微机电系统开关的制作方法

专利名称：微机电系统开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及微机电系统(MEMS)开关，特别地涉及通过MEMS或纳米机电技术(NEMS)技术形成的MEMS开关。
背景技术：
由于希望比如MEMS开关的机电开关与GaAS FET开关或PIN型二极管开关相比具有更佳的性质，所以人们已经进行了广泛的研究以将MEMS开关应用到无线通信系统中。之前MEMS由于其低的损耗、好的隔离性、低的功耗、好的线性、微型化以及高度集成的能力而得到人们的关注。但是，存在的问题在于，由于其驱动电压高、操作速度低、可靠性不足等，而阻碍了将MEMS开关投入实际使用。
通常，通过固定电极、相对于固定电极设置的移动电极、以及设置在移动电极和/或固定电极上的电介质，而构成了电容耦合型MEMS开关。由于在移动电极和固定电极之间施加电压，因此产生了静电力来将移动电极吸引到固定电极。因此，电极之间的距离改变了。当电极之间的距离改变时，电容即阻抗改变了，使得信号可以被导通/截止。由于在移动电极和固定电极之间形成了电介质，所以该耦合是电容性的而非电阻性的。
为了获得低损耗的MEMS开关，有必要在MEMS开关导通时减小阻抗。为了获得足够的隔离，有必要增加电容变化率。该电容变化率可以通过如下的表达式估算Con/Coff＝(e0×e×Aoverlay/ddiel)/(e0×er×Aoverlay/dair)＝dair/ddiel，其中dair和ddiel表示空气间隙和电介质的厚度，er表示电介质的介电常数，以及Aoverlay表示移动电极的耦合区域的面积。
电容性开关的一个问题是电极的表面粗糙度导致电容变化率减小。当彼此邻接的电极的表面具有波浪形状时，突起部分与突起部分相邻接，从而相对于表面整体而言电极之间的距离不能被足够地降低。因此，存在电容变化率降低的问题。
所以，J.Park等人并非提出由(金属-电介质)制成的电极与由金属制成的电极相接触的结构，而是提出了由(金属-电介质-金属)制成的电极与由金属制成的电极相电阻性耦合的结构。根据该结构，即使金属层的表面精度不足，当形成电极时也可以将绝缘层沿着电极的表面形成。而且，金属层将沿着绝缘层形成。因此，在电极之间的实质距离可以降低，而不受表面精度影响。
人们还提出了另一种MEMS开关，其使用单金属层并且组装来在平行于基板表面的平面上移位(专利文献1)。该MEMS开关由包括与固定电极相邻接设置的移动电极的至少一个空气桥构成。移动电极具有由带有电介质层的金属层制成的三层结构，其形成在耦合表面中。该电介质层例如是氧化硅膜、氮化硅膜等。该移动电极由静电力驱动，从而在与基板表面平行的平面上移位。在该结构中，因为移动电极在平行于基板表面的平面中被驱动，所以电极可以由单金属层形成。但是，接触则是基于金属一电介质耦合。
而且，人们并非提出了移动电极本身被驱动的MEMS开关，而是提出了连接到移动电极的梁由设置在基板表面上的驱动电极所驱动的MEMS开关(专利文献2)。
非专利文献J.Park等人，“Electroplated RF MEMS CapacitiveSwitches”，IEEE MEMS 2000专利文献1US专利No.6,218,911B1专利文献2JP-A-2003-71798发明内容本发明要解决的问题如上所述，在具有其中金属制成的移动电极与形成在固定电极上的介电层相接触的结构的电容耦合型MEMS开关中，当介电层或金属层的表面粗糙度粗糙时，电容耦合区域减小使得导通/截止电容变化率变低。因此，存在不能整体上获得足够的高频率特性的问题。另一方面，在非专利文献1中所公开的MEMS开关致力于解决该问题。即，提出了这样一种MEMS开关，其中通过将介电层夹置在两个金属层之间来形成固定电极，并且通过固定电极的上金属层和由金属层制成的移动电极之间的接触来实现导通/截止。在该结构中，由于金属-金属接触，所以可以防止由于表面粗糙所造成的电容降低。因此，可以实现好的接触。
但是，在该MEMS开关中，存在如下问题。即，存在的问题是，用于通过电容耦合切换信号的电极区域和用于对移动电极施加静电力的电极区域必须彼此独立设置。由于用于切换开关的电极基于电阻耦合，所在该电极与移动电极相邻接时，该电极具有与移动电极相同的电势。因此，不会产生静电力。所以，需要另外的独立电极以驱动移动电极。
这样的控制电极必须设置在开关体外侧，并且必须形成在下层侧或在上层侧，以能够施加比固定电极和移动电极之间的静电力更大的静电力。所以，设置控制电极变得非常困难，并且实现该控制电极也很困难。
而且，该结构需要三种不同的金属层，即固定电极(信号线)、设置在固定电极上的上金属层(金属层)和移动电极(金属层)。制造这些金属层的开关主体的步骤很复杂。另外，存在的问题是，控制电极的布置使得结构更复杂。
