微电子机械系统开关

本发明涉及一种微电子机械系统(MEMS)开关。

微电子机械系统(MEMS)是一种已公知的设备，其通常通过在半导体材料 中采用硅处理技术制成，并且被开发成例如快门、致动器、继电器、阀门等传统 电子机械设备的替代物，以及例如双金属杆(bimetallic beam)等热机设备的替代 物。

这种MEMS的实例用于这样的开关中，在所述开关中，需要制作例如微波 系统中信号线的电触点。微波系统的两个部分需要根据实际所需连接和断接，这 是通过使可动臂或电枢上的开关触点机械移动到固定接触焊点上或机械移动脱离 该固定接触焊点而实现的。静电致动是MEMS开关中所使用的一种已公知的技 术。这种致动在两个导电物体之间提供了与电容变化率以及外加电压差值的平方 成比例的作用力。两个充电导体之间的作用力随它们之间间距的负二次方而变 化。

触点粘连常常是MEMS开关设备中出现故障的原因。这种静态阻力可能来 源于接触界面上的表面间的相互作用，比如范德瓦尔斯(Van der Waals)力，或者 可以因触点处的高电流密度或者高温(‘热’接触焊接)而产生。开关通常被设计 用以能够提供足够大的机械刚度，从而能够提供合适的静态回复力。

精心选择触点材料，并确保触点具有最大面积(对于小电流密度而言)，这 些都是为了尽可能地减小可能存在的静态阻力，所述静态阻力是释放开关所必须 要克服的，但是不能完全消除该静态阻力。这种结构可被设计成在封闭条件下具 有高静态机械回复力，但是这会趋于产生一种需要非常高的致动电压的结构(假 设采用静电致动的话)。

当电枢触点非常接近固定触点且电枢触点平行于固定触点时，由静电致动器 获得最大作用力。

当开关处于打开位置时需要获得良好的绝缘特性，这就要求开关触点之间的 间隙为大约3μm或更大。最小切换时间的需求对电枢尺寸提出上限要求，而良 好回复力的需求对其刚度提出下限要求。

电枢的横向压电致动是用于操作MEMS开关的另一种已公知技术。这种致 动导致在致动条件下在区域中产生电枢的抛物线弯曲。该弯曲部分是这样的，杆 顶端的偏移与施加在压电层上的电压成正比例关系。由于压电致动所产生的接触 力趋于较低。所希望的是，接触力高从而确保良好的电接触。

根据本发明，通过采用双致动机构，即通过结合压电、或热电、或电磁操作 的静电操作并与电枢的弯曲一起，减轻了上述问题。

根据本发明，一种MEMS开关包括固定触点和电枢上的可动触点，其特征 在于：

电极与固定触点以及可动触点均相关，用于提供静电开关操作；

具有相关的电极的压电材料，用于通过施加电压而使电枢弯曲，并且提供压 电开关操作；

具有下面的弯曲形状的电枢，即当处于开关打开状态并且外加电压为零时， 该电枢弯曲远离所述固定触点；

该布置使得压电材料的操作将电枢弯向固定触点，并且将可动电极弯曲以更 靠近固定电极并且基本平行对齐固定电极，从而在静电力作用下夹紧固定触点和 可动触点。

下面结合附图仅通过实例的方式对本发明进行描述，其中：

图1示出了处于打开状态或者零外加电压状态时的MEMS开关的示意图， 其电枢弯曲远离其固定触点；

图2示出了处于部分闭合状态并且静电电极位于平行隔开位置的图1所示的 开关；

图3示出了处于完全闭合状态的图1所示的开关；

图4示出了在释放处于图2所示部分切换状态之前的MEMS开关的构造的 剖视图；和

图5示出了图4所示的开关的平面图。

如图1-3所示，一种双静电压电致动MFMS开关1包括承载固定触点3和 下部静电电极4的基底2，所述下部静电电极自身涂覆有薄绝缘层5。电枢6具有 固定到基底上的一端以及承载可动浅凹触点7的自由外端。电枢6本身是一种夹 层结构，依次设置有上金属层8、PZT的压电层9、中央金属层10、绝缘机械层 11、以及承载可动触点7的下金属层12。

