Mems電磁力驅動器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種MEMS電磁力驅動器，包括一端為固定端另一端為懸空端的長方形線圈狀懸臂梁、外電路輸入電極、外電路輸出電極、懸臂梁輸入電極和懸臂梁輸出電極，一絕緣墊高層位于覆蓋于懸臂梁輸入電極和懸臂梁輸出電極上表面，絕緣墊高層具有輸入通孔、輸出通孔，位于所述線圈狀懸臂梁固定端的輸入端通過位于輸入通孔內的導電柱與懸臂梁輸入電極電連接，位于所述線圈狀懸臂梁固定端的輸出端通過位于輸出通孔內的導電柱與懸臂梁輸出電極電連接，線圈狀懸臂梁下表面、輸入通孔側表面、輸出通孔側表面均覆有Si3N4絕緣層，線圈狀懸臂梁上表面覆有Si3N4保護膜。本發(fā)明延長了器件的使用壽命，大大降低了電荷累積問題，減少了故障率，機械強度高，其驅動間隙變化大，實現(xiàn)了低驅動電壓或者低驅動電流運行。
【專利說明】
MEMS電磁力驅動器及其制備方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種微機電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical System，MEMS)器件的電磁力驅動器，特別涉及一種驅動電壓低、能量損耗小的微型MEMS電磁力驅動器。
【背景技術】
[0002]驅動器是自動控制、機器人等領域的基礎單元器件。其中，工作在射頻波段的驅動器作為集成電路的開關，成為射頻信號處理電路的基本元件之一。以前，射頻驅動器通常采用P-1-N 二極管或砷化鎵金屬-半導體場效應管來實現(xiàn)。但是，隨著頻率增長，這類半導體驅動器表現(xiàn)出信號損失和能量損耗的缺陷。近年來，射頻MEMS驅動器由于插入損耗低、隔離度尚和功率損耗小等優(yōu)點，引起了人們的極大關注。
[0003]大多數(shù)射頻MEMS驅動器通過靜電力驅動，其功率損耗非常低并且容易制造。但是，依靠靜電力驅動的射頻MEMS驅動器存在兩個主要問題:高驅動電壓和低機械穩(wěn)定性。高驅動電壓降低了器件的使用壽命，而且會因為電荷累積問題引起故障。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明提供一種MEMS電磁力驅動器，此MEMS電磁力驅動器延長了器件的使用壽命，大大降低了電荷累積問題，減少了故障率，機械強度高，其驅動間隙變化大，實現(xiàn)了低驅動電壓或者低驅動電流運行，提高了機械穩(wěn)定性，而且具有更長的壽命，且其體積小、驅動電壓低，與半導體制造工藝兼容的MEMS電磁力驅動器；同時提供一種用于制備上述的MEMS電磁力驅動器的制造工藝。
[0005]為達到上述目的，本發(fā)明采用的第一技術方案是:一種MEMS電磁力驅動器，包括一端為固定端另一端為懸空端的長方形線圈狀懸臂梁、外電路輸入電極、外電路輸出電極、懸臂梁輸入電極和懸臂梁輸出電極，所述外電路輸入電極、外電路輸出電極位于襯底上表面一端，所述懸臂梁輸入電極和懸臂梁輸出電極位于襯底上表面另一端，一絕緣墊高層位于覆蓋于所述懸臂梁輸入電極和懸臂梁輸出電極上表面，所述絕緣墊高層具有輸入通孔、輸出通孔，位于所述線圈狀懸臂梁固定端的輸入端通過位于輸入通孔內的導電柱與懸臂梁輸入電極電連接，位于所述線圈狀懸臂梁固定端的輸出端通過位于輸出通孔內的導電柱與懸臂梁輸出電極電連接，所述線圈狀懸臂梁下表面、輸入通孔側表面、輸出通孔側表面均覆有Si3N4絕緣層，所述線圈狀懸臂梁上表面覆有Si3N4保護膜，位于所述線圈狀懸臂梁懸空端的Si 