上拉式电极和华夫饼型微结构 |
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| 申请号 | CN201180049778.6 | 申请日 | 2011-09-19 | 公开(公告)号 | CN103155069A | 公开(公告)日 | 2013-06-12 |
| 申请人 | 卡文迪什动力有限公司; | 发明人 | 理查德·L·奈普; 罗伯图斯·彼得勒斯·范坎彭; 阿纳特兹·乌纳穆; 罗伯托·加迪; | ||||
| 摘要 | 本 发明 一般涉及MEMS装置及用于所述MEMS装置的制造的方法。MEMS装置的悬臂可具有华夫饼型微结构。华夫饼型微结构利用 支撑 梁以对微结构赋予刚性同时允许所述支撑梁弯曲。华夫饼型微结构允许刚性结构结合挠性支撑件的设计。另外，复式 弹簧 可用以产生非常刚性的弹簧以改进MEMS装置的热切换性能。为了允许MEMS装置利用较高射频 电压 ，可将上拉式 电极 定位 于悬臂之上以帮助将悬臂自 接触 电极拉开。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种产生微机电装置的方法，所述方法包含以下步骤： |
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| 说明书全文 | 上拉式电极和华夫饼型微结构技术领域背景技术[0002] 随着半导体的大小持续缩小，耦接至半导体的MEMS装置也是如此。MEMS装置可用作小型继电器开关、电容开关、非挥发性内存装置且可用于很多的场合。MEMS装置具有开关或悬臂，所述开关或悬臂在至少两个位置之间移动以允许或拒绝电流经由开关流过。可于一端或两端处夹住悬臂。 [0003] 使用与在半导体制造厂中的处理步骤相似的处理步骤制造MEMS装置，因此可在晶片尺寸上具成本效率地制造MEMS装置。在将MEMS装置缩小至小于几微米的尺寸中发现一个问题为开关或悬臂待拉至与电极接触且然后释放回至所述开关或悬臂的初始状态的能力。归因于MEMS装置的尺寸，悬臂或开关可能不具有足够的复原力以允许开关或悬臂返回至所述开关或悬臂的初始状态。MEMS装置的性能将因此受到负面影响。 [0004] 因此，在本技术中存在对于具有足够弹性得以拉出或推入以与电极接触且然后释放回至其原始位置的MEMS装置的需求。在本技术中也存在对于制造所述装置的方法的需求。 发明内容[0005] 本发明一般涉及MEMS装置及用于所述MEMS装置的制造的方法。MEMS装置的悬臂可具有华夫饼型(waffle-type)微结构。华夫饼型微结构利用支撑梁以对微结构赋予刚性同时允许支撑梁弯曲。华夫饼型微结构允许刚性结构结合挠性支撑件的设计。另外，复式弹簧可用以产生非常刚性的弹簧以改进MEMS装置的热切换性能。为了允许MEMS装置利用较高射频电压，可将上拉式电极定位于悬臂之上以帮助将悬臂自接触电极拉开。 [0006] 在一个实施例中，揭示一种产生微机电装置的方法。所述方法包括以下步骤：沉积第一牺牲层于介电层之上，沉积第一构造层于第一牺牲层之上，且沉积第二牺牲层于第一构造层之上。所述方法还包括以下步骤：蚀刻一或多个第一介层洞通过第二牺牲层，以曝露第一构造层的至少一部分。另外，在一或多个第一介层洞之内且于第二牺牲层之上沉积第二构造层。所述方法还包括以下步骤：沉积第三牺牲层于第二构造层之上。所述方法另外包括以下步骤：蚀刻第一牺牲层、第二牺牲层及第三牺牲层以在空腔之内释放第一构造层及第二构造层且形成微机电装置。目前已释放的微机电装置能够响应于施加于电极的电压而移动。 [0007] 在另一实施例中，揭示一种微机电装置。所述装置包括第一构造层及第二构造层，其中所述第一构造层耦接至多个第一电极，所述第二构造层与所述第一构造层间隔，以在所述第一构造层与所述第二构造层之间界定一空间。所述装置还包括多个支柱，所述多个支柱安置在所述空间之内且耦合于第一构造层与第二构造层之间，所述多个支柱中的每一者与相邻支柱间隔。 [0008] 在另一实施例中，揭示一种微机电装置。所述装置包括第一构造层及第二构造层，其中所述第一构造层耦接至一或多个第一电极，所述第二构造层与所述第一构造层间隔，以在所述第一构造层与所述第二构造层之间界定一空间。