专利名称：电子器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及设有微电机械系统(MEMS)元件的电子器件，其包括存在于衬底上的第一电极，和至少部分地覆盖第一电极并包括压电激励器的可移动元件，通过对压电激励器施加激励电压，该可移动元件可在第一和第二位置之间向着和/或从衬底移动，在该第一位置中它借助间隙与衬底分开。
背景技术：
这种电子器件例如从GB-A 2,353,410得知。已知的电子器件包括设有压电激励器的可移动元件，例如梁或膜。这种激励器在激励电极之间包括压电材料层。可移动元件进一步包括第二电极，其覆盖衬底上的第一电极。在施加激励电压时，可移动元件将弯曲，并且将使得第二电极朝向衬底上的第一电极。在其第二最终位置中，第二电极可以与第一电极接触。
已知的电子器件的缺点是在可移动元件中第二电极需要单独的层。由于压电材料层必须在约600～800℃的高温下被固化，因此通常使用Pt作为电极材料。然而，这种材料具有相对大的内电阻。尤其对于RF应用来说，这种内电阻是不希望有的，因为它引起损耗和耗散，还可能引起开关延迟。大概由于该原因，已知的电子器件包括单独的第二电极。然而，这种单独的第二电极的使用增加了处理复杂性。
发明内容
因此，本发明的目的是提供开篇中提到类型的具有可移动元件的电子器件，其设有降低了工艺复杂性的激励器，并且其同时仍具有可接受的RF性能。
该目的的实现在于，压电激励器包括在相对表面上分别设有第二和第三电极的压电层。激励器的第二电极面向衬底，而第三电极构成MEMS元件的输入电极，因此通过MEMS元件之间的电流路径包括压电层和可调的间隙。
在本发明的器件中，工艺复杂性被降低是在于，激励器的电极之一同时是第二电极，通过该电极可以在MEMS元件的第二位置中与第一电极进行接触。RF性能被保持是在于，激励器用作作为MEMS元件一部分的电容器。实际上，电容器用于代替否则将另外需要的第三电极层中互连的内电阻。该电容器的阻抗对RF性能具有较小损害，因为通常压电激励器的容量相对高。不仅需要相当大的表面面积来限定激励器，而且压电层通常具有相对高的介电常数。
在第一实施例中，第一和第二电极设置为使得在可移动元件的第二闭合位置中该第一电极与压电层接触。在接触区处缺少第二电极具有降低接触电阻的优点。另外，第一和第二电极于是互相隔离，并且如果需要的话可以被置于不同的电压。
在其变型中，在衬底表面上存在第四电极，当可移动元件处于其第二闭合位置时该第四电极接触第二电极。这样MEMS元件设有同时连接到输入的两个输出。特别地，这些是并联连接的两个电容器，以增加MEMS元件的最大电容。
在第二实施例中，在可移动元件的第二闭合位置中第一电极接触第二电极。由此，MEMS元件是开关。第一电极可以体现为单个板，但是替换地体现为间隔开的多个焊盘。这增加了具有与该至少稍微弯曲的可移动元件良好接触的机会。
适当地，第三电极设有与另一元件的低阻抗耦合。这种低阻抗耦合可以是通常已知的任何类型的互连。在第一实施例中，第三电极横向延伸作为该互连。由于第三电极通常在压电层之后淀积，因此其选择因温度约束而不受限制。特别地，第三电极和互连被限定在具有足够厚度的金属层中。足够厚度例如是第二电极厚度的两倍，优选是至少0.1微米，更优选是0.5～3.0微米的量级。
有利地，该互连设计为任意类型的微带(microstrip)。特别地，优选的是作为传输线的实施例，其中第二电极用作地平面。然而，不排除带状线设计。
在第二实施例中，在背离压电层的一侧，互连与第三电极耦接。该互连可以是另一导电层。该导电层可以层叠到第三电极，或者利用通孔与其耦接。或者，该互连可以是装配的互连，例如一个或多个接合引线。
