專利名稱：一種靜電推拉式單晶硅梁射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子技術(shù)中的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)應(yīng)用中的射頻(RF) MEMS技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種靜電推拉式單晶硅梁射頻微機(jī)電系統(tǒng)開背景技術(shù)射頻微機(jī)電系統(tǒng)(RFMEMS)開關(guān)在開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、低噪聲低功耗電路、 便攜式無線系統(tǒng)、相控陣?yán)走_(dá)中應(yīng)用十分廣泛，與傳統(tǒng)的FET或PIN 二 極管構(gòu)成的固體開關(guān)相比，靜電驅(qū)動的RFMEMS開關(guān)具有截至頻率高、 插入損耗低、隔離度高和線性度好等特點(diǎn)。RP MEMS開關(guān)由機(jī)械部分和電學(xué)部分構(gòu)成，可用靜電、靜磁、壓電 或者熱原理為機(jī)械運(yùn)動提供驅(qū)動力。開關(guān)的電學(xué)部分，可以用串聯(lián)或者并 聯(lián)方式排列，可以是金屬一金屬接觸或者電容式接觸。其中靜電驅(qū)動因其 零直流功耗、開關(guān)時(shí)間短、結(jié)構(gòu)簡單、易加工且便于與IC工藝兼容得到 國際上廣泛的關(guān)注。MEMS開關(guān)的研究工作，始于1979年IBM公司的K.E.PETERSEN, 三十多年來科研工作者陷于薄膜工藝的迷徑。薄膜的變形，低傳輸能力及 其物理特性一致性低的致命弱點(diǎn)，使得研究成績斐然，產(chǎn)品化卻難于登天。2002年，日本歐姆龍公司絕緣體上硅(SOI)玻璃鍵合繼電器讓人耳 目一新。RF MEMS開關(guān)繼電器一直是軍用通訊設(shè)備發(fā)展的關(guān)鍵，美國日 本等國家在RF MEMS開關(guān)方面一直有很高的軍費(fèi)滲透。靜電驅(qū)動RFMEMS開關(guān)的研究一直是企業(yè)界追捧的熱點(diǎn)，因?yàn)殪o電驅(qū)動具有零直流功耗、開關(guān)時(shí)間短、結(jié)構(gòu)簡單、易加工且便于與IC工藝 兼容使得其產(chǎn)品化成為可能，但是制約其發(fā)展的主要問題是驅(qū)動電壓高，薄膜應(yīng)力變形和壽命短而不能達(dá)到工業(yè)界的要求。發(fā)明內(nèi)容(一) 要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種靜電推拉式單晶硅梁射頻 微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，降低驅(qū)動電壓，增加開關(guān) 的壽命。(二) 技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的一種靜電推拉式單晶硅梁射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)，該射頻微機(jī)電系統(tǒng)開 關(guān)包括開關(guān)可動部分和開關(guān)不可動部分；所述開關(guān)可動部分由絕緣體上硅(SOI)的頂層單晶硅形成，在該開 關(guān)可動部分兩端的上側(cè)面分別有下電極和接觸點(diǎn)；所述開關(guān)不可動部分與SOI頂層單晶硅固定連接，在開關(guān)不可動部分 兩端的下側(cè)面與所述開關(guān)可動部分下電極對應(yīng)的位置有上電極，在開關(guān)不 可動部分兩端的下側(cè)面與所述開關(guān)可動部分接觸點(diǎn)對應(yīng)的位置有傳輸線；通過分別給兩端的上電極和下電極之間加電壓，使上電極與下電極形 成推拉式結(jié)構(gòu)，進(jìn)而接觸或斷開傳輸線與接觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)動作。上述方案中，所述開關(guān)可動部分為單晶硅梁，該單晶硅梁通過采用體 硅加工工藝刻蝕SOI頂層的單晶硅形成，使該單晶硅梁與頂層單晶硅分 離，形成推拉式蹺蹺板結(jié)構(gòu)。上述方案中，所述下電極和接觸點(diǎn)通過蒸發(fā)或?yàn)R射工藝形成在開關(guān)可 動部分兩端的上側(cè)面。上述方案中，所述上電極和傳輸線采用厚膜電鍍工藝形成在開關(guān)不可 動部分兩端的下側(cè)面，且傳輸線采用共面波導(dǎo)傳輸線形式保證信號不被干 擾。上述方案中，所述SOI頂層單晶硅厚度為10pm，中間二氧化硅層厚 度為2^m，下層襯底硅厚度為300pm。