氣態(tài)化學品向形成于中間介質層中的腔體內的注入以用于之后的熱擴散釋放的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明通常涉及用于通過憑借將氣體引入到包圍MEMS設備的切換元件的腔體中來降低切換時的沖擊速度來延長MEMS設備的壽命的方法。利用將離子注入到在容納切換元件的腔體附近并經(jīng)由通道連接到該腔體的腔體中來引入所述氣體，氣體可以通過所述通道從一個腔體流動到另一個腔體。注入能量選擇為將許多原子注入靠近腔體的內頂部和底部，使得退火時那些原子擴散進入腔體內。氣體提供降低切換MEMS設備的動能的氣體阻尼，于是所述切換MEMS設備應具有更長的壽命。
【專利說明】氣態(tài)化學品向形成于中間介質層中的腔體內的注入以用于之后的熱擴散釋放
【技術領域】
[0001]本發(fā)明的實施方案通常涉及將氣體引入到微腔體中以延長微機電系統(tǒng)(MEMS)設備的壽命。
【背景技術】
[0002]利用MEMS技術的數(shù)字式可變電容器(DVC)通過使MEMS設備的切換元件在高電容狀態(tài)和低電容狀態(tài)之間移動來進行操作。在高電容狀態(tài)下，切換元件處于鄰近RF電極的位置。在低電容狀態(tài)下，切換元件處于鄰近于與RF電極間隔開的另一電極的位置，或者更具體地，遠離設置于RF電極上的絕緣層。切換元件還可以移動到接地，由此切換元件既不鄰近RF電極也不鄰近其他電極。
[0003]在MEMS設備的壽命期間，切換元件在不同狀態(tài)之間(即高電容、低電容和接地)循環(huán)。對于循環(huán)，切換元件從接地狀態(tài)移動到高電容或低電容狀態(tài)。在循環(huán)完成后且在下一循環(huán)之前，切換元件返回至接地狀態(tài)。然后開始新的循環(huán)，由此切換元件移動到高電容或低電容狀態(tài)，或者保持接地狀態(tài)。這對應于板的物理運動，所述板要么接觸RF電極上覆蓋的絕緣層要么接觸在其中容納板的腔體的頂部。
[0004]在MEMS設備失靈之前，切換元件僅可以移動有限的次數(shù)。隨著切換元件的每次移動，MEMS設備積累有限量的損耗，所述損耗在足夠的總循環(huán)的情況下導致失靈。對于MEMS設備或腔體的頂部或者RF電極上覆蓋的絕緣層的所述有限損耗的量與當切換元件開始與其接觸時快速移動的切換元件的沖擊速度成比例。在上述例子中，接觸會使得材料從暴露的表面噴出，之后其進入電容器 的板之間，降低接地MEMS板可以形成的離RF電極上的絕緣層的最近距離。因此，降低了最大可能的電容。
[0005]因此，本領域中需要通過降低當切換元件與設備腔體內的各種表面接觸時的MEMS設備中切換元件的沖擊速度來延長DVC中的MEMS設備的壽命。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明通常涉及用于通過降低MEMS設備中切換元件的沖擊速度來延長MEMS設備的壽命的方法。當已經(jīng)在真空狀態(tài)下密封腔體后，將原子注入到腔體中以將惰性氣體引入到腔體中，而非使封裝的MEMS設備留在真空腔體中。將氣體引入到腔體中產(chǎn)生降低最終沖擊速度的氣體阻尼和薄膜阻尼。
[0007]在一個實施方案中，MEMS的制造方法包括Ai^MEMS設備，所述MEMS設備具有由封裝層密封的腔體；將原子注入到封裝層和與腔體相接的其他層中的一個或更多個中；和使MEMS設備退火以將原子釋放到腔體中并且使腔體增壓。
[0008]在另一個實施方案中，MEMS設備包括其中具有可在第一位置和第二位置之間移動的切換元件的第一腔體、相鄰于第一腔體設置的第二腔體、將第一腔體連接到第二腔體的通道和注入到第二腔體邊界部分中的原子。[0009]在另一實施方案中，MEMS設備或MEMS設備組容納在高真空下的腔體中。例如，MEMS設備可以是由電接地并且可從射頻(RF)電極附近的位置(即高電容狀態(tài))移動離開的導電梁構成的DVC，所述射頻電極可以在襯底上并且用絕緣體的薄層涂覆。通過將電壓施加到與RF電極相鄰的也用薄的絕緣體涂覆的電極，將導電梁拉入到高電容的狀態(tài)。然后當將電壓施加到導電梁上方的電極(即上拉電極)時，可以將導電梁拉到腔體的頂部。