專利名稱：Rf mems開關(guān)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種MEMS元件，尤其涉及一種利用MEMS加工技術(shù)制成的高電容比的射頻微機電開關(guān)(RF MEMS Switch)及其制造方法。
背景技術(shù)：
由于MEMS開關(guān)具有低損耗、低功耗、好的隔離性、好的線性、微型化以及高集成度，比GaAs FET開關(guān)或PIN型二極管開關(guān)具有更加優(yōu)質(zhì)的性能而被廣泛應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)中。 —般的RF MEMS開關(guān)主要是由固定電極、相對于固定電極設(shè)置的移動電極、以及設(shè)置在移動電極和固定電極之間的電介質(zhì)構(gòu)成。當在移動電極和固定電極之間施加電壓時，在兩者之間就會產(chǎn)生靜電力從而使移動電極被吸引到固定電極上，使兩電極之間的距離發(fā)生了改變。由于電極之間的距離發(fā)生了改變，因此，電容發(fā)生改變，即阻抗發(fā)生了改變，從而使信號被導(dǎo)通或截止。因此，RF MEMS開關(guān)也被稱為電容性MEMS開關(guān)，根據(jù)其驅(qū)動方式也被稱為靜電驅(qū)動式MEMS開關(guān)。 對于開關(guān)來說RF性能是由開關(guān)狀態(tài)的電容比(Cd。wn/Cup)所決定的，這個比例公式如下其中，dair是兩移動電極和固定電極間的空間距離，ddiel為電介質(zhì)的厚度，e r是電
介質(zhì)的介電常數(shù)，A。v^p是移動電極與固定電極的耦合面積。電容比越高，RFMEMS開關(guān)的性能越好。為了增大電容比，公開號為CN 1922755A的專利文件公開了一種電容性MEMS開關(guān)，該開關(guān)在電介質(zhì)上固定一層懸浮金屬，懸浮金屬和固定電極有較大的相對耦合面積，當移動電極受靜電力吸引作用和懸浮金屬接觸時，由于處于等電位，等效于增大了移動電極和固定電極間的耦合面積，因此極大地提高了電容比，提高了電容性MEMS開關(guān)的性能。但是，由于固定電極既是驅(qū)動電極又是信號傳輸線，懸浮金屬位于信號傳輸線上，因此，在使用過程中由于直流偏壓的作用產(chǎn)生的電弧效應(yīng)會使金屬接觸點融化，從而使移動電極和懸浮金屬粘連在一起，使開關(guān)失效。另外，電介質(zhì)大面積覆蓋固定電極，在使用過程中由于電介質(zhì)存在電荷注入效應(yīng)，會在電介質(zhì)和移動電極間產(chǎn)生靜電力，移動電極在靜電力的作用下不會恢復(fù)到初始位置，使開關(guān)失效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是通過增加單獨的驅(qū)動電極，解決施加驅(qū)動電壓后在移動電極和懸浮金屬上發(fā)生電弧效應(yīng)會使金屬觸點融化的問題，從而達到優(yōu)化開關(guān)性能，延長開關(guān)壽命的目的。 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是一種RF MEMS開關(guān)，其結(jié)構(gòu)包括帶絕緣層的襯底，制備在絕緣層上的信號傳輸線和下電極，信號傳輸線上依次沉積的介質(zhì)層和懸浮金屬，錨固連接于下電極上的橋式金屬電極；橋式金屬電極與懸浮金屬相對且有間隙地設(shè)置，信號傳輸線位于兩個下電極之間；關(guān)鍵在于在襯底上兩個下電極之間且在信號傳輸線兩側(cè)制備有覆有介質(zhì)層的驅(qū)動電極。驅(qū)動電極上的介質(zhì)層呈塊狀結(jié)構(gòu)分布在驅(qū)動電極的表面。 上述RF MEMS開關(guān)的制備方法，其步驟包括 1)在帶有絕緣層的襯底上采用濺射工藝制備信號傳輸線和下電極； 2)沉積制備出信號傳輸線上的介質(zhì)層； 3)濺射制備懸浮金屬； 4)采用犧牲層工藝制備橋式金屬電極； 關(guān)鍵在于在制備信號傳輸線和下電極的同時制備出驅(qū)動電極。 采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于由于采用單獨的驅(qū)動電極設(shè)置，使驅(qū)動電極與信號傳輸線分離，這樣使得射頻信號與直流驅(qū)動信號分開，避免了由于直流偏壓的作用造成的電弧效應(yīng)，解決了懸浮金屬和橋式金屬電極的觸點處由于金屬融化、粘連使開關(guān)失效的問題，從而延長了開關(guān)的使用壽命。另外，在驅(qū)動電極上設(shè)置塊狀介質(zhì)層減小了介質(zhì)層與橋式金屬電極的接觸面積，可以有效防止由于電荷注入效應(yīng)引起的橋式金屬電極與介質(zhì)層間的粘附。