上述方案中，所述靜電推拉式單晶硅梁射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)采用背面 鏤空工藝釋放開關(guān)整個(gè)結(jié)構(gòu)，并采用低溫玻璃鍵合工藝進(jìn)行封裝，減少工 藝的復(fù)雜度。(三)有益效果 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、 利用本發(fā)明，采用體硅加工工藝刻蝕單晶硅梁形成可動"蹺蹺板" 結(jié)構(gòu)，由于采用"蹺蹺板"結(jié)構(gòu)使得接觸點(diǎn)和傳輸線間距增大為初始間距的 兩倍，因此得到同樣的隔離度可允許驅(qū)動電極之間的低間距，從而得到較 低的驅(qū)動電壓。2、 利用本發(fā)明，開關(guān)為接觸式開關(guān)，RF信號通路的接通和斷開是通 過上下電極加電壓的變化實(shí)現(xiàn)的，在懸臂梁兩端設(shè)置驅(qū)動電極，與上電極 對應(yīng)，兩端的驅(qū)動電極相對于開關(guān)的通斷構(gòu)成"上拉一下拉"式驅(qū)動電極。 兩端的驅(qū)動電極分別加電壓。采用這樣的結(jié)構(gòu)解決了開關(guān)失效、壽命短的 問題。3、 利用本發(fā)明，RF信號傳導(dǎo)單元采用共面波導(dǎo)傳輸線，減少了高頻信號的干擾。懸臂梁可動部分在靜電力的作用下上下運(yùn)動而接觸或者斷開 傳輸線，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的通斷。4、 利用本發(fā)明，開關(guān)能在較小的間隙獲得優(yōu)異的隔離度，選用SOI材料做為襯底，本結(jié)構(gòu)采用的SOI尺寸為上層單晶硅10微米，中間二氧化硅2微米，下層硅300微米。利用SOI活性層優(yōu)良的機(jī)械特性解決薄 膜應(yīng)力變形，材料物理特性差的弱點(diǎn)。5、 利用本發(fā)明，與現(xiàn)有的靜電驅(qū)動RF MEMS開關(guān)相比，驅(qū)動電壓 大大降低，插入損耗低，使用雙驅(qū)動電極通過靜電驅(qū)動形成"上拉一下拉" 結(jié)構(gòu)保證開關(guān)工作次數(shù)，開關(guān)壽命得到大幅度提高，使RFMEMS產(chǎn)品化 成為可能。6、 利用本發(fā)明，采用SOI無應(yīng)力的單晶硅做為懸臂梁增加工作次數(shù)， 傳輸線采用共面波導(dǎo)傳輸線形式保證信號不被干擾，采用厚膜工藝電鍍上 電極和傳輸線，背面鏤空工藝釋放開關(guān)整個(gè)結(jié)構(gòu)；采用低溫玻璃鍵合工藝 進(jìn)行封裝，減少工藝的復(fù)雜度。7、 利用本發(fā)明，采用SOI上層IO微米厚的單晶硅制作可動結(jié)構(gòu)，單 晶硅無應(yīng)力，可以做出大尺寸不彎曲的結(jié)構(gòu)，同時(shí)利用無應(yīng)力的單晶硅懸 臂梁來抵消制作于其上金屬層的應(yīng)力降低懸臂梁彎曲變形，本結(jié)構(gòu)同時(shí)克 服了單臂梁回復(fù)力小的致命弱點(diǎn)，開關(guān)次數(shù)增大。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中靜電驅(qū)動單臂梁開關(guān)處于關(guān)態(tài)(0ff)的結(jié)構(gòu)示意圖; 圖2是現(xiàn)有技術(shù)中靜電驅(qū)動單臂梁開關(guān)處于開態(tài)(cm)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明提供的靜電推拉式單晶硅梁RFMEMS開關(guān)中下電極和 觸點(diǎn)的俯視圖；圖4是本發(fā)明提供的靜電推拉式單晶硅梁RF MEMS開關(guān)的俯視圖； 圖5是本發(fā)明提供的靜電推拉式單晶硅梁RF MEMS開關(guān)所采用的 SOI襯底示意圖；圖6是圖4的A—A'方向剖面圖； 圖7是圖4的B—B'方向剖面圖；圖8是本發(fā)明提供的靜電推拉式單晶硅梁RF MEMS開關(guān)的一端空間 三維示意圖；圖9是本發(fā)明提供的靜電推拉式單晶硅梁RF MEMS開關(guān)的完整空間 三維示意圖；其中，1為傳輸線，2為接觸點(diǎn)，3為上電極，4為下電極，5為單臂 梁，6為襯底，7為釋放槽，8為下電極，9為接觸區(qū)，IO為引線孔，11 為傳輸線，12為上電極，13為錨區(qū)，14為上層單晶硅，15為二氧化硅中 間層，16為下層硅襯底，17為基板。