Mems開關(guān)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請(qǐng)涉及微機(jī)電組件的改進(jìn)，如開關(guān)。
【背景技術(shù)】
[0002] 微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS)允許在小規(guī)模與包括在集成電路封裝內(nèi)的這些組件相容上形 成組件，如開關(guān)、陀螺儀、麥克風(fēng)、應(yīng)變計(jì)和許多傳感器組件。
[0003] MEMS元件可在襯底上形成，如硅晶片，如在集成電路的形成中使用的，使用相同的 工藝。本申請(qǐng)?zhí)峁┝?MEMS元件的制造的改進(jìn)，特別是MEMS開關(guān)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 在第一方面，本文公開了 MEMS元件，包括：
[0005] 襯底；支撐體；可移動(dòng)結(jié)構(gòu)和控制電極。支撐體從襯底延伸并保持與襯底相鄰的 可移動(dòng)結(jié)構(gòu)的第一部分，且可移動(dòng)結(jié)構(gòu)與控制電極重疊，其中，可移動(dòng)結(jié)構(gòu)由邊緣限定，并 且控制電極延伸過(guò)可移動(dòng)結(jié)構(gòu)的邊緣。
[0006] 可移動(dòng)結(jié)構(gòu)可以延伸遠(yuǎn)離支撐體。在一些變形中，可移動(dòng)結(jié)構(gòu)被附加到支撐體以 形成，例如，懸臂或橫梁，然而在其它變形中，中間臂可在支撐體和可移動(dòng)結(jié)構(gòu)之間延伸。
[0007] 在使用中，控制電極周圍的靜電場(chǎng)可導(dǎo)致電荷在襯底被捕獲，其中襯底包括電介 質(zhì)。延伸控制電極超過(guò)可移動(dòng)結(jié)構(gòu)的端部或側(cè)面增加任何捕獲的電荷和可移動(dòng)結(jié)構(gòu)之間的 距離。這意味著，其中，例如MEMS元件是開關(guān)，開關(guān)的打開變得更加可靠。
[0008] 有利地，可移動(dòng)結(jié)構(gòu)被樞轉(zhuǎn)地安裝到支撐體并且可以延伸在它的任一側(cè)。這樣的 布置類似于蹺蹺板，盡管在上下文中沒(méi)有要求蹺蹺板的每側(cè)具有相同的長(zhǎng)度。在這樣的布 置中，支撐體的每側(cè)可以與相應(yīng)的控制電極相關(guān)聯(lián)，以便能夠拉動(dòng)可移動(dòng)結(jié)構(gòu)的任一側(cè)朝 向襯底。拉動(dòng)一側(cè)向下引起"蹺蹺板"的另一側(cè)抬起，從而提供積極地將開關(guān)拉開的能力。
[0009] 在本公開的第二方面，公開了 MEMS元件，其包括通過(guò)支撐體在第一位置支撐的可 變形結(jié)構(gòu)，可變形結(jié)構(gòu)攜帶用于與另一觸點(diǎn)表面接觸并通過(guò)相鄰而不是與控制電極隔開的 觸點(diǎn)?？刂齐姌O和可變形結(jié)構(gòu)之間的電位差在引起其變形的可變形結(jié)構(gòu)上施加力，其中，可 變形結(jié)構(gòu)被修改以限制在可變形結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的峰值應(yīng)力。
[0010] 限制峰值應(yīng)力減小了在組件內(nèi)承受的力下產(chǎn)生的組件中使用的材料的風(fēng)險(xiǎn)。