圖1是本發(fā)明開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的剖視示意圖； 圖2是圖1所示結(jié)構(gòu)施加直流偏壓開關(guān)狀態(tài)變化后的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖中1襯底，2絕緣層，3信號傳輸線，4下電極，5介質(zhì)層，6懸浮金屬，7驅(qū)動電極，
8金屬觸點，9橋式金屬電極。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。 本發(fā)明提供的一種RF MEMS開關(guān)，其結(jié)構(gòu)包括帶絕緣層2的襯底l，通常為硅片，制備在絕緣層2上的信號傳輸線3和下電極4，信號傳輸線3上依次沉積的介質(zhì)層5和懸浮金屬6，錨固連接于下電極4上的橋式金屬電極9 ;橋式金屬電極9與懸浮金屬6相對且有間隙地設(shè)置，信號傳輸線3位于兩個下電極4之間；關(guān)鍵在于在襯底1上兩個下電極4之間且在信號傳輸線3兩側(cè)制備有覆有介質(zhì)層5的驅(qū)動電極7。驅(qū)動電極7上的介質(zhì)層5呈塊狀結(jié)構(gòu)分布在驅(qū)動電極7的表面。介質(zhì)層5的塊狀結(jié)構(gòu)可以為任意形狀，并且應(yīng)盡可能小以減小介質(zhì)層5和橋式金屬電極9的接觸面積，達到有效降低介質(zhì)層5電荷注入效應(yīng)對開關(guān)性能產(chǎn)生的影響。 信號傳輸線3采用一定厚度的金屬組成，厚度為2 i！ m 5 i！ m，信號傳輸線3上沉積的介質(zhì)層5通常為氮化硅或氧化硅，厚度為1000 A 1500A，相對介電常數(shù)在5. 0 7. 6
范圍內(nèi)。根據(jù)所要求的開關(guān)電容大小設(shè)計橋式金屬電極9的尺寸，通常橋式金屬電極9的長度為200 ii m 400 ii m，寬度在25 ii m 180 y m。由于驅(qū)動電壓會隨著橋式金屬電極9的橋的長度的減少而急劇增加，所以橋長一般不會小于200 ii m，為了使橋式金屬電極9和信號傳輸線3有一個平坦的接觸區(qū)，橋式金屬電極9的寬度通常限制在200 ii m以內(nèi)；由于采用靜電驅(qū)動，驅(qū)動電壓的大小與懸空高度有關(guān)，所以高度根據(jù)驅(qū)動電壓而定，橋式金屬電極9的高度一般在1. 5 i！ m 5 i！ m。橋式金屬電極9通常采用金屬或金屬與介質(zhì)混合搭配的多層結(jié)構(gòu)，厚度為lPm 2iim，采取形式根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)力匹配的要求而定。橋式金屬電極9表面設(shè)有貫穿橋厚的開孔，開孔的作用有以下三個(l)減少壓膜阻尼，增加開關(guān)速度；(2)孔的存在釋放了橋式金屬電極9的部分殘余應(yīng)力，降低了結(jié)構(gòu)的楊氏模量；(3)在制備過程中加速犧牲層的釋放。 上述懸浮金屬6可以為矩形、方形或其他形狀，在這里優(yōu)選為兩端寬中間細的H形，從而在增大橋式金屬電極9與信號傳輸線3之間耦合面積的同時，也減小了橋式金屬電極9與懸浮金屬6的接觸面積，提高了開關(guān)的性能。懸浮金屬6采用Ti/Pt復(fù)合金屬層結(jié)構(gòu)，下層為Ti作為粘附層和介質(zhì)層5相接觸，上層為Pt作為接觸層和橋式金屬電極9接觸，厚度為300A/1000A。采用Pt而不采用Au是出于可靠性的考慮，開關(guān)在工作過程中，金屬接觸時由于存在沖擊碰撞，接觸區(qū)容易產(chǎn)生材料轉(zhuǎn)移、點狀腐蝕等問題，Pt的硬度和熔點更高，因此可靠性更好。 作為更進一步的優(yōu)選方案，在上述懸浮金屬6上沉積金屬觸點8，金屬觸點8優(yōu)選為長方形結(jié)構(gòu)，也可以為其他形狀，保證沿橋式金屬電極9寬度方向的尺寸大于橋式金屬電極寬度9，從而保證橋式金屬電極9下拉時和金屬觸點8完全接觸。