具有三层横梁的MEMS器件制造技术

提供一种悬挂在基板（１０２）上的活动的、三层微元件（１０８），并且包括第一导电层（１１６），将该第一导电层构图限定活动电极（１１４）。用间隙将基板（１０２）与第一金属层（１１６）分开。微元件（１０８）还包括在第一金属层（１１６）上形成并且一端相对于基板（１０２）固定的电介质层（１１２）。此外，微元件（１０２）包括在介质层（１１２）上形成的第二导电层（１２０），并且构图限定与活动电极（１１４）电连接的电极互连（１２４）。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微电子机械(micro-electro-mechanical)系统(MEMS)器件。更具体的，本专利技术涉及具有三层横梁的MEMS器件的设计及其方法。
技术介绍
静电MEMS开关是由静电电荷操作的开关，并采用微电子机械系统(MEMS)技术制造。MEMS开关可以控制电、机械或光信号的流动。MEMS开关已经应用于电信，例如DSL开关矩阵和移动电话、自动测试设备(ATE)和其它要求低成本开关或低成本高密度阵列的系统。正如本领域的技术人员所理解的，许多类型的MEMS开关和相关器件可以由体型(bulk)或表面微机械加工(surface micromachining)技术制造。体型微机械加工通常包括雕刻基板的一个或多个侧面，在同一种基板材料中形成所需的三维结构和器件。基板由可容易地批量得到的材料构成，因此通常为硅或玻璃。采用湿和/或干蚀刻技术结合蚀刻掩模和蚀刻停止层以形成微结构。蚀刻通常在基板的前面或背面进行。蚀刻技术实质上通常为各向同性或各向异性的。各向同性蚀刻对要蚀刻的材料平面的晶体取向不敏感(例如，使用硝酸作为蚀刻剂蚀刻硅)。各向异性蚀刻剂，例如，氢氧化钾(KOH)、四甲基氢氧化铵(TMAH)和ethylenediamine pyrochatechol(EDP)，以不同的速度选择性地腐蚀不同的结晶取向，由此在产生蚀刻凹陷时可以用来限定较精确的侧壁。蚀刻掩模和蚀刻停止层用来防止基板的预定区域被蚀刻。另一方面，表面微机械加工通常包括通过在硅晶片的顶部淀积大量不同的薄膜来形成三维结构，而不雕刻晶片本身。膜通常作为结构或牺牲层(sacrificial layer)。结构层常常由多晶硅、氮化硅、二氧化硅、碳化硅或铝构成。牺牲层常常由多晶硅、光致抗蚀剂材料、聚酰亚胺、金属或各种氧化物，例如，PGS(磷硅酸盐玻璃)和LTO(低温氧化物)构成。进行连续的淀积、蚀刻和构图过程，得到所需的微结构。在典型的表面微机械加工工艺中，硅基板涂覆有隔离层，并且在涂覆的基板上淀积牺牲层。在牺牲层中形成窗口，然后淀积并蚀刻结构层。然后选择性地蚀刻牺牲层，在结构层之外形成独立的、活动的微结构，例如，横梁或悬臂。微结构通常锚定(anchor)在硅基板上，并且可以设计为根据来自适当的致动机构的输入而移动。许多目前的MEMS开关设计采用悬臂(cantilievered)横梁(或盘)，或者多支撑的横梁几何结构作为开关结构。在悬臂横梁的情况下，这些MEMS开关包括活动的、由电介质材料结构层和金属层构成的双材料横梁。通常，电介质材料固定在基板的一端，并为横梁提供结构支撑。金属层附着在电介质层的下表面，并形成活动的电极和活动的触头。金属层可形成锚点(anchor)部件。通过在附着在基板表面上的一个电极和另一个电极之间施加电压差，将活动的横梁向着基板的方向驱动。加在两个电极上的电压差产生将横梁拉向基板的电场。横梁和基板都具有触头，当没加电压时，彼此之间隔着空气隙，此时开关处于“断开”的位置。当加上电压差时，横梁被拉向基板，触头形成电连接，此时开关处于“闭合”的位置。目前具有双材料横梁的MEMS开关所面临的一个问题是横梁的弯曲或其它形式的静态位移或变形。静态变形可以由膜中的应力不匹配或应力梯度引起。在某些平衡的温度下，可以平衡不匹配的影响，实现平坦的双材料结构，但是这不适用于依赖于温度的效应。通过特定的工艺(即，淀积速度、压力、方法等)、通过材料的选择以及通过几何参数，例如，厚度，可以平衡这种不匹配。随着温度的变化这种金属和电介质的双材料结构引起功能上的较大变化，因为金属通常比电介质具有更大的热膨胀率。