另一方面，在专利文献1中，对应于移动电极的梁被水平驱动，从而垂直于基板表面形成图案。因此，固定电极和移动电极由一个和相同的层形成。因此，移动电极和固定电极可以通过单个金属层的成膜步骤和构图步骤获得。制造工艺中的问题得到广泛地解决。
该结构的特征在于，因为移动电极和固定可以通过单个金属层制造，所以可以使得制造变得容易。但是，在该结构中，使用静电力通过接触形成电容耦合。因此，如下的问题依然没有得到解决。即，当表面中的表面精确性恶化时，不能获得足够的导通电容。因此，不能够获得最终的导通/截止电容率。
另一方面，专利文献2提出了这样一种技术，其中驱动电极固定地形成在硅基板上，并且以与控制电极相同的方式对该驱动电极施加电压，从而设置来将驱动电极置于其间的梁在平行于硅基板的方向上移位，从而允许移动接触来彼此邻接。在该示例中，移动接触形成来水平地移动。但是，驱动电极并不直接驱动移动接触，但是通过移动紧密地设置于该驱动电极且距其预定间隙的梁来驱动该移动接触。这里，驱动电极作为一个锚部分。
当如此单独地提供驱动电极时，占据面积大规模地增加，从而阻止了MEMS开关更加微型化。
鉴于该情形研发了本发明。本发明的目的是提供一种易于制造、微型化并能够获得足够导通/截止电容比的MEMS开关。
解决问题的手段为了实现上述目的，根据本发明的MEMS开关是这样的MEMS开关，包括基板；导电梁，形成在基板的表面上；三层结构梁，形成在基板的表面上并且设置来与导电梁相对；其中，三层结构梁包括第一导电层、第二导电层和夹置在第一导电层和第二导电层之间的介电层，其中，第一导电层与导电梁相对，其中，导电梁和三层结构梁中至少一个由于静电力在平行于基板的平面上移位，使得导电梁和第一导电层彼此接触，以及其中，当导电梁和第一导电层彼此接触时，导电路径形成在导电梁和第二导电层之间。
通过该构造，可以容易地通过金属-金属接触形成电容，而不依赖于表面粗糙度。即使当由于静电力使三层结构梁的第一导电层和导电梁被吸引而相互接触时，第二导电层可以提供更强的静电力，以由于该静电力而吸引导电梁，同时保持接触状态，而不会导致第一导电层和导电梁彼此分开。另外，这些三层结构梁或导电梁布置来在平行于基板的平面上移位。因此，该三层结构梁和导电梁可以由一层和相同层形成。即使当第二导电层形成得大于第一导电层时，也不用担心施加过多的引力应力，但是可以长时间地保持稳定的驱动。虽然需要独立的控制电极来通过静电力以保持金属-金属接触中的接触状态，但是对应于该控制电极的导电构件也可以以该种方式用作电容器的第二导电层。即，由于可以在不提供另一个控制电极的情形下获得金属-金属接触，那么可以在由导电梁和第二导电层形成的输入端和输出端之间进行开关操作。因此，可以获得微型化和结构简单的MEMS开关。
根据本发明的MEMS开关包括其中第二导电层的介电形成表面具有不规则部分的MEMS开关。
通过该构造，除了该效果之外，介电层由第一和第二导电层围绕的区域的面积增加了，从而可以在不增加占据面积的情形下增加导电电容。
根据本发明的MEMS开关包括其中介电层一侧上的第二导电层的表面具有不规则部分的MEMS开关。
通过该构造，除了该效果之外，其中介电层夹置在第一和第二导电层之间的电容器结构的面积可得到增加，从而可以增加导通/截止电容比。
根据本发明的MEMS开关还包括其中第一导电梁和第二导电层设置为平行的MEMS开关。
通过该构造，电容器面积得以增加，并且可以有效地施加静电力。
根据本发明的MEMS开关还包括其中至少一个突起部分形成在电介质侧表面以及第一导电层设置在突起部分中的MEMS开关。
通过该构造，依靠表面中的突起部分的突起增加了表面积。由于第一导电层形成在突起部分中，所以形成电容的电容器面积可以在不增加导通电容的情形得以增加。
根据本发明的MEMS开关还包括其中第一导电层仅设置在突起部分中的MEMS开关。
通过该构造，第二导电层通过介电层与导电梁相面对，或在除突起部分之外的区域中与导电梁相邻接。因此，可以施加静电力，使得即使在第一导电层和导电梁彼此接触时也能够保持该接触状态。
根据本发明的MEMS开关还包括其中静电力施加在第二导电层和导电梁之间的MEMS开关。
根据本发明的MEMS开关还包括其中即使在导电梁和第一导电层彼此接触时也施加静电力的MEMS开关。
根据本发明的MEMS开关还包括这样一种MEMS开关，其中，在导电梁和第一导电梁彼此接触时所施加的静电力是至少足够大的力，以保持第一导电层和导电梁之间的接触。即，使得在导电梁和第一导电层彼此接触时所施加的静电力与足以保持第一导电层和导电梁之间的接触的力一样大或比之更大。
通过该构造，不同担心一旦第一导电层和导电梁相接触之后它们会彼此分开。因此，可以确保足够的接触。