在材料的選擇上比較講究，金屬觸點8由于頻繁的碰撞以及發(fā)生電弧效應(yīng)，容易出現(xiàn)點狀腐蝕，材料轉(zhuǎn)移以及微熔化效應(yīng)，引起開關(guān)失效，因此必須采用低接觸電阻，高熔點，抗氧化性好的金屬或合金材料。傳統(tǒng)的金屬材料如A1， Cu， Au等由于熔點和硬度較低無法滿足要求，采用Pt(鉑)，Ru(釕)，Rh(銠)，Ir(銥)等熔點高，硬度適中以及抗氧化性好的金屬材料較為合適。本實施方式中優(yōu)選地采用Pt作為金屬觸點8材料。另外，由于增加了金屬觸點8，使得金屬觸點8的高度高于驅(qū)動電極7上介質(zhì)層5的高度(高度差一般控制在0. 5 ii m 1 ii m范圍內(nèi)，高度差太大會影響橋式金屬電極的平坦化)，因此，當橋式金屬電極9由于受到靜電力的作用而下拉時會和金屬觸點8充分接觸。
本發(fā)明的具體工作原理為 參見圖2，此時所加直流電壓為OV，橋式金屬電極9處于自然懸空狀態(tài)，電流在信號傳輸線3上傳輸。當在驅(qū)動電極7和下電極4上施加直流偏壓后，參見圖3所示，由于橋式金屬電極9錨接于下電極4上，下電極4為地線，橋式金屬電極9和下電極4處于同一點位，因此，橋式金屬電極9和驅(qū)動電極7間產(chǎn)生靜電力，使橋式金屬電極9向下移動并和驅(qū)動電極7的介質(zhì)層5接觸。由于驅(qū)動電極7分布在信號傳輸線3的兩側(cè)，且懸浮金屬6上還有一層金屬觸點8，因此造成驅(qū)動電極7和金屬觸點8之間有一高度差，此高度差可以保證橋式金屬電極9和金屬觸點8形成良好接觸。橋式金屬電極9和金屬觸點8接觸后會使橋式金屬電極9與信號傳輸線3之間的電容增大幾十倍，此時兩者之間的阻抗急劇減小，又由于橋式金屬電極9通過下電極4形成地線，因此形成了微波頻率的短路，截止了信號的傳輸。在撤銷直流偏壓后橋式金屬電極9在彈性回復(fù)力的作用下恢復(fù)到初始狀態(tài)，由此實現(xiàn)信號的通斷。 以下為本發(fā)明所示RF MEMS開關(guān)的具體制作工藝步驟 1)襯底1上熱氧化選用硅為襯底1材料，采用熱氧化工藝在高阻硅表面生長氧化硅作為絕緣層2，厚度為4000A 1 11 m，制備氧化硅的目的是由于開關(guān)驅(qū)動電壓施加在下電極與硅片中心線之間，因此必須在兩線之間進行電隔離。 2)信號傳輸線3和驅(qū)動電極7的制備采用濺射制備Ti/Au金屬結(jié)構(gòu)，厚度為 300A/1000 A，為了減少趨附效應(yīng)的影響，采用電鍍工藝加厚Au層，信號傳輸線3總厚度 為2iim 5iim; 3)介質(zhì)層5的制備由于金屬的存在，采用PECVD低溫制備介質(zhì)層5薄膜(氮化 硅或氧化硅)，盡量減少介質(zhì)層5的厚度可以增大開關(guān)電容比，然而由于介質(zhì)層過薄會出現(xiàn) 針孔問題，淀積厚度不能小于1000 A，并且介質(zhì)層5必須能夠承受激勵電壓(10V 60V)而 不發(fā)生擊穿，所以根據(jù)以上要求，介質(zhì)層5的厚度為1500A。 4)懸浮金屬6的制備采用濺射制備Ti/Pt復(fù)合金屬層結(jié)構(gòu)，下層為Ti作為粘附
層和電介質(zhì)5相接觸，上層為Pt作為接觸層和橋式金屬電極9接觸，厚度為300A/1000人。 5)金屬觸點8的制備濺射Pt金屬層，光刻、刻蝕剝離形成金屬觸點8 ; 6)犧牲層的制備可供選擇的犧牲層材料很多，包括金屬、氧化物及有機物，多晶
硅薄膜也是常用的犧牲層材料，由于本發(fā)明結(jié)構(gòu)中存在絕緣介質(zhì)，金屬以及硅，所以優(yōu)選光
刻膠作為犧牲層材料，光刻膠的厚度根據(jù)橋式金屬電極9懸空高度的要求，選擇光刻膠的
類型和旋轉(zhuǎn)涂覆光刻膠的轉(zhuǎn)數(shù)。 7)錨點的制備在犧牲層上直接光刻、刻蝕完成錨點制備。 8)橋式金屬電極9的制備采用Au作為橋式金屬電極9的材料，這是因為Au的
化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。濺射Au金屬層，光刻、腐蝕完成橋式金屬電極9的制備。 9)犧牲層的釋放采用了干法技術(shù)，即干法等離子體刻蝕技術(shù)去除犧牲層，實現(xiàn)