由于在两个材料中的静态应力的不同状态，开关具有高可变性的变形。时常地，由于横梁的变形引起开关故障。当由于静态变形或者由于引入了作为温度的函数的变形而在活动的和固定的触头之间没有建立电接触时，导致开关故障。当活动的接触和固定的接触之间过早地闭合时，观察到故障的第二种方式，导致“短路”。由于横梁的变形，根据横梁背离基板或向着基板弯曲，致动电压分别增加或减小。由于这种可变性，可用的电压可能不足以达到所希望的接触力，由此导致接触电阻。某些目前具有双材料横梁的MEMS开关设计将活动电极的金属层附着在介质材料的上表面。移动触头的金属层仍然必须在介质材料的下表面。该设计用来在活动电极和固定基板电极之间提供隔离；但是，该设计要求更高的致动电压，因为在金属层和附着在基板表面上的电极之间的间隙距离更大。现在有效间隙是在固定电极和电介质之间的间隙与电介质厚度的和。因此，这种设计要求更大的功耗，并且产生关于介质充电的问题。因此，希望提供改善MEMS开关的产量、温度特性、致动和质量的横梁。还希望减小横梁的变形，以便改善开关的可靠性。此外，希望降低开关的功耗。
技术实现思路
根据一个实施例，提供一种悬挂于基板上的活动的、三层微元件。三层微元件包括构图以限定活动电极的第一导电层。第一金属层与基板分开一个间隙。微元件还包括在第一金属层上形成并且一端相对于基板固定的电介质层。此外，微元件包括在介质层上形成的第二导电层，并且构图来限定与活动电极电连接的电极互连。根据第二实施例，提供具有活动的、三层微元件的致动器。致动器包括附着有固定电极的基板以及包括相对于基板固定的第一端和悬在基板上的第二端的弹性结构层。致动器还包括附着在结构层上的活动电极，由此活动电极与固定电极由间隙分开。此外，致动器包括在结构层上形成的电极互连，用来与活动电极电连接。根据第三实施例，提供具有活动的、三层微元件的、微小规模的、静电致动开关。该开关包括具有固定电极和其上附着触头的基板以及包括相对于基板固定的第一端和悬在基板上的第二端的弹性结构层。该开关还包括附着在结构层上的活动电极，由此活动电极与固定电极由间隙分开。此外，开关包括在结构层上形成的电极互连，用来与活动电极电连接。因此，一个目的是提供一种如在这里所介绍的新颖的MEMS开关器件和方法。以上介绍了本专利技术的一个目的，并且通过具有三层横梁的新颖的MEMS器件以及这里介绍的相关方法来完全或部分地实现这一目的，随着下面结合作为最佳描述的附图的进一步介绍，其它目的也将变得明显。附图简要介绍下面参考附图说明本专利技术的示例性实施例，其中图1示出了处于“断开”位置的MEMS开关的剖侧视面图；图2示出了处于“闭合”位置的MEMS开关的侧视剖面图；图3示出了MEMS开关的固定电极、结构层、活动电极以及电极互连的前视剖面图； 图4示出了MEMS开关的顶视图；图5示出了MEMS开关的透视顶视图；图6示出了具有接触凸点的MEMS开关的透视底视图；图7示出了MEMS开关的另一个实施例的顶视图，其中电极互连宽度大于接触互连宽度；图8示出了MEMS开关的另一个实施例的顶视图，其中电极互连延伸靠近接触互连；图9示出了MEMS开关的透视顶视图，其中电极互连更宽，并且延伸靠近接触互连；图10示出了根据本专利技术的MEMS开关的透视侧视图；图11示出了MEMS开关的实施例的顶视图，其隔离区在电极互连和接触互连之间的宽度减小；图12示出了MEMS开关的另一个实施例的透视顶视图，其中电极互连比接触互连更宽，并且结构层在锚点附近变窄；图13示出了MEMS开关的透视底视图，其中电极互连比接触互连更宽，并本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种悬挂于基板上的活动的、三层微元件，该微元件包括：　　　　（ａ）第一导电层，将该导电层构图以限定活动电极，第一导电层与基板分开一个间隙；　　　　（ｂ）在第一导电层上形成的电介质层，并且包括至少一个相对于基板固定的端部；以及　　　　（ｃ）在电介质层上形成的第二导电层，并且该第二导电层被构图来限定与活动电极电连接的电极互连。

【技术特征摘要】
