具有触头和支座凸块的mems器件及其相关方法

专利名称：具有触头和支座凸块的mems器件及其相关方法
技术领域：
本发明一般涉及微电子机械系统(MEMS)器件和方法。特别是，本发明涉及具有触头和支座凸块的MEMS器件的设计和制造以及相关方法。
背景技术：
静电MEMS开关是通过静电电荷来操作并使用微电子机械系统(MEMS)技术制造的开关。MEMS开关可控制电气、机械或光学信号流。MEMS开关可典型地应用于电信，如DSL开关矩阵和移动电话、自动测试设备(ATE)、和其它需要低成本开关或低成本、高密度阵列的系统。
如本领域技术人员可认识到的，很多类型的MEMS开关和相关器件都可由体(bulk)或表面微机械加工来制造。体微机械加工一般包括雕刻基板的一个或多个面，从而在同一基板材料中形成所希望三维结构和器件。该基板由容易大量地获得的材料构成，因此通常是硅或玻璃。湿蚀刻和/或干蚀刻技术与蚀刻掩模和蚀刻停止层相结合使用，以形成微型结构。蚀刻通常是对基板的背面进行的。蚀刻技术在性能上一般可以是各向同性或各向异性。各向同性蚀刻对正在蚀刻材料的平面的晶向不敏感(例如通过使用硝酸作为蚀刻剂蚀刻硅)。各向异性蚀刻剂如氢氧化钾(KOH)、四甲基氢氧化铵(TMAH)、和乙二胺焦儿茶酚(ethylenediamine pyrochatechol)(EDP)以不同的速度选择性地蚀刻不同结晶取向，因此可以用于在产生的蚀刻凹陷中限定相对精确的侧壁。使用蚀刻掩模和蚀刻停止层防止基板的预定区域被蚀刻。
另一方面，表面微机械加工一般包括通过在硅晶片的顶部淀积大量不同薄膜但不用雕刻晶片本身而形成三维结构。这些膜一般用作结构或牺牲层。结构层通常由多晶硅、氮化硅、二氧化硅、碳化硅或铝构成。牺牲层通常由多晶硅、光刻胶材料、聚酰亚胺、金属或各种氧化物如PSG(磷硅酸盐玻璃)和LTO(低温氧化物)构成。进行连续的淀积、蚀刻和构图工序，从而实现所希望的微型结构。在典型的表面微机械加工中，用绝缘层涂覆硅基板，并在被涂覆的基板上淀积牺牲层。在牺牲层上打开窗口，然后淀积和蚀刻结构层。然后选择性地蚀刻牺牲层，从而形成独立的、可移动的微型结构，如伸出该结构层的横梁或悬臂。该微型结构通常固定到硅基板上，并且设计成可响应来自适当激励机构的输入而移动。
很多目前的MEMS开关设计采用悬臂横梁/板、或多支撑的横梁/板几何形状。在悬臂横梁的情况下，这些MEMS开关包括可移动的、双材料横梁，该横梁包括电介质材料的结构层和金属层。通常，电介质材料在一端相对于基板锚定并提供用于横梁的结构支撑。金属层附着在电介质材料的下面并形成可移动电极和可移动触头。金属层可以是锚点的一部分。通过在固定到基板表面的一个电极和另一电极之间施加电压差，使可移动横梁在朝向基板的方向被激励。给两个电极施加电压差可产生静电场，这将拉动横梁向基板移动。横梁和基板各自有一个触头，当不施加电压时这些触头被空气间隙分开，从而该开关处于“打开”位置。当施加电压差时，横梁被拉向基板，并且触头实现了电连接，从而该开关处于“闭合”位置。
目前MEMS开关存在的问题之一是不希望的电极对的接触。当处于“打开”位置时，MEMS开关的电极理想地靠得很近。通过将电极设置得靠近在一起，需要使横梁偏向“闭合”位置的功率降低了。然而，这种设计可能导致不希望的电极接触。当横梁向“闭合”位置移动时，如果横梁变形为使得电极接触，则这些电极也可能接触。另一不希望的结构偏转通常由结构材料的固有或外来的应力造成。由于材料固有应力造成的结构偏转是标称材料应力值与结构设计和/或不平衡的组合结构相结合的结果，或者是在结构材料厚度方向的应力梯度的结果。标称和梯度的残余应力的状态是很多变化的处理条件和参数的函数。由外来应力造成的普通的不希望的结构偏转随着由两种或更多种材料构成的组合结构中的温度造成的的变化而发生，其中所述两种或更多种材料具有不同的热膨胀系数(CTE)。不希望电极接触，因为会导致电极之间的电短路。
具有双材料横梁的一些目前的MEMS开关设计试图通过将金属层固定到电介质材料顶部而解决由于横梁变形问题造成的电极短路。这种设计用于防止在横梁变形期间电极短路；然而，这种设计需要更高的激励电压，因为金属层和固定到基板表面的电极之间的间隙距离更大。因此，这种设计需要更高的功耗并且可能需要附加的电子部件以实现更高激励电压。
因此，希望提供一种用于提高MEMS开关的产量、温度性能、激励和品质的横梁。还希望在开关操作期间减少电极彼此接触的概率。还希望减少横梁变形以便提高开关可靠性。此外，希望减少开关功耗。

发明内容
根据一个实施例，提供一种悬挂在基板上的可移动MEMS部件。该部件可包括具有可移动电极的结构层，该可移动电极与基板分开一定间隙。该部件还可包括固定到结构层上并延伸到所述间隙中的至少一个支座凸块，用于防止当该部件移动时可移动电极与导电材料接触。
根据第二实施例，提供一种具有支座凸块的MEMS器件，并且可包括具有固定电极的第一固定触头的基板。该器件还可包括悬挂在基板上方的可移动部件。可移动部件可包括具有可移动电极和可移动触头的结构层，其中可移动电极与固定电极隔开第一间隙，可移动触头与第一固定触头隔开第二间隙。可移动部件还可包括固定到结构层上并延伸到第一间隙中的至少一个支座凸块，用于防止可移动电极与固定电极接触。
根据第三实施例，提供一种具有支座凸块的MEMS开关，并且可包括基板，该基板包括第一和第二固定电极和固定触头，其中固定触头位于第一和第二固定电极之间。该开关还可包括结构层，该结构层包括相对于基板固定的第一和第二端并包括具有底表面的第一、第二和第三部分，该底表面悬挂在基板上方。该器件还可包括固定在第一部分的底表面上并与第一固定电极隔开第一间隙的第一可移动电极，以及固定到结构层上并延伸到第一间隙中的第一支座凸块，用于防止第一可移动电极与第一固定电极接触。该开关可包括固定到第二部分的底表面上并与第二固定电极隔开第二间隙的第二可移动电极。此外，该开关可包括固定到结构层上并延伸到第二间隙中的第二支座凸块，用于防止第二可移动电极与第二固定电极接触。该开关还可包括固定到第三部分的底表面上并悬挂在固定触头上方的可移动触头。
根据第四实施例，提供一种具有支座凸块的MEMS开关，并可包括具有固定电极和固定触头的基板。该开关可包括悬挂在基板上方的可移动的、折叠部件。该部件可包括结构层，该结构层具有底表面并包括第一和第二折叠横梁和固定到第一和第二折叠横梁的固定端的悬臂。该部件还可包括与基板隔开第一间隙的可移动电极。该部件还可包括以下部分固定到结构层上并延伸到第一间隙中的至少一个支座凸块，用于防止当该部件向基板移动时可移动电极与导电材料接触；与固定触头隔开第二间隙的可移动触头；和固定到结构层上并延伸到第一间隙中的至少一个支座凸块，用于防止可移动电极与固定电极接触。
根据第五实施例，提供一种在具有支座凸块的MEMS器件中执行激励功能的方法。该方法可包括提供具有支座凸块的MEMS器件。该器件可包括以下部分具有固定电极的基板；具有与固定电极隔开一定间隙的可移动电极的结构层；和固定到结构层上并延伸到第一间隙中的至少一个支座凸块，用于防止在结构层向固定电极移动时可移动电极与固定电极接触。该方法还可包括在可移动电极和固定电极之间施加电压，从而使可移动电极与固定电极穿过该间隙而静电耦合，由此该结构层向基板移动，并且至少一个支座凸块与固定电极接触。
根据第六实施例，提供一种用于制造具有支座凸块的可移动MEMS部件的方法。该方法可包括在导电部件上淀积牺牲层和在该牺牲层上形成可移动电极，通过除去该牺牲层使得可移动电极与导电材料隔开一定间隙。该方法还可包括在牺牲层中形成支座凸块，由此支座凸块延伸到可移动电极和导电部件之间的间隙中。此外，该方法还可包括在可移动电极和支座凸块上淀积结构层并除去牺牲层，从而形成使导电部件与可移动电极隔开的间隙，由此使支座凸块延伸到该间隙中，当该部件移动时，支座凸块用于防止可移动电极与导电材料接触。
根据第七实施例，提供一种用于制造具有支座凸块的MEMS器件的方法，该方法可包括在基板上形成固定电极。该方法可包括在固定电极和基板上淀积牺牲层。该方法还可包括在牺牲层上形成可移动电极，通过除去牺牲层可使可移动电极与固定电极隔开一个间隙。该方法还可包括在牺牲层中形成支座凸块，由此支座凸块延伸到通过除去牺牲层而形成的可移动电极和固定电极之间的间隙中。此外，该方法可包括在可移动电极和支座凸块上淀积结构层。该方法可包括除去牺牲层，从而形成隔开固定电极和可移动电极的间隙，由此使得支座凸块延伸到该间隙中，当结构层向固定电极移动时可防止可移动电极与导电材料接触。
因此，本发明的一个目的是提供具有触头和支座凸块的MEMS器件及相关方法。
上面已经介绍了本发明的一些目的，通过下面结合附图的作为最佳描述的详细说明，其它目的也将变得明显。
附图简述下面参照附图介绍本发明的示例性的实施例，其中