3N4保護膜下表面具有一金屬接觸電極，此金屬接觸電極與外電路輸入電極、外電路輸出電極在豎直方向留有間隙，并位于外電路輸入電極、外電路輸出電極上方；
當電壓或電流信號從懸臂梁輸入電極引入，自下而上流過位于輸入通孔內的導電柱，從固定端的線圈狀懸臂梁的輸入端流進，從線圈狀懸臂梁的輸出端流出，然后自上而下流過位于輸出通孔內的導電柱，最后從懸臂梁輸出電極導出，形成懸臂梁的工作回路，且外加一個水平方向的磁場時，線圈狀懸臂梁的懸空端在電磁力和靜電力的共同作用下，下移動或者上移動，從而實現(xiàn)金屬接觸電極的兩端與外電路輸入電極和外電路輸出電極導通或者斷開。
[0006]上述技術方案中進一步的改進技術方案如下:
I.上述方案中，所述襯底為絕緣Si襯底。
[0007]2.上述方案中，所述線圈狀懸臂梁、外電路輸入電極、外電路輸出電極、懸臂梁輸入電極和懸臂梁輸出電極材料為金屬、摻雜多晶硅或者摻雜砷化鎵。
[0008]本發(fā)明采用的第二技術方案是:一種用于制備上述的MEMS電磁力驅動器的制造工藝，包括以下步驟:
步驟一、在一個表面氧化的絕緣Si襯底上面濺射一層Au薄膜，厚度為I μπι，涂光刻膠，經曝光、顯影、刻蝕形成懸臂梁電極和外電路電極;如圖1所示，懸臂梁電極包括懸臂梁輸入電極，懸臂梁輸出電極，外電路電極包括外電路輸入電極，夕卜電路輸出電極，輸入電極和輸出電極可互換；
步驟二、采用CVD方法生長一層S12，從絕緣Si襯底上表面到S12上表面厚度為2?3 μm，到懸臂梁電極或外電路電極的厚度為I?2 Mi，涂光刻膠，經曝光、顯影、刻蝕形成絕緣墊高層起到保護懸臂梁和懸臂梁電極導通的作用；
步驟三、在步驟二得到的凹凸不平的表面上填充一層PSG犧牲層，并經過回流平坦化工藝使上表面平整，其中PSG犧牲層的上表面到絕緣Si襯底的厚度為5?6 Mi，到懸臂梁電極或外電路電極的厚度為4?5 μπι，在PSG犧牲層上刻蝕窗口，其中，在懸臂梁電極位置，刻蝕至露出懸臂梁電極;而外電路電極位置處刻蝕出金屬接觸電極的長方形小孔，刻蝕深度約Iμπι，使得該位置繼續(xù)保留2?3 μπι的PSG犧牲層；
步驟四、在PSG犧牲層的上表面，濺射生長厚度約Ιμπι的Au薄膜，涂光刻膠，經曝光、顯影、刻蝕將其余部分去除，僅保留步驟3中“金屬接觸電極的長方形小孔”處的Au薄膜，小孔的深度約Iwn，Au薄膜的厚度也為Ιμπι，因此Au薄膜剛好將此小孔填平，形成金屬接觸電極，而且該金屬接觸電極與外電路電極之間保留2?3 Mi的PSG犧牲層，因此并未導通；
步驟五、在步驟四得到的凹凸不平的表面上外延生長一層等厚的Si3N4絕緣層，厚度為1.0 Μ1，并在懸臂梁電極位置，刻蝕至露出襯底上的懸臂梁電極，其余部分保留，該Si3N4絕緣層的作用是使得懸臂梁的工作回路和外電路的工作回路相互絕緣；
