三层横梁MEMS器件及相关方法技术

一种用于制造三层横梁ＭＥＭＳ器件的方法，包括：在衬底上淀积牺牲层（３１０），和移去牺牲层（３１０）上的第一导电层的一部分来形成第一导电微型结构（３１２）；在第一导电微型结构（３１２）、牺牲层（３１０）和衬底（３００）上淀积结构层（３２２），并且形成一个穿过结构层（３２２）到达第一导电微型结构（３１２）的通路；在结构层（３２２）上和通路中淀积第二导电层（３３６）；通过移去第二导电层（３３６）的一部分来形成第二导电微型结构（３２４），其中第二导电微型结构（３２４）通过该通路与第一导电微型结构（３１２）电通信；并且移去足够量的牺牲层（３１０）以使第一导电微型结构（３１２）和该衬底分开，其中在第一端由衬底支撑结构层（３２２）且在相对的第二端在衬底的上方自由悬挂。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及微型机电系统(MEMS)器件和方法。更具体地，本专利技术涉及三层横梁MEMS器件和相关方法。
技术介绍
静电MEMS开关是一种由静电操作并且利用微型机电系统(MEMS)技术制造的开关。MEMS开关可以控制电、机械或者光信号流。MEMS开关具有用于电讯的典型应用，例如DSL开关矩阵和蜂窝电话、自动测试设备(ATE)以及需要低成本开关或者低成本、高密度阵列的其它系统。如本领域技术人员可以理解的，许多类型的MEMS开关和相关器件可以通过体或者表面微机械加工技术或者两种类型的技术组合来制造。体微机械加工通常包括雕刻衬底的一个或者多个侧边以在相同的衬底材料中形成期望的三维结构和器件。该衬底由实际上可以以体的形式得到的材料构成，因此通常是硅或者玻璃。结合蚀刻掩模和蚀刻停止层来使用湿式和/或干式蚀刻技术，以形成微型结构。一般在衬底的背面或者正面进行蚀刻。蚀刻技术实际上通常可以是各向同性或者各向异性。各向同性蚀刻对被蚀刻的材料平面的结晶取向不敏感(例如使用氢氟酸、硝酸和醋酸(HNA)的混合物作为蚀刻剂的硅蚀刻)。各向异性蚀刻剂例如氢氧化钾(KOH)、四甲基氢氧化铵(TMAH)和乙二胺焦儿茶酚(ethylenediamine pyrochatechol)(EDP)以不同的速度有选择地攻击不同的结晶取向，因此可以用来在将形成的蚀刻凹槽中限定相对精确的侧壁。使用蚀刻掩模和蚀刻停止层来防止衬底的预定区域被蚀刻。另一方面，表面微机械加工通常包括通过在硅晶片的顶部上淀积大量的不同薄膜、但是不对晶片自身雕刻从而形成三维结构。这些膜通常作为结构层或者牺牲层。结构层通常由多晶硅、氮化硅、二氧化硅、碳化硅或者氧化铝组成。牺牲层通常由多晶硅、光致抗蚀剂材料、聚酰亚胺、金属或者各种氧化物，例如PSG(磷硅酸盐玻璃)和LTO(低温氧化物)构成。依次进行淀积、蚀刻和布图工序，以得到期望的微型结构。在典型的表面微机械加工工艺中，用绝缘层涂覆硅衬底，在涂覆后的衬底上淀积一个牺牲层。在该牺牲层中打开窗口，然后淀积和蚀刻结构层。然后有选择地蚀刻该牺牲层，以形成自立的、可移动的微型结构，例如伸出结构层之外的横梁或者悬臂。通常将该微型结构固定在硅衬底上，并且将该微型结构设计为响应于来自适当的激励装置的输入可以移动。目前许多MEMS开关设计采用用于开关结构的悬臂横梁/板，或者采用多个支撑的横梁/板形状。在悬臂横梁/板情况下，这些MEMS开关包括一个可动的双材料横梁，该双材料横梁包括一个介质材料结构层和一个金属层。通常，介质材料相对于衬底固定在一端，并且为横梁提供结构支撑。金属层附着在介质材料的底侧上，并且形成可动电极和可动触点。该层可以是衬底的固定件或者附件的一部分。通过施加在该电极和附着于该衬底表面的另一个电极之间的电压差在向着衬底的方向激励该可动横梁。给两个电极施加的电压差产生静电场，将横梁拉向衬底。横梁和衬底中每个都具有当没有电压施加时通过空气隙分隔的触点，其中该开关处于“断开”位置。当施加电压差时，将横梁拉向衬底并且触点进行电连接，其中该开关处于“闭合”位置。目前具有双材料横梁的MEMS开关面对的问题之一是翘曲或者其它形式的静态偏移或者横梁变形。由于膜内的应力失配或者应力梯度会引起静态变形。在一些平衡温度，可以平衡失配的影响以实现平坦的双材料结构，但这样不能校正温度影响。这种失配可以通过具体工艺(即淀积速度、压力、方法等等)、材料选择和几何参数例如厚度来平衡。由于金属一般具有比介质高的热膨胀率，该金属和介质的双材料结构导致功能随着温度发生很大的变化。由于两种材料的静态应力的不同状态，因此开关具有高度可变性，会发生变形。