处于打开、无电压状态的开关1被制造成具有弯曲的外形轮廓，如图1所示。 通过控制制造步骤以对各层8-12施加不同大小的应力，从而获得这种弯曲形 状。

图2示出了一种部分切换状态，其中电压已经通过压电层9施加到电极8、 10上，使得所述层的长度增大，从而拉直电枢6。在该状态下，电枢6是直的， 下部静电电极4和下层12(形成静电致动器的一部分)彼此平行且隔开较小间距。 在该阶段，静电电极4、12受力，从而将电枢6向下拉成如图3所示的开关闭合 状态。在闭合之后，如图3所示，通过去除外加电压，压电元件9被切断，并且 通过持续向静电电极4、12施加电压，从而使开关保持处于夹紧、闭合状态。

在图3所示的闭合状态下，电枢的组成部件处于拉紧状态。因此，通过去掉 静电开关电压，当电枢弹回到图1所示的自由状态时，触点分离。如果需要，可 以向压电材料9施加反向电压，以有助于使电枢6弯曲远离固定触点3。

通常，MEMS开关在高达45GHz的宽频带范围内具有小于0.2dB的测量插 入损耗，在2GHz条件下其隔离度大于50dB。

图4中示出了在释放前的根据本发明的一个MEMS开关实例20的结构的剖 面示意图。该MEMS开关包括覆盖有二氧化硅电绝缘层20的硅基底21，所述电 绝缘层承载带有图案的金属层以及外部和内部开关电极25、26，其中所述带有图 案的金属层包括共平面波导射频传输线(或者CPW)。CPW包括两个地平面22、 23以及一条传输线24。地平面22上局部覆盖有例如0.2μm薄的绝缘氮化硅层 27，并形成用于静电致动的下部电极。

电枢30位于基底21上方并相互隔开，该电枢一端固定到开关电极25、26 上，另一端在电控下可自由上下移动。电枢30由1μm厚的氮化硅层形成，所述 氮化硅层下表面承载带有图案的第一金属层33。所述层33形成为一个提供上部 静电电极并且电连接到内部开关电极26上的电极34。第一金属层还形成一个可 动电极35，其设置凹陷，以当开关被操作时接触传输线24中的裂口42的任意侧 面。在氮化硅层38的顶部为第二金属层，其经由通路35连接至上部静电电极34， 并被图案化以形成下部电极36，该下部电极位于1μm厚的锆钛酸铅(或PZT) 压电材料层37的下方。PZT层37上覆盖有介电层39。在压电层37之上是经由 通路31、41连接到外部开关电极25上的上部压电致动电极40。覆盖层39隔离 下部压电致动电极36和上部压电致动电极40。附图标记43表示在处理步骤中使 用然后如下面所述被除去的牺牲层。

在操作中，在切断电压状态下，电枢30向上弯曲，如图1所示。为了闭合 开关，电压被施加到两个锚固电极25、26上，使得PZT层37产生膨胀，使得电 枢30弯曲成图4所示的状态，或者更低。在该状态下，静电电极22和34基本平 行靠近。在CPW地平面22和上部静电电极34之间的外加电压差使得补充电枢 向下运动的电极之间相互吸引，直至可动开关触点35接触传输线24并且开关处 于闭合状态。在该点，可从PZT层37上去除电压(通过去除传输到外部锚固焊 点25的信号)，并且开关在静电力的作用下而牢牢保持夹紧。

为了打开开关，从静电电极26、34上去除电压，使得存储在电枢30中的应 变能将可动触点35向上移动并脱离传输线24的接合。如果需要，PZT层37可以 加反向偏压，以缩短长度，并增强电枢30的向上运动。