图1表示根据本发明的一个实施例的处于“打开”位置的具有支座凸块的MEMS开关的侧视剖面图；图2表示处于“闭合”位置的具有支座凸块的MEMS开关的侧视剖面图；图3表示具有支座凸块的MEMS开关的正视剖面图；图4表示具有支座凸块的MEMS开关的顶部平面图；图5表示根据本发明另一实施例的具有支座和接触凸块的MEMS开关的顶部透视图；图6表示具有支座和接触凸块的MEMS开关的底部透视图；图7表示具有支座和接触凸块的MEMS开关的另一实施例的底部透视图；图8表示在“打开”位置操作的具有支座和接触凸块的MEMS开关的顶部透视图；图9表示在“闭合”位置操作的具有支座和接触凸块的MEMS开关的顶部透视图；图10表示MEMS开关的另一实施例的顶侧透视图；图11表示具有支座和接触凸块的MEMS开关的透视侧视图；图12表示根据本发明另一实施例的具有支座和接触凸块的MEMS开关的顶部透视图；图13表示具有支座和接触凸块的MEMS开关的底部透视图；图14表示根据本发明另一实施例的具有支座和接触凸块的MEMS开关的顶部透视图；图15表示具有支座和接触凸块的MEMS开关的透视侧视图；图16表示根据本发明另一实施例的具有折叠几何结构及支座和接触凸块的MEMS开关的顶部平面图；图17表示根据本发明另一实施例的具有支座和接触凸块的MEMS开关的顶部透视图；图18表示具有支座和接触凸块的MEMS开关的结构层的下面的透视图；和图19A-19K表示具有支座和接触凸块的MEMS开关的制造方法的另一实施例的制造步骤。
发明的详细说明这里为了描述的目的，应该理解，当提到一个元件，如层或基板等，淀积或形成“在另一元件上”时，该元件可直接位于另一元件上，或者也可以存在中间元件(例如一个多个缓冲或过渡层、中间层、电极或触头)。此外，应该理解的是，术语“设置在…上”和“形成在…上”这里可互换使用，以便说明给定元件如何可相对于另一元件定位或设置。因此，应该理解，关于材料转移、淀积或制造的特殊方法，术语“设置在…上”和“形成在…上”不引入任何限制。
各种金属的触头、互连、导电通路和电极可通过溅射、CVD或蒸发来形成。如果用金、镍或PERMALLOYTM(NixFey)用作为金属元件，可进行电镀工艺，以便将材料转移到所希望的表面上。各种金属的电镀中使用的化学溶液一般是公知的。某些金属如金可能需要合适的中间粘接层，从而防止剥离。通常使用的粘接材料的例子包括铬、钛、或合金，如钛-钨(TiW)。某些金属组合可能需要扩散阻挡层，以防止铬粘接层通过金扩散。在金和铬之间的扩散阻挡层的例子包括铂或镍。
可以根据这里本发明所述的制造，例如微型机械加工技术，采用常规光刻技术。因此，基本光刻工艺步骤如施加光刻胶、光学曝光和使用显影剂这里不再详细说明。
同样，一般公知的蚀刻工艺可适当地用于选择性地除去材料或材料的区域。被构图的光刻胶层一般用作掩模。图形可被直接蚀刻到基板体上，或者蚀刻到薄膜或层上，以用作后续蚀刻步骤的掩模。
在特殊制造步骤中采用的蚀刻工艺的类型(例如湿蚀刻、干蚀刻、各向同性、各向异性、各向异性-取向相关的蚀刻)、蚀刻速度和使用的蚀刻剂的类型将取决于要除去的材料的组分、要使用的任何掩模或蚀刻停止层的组分和要形成的蚀刻区的外形。作为例子，多蚀刻(HF:HNO3:CH3COOH)一般可用于各向同性湿蚀刻。
碱金属氢氧化物(例如KOH)、简单的氢氧化铵(NH4OH)、四(四甲基)氢氧化铵((CH3)4NOH，在商业上也称为TMAH)，以及在水中与焦儿茶酚(pyrochatechol)混合的乙二胺(EDP)可用于各向异性湿蚀刻以制造V形或锥形凹槽、沟槽或腔。氮化硅通常可用作抵抗KOH蚀刻的掩模材料，因此可用于选择蚀刻硅。二氧化硅被KOH蚀刻得缓慢，因此如果蚀刻时间较短则可用作掩模层。KOH可蚀刻未掺杂硅，重掺杂(p++)硅可用作抵抗KOH以及其它碱性蚀刻剂和EDP的蚀刻停止层。氧化硅和氮化硅可用作抵抗TMAH和EDP的掩模。根据本发明用于形成触头和互连的优选金属是金和其合金。
公知的湿蚀刻剂可用于蚀刻材料如铜、金、二氧化硅和二次材料(secondary material)如粘接剂和阻挡材料。例如，可用Kl3的水溶液在20到50℃的温度范围内蚀刻金。作为另一例子，可在硝酸铈铵(ceric ammonium nitrate)、硝酸和H2O的溶液中在25℃湿蚀刻铬(普通的粘接层)。此外，例如，可在硝酸的稀释溶液中蚀刻铜。蚀刻二氧化硅的普通方法是利用HF的各种水溶液或用氟化铵缓冲的HF溶液。
应该理解，代替定时的湿蚀刻可进行氢氧化物溶液的电化学蚀刻。例如，如果p型硅晶片用作基板，可通过外延生长n型硅终止层来产生蚀刻停止层，从而形成p-n结二极管。可在n型层和设置在溶液中的电极之间施加电压以便反向偏置p-n结。结果是，通过掩模将p型硅体向下蚀刻到p-n结，并在n型层处停止。此外，光电和流电(galvanic)蚀刻停止技术也是适合的。
干蚀刻技术如等离子体-相蚀刻和反应离子蚀刻(RIE)也可用于除去硅及其氧化物和氮化物、以及各种金属。深反应离子蚀刻(DRIE)可用于在体层中各向异性地蚀刻深的垂直沟槽。二氧化硅通常用作抵抗DRIE的蚀刻停止材料，因此可根据本发明的方法，使用含有掩埋二氧化硅层的结构如绝缘体上硅(SOI)晶片作为用于制造微型结构的起始基板。
蚀刻的另一构图工艺是剥离(lift-off)工艺。在这种情况下，常规光刻技术用于所需要图形的负像。当需要粘接层和扩散阻挡层时，这种工艺通常用于对淀积为连续膜或膜的金属构图。该金属淀积在将要被构图的区域上并在光刻胶掩模(负像)的上面。光刻胶和其上面的金属被除去，以留下所希望的金属图形。
如这里使用的，术语“器件”具有可以与“元件”互换的含义。如这里使用的，术语“导电”一般包含导电和半导电材料。
下面将参照附图介绍例子。
参见图1-4，这些图示出了具有三层横梁的总体用100表示的MEMS开关的不同示意图。具体参见图1，其中示出了处于“打开”位置的MEMS开关100的侧视剖面图。MEMS开关100包括基板102。基板102可包括的材料的非限制性的例子包括硅(单晶、多晶或非晶形式的)、氮氧化硅(silicon oxinitride)、玻璃、石英、蓝宝石、氧化锌、氧化铝、硅石、或二元、三元或四元形式的各种III-V族化合物之一(例如GaAs、InP、GaN、AlN、AlGaN、InGaAs等)。如果基板102的组分选择为导电或半导电材料，则可在基板102的顶面上或者在希望形成电接触或导电区的顶表面的一部分上淀积非导电、电介质层。
基板102包括形成在其表面上的第一固定触头104、第二固定触头(未示出)和固定电极106。第一固定触头104、第二固定触头和固定电极106包括导电材料如金属。作为选择，第一固定触头104、第二固定触头和固定电极106可包括多晶硅或本领域技术人员公知的任何合适导电材料。固定电极106的导电性可以比第一固定触头104和第二固定触头的导电性低很多。优选地，第一固定触头104和第二固定触头包括非常高导电性的材料，如铜、铝、金、或它们的合金或组合物。作为选择，第一固定触头104、第二固定触头和固定电极106可包括不同的导电材料，如分别为金-镍合金(AuNi5)和铝，以及本领域技术人员公知的其它合适的导电材料。固定电极106的导电性可比第一固定触头104和第二固定触头的导电性低很多。优选地，第一固定触头104和第二固定触头包括导电性非常高的材料，如铜。作为例子，第一固定触头104和第二固定触头可具有7-100μm的宽度范围和15-75μm的长度范围。固定电极106可具有宽范围的尺寸，这取决于所需要的激励电压、接触电阻和其他功能参数。优选地，该宽度范围为25-250μm，长度范围为100-500μm。然而，这些尺寸只受制造能力和功能要求的限制。
MEMS开关100还包括悬挂在第一固定触头104上方的可移动的总体用108表示的三层横梁、第二固定触头和固定电极106。横梁108在一端牢固地固定在固定架110上。当MEMS开关100处于“打开”位置时横梁108基本上平行于基板102的顶表面延伸。横梁108一般包括夹在两个导电层之间的结构电介质层112。结构层112包括可弯曲材料，优选氧化硅(SiO2，因为它可以被溅射、电镀、旋转涂敷(spun-on)或淀积)，从而向基板102偏转，用于在“闭合”位置操作。结构层112提供电绝缘和所希望的机械性能，包括弹性。作为选择，结构层112可包括氮化硅(SixNy)、氮氧化硅、氧化铝或铝氧化物(AlxOy)、聚合物、聚酰亚胺、高电阻多晶硅、CVD金刚石、它们的合金、或本领域公知的任何其它合适的非导电弹性材料。