开关失效来源于横梁的变形。当(1)在该可动触点和静止触点之间不能建立电接触时，(2)在没有任何激励的情况下建立了电接触，或者(3)由于静态变形或者由于作为温度的函数引入的变形而导致工作参数处于可接受的范围之外时，会出现开关失效。当可动触点和静止触点过早闭合、导致“短路”时观察到第二失效模式。由于横梁的变形，激励电压根据其从衬底曲线离开或者向衬底曲线靠近而分别增加或者降低。由于该可变性，可得到的电压可能不适于得到理想的接触力，因此不适于得到理想的接触电阻。目前一些具有双材料横梁的MEMS开关设计将用于可移动电极的金属层附着于介质材料的顶侧。用于可动触点的金属层必须仍然在介质材料的底侧上。这种设计在某些情况下会起到在可移动电极和衬底上的静电极之间提供分隔的作用；然而，因为金属层和附着于衬底表面的电极之间的间隙距离较大，这种设计需要更高的用于激励的高压。该有效间隙是静电极和介质之间的间隙和介质厚度的总和。因此，这样的设计需要较大的功率消耗，并且产生与介质充电相关的问题。开发交叉开关阵列的普通方法是通过在印刷布线板(PWB)、印刷电路板(PCB)、低温陶瓷复合(LTCC)衬底或者聚合物复合衬底上形成交叉互连结构，接着将开关附着于该板或者衬底上。可以通过例如焊接、导线连接、突起连接、倒装和其它附着和电互连方法的方法组合附着该开关。在该工艺中，交叉互连结构的制造与MEMS开关工艺结合为一体，以便在相同衬底上使用相同的工艺制造该交叉互连结构和MEMS开关。该交叉互连结构的优点是输入信号阵列可以与输出阵列的单(多)个输出进行电通信。阵列尺寸可以是正方形或者矩形，其中正方形阵列是N输入和N输出的N×N阵列，矩形阵列是N输入和M输出的N×M阵列。当在“闭合”位置激励时，交叉互连的输入和输出线通过MEMS开关电连接。在交叉阵列中的每个开关节点处，输入/输出线具有静触点端子。集成的MEMS开关具有在输入和输出线的可动触点和静触点之间建立机械和电连接的功能。输入和输出线通过由MEMS开关建立的触点通信。另外，如果将开关附着于交叉阵列的开关节点，那么可以按照常用方式在交叉阵列中使用MEMS开关。由于高可行性的制造工艺必须被低可行性的组装工艺取代，因此该结构是不期望的。这样将增加总成本、降低性能、使工艺复杂和增加尺寸。因此，希望提供一种用于制造结构部件(例如横梁、板和薄膜)的工艺，以提高产量、与温度有关的性能、激励和MEMS开关的性能。还希望提供一种制造结构部件的工艺，该结构部件能够抵抗由寄生或者“自”激励引起的变形。还希望提供一种制造结构部件的方法，该方法对工艺变化、膜应力和它们的梯度具有鲁棒性。此外，希望提供一种在相同的制造工序中形成交叉互连和MEMS开关的方法。希望提供一种灵活的方法，以便可以形成MEMS开关且该MEMS开关可以与以另一种方式制造的交叉互连集成来。
技术实现思路
根据一个实施例，提供一种制造三层横梁的方法。该方法可以包括在衬底上淀积一个牺牲层和在该牺牲层上淀积第一导电层。该方法还可以包括通过除去第一导电层的一部分而形成第一导电微型结构。此外，该方法可以包括在第一导电微型结构、牺牲层和衬底上淀积一个结构层，并且形成一个穿过该结构层到达第一导电微型结构的通路。此外，该方法可以包括下列步骤在该结构层上和该通路中淀积第二导电层；通过除去第二导电层的一部分形成第二导电微型结构，其中第二导电微型结构通过通路与第一导电微型结构进行电通信；并且除去足够量的牺牲层，以分隔第一导电微型结构和衬底，其中在第一端由衬底支撑该结构层，并且在相对的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造三层横梁的方法，包括：（ａ）在衬底上淀积一个牺牲层；（ｂ）在该牺牲层上淀积第一导电层；（ｃ）通过除去该第一导电层的一部分而形成第一导电微型结构；（ｄ）在该第一导电微型结构和该牺牲层上淀积一个结构层；　 　（ｅ）形成穿过该结构层到达该第一导电微型结构的通路；（ｆ）在该结构层上和该通路中淀积第二导电层；（ｇ）通过除去该第二导电层的一部分形成第二导电微型结构，其中该第二导电微型结构通过该通路与该第一导电微型结构进行电通信；和 （ｈ）除去足够量的该牺牲层，以分隔该第一导电微型结构和该衬底，其中该结构层在第一端由该衬底支撑，并且在相对的第二端，该结构层自由悬挂在该衬底之上。

【技术特征摘要】