步驟六、在步驟五形成的上表面，濺射一層Au薄膜，厚度約2.0 Mi，涂光刻膠，經曝光、顯影、刻蝕，形成線圈狀懸臂梁；
步驟七、在線圈狀懸臂梁的上表面，CVD方法生長一層Si3N4,厚度約0.1 μπι，涂光刻膠，經曝光、顯影、刻蝕，在線圈狀懸臂梁的上表面形成一層Si3N4保護膜；
步驟八、溶解去除步驟三中的PSG犧牲層。
[0009]由于上述技術方案運用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有下列優(yōu)點:
本發(fā)明MEMS電磁力驅動器及其制備方法，其延長了器件的使用壽命，大大降低了電荷累積問題，減少了故障率，高機械強度的結構，其驅動間隙變化大，實現(xiàn)了低驅動電壓或者低驅動電流運行，提高了機械穩(wěn)定性，而且具有更長的壽命;其次，其體積小、驅動電壓低，與半導體制造工藝兼容的MEMS電磁力驅動器。
【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明MEMS電磁力驅動器的三維立體結構示意圖； 圖2?9本發(fā)明MEMS電磁力驅動器工藝流程圖。
[0011 ]以上附圖中:1、絕緣Si襯底;2、懸臂梁電極;2a、懸臂梁輸入電極;2b、懸臂梁輸出電極;3、外電路電極;3a、外電路輸入電極;3b、外電路輸出電極;4、絕緣墊高層;5、PSG犧牲層;6、金屬接觸電極;7、Si3N4絕緣層;8、線圈狀懸臂梁;9、Si3N4保護膜;10、導電柱。
【具體實施方式】
[0012]下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述:
實施例:一種MEMS電磁力驅動器，包括一端為固定端另一端為懸空端的長方形線圈狀懸臂梁8、外電路輸入電極、外電路輸出電極、懸臂梁輸入電極和懸臂梁輸出電極，所述外電路輸入電極、外電路輸出電極位于襯底上表面一端，所述懸臂梁輸入電極和懸臂梁輸出電極位于襯底上表面另一端，一絕緣墊高層位于覆蓋于所述懸臂梁輸入電極和懸臂梁輸出電極上表面，所述絕緣墊高層具有輸入通孔、輸出通孔，位于所述線圈狀懸臂梁8固定端的輸入端通過位于輸入通孔內的導電柱10與懸臂梁輸入電極電連接，位于所述線圈狀懸臂梁8固定端的輸出端通過位于輸出通孔內的導電柱10與懸臂梁輸出電極電連接，所述線圈狀懸臂梁8下表面、輸入通孔側表面、輸出通孔側表面均覆有Si3N4絕緣層7，所述線圈狀懸臂梁8上表面覆有Si3N4保護膜，位于所述線圈狀懸臂梁8懸空端的Si3N4保護膜9下表面具有一金屬接觸電極，此金屬接觸電極與外電路輸入電極、外電路輸出電極在豎直方向留有間隙，并位于外電路輸入電極、外電路輸出電極上方；
當電壓或電流信號從懸臂梁輸入電極2a引入，自下而上流過位于輸入通孔內的導電柱10，從固定端的線圈狀懸臂梁8的輸入端流進，從線圈狀懸臂梁8的輸出端流出，然后自上而下流過位于輸出通孔內的導電柱10，最后從懸臂梁輸出電極2b導出，形成懸臂梁的工作回路，且外加一個水平方向的磁場時，線圈狀懸臂梁8的懸空端在電磁力和靜電力的共同作用下，下移動或者上移動，從而實現(xiàn)金屬接觸電極6的兩端與外電路輸入電極3a和外電路輸出電極3b導通或者斷開。
[0013]上述襯底為絕緣Si襯底。