横梁108还包括固定到结构层112的下表面116上的导电可移动电极114。可移动电极114形成横梁108的第二层。当MEMS开关100在“打开”位置操作时，可移动电极114设置在固定电极106上方并与固定电极106隔开一个空气间隙。通过在固定电极106和可移动电极114之间施加电压差而使横梁108在朝向基板102的方向移动。给固定电极106和可移动电极114施加电压差可产生电场，这使横梁108向基板102偏移。下面详细介绍MEMS开关100的操作。可移动电极114的尺寸基本上与固定电极106相同。可移动电极114的尺寸基本上可与固定电极106相同。可移动电极114和固定电极106的匹配尺寸产生最大静电耦合，由此产生激励力。这种考虑忽略了来自各个电极边缘的边缘场效应的任何作用。可移动电极114和固定电极106的尺寸匹配具有一些缺点，这些缺点可通过它们的各自尺寸失配来克服。通过制成广度比可移动电极114大的固定电极106，制造工艺容限和制造对准容限对激励响应具有最小影响。第二种考虑是在可移动电极114和固定电极106之间的空间中的电场的增强，该电场被这两个电极的边缘靠得最近的地方增强。由于介质或气体击穿问题，希望将这两个电极的边缘移远。第三种考虑是屏蔽，由此固定电极106可屏蔽可移动电极114不受基板102上的电荷或其它电位的影响。可移动电极114和固定电极106可包括相同材料，如金，因此通过使制造所需要的不同材料的数量最小化而可以简化制造工艺。可移动电极114和固定电极106可包括导体(金、铂、铝、钯、铜、钨、镍和本领域公知的其它材料)、导电氧化物(氧化铟锡)、和低电阻率半导体(硅、多晶硅、和本领域公知的其它材料)。可移动电极114包括导电材料，包括在可移动电极114和结构材料112之间的粘接层(Cr、Ti、TiW等)。可移动电极114包括导电材料和粘接层，其包括扩散阻挡层，用于防止粘接层通过电极材料扩散、防止导体材料通过粘接层扩散或进入结构材料中的。
考虑到击穿或放电、湿化学处理中的“静摩擦”或制造工艺兼容性问题，可移动电极114和固定电极106可包括不同材料。
横梁108还包括固定到结构层112上并穿过可移动电极114向固定电极106突出的第一支座凸块118和第二支座凸块(在图3示出)。当MEMS开关100移动到“闭合”位置时，第一支座凸块118位于可移动电极114和固定电极106之间，用于在可移动电极114表面之前阻止固定电极106。第一支座凸块118防止可移动电极114与固定电极106接触。第一支座凸块118优选包括非导电材料，用于防止可移动电极114和固定电极106之间的不希望的电短路。优选地，第一支座凸块118和第二支座凸块是用与结构层112相同的非导电材料制造的，因为可在制造结构层112时形成第一支座凸块118和第二支座凸块。支座凸块118可包括非导电材料如氧化铝、铝氧化物(AlxOy)、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SixNy)、CVD金刚石、聚酰亚胺、高电阻率多晶硅或本领域公知的其它合适材料。支座凸块118还可包括电隔离材料，如金或铝，或者电绝缘半导体材料，如单晶或多晶硅。支座凸块材料和阻止材料的非短路组合的一些例子包括非导电凸块与导电截断材料、电隔离导电支座凸块与导电截断材料、导电或非导电支座凸块与非导电截断表面、和导电或非导电支座凸块与电隔离导电表面。优选地，第一支座凸块118和第二支座凸块设置在距离锚点最远的可移动电极的端部附近。作为选择，第一支座凸块118和第二支座凸块可设置于可移动电极114的区域附近，在激励期间将首先与固定电极106接触。
横梁108还包括固定到结构层112的下表面116并悬挂在第一固定触头104和第二固定触头之上的导电可移动触头120。可移动触头120通过以下方式设置，当横梁108处于“闭合”位置时它将提供第一固定触头104和第二固定触头之间的电连接。当MEMS开关100在“打开”位置操作时，可移动触头120位于第一固定触头104和第二固定触头上并与这些触头隔开一定空气间隙。当MEMS开关100移动到“闭合”位置时，可移动触头120和第一固定触头104和第二固定触头产生电连接。第一支座凸块118和第二支座凸块可接触固定电极106，以防止固定电极106与可移动电极118接触。作为选择，在可移动触头120与固定触头104接触之前或之后，第一支座凸块118和第二支座凸块可接触固定电极106。可移动触头120的尺寸比第一固定触头104和第二固定触头的尺寸小，从而当考虑到工艺可变性和对准可变性时利于接触。第一固定触头104和第二固定触头的尺寸使得在激励时可移动触头120总是与第一固定触头104和第二固定触头接触。确定可移动触头120与第一固定触头104和第二固定触头的尺寸的第二种考虑是开关的寄生响应。寄生激励响应是由可移动电极114和固定电极106之间的电位差或固定电极106和横梁108之间的电位/电荷差产生的电场造成的，其中所述电位/电荷差产生电场并在可移动触头120上产生力。可移动触头120的尺寸可连接到可移动电极114的尺寸，从而实现寄生激励与激励电压的特定比。
在本实施例中，可移动触头120由与可移动电极114相同的导电材料形成，因为它们各由相同层形成。可移动触头120和可移动电极114可包括导体(例如金、铂、铝、钯、铜、钨、镍和本领域公知的其它合适材料)、导电氧化物(例如氧化铟锡和本领域公知的其它合适材料)、和低电阻率半导体(硅、多晶硅、和本领域公知的其它合适材料)。可移动触头120包括导电材料，该导电材料包括在可移动触头120和结构材料112之间的粘接层(Cr、Ti、TiW、和本领域公知的其它合适材料)。可移动触头120包括导电材料和粘接层，其中粘接层包括扩散阻挡层，用于防止粘接层通过电极材料扩散和导体材料通过粘接层扩散或进入结构材料中。通过由相同材料制造可移动触头120和可移动电极114简化了制造工艺，其中上述相同材料是在相同光刻步骤期间淀积和构图的。对于开关的操作这不是必需的要求，因为对于可移动触头120和可移动电极114材料的要求是不同的。可移动电极114的材料的要求是该材料是良好的导体。对于可移动触头120的要求包括低电阻率、低硬度、低氧化、低磨损和本领域公知的合适触头的其它所希望的性能。
横梁108还包括固定到结构层112的顶表面124上的电极互连122。电极互连122形成横梁108上的第三层。如图所示，电极互连122固定在结构层112的与可移动电极114相反的一侧。电极互连122的尺寸基本上与可移动电极114相同。在本实例中，电极互连122的尺寸与可移动电极114的尺寸相同，并且与可移动电极114对齐。作为选择，电极互连122可具有与可移动电极114不同的尺寸和广度(extent)。优选地，电极互连122具有与可移动电极114相同的尺寸并与可移动电极114对准，以便实现可以随温度变化保持不变的可制造的平坦度。
在本实例中，电极互连122包括具有与可移动电极114相同的热膨胀系数、弹性模量、残余膜应力和其它电/机械性能的导电材料。电极互连122和可移动电极114可包括导体(例如，金、铂、铝、钯、铜、钨、镍、和本领域公知的其它合适材料)、导电氧化物(例如氧化铟锡和本领域公知的其它合适材料)、和低电阻率半导体(例如硅、多晶硅、和本领域公知的其它合适材料)。电极互连122包括导电材料，该导电材料包括在电互连122和结构材料112之间的粘接层。电互连122包括导电材料和粘接层，该粘接层包括扩散阻挡层，该扩散阻挡层用于防止粘接层通过电极材料扩散、防止导体材料通过粘接层扩散或进入结构材料中。在第二实施例中，互连122包括不同于构成可移动电极114的导电材料的导电材料。电极互连122通过互连过孔126电连接到可移动电极114。互连过孔126包括穿过结构层112形成的导电材料，用于将可移动电极114和电极互连122电连接在一起。互连过孔126包括与电极互连122和可移动电极114相同的导电材料。或者，互连过孔126可包括不同于电极互连122和可移动电极114的导电材料。
横梁108还包括固定到结构层112的顶表面124上的接触互连128。如图所示，接触互连128固定在结构层112的与可移动触头120相反的一侧上。接触互连128的尺寸基本上与可移动触头120相同。接触互连128和可移动触头120彼此对准并具有相同尺寸。或者，接触互连128可具有与可移动触头120不同的尺寸和范围。通过机械形式的安排试图保持几何形状均衡。接触互连128和可移动触头120趋于共享几何和热机械的均等。这种均等提供的一种横梁能实现随着温度和其它环境条件如管芯固定、封盖工艺或焊料回流工艺等变化也能保持不变的可制造平坦度。
接触互连128包括具有与可移动触头120相同的热膨胀系数、弹性模量、残余膜应力、和其它本领域公知的电/机械性能的导电材料。接触互连128和可移动触头120可包括导体(例如金、铂、铝、钯、铜、钨、镍、和本领域中公知的其它合适材料)、导电氧化物(例如氧化铟锡和本领域公知的其它合适材料)、和低电阻率半导体(例如硅、多晶硅、和本领域公知的其它合适材料)。接触互连128可包括导电材料，该导电材料包括在接触互连128和结构材料112之间的粘接层(例如，Cr、Ti、TiW、和本领域中公知的其它合适材料)。接触互连128还包括导电材料和粘接层，该粘接层包括扩散阻挡层，该扩散阻挡层用于防止粘接层通过电极材料扩散、防止导体材料通过粘接层扩散或进入结构材料中。作为选择，电极互连126可包括不同于构成可移动触头120的导电材料的导电材料。这个可作为替换的实施例要求互连触头被设计成具有如下尺寸，使得它在几何和热机械性能上能平衡材料性能中的差别。接触互连128通过第二互连过孔130电连接到可移动触头120。第二互连过孔130包括穿过结构层112形成的导电材料，用于电连接可移动触头120和接触互连128。互连过孔130包括与接触互连128和可移动触头120相同的导电材料。互连过孔130可以包括不同于接触互连128和可移动触头120的导电材料。例如，互连过孔130可包括钨或铝，而接触互连128和可移动触头120包括例如金。在本实施例中，第二互连过孔130包括与第一互连过孔124、互连电极120和接触互连128相同的材料。作为选择，第二互连过孔130可包括不同于第一互连过孔126、互连电极122或接触互连128的材料。