US 2001-11-9 60/337,527;US 2001-11-9 60/337,528;US1.一种制造三层横梁的方法，包括(a)在衬底上淀积一个牺牲层；(b)在该牺牲层上淀积第一导电层；(c)通过除去该第一导电层的一部分而形成第一导电微型结构；(d)在该第一导电微型结构和该牺牲层上淀积一个结构层；(e)形成穿过该结构层到达该第一导电微型结构的通路；(f)在该结构层上和该通路中淀积第二导电层；(g)通过除去该第二导电层的一部分形成第二导电微型结构，其中该第二导电微型结构通过该通路与该第一导电微型结构进行电通信；和(h)除去足够量的该牺牲层，以分隔该第一导电微型结构和该衬底，其中该结构层在第一端由该衬底支撑，并且在相对的第二端，该结构层自由悬挂在该衬底之上。2.如权利要求1所述的方法，其中所述衬底由从硅、二氧化硅、玻璃、石英、蓝宝石、氧化锌、氧化铝、III-V族化合物及其合金组成的一组中选择的一种材料构成。3.如权利要求1所述的方法，其中所述第一导电微型结构由从金、镍、软磁合金(NixFey)及其合金组成的一组中选择的一种材料构成。4.如权利要求1所述的方法，其中所述第二导电微型结构由从金、镍、软磁合金(NixFey)及其合金组成的一组中选择的一种材料构成。5.如权利要求1所述的方法，其中所述结构层由从多晶硅、氮化硅、二氧化硅、碳化硅、铝及其合金组成的一组中选择的一种材料构成。6.如权利要求1所述的方法，其中所述第一导电微型结构和所述第二导电微型结构具有基本上相同的形状和尺寸。7.一种制造具有三层横梁的致动器(actuator)的方法，包括(a)在衬底上形成第一电极；(b)在该第一电极和该衬底上淀积一个牺牲层；(c)在该牺牲层上形成第二电极；(d)在该第二电极和该牺牲层上淀积一个结构层；(e)形成穿过该结构层到达该第二电极的通路；(f)在该结构层上和该通路中淀积一个导电层；(g)通过除去该导电层的一部分形成一个导电微型结构，其中该导电微型结构通过该通路与该第二电极进行电通信；和(h)除去足够量的该牺牲层，以分隔该第二电极与该衬底，其中该结构层在第一端由该衬底支撑，在相对的第二端，该结构层自由悬挂于该衬底之上。8.如权利要求7所述的方法，其中所述衬底由从硅、二氧化硅、玻璃、石英、蓝宝石、氧化锌、氧化铝、III-V族化合物及其合金组成的一组中选择的一种材料构成。9.如权利要求7所述的方法，其中所述第一电极由从金、镍、软磁合金(NixFey)及其合金组成的一组中选择的一种材料构成。10.如权利要求7所述的方法，其中所述第二电极由从金、镍、软磁合金(NixFey)及其合金组成的一组中选择的一种材料构成。11.如权利要求7所述的方法，其中所述第一电极和所述第二电极具有基本上相同的形状和尺寸。12.如权利要求7所述的方法，进一步包括提供一个具有在所述第一电极和所述导电微型结构之间电连接的电压源。13.如权利要求7所述的方法，进一步包括提供当在所述第一电极和所述导电微型结构之间施加电压时用于接触的第一触点和第二触点，该第一触点附着于所述结构层上，且该第二触点附着于所述衬底上。14.如权利要求7所述的方法，其中所述第一电极从淀积在所述衬底上的一个导电材料层中形成。15.如权利要求7所述的方法，其中所述第二电极从淀积在所述衬底上的一个导电材料层中形成。16.一种制造具有三层横梁的微型开关的方法，包括(a)在衬底上形成第一电极；(b)在该衬底上形成第一触点；(c)在该第一电极、该第一触点和该衬底上淀积一个牺牲层；(d)在该牺牲层上形成第二电极；(e)在该牺牲层上形成第二触点；(f)在该第二电极、该第二触点和该牺牲层上淀积一个结构层；(g)形成穿过该结构层到达该第二电极的第一导电互连通路；(h)形成穿过该结构层到达该第二触点的第二导电互连通路；(i)在接触该第一互连通路的该结构层上形成一个电极互连；和(j)在接触该第二互连通路的该结构层上形成一个触点互连。17.如权利要求16所述的方法，其中所述电极互连和所述第二电极具有基本上相同的形状和尺寸。18.如权利要求16所述的方法，其中所述触点互连和所述第二触点具有基本上相同的形状和尺寸。19.一种制造具有交叉互连的微型开关的方法，包括(a)在衬底上形成一个导电互连；(b)在该导电互连上淀积一个介质层；(c)形成穿过该介质层到达该导电互连的第一导电互连通路；(d)在该介质层上形成第一触点，...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖恩J坎宁安，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]