优选地，激励器没有任何可用于限定压电层的弯曲方向的结构层。代替地，该弯曲方向被限定是在于，第三电极具有比第二电极更大的厚度。这具有可移动元件的构造可以相当简单的优点。理想地，对于两个电极都包括相同金属，尤其是Pt的情况，第二电极的厚度等于第一电极厚度的两倍和压电层厚度的一半的总和。实际上，如果两个电极的材料是相同的，那么厚度比率在4和10之间；如果使用不相似的材料，那么它们的厚度应被调节使得它们的抗弯曲性比率等于厚度比率在4和10之间的相同材料的两个电极的抗弯曲性比率。
与现有技术文献GB-A 2,353,410的比较可以解释这种优点。其中示出的可移动元件是具有单独结构层的可移动元件，其是悬臂梁或膜。因此，考虑到所希望的弯曲方向，激励器存在于梁或膜的下侧上。然后激励器的弯曲必须被传递到梁或膜，以便使可移动元件朝向衬底。这涉及机械应力，并使得膜和激励器之间的界面易于以例如断裂或离层形式的机械故障。另外，对于梁或膜的材料选择固有地困难，因为它必须满足结构层的要求，其意味着一定的硬度，以及膜的要求，其意味着充足的弹性。而且，在可移动元件上需要与激励器的电极的连接。在本发明的这种器件中，可移动元件可以是基本上三层的构造。由此限制了接口的数目，并降低了可移动元件的复杂性。
该实施例的另一优点在于它允许在用于静电MEMS的现有工艺中的集成。适当的工艺从WO-A2004/54088，尤其是图7中得知，并包括三个金属层衬底上的第一金属层，以及在可移动元件中的第二和第三层。这里第三金属层有足够的厚度，在0.5-3.0微米的量级，以提供机械稳定性并允许限定电感器。第二层用于更充分地限定MEMS元件。它可以被独立地并以高于第三层的分辨率进行构图。适当地，使用两个无机层作为牺牲层，并且第二和第三层与垂直互连连接。现在，具有较厚的第三电极并且不具有单独结构层的构造在结构上类似于静电MEMS工艺。实际上，通过包括在第二电极上压电层的淀积和构图步骤，可以基本上不修改工艺流程。
应当理解，特别是在三层设计中，不需要第二或第三电极是整体延伸的板状结构。尤其是对于两次或多次夹钳的梁的情况来说，通过构造电极中的一个或者全部两个，来改善压电层的弯曲性能，以便有效地驱动压电层的部分。适当地，所构造的层被构造成三部分与第一电极相对的中间部分和两个边缘部分。优选地，构造第三电极层。更优选地，构造两个金属层。在未预公布的申请EP03104894.5(PHNL031531)中更详细地描述了这种构造。
本发明的电子器件可以采用不同的方式来制作。在一个实施例中，使用牺牲层技术，其中通过刻蚀一个或多个牺牲层在第一和第二电极之间形成间隙。在另一实施例中，使用例如现有技术专利申请GB-A 2,353,410中公开的装配技术。该电子器件中的MEMS元件适当地设有单独的封装构造。优选地是密封封装以便能够控制封装构造中的气氛。
在本发明的方法的优选实施例中，压电层是perowskit材料。其实例是来自锆钛酸铅(PZT)族的材料，包括PbZrTiO3、Pb(X.33Nb.67)O3-PbTiO3，其中X＝Mg、Zn、Ni、或其它，Pb(Y.5Nb5)O3-PbTiO3，其中Y＝Sc、Mn、In、Y、或其它，这些材料可以掺杂诸如La、Mn、W、Fe、Sb、Sr和Ni之类的金属。考虑到它们在800℃或更低的相对适度烧结温度下通过溶胶凝胶前驱物的良好的可加工性，以及它们的可控微结构，并且如果在6″或甚至更大直径的大衬底下处理的话，这些材料是优选的。其它可以使用的perowskit材料包括例如Sr3TaGa3Si2O14；K(Sr1-xBax)2Nb5O15，其中(0≤x≤1)；Na(Sr1-xBax)2Nb5O15，其中(0≤x≤1)；BaTiO3；(K1-xNax)NbO3，其中(0≤x≤1)；(Bi，Na，K，Pb，Ba)TiO3；(Bi，Na)TiO3；Bi7Ti4NbO21；(K1-xNax)NbO3-(Bi，Na，K，Pb，Ba)TiO3，其中(0≤x≤1)；a(BixNa1-x)TiO3-b(KNbO3-c)1/2(Bi2Q3-Sc2O3)，其中(0≤x≤1)并且(a+b+c＝1)；(BaaSrbCac)TixZr1-xO3，其中(0≤x≤1)并且(a+b+c＝1)；(BaaSrbLac)Bi4Ti4O15，其中(a+b+c＝1)；Bi4Ti3O12；LiNbO3；La3Ga5.5Nb0.5O14；La3Ga5SiO14；La3Ga5.5Ta0.5O14；AlN；ZnO。