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí) 施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖1和圖2所示，圖1是現(xiàn)有技術(shù)中靜電驅(qū)動單臂梁開關(guān)處于關(guān)態(tài) (off)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是現(xiàn)有技術(shù)中靜電驅(qū)動單臂梁開關(guān)處于開態(tài) (on)的結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)上電極3和下電極4之間電壓為0時(shí)，傳輸線l 和接觸點(diǎn)2斷開，開關(guān)處于off態(tài)；當(dāng)在上電極3和下電極4之間加足夠 的驅(qū)動電壓時(shí)，傳輸線1和接觸點(diǎn)2閉合，開關(guān)處于on態(tài)。壽命短的問題。本發(fā)明提供的靜電推拉式單晶硅梁RFMEMS開關(guān)，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如示意 圖3至圖9所示，包括開關(guān)可動部分和開關(guān)不可動部分。所述開關(guān)可動部 分由絕緣體上硅SOI的頂層單晶硅形成，在該開關(guān)可動部分兩端的上側(cè)面 分別有下電極和接觸點(diǎn)。所述開關(guān)不可動部分與SOI頂層單晶硅固定連 接，在開關(guān)不可動部分兩端的下側(cè)面與所述開關(guān)可動部分下電極對應(yīng)的位 置有上電極，在開關(guān)不可動部分兩端的下側(cè)面與所述開關(guān)可動部分接觸點(diǎn) 對應(yīng)的位置有傳輸線。通過分別給兩端的上電極和下電極之間加電壓，使 上電極與下電極形成推拉式結(jié)構(gòu)，進(jìn)而接觸或斷開傳輸線與接觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn) 開關(guān)動作。由圖3可以看出，通過釋放槽7使可動的單晶硅梁形成，在梁的兩端 濺射下電極8和接觸點(diǎn)9，并且通過引線孔10給下電極8加驅(qū)動電壓。由 圖4可以看出，上電極12和傳輸線11形成共面波導(dǎo)傳輸線(CPW)，保 證信號不被干擾。上電極通過錨點(diǎn)13固定在基板17上，通過圖6的剖面 圖可以可以看到其厚度。圖5為選用襯底的示意圖，其中上層單晶硅厚度 為l(Him，中間二氧化硅層厚度為2pm，下層襯底硅厚度為300nm。由圖6和圖7可以看出，當(dāng)在上電極12和下電極8之間加驅(qū)動電壓 時(shí)，可動梁在上下極板的靜電力作用下上拉使得接觸點(diǎn)9與傳輸線11閉 合，RFMEMS開關(guān)導(dǎo)通；此時(shí)驅(qū)除驅(qū)動電壓在另一端上電極和下電極之 間加驅(qū)動電壓，使得可動梁下拉使得接觸點(diǎn)9和傳輸線11斷開，RFMEMS 開關(guān)斷開。圖8和圖9為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的空間三維示意圖，為了能清晰的表達(dá)本結(jié) 構(gòu)，圖8只在一端畫了上電極12和傳輸線11，本圖也可以看出可動部分 與基板17的分離從而形成了翹翹板結(jié)構(gòu)使得驅(qū)動電極所需的間距變小， 驅(qū)動電壓降低，而且解決了恢復(fù)力不足的問題，使開關(guān)壽命大幅度提高。上述開關(guān)可動部分為單晶硅梁，該單晶硅梁通過采用體硅加工工藝刻 蝕SOI頂層的單晶硅形成，且該單晶硅梁與SOI中間層分離，形成推拉式 蹺蹺板結(jié)構(gòu)。本發(fā)明通過刻蝕SOI上層單晶硅成為開關(guān)的可動部分，即單 晶硅梁，使之可以在SOI中間層和上電極之間活動。上述下電極和接觸點(diǎn)通過蒸發(fā)或?yàn)R射工藝形成在開關(guān)可動部分兩端的上側(cè)面。上述上電極和傳輸線采用厚膜電鍍工藝形成在開關(guān)不可動部分兩端 的下側(cè)面，且傳輸線采用共面波導(dǎo)傳輸線形式保證信號不被干擾。在可動單晶硅梁的兩端分別濺射下電極和接觸點(diǎn)，傳輸線和上電極固 定在不可動部分的單晶硅梁基板上。通過給上下電極加電壓，用靜電力吸 合傳輸線和接觸點(diǎn)。該靜電推拉式單晶硅梁射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)采用背面鏤空工藝釋放 開關(guān)整個(gè)結(jié)構(gòu)，并采用低溫玻璃鍵合工藝進(jìn)行封裝，減少工藝的復(fù)雜度。