50或126的蚀刻。将要形成的下一层是器件的微机械梁或隔膜元件60。为了优选的机械可靠性、性能和可制造性，可使用以上所列电介质材料中的任何一种、或者组合的电介质层来制造梁或隔膜元件60。
接下来，在电介质60中形成小的通孔69，如图8G所示，以暴露金属层72。将通孔的数目维持在最少以防止电介质60的机械弱化。然后在电介质60之上沉积金属层70，金属层70填充通孔69以用于金属层72和70之间的电接触。然后使用光刻和蚀刻构图金属层70，如图8H所示。如上所述，如果金属促动指70被固定到隔膜60上作为杠杆，则其被制造得更为有效地诱发隔膜60的弯曲。图8I所示的是具有这种增强特征的结构，该结构通过使用金属70作为掩模各向异性地蚀刻电介质层60以从区域160去除部分电介质隔膜而形成。在各向异性蚀刻之后，在金属指70和电介质60上镀敷可选的薄电介质膜，以防止金属指70的DC短路。使用光刻构图，在电介质60中形成通道缝和孔80，如图8J所描绘的器件的顶视图所示。通道图案被完全蚀刻穿过电介质叠层60，暴露牺牲层126。MEMS开关制造工艺的最后步骤是使用选择性各向同性蚀刻工艺去除牺牲层125和126，所述选择性各向同性蚀刻工艺去除牺牲材料，形成空气空腔250，而基本不蚀刻暴露的电介质或金属层，如图8K所示。
尽管已经以优选实施例的方式描述了本发明，但本领域技术人员很容易认识到，可以进行多种变化和修改，所有这些变化和修改仍将落入由所附权利要求限定的本发明的主旨和范围内。
工业适用性本发明用于无线通信领域，特别是蜂窝电话等。
权利要求
1.一种微机电系统开关，包括空腔(250)；与作为所述空腔(250)的边界的第一表面整合的至少一个导电路径(20)；与作为所述空腔(250)的边界的所述第一表面平行的柔性隔膜(60)，所述柔性隔膜(60)具有附着在其上的多个促动电极(70)；以及在离开所述促动电极(70)的方向上附着在所述柔性隔膜(60)上的柱塞(40)，所述柱塞(40)具有至少一个导电表面(30)以与所述至少一个导电路径(20)进行电接触。
2.如权利要求1所述的微机电系统开关，其中每个所述促动电极(70)被施以与所述邻近的促动电极(70)的DC电压相反极性的DC电压，其中所述DC电压参考任意的地电位。
3.如权利要求1所述的微机电系统开关，其中当所述促动电极(70)被通电时，所述促动电极(70)之间的静电吸引导致所述柔性隔膜(60)的弯曲曲率。
4.如权利要求1所述的微机电系统开关，其中所述柔性隔膜(60)由从SiO、SiN、包括聚合物和非晶氢化碳的含碳材料、以及其混合物构成的组中选出的电介质材料制成。
5.如权利要求1所述的微机电系统开关，其中所述柔性隔膜(60)还包括多个导电通路。
6.如权利要求1所述的微机电系统开关，其中所述柔性隔膜的弯曲曲率迫使所述柱塞(40)的所述至少一个导电表面(30)倚靠与作为所述空腔(250)的边界的所述第一表面整合的所述至少一个导电路径(20)，闭合所述微机电系统开关。
7.如权利要求1所述的微机电系统开关，其中所述施加电压的去除使所述柔性隔膜(60)返回其初始形状，将所述柱塞(40)的所述至少一个导电表面(30)拉离与作为所述间隙的边界的所述第一表面整合的所述至少一个导电表面，打开所述微机电系统开关。
8.如权利要求1所述的微机电系统开关，其中所述柔性隔膜(60)的弯曲曲率是凹形位移。
9.如权利要求1所述的微机电系统开关，还包括设置在所述柔性隔膜(60)的底表面上的多个第二电极(74)，其中施加到所述多个第二电极(70)上的相反的正和负电压迫使所述柱塞(40)离开所述至少一个导电路径(20)，克服静摩擦。
10.如权利要求1所述的微机电系统开关，其中与所述柔性隔膜(60)整合并位于所述促动电极(70)之间的压电材料在被施以DC电压时膨胀和收缩所述柔性隔膜(60)。