[0014]上述線圈狀懸臂梁8、外電路輸入電極、外電路輸出電極、懸臂梁輸入電極和懸臂梁輸出電極材料為金屬、摻雜多晶硅或者摻雜砷化鎵。
[0015]作為本發(fā)明的進一步改進，襯底材料可采用玻璃、鍺或砷化鎵等材料代替硅。
[0016]作為本發(fā)明的進一步改進，該MEMS電磁力驅動器電極和線圈狀懸臂梁等導電部分的材料可由摻雜后的半導體材料代替金屬，例如摻雜多晶硅、摻雜砷化鎵等半導體材料。
[0017]作為本發(fā)明的進一步改進，該MEMS電磁力驅動器的電極和線圈狀懸臂梁等導電部分可采用濺射、電鍍等工藝制備金屬層。
[0018]作為本發(fā)明的進一步改進，該MEMS電磁力驅動器的氮化硅或氧化硅絕緣層可采用CVD等方法制備。
[0019]作為本發(fā)明的進一步改進，線圈形狀的懸臂梁可通過調節(jié)材料導電能力、線圈圈數(shù)、線圈尺寸等物理參數(shù)，以得到驅動電壓低，能量損耗小的驅動器結構。
[0020]本實施例MEMS電磁力驅動器，參見附圖1是本實施例中的MEMS電磁力驅動器的三維立體結構示意圖；其主要結構包括:一端固定另一端懸空的長方形線圈狀懸臂梁8和兩對固定在襯底上的電極組成，其中，一對電極與懸臂梁的固定端導通，另一對電極接入外電路。懸臂梁電路和外電路相互絕緣，形成兩個獨立回路。電壓或電流信號從懸臂梁輸入電極2a引入，自下而上流過通孔，從固定端的線圈的一端流進，從線圈的另一端流出，然后自上而下流過通孔，最后從襯底上的懸臂梁輸出電極2b導出，形成懸臂梁的工作回路。當外加一個水平方向的磁場時，懸臂梁的懸空端在電磁力和靜電力的共同作用下可上下移動。在懸空端的背面緊貼一層Si3N4絕緣層7和金屬接觸電極6: Si3N4絕緣層7的作用是使得懸臂梁的工作回路和外電路的工作回路相互絕緣;當懸臂梁的懸空端向下移動時，金屬接觸電極6的兩端分別搭上外電路輸入電極3a和外電路輸出電極3b，使得原本斷開的一對外電路電極導通，形成開關結構。
[0021]—種用于制備上述的MEMS電磁力驅動器的制造工藝，包括以下步驟:
步驟一、在一個表面氧化的絕緣Si襯底I上面濺射一層Au薄膜，厚度為I μπι，涂光刻膠，經曝光、顯影、刻蝕形成懸臂梁電極2和外電路電極3;如圖1所示，懸臂梁電極2包括懸臂梁輸入電極2a，懸臂梁輸出電極2b，外電路電極3包括外電路輸入電極3a，外電路輸出電極3b，輸入電極和輸出電極可互換；
步驟二、采用CVD方法生長一層S12，從絕緣Si襯底I上表面到S12上表面厚度為2?3μπι，到懸臂梁電極2或外電路電極3的厚度為I?2 Mi，涂光刻膠，經曝光、顯影、刻蝕形成絕緣墊高層4起到保護懸臂梁和懸臂梁電極2導通的作用；
步驟三、在步驟二得到的凹凸不平的表面上填充一層PSG犧牲層5，并經過回流平坦化工藝使上表面平整，其中PSG犧牲層5的上表面到絕緣Si襯底I的厚度為5?6 μπι，到懸臂梁電極2或外電路電極3的厚度為4?5 μπι，在PSG犧牲層5上刻蝕窗口，其中，在懸臂梁電極2位置，刻蝕至露出懸臂梁電極2;而外電路電極3位置處刻蝕出金屬接觸電極6的長方形小孔，刻蝕深度約Ιμπι，使得該位置繼續(xù)保留2?3 μπι的PSG犧牲層；