所述装置也包括多个支柱，所述多个支柱安置在空间之内且耦合于第一构造层与第二构造层之间。所述多个支柱中的每一者与相邻支柱间隔。第一构造层、第二构造层及多个支柱集体地形成悬臂或悬挂结构，例如安置在空腔之内的桥。所述装置还包括一或多个可能会或可能不会导电的复式弹簧。所述一或多个复式弹簧可连接至悬臂或悬挂结构且安置在空腔之内。附图说明 [0009] 因此，为使详细理解本发明的上述特征结构的方式，可参照实施例详细描述上文简要概述的本发明，一些实施例图示于附加图式中。然而，应注意，附加图式仅图示本发明的典型实施例，且因此不欲视为本发明范畴的限制，因为本发明可允许其它同等有效的实施例。 [0010] 第1A图至第1L图图示在各种制造的阶段的MEMS装置。 [0011] 第2A图及第2B图图示根据一个实施例的华夫饼型悬臂。 [0012] 第3A图至第3F图图示利用复式弹簧技术的华夫饼型MEMS装置。 [0013] 第4A图至第4C图图示根据一个实施例的MEMS装置的移动。 [0014] 第5A图至第5C图为根据另一实施例的MEMS装置的图解说明。 具体实施方式[0016] 本发明一般涉及MEMS装置及用于所述MEMS装置的制造的方法。MEMS装置的悬臂可具有华夫饼型微结构。华夫饼型微结构利用支撑梁以对微结构赋予刚性同时允许支撑梁弯曲。华夫饼型微结构允许刚性结构结合挠性支撑件的设计。另外，复式弹簧可用以产生非常刚性的弹簧以改进MEMS装置的热切换性能。为了允许MEMS装置利用较高RF电压，可将一或多个上拉式电极定位于悬臂之上以帮助将悬臂自接触电极拉开。 [0017] 本文揭示的华夫饼型结构允许将弹簧刚性自平板刚性解耦，提供一种结合挠性支撑件设计刚性结构的方法。华夫饼型结构也允许增加可用以产生非常刚性的弹力的复式弹簧，以改进MEMS可变电容器的热切换性能。 [0018] 归因于移动通信中的数据传送的指数式增加，不久将需要增加数据处理的容量。使用例如MEMS数字可变电容器(Digital Variable Capacitor;DVC)的可调谐部件可藉由允许天线及数字DVC电路的共振频率与进入信号匹配来提供增加数据传送容量的方式。 [0019] MEMS DVC的性能的主要特征在于RF规格，所述RF规格诸如调谐比率（也就是，悬臂的高电容向下状态与悬臂的低电容向上状态的比率）、品质因子（也就是，导纳（admittance）的虚数部分与实数部分的比率）、线性度（也就是，随着功率位准增加，输出讯号相对于输入信号的失真量）等等。应了解，虽然说明书将提出利用术语“悬臂”，但是术语“悬臂”意谓涵盖悬臂和诸如桥或可动结构的悬挂结构的装置，所述装置在端部处被锚定或被夹紧但在中部处可移动。DVC也具有操作规格，所述操作规格诸如致动电压（也就是，将悬臂下拉至高电容状态所需的电压）、热切换电压（也就是，当致动电压恰好降低为零时将保持电容器于高电容状态的RF电极上的电压）、电容密度（也就是，每单位面积电容）、自程序设计及自抹除电压等等。DVC的理想规格包括低致动电压（也就是，将MEMS悬臂下拉至高电容状态所需的电压）及高热切换电压。理想规格的所述两个元素通常彼此相反。致动电压越低，热切换电压也将越低，因为要获得低致动电压，MEMS悬臂的弹簧常数需要为低。为了获得高热切换电压，因为RF频率比悬臂反应时间更快，所以当施加较大RF电压时，需要较大弹簧常数来将两个RF平板拉开。所述RF讯号提供平均拉入力。拉入力可藉由增加装置面积为给定拉入电压及间隙而增加，但此举增加了成本且是不期望的。 [0020] 此处提供的方法展示了将支撑梁的刚性自平板刚性解耦的方法，因此，获得了低致动电压且能够达成用于小面积装置的较高热切换电压，而且提供较好的应力控制，降低了某些制程步骤的复杂度，且改进了RF性能（例如，线性度）。此方法也允许我们在无需增加质量的情况下加固部分横梁，此效果与横梁恰好于彼等部分加厚所产生的效果一样。 [0021] 第1A图至第1L图图示在各种制造的阶段的MEMS装置。所述装置包括可形成在半导体装置之内的介电层102，诸如互补金氧半导体(complementary metal oxide semiconductor;CMOS)结构的后段制程(back end of the line;BEOL)。