11.如权利要求1所述的微机电系统开关，其中根据所述压电材料及其晶体取向，在所述促动电极(70)之间施加电压差迫使所述柔性隔膜(60)采取凹入或凸出的弯曲。
12.如权利要求1所述的微机电系统开关，其中所述压电材料选自BaTiO3、含有La、Fe或Sr掺杂剂的Pb(ZrxTi1-x)O3、以及聚偏二氟乙烯构成的组。
13.如权利要求1所述的微机电系统开关，其中所述空腔(250)内的间隙(25)将所述柱塞(40)与所述至少一个导电路径(20)分隔。
14.如权利要求1所述的微机电系统开关，其中该柔性隔膜(60)在两个相反的方向上被静电移位，从而帮助促动和释放该微机电系统开关(15)。
15.一种微机电系统开关，包括a)包括导电金属镶嵌路径(20)的衬底(18)，该衬底上形成有空腔(250)；b)所述空腔(250)上的第一释放层(125)，接着是第一导电层(130)和第二导电或电介质层(140)，所述两个导电层(130，140)被构图为倒“T”的形式(131，141)；c)平坦化的第二释放层(72)，接着是第三导电层(60)；d)所述第三导电层(60)上部的电介质层以及暴露下部导体的图案化通孔(69)；e)导电表面，填充所述图案化的通孔(69)并在所述被填充的通孔上方提供有限的厚度，所述导电表面被构图为促动指(70)的形状，所述a)至e)的组合形成了柔性隔膜；以及f)穿过所述柔性隔膜并同时在所述隔膜的外部提供通道缝(80)的通孔，其中空气代替了所述第一和第二释放层(125，126)。
16.如权利要求15所述的微机电系统开关，其中所述导电层包括由导电金属元素制成的金属迹线，所述导电金属元素选自Al、Cu、Cr、Fe、Hf、Ni、Rh、Ru、Ti、Ta、W、Zr，以及其合金构成的组。
17.如权利要求16所述的微机电系统开关，其中所述金属迹线包括自N、O、C、Si和H构成的组中选出的元素，只要所述金属迹线是导电的。
18.如权利要求15所述的微机电系统开关，其中所述柔性隔膜和所述电介质层由从含碳材料(包括聚合物和非晶氢化碳)、AlN、AlO、HfO、SiN、SiO、SiCH、SiCOH、TaO、TiO、VO、WO、ZrO，以及其混合物构成的组中选取的材料制成。
19.如权利要求15所述的微机电系统开关，其中所述释放层是牺牲层，该牺牲层由从硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)、Si、SiO、SiN、SiGe、a-C:H、聚酰亚胺、聚芳醚类、降冰片烯类、以及它们的官能化衍生物，包括苯并环丁烷和光致抗蚀剂，构成的组中选取的材料制成。
20.一种单极多掷微机电系统，包括并联设置的多个单极单掷微机电系统开关，所述多个单极单掷微机电系统开关分别由独立的DC电压控制信号促动。
全文摘要
一种设置有可弯曲隔膜(60)的微机电(MEM)RF开关，该隔膜促动开关触点或柱塞(40)。隔膜结合有叉指型金属电极(70)，所述电极在被DC电场促动时于隔膜中引起应力梯度。该应力梯度引起隔膜(60)的可预测弯曲或位移，并用于机械地移位开关触点(30)。位于空腔(250)内的RF间隙区域(25)与叉指型金属电极(70)之间的间隙(71)完全分离。隔膜在两个相反的方向上被静电移位，从而帮助促动和释放开关。所述微机电开关包括空腔(250)；与作为空腔的边界的第一表面整合的至少一个导电路径(20)；与作为空腔(250)的边界的第一表面平行的柔性隔膜(60)，柔性隔膜(60)具有多个促动电极(70)；以及在离开所述促动电极(70)的方向上附着到柔性隔膜(60)上的柱塞(40)，柱塞(40)具有与导电路径电接触的导电表面，打开和闭合该开关。
文档编号G02B5/00GK1650383SQ02829517
公开日2005年8月3日 申请日期2002年8月26日 优先权日2002年8月26日
发明者克里斯托弗·V·扬斯, 珍妮弗·L·伦德, 凯瑟琳·L·萨恩格, 理查德·P·沃兰特 申请人:国际商业机器公司