上拉電極下的絕緣體防止上拉電極上的電壓導致電流流到導電梁(即低電容狀態(tài))。低電容狀態(tài)使接地的導電梁移動遠離RF電極，導致RF電極的低電容狀態(tài)。典型地，施加IOV和30V之間的電壓以在低電容狀態(tài)和高電容狀態(tài)之間移動導電梁。這些高電壓使得導電梁加速穿過腔體并且以可大于lm/s的速度落到絕緣材料上。這些設備必須切換數(shù)億次，且如果沖擊速度過大，最終材料磨損表面，導致設備失靈。通過將氣體引入到腔體中，在所述梁與絕緣材料接觸時導電梁下的空氣需要移出。氣體必須橫向流過不斷減小的間隙，導致導電梁和它靠近的表面之間的窄間隙中增大的壓力。該壓力產(chǎn)生當在導電梁下落時使導電梁減慢的抵抗力，降低沖擊損耗。
[0010]例如氬氣、氮氣或氦氣的非反應性氣體的離子注入可在半導體加工制造中使用并用于將摻雜物注入到半導體襯底中。高電壓用于將離子加速到很高的速度，這些可以與電子束結合，使得在它們進入襯底之前中和它們的電荷。高速度確保大部分原子在半導體表面下方的一定距離處停止。在本實施方案中，離子加速可調整為將大部分離子沉積在可與腔體的頂層厚度相比較的深度處。將有原子會停下來的深度的分布，這將意味著很大比例的那些注入的原子會在腔體的正上方或正下方處停止。如果在腔體中存在切換元件，由于離子會停止在切換元件本身，所以這可能會是問題，這可能會造成頂面中的損耗或應力變化，導致切換元件的彎曲。為了避免該問題，在MEMS腔體的旁邊提供第二腔體并且由管狀通道接合。掩模材料的附加層可以放置在包含MEMS設備的腔體上，且然后從空腔體上移除。然后，原子注入過程將原子注入到MEMS腔體上的可移除層(即掩模材料)中，而不注入到腔體和在空腔體的正上方和正下方密集間隔開的區(qū)域中。之后的退火接著將使氣體從空腔體壁中離開并且進入空腔體，在空腔處壓力平衡會導致氣體擴散到包含切換元件的腔體中。過程的最后階段是移除保護MEMS腔體的掩模材料。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]因此，通過參照其中一些在附圖中示出的實施方案的方式，可以詳細地理解本發(fā)明的上述特征、在以上簡要總結的本發(fā)明更具體的描述。然而，應注意附圖僅示出本發(fā)明的典型實施方案，因此不認為是限定其范圍，這是因為本發(fā)明可允許其他的等效實施方案。
[0012]圖1A示出了與鄰近空腔體相連的腔體中的MEMS設備。
[0013]圖1B示出了加了掩模層后的圖1A的MEMS設備和腔體。
[0014]圖1C示出了注入過程后的圖1A和圖1B的MEMS設備和腔體。
[0015]圖1D示出了退火并且移除掩模層后的圖1C的MEMS設備和腔體。
[0016]圖2A示出了高能量注入后相對于在固體襯底中的深度的典型的原子濃度。
[0017]圖2B示出了相對于在腔體鑄件中的深度的典型的原子濃度。
[0018]圖2C示出了圖2B中所示原子分布在退火后的原子分布。
[0019]為了便于理解，在可能的情況下已經(jīng)使用相同的附圖標記來表示附圖所共有的相同元件。預期一個實施方案中所公開的元件可以有利地用于其他實施方案中而不需特別說明。
【具體實施方式】
[0020]本發(fā)明通常涉及用于通過降低MEMS設備中切換元件的沖擊速度來延長MEMS設備的壽命的方法。當已經(jīng)在真空狀態(tài)下密封腔體后，將原子注入到腔體中以將惰性氣體引入到腔體中，而非將封裝的MEMS設備留在真空腔體中。將氣體引入到腔體中產(chǎn)生降低最終沖擊速度的氣體阻尼和薄膜阻尼。
[0021]圖1A示出根據(jù)一個實施方案的接地狀態(tài)下的MEMS設備100。MEMS設備100包括在其中形成有多個電極104A-104E的襯底102。因為電極104B、104D用于將切換元件108拉向電極104C，所以兩個電極104B、104D被稱為“拉入”電極。電極104C是RF電極。電極104AU04E通過填充有導電材料110的通路孔來為切換元件108提供接地連接。電絕緣層106形成于電極104B-104D上。在一個實施方案中，絕緣層106可包括二氧化硅、氮化硅或它們的組合。