MEMS元件可以采用不同的方式来解释。压电元件，其实际上是梁，可以体现为单次夹钳的梁、两次夹钳的梁和多次夹钳的梁。在单次夹钳的梁的情况下，对梁预加应力是有利的。这意味着在零激励电压下它被提供以确定的曲率。通过施加激励电压，压电层将沿基本上垂直于施加电场的取向的方向显示出扩展。因此，它将变得不太弯曲，并且第一和第二MEMS电极之间的电容将增加，或者将在第一和第二电极之间建立电接触。实验已经表明，实际上能够实现这种平整。
参考附图，将进一步解释本发明的器件的这些和其它方面，其中图1概略地示出该器件的第一实施例的截面图；以及图2概略地示出该器件的第二实施例的截面图。
具体实施例方式
图1概略地示出本发明的器件的第一实施例的截面图。仅就MEMS元件101示出该器件。它基本上包括可移动元件40和衬底30，它们通过机械支撑物38相互连接。在该实施例中，通过将可移动元件40装配到衬底30上来制作MEMS元件101。
可移动元件40用作激励器，并设有压电层25、第二电极21和第三电极22。它通过存在于衬底30上的支撑物38被机械地支撑。器件100进一步包括在衬底30上的第一电极31。尽管未示出，但是在可移动元件中可以存在另外的电极，因此第二电极对激励基本上没有贡献。在对激励器40施加驱动电压时，例如在第二和第三电极21、22之间，可移动元件可向着和/或离开第一电极31移动。移动梁形状的压电元件存在不同的选择。通常，在施加驱动电压时可移动元件将向着第一电极31移动，并且在去除驱动电压之后将松弛到其离开衬底30的位置。
如图1所示的MEMS元件101具有作为梁形状的压电元件的承载层的压电层25。在这种情况下，压电层25包括组分为Pb1.02La0.05Zr0.53Ti0.47O3的锆钛酸铅镧，并包括作为成核层的锆钛酸铅的第一层。在压电层25中存在垂直互连23，以便连接第三电极22。通过利用例如US4,759,823中描述的方法进行湿法化学蚀刻，来制作这种互连23。第三电极22包括Ti/Pt并且第二电极21包括TiW和Al的两个子层。可移动元件40进一步包括结构层13，在这种情况下是氮化硅，以及阻挡层24，在这种情况下是TiO2。在第二电极21的层中限定接合焊盘26，该接合焊盘26被可焊接的金属覆盖，在这种情况下是TiW/Au和Sn的层15、16、36、35，每个具有1～5μm量级的厚度。由于TiW/Al、TiW/Au的连接，该接合焊盘结构具有良好的机械稳定性。由于使用了TiW/Al，垂直互连23的电导率是极好的。
衬底30在这种情况下是被热氧化物层32覆盖的硅衬底，并包括驱动MEMS元件101所需的有源元件以及任何其它有源元件、无源元件，它们可按照需要集成在滤波器和集成电路中。正如技术人员将理解的，用于MEMS元件101的驱动电路还可以设置在如果仅被部分去除的载体层中。这是设计的问题，并取决于所需的功能性数量以及提供驱动电路所需的衬底材料的性质。MEMS元件101被制作为使得可移动元件的载体(未示出)被至少部分地除去。特别地，如果它在全部的表面区域上方被除去，那么优选地仅在装配之后除去该载体。对于该去除来说，可以使用本身已知的技术。特别地，氮化硅的结构层13还用作蚀刻停止层。
图1所示的实施例是电容器。它还具有的特征是，可移动元件40上的第二电极21和衬底30上的第一电极31设置为使得在垂直投影上一个不与另一个重叠。
电容器采用下述方式工作在施加激励电压时，可移动元件40将向着衬底30弯曲。然后压电层25将与第一电极31形成接触。接着，所得到的电容器基本上包括第三电极22、压电层25和第一电极31。