微機械結(jié)構(gòu)的釋放。 其中，光刻、刻蝕、濺射、光刻膠類型、涂覆光刻膠的方法均為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟 知的內(nèi)容，在此不再贅述。
權(quán)利要求
一種RF MEMS開關(guān)，其結(jié)構(gòu)包括帶絕緣層(2)的襯底(1)，制備在絕緣層(2)上的信號傳輸線(3)和下電極(4)，信號傳輸線(3)上依次沉積的介質(zhì)層(5)和懸浮金屬(6)，錨固連接于下電極(4)上的橋式金屬電極(9)；橋式金屬電極(9)與懸浮金屬(6)相對且有間隙地設(shè)置，信號傳輸線(3)位于兩個下電極(4)之間；其特征在于在兩個下電極(4)之間且在信號傳輸線(3)兩側(cè)制備有覆有介質(zhì)層(5)的驅(qū)動電極(8)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的RF MEMS開關(guān)，其特征在于驅(qū)動電極(7)上的介質(zhì)層(5)呈塊狀結(jié)構(gòu)分布在驅(qū)動電極(7)的表面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的RF MEMS開關(guān)，其特征在于懸浮金屬(6)呈H形。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的RF MEMS開關(guān)，其特征在于上述懸浮金屬(6)采用Ti/Pt復(fù)合金屬層結(jié)構(gòu)，Ti作為粘附層，Pt作為接觸層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的RF MEMS開關(guān)，其特征在于在上述懸浮金屬(6)上沉積金屬觸點(8)，金屬觸點(8)所用材料為Pt材料。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的RF MEMS開關(guān)，其特征在于上述橋式金屬電極(9)的長度為200 ii m 400 ii m，寬度為25 y m 180 y m，橋式金屬電極(9)表面設(shè)有貫穿橋厚的開孔。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的RF MEMS開關(guān)，其特征在于信號傳輸線(3)和下電極(4)的厚度為2iim 5iim。
8. —種權(quán)利要求1所述的RF MEMS開關(guān)的制備方法，其步驟包括1) 在覆有絕緣層(2)的襯底(1)上采用濺射工藝制備信號傳輸線(3)和下電極(4);2) 沉積制備出信號傳輸線(3)上的介質(zhì)層(5);3) 濺射制備懸浮金屬(6);4) 采用犧牲層工藝制備橋式金屬電極(9);其特征在于在制備信號傳輸線(3)和下電極(4)的同時制備出驅(qū)動電極(8)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的RF MEMS開關(guān)的制備方法，其特征在于在步驟3)后面增加制備金屬觸點(8)的步驟。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種RF MEMS開關(guān)及其制造方法，應(yīng)用于微機電開關(guān)領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)包括帶絕緣層的襯底，形成在襯底上的信號傳輸線和下電極，信號傳輸線上依次沉積的介質(zhì)層和懸浮金屬，錨固連接于下電極上的橋式金屬電極；橋式金屬電極與懸浮金屬相對且有間隙地設(shè)置，信號傳輸線位于兩個下電極之間；關(guān)鍵在于在襯底上兩個下電極之間且在信號傳輸線兩側(cè)制備有覆有介質(zhì)層的驅(qū)動電極。采用此結(jié)構(gòu)設(shè)置避免了直流偏壓作用造成的電弧效應(yīng)，解決了懸浮金屬和橋式金屬電極的觸點處由于金屬融化、粘連使開關(guān)失效的問題，從而延長了開關(guān)的使用壽命。
文檔編號H01H11/04GK101763987SQ20091026394
公開日2010年6月30日 申請日期2009年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月30日
發(fā)明者徐永青, 胥超 申請人:中國電子科技集團公司第十三研究所