一或多个第一电极104嵌入在介电层102之内，所述一或多个第一电极104为将与MEMS装置的悬臂进行接触的金属化轨道。一或多个拉入电极106也可嵌入在介电层102之内。拉入电极106可作用以将悬臂拉入与介电层102接触。RF电极108也嵌入在介电层102之内。 [0022] 可将一或多个介层洞蚀刻至介电层102中以曝露一或多个第一电极104。然后，可用导电材料110填充介层洞，导电材料110可用以达成一或多个第一电极104与悬臂结构之间的电连接。在一个实施例中，导电材料110可包含金属。在另一实施例中，导电材料110可包含材料，所述材料选自由以下组成的群组：钛、钽、氮化钛、氮化钽、铜、铝及上述物质的组合。 [0023] 然后，第一牺牲层112沉积在介电层102之上。第一牺牲层112可用以界定介电层102的上表面与悬臂的下表面之间的间隔。第一牺牲层112可经由诸如等离子增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapour deposition;PECVD)、化学气相沉积(chemical vapour deposition;CVD)、旋涂式技术及物理气相沉积(physical vapour deposition;PVD)的制程沉积，以上诸技术仅为几个实例。在一个实施例中，第一牺牲层112可包含含硅化合物。在另一实施例中，第一牺牲层112可包含二氧化硅。在另一实施例中，第一牺牲层112可包含旋涂式玻璃或旋涂式介电质，所述旋涂式介电质含有具有碳主链的长链分子。所述材料将需要具有低硅含量，因为如果所述材料含有硅，则移除碳基化合物的牺牲蚀刻通常留下残余物。 [0024] 然后，蚀刻一或多个介层洞114通过第一牺牲层112以曝露下层导电材料110。在一个实施例中，可在一或多个介层洞114形成之后蚀刻介电层102。在任何情况下，然后用材料填充一或多个介层洞114，所述材料用以形成第一构造层116。经填充的介层洞114提供电极104与悬臂之间的电连接。一旦装置形成，第一构造层116将成为悬臂的底部。在一个实施例中，第一构造层116可包含金属。在另一实施例中，第一构造层116可包含材料，所述材料选自由以下组成的群组：钛、钽、氮化钛、氮化钽、铜、铝及上述物质的组合。在另一实施例中，构造层116可包含多层结构。例如，可以使用5层堆栈(TiN-Al-Tin-Al-TiN)。各氮化钛层可具有小于100nm的厚度以避免关于TiN晶粒的问题。可用于多层结构的其它材料包括TiAl及TiAlN。在另一实施例中，构造层116可由诸如TiN，接着Al，然后TiN的三层结构组成。三层结构结合了具有高电阻率的TiN的强度优点与具有不良机械强度的Al的低电阻特性。藉由将薄Al层夹于两个TiN层之间，在两种材料的沉积中的任一残余应力差不会产生MEMS结构中的差应力。此外，在两种材料之间的热膨胀差不会产生对称TiN-Al-TiN夹层中的差应力。所述结构的附加优点在于TiN膜的机械强度在较大膜厚度处降低。如此是由于增加沉积厚度处的增加空隙。藉由在约200nm厚处停止沉积TiN、放置薄Al层且开始生长，可极大减少此问题。第一构造层116可然后经蚀刻以形成第一构造层116的最终形状。第一构造层116可经由熟知的技术沉积，诸如溅镀、无电极电镀及电化学电镀。 [0025] 然后，第二牺牲层118沉积在第一构造层116之上。类似于第一牺牲层112，第二牺牲层118可藉由诸如PECVD、CVD、旋涂式技术及PVD的制程沉积。在一个实施例中，第二牺牲层118可包含含硅化合物。在另一实施例中，第二牺牲层118可包含二氧化硅。在另一实施例中，第二牺牲层118可包含旋涂式玻璃或旋涂式介电质，所述旋涂式玻璃或旋涂式介电质含有长链碳分子且具有低硅含量，如上文所论述。然后蚀刻多个介层洞120通过第二牺牲层118以曝露下层第一构造层116的至少一部分。第二牺牲层118可用以提供在第一构造层116与第二构造层124之间的间隔。导电材料可沉积至介层洞120中以形成支柱122。支柱122可用以提供在第一构造层116与第二构造层124之间的连接。