通过在可移动电极114和固定电极106之间施加电压差来操作MEMS开关100。施加的电压差使横梁108向基板102偏转，直到可移动触头120接触第一固定触头104和第二固定触头为止，由此在可移动触头120和第一固定触头104和第二固定触头之间实现电连接。参照图2，其中示出了处于“闭合”位置的MEMS开关100的侧视剖面图。如图中所示的“闭合”位置，可移动触头120与第一固定触头104和第二固定触头接触。此外，第一支座凸块118与固定电极106接触。如下所述，MEMS开关100的部件的尺寸使得在“闭合”位置时可移动电极114不与固定电极106接触，这样防止部件106和114的短路。此外，MEMS开关100的部件的尺寸使得在“闭合”位置时第一固定触头104和第二固定触头与可移动触头120接触。通过充分减小或去除在固定电极106和可移动电极114之间施加的电压差，MEMS开关100返回到“打开”位置。这进一步减小了可移动电极114和固定电极106之间的吸引力，从而结构层112的弹性使结构层124返回到基本上平行于基板102的表面的位置。
现在参见图1，电压源132在固定电极106和可移动电极114之间提供电压差。固定电极106通过导线134直接连接到电压源。可移动电极114通过互连过孔126、电极互连122和第二导线136连接到电压源132。导线136提供电压源132和电极互连122之间的连接。互连过孔126提供电极互连122和可移动电极114之间的连接。因此，通过由电压源132施加电压，在固定电极106和可移动电极114之间产生电压差。这就在可移动电极114和固定电极106之间穿过空气间隙建立静电耦合。或者，可移动电极114和固定电极106之间的间隙可以是本领域技术人员公知的任何合适的绝缘流体。
在本实施例中，第一固定触头104、第二固定触头和固定电极106、可移动触头110、可移动电极112、电极互连114、接触互连116、互连过孔122和124包括金属。优选地，为了执行两种功能，可移动电极114和电极互连122由相同材料制造并且尺寸相同。首先，在结构层112的两侧提供力学平衡。提供力学平衡是因为弹性对称，因为是利用相同的方式淀积的膜，从而产生对称应力场，并且是因为热膨胀性能是对称的。通过使用相同材料和使用相同尺寸可保持该弹性对称。对称应力场是通过使用相同工艺淀积相同材料的层和厚度来产生的。对称热膨胀性能使开关操作中相对于温度的任何变化都最小化，因为在结构层112的每侧都具有相同的材料。这意味着由MEMS开关100呈现的任何功能变化都主要取决于工艺变化，而工艺变化通过工艺中的适当的最优化设计而可以被最小化。其次，可提高触头承载能力，因为可移动触头120和接触互连128由相同材料制造且尺寸相同并由互连过孔130电连接。优选地，横梁108具有相同类型的金属、通过相同的工艺淀积、被构图成相同的几何形状、和淀积到相同的厚度，但是也可使用不同的材料，使之具有适当的设计和特性。为了解决触头粘接、冷焊接、或热焊接的问题，第一固定触头104、第二固定触头、固定电极106、可移动电极114、可移动触头120、电极互连122、接触互连126和互连过孔126和130可以是不同材料或相同材料的不同合金的。该材料选择使接触电阻和故障如静摩擦最小化。
在“打开”位置中，可移动触头120与第一固定触头104和第二固定触头被间隙距离a138分开，如图1所示。可移动电极114与固定电极106分开间隙距离b140。在本实施例中，距离a138小于距离b140。如果距离a138小于距离b140，则MEMS开关100的操作更可靠，因为使固定电极106和可移动电极114之间短路的可能性减小了。横梁108的长度由距离c142表示。可移动触头120的中心距离固定架110为距离d144，距离横梁108的远离固定架110的一端为距离e146。远离固定架110的电极互连122的边缘距离固定架110的距离为f148。在本实施例中，距离a138优选为标称(nominally)微米；距离b140优选为2微米；距离c142优选为155微米；距离d144优选为135微米；距离e146优选为20微米；距离f148优选为105微米；和距离g150优选为10微米。指定这些尺寸是为了提供功能性能，但是也可以选择其它尺寸以便优化用于其它功能要求的可制造性和可靠性。例如，在本实施例中，支座凸块118与固定电极106分开距离a138。根据需要，分开支座凸块118与固定电极106的距离可以与分开可移动触头120和固定触头104的距离不同或相同。
参见图3，其中示出了MEMS开关100的固定电极106、结构层112、可移动电极114和电极互连120。可移动电极114的宽度由距离a300表示。电极互连120的宽度由距离b302表示。优选地，可移动电极114和电极互连120的宽度相同。或者，可移动电极114和电极互连120可具有不同的宽度。固定电极106的宽度由距离c304表示。结构层112的宽度由距离d306表示。可移动电极114、电极互连120和固定电极106的厚度分别由距离e310、f310和g312表示。结构层118的厚度由距离h314表示。第一固定触头104和固定电极106的尺寸可以分别比可移动电极114和可移动触头120的尺寸大，以利于屏蔽MEMS开关100不受任何寄生电压影响。如上所述，MEMS开关100包括第二支座凸块314。作为替换，可预想结构层112或可移动电极314可包括延伸穿过结构层112或可移动电极314的宽度的单一支座凸块。在本实施例中，距离a300为75微米；距离b302优选为75微米；距离c304优选为95微米；距离d306优选为85微米；距离e308优选为0.5微米；距离f310优选为0.5微米；距离g312优选在0.3微米和0.5微米之间；距离h314优选为2微米。选择这些尺寸是为了提供某一功能性能。可以选择其它尺寸，从而对于其它功能需求而优化可制造性和可靠性。
参见图4，其中示出了MEMS开关100的顶部示意图。如图所示，电极互连120和接触互连128一般为矩形形状。电极互连120和接触互连128的外角可以被倒圆，从而含有内部凹角(reentrant corner)，用于减小由导体之间的电位差产生的电场的增强。在本实施例中，可移动电极114的尺寸与电极互连124的尺寸相同。或者，电极互连120可以是基本上与可移动电极114的形状匹配的另一形状。此外，接触互连128的形状基本上与可移动触头120的形状匹配。互连过孔126和130由虚线示出。在本实施例中，互连过孔126和130为矩形形状，但是也可以是圆形、椭圆形或具有倒圆角的矩形。电极互连120的宽度基本上等于接触互连128的宽度。在本实施例中，电极互连122和接触互连128的宽度为75微米。
参见图5和6，其中示出了根据本发明另一实施例的总体用500表示的另一MEMS开关的不同示意图。具体参照图5，其中示出了MEMS开关500的顶部透视图。MEMS开关500包括总体用502表示横梁，该横梁具有在一端506固定在固定架(未示出)上的结构层504。横梁502还包括固定在结构层504的顶侧的电极互连508和接触互连510。可移动电极512(如图6所示)和可移动触头514(如图6所示)位于结构层504的下侧并分别与电极互连508和接触互连510对准并分别与电极互连508和接触互连510基本上尺寸相同。电极互连508和接触互连510经上述互连过孔通过结构层504分别电连接到可移动电极和可移动触头。
参见图6，其中示出了MEMS开关500的底部透视图。MEMS开关500还包括固定到基板524(如图5所示)的表面522上的固定电极516和固定触头518和520。当MEMS开关500在“闭合”位置操作时可移动触头514与触头518和520接触。因此，在“闭合”位置时，固定触头518和520经可移动触头514电连接。此外，触头518和520可通过可移动触头522和接触互连510而连接。可移动触头514还包括第一和第二组接触凸块，总体上分别表示为526和528。接触凸块526和528包括导电材料，用于在“闭合”位置时促进在固定触头518和520之间电连接。接触凸块526和528减小了可移动触头514和固定触头518和520之间的间隙距离，由此减小了在固定电极516和可移动电极512之间短路的可能。接触凸块526和528确保了与固定触头518和520的可靠接触，因为没有接触凸块，将在可移动触头514与固定触头518和520之间的表面522之间存在干扰的电位。此外，接触凸块526和528提供设计柔性以满足接触电阻和电流容量的要求。这些要求可以通过下面的优化来实现接触凸块的几何形状(例如圆形、正方形、椭圆形、矩形、半球形)和几个接触凸块的几何图形，如矩形图形(如1个凸块在2个凸块之前)、三角图形(具有2个凸块在一个凸块之前)、椭圆图形、和星形图形。在本实施例中，所示的接触凸块526和528是圆柱形的并组成一组为3个凸块的三角形组，其中1个凸块在2个凸块之前。此外，接触凸块526和528可以看作是接触微粒的宏观形式，这通常由接触表面的表面粗糙度来确定。接触电阻和电流容量由微观微粒的数量来确定，因此微粒的宏观定义增强了设计空间。