以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行 了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而 已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修 改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種靜電推拉式單晶硅梁射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)，其特征在于，該射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)包括開關(guān)可動部分和開關(guān)不可動部分；所述開關(guān)可動部分由絕緣體上硅SOI的頂層單晶硅形成，在該開關(guān)可動部分兩端的上側(cè)面分別有下電極和接觸點(diǎn)；所述開關(guān)不可動部分與SOI頂層單晶硅固定連接，在開關(guān)不可動部分兩端的下側(cè)面與所述開關(guān)可動部分下電極對應(yīng)的位置有上電極，在開關(guān)不可動部分兩端的下側(cè)面與所述開關(guān)可動部分接觸點(diǎn)對應(yīng)的位置有傳輸線；通過分別給兩端的上電極和下電極之間加電壓，使上電極與下電極形成推拉式結(jié)構(gòu)，進(jìn)而接觸或斷開傳輸線與接觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)動作。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電推拉式單晶硅梁射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)， 其特征在于，所述開關(guān)可動部分為單晶硅梁，該單晶硅梁通過采用體硅加 工工藝刻蝕SOI頂層的單晶硅形成，使該單晶硅梁與頂層單晶硅分離，形 成推拉式蹺蹺板結(jié)構(gòu)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電推拉式單晶硅梁射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)， 其特征在于，所述下電極和接觸點(diǎn)通過蒸發(fā)或?yàn)R射工藝形成在開關(guān)可動部 分兩端的上側(cè)面。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電推拉式單晶硅梁射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)， 其特征在于，所述上電極和傳輸線采用厚膜電鍍工藝形成在開關(guān)不可動部 分兩端的下側(cè)面，且傳輸線采用共面波導(dǎo)傳輸線形式保證信號不被干擾。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電推拉式單晶硅梁射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)， 其特征在于，所述SOI頂層單晶硅厚度為10pm，中間二氧化硅層厚度為 2pm，下層襯底硅厚度為300pm。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的靜電推拉式單晶硅梁射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)， 其特征在于，該靜電推拉式單晶硅梁射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)采用背面鏤空工 藝釋放開關(guān)整個(gè)結(jié)構(gòu)，并采用低溫玻璃鍵合工藝進(jìn)行封裝，減少工藝的復(fù) 雜度。
全文摘要
本發(fā)明涉及射頻微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種靜電推拉式單晶硅梁射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)，包括開關(guān)可動部分和開關(guān)不可動部分；所述開關(guān)可動部分由SOI的頂層單晶硅形成，在該開關(guān)可動部分兩端的上側(cè)面分別有下電極和接觸點(diǎn)；所述開關(guān)不可動部分與SOI頂層單晶硅固定連接，在開關(guān)不可動部分兩端的下側(cè)面與所述開關(guān)可動部分下電極對應(yīng)的位置有上電極，在開關(guān)不可動部分兩端的下側(cè)面與所述開關(guān)可動部分接觸點(diǎn)對應(yīng)的位置有傳輸線；通過分別給兩端的上電極和下電極之間加電壓，使上電極與下電極形成推拉式結(jié)構(gòu)，進(jìn)而接觸或斷開傳輸線與接觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)動作。利用本發(fā)明，降低了驅(qū)動電壓，增加了開關(guān)的壽命，使RF MEMS產(chǎn)品化成為可能。
文檔編號H01H59/00GK101276708SQ200710064879
公開日2008年10月1日 申請日期2007年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月28日
發(fā)明者劉茂哲, 葉甜春, 景玉鵬, 毅 歐, 陳大鵬 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所