然后，第二构造层124可沉积在支柱122及第二牺牲层118之上。一旦已将所有牺牲材料移除以释放装置，第一构造层116、支柱122及第二构造层124集体地形成华夫饼型结构。类似于第一构造层116，支柱122及第二构造层124可包含金属。在另一实施例中，第二构造层124及支柱122可包含材料，所述材料选自由以下组成的群组：钛、钽、氮化钛、氮化钽、铜、铝及上述物质的组合。第二构造层124及支柱122可经由熟知的技术沉积，诸如溅镀、无电极电镀及电化学电镀。为了在第二牺牲层118已曝露且将介层洞蚀刻至第二牺牲层118中之后简化制程步骤的数目，可在支柱122的形成期间添加第二构造层124。然后，第二构造层在第二牺牲层118之上形成连续膜，所述连续膜与第一构造层116进行机械接触。 [0026] 然后，第三牺牲层126沉积在第二构造层124之上。第三牺牲层126可用以在装置的顶部（所述装置的顶部在此实施例中为第二构造层124）与上拉式电极130之间提供间隔。类似于第一牺牲层及第二牺牲层112、118，第三牺牲层126可藉由诸如PECVD、CVD、旋涂式技术及PVD的制程沉积。在一个实施例中，第三牺牲层126可包含含硅化合物。在另一实施例中，第三牺牲层126可包含二氧化硅。在另一实施例中，第三牺牲层126可包含旋涂式玻璃或旋涂式介电质。因为许多旋涂式介电质具有较大热膨胀系数，所以在旋涂式材料的固化期间，在比固化较高牺牲层的温度高的温度下固化较低牺牲层很重要。此举降低了以下可能性：将顶部牺牲层退火会引起较低牺牲层的热膨胀而达到较低牺牲层造成对中间机械悬臂层损害的程度。 [0027] 在一个实施例中，上拉式电极130然后形成在第三牺牲层126之上且位于绝缘层128的顶上。上拉式电极130可用以将悬臂自空腔的底部拉开并且将悬臂上拉至绝缘层 128。绝缘层128位于那里是为了防止接地悬臂的顶层124与上拉式电极130短路。绝缘层128可由硅、氮化硅、氧化硅或所述两种物质的一些组合制成。上拉式电极130（如果存在）可包含金属。在另一实施例中，上拉式电极130可包含材料，所述材料选自由以下组成的群组：钛、钽、氮化钛、氮化钽、铜、铝及上述物质的组合。上拉式电极130可经由熟知的技术沉积，诸如溅镀、无电极电镀及电化学电镀。应了解，所述装置可在不使用上拉式电极130的情况下形成。 [0028] 然后，封装层132可形成在第三牺牲层126及上拉式电极130（如果存在）之上。封装层130可用以界定空腔的外部边界。在一个实施例中，封装层130可包含硅基材料。 在另一实施例中，封装层132可包含氧化硅、氮化硅、氮氧化硅，或上述物质的组合。封装层 132可藉由诸如PECVD及CVD的熟知技术沉积。在一个实施例中，沉积封装层132使得第一牺牲层112、第二牺牲层118，或第三牺牲层126中的一或多者的至少一部分延伸在封装层132之外。在另一实施例中，蚀刻孔通过封装层132以曝露第一牺牲层112、第二牺牲层 118，或第三牺牲层126中的一或多者。通过顶部的孔可经定位使得所述孔覆盖双夹紧悬臂的基端部(base end)，使得当孔密封时，密封孔的材料将经由所述孔向下以向悬臂的端部提供增加的机械支撑。 [0029] 然后，将蚀刻剂经由所述孔引入（或暴露于延伸在封装层132之外的牺牲材料）。蚀刻剂选择性地蚀刻第一牺牲层112、第二牺牲层118及第三牺牲层126以移除牺牲材料。第一构造层116、支柱122及第二构造层124保持在空腔132之内。空腔132可藉由沉积第二封装或密封层（未图示）密封。有利的是，设计空腔以使得顶部牺牲层在其它牺牲层之前移除。使孔穿过在MEMS装置的端部之上的顶层132在此制程中有所帮助。此举非常重要，因为如果在蚀刻制程期间存在温升，则空腔顶部可移动。如果首先从悬臂装置之上移除牺牲层，则较低牺牲层将所述悬臂装置固定就位，并且顶部空腔移动不会对悬臂导致增加的应力。如果首先蚀刻底部牺牲层，则悬臂装置将经由顶部牺牲层附着至空腔的顶部，且因此空腔的移动可损坏悬臂装置。藉由将较低牺牲层固化达较长时间，将花费较长时间来蚀刻所述较低牺牲层。为了防止在释放过程期间非所要的氧化物的充电，确保在蚀刻期间有很少的羟基分子存在很重要。