MEMS开关500还包括固定到结构层504上并通过可移动电极512向固定电极516突出的第一支座凸块530和第二支座凸块532。支座凸块530和532位于可移动电极512和固定电极516之间，用于在MEMS开关500移动到“闭合”位置时在可移动电极512的表面之前阻止固定电极516。
参见图7-9，其中示出了根据本发明另一实施例的总体表示为700的另一MEMS开关的不同示意图。具体参见图7，其中示出了MEMS开关700的底部的透视图。应该指出，为了展示的目的，在图7中未示出基板(在图8和9中示出)。MEMS开关700包括在一端704固定到固定架(未示出)上的总体用702表示的横梁。横梁702经结构层706固定到固定架。横梁702还包括固定到结构层706的顶侧的电极互连708和接触互连710。可移动电极712和可移动触头714固定到结构层706的下侧并设置成分别与电极互连708和接触互连710对准，而且分别与电极互连708和接触互连710的尺寸基本相同。电极互连708和接触互连710经过互连过孔通过结构层706分别电连接到可移动电极712和可移动触头714。
MEMS开关700还包括形成在基板上的第一固定触头716和第二固定触头718。可移动触头714包括第一接触凸块720和第二接触凸块722，这些接触凸块从可移动触头714突出，用于减小可移动触头714和固定触头716和718之间的间隙距离。接触凸块720和722包括导电材料，用于在MEMS开关700处于“闭合”位置时提供固定触头716和718之间的电连接。
MEMS开关700包括形成在基板上的固定电极724。横梁702还包括固定在结构层706上并通过可移动电极712向固定电极724突出的第一支座凸块726和第二支座凸块728。支座凸块726和724防止可移动电极712与固定电极728接触。支座凸块726和728可包括非导电材料，用于防止在可移动电极712和固定电极724之间的不希望的电短路，并且支座凸块726和728可位于可移动电极712的距离锚点最远的端部附近。支座凸块726和728相对于接触凸块720和722的定位可能是关键的因素。支座凸块726和728的最佳定位使得可以在不使电极712和724短路以及不使触头716和720与触头718和722之间的接触力最大化的情况下支持过驱动激励电压，由此使接触电阻最小化。优选地，支座凸块726和728比接触凸块720和722更靠近固定端704。在这种结构中，在支座凸块726和728与固定电极724建立接触之前，接触凸块720和722与固定触头716和718分别建立接触。一旦接触凸块720和722分别接触固定触头716和718，激励电压可能增加，从而增加接触力和降低接触电阻。随着激励电压增加，接触电阻可能继续减小，直到支座凸块726和728接触固定电极724为止。当支座凸块726和728与固定电极724之间实现接触时，接触电阻和短路的机会随着电压增加而开始增加，而电压增加是不希望的条件。支座凸块726和728可以定位为穿过横梁702的宽度，使得随着横梁宽度增加，优选支座凸块数量增加，从而保持电极712和724绝缘。此外，优选将被支座凸块占据的结构层706的总表面面积最小化，因为这将减少用于可移动电极712的表面的量，由此减小静电力。
现在参见图8，提供了在“打开”位置操作的一种MEMS开关700的顶部透视图。通过在电极互连708和固定电极724之间施加足够的电压，横梁702向基板800偏转以实现“闭合”位置的操作。现在参照图9，其中示出了处于“闭合”位置的MEMS开关700的顶部透视图。
参见图10和11，其中示出了根据本发明另一实施例的总体表示为1000的另一MEMS开关的不同示意图。具体参见图10，其中示出了MEMS开关1000的顶部透视图。MEMS开关1000包括总体表示为1002的横梁，横梁1002在一端1004固定到固定架(未示出)上。横梁1002经结构层1006固定到固定架。横梁1002还包括固定到结构层1006的顶侧的电极互连1008和接触互连1010。可移动电极1012(如图10所示)和可移动触头1014(图中未示出)固定到结构层1006的下侧并设置成分别与电极互连1008和接触互连1010对准，而且分别与电极互连1008和接触互连1010的尺寸基本相同。电极互连1008和接触互连1010经过上述互连过孔通过结构层1006分别电连接到可移动电极和可移动触头。
MEMS开关1000还包括形成在基板1022的表面1020上的固定触头1016和接触电极1018。固定电极1016和固定触头1018分别与电极互连1008和接触互连1010对准并且分别与电极互连1008和接触互连1010的尺寸基本相同。横梁1002的端部1004相对于基板1022固定。如图所示，电极互连1008部分地围绕接触互连1010。在本实施例中，可移动电极1012基本上围绕可移动触头1014。电极互连、可移动电极和固定电极的这种远离锚点的设置还减少了将MEMS开关移动到“闭合”位置所需的功率。此外，这种结构可以帮助防止由施加于固定触头1018和可移动触头1014之间的寄生电压而产生的不希望的激励。如本实施例中所示，与前述实施例相比，电极互连1008、可移动电极1012和固定电极1016比触头更宽。
参见图11，其中示出了MEMS开关1000的侧部透视图。可移动电极1012分别包括第一和第二支座凸块1024和1026，这些凸块优选包括非导电材料。支座凸块1024和1026用于防止可移动电极1012和固定电极1016之间短路。在操作期间在横梁1002向固定电极1016偏转时，可防止可移动电极1012与固定电极1016接触，因为支座凸块1024和1026从可移动电极1012向固定电极1016方向突出。可移动触头1014还包括支座凸块1028，该支座凸块1028包括导电材料。
可移动触头1014包括接触凸块1028，接触凸块1028延伸超过支座凸块1024和1026，用于在使MEMS开关1000“闭合”的操作中在支座凸块1024和1026之前与固定触头1018接触。在本实施例中，接触凸块1028可具有与支座凸块1024和1026相同的延伸长度以简化工艺流程。支座凸块1024和1026相对于接触凸块1028的最佳定位使得在不使电极1012和1016短路的情况下可以支持最大过驱动电压，其中接触力最大化。因此，支座凸块1024和1026的位置设置得比接触凸块1028更靠近固定端1004。在这种结构中，在支座凸块1024和1026与固定电极1016接触之前，接触凸块1028与固定触头1018接触。一旦接触凸块1028接触固定触头1018，激励电压将增加，从而增加接触力和减小接触电阻。接触电阻继续减小，直到支座凸块1024和1026与固定电极1016建立接触为止。当支座凸块1024和1026接触固定电极1016时，接触电阻和短路的机会增加。支座凸块1024和1026的位置设置为穿过横梁1002的宽度，从而横梁宽度增加，支座凸块的数量也增加。
接触凸块1028相对于支座凸块1024和1026的优选位置允许在支座凸块1024和1026接触固定电极1016之前接触凸块1028与固定电极1018建立接触。这种结构提供在固定触头1018和接触凸块1028的界面上将建立的最佳接触力，这提供低接触电阻和更可靠的连接。作为选择，可以提供这样的结构，其中接触凸块1028接触固定触头1018，同时固定电极1016接触支座凸块1024和1026。此外，在可选择的方案中，可提供如下结构，其中支座凸块1024和1026可构成为在固定触头1018和接触凸块1028的接触之前与固定电极1016接触。
参见图12和13，其中示出了根据本发明另一实施例的总体用1200表示的另一MEMS开关的不同示意图。具体参见图12，其中示出了MEMS开关1200的顶部透视图。MEMS开关1200包括在一端1204固定到固定架(未示出)上的总体用1202表示的横梁。横梁1202经结构层1206固定到固定架。横梁1202还包括固定到结构层1206的顶侧的电极互连1208和接触互连1210。可移动触头1300(如图13所示)和可移动电极1302(如图13所示)位于结构层1206的下侧，并设置成分别与电极互连1208和接触互连1210对准，而且分别与电极互连1208和接触互连1210的尺寸基本相同。电极互连1208和接触互连1210经过上述互连过孔通过结构层1206分别电连接到可移动电极1302和可移动触头1300。