[0011] 在第三方面，公開了 MEMS開關(guān)，包括：襯底；支撐體；可移動(dòng)結(jié)構(gòu)和控制電極使得 可移動(dòng)結(jié)構(gòu)由襯底上方的支撐體被保持并在控制電極上延伸。襯底和可移動(dòng)結(jié)構(gòu)中的至少 一個(gè)具有在其上以保持在使用期間從控制電極隔開的可移動(dòng)結(jié)構(gòu)形成的至少一種結(jié)構(gòu)。
[0012] 在使用中，過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓或材料的產(chǎn)生可促使可移動(dòng)結(jié)構(gòu)以使它接觸到控制電極的 方式彎曲。提供至少一種結(jié)構(gòu)，避免這樣的問(wèn)題。
[0013] 在第四方面，公開了 MEMS元件，包括：具有第一熱膨脹系數(shù)的襯底；和從襯底延伸 的具有第二熱膨脹系數(shù)的支撐體。MEMS元件還包括在或鄰近襯底和支撐體之間的界面形成 的并且具有大于第一膨脹系數(shù)的第三膨脹系數(shù)的膨脹變形結(jié)構(gòu)，并且膨脹變形結(jié)構(gòu)被布置 以在界面附近的襯底上施加熱膨脹力，以便模擬不同于在界面附近的襯底的第一系數(shù)的第 四膨脹系數(shù)。
[0014] 不同的熱膨脹可引起力發(fā)生在使它變形的支撐體內(nèi)，并最終影響連接到支撐體的 組件或元件的取向。利用膨脹變形結(jié)構(gòu)，可以減少這種影響。
[0015] 在第五個(gè)方面，公開了具有從襯底向上延伸并攜帶在襯底表面上方或在襯底內(nèi)形 成的凹陷上方延伸的結(jié)構(gòu)的支撐體的MEMS元件，并且其中結(jié)構(gòu)被提供有多個(gè)槽和/或孔， 在其中以便于從結(jié)構(gòu)下面化學(xué)地去除材料。
[0016] 不能在制造期間去除犧牲材料可減少元件產(chǎn)量。提供用于蝕刻劑來(lái)穿透器件的孔 提尚了廣量。
[0017] 在第六個(gè)方面，公開了 MEMS開關(guān)，包括：襯底；支撐體；和由支撐體在某處支撐的 開關(guān)部件，使得所述開關(guān)部件的部分在第一方向延伸遠(yuǎn)離支撐體朝向第一開關(guān)觸點(diǎn)并超過(guò) 第一控制電極。MEMS開關(guān)還包括鄰近開關(guān)部件一部分的第二控制電極，使得第二控制電極 和開關(guān)部件之間作用的吸引力促使開關(guān)部件移動(dòng)遠(yuǎn)離第一開關(guān)觸點(diǎn)。
[0018] 提供控制電極以提供開關(guān)的主動(dòng)的開和關(guān)，提尚操作的可靠性。對(duì)于正常關(guān)閉的 開關(guān)，其中應(yīng)力已在制造或尺寸改變期間在開關(guān)部件被感應(yīng)出，使得開關(guān)正常關(guān)閉，第一控 制電極可以被省略，使得開關(guān)可以主動(dòng)地驅(qū)動(dòng)打開，而響應(yīng)于從第二控制電極去除控制電 壓關(guān)閉。
[0019] 可移動(dòng)結(jié)構(gòu)或開關(guān)部件可以名義上被認(rèn)為具有在支撐體的相對(duì)側(cè)設(shè)置的第一和 第二部分。其允許開關(guān)部件和第二控制電極之間的吸引力來(lái)反作用于開關(guān)部件和第一電極 之間的吸引力。力的相對(duì)強(qiáng)度可以通過(guò)控制控制電極的相對(duì)寬度，它們與開關(guān)部件的距離， 它們與支撐體的距離，供給的電壓或這些參數(shù)的任意組合，而改變。