US 2001-11-9 60/337,527;US 2001-11-9 60/337,528;US1.一种悬挂于基板上的活动的、三层微元件，该微元件包括(a)第一导电层，将该导电层构图以限定活动电极，第一导电层与基板分开一个间隙；(b)在第一导电层上形成的电介质层，并且包括至少一个相对于基板固定的端部；以及(c)在电介质层上形成的第二导电层，并且该第二导电层被构图来限定与活动电极电连接的电极互连。2.根据权利要求1的微元件，其中第一导电层和第二导电层具有基本相等的热膨胀系数。3.根据权利要求1的微元件，其中第一导电层由金属材料形成。4.根据权利要求1的微元件，其中第一导电层由半导体材料形成。5.根据权利要求1的微元件，其中活动电极基本覆盖电介质层的下表面。6.根据权利要求1的微元件，其中电介质层具有相对于基板自由悬挂的第二端。7.根据权利要求1的微元件，其中第二金属层由金属材料形成。8.根据权利要求1的微元件，其中第二金属层由半导体材料形成。9.根据权利要求1的微元件，其中电极互连基本覆盖电介质层的上表面。10.根据权利要求1的微元件，其中电介质层由不导电的弹性材料构成。11.一种具有活动的、三层微元件的致动器，该致动器包括(a)固定电极；(b)弹性结构层，包括相对于固定电极固定的至少一端、悬在固定电极上方的下表面以及上表面；(c)附着在弹性结构层的下表面上的活动电极，从而活动电极与固定电极分开一定间隙；以及(d)附着在结构层的上表面并且连接到活动电极上用于电连接的电极互连。12.根据权利要求11的致动器，其中固定电极附着在基板上。13.根据权利要求11的致动器，其中活动电极和固定电极各自具有基本相等的热膨胀系数。14.根据权利要求11的致动器，其中固定电极由金属材料形成。15.根据权利要求11的致动器，其中固定电极由半导体材料形成。16.根据权利要求11的致动器，其中活动电极基本覆盖弹性结构层的下表面。17.根据权利要求11的致动器，其中活动电极由金属材料形成。18.根据权利要求11的致动器，其中活动电极由半导体材料形成。19.根据权利要求11的致动器，其中弹性结构层具有相对于基板自由悬挂的第二端。20.根据权利要求11的致动器，其中电极互连基本覆盖弹性结构层的上表面。21.根据权利要求11的致动器，其中活动电极与电极互连的尺寸基本相等，并且在弹性结构层的相对表面上彼此对准。22.根据权利要求11的致动器，其中弹性结构层由不导电材料构成。23.一种具有活动的、三层微元件的、微小规模的、静电致动的开关，该开关包括(a)包括固定电极和附着有固定触头的基板；(b)弹性结构层，包括相对于基板固定的至少一端、悬在基板上方的下表面以及与下表面相对的上表面；(c)附着在弹性结构层的下表面上的活动电极，从而活动电极与固定电极分开第一间隙；(e)附着在弹性结构层的上表面并且连接到活动电极上用于电连接的电极互连；(f)附着在弹性结构层的下表面上的活动触头，从而用第二间隙将活动触头与固定触头分开；以及(g)在结构层的上表面上形成的并且连接到活动触头上用于电连接的接触互连。24.根据权利要求23的开关，其中活动电极和电极互连各自具有基本相等的热膨胀系数。25.根据权利要求23的开关，其中活动触头和接触互连各自具有基本相等的热膨胀系数。26.根据权利要求23的开关，其中固定电极由金属材料形成。27.根据权利要求23的开关，其中活动电极基本覆盖弹性结构层的下表面。28.根据权利要求23的开关，其中电极互连基本覆盖弹性结构层的上表面。29.根据权利要求23的开关，其中活动电极与电极互连的尺寸基本相等，并且在弹性结构层的相对表面上彼此对准。30.根据权利要求23的开关，其中活动触头位于靠近该至少一端。31.根据权利要求30的开关，其中活动电极基本覆盖围绕活动触头的下表面的区域。32.根据权利要求31的...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖恩J坎宁安，达纳R德吕斯，苏巴哈姆塞特，斯韦特兰娜塔蒂克卢奇克，
申请(专利权)人：图恩斯通系统公司，维斯普瑞公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]