根据本发明的MEMS开关还包括这样一种MEMS开关，其中，在导电梁和第一导电梁彼此接触时所施加的静电力产生在未与第一导电层相接触的导电梁的区域中。
通过该构造，可以在第二导电层和导电梁之间施加足以保持导电梁与第一导电层相接触的状态的静电力。例如，其中未形成第一导电层的区域形成来使得将该区域与导电梁相对设置，而无需将第一导电层置于其间。仅在形成其中未形成第一导电层的区域时，可以在没有独立地提供控制电极或驱动电极的情形下，保持该接触状态。
即，该结构是这样的结构，其中，通过形成第一导电层和导电梁之间的金属-金属接触的电容确保区域获得导通电容，并且用于保持导电梁和三层结构梁之间的接触状态的静电力确保区域是由在第二导电层上的介电层和导电层之间的电介质-金属接触区域或电介质-金属接近区域而形成的，从而通过同一三层结构梁的不同区域实现了电容的确保和静电力的确保。
根据本发明的MEMS开关还包括这样一种MEMS开关，其中，第二导电层形成得大于第一导电层，并且第二导电层包括设置来与导电梁相对的区域，而没有将第一导电层置于其间。
通过该构造，当导电梁与第一导电层相邻时，导电梁的电势变得等于第一导电层的电势，从而不会施加静电力。因此，导电梁和第一导电层从彼此分开。但是，例如，与在没有将第一导电层置于其间的情形下与导电梁相对设置的区域可以形成来使得足以保持接触状态的静电力可以施加在第二导电层和导电梁之间。
根据本发明的MEMS开关还包括这样一种MEMS开关，其中，第二导电层在它与导电梁相对的表面中包括至少一个突起表面，并且该介电层与该表面一体形成，同时第一导电梁形成在该突起部分中。
通过该构造，可以使得制造容易，并且由于提供了表面中的不规则部分使得表面积增加。由于第一导电层形成在突起部分中，所以形成电容的电容器的面积可以在不减小导通电容的情形下得以增加。
根据本发明的MEMS开关还包括这样一种MEMS开关，其中，通过在不包括突起部分的区域中的介电层，第二导电层可以与导电梁相邻接，从而形成电容耦合。
通过该构造，当导电梁和三层结构梁在导通状态下彼此接触时，不但可以施加通过重叠第一导电层和第二导电层而形成的电容，而且可以施加通过重叠第二导电层和导电梁而形成的电容。因此，不需提供另一个驱动动力，但是可以获得足够的电容，并且可以使得该MEMS开关更加微型化。
根据本发明的MEMS开关也包括这样的MEMS开关，其还包括另一个三层结构梁，其中，导电梁夹置在两个三层结构梁之间，其中，一个三层结构梁的第二导电层形成输出端，同时另一个三层结构梁的第二导电层连接到地电势，以及其中，导电梁和三层结构梁中至少一个由于静电力在平行于基板的平面上移位，使得导电梁和第一导电层彼此接触，以及当导电梁和第一导电层彼此接触时，导电路径形成在导电梁和第二导电层之间。
通过该构造，即使在截止状态也可以形成电容耦合。因此，可以获得更加稳定的MEMS开关，其中即使在RF频带中使用时也可以减少误操作。
根据本发明的MEMS开关还包括其中基板是硅基板的MEMS开关。
通过该构造，可以使用通常的半导体工艺容易地形成该MEMS开关，并且可以与其它电路装置容易地集成。
根据本发明的MEMS开关还包括其中基板是GaAs基板的MEMS开关。
通过该构造，MEMS可以与其它电路装置容易地集成。
根据本发明的MEMS开关还包括其中基板是玻璃基板的MEMS开关。
当形成液晶基板等时，形成硅薄膜并在该硅薄膜中形成MEMS开关。因此，该MEMS开关可以与其它电路装置容易地集成。
根据本发明的MEMS开关还包括其中基板的表面涂覆有绝缘层的MEMS开关。
根据本发明的MEMS开关还包括这样一种MEMS开关，其中，三层结构梁的第一和第二导电层和导电梁包括在一个和相同工艺中形成的导电层。
通过该构造，可以以极其简单的构造获得微型化和高精度的MEMS开关。
根据本发明的MEMS开关还包括其中导电梁形成为固定梁的MEMS开关。通过该构造，信号线的连接变得容易。
根据本发明的MEMS开关还包括其中导电梁形成为移动梁的MEMS开关。通过该构造，导电梁为单层并且重量轻，使得可以通过小的静电力来驱动导电梁。
根据本发明的MEMS开关还包括其中三层结构梁形成移动梁的MEMS开关。通过该构造，导电梁和三层结构梁可以移位来使得每个梁的移位距离可以减小一半。
根据本发明的MEMS开关还包括其中三层结构梁由垂直三层结构所形成的MEMS开关。
通过该构造，制造变得容易，并且可以提高表面的平整度。因此，MEMS开关可以容易地与其它电路装置集成。
根据本发明的MEMS开关还包括其中三层结构梁的驱动表面形成来在三层结构梁的纵向上横跨三层结构梁的MEMS开关。
希望驱动表面平行于基板表面。驱动表面并不总是平行于基板表面，但是它可以形成在纵向方向。例如，电极、介电层和电极可以沿着沟槽的侧壁叠层，从而驱动表面将垂直于三层结构梁(主体)的叠层方向。