[0020] 在一些實(shí)施方案中，第二控制電極可以通過(guò)高阻抗被連接到第一控制電極，使得 在第二控制電極上的電壓滯后于第一控制電極上的電壓。連接電極和第二電極的電容的大 的阻抗形成RC濾波器。因此，一旦控制電壓被施加到第一電極來(lái)關(guān)閉開關(guān)，第二電極開始 充電，從而提供被選擇不足以打開開關(guān)，而保持電壓被施加到第一控制電極的開啟力。一旦 驅(qū)動(dòng)信號(hào)被從第一電極移出，花費(fèi)在第二電極電壓的時(shí)間衰減掉，且在這個(gè)時(shí)間期間，第二 控制電極和開關(guān)部件之間的吸引力打開開關(guān)，使得導(dǎo)電通道不再存在于第一開關(guān)觸點(diǎn)。
[0021] 在第七個(gè)方面，本文件還公開了 MEMS開關(guān)，包括：第一開關(guān)觸點(diǎn)；第二開關(guān)觸點(diǎn)； 控制電極；襯底；支撐體；彈簧和導(dǎo)電元件。支撐體遠(yuǎn)離第一和第二開關(guān)觸點(diǎn)被形成，并且 彈簧從朝向第一和第二開關(guān)觸點(diǎn)的支撐體延伸，并且攜帶導(dǎo)電元件使得它被保持在上面但 是與第一和第二間觸點(diǎn)的至少一個(gè)分開，并且彈簧和/或?qū)щ娫ㄟ^(guò)鄰近于控制電極。
[0022] 因此，有可能從導(dǎo)電元件所需的機(jī)械特性去耦彈簧所需的機(jī)械特性。
[0023] 兩個(gè)或多個(gè)各個(gè)方面，可能會(huì)在單一實(shí)施方案中的組合內(nèi)發(fā)生。
[0024] 因此，例如，使用攜帶導(dǎo)電元件的彈簧可能在與第一方面的放大電極，和/或與以 限制峰值應(yīng)力的特征，和/或第六方面的蹺蹺板設(shè)計(jì)的組合內(nèi)發(fā)生。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 構(gòu)成本公開的實(shí)施方案的MEMS結(jié)構(gòu)現(xiàn)在將參照附圖通過(guò)非限制性示例的方式來(lái) 被描述，其中：
[0026] 圖1是MEMS開關(guān)的橫截面；
[0027] 圖2示意性地示出了柵電極邊緣周圍的電場(chǎng)；
[0028] 圖3是MEMS開關(guān)的平面圖，其中柵電極延伸超過(guò)開關(guān)部件的邊緣；
[0029] 圖4和5示出觸點(diǎn)載體的長(zhǎng)度和可靠觸點(diǎn)的長(zhǎng)度如何修改柵極和開關(guān)部件之間的 距離；
[0030] 圖6示出了用于減少捕獲電荷的關(guān)閉影響的另外的特征；
[0031] 圖7a和7b示出了來(lái)自柵電極的開關(guān)閉合力下的開關(guān)部件的型材；
[0032] 圖8a和8b示出了開關(guān)部件的實(shí)施方案的平面圖；圖8c示出了圖8a和8b的開關(guān) 部件的側(cè)視圖；且圖8d比較在圖8a和8b的開關(guān)部件中的應(yīng)變作為位置函數(shù)；
[0033] 圖9是具有形成以減小開關(guān)部件接觸柵電極的風(fēng)險(xiǎn)的附加支撐體的MEMS開關(guān)的 實(shí)施方案的橫截面；
[0034] 圖10是用于與圖9中所示的布置一起使用的修改的柵電極的平面圖；
[0035] 圖11是表示柵極到源極電壓的曲線圖，在其上開關(guān)部件接觸柵極為95μπι長(zhǎng)、 7μπι、8μπι和9μπι厚的懸臂的金的開關(guān)部件，且有200nm至Ij 400nm的尖端長(zhǎng)度；
[0036] 圖12重復(fù)圖11所示的數(shù)據(jù)，包含附加的數(shù)據(jù)用于長(zhǎng)30微米、厚8微米的懸臂；
[0037] 圖13是MEMS開關(guān)的另外實(shí)施方案的橫截面；
[0038] 圖14是在溫度Tl上懸臂錨定器的示意圖；
[0039] 圖15示出了跟隨Δ T的溫度變化在圖14的布置上的熱膨脹的影響；
