专利名称：Rf mems开关及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种MEMS元件，尤其涉及一种利用MEMS加工技术制成的高电容比的射频微机电开关(RF MEMS Switch)及其制造方法。
背景技术：
由于MEMS开关具有低损耗、低功耗、好的隔离性、好的线性、微型化以及高集成度，比GaAs FET开关或PIN型二极管开关具有更加优质的性能而被广泛应用于无线通信系统中。 —般的RF MEMS开关主要是由固定电极、相对于固定电极设置的移动电极、以及设置在移动电极和固定电极之间的电介质构成。当在移动电极和固定电极之间施加电压时，在两者之间就会产生静电力从而使移动电极被吸引到固定电极上，使两电极之间的距离发生了改变。由于电极之间的距离发生了改变，因此，电容发生改变，即阻抗发生了改变，从而使信号被导通或截止。因此，RF MEMS开关也被称为电容性MEMS开关，根据其驱动方式也被称为静电驱动式MEMS开关。 对于开关来说RF性能是由开关状态的电容比(Cd。wn/Cup)所决定的，这个比例公式如下其中，dair是两移动电极和固定电极间的空间距离，ddiel为电介质的厚度，e r是电
介质的介电常数，A。v^p是移动电极与固定电极的耦合面积。电容比越高，RFMEMS开关的性能越好。为了增大电容比，公开号为CN 1922755A的专利文件公开了一种电容性MEMS开关，该开关在电介质上固定一层悬浮金属，悬浮金属和固定电极有较大的相对耦合面积，当移动电极受静电力吸引作用和悬浮金属接触时，由于处于等电位，等效于增大了移动电极和固定电极间的耦合面积，因此极大地提高了电容比，提高了电容性MEMS开关的性能。但是，由于固定电极既是驱动电极又是信号传输线，悬浮金属位于信号传输线上，因此，在使用过程中由于直流偏压的作用产生的电弧效应会使金属接触点融化，从而使移动电极和悬浮金属粘连在一起，使开关失效。另外，电介质大面积覆盖固定电极，在使用过程中由于电介质存在电荷注入效应，会在电介质和移动电极间产生静电力，移动电极在静电力的作用下不会恢复到初始位置，使开关失效。
发明内容
本发明要解决的技术问题是通过增加单独的驱动电极，解决施加驱动电压后在移动电极和悬浮金属上发生电弧效应会使金属触点融化的问题，从而达到优化开关性能，延长开关寿命的目的。 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是一种RF MEMS开关，其结构包括带绝缘层的衬底，制备在绝缘层上的信号传输线和下电极，信号传输线上依次沉积的介质层和悬浮金属，锚固连接于下电极上的桥式金属电极；桥式金属电极与悬浮金属相对且有间隙地设置，信号传输线位于两个下电极之间；关键在于在衬底上两个下电极之间且在信号传输线两侧制备有覆有介质层的驱动电极。驱动电极上的介质层呈块状结构分布在驱动电极的表面。 上述RF MEMS开关的制备方法，其步骤包括 1)在带有绝缘层的衬底上采用溅射工艺制备信号传输线和下电极； 2)沉积制备出信号传输线上的介质层； 3)溅射制备悬浮金属； 4)采用牺牲层工艺制备桥式金属电极； 关键在于在制备信号传输线和下电极的同时制备出驱动电极。 采用上述技术方案所产生的有益效果在于由于采用单独的驱动电极设置，使驱动电极与信号传输线分离，这样使得射频信号与直流驱动信号分开，避免了由于直流偏压的作用造成的电弧效应，解决了悬浮金属和桥式金属电极的触点处由于金属融化、粘连使开关失效的问题，从而延长了开关的使用寿命。另外，在驱动电极上设置块状介质层减小了介质层与桥式金属电极的接触面积，可以有效防止由于电荷注入效应引起的桥式金属电极与介质层间的粘附。
图1是本发明开关内部结构的剖视示意图； 图2是图1所示结构施加直流偏压开关状态变化后的结构示意图； 图中1衬底，2绝缘层，3信号传输线，4下电极，5介质层，6悬浮金属，7驱动电极，
8金属触点，9桥式金属电极。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。 本发明提供的一种RF MEMS开关，其结构包括带绝缘层2的衬底l，通常为硅片，制备在绝缘层2上的信号传输线3和下电极4，信号传输线3上依次沉积的介质层5和悬浮金属6，锚固连接于下电极4上的桥式金属电极9 ;桥式金属电极9与悬浮金属6相对且有间隙地设置，信号传输线3位于两个下电极4之间；关键在于在衬底1上两个下电极4之间且在信号传输线3两侧制备有覆有介质层5的驱动电极7。驱动电极7上的介质层5呈块状结构分布在驱动电极7的表面。介质层5的块状结构可以为任意形状，并且应尽可能小以减小介质层5和桥式金属电极9的接触面积，达到有效降低介质层5电荷注入效应对开关性能产生的影响。 信号传输线3采用一定厚度的金属组成，厚度为2 i！ m 5 i！ m，信号传输线3上沉积的介质层5通常为氮化硅或氧化硅，厚度为1000 A 1500A，相对介电常数在5. 0 7. 6