[0022]切換元件108可以包括導電材料，例如氮化鈦或氮化鈦鋁的合金。在一個實施方案中，氮化鈦可用電絕緣材料的薄層涂覆。示出切換元件108具有通過一個或更多個柱116連接的底層112和頂層114。應當理解，預期切換元件108還可以有其它的配置。此外，應當理解，預期切換元件108的頂層114和底層112 二者都包括在其上具有電絕緣材料薄層的氮化鈦，但還預期其他材料。切換元件108設置于腔體118內，且可以在腔體118內在低電容、高電容以及接地狀態(tài)之間移動。
[0023]在切換元件108上，存在有時也稱為“上拉”或“拉斷”電極的其他電極120。電絕緣材料的薄層122設置于電極120和腔體118之間，使得層122限制腔體118。利用封裝腔體118的封蓋層124來密封腔體118。
[0024]包含切換元件108的腔體118旁邊是一個單獨的腔體130。腔體130通過管或通道131連接到包含切換元件108的腔體118。腔體130可用于將原子引入到腔體118中，這將降低腔體118中切換元件108的沖擊速度。通過離子注入過程，可以將原子注射到腔體130 中。
[0025]根據(jù)一個實施方案，MEMS設備100可以按如下方式形成。通過在襯底102上形成掩模而并且蝕刻襯底102以對襯底102構圖來形成溝槽，在所述溝槽中形成用于形成電極104A-104E的導電材料。然后，移除掩模并且將導電材料沉積到溝槽中以形成電極104A-104E。然后，將電絕緣層106沉積在其上。然后，在電絕緣層106上形成另外的掩模，使得可以形成將被導電材料110填滿的通路孔。將通路孔蝕刻到絕緣層中以暴露電極104A、104E，然后移除掩模。然后，將導電材料110沉積于通路孔中。
[0026]然后，將犧牲材料沉積在電絕緣層106上。然后，將切換元件108形成于所述犧牲材料中，而額外的犧牲材料形成于切換元件108上。犧牲材料構成將要形成的腔體118、130的邊界。然后，電絕緣層122形成于頂端的犧牲層上，接著是電極120。穿過封蓋層124、電極120和絕緣層122形成孔，以暴露犧牲材料。將蝕刻劑引入到腔體118中以移除所述犧牲材料，并且由此形成腔體118和腔體130。在腔體118中，響應于施加到電極120或拉入電極104BU04D的電流，切換元件108自由移動。附加的封裝層可以在其上沉積，以密封腔體118、130。密封后，通過離子注入過程可將原子注入到腔體130中。
[0027]為了將原子注入到腔體130中，在封蓋層124上形成掩模140。圖1B示出了具有腔體118以及與其相鄰的腔體130的MEMS設備100。掩模140形成于封蓋層124上。掩模140具有貫穿它的開口 142以暴露在腔體130上的封蓋層124。掩模材料可包括光刻膠、聚酰亞胺或可吸收加速原子的任何其他掩模材料。利用光刻和蝕刻來對掩模材料構圖，以在相鄰的空腔體130上移除所述掩模材料，并且由此形成掩模140。
[0028]一旦掩模140已經(jīng)形成，原子可以通過掩模140注入到腔體130中。圖1C示出了其中已經(jīng)將原子注入到腔體130中的MEMS設備100。所注入的原子可以包括氬、氦、氮、它們的組合或在環(huán)境溫度下形成氣體的任何其他材料。在一個實施方案中，所注入的原子包括不會與腔體118中的材料發(fā)生反應的氣體。將所注入的原子標記為在區(qū)域150和151中。
[0029]注入原子后，可以對MEMS設備100進行退火，以使原子擴散到腔體130、通道131和腔體118中?？梢栽谧罡呒s450攝氏度的溫度下進行退火。掩模140也被移除?？梢栽谘谀?40的移除之前或之后進行退火。圖1D示出了退火之后并移除掩模140之后的MEMS設備100。由于退火，氣體分子會已經(jīng)擴散至腔體118中。雖然未示出，但是可以預期一些犧牲材料可保留在腔體130中并且具有在注入過程中注入到其中的原子。
[0030]圖2A示出了高能量注入后相對于在固體襯底中的深度的典型的原子濃度?？v軸示出了向下進入到固體襯底的距離。X橫軸示出了所注入原子的密度。
[0031]圖2B示出了相對于在腔體鑄件中的深度的典型的原子濃度。將所述腔體的頂部的深度標記為1，而將所述腔體的底部的深度標記為2。由于腔體幾乎不給所注入的原子提供任何損失能量的機會，所以通到腔體的原子穿過腔體并嵌在腔體的底部。因此分布變寬了幾乎是所述腔體的厚度。一些原子可被腔體的底部反射并提供一些壓力。