当使用等离子蚀刻时，离子的蚀刻剂离子在空腔外部的等离子中产生且经由空腔孔扩散进入。因为悬臂可为接地金属，所以离子浓度极大降低且蚀刻速率减少。为了解决此问题，导电金属表面可涂布一层绝缘体。此绝缘体层可为刚放下金属层之后沉积的绝缘层。所述绝缘层可为硅基材料或氧化硅或氮化硅或其它介电材料。然后可藉由在孔之上沉积密封层而密封空腔。 [0030] 一旦已经移除第一牺牲层、第二牺牲层及第三牺牲层，第一构造层116、支柱122及第二构造层124可在空腔之内的两个位置之间移动，在其中一个位置中第一构造层116与介电层102接触，且在其中另一个位置中第一构造层116与介电层102间隔。另外，如果存在上拉式电极130，则第一构造层116、支柱122及第二构造层124可在两个位置之间移动，在其中一个位置中第二构造层124与上拉式电极130之下的绝缘体层128接触，在其中另一个位置中第二构造层124与上拉式电极128间隔。最终结构展示华夫饼型悬臂结构。 [0031] 华夫饼型悬臂结构具有许多优点。诸优点中的一个优点为所述结构提供用于独立调谐平板刚性及悬置弹簧的方法。支柱122的长度、支柱122的数目、构造层116、124的厚度及构造层116、124的形状皆可调整以获得适合最终使用者的需求的刚性。 [0032] 另一个优点在于华夫饼型结构赋能复式弹簧的产生。将复式弹簧远离RF电极置放导致热切换规格减少。然而，华夫饼型结构变得越具有刚性，热切换能力的损失就越小。 [0033] 华夫饼型结构的另一优点在于所述华夫饼型为增加刚性的低质量方法，因此降低了动量、传播时间及冲击效应且提高了可靠性。 [0034] 华夫饼型结构的另一优点在于薄膜的顶部及底部可经整形以改进致动面积或处理间隔要求。另外，用于构造层116、构造层124的两种沉积相同，所以构造层116、构造层124具有相同应力且因此没有差应力，并且如此也降低了制程开发上的努力。华夫饼型结构可具有两组双层结构使得不存在净差应力。华夫饼型结构降低了沉积时间及材料使用。另外，改进了RF线性度，因为更加刚性的平板将随施加在RF电极上的电压偏斜较小。 [0035] 因为需要具有将MetB1层与MetB2层连接的ViaBB的良好阶梯覆盖（如第2A图中所示），所以最大刚性由所述两层之间的距离定义。第2B图为第2A图的俯视图。 [0036] 用于平行板系统的静电力可由等式 描述，其中“F”为静电力，“ε0”为真空的介电系数，“A”为相互作用的面积，“V”为电压差且“g”为在静电平板之间的距离。 [0037] 如果我们考虑将MEMS悬臂作为可变电容器的平板中的一者的应用，则所要的属性中的一者为大电容比。电容为在两个平板之间的距离的倒数“1/g”的函数，因此为了获得较大比率，需要具有大的间隙改变。要获得大的间隙，将需要增加拉入力（由静电力等式导出）。 [0038] 为了避免置放在拉入电极之上的介电层的充电（为了防止当平板接触拉入电极时的短路），应使用低致动电压，并且拉入电极的面积应限于使装置具有合理的电容密度。因为改变静电力的自由度受到RF性能的限制（获得调谐比率需要大的间隙），降低致动电压的唯一方法为降低下拉过程中涉及的机械刚性。 [0039] 挠性支撑件弹簧可用以在静电致动装置中获得低致动电压。然而，如果平板系使用与支撑梁相同的层建立，则平板的刚性也将为低，并且因此热切换电压将低于致动电压。 [0040] 为了具有较高热切换电压，可添加复式弹簧，并且为了增加复式弹簧的效率，可使用刚性平板。在复式弹簧之间的数字可变电容器平板的刚性可近似为具有均布载荷的简支板，所述刚性由下式给出： 其中“α”为常量，“E”为由所使用的材料给出的杨氏模数，“t”为平板的厚度，并且“L”为在支撑之间的距离。此等式表明如果在支撑（复式弹簧）之间的距离较大，则平板的刚性将变得非常小(1/L4)，如此将使热切换电压较小。 [0041] 因为在复式弹簧之间的距离系由RF电极的宽度给定（一者无法将复式弹簧放置在RF线的顶上，因为电容比随后下降），所以增加结构的厚度在于如何可获得更刚性的结构。此为第2A图及第2B图中所示的华夫饼结构变得有利之处。 [0042] 第2A图及第2B图的华夫饼结构可使用以下始于MetB1层的制程建立（排除锚及低于MetB1的任何物体）。