MEMS开关1200还包括固定到基板1220的表面1218上的固定电极1212和第一和第二固定触头1214和1216。固定电极1212与电极互连1208和接触互连1210分别对准并分别与它们的尺寸基本相同。如图所示，电极互连1208部分地围绕接触互连1210。结构层1206包括位于端部1204处的变窄的锚定区(anchor zone)，用于减小“闭合”MEMS开关1200所需的激励力。所需的激励力减小了是因为必须向固定电极1212方向弯曲的结构层1206的局部横截面面积减小了。通过给电极互连1202和固定电极施加过驱动电压而提高了接触。
在本实施例中，结构层1206的宽度与电极互连1208或可移动电极1302的宽度没有联系。当结构层1206的宽度和可移动电极的宽度基本上相同时，激励电压的大小将与结构层宽度无关。这意味着对于任何宽度来说激励电压都是不变的，但是接触力和击穿(breaking)力将增加。本实施例的可测量性被限制于增加接触/击穿力，而不是减小激励电压或过驱动开关的能力。通过使结构层1206的宽度与电极互连1208和可移动电极(未示出)无关，该设计的可测量性增加，因为激励电压可以最小化，实现高接触力的过驱动能力可以最大化，并且接触力发展可以最大化。随着结构层1206、电极互连1208和可移动电极的宽度增加，同时固定端1204的宽度保持在恒定值，则激励电压将减小，接触力将增加，接触电阻将减小，并且过驱动的量将增加。过驱动容量的大小由激励电压和施加于激励电极之间的最大电压之间的差来确定。过驱动容量(电压差)将随着激励电压和最大电压之间的差的增加而增加。
现在参见图13，MEMS开关1200还包括可移动触头1300和可移动电极1302。如上所述，可移动电极1302包括第一支座凸块1304和第二支座凸块(未示出)。如上所述，可移动触头1300包括第一和第二接触凸块1306和1308。基于上述原因，第一支座凸块1304和第二支座凸块被构成在接触凸块1306和1308的后面。
参见图14和15，其中示出了根据本发明另一实施例的总体用1400表示的另一MEMS开关的不同示意图。具体参见图14，其中示出了MEMS开关1400的顶部透视图。MEMS开关1400包括在总体用1402表示的横梁，横梁1402具有一端1406固定到固定架(未示出)上的结构层1404。横梁1402还包括固定到结构层1404的顶侧的电极互连1408和接触互连1410。可移动电极1420(如图15所示)和可移动触头1422(如图15所示)位于结构层1404的下侧并分别与电极互连1408和接触互连1410对准，而且分别与电极互连1408和接触互连1410的尺寸基本相同。电极互连1408和接触互连1410经过上述互连过孔通过结构层1404分别电连接到可移动电极1420和可移动触头1422。
参见图15，其中示出了MEMS开关1400的侧视透视图。MEMS开关1400还包括形成在基板1418(图14中所示)的表面1416(如图14中所示)上的固定电极1412和固定触头1414。固定电极1412和固定触头1414分别与电极互连1408和接触互连1410对准，并且尺寸与电极互连1408和接触互连1410基本相同。如图所示，电极互连1408部分地围绕接触互连1410。
横梁1402还包括可移动电极1420和可移动触头1422。可移动电极1420包括一般设置在可移动电极1420的表面的距离端部1406最远的角部区域处的支座凸块1424、1426、1428和1430。支座凸块1424、1426、1428和1430优选包括非导电材料。可移动触头1422包括接触凸块1432，该接触凸块1432包括导电材料。支座凸块1424、1426、1428和1430远离接触凸块1432并且在接触凸块1432与固定触头1414接触之前可与固定电极1412接触。一旦支座凸块1424、1426、1428和1430建立接触，则激励电压增加使横梁1402进一步变形，这种变形包括在支座凸块1424、1426、1428和1430上的枢轴旋转。激励电压增加，直到接触凸块1432与固定触头1414接触为止。
横梁1402包括三个柔顺切口1434、1436和1438，用于增加横梁1402的柔顺性。随着激励电压增加以建立接触，柔顺切口1434、1436和1438利于横梁1402的变形。可移动触头1422位于柔顺切口1434、1436和1438的附近或其之间的中心部位，从而增加横梁108在可移动触头1422的接触位置的柔性。本实施例通过使激励电极延伸远超过可移动触头1422来提高了激励电压与寄生激励电压之比。这种定位降低了激励电压并增加了寄生激励电压。此外，本实施例由于围绕支座凸块1424、1426、1428和1430的旋转而有利于接触。
参见图16，其中示出了根据本发明另一实施例的具有折叠式横梁几何结构的总体表示为1600的MEMS开关的横梁的底部示意图。MEMS开关1600包括固定到两个折叠式横梁1604和1606上的臂1602。折叠式横梁1604和1606固定在悬臂1602的端部1608。折叠式横梁1604和1606用于将悬臂1602固定到固定架1610上，并将悬臂1602悬挂于基板(未示出)上方。臂1602和折叠式横梁1604和1606通过结构层1612互连，该结构层1612为臂1602和折叠式横梁1604和1606提供弹性结构。臂1602和折叠式横梁1604和1606包括基本上在结构层1612的底表面上延伸的可移动电极1614。臂1602还包括固定在远离端部1608的端部1618的可移动触头1616。电极互连(未示出)和接触互连(未示出)可位于结构层1612的顶侧，并分别与可移动电极1614和可移动触头1616对准且与可移动电极1614和可移动触头1616尺寸基本相同。可移动电极1614和可移动触头1616通过结构层1612经上述互连过孔分别电连接到电极互连和接触互连。悬臂1602由折叠式横梁1604和1606悬挂，使得可移动触头位于固定架1610附近。横梁结构的这种折叠产生了具有长有效长度的横梁，从而降低了激励电压。可移动触头1616位于固定架1610附近，以产生到寄生激励的静电压中心的短距离，具有增加静电压的效果。
本实施例的主要优点是实现了高寄生激励和低激励电压。这是通过悬臂1602从折叠式横梁1604和1606的悬挂以及将可移动触头1616设置在固定架1610附近来实现的。通过施加激励电压，向基板拉动折叠式横梁1604和606。随着折叠式横梁1604和1606向基板方向被拉动，悬臂1602向着或远离基板变形，这产生虚支点。支点1620的位置可以通过以下参数来确定悬臂1602到折叠式横梁1604和1606的相对长度；固定电极在基板上的几何形状和布局；和相对于折叠式横梁1604和1606的硬度的悬臂1602的硬度。例如，固定电极(未示出)可以被限制在直接位于悬臂1602下面的区域和悬臂1608的远端连接到折叠式横梁1604和1606的区域。设置虚支点是为了实现低激励电压和高寄生电压。MEMS开关1600包括位于悬臂1602和折叠式横梁1604和1606的连接部位的支座凸块1620和1622，用于防止可移动电极1614和固定电极短路。
参见图17和18，其中示出了根据本发明另一实施例的具有双激励电极的总体表示为1700的MEMS开关的不同示意图。具体参见图17，其中示出了MEMS开关1700的顶部透视图。MEMS开关1700包括在结构层1706的中心部分1704顶侧的接触互连1702。结构层1706的中心部分1704固定到第一挠性件1708和第二挠性件1710上。结构层1706的第一部分1712和第二部分1714分别连接到第一挠性件1708和第二挠性件1710。结构层1706的第一部分1712和第二部分1714分别连接到第一挠性件1708和第二挠性件1710。第一部分1712和第二部分1714连接到固定架(未示出)。
MEMS开关1700还包括固定到第一部分1712和第二部分1714的顶侧的第一电极互连1716和第二电机互连1718。第一可移动电极1800、第二可移动电极1802(如图18所示)和可移动触头1804(如图18所示)位于结构层1704的下侧并分别与第一电极互连1716、第二电机互连1718和接触互连1702对准，并分别与第一电极互连1716、第二电机互连1718和接触互连1702的尺寸基本相同。第一电极互连1716、第二电极互连1718、和接触互连1702通过上述互连过孔分通过结构层1706别电连接到第一可移动电极、第二可移动电极和可移动触头。
MEMS开关1700还包括基板1720，基板1720具有固定在其表面1726上的第一固定电极1722、第二固定电极1724、和固定触头1806(如图18所示)。第一固定电极1722、第二固定电极1724和固定触头1806可以设置成与第一可移动电极1800、第二可移动电极1802和接触电极1804对准并且尺寸基本上与第一可移动电极1800、第二可移动电极1802和接触电极1804大小相同。