[0032]圖2C示出了圖2B中所示原子分布在退火后的原子分布。注入的原子的濃度梯度導致腔體表面附近的原子擴散到腔體中，提供可降低切換MEMS設備的沖擊速度的原子壓力。
[0033]在一個實施方案中，在MEMS設備100的制造過程中，犧牲材料中的一些可保留在腔體130中，使得所注入的原子停止在腔體區(qū)域。如果該犧牲材料是多孔的，或原子具有快速擴散的時間，則它們將更快速并更高效地釋放到接合的腔體中。腔體130還可以具有在制造階段沉積于腔體130中的材料，所述材料在釋放過程中不會被從腔體中移除，但是會容易地使注入的原子停止，并且使它們能夠在加熱時迅速地擴散。
[0034]本發(fā)明已對腔體中作為數(shù)字式可變電容器中許多電容的一部分的一個電容器進行描述，但是應當理解，本發(fā)明適用于具有多個MEMS設備的腔體，其中所述設備的切換產(chǎn)生限制設備壽命的沖擊。
[0035]盡管以上描述針對本發(fā)明的實施方案，但在不背離本發(fā)明的基本范圍的情況下，可設想本發(fā)明的其他和進一步的實施方案，且其范圍由所附權利要求來限定。
【權利要求】
1.一種MEMS的制造方法，包括: 制造MEMS設備，所述MEMS設備具有由封裝層密封的腔體； 將原子注入到所述封裝層和與所述腔體相接的其他層中的一個或更多個中；和 使所述MEMS設備退火以將所述原子釋放到所述腔體中并且使所述腔體增壓。
2.權利要求1所述的方法，其中所述腔體包括第一腔體和經(jīng)由通道連接到所述第一腔體的第二腔體。
3.權利要求2所述的方法，其進一步包括在所述封裝層上形成掩模。
4.權利要求3所述的方法，其中所述注入包括將原子注入到與所述第二腔體相接的區(qū)域中的所述封裝層中。
5.權利要求4所述的方法，其中所述原子選自氮、氦、氬、氙及其組合。
6.權利要求5所述的方法，其中制造MEMS設備包括: 將犧牲材料沉積在絕緣層上； 在所述犧牲材料中 形成切換元件； 將犧牲材料沉積在所述切換元件上；和 將形成于所述絕緣層和所述切換元件上的犧牲材料移除。
7.權利要求6所述的方法，其中所述犧牲材料限定所述第一腔體、所述第二腔體和所述通道的邊界。
8.權利要求7所述的方法，其中在移除所述犧牲材料之后，所述切換元件可在所述第一腔體內在與所述絕緣層接觸的位置和與所述絕緣層隔開的位置之間移動。
9.權利要求1所述的方法，其中所述注入包括將原子注入到與所述腔體相接的區(qū)域中的所述封裝層中。
10.權利要求9所述的方法，其中所述原子選自氮、氦、氬、氙及其的組合。
11.權利要求10所述的方法，其中制造MEMS設備包括: 將犧牲材料沉積在絕緣層上； 在所述犧牲材料中形成切換元件； 將犧牲材料沉積在所述切換元件上；和 將形成于所述絕緣層和所述切換元件上的犧牲材料移除。
12.權利要求11所述的方法，其中所述犧牲材料限定所述腔體的邊界。
13.權利要求12所述的方法，其中在移除所述犧牲材料之后，所述切換元件可在所述腔體內在與所述絕緣層接觸的位置和與所述絕緣層隔開的位置之間移動。
14.權利要求1所述的方法，其中制造MEMS設備包括: 將犧牲材料沉積在絕緣層上； 在所述犧牲材料中形成切換元件； 將犧牲材料沉積在所述切換元件上；和 將形成于所述絕緣層和所述切換元件上的犧牲材料移除。
15.權利要求14所述的方法，其中所述犧牲材料限定所述腔體的邊界。
16.權利要求15所述的方法，其中在移除所述犧牲材料之后，所述切換元件可在所述腔體內在與所述絕緣層接觸的位置和與所述絕緣層隔開的位置之間移動。
17.一種MEMS設備，包括:其中具有可在第一位置和第二位置之間移動的切換元件的第一腔體；相鄰于所述第一腔體設置的第二腔體；將所述第一腔體連接到所述第二腔體的通道；和注入到所述第二腔體邊界部分中的原子。
18.權利要求17所述的MEM S設備，其中所述原子選自氮、氦、氬、氙及其組合。
【文檔編號】B81C1/00GK103502139SQ201280019348
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2012年4月19日 優(yōu)先權日:2011年4月20日
【發(fā)明者】威利布羅德·杰拉杜斯·瑪麗亞·凡登豪克, 羅伯托·彼得勒斯·范－卡普恩, 理查德·L·奈普, 查爾斯·G·史密斯 申請人:卡文迪什動力有限公司