范围内。根据所要求的开关电容大小设计桥式金属电极9的尺寸，通常桥式金属电极9的长度为200 ii m 400 ii m，宽度在25 ii m 180 y m。由于驱动电压会随着桥式金属电极9的桥的长度的减少而急剧增加，所以桥长一般不会小于200 ii m，为了使桥式金属电极9和信号传输线3有一个平坦的接触区，桥式金属电极9的宽度通常限制在200 ii m以内；由于采用静电驱动，驱动电压的大小与悬空高度有关，所以高度根据驱动电压而定，桥式金属电极9的高度一般在1. 5 i！ m 5 i！ m。桥式金属电极9通常采用金属或金属与介质混合搭配的多层结构，厚度为lPm 2iim，采取形式根据结构设计和应力匹配的要求而定。桥式金属电极9表面设有贯穿桥厚的开孔，开孔的作用有以下三个(l)减少压膜阻尼，增加开关速度；(2)孔的存在释放了桥式金属电极9的部分残余应力，降低了结构的杨氏模量；(3)在制备过程中加速牺牲层的释放。 上述悬浮金属6可以为矩形、方形或其他形状，在这里优选为两端宽中间细的H形，从而在增大桥式金属电极9与信号传输线3之间耦合面积的同时，也减小了桥式金属电极9与悬浮金属6的接触面积，提高了开关的性能。悬浮金属6采用Ti/Pt复合金属层结构，下层为Ti作为粘附层和介质层5相接触，上层为Pt作为接触层和桥式金属电极9接触，厚度为300A/1000A。采用Pt而不采用Au是出于可靠性的考虑，开关在工作过程中，金属接触时由于存在冲击碰撞，接触区容易产生材料转移、点状腐蚀等问题，Pt的硬度和熔点更高，因此可靠性更好。 作为更进一步的优选方案，在上述悬浮金属6上沉积金属触点8，金属触点8优选为长方形结构，也可以为其他形状，保证沿桥式金属电极9宽度方向的尺寸大于桥式金属电极宽度9，从而保证桥式金属电极9下拉时和金属触点8完全接触。在材料的选择上比较讲究，金属触点8由于频繁的碰撞以及发生电弧效应，容易出现点状腐蚀，材料转移以及微熔化效应，引起开关失效，因此必须采用低接触电阻，高熔点，抗氧化性好的金属或合金材料。传统的金属材料如A1， Cu， Au等由于熔点和硬度较低无法满足要求，采用Pt(铂)，Ru(钌)，Rh(铑)，Ir(铱)等熔点高，硬度适中以及抗氧化性好的金属材料较为合适。本实施方式中优选地采用Pt作为金属触点8材料。另外，由于增加了金属触点8，使得金属触点8的高度高于驱动电极7上介质层5的高度(高度差一般控制在0. 5 ii m 1 ii m范围内，高度差太大会影响桥式金属电极的平坦化)，因此，当桥式金属电极9由于受到静电力的作用而下拉时会和金属触点8充分接触。
本发明的具体工作原理为 参见图2，此时所加直流电压为OV，桥式金属电极9处于自然悬空状态，电流在信号传输线3上传输。当在驱动电极7和下电极4上施加直流偏压后，参见图3所示，由于桥式金属电极9锚接于下电极4上，下电极4为地线，桥式金属电极9和下电极4处于同一点位，因此，桥式金属电极9和驱动电极7间产生静电力，使桥式金属电极9向下移动并和驱动电极7的介质层5接触。由于驱动电极7分布在信号传输线3的两侧，且悬浮金属6上还有一层金属触点8，因此造成驱动电极7和金属触点8之间有一高度差，此高度差可以保证桥式金属电极9和金属触点8形成良好接触。桥式金属电极9和金属触点8接触后会使桥式金属电极9与信号传输线3之间的电容增大几十倍，此时两者之间的阻抗急剧减小，又由于桥式金属电极9通过下电极4形成地线，因此形成了微波频率的短路，截止了信号的传输。在撤销直流偏压后桥式金属电极9在弹性回复力的作用下恢复到初始状态，由此实现信号的通断。 以下为本发明所示RF MEMS开关的具体制作工艺步骤 1)衬底1上热氧化选用硅为衬底1材料，采用热氧化工艺在高阻硅表面生长氧化硅作为绝缘层2，厚度为4000A 1 11 m，制备氧化硅的目的是由于开关驱动电压施加在下电极与硅片中心线之间，因此必须在两线之间进行电隔离。 2)信号传输线3和驱动电极7的制备采用溅射制备Ti/Au金属结构，厚度为 300A/1000 A，为了减少趋附效应的影响，采用电镀工艺加厚Au层，信号传输线3总厚度 为2iim 5iim; 3)介质层5的制备由于金属的存在，采用PECVD低温制备介质层5薄膜(氮化 硅或氧化硅)，尽量减少介质层5的厚度可以增大开关电容比，然而由于介质层过薄会出现 针孔问题，淀积厚度不能小于1000 A，并且介质层5必须能够承受激励电压(10V 60V)而 不发生击穿，所以根据以上要求，介质层5的厚度为1500A。 4)悬浮金属6的制备采用溅射制备Ti/Pt复合金属层结构，下层为Ti作为粘附