[0040] 圖16示出了具有鄰近于支撐體腳形成的附加結(jié)構(gòu)的實(shí)施方案；
[0041] 圖17示出了圖16中所示的布置的變形；
[0042] 圖18是修改的支撐體的平面圖；
[0043] 圖19是MEMS開關(guān)的實(shí)施方案的立體圖；
[0044] 圖20是可加入到開關(guān)的另外的特征的橫截面圖；
[0045] 圖21是具有兩個(gè)柵極使它可以被驅(qū)動(dòng)關(guān)閉和驅(qū)動(dòng)打開的開關(guān)的橫截面圖；
[0046] 圖22是MEMS開關(guān)的另外實(shí)施方案的立體圖；
[0047] 圖23示出了圖22中所示的布置的變形；
[0048] 圖24是通過(guò)在其中橫梁被支撐體在兩個(gè)地方的實(shí)施方案的示意性橫截面圖；
[0049] 圖25是MEMS開關(guān)的另外的實(shí)施方案的示意性平面圖；
[0050] 圖26是另外的實(shí)施方案的示意性平面圖；
[0051] 圖27示出了非對(duì)稱橫梁設(shè)計(jì)的示意圖，并且還示出了用于蹺蹺板開關(guān)的驅(qū)動(dòng)方 案的版本；
[0052] 圖28示出了另外的非對(duì)稱蹺蹺板開關(guān)的立體圖；和
[0053] 圖29示出了具有扭轉(zhuǎn)支撐體的實(shí)施方案。
【具體實(shí)施方式】
[0054] 微機(jī)械加工系統(tǒng)（MEMS)元件是本領(lǐng)域技術(shù)人員所周知的。這些元件的常見的示 例是固態(tài)陀螺儀和固態(tài)加速度計(jì)。
[0055] 開關(guān)在MEMS技術(shù)中也是可用的。原則上，MEMS開關(guān)應(yīng)該提供長(zhǎng)期和可靠的操作壽 命。然而，這樣的器件不傾向于呈現(xiàn)可能已經(jīng)預(yù)期的操作壽命。本申請(qǐng)起因于發(fā)生在MEMS 開關(guān)內(nèi)的工藝的調(diào)查和鑒定。本文的教導(dǎo)與其它MEMS器件也相關(guān)。
[0056] 圖1是總體表示為1的MEMS開關(guān)的示意圖。開關(guān)1在襯底2上方被形成。襯底 2可以是半導(dǎo)體，例如娃。娃襯底可以是由諸如切克勞斯基（Czochralski)、CZ處理或浮區(qū) 處理的工藝形成的晶片。CZ處理更便宜并且產(chǎn)生了硅襯底，它物理上比使用浮區(qū)處理獲得 的更健壯，但浮區(qū)提供具有更高的電阻率的硅，其更適合在高頻電路中使用。
[0057] 硅襯底可以任選地由未摻雜的多晶硅的層4覆蓋。多晶硅的層4作為載流子壽命 殺手。這使得CZ硅的高頻性能被改善。
[0058] 電介質(zhì)層6,其可能是在襯底2和任選的多晶硅層4上方形成的氧化硅（一般是 SiO2)。電介質(zhì)層6可以在兩個(gè)階段形成，使得金屬層可被沉積，掩蔽和蝕刻以形成導(dǎo)體10、 12和14。然后電介質(zhì)6的沉積的第二階段，可以被執(zhí)行，以便形成圖1中所示的結(jié)構(gòu)，其中， 導(dǎo)體10、12和14被嵌入電介質(zhì)層6。
[0059] 電介質(zhì)層6的表面具有由在層6的一部分的上方形成的相對(duì)耐磨導(dǎo)體提供的第一 開關(guān)觸點(diǎn)20。第一開關(guān)觸點(diǎn)20以一個(gè)或多個(gè)通孔22的方式連接到導(dǎo)體12。類似地，控制 電極23可以在導(dǎo)體14上方被形成，并且通過(guò)一個(gè)或多個(gè)通孔24被電氣連接到它。
[0060] 用于開關(guān)部件32的支撐體30也在電介質(zhì)層6的上方被形成。支撐體30包括在 層6的可選部分的上方沉積的腳區(qū)域34,使得腳區(qū)域