根据本发明的MEMS开关还包括这样一种MEMS开关，其中，防止导电梁和三层结构梁的重叠区域依赖于RF输入端和RF输出端之间的导电路径的开启/关闭状态。
通过该构造，提供了设计的自由度。
发明效果在根据本发明的MEMS开关中，通过静电力将信号线本身移位，从而将其在平行于基板表面的平面上驱动。因此，不必提供另一个控制电极，但是可以在不放弃MEMS开关微小尺寸的情形下减小驱动电压。
另外，仅在增加梁的厚度从而可以获得更大的操作区域时，在不牺牲任何基板表面积的情形，可以进一步减小驱动电压。
另外，在该MEMS开关中，可以获得令人满意的大的导通/截止电容比，而不依赖于接触区域的表面粗糙度。
而且，像空气桥设置的梁和两个三层结构梁电容器的导电部分可以由一个和相同的金属层形成。因此，可以一种结构简单、制造成本低的开关。


图1是根据本发明实施例1的MEMS开关的透视图。
图2是示出了相同的MEMS开关导通的状态的示意图。
图3是示出了相同的MEMS开关截止的状态的示意图。
图4是根据本发明实施例1的MEMS开关的制造工艺的示意图。
图5是根据本发明实施例1的MEMS开关的制造工艺的示意图。
图6是根据本发明实施例1的MEMS开关的制造工艺的示意图。
图7是根据本发明实施例1的MEMS开关的制造工艺的示意图。
图8是根据本发明实施例1的MEMS开关的制造工艺的示意图。
图9是根据本发明实施例1的MEMS开关的制造工艺的示意图。
图10是根据本发明实施例2的MEMS开关的透视图。
图11是根据本发明实施例2的MEMS开关的透视图。
图12是根据本发明实施例3的MEMS开关的透视图。
图13是根据本发明实施例3的MEMS开关的透视图。
图14是根据本发明实施例3的MEMS开关的主体部分的放大示意图。
图15是根据本发明实施例3的MEMS开关的主体部分放大部分的变形示意图。
图16是根据本发明实施例3的MEMS开关的主体部分放大部分的变形示意图。
图17是用于说明本发明的通常的梳齿结构的主体部分的放大示意图。
图18是根据本发明实施例3的MEMS开关的主体部分的放大示意图。
图19是示出根据实施例3的MEMS开关中电容变化率和梳齿结构中的电容变化率的图。
附图参考标号B1第一三层结构梁； B2第二三层结构梁；30形成第一三层结构梁的第二导电层；32形成第二三层结构梁的第二导电层；34、36介电层；38形成第一三层结构梁的第一导电层；40形成第二三层结构梁的第一导电层；42导电梁； 44氧化硅膜(绝缘膜)；46硅基板(基板)；50、52金属接触部分；60基板；62氧化硅膜；64第一光刻胶； 66氮化硅膜(介电层)；68第二光刻胶； 70金属层；72第三光刻胶； 80驱动表面；82金属-金属接触表面84电容区域；86驱动表面。
具体实施例方式
将参考附图对本发明的实施例进行详细地说明。
实施例1

该MEMS开关是通过MEMS技术加工硅基板1而形成的。如图1所示，形成该MEMS从而在硅基板46的表面中布置空气桥。该MEMS开关由导电梁42以及每个具有电容结构的第一和第二三层结构梁B 1和B2形成。导电梁42和三层结构梁B1分别连接到输入端子和输出端子，并且还将三层结构梁B2接地。每个这些第一和第二三层结构梁通过将电介质层夹置在第一导电层38、40和第二导电层30、32之间形成。然后，具有该置于二者之间的导电梁42的第一和第二三层结构梁B1和B2由于静电力而在平行于基板的平面上移位，从而导电梁42和第一导电层38或40可以在平行于基板的平面上彼此相邻接。当导电梁与第一导电层38或40相邻接时，导电路径形成在导电梁和第二导电层30或32之间。因此，实现了开关功能。在这些第一和第二三层结构梁B1和B2每个中，介电层34、36夹置在与导电梁42相对的第一导电层38、40和设置在外侧的第二导电层30或32之间，从而形成电容器。
这里，导电梁以及第一和第二导电层是在一个及相同的工艺中由金属层形成的。
当该MEMS开关导通时，第一三层结构梁B1和导电梁42由于静电力彼此吸引，从而被移位并彼此接触。从输入端子输入的信号通过导电梁42和三层结构梁B1输出到输出端子。
另一方面，当MEMS截止时，导电梁42与第二三层结构梁B2的第一导电层40相邻接，从而形成在该导电梁和三层结构梁的第二导电层32之间的导电路径。在该情形中，输入信号被接地，从而可以确保更高的隔离。以这样的方式，实现了开关操作。
另外，这里为了使寄生电容最小，将硅基板46的表面涂覆氧化硅膜44，并且MEMS开关形成在该氧化硅膜44上。