步驟四、在PSG犧牲層5的上表面，濺射生長厚度約IMi的Au薄膜，涂光刻膠，經曝光、顯影、刻蝕將其余部分去除，僅保留步驟3中“金屬接觸電極6的長方形小孔”處的Au薄膜，小孔的深度約Iwn，Au薄膜的厚度也為Ιμπι，因此Au薄膜剛好將此小孔填平，形成金屬接觸電極6，而且該金屬接觸電極6與外電路電極3之間保留2?3 μπι的PSG犧牲層，因此并未導通；
步驟五、在步驟四得到的凹凸不平的表面上外延生長一層等厚的Si3N4絕緣層7，厚度為1.0 Mi，并在懸臂梁電極2位置，刻蝕至露出襯底上的懸臂梁電極2，其余部分保留，該Si3N4絕緣層7的作用是使得懸臂梁的工作回路和外電路的工作回路相互絕緣；
步驟六、在步驟五形成的上表面，濺射一層Au薄膜，厚度約2.0 Mi，涂光刻膠，經曝光、顯影、刻蝕，形成線圈狀懸臂梁8;
步驟七、在線圈狀懸臂梁8的上表面，CVD方法生長一層Si3N4,厚度約0.1 μπι，涂光刻膠，經曝光、顯影、刻蝕，在線圈狀懸臂梁8的上表面形成一層Si3N4保護膜9;
步驟八、溶解去除步驟三中的PSG犧牲層5。
[0022]采用上述MEMS電磁力驅動器時，其延長了器件的使用壽命，大大降低了電荷累積問題，減少了故障率，高機械強度的結構，其驅動間隙變化大，實現(xiàn)了低驅動電壓或者低驅動電流運行，提高了機械穩(wěn)定性，而且具有更長的壽命;其次，其體積小、驅動電壓低，與半導體制造工藝兼容的MEMS電磁力驅動器。
[0023]上述實施例只為說明本發(fā)明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發(fā)明的內容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種MEMS電磁力驅動器，其特征在于:包括一端為固定端另一端為懸空端的長方形線圈狀懸臂梁(8)、外電路輸入電極、外電路輸出電極、懸臂梁輸入電極和懸臂梁輸出電極，所述外電路輸入電極、外電路輸出電極位于襯底上表面一端，所述懸臂梁輸入電極和懸臂梁輸出電極位于襯底上表面另一端，一絕緣墊高層位于覆蓋于所述懸臂梁輸入電極和懸臂梁輸出電極上表面，所述絕緣墊高層具有輸入通孔、輸出通孔，位于所述線圈狀懸臂梁(8)固定端的輸入端通過位于輸入通孔內的導電柱(10)與懸臂梁輸入電極電連接，位于所述線圈狀懸臂梁(8)固定端的輸出端通過位于輸出通孔內的導電柱(10)與懸臂梁輸出電極電連接，所述線圈狀懸臂梁(8)下表面、輸入通孔側表面、輸出通孔側表面均覆有Si3N4絕緣層(7)，所述線圈狀懸臂梁(8)上表面覆有Si3N4保護膜，位于所述線圈狀懸臂梁(8)懸空端的Si3N4保護膜(9)下表面具有一金屬接觸電極，此金屬接觸電極與外電路輸入電極、外電路輸出電極在豎直方向留有間隙，并位于外電路輸入電極、外電路輸出電極上方； 當電壓或電流信號從懸臂梁輸入電極(2a)引入，自下而上流過位于輸入通孔內的導電柱(10)，從固定端的線圈狀懸臂梁(8)的輸入端流進，從線圈狀懸臂梁(8)的輸出端流出，然后自上而下流過位于輸出通孔內的導電柱(10)，最后從懸臂梁輸出電極(2b)導出，形成懸臂梁的工作回路，且外加一個水平方向的磁場時，線圈狀懸臂梁(8)的懸空端在電磁力和靜電力的共同作用下，下移動或者上移動，從而實現(xiàn)金屬接觸電極(6)的兩端與外電路輸入電極(3a)和外電路輸出電極(3b)導通或者斷開。