首先，MetB1层可经沉积、图案化及蚀刻于锚定至基板接触的牺牲层上。然后，牺牲材料可沉积或旋转涂布至MetB1上。开口(ViaBB)可形成于牺牲材料中。然后，MetB2层可经沉积、图案化及蚀刻。MetB2将沉积在ViaBB之内。顶部牺牲层然后可沉积或旋转沉积至MetB2上且图案化。然后可沉积一或多个空腔顶盖层。一或多个开口可蚀刻至空腔中以允许引入蚀刻气体/溶液至牺牲层。蚀刻气体/溶液可经由开口引入以蚀刻/移除牺牲层且释放华夫饼结构。然后可密封空腔。 [0043] 然后，将在MetB1界定支撑弹簧（所述弹簧可很薄），且因此，下拉电压将为低。复式弹簧（未图示于图中）将位于RF电极中的任一侧，在复式弹簧之间的平板的刚性将归因于在间隔物之后使用MetB2的厚度增加而增加。 [0044] 华夫饼结构的刚性与具有厚度为MetB1+ViaBB+MetB2的薄膜不同。然而，所述方法可用以在不使用非常厚金属层的情况下增加刚性，所述非常厚金属层在沉积期间难以蚀刻和难以控制应力。 [0045] 第3A图至第3F图图示利用复式弹簧技术的华夫饼型MEMS装置。如第3A图中所示，MetA可用以导引且产生控制及RF电极。MetC可电气连接或非电气连接至MetA，且MetC可用以加强及产生MetB1可接触的止动件，如下文所说明。MetB1及MetB2本身为开关。有可能在两层中均具有复式弹簧腿(spring leg)。例如，MetB1中的复式弹簧腿可落在MetC止动件上，且MetB2中的复式弹簧腿可落在固体MetB1件上。复式弹簧为来自主平板的一件材料且落在位于不同位准的金属（也可为其它材料）上。 [0046] 如第3B图中所示，MetB1腿部落在MetC止动件上。在此情况下，在腿部与止动件之间的距离由牺牲层厚度（开关的最大负垂直位移）及MetC的厚度来设定。假定平板不弯曲，MetC的几何形状（长度、宽度及厚度）、材料及高度定义用于由RF电极产生的给定力的开关的热切换电压。实际上，平板弯曲及复式弹簧技术中可用的一些力并不用于热切换。复式弹簧离RF线的距离越近，可用以热切换RF电极中的电压的力就越有效。 [0047] 另一方面，为了获得RF电容器，期望在RF电极的最大电容处平整以避免IP3互调制问题。如此要求一件电极（见在第3B图中标记为“y”）在内侧朝向RF线可用。也需要在第3B图中图示为“z”的部分降低寄生耦合。间隙越大，寄生解耦就越好；然而，将损失热切换能力。 [0048] 相同的原理可藉由使MetB2腿部落在MetC+MetB1堆栈上来使用，如第3C图中所示。第3C图图示具有落在固体MetC-MetB1堆栈上的MetB2中的复式弹簧的切换。 [0049] 平板弯曲装置不使用复式弹簧技术的腿部，而改为使用落在MetB1或MetC止动件上的平板的端部，此举具有如先前段落中描述的类似效应。具有在平板的端部的接触降低热切换的效率；然而，降低控制电极与平板之间的接触面积，且因此降低附着故障是一种良好方法。第3D图图示使用平板弯曲技术的装置，其中平板的MetB1落在平板锚附近的MetC止动件上。同样地，平板弯曲技术可藉由将平板的MetB2落在平板锚附近的MetB1桥上来使用，如第3E图中所示。 [0050] 也可增加至顶部的止动件以避免对顶部的静摩擦。此举已使用平板弯曲设置达成，其中在平板端部的MetB1部分与来自锚的MetB2件接触。在此情况下，啮合范围系由在牺牲层之间、MetB1与MetB2之间及MetB2与顶部之间的厚度差界定。第3F图图示可能的设置。在第3F图中，在MetB1碰撞顶部之前，MetB1在MetB2止动件上停止，并且强迫平板弯曲，如此降低了平板与顶部电极之间的接触面积。 [0051] 有可能将复式弹簧技术的腿部与平板弯曲选择结合以获得大热切换电压且也获得降低的接触面积，从而避免归因于静摩擦或氧化物充电的装置故障。利用牺牲厚度，有可能产生多级复式弹簧，其中MetB2腿部可落在MetB1（支柱或切换腿）且在牵拉过程中进一步的是，MetB1可落在MetC止动件上，此举产生具有三个线性部分的非线性弹簧。如果需要，可增加线性部分的此数目。 [0052] 本发明涉及MEMS开关，且具体涉及RF MEMS开关，其中MEMS悬臂充当电容开关的一个臂部，所述MEMS悬臂接近处于高电容状态的MEMS开关下的RF电极，并且将MEMS悬臂自处于低电容状态的RF电极拉开。在MEMS开关之下的第二电极可用以下拉悬臂。如果RF讯号较大，则电极上的此交流电压将快于MEMS悬臂的共振频率，但RF讯号仍将提供平均拉入力，因为这是在MEMS悬臂与RF电极之间引起吸引力的电压差。因此，当RF电压变为负时悬臂将经历一脉冲的吸引力，且当RF电压变为正时，悬臂将经历另一脉冲的吸引力。为了允许使用较大RF电压，我们建议在MEMS悬臂之上增加额外上拉式电极。如此可经致动以将MEMS悬臂远离下拉电极移动且如此也提供较大保持力，所述保持力防止悬臂由经受高很多的RF电压的高RF场拉入。如果装置正在操作为RF电极由直流电压线替代的直流开关，则此操作也将有效。在上述实例中，假定MEMS悬臂为在直流接地电位下。 [0053] 问题在于许多MEMS装置具有三个终端，其中将致动电压施加于拉入电极以使得MEMS移动部件与第三着陆电极接触。如果着陆电极(landing electrode)也具有施加于其的电压讯号，则将在电极与悬臂之间有吸引力。在以下实例中，MEMS悬臂向下触碰在着陆电极之上的薄氧化层，所述薄氧化层为射频线。因此，随着悬臂接近于在RF电极之上的薄绝缘层，在MEMS悬臂与RF着陆电极之间存在电容耦合的增加。在MEMS开关的相同侧上的拉入电极可用以改变悬臂位置，且因此改变RF线对直流接地悬臂的电容耦合。施加于RF电极的大电压讯号可产生MEMS装置的自我致动。如此可下拉MEMS悬臂且因此在无电压施加于拉入电极的情况下改变电容。此问题先前地系藉由使MEMS悬臂更加刚性来解决，使得MEMS悬臂不会根据在着陆RF电极上的大信号自我致动。此方法的问题为这意谓然后需要较大力切换使用致动电极的装置。此举可藉由增加具有MEMS悬臂的拉入电极的面积达成，而增加面积又具有增加装置大小且在RF电极与拉入电极之间引入较大非所要的杂散电容的缺点。或者，可在拉入电极上增加电压，此举具有电荷漏泄至附近绝缘体中且减少寿命，和提供充电泵的成本增加的问题。 [0054] 可使用上拉式电极，所述上拉式电极将MEMS悬臂进一步移动离开RF电极。拉入力近似与电场的平方成比例。因此，加倍间隔将增加使自我致动电压增加为四倍。此外，随着悬臂被拉至顶部，悬臂更加接近于顶部且因此来自顶部的静电力极大增加。如果当MEMS悬臂处于向上状态且MEMS悬臂目前离开RF电极2d的距离时，在上拉式电极与MEMS悬臂之间存在厚度t且相对介电系数εr的绝缘体，则位于顶部的电压Vtop将提供大于电压VRF的静电上拉力（如果 ）。如果t=d/2且εr=4，则VRF将需要为Vtop的16倍以将悬臂下拉回（如果Atop=ARF）。然而，大多数情况下，上拉面积Atop也大于RF着陆电极的面积ARF，如此增加了对顶部电压牵拉的额外有效性。 [0055] 此技术与由MEMS电容器阵列组成的DVC尤其有关，所述DVC经程序化以触碰空腔顶部（下面具有绝缘体的上拉式电极），所述空腔顶部处于低电容状态；或者向下触碰于RF电极之上的薄绝缘体上，所述薄绝缘体处于高电容状态。所要的电容系藉由设置适当数目的MEMS开关于开启状态或关闭状态来达成。因此，仅需要施加一电压来保持各悬臂向上且需要施加另一电压保持各悬臂向下。当试图保持各MEMS悬臂在拉至顶部或底部RF电极之间的中间给定高度时，将必须连续调节上拉电压以抵消下拉电极中的功率的变化。此举将需要与瞬时RF功率相关的复杂快速的反馈。 [0056] 可提供上拉式电极以在空腔之内移动悬臂。增加上拉式电极的优点在于，对于相同的装置设计，可极大增加自我致动电压。自我致动为一电压，在RF在线的讯号于所述电压下引起MEMS切换至以非所要的方式致动。如此允许制造较小且较低电压装置，所述装置具有与无上拉式电极的装置相同的自我致动电压。 [0057] MEMS开关的改进线性度性能也可具有重大的相关性。在静电致动MEMS开关或可变电容器的情况下，RF自我致动为非线性的主要原因。瞬时RF功率的变化在RF电极与MEMS悬臂电极之间产生时变非线性电容。给定RF功率范围的电容变化量可藉由将MEMS悬臂有效地拉至顶部而极大降低。归因于非线性电容的所得互调变失真极大降低。