现在参见图18，其中示出了MEMS开关1700的结构层1706的下侧的透视图。如上所述，第一可移动电极1800、第二可移动电极1802、和可移动触头1804固定到结构层1706的下侧。图18中未示出基板1720是为了显示第一固定电极1722、第二固定电极1724、第一固定触头1806和第二固定触头1808相对于第一可移动电极1800、第二可移动电极1802、可移动触头1804和第二可移动触头1806的定位。可移动触头1804包括接触凸块1810，该接触凸块1810优选包括上述导电材料。MEMS开关1700还包括支座凸块1812、1814、1816和1818。本实施例具有提高激励电压与寄生激励电压的比率的优点。本实施例包括上述的两个简单悬臂横梁开关。可移动触头1804和接触互连1702被挠性件1708和1710悬挂在两个结构1712和1714之间。挠性件1708和1710使触头与包括开关1700的材料中的残余膜应力隔离。在操作期间，激励电压分别施加于固定电极1722和1724与可移动电极1800和1802之间。激励电压使结构1706的悬臂部分1712和1714产生偏转。激励电压的大小使得接触凸块1810与固定触头1806和1808建立接触。原则上，两个结构1712和1714被驱动以建立接触，但是激励电压保持与激励单个结构的激励电压相同。由于寄生电压必须克服这两个元件，这大大提高了激励电压与寄生电压比，因此实现了这个优点。挠性件1708和1710在从结构1712的端部到结构1714的端部所表示的方向是柔顺的。挠性件1708和1710在垂直于基板的方向具有受限的柔顺性，因为这将对寄生激励产生副面影响。
参见图19A-19K，现在介绍根据本发明的表面微机械加工工艺的具有支座凸块的MEMS开关的制造方法的实施例。具体参见图19A，提供基板1900，并且该基板可包括硅。作为选择，基板1900可包括本领域技术人员公知的任何其它合适材料。如果基板1900的成分被选择为导电或半导电材料，一个非导电的、第一介质层1902积淀在基板1900的顶部面上，或者积淀在基板1900的顶部面中希望有电触头和导电区的一部分上。
参见图19B-19C，其中示出了用于制造固定触头1904和固定电极1906的工艺。参见图19B，第一导电层1908淀积在第一介质层1902上。该淀积可以通过本领域公知的任何合适的工艺来制造，如溅射、蒸发或电镀。如上所述对第一导电层1908进行构图。参见图19C，固定触头1904和固定电极1906是通过构图同时形成的。构图可通过本领域公知的任何合适工艺来实现，如剥离、蚀刻或研磨。该层的淀积还可以进行提供与其它电子部件电互连、平面接地或屏蔽或者散热的功能。或者，固定触头1904和固定电极1906可在分开的工艺中形成。其它层可以设置在基板1900、第一介质层1902、以及部件1904和1906之间，用于形成提供本领域公知的功能的微型部件，如固定触头1904和其它电子部件之间的电连接。
参见图19D，淀积厚度均匀的牺牲层1910，从而其顶表面优选被平面化。牺牲层1910在固定触头1904和固定电极1906和三层横梁结构之间限定间隙，这些将在下面详细说明。牺牲层1910包括聚合物。或者，牺牲层1910可以是金属、聚合物、介质或本领域技术人员公知的任何其它合适材料，使得除去的化学组成(removalchemistry)与其它电的和结构材料兼容。
作为选择，牺牲层1910可以被构图和蚀刻，使得接触凸块形成在横梁结构下侧的一个结构的凹陷处，或者形成凹陷的更大结构。或者，可通过本领域技术人员公知的其它合适手段形成凹槽。
参见图19E，其中示出了用于制造可移动触头1912和可移动电极1914的工艺。可在牺牲层1910中蚀刻沟槽，用于设置可移动触头1912和可移动电极1914。此外，沟槽1916可以被蚀刻在牺牲层1910中，用于形成将横梁固定到基板1900和将横梁悬挂在部件1904和1906上方的结构。用于形成可移动触头1912的沟槽可包括进一步进入牺牲层310中的附加沟槽部分，用于在可移动触头1912上形成接触凸块。
参见图19F-19G，其示出了用于制造支座凸块1918和结构层1920的工艺。现在参见图3F，将支座通孔1922蚀刻得贯穿可移动电极1914并进入牺牲层1910。或者，可以蚀刻沟槽，用于形成穿过其它层并进入牺牲层1920的支座凸块，从而形成延伸到横梁和基板1900之间的间隙中支座凸块。参见图3G，结构层1920可淀积在可移动触头312、可移动电极314、牺牲层310和第一介质层302上。结构层1920还可以淀积在用于形成支座凸块1918的支座通孔1922中。可以利用本领域技术人员公知的任何合适工艺制造成支座凸块，使该支座凸块固定在横梁上，从而延伸到横梁和基板之间的间隙中。本实施例中，结构层1920包括氧化物。或者在另一替换实施例中，支座凸块1918可以以与结构层1920不同的处理步骤形成，例如在形成任何后续形成的部件之前在牺牲层1910中蚀刻沟槽并形成接触凸块1918。在不希望蚀刻穿透后续形成的部件以形成接触凸块1918时，这个替换实施例是有利的。
参见图19H-19J，其中示出了用于同时制造下列导电微型结构的工艺接触互连1924、电极互连1926、和互连过孔1928和1930。具体参见图19H，在结构层1920中蚀刻凹槽1932和1934分别用于形成互连过孔1928和1930。凹槽1932和1934穿过结构层1920被蚀刻到可移动触头1912和可移动电极1914。
现在参见图19I，第二导电层1936淀积在结构层1920上以及淀积在凹槽1932和1934中，如图所示，用于形成从可移动触头1912和可移动电极1914到结构层1920的顶表面的电连接。接着，对第二导电层1936进行构图，用于形成接触互连1924和电极互连1926，如图19J所示。互连过孔1928和1930可在淀积上述第二导电层1936之前通过另一导电层形成。
在本实施例中，固定触头1904、固定电极1906、可移动触头1912、可移动电极1914、电极互连1926、接触互连1924和互连过孔1928和1930包括金属。优选地，可移动电极1914和电极互连1926由相同的材料制造并且尺寸相同，以便执行两种功能。首先，它提供结构层1922两侧上的机械平衡。提供该机械平衡是因为弹性对称，因为这些膜是用相同的方式淀积的，从而产生对称应力场，并且因为热膨胀性能也是对称的。弹性对称是通过使用相同材料和使用相同尺寸来保持的。对称应力场是通过使用相同工艺和厚度淀积相同材料来产生的。对称热膨胀性能使开关操作中相对于温度的任何变化都最小化，因为在结构层1922的每侧具有相同的材料。这意味着MEMS开关呈现的任何功能变化都将主要取决于工艺变化，而工艺变化可以通过工艺中的适当优化设计来最小化。其次，有助于触头的电流承载能力。优选三层横梁具有相同类型的金属、通过相同的工艺积淀、被构图成相同的几何形状和淀积成相同的厚度，但是使用不同的材料会具有不同的设计和特性。为了解决触头粘接、冷焊接或热焊接的问题，固定触头1904、固定电极1906、可移动电极1914、可移动触头1912、电极互连1926、接触互连1924和互连过孔1928和1930可以是不同的材料或相同材料的不同合金。材料选择可以使接触电阻和如静摩擦等故障最小化。
参见图19K，其示出了制造MEMS开关中的最终步骤。在该步骤中，除去牺牲层1910，由此形成总体表示为1938的三层横梁。可以通过本领域技术人员公知的任何合适方法除去牺牲层1910。
所示的MEMS开关处于“打开”位置。在“闭合”位置时，横梁1938朝向基板1900偏转，并且可移动触头1912与固定触头1904接触。如上所述，可以在电极互连1926和固定电极1906之间施加电压，用于移动MEMS开关到“闭合”位置。支座凸块1918延伸到固定电极1906和可移动电极1914之间的间隙中，以防止电极1906和1914接触。
应该理解，在不脱离本发明范围的情况下可以改变本发明的各种细节。上述各开关实施例可以适用于悬臂横梁、双支撑横梁、板或本领域技术人员公知的其它公知类型的开关几何形状。此外，前面的描述只是用于说明的目的，而不是用于限制本发明，本发明的范围由所附权利要求书来限定。
权利要求
1.一种悬挂在基板上方的可移动MEMS部件，该部件包括(a)具有可移动电极并与基板分开一定间隙的结构层；和(b)固定到结构层上并延伸到所述间隙中的至少一个支座凸块，当该部件移动时所述支座凸块用于防止可移动电极与导电材料接触。
2.根据权利要求1所述的MEMS部件，其中所述结构层包括非导电弹性材料。
3.根据权利要求1所述的MEMS部件，其中可移动电极包括金属材料。
4.根据权利要求1所述的MEMS部件，其中可移动电极包括半导体材料。
5.根据权利要求1所述的MEMS部件，还包括固定到结构层上的与可移动电极相对的一侧上的电极互连，该电极互连与可移动电极电连接。
6.根据权利要求5所述的MEMS部件，其中可移动电极和电极互连具有基本相同的各自的热膨胀系数。
7.根据权利要求1所述的MEMS部件，其中所述至少一个支座凸块包括非导电材料。
8.根据权利要求1所述的MEMS部件，其中所述至少一个支座凸块固定到可移动电极上。
9.根据权利要求1所述的MEMS部件，其中结构层包括相对于基板固定的至少一个端部，并且所述至少一个支座凸块固定到可移动电极的远离所述至少一个固定端部的端部上。