层和电介质5相接触，上层为Pt作为接触层和桥式金属电极9接触，厚度为300A/1000人。 5)金属触点8的制备溅射Pt金属层，光刻、刻蚀剥离形成金属触点8 ; 6)牺牲层的制备可供选择的牺牲层材料很多，包括金属、氧化物及有机物，多晶
硅薄膜也是常用的牺牲层材料，由于本发明结构中存在绝缘介质，金属以及硅，所以优选光
刻胶作为牺牲层材料，光刻胶的厚度根据桥式金属电极9悬空高度的要求，选择光刻胶的
类型和旋转涂覆光刻胶的转数。 7)锚点的制备在牺牲层上直接光刻、刻蚀完成锚点制备。 8)桥式金属电极9的制备采用Au作为桥式金属电极9的材料，这是因为Au的
化学性质稳定。溅射Au金属层，光刻、腐蚀完成桥式金属电极9的制备。 9)牺牲层的释放采用了干法技术，即干法等离子体刻蚀技术去除牺牲层，实现
微机械结构的释放。 其中，光刻、刻蚀、溅射、光刻胶类型、涂覆光刻胶的方法均为本领域技术人员所熟 知的内容，在此不再赘述。
权利要求
一种RF MEMS开关，其结构包括带绝缘层(2)的衬底(1)，制备在绝缘层(2)上的信号传输线(3)和下电极(4)，信号传输线(3)上依次沉积的介质层(5)和悬浮金属(6)，锚固连接于下电极(4)上的桥式金属电极(9)；桥式金属电极(9)与悬浮金属(6)相对且有间隙地设置，信号传输线(3)位于两个下电极(4)之间；其特征在于在两个下电极(4)之间且在信号传输线(3)两侧制备有覆有介质层(5)的驱动电极(8)。
2. 根据权利要求1所述的RF MEMS开关，其特征在于驱动电极(7)上的介质层(5)呈块状结构分布在驱动电极(7)的表面。
3. 根据权利要求1所述的RF MEMS开关，其特征在于悬浮金属(6)呈H形。
4. 根据权利要求1或3所述的RF MEMS开关，其特征在于上述悬浮金属(6)采用Ti/Pt复合金属层结构，Ti作为粘附层，Pt作为接触层。
5. 根据权利要求1或3所述的RF MEMS开关，其特征在于在上述悬浮金属(6)上沉积金属触点(8)，金属触点(8)所用材料为Pt材料。
6. 根据权利要求1所述的RF MEMS开关，其特征在于上述桥式金属电极(9)的长度为200 ii m 400 ii m，宽度为25 y m 180 y m，桥式金属电极(9)表面设有贯穿桥厚的开孔。
7. 根据权利要求1所述的RF MEMS开关，其特征在于信号传输线(3)和下电极(4)的厚度为2iim 5iim。
8. —种权利要求1所述的RF MEMS开关的制备方法，其步骤包括1) 在覆有绝缘层(2)的衬底(1)上采用溅射工艺制备信号传输线(3)和下电极(4);2) 沉积制备出信号传输线(3)上的介质层(5);3) 溅射制备悬浮金属(6);4) 采用牺牲层工艺制备桥式金属电极(9);其特征在于在制备信号传输线(3)和下电极(4)的同时制备出驱动电极(8)。
9. 根据权利要求8所述的RF MEMS开关的制备方法，其特征在于在步骤3)后面增加制备金属触点(8)的步骤。
全文摘要
本发明公开了一种RF MEMS开关及其制造方法，应用于微机电开关领域，其结构包括带绝缘层的衬底，形成在衬底上的信号传输线和下电极，信号传输线上依次沉积的介质层和悬浮金属，锚固连接于下电极上的桥式金属电极；桥式金属电极与悬浮金属相对且有间隙地设置，信号传输线位于两个下电极之间；关键在于在衬底上两个下电极之间且在信号传输线两侧制备有覆有介质层的驱动电极。采用此结构设置避免了直流偏压作用造成的电弧效应，解决了悬浮金属和桥式金属电极的触点处由于金属融化、粘连使开关失效的问题，从而延长了开关的使用寿命。
文档编号H01H11/04GK101763987SQ20091026394
公开日2010年6月30日 申请日期2009年12月30日 优先权日2009年12月30日
发明者徐永青, 胥超 申请人:中国电子科技集团公司第十三研究所