接下来，将参考图2和图3对该MEMS开关的导通/截止操作进行说明。图2是示出了MEMS开关处于导通的状态的示意图，图3是示出了MEMS开关处于截止的状态的示意图。第一三层结构梁B1的第二导电层30的电势和第二三层结构梁B2的第二导电层32的电势通常分别设置在Vdc和地电势。这里，如图2所示，为了将该MEMS开关导通，通过电感施加到导电梁42的电势Vc被设置为地电势。在该情形，在导电层30和导电梁42之间的电势差异达到Vd，从而第一三层结构梁B1和导电梁42由于第一三层结构梁B1的导电层30和导电梁40之间的静电力而移位，从而形成金属-金属的接触。因此，通过导电梁42和第一三层结构梁B1的第二导电层，从输入端子输入的信号作为输出信号输出。
在该结构中，由于使用金属-金属接触，所以可以获得理想的导通电容，而不会形成平滑的接触表面。换言之，只要该金属-金属接触的阻抗足够低而不限制RF特性中的插入损耗的任何因子，那么通过某些DC接触可以获得导通电容。这里，当MEMS开关处于图2所述的导通位置时，导通电容Con可以表述为Con＝e0×er×A50/d34。这里A50表示金属接触部分50的面积，而d34表示电介质层34的厚度。
类似，图3是示出了MEMS开关处于截止的状态的示意图。这里，如图3所示，为了将该MEMS开关截止，电势Vd为+Vc施加到导电梁42。在该情形，第二三层结构梁B2的第二导电层32的电势是地电势。因此，由于与导电梁42的静电力，第二三层结构梁B2和导电梁42移位以彼此接近，从而形成金属-金属的接触。因此，通过导电梁42和三层结构梁B1被处于打开状态，而且导电梁42与三层结构梁B2相邻接从而被接地。因此，可以获得更高的隔离。
接下来，将参考图4到9说明该MEMS开关的工艺。
硅半导体基板等用作其上实现MEMS的基板60。这里，将对使用硅基板的情形进行说明。
第一，如图4所示，通过CVD方法等，在硅基板表面上形成例如300nm到1μm厚的氧化硅膜62。
这里如图5所示，通过旋涂对氧化硅膜62涂覆作为牺牲层的光刻胶，通过使用希望的掩模进行曝光和显影形成第一图案64。希望该光刻胶为1-3μm厚。该厚度是确定基板和导电梁以及第一和第二三层结构梁B1和B2中每个之间的距离的因数。为了平滑地形成导电梁42以及第一和第二三层结构梁B1和B2的梁支撑部分，使作为牺牲层的光刻胶的形状变得平滑。为此，在希望的温度进行后烘焙，例如在约180℃。该温度根据所使用的光刻胶的组分而不同。如果后烘焙温度太高，那么光刻胶将太平滑。如果后烘焙温度太低，那么光刻胶将是有角的。所以优化该后烘焙温度很重要。
接下来，如图6所示，例如通过CVD方法等沉积膜厚1-3μm的氮化硅膜66。
之后，通过旋涂涂敷光刻胶，并且在氮化硅膜66上，通过亚微米级的分辨率的比如电子束曝光、X-光曝光、分档器曝光等的曝光和显影形成第二光刻胶68作为上层。
之后，如图7所示，使用该第二光刻胶68作为掩膜，通过使用等离子的干法蚀刻，将氮化硅膜66构图。在该情形，因为与使用磷酸等作为蚀刻剂的湿法蚀刻相比，干法蚀刻易于控制底切，所以希望使用干法蚀刻。这里，当使用除氮化硅膜之外的绝缘膜时，根据绝缘膜材料，希望选择干法蚀刻或湿法蚀刻作为适当的一种方法使用。该工艺确定了三层结构梁的介电层的厚度，即第一和第二三层结构梁的电容器的电容。所以，就是否可以形成精确图案与否，必须注意该工艺。
应该将形成介电层的氮化硅膜66的宽度保持得尽可能小，以最小化截至电容和最大化导通/截至电容变化率。
在如此形成了形成介电层的氮化硅膜66的图案之后，通过使用电子束蒸发器等，将金等的金属层70形成为与介电层的厚度(在图6的示例中为1-3μm)大致相同。这里，希望以如此的状态来沉积金属层70，其中用于构图形成介电层的氮化硅膜66的第二光刻胶68保持原样留下。当如此以第二光刻胶68保持原样的状态沉积金属层70时，该第二光刻胶68可以通过剥离方法被有效地去除，即使金属层形成在比如形成介电层的氮化硅膜66的图案的上表面等的不希望的区域中。
接下来，如图8所示，通过旋涂涂敷第三光刻胶，使用希望的掩膜曝光和显影，形成第三光刻胶72的图案。
然后，使用比如RIE等的干法蚀刻技术对金属层70进行蚀刻。之后，通过使用氧等离子体的灰化去除第一和第三光刻胶64和72。于是，如图9所示，形成了空气桥状梁，并且形成了0.6到2μm的空气间隙尺寸。作为该工艺的最终示意图的图9是示出MEMS开关的图1中沿线A-A截取的横截面图。
这里，第一三层结构梁B1是由金属层70制成的第一导电层30、氮化硅膜66制成的梁状介电层34、和金属层70制成的第一导电层38构成。导电梁42也是由金属层70形成。而且，第二三层结构梁B2是由金属层70制成的第一导电层32、氮化硅膜66制成的梁状介电层36构成。
另外，在如此形成的MEMS开关中，每个梁长500μm，宽2μm和厚2μm，并且每个第一导电层38、40宽1μm和长400μm。由介电层34、36覆盖的第二电极表面在相对的端部分显露，从而形成与导电梁42相对的区域(静电力确保区域10)。