2.根據(jù)權利要求1所述的MEMS電磁力驅動器，其特征在于:所述襯底為絕緣Si襯底。3.根據(jù)權利要求1所述的MEMS電磁力驅動器，其特征在于:所述線圈狀懸臂梁(8)、外電路輸入電極、夕卜電路輸出電極、懸臂梁輸入電極和懸臂梁輸出電極材料為金屬、摻雜多晶娃或者摻雜砷化鎵。4.一種用于制備權利要求1所述的MEMS電磁力驅動器的制造工藝，其特征在于:包括以下步驟: 步驟一、在一個表面氧化的絕緣Si襯底(I)上面濺射一層Au薄膜，厚度為I μπι，涂光刻膠，經曝光、顯影、刻蝕形成懸臂梁電極(2)和外電路電極(3);如圖1所示，懸臂梁電極(2)包括懸臂梁輸入電極(2a)，懸臂梁輸出電極(2b)，外電路電極(3)包括外電路輸入電極(3a)，外電路輸出電極(3b)，輸入電極和輸出電極可互換； 步驟二、采用CVD方法生長一層S12,從絕緣Si襯底(I)上表面到S12上表面厚度為2?3μπι，到懸臂梁電極(2)或外電路電極(3)的厚度為I?2 Mi，涂光刻膠，經曝光、顯影、刻蝕形成絕緣墊高層(4)起到保護懸臂梁和懸臂梁電極(2)導通的作用； 步驟三、在步驟二得到的凹凸不平的表面上填充一層PSG犧牲層(5)，并經過回流平坦化工藝使上表面平整，其中PSG犧牲層(5)的上表面到絕緣Si襯底(I)的厚度為5?6 μπι,JlJ懸臂梁電極(2)或外電路電極(3)的厚度為4?5 Mi，在PSG犧牲層(5)上刻蝕窗口，其中，在懸臂梁電極(2)位置，刻蝕至露出懸臂梁電極(2);而外電路電極(3)位置處刻蝕出金屬接觸電極(6)的長方形小孔，刻蝕深度約Ιμπι，使得該位置繼續(xù)保留2?3 μπι的PSG犧牲層； 步驟四、在PSG犧牲層(5)的上表面，濺射生長厚度約Ιμπι的Au薄膜，涂光刻膠，經曝光、顯影、刻蝕將其余部分去除，僅保留步驟三中“金屬接觸電極(6)的長方形小孔”處的Au薄膜，小孔的深度約lym，Au薄膜的厚度也為Ιμπι，因此Au薄膜剛好將此小孔填平，形成金屬接觸電極(6)，而且該金屬接觸電極(6)與外電路電極(3)之間保留2?3 Mi的PSG犧牲層，因此并未導通； 步驟五、在步驟四得到的凹凸不平的表面上外延生長一層等厚的Si3N4絕緣層(7)，厚度為1.0 Mi，并在懸臂梁電極(2)位置，刻蝕至露出襯底上的懸臂梁電極(2)，其余部分保留，該Si3N4絕緣層(7)的作用是使得懸臂梁的工作回路和外電路的工作回路相互絕緣； 步驟六、在步驟五形成的上表面，濺射一層Au薄膜，厚度約2.0 Mi，涂光刻膠，經曝光、顯影、刻蝕，形成線圈狀懸臂梁(8); 步驟七、在線圈狀懸臂梁(8)的上表面，CVD方法生長一層Si3N4,厚度約0.1 μπι，涂光刻膠，經曝光、顯影、刻蝕，在線圈狀懸臂梁(8)的上表面形成一層Si3N4保護膜(9); 步驟八、溶解去除步驟三中的PSG犧牲層(5 )。
【文檔編號】B81C1/00GK105858590SQ201610383420
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月2日
【發(fā)明人】沈嬌艷, 陳立軍, 程新利, 王耀東
【申請人】蘇州科技學院