这种电容器的优点是在打开MEMS元件101的情况下良好的隔离，而电损耗仍然很低。这样的实现在于，通过压电层25的漏电流非常有限，并且压电层25具有例如在20～150V范围内的高击穿电压。这些有利特性是由于压电层25的密度和无孔结构、并且还由于其优选大于200nm的厚度而产生的。
图2示出如图1所示原理的替换实现。元件101包括可移动元件40并特别设有RF输入102和RF输出103。所示结构设有0.5μm厚的压电层25，在这种情况下基本上包括PbZr0.53Ti0.47O3，并具有大约1000的相对介电常数。这里第三电极22是具有1μm厚度的TiW/Al或Al层。第二电极21是0.3μm的Pt层。该元件是电容性开关，在闭合状态下其容量受接触21、31的表面粗糙度限制，其一般是5nm或更大的量级。这不利地影响了电容密度。通过使用具有高介电常数的电介质，所得到的电容器仍然足够密集，因为平均介电常数仍然相当大。
也可以使用相同构造作为电流开关(galvanic switch)。该开关背后的概念是第三电极22将用于高频信号的传递，以此降低了电阻性损耗。高频信号必须经过电介质，但是实际上考虑到高介电常数、高频以及电容器区域与整个可移动元件40一样大的事实，这并不是缺点。
权利要求
1.一种设有微电机械系统(MEMS)元件的电子器件，其包括-存在于衬底表面上的第一电极；-可移动元件，其至少部分地覆盖第一电极并包括压电激励器，在第一和第二位置之间通过施加激励电压该可移动元件可向着和从衬底移动，在该第一位置中，它借助间隙与衬底分开，其中该压电激励器包括在相对的表面上分别设有第二和第三电极的压电层，所述第二电极面向衬底，并且所述第三电极形成MEMS元件的输入电极，使得通过MEMS元件之间的电流路径包括该压电层和可调的间隙。
2.如权利要求1所述的电子器件，其中第一和第二电极设置为使得在可移动元件的第二闭合位置中第一电极与介电层接触。
3.如权利要求2所述的电子器件，其中第四电极存在于衬底表面上，当可移动元件处于其第二闭合位置时该第四电极接触第二电极。
4.如权利要求1所述的电子器件，其中在可移动元件的第二闭合位置中第一电极接触第二电极。
5.如权利要求1所述的电子器件，其中可移动元件没有任何附加的结构层，并且压电层和第三电极层中的至少一个构成可移动元件的载体层。
6.如权利要求1或5所述的电子器件，其中第三电极横向延伸作为与器件中的另一元件的互连。
7.如权利要求6所述的电子器件，其中第二电极连接到地，使得第三电极用作传输线。
8.如权利要求1或2所述的电子器件，其中第二电极具有的厚度是第三电极的厚度的至多一半。
9.如权利要求8所述的电子器件，其中第二电极的厚度是第三电极的厚度的至多五分之一。
10.如权利要求1或5所述的电子器件，其中构造第二和第三电极层中的至少一个，使得能够为压电层的部分提供不同的驱动电压。
全文摘要
微电机械系统(MEMS)元件(101)包括存在于衬底(30)的表面上的第一电极(31)和可移动元件(40)，其至少部分地覆盖第一电极(31)并包括压电激励器，在第一和第二位置之间通过施加激励电压该可移动元件(40)可向着和从衬底(30)移动，在该第一位置中，它借助间隙与衬底(30)分开。这里压电激励器包括在相对表面上分别设有第二和第三电极(21、22)的压电层(25)，所述第二电极(21)面向衬底(30)，并且所述第三电极(22)形成MEMS元件(101)的输入电极，因此通过MEMS元件(101)之间的电流路径包括该压电层(25)和可调的间隙。
文档编号H01H57/00GK1898814SQ200480038318
公开日2007年1月17日 申请日期2004年12月20日 优先权日2003年12月22日
发明者M·K·克利, T·G·S·M·里克斯, P·洛克, R·G·莫措克 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司