当导电梁42与第一导电层38相邻接时，该由第一导电层显露的部分用来施加足够的静电力以保持该状态，并且稳定地保持第二导电层30吸引导电梁42的状态。即，第二导电层起到RF输出端和驱动电极(控制电极)的作用。
也即，这里，作为涂敷了介电层34的第二电极的第二导电层30，以及导电梁42的每个端部分可以形成金属-电介质接触，或者可以彼此分开同时由于静电力而被吸引。在任何一种情形中，当第一导电层38和导电梁42形成接触时，如果在第二导电层30上的介电层34和导电梁42足够近以保持导电梁和第一导电层之间由于该静电力的接触状态，那么其将顺利进行。(该区域形成下面将说明的静电力确保区域10。)这解决了使用金属-金属接触所造成的问题。即，可以保持适当的操作，而无需单独地提供控制电极。
换言之，该结构是其中通过形成第一导电层和导电梁之间的金属-金属接触的电容确保区域20所获得的导电电容的结构，并且导电梁和三层结构梁之间的接触状态通过静电力确保区域10而获得，该静电力确保区域10用于基于第二导电层上的介电层和导电梁之间的电介质-金属接触区域或电介质-金属接近区域而保持该接触状态。
所以可以在无需防止电极更微型化的情形下提供高可靠性的MEMS。
而且，通过该方法形成MEMS开关时，通过单个金属层形成第一和第二导电层和导电梁。因此，该金属层的厚度是恒定的。
在该方式中，可以极高精度地控制厚度，从而可以形成高可靠性的MEMS。
在实施例1中，使用金作为形成导电梁的和三层结构膜的每个电极的金属层。但是，该材料不限于金，可以使用比如Mo、Ti、Al或Cu等的其它材料、或比如非晶硅的掺杂了高浓度杂质的半导体材料、导电高分子材料等。而且，至于形成膜的方法，可以通过使用溅镀方法、CVD方法、镀覆方法等以及电子束沉积方法来形成该膜。
而且，虽然在实施例1中使得导电梁和三层结构是可移动的，但是可以仅使导电梁是可以移动的。
另外，虽然在实施例1中空气桥形成来突起在基板表面上，但是可以相反地形成沟槽，从而可以形成悬臂或拱形梁以跨越该沟槽。
而且，当然根据本发明的MEMS是微型化的，能够高速操作并有效地作为分离元件。该MEMS开关可以与其它电路元件一起集成。即，可以具有低传输损耗、小尺寸和高可靠性的MEMS开关的半导体集成电路器件。
另外，形成这样的MEMS开关，其中通过各个实施例的示例在基板表面上形成梁。每个实施例可以具有其中具有希望截面形状的沟槽形成在基板中的构造，并且在该沟槽上留有梁以作为可移动部分。这样的构造可以容易地通过使用硅等的各向异性蚀刻来形成和实现。
而且，对于基板，如果选择的电极材料适于使用的基板，那么可以使用GaAs等的化合物半导体基板等以及硅基板。与其它电路元件的集成可以极其容易。
实施例2根据该实施例2的MEMS开关的驱动方法和基本构造与实施例1中的相类似。所有的梁形成为实施例1中的拱形梁。但是，如图10所示，根据实施例2的MEMS开关的特征在于，位于中心的导电梁42形成来具有比拱形梁略短的悬臂梁结构。即，如图10所示，该MEMS开关的特征在于，导电梁42制备为任何其它梁的一半长，即250μm。
根据该实施例的MEMS开关与根据实施例1的MEMS开关的不同之处在于，形成第二三层结构梁的第二导电层不接地而连接到第二输出端。
通过该配置，当导电梁42邻接设置在导电梁42的左、右的第一三层结构梁和第二三层结构梁时，如图10所示的开关就从截至状态移动到导通状态，从而形成导电路径。
在该结构中，如从下面所述清楚的是，形成导通/截至电容器的部分的重叠面积彼此独立。所以可以增加导通/截至电容变化率。
CON/COFF＝(eo×er×AONoverlap/ddiel)/(eo×er×AOFFoverlap/dair)＝(dair×AONoverlap)/(ddiel×AOFFoverlap)这里，AONoverlap＞AOFFoverlap另外，由于重叠部分的面积是独立的，所以实际驱动表面80可以形成得大于金属-金属接触表面82。因此，可以减小驱动电压和增加开关速度。
另外，根据如图11所示的变形的MEMS开关具有其中导通/截至电容变化率可以以相同方式增加的结构。该MEMS开关与如图10所示的实施例2的MEMS开关就移动梁的锚而言略微不同。即，在相对侧上的三层结构梁形成为悬臂梁。因此，所有的梁形成为悬臂梁。
当对对所有拱形梁和悬臂梁的梁施加均匀的力时，弹簧常数可以通过如下的比较表达式表示k＝32×E×t(w/l)^3 (拱形梁)k＝2/3×E×t(w/l)^3(悬臂梁)这里，E表示材料的杨氏模量，t表示梁厚度，w表示宽度，而l表示长度。
从上述表述清楚的是，悬臂梁的弹簧常数比拱形梁的弹簧常数要小。因此，在根据图11所示的该变形的MEMS开关中，与根据图10所示的示例的MEMS开关相比，可以略微减小驱动电压，增加开关速度。
实施例3根据该实施例，如图12所示，作为电容区域84和驱动表面86的突起部分形成在第二导电层30和32的表面中。图12示出了截至状态。在导通状态中，导电梁42与每个电容区域的金属-金属接触表面82相邻接，从而得到电耦合。