10.根据权利要求1所述的MEMS部件，其中所述至少一个支座凸块包括第一和第二支座凸块，并且第一支座凸块和第二支座凸块固定到可移动电极的远离所述至少一个固定端部的端部上。
11.根据权利要求10所述的MEMS部件，其中第一支座凸块和第二支座凸块位于与所述至少一个固定端部距离基本相等的位置。
12.根据权利要求1所述的MEMS部件，其中结构层包括可移动触头，当该可移动部件向固定触头移动时所述可移动触头用于接触固定触头。
13.根据权利要求12所述的MEMS部件，其中可移动触头包括延伸到所述间隙中的至少一个接触凸块，由此在可移动电极与导电材料接触之前可移动触头与固定触头接触。
14.一种具有支座凸块的MEMS器件，该器件包括(a)具有固定电极和第一固定触头的基板；和(b)悬挂在基板上方的可移动部件，该部件包括(i)具有可移动电极和可移动触头的结构层，其中可移动电极与固定电极分开第一间隙，可移动触头与第一固定触头分开第二间隙；和(ii)固定到结构层上并延伸到第一间隙中的至少一个支座凸块，用于防止可移动电极与固定电极接触。
15.根据权利要求14所述的MEMS器件，其中所述结构层包括非导电弹性材料。
16.根据权利要求14所述的MEMS器件，其中所述可移动电极包括金属材料。
17.根据权利要求14所述的MEMS器件，其中可移动电极包括半导体材料。
18.根据权利要求14所述的MEMS器件，其中所述部件还包括固定到结构层的与可移动电极相对的一侧上的电极互连，该电极互连与可移动电极电连接。
19.根据权利要求18所述的MEMS器件，其中可移动电极和电极互连具有基本相同的各自的热膨胀系数。
20.根据权利要求14所述的MEMS器件，其中所述至少一个支座凸块包括非导电材料。
21.根据权利要求14所述的MEMS器件，其中所述至少一个支座凸块位于与可移动电极相邻的位置。
22.根据权利要求14所述的MEMS器件，其中所述至少一个支座凸块固定到可移动电极上。
23.根据权利要求14所述的MEMS器件，其中所述结构层包括相对于基板固定的至少一个端部，并且所述至少一个支座凸块固定到可移动电极的远离所述至少一个固定端部的端部上。
24.根据权利要求14所述的MEMS器件，其中所述至少一个支座凸块包括第一和第二支座凸块，其中第一支座凸块和第二支座凸块固定到可移动电极的远离所述至少一个固定端部的端部上。
25.根据权利要求24所述的MEMS器件，其中第一支座凸块和第二支座凸块位于与所述至少一个固定端部距离基本相同的的位置上。
26.根据权利要求14所述的MEMS器件，其中可移动触头位于所述结构层的远端。
27.根据权利要求26所述的MEMS器件，其中可移动电极位于可移动触头和结构层的固定端部之间的结构层上。
28.根据权利要求14所述的MEMS器件，其中可移动电极包括基本上围绕可移动触头的部分。
29.根据权利要求28所述的MEMS器件，其中所述至少一个支座凸块固定到基本上围绕可移动触头的可移动电极的部分上。
30.根据权利要求14所述的MEMS器件，其中所述部件还包括固定到结构层的与可移动触头相对的一侧上的接触互连，并且该接触互连与可移动触头电连接。
31.根据权利要求14所述的MEMS器件，其中可移动触头包括延伸到第二间隙中的接触凸块，由此在可移动电极和固定电极接触之前，可移动触头与第一固定触头接触。
32.根据权利要求14所述的MEMS器件，其中可移动触头包括延伸到第二间隙中的第一和第二组接触凸块，所述基板还包括第二固定触头，因此在可移动电极与固定电极接触之前，第一和第二组触头分别与第一固定触头和第二固定触头接触。
33.根据权利要求14所述的MEMS器件，其中所述部件还包括延伸到结构层中的至少一个柔顺切口。
34.根据权利要求14所述的MEMS器件，其中结构层包括相对于基板固定的第一和第二端部。
35.一种具有支座凸块的MEMS开关，该开关包括(a)包括第一和第二固定电极和固定触头的基板，其中固定触头位于第一和第二固定电极之间；(b)包括相对于基板固定的第一和第二端部的结构层，该结构层包括具有底表面的第一、第二和第三部分，所述底表面悬挂在基板上方；(c)固定到第一部分的底表面上并与第一固定电极隔开第一间隙的第一可移动电极；(d)固定到结构层上并延伸到第一间隙中的第一支座凸块，用于防止第一可移动电极与第一固定电极接触；(e)固定到第二部分的底表面上并与第二固定电极隔开第二间隙的第二可移动电极；(f)固定到结构层上并延伸到第二间隙中的第二支座凸块，用于防止第二可移动电极与第二固定电极接触；和(g)固定到第三部分的底表面上并悬挂在固定触头上的可移动触头。
36.根据权利要求35所述的开关，其中结构层包括非导电弹性材料。
37.根据权利要求35所述的开关，其中结构层还包括(a)与底表面相对的顶表面，该顶表面包括分别与结构层的第一、第二和第三部分相对的第一、第二和第三部分；(b)分别固定到结构层的顶表面的第一和第二部分的第一和第二电极互连。
38.根据权利要求35所述的开关，其中第一和第二支座凸块包括非导电材料。
39.根据权利要求35所述的开关，其中第一和第二支座凸块分别固定到第一和第二可移动电极上。
40.根据权利要求35所述的开关，其中第一和第二支座凸块分别固定到第一和第二可移动电极的与可移动触头相邻的部分上。
41.一种具有支座凸块的MEMS开关，该开关包括(a)具有固定电极和固定触头的基板；(b)悬挂在基板上方的可移动折叠式部件，该部件包括(i)具有底表面的结构层，该结构层包括第一和第二折叠式横梁和固定到第一和第二折叠式横梁的固定端的悬臂；(ii)与基板分开第一间隙的可移动电极；(iii)固定到结构层并延伸到第一间隙中的至少一个支座凸块，当所述部件向基板移动时所述至少一个支座凸块用于防止可移动电极与导电材料接触；(iv)与固定触头隔开第二间隙的可移动触头；和(v)固定到结构层上并延伸到第一间隙中的至少一个支座凸块，用于防止可移动电极与固定电极接触。
42.根据权利要求41所述的开关，其中所述至少一个支座凸块固定到可移动电极上。
43.根据权利要求41所述的开关，其中所述至少一个支座凸块固定到第一和第二折叠式横梁的固定端上。
44.一种在具有支座凸块的MEMS器件中执行激励功能的方法，该方法包括(a)提供具有支座凸块的MEMS器件，该器件包括(i)具有固定电极的基板；(ii)具有与固定电极隔开一定间隙的可移动电极的结构层；和(iii)固定到结构上并延伸到第一间隙中的至少一个支座凸块，当结构层向固定电极移动时，所述至少一个支座凸块用于防止可移动电极与固定电极接触；和(b)在可移动电极和固定电极之间施加电压，从而穿过间隙使可移动电极与固定电极静电耦合，由此结构层向基板移动，并且所述至少一个支座凸块与固定电极接触。
45.一种具有支座凸块的可移动MEMS部件的制造方法，该方法包括(a)在导电部件上淀积牺牲层；(b)在牺牲层上形成可移动电极，用于通过除去牺牲层使可移动电极和导电材料隔开一定间隙；(c)在牺牲层中形成支座凸块，由此支座凸块延伸到可移动电极和导电部件之间的间隙中；(d)在可移动电极和支座凸块上淀积结构层；(e)除去牺牲层，以便形成使导电部件与可移动电极分开的间隙，由此支座凸块延伸到该间隙中，当所述部件移动时，所述支座凸块用于防止可移动电极与导电材料接触。
46.根据权利要求1所述的方法，其中可移动电极由导电材料制成。
47.根据权利要求1所述的方法，其中可移动电极由半导体材料制成。
48.根据权利要求1所述的方法，其中所述支座凸块由非导电材料制成。
49.一种具有支座凸块的MEMS器件的制造方法，该方法包括(a)在基板上形成固定电极；(b)在固定电极和基板上淀积牺牲层；(c)在牺牲层上形成可移动电极，用于通过除去牺牲层使可移动电极和固定电极隔开一定间隙；(d)在牺牲层中形成支座凸块，由此支座凸块延伸到通过除去牺牲层所形成的可移动电极和固定电极之间的间隙中；(e)在可移动电极和支座凸块上淀积结构层；和(f)除去牺牲层，以形成使固定电极与可移动电极分开的间隙，由此支座凸块延伸到该间隙中，当结构层向固定电极移动时用于防止可移动电极与导电材料接触。
50.根据权利要求49所述的方法，其中可移动电极由导电材料制成。
51.根据权利要求49所述的方法，其中可移动电极由半导体材料制成。
52.根据权利要求49所述的方法，其中支座凸块由非导电材料制成。
53.根据权利要求49所述的方法，还包括在基板上形成固定触头。
54.根据权利要求49所述的方法，还包括在牺牲层上形成可移动触头。
55.根据权利要求49所述的方法，其中形成支座凸块还包括在与可移动电极相邻处形成支座凸块。
全文摘要
根据一个实施例，提供一种悬挂在基板上方的可移动MEMS部件。该部件可包括结构层，该结构层具有与基板分开一定间隙的可移动电极。该部件还可包括至少一个支座凸块，该支座凸块固定到结构层上并延伸到所述间隙中，当该部件移动时用于防止可移动电极与导电材料接触。
文档编号H01L21/302GK1613154SQ02826974
公开日2005年5月4日 申请日期2002年11月8日 优先权日2001年11月9日
发明者达纳·R·德吕斯 申请人:图恩斯通系统公司, 维斯普瑞公司