可采用下面的生产步骤制造图4中所示的开关：

所有层都在市售原始硅晶片上进行制造。这些通常都掺有硼(p-型)，其电 阻率小于0.1Ωcm，以允许在基底21上形成可选欧姆金属触点。

二氧化硅薄膜的电绝缘层生长在/沉积在所述晶片上。接触孔可被蚀刻(例 如，通过反应离子蚀刻，RIE)在该层中，以能够在随后的处理步骤中制造大块基 底触点。

接下来(例如，通过溅射沉积)沉积金属膜(元件22-26)，随后，利用光 刻技术使该膜形成图案。在该过程中，硅晶片被涂覆光致抗蚀剂，所述光致抗蚀 剂利用合适的掩模进行曝光，经过曝光的光致抗蚀剂被显影，以产生用于将下面 的图案转移到下层中的所需蚀刻掩模。在使该光致抗蚀剂形成图案之后，下层被 蚀刻(例如，通过RIE)，并且该光致抗蚀剂被除去(例如，通过RIE)。按照光 刻、沉积以及蚀刻的顺序重复进行，从而在所述晶片的表面上构造出一种三维 (3D)结构。该固定金属层形成电极互连和接合焊点。

薄介电层27(比如氮化硅)被沉积(例如，通过等离子体增强气相沉积，或 者PECVD)，并采用光刻法形成图案。该层保护固定金属避免产生无意的电接触， 并绝缘下部静电电极22。

然后，(例如，通过旋涂光致抗蚀剂)沉积牺牲层43(比如，聚酰胺、非晶 硅等)。该层可以提供平面度，并在构建过程结束时，在释放处理(比如，RIE释 放处理，或者湿法蚀刻释放处理)中被除去，以便于释放形成电枢30的结构活动 层。

可采用光刻法或者采用定时的牺牲层蚀刻在牺牲层中形成凹陷。

在牺牲层中蚀刻出接触孔31，32，以能够使移动机械层和固定金属层之间形 成电连接和机械连接。

导电金属层33被沉积(例如，通过溅射)，然后采用光刻法形成图案。该层 形成用于静电致动的上部可动电极34，以及用于进行射频(RF)切换操作的导电 层35。

机械介电层(比如，PECVD氮化硅)被沉积，然后形成图案。该层在开关 电枢中形成弹性机械层38。可以在该层中控制平面内应力和平面外应力的梯度， 如参考文献【1，2】中所述，以使得能够对释放开关电枢中的曲率进行一定的控 制。改变PECVD沉积处理中的过程参数(比如，RF功率)可实现这种控制。

导电层被沉积并形成图案。该层在开关中形成用于压电材料层37的底部电 极36。该层可包括具有非金属的导电层结合体(比如，镍酸镧Lanthanum Nickelate)，并且必须提供用于压电材料层37(比如，钙钛矿)中的合适相形核的 合适表面。

压电层37被沉积(例如，通过金属有机化学气相沉积)并形成图案(例如， 通过光刻法和RIE)。

薄覆盖介电层39(例如，PECVD氮化硅)被沉积并形成图案，从而避免下 部压电电极36和随后的导电层之间产生无意的电接触。可控制该层中的应力，以 能够进一步控制释放开关电枢中的曲率。

第三金属层被沉积并形成图案。该层形成顶部压电电极40，并结合电极36， 使得在压电层37上施加电场。该层与外部锚固触点25相接触。

随后的介电层可以被沉积(利用受控应力)并形成图案，以进一步控制释放 开关电枢中的弯曲区域和弯曲程度。

按照上述过程，使得开关电枢具有较小的牺牲层厚度，但是趋于在包括压电 层的电枢区域的上方向上弯曲(但是在其它地方基本是平的)。该向上的弯曲导致 在切换RF的可动触点35和承载RF的固定金属层24之间产生一个较大的间隙(大 于3微米)。这使得能够获得良好的绝缘性能和/或良好的插入损耗与绝缘比。

参考文献

[1]R.J.Bozeat，K.M.Brunson；“Stress control in low temperature PECVD silicon nitride for highly manufacturable micromechanical devices”，Micromechanics Europe， Ulvic(Norway)，1998.

[2]R.R.Davies，K.M.Brunson，M.McNle，D.J.Combes；“Enginearing In-and Out-of- Plane stress in PECVD Silicon Nitride for CMOS-Compatible Surface Micromachining”，SPIE Microfabrication and Micromachining Oct 2001，California， USA.