接下来，将说明导通状态中的耦合状态。图14是示出了导通状态中的接触表面的放大视图。示出了其中导电梁42与第一三层结构梁的第一导电层(第一电极)38相邻接的状态。当由于静电力导电梁42和金属-金属接触表面82移动而彼此相邻接时，形成第一三层结构梁的第一导电层38的电势变得等于导电梁42的电势。因此，通过形成在第一三层结构梁的第一导电层38和形成第一三层结构梁的第二导电层之间的介电层34形成了电容。A表示突起部分(不包括介电层34的膜厚度B)的高度，B表示介电层34的膜厚度，C表示突起部分的宽度，D表示第一电极的膜厚度。
这里，Choriz表示平行于导电梁42的部分的电容，表示为Choriz＝eo×er×((C+2D)×t)/B；Cvert表示垂直于导电梁42，表示为Cvert＝eo×er×(2A×t)/B。在该情形中，导通状态下的电容表示为CON＝Choriz+Cvert。因此，当电极的形状改变时，尤其是当A的值改变时，导通状态下的电容可以设定为希望的值。
接下来，将说明截至状态。图12示出了开关的截至状态。通过导电梁42和第一三层结构梁B1之间的间隙、导电梁42和第二三层结构梁B2之间的间隙、和每个电容器形成部分的面积确定了截至电容。在该导通状态下，电容器形成部分的区域包括三层结构梁的电容区域84。所以，该电容区域84反应为导通/截至电容比。另外，根据该实施例，导通电容独立于截至电容增加。图13所示的示例与图12所示的示例相似。图13所示的示例与图12所示的示例的不同之处在于，连接到RF输入端并形成信号线的中心导电梁42形成为悬臂梁。这里，导电梁42使用线性梁而非梳齿状梁。于是，优点在于，三层结构梁B1和B2的间隙可以扩展来进一步减小截至电容。
这将根据图17、18、19说明。图17示出了相关的技术的梳齿状结构。图18示出了该实施例。图19示出了当间隙(g)改变时每个电容变化率。这里，图17和18的每个突起部分的长度(d)和宽度(w)分别制备为10μm和2μm，图17的梳齿的梳齿间隔(g0)制备为0.6μm，图18的介电层的相对介电系数制备为10。于是，如图19所示，在导通状态下可以在两个结构中获得相似的电容，虽然在截至(g＝5E-6)状态下，该实施例中的电容可以制备得比梳齿结构中的电容要小。因此，可以提高开关的隔离特性。
即，同样，在形成驱动表面的第二导电层30上的介电层34以及导电梁42可以形成金属-电介质接触或者可以彼此隔开，同时由于静电力而吸引。当第一电极和导电梁形成接触时，如果由于静电力第一电极和导电梁足够接近以保持导电梁和第一电极之间的接触状态，那么这将顺利进行。
这解决了根据该实施例的MEMS开关中使用金属-金属接触所带来的问题。即，可以在没有单独地提供控制电极的情形下保持稳定的操作。所以可以在不防止电极更微型化的情形提供高可靠型的MEMS。
这里同样，该结构是其中通过作为电容确保区域的电容区域84形成在第一导电层和导电梁之间的金属-金属接触而得到导通电容的结构，并且导电梁和三层结构梁之间的接触状态通过驱动表面86得以保持，驱动表面86作为由第二导电层上的电介质层和导电梁之间的电介质-金属接触区域或电介质-金属接近区域制成的静电力确保区域。
图15示出了该实施例的变形，并且示出了与图14相类似的主要部分放大视图。图15示出了其中MEMS开关导通使得导电梁42与第一三层结构梁所制成的第一电极38相邻接的状态。这里，与图14相比还有另外一个优点，因为形成驱动表面86的第二导电层30上的介电层34位于每个突起部分的宽度上。
通过该构造，每个突起部分的高度可以增加来进一步增加导通状态下的电容。同时，驱动表面86设置在突起部分的宽度方向上的接触表面附近，从而防止降低静电力下降，以保持导电梁和第一电极之间的接触状态。
图16示出了根据该实施例的变形的MEMS开关。图16示出了与图15相类似的主要部分放大视图。与图15不同，图16的特征在于，形成具有一定高度的每个突起部分的电容区域84形成为波浪形。因此，与其中每个突起部分在它的高度方向上形成为直线的图15所示的构造相比，其优点在于可以获得更高的导通电容。虽然在图16中电容区域84形成为波浪形，但是电容区域可以为三角形等的集合。
根据该实施例的MEMS开关，由于为保持导电梁42和三层结构梁(第一电极)38之间的接触状态而形成这一区域所导致的电容形成面积的降低通过形成侧壁中的电容即突起部分的垂直表面而得以补偿。
以这种方式，根据该实施例，导通/截止电容变化率大的高性能MEMS开关可以通过在MEMS开关导通时增加电容而获得。
虽然在实施例3中使用直梁作为导电梁42，但是导电梁42不限于直梁，也可以使用其中梁中形成有突起部分的梳齿构造。而且，当通过该方法形成MEMS开关时，驱动表面86和导电梁42之间的距离减小，从而可以略微减小驱动电压。
工业实用性如上所述，根据本发明，可以提供一种微型化、驱动电压低和开关速度高的MEMS开关。因此，该MEMS开关可以适用于便携式小型电子设备，比如蜂窝电话等。
权利要求
1.一种MEMS开关，包括基板；导电梁，形成在所述基板的表面上；三层结构梁，形成在所述基板的表面上并且设置来与所述导电梁相对；其中，所述三层结构梁包括第一导电层、第二导电层和夹置在所述第一导电层和所述第二导电层之间的介电层，其中，所述第一导电层与所述导电梁相对，其中，所述导电梁和所述三层结构梁中至少一个由于静电力在平行于所述基板的平面上移位，使得所述导电梁和第一导电层彼此接触，以及其中，当所述导电梁和所述第一导电层彼此接触时，导电路径形成在所述导电梁和所述第二导电层之间。
2.根据权利要求1的MESM开关，其中，在所述介电层一侧的第二导电层的表面包括不规则部分。
3.根据权利要求1或2的MESM开关，其中，所述第一导电层和第二导电层设置为平行。
4.根据权利要求2的MESM开关，其中，至少一个突起部分形成在所述电介质侧表面中，以及其中，所述第一导电层设置在所述突起部分中。
5.根据权利要求4的MESM开关，其中，所述第一导电层仅设置在所述突起部分中。
6.根据权利要求1到5中任一个的MESM开关，其中，所述静电力施加在所述第二导电层和所述导电梁之间。
7.根据权利要求6的MESM开关，其中，即使在所述导电梁和所述第一导电层彼此接触时，也施加了所述静电力。
8.根据权利要求7的MESM开关，其中，在所述导电梁和所述第一导电梁彼此接触时所施加的静电力是至少足够大的力，以保持所述第一导电层和所述导电梁之间的接触。
9.根据权利要求7或8的MESM开关，其中，在所述导电梁和所述第一导电梁彼此接触时所施加的静电力产生在未与所述第一导电层相接触的导电梁的区域中。
10.根据权利要求3的MESM开关，其中，所述第二导电层形成得大于所述第一导电层，并且所述第二导电层包括设置来与所述导电梁相对的区域，而没有将所述第一导电层置于其间。
11.根据权利要求1到10中任一个的MESM开关，还包括另一个三层结构梁，其中，所述导电梁夹置在两个三层结构梁之间，其中，一个三层结构梁的第二导电层形成输出端，同时另一个三层结构梁的第二导电层连接到地电势，以及其中，所述导电梁和三层结构梁中至少一个由于静电力在平行于所述基板的平面上移位，使得所述导电梁和第一导电层彼此接触，以及当所述导电梁和第一导电层彼此接触时，导电路径形成在所述导电梁和所述第二导电层之间。
12.根据权利要求1到11中任一个的MESM开关，其中，所述基板是硅基板。
13.根据权利要求1到11中任一个的MESM开关，其中，所述基板是GaAs基板。
14.根据权利要求1到11中任一个的MESM开关，其中，所述基板是玻璃基板。
15.根据权利要求1到13中任一个的MESM开关，其中，所述基板的表面涂覆有绝缘层。
16.根据权利要求1到15中任一个的MESM开关，其中，所述三层结构梁的第一导电层和第二导电层以及所述导电梁包括在一个和相同工艺中形成的导电层。
17.根据权利要求1到16中任一个的MESM开关，其中，所述导电梁形成为固定梁。
18.根据权利要求1到16中任一个的MESM开关，其中，所述导电梁形成为移动梁。
19.根据权利要求1到18中任一个的MESM开关，其中，所述三层结构梁形成移动梁。
20.根据权利要求1到19中任一个的MESM开关，其中，所述三层结构梁由垂直金属-电介质-金属的层叠形成。
21.根据权利要求1到20中任一个的MESM开关，其中，所述三层结构梁的驱动表面形成来在所述三层结构梁的纵向上横跨所述三层结构梁。
全文摘要
一种容易制造且表现出适当导通/截止(ON/OFF)电容变化率的精细MEMS开关。该MEMS开关包括基板(46)；导电梁(42)，形成在基板的表面上；三层结构梁(B1、B2)，形成在基板的表面上并且设置来与导电梁相对。该MEMS开关的特征在于，三层结构梁包括第一导电层(38、40)、第二导电层(30、32)和夹置在第一导电层和第二导电层之间的介电层(34、36)，第一导电层与导电梁(42)相对，导电梁(42)和三层结构梁中至少一个由于静电力在平行于基板的平面上移位，使得导电梁(42)和第一导电层(38、40)彼此接触，以及其中，当导电梁(42)和第一导电层(38、40)彼此接触时，导电路径形成在导电梁(42)和第二导电层(30、32)之间。
文档编号H01H59/00GK1875446SQ20048003184
公开日2006年12月6日 申请日期2004年12月20日 优先权日2003年12月22日
发明者桥村昭范, 内藤康幸, 中村邦彦, 中西淑人 申请人:松下电器产业株式会社