需要有对顶部上拉式电极的独立接触。控制电路需要产生两种控制电压以操作MEMS开关装置。 [0058] 在第4A图至第4C图中，图示与DVC有关的上拉式电极的使用，其中存在具有两种可能电容状态的MEMS悬臂桥阵列，所述两种可能电容状态为下拉（高电容状态）或上拉（低电容状态）。然而，如果将MEMS悬臂用作下拉（开启）或上拉（关闭）的开关，则将获得相同优点。上拉式电极然后将防止着陆电极上的大信号下拉MEMS悬臂以电接触下拉电极。 [0059] 在第4A图至第4C图中，层401为形成在金属化轨道405、金属化轨道409、RF线407及拉入电极406、拉入电极408上的绝缘层。悬臂402形成在绝缘层401之上。在一个实施例中，悬臂402可包含导电材料。在另一实施例中，悬臂402可包含氮化钛。可提供另一绝缘层400以覆盖上拉式电极403。在一个实施例中，绝缘层400可包含二氧化硅、氮化硅，或上述物质的组合。金属化轨道405、409与悬臂402接触。区域410及411为空腔空间。所述区域410、411先前含有牺牲层，所述牺牲层在释放蚀刻过程期间自空腔中移除。层 412为经由绝缘层401的介层洞以允许悬臂402连接至金属化轨道409。 [0060] 藉由最初将金属轨道405、金属轨道406、金属轨道407、金属轨道408及金属轨道409沉积在绝缘基板上而制造所述装置。第二绝缘层沉积在所述轨道的顶部上。可执行化学机械抛光制程以平面化回至金属轨道405至金属轨道409。沉积第三薄绝缘层401。绝缘层401覆盖电极。使用光学微影术制造介层洞412通过绝缘层401，接着进行蚀刻以打开所述孔，然后进行金属沉积、进一步微影术阶段及蚀刻以留下如图所示的介层洞。然后旋涂牺牲层，所述牺牲层可为硅自由旋涂材料，所述材料然后经图案化以产生区域411，区域 411将最终为在MEMS悬臂之下的空腔以允许悬臂部分402连接至介层洞412。悬臂402可经设计以在中部具有类华夫饼刚性区域（层413）。可藉由旋涂牺牲层于悬臂层403上，蚀刻介层洞通过悬臂层403且然后增加第二悬臂层（顶部可为TiN）及建立介层洞连接至悬臂层 402来实现此目的。最终牺牲层为悬臂及刚性结构的旋涂式顶部以产生空腔410。蚀刻孔通过层403、层400及层404的顶部或侧面以允许蚀刻气体移除所有牺牲层。然后在蚀刻牺牲层的相同机器中密封所述孔使得空腔可在低压状态中密封。对于有机旋涂式材料，蚀刻剂可为反应氧或氢自由基。将在蚀刻制程之内的羟基数量降至最低很重要，因为羟基可导致氧化物的充电，所述充电导致在释放期间装置的非所要的致动。 [0061] 在第4B图中，电极403可用以将悬臂402拉至触碰绝缘层400。电极403保持悬臂402使得当存在高功率讯号施加于RF电极407时，悬臂402无法被下拉至RF电极407上。第4C图图示悬臂402藉由施加电压至电极406及408同时关闭电极403上的上拉电压而将悬臂402下拉。此举将悬臂下拉至在电极407之上的绝缘体401上。在第4B图及第4C图两者中，悬臂402经由绝缘层与电极间隔开。第4B图及第4C图图示数字电容器中的一者，所述数字电容器可在两种电容状态中实施DVC，即在上拉至在上拉式电极404的下的绝缘层403的低电容状态中，或在下拉至在RF电极407之上的绝缘层401上的高电容状态中。 [0062] 如果当MEMS悬臂处于向上状态且MEMS悬臂目前离开RF电极2d的距离时，在上拉式电极403与MEMS悬臂413之间存在厚度t的绝缘层400，则至上拉式电极403的电压Vtop将提供大于电压VRF的静电上拉力（如果 （其中εr为将大于1的顶部氧化物的相对介电质）。如果t=d/2，则VRF将需要为Vtop的至少16倍以将悬臂下拉回（如果Atop=ARF）。在大多数情况下，上拉式面积也可较大因为上拉式面积覆盖空腔的整个顶部且因此覆盖大部分MEMS悬臂，在此情况下，将悬臂下拉回所需的RF电压将进一步增加。 因此，上拉式电极403可帮助改进DVC的性能。 [0063] 第5A图至第5C图为根据另一实施例的MEMS装置500的图解说明。MEMS装置包括：RF电极502；电极504、506，所述电极504、506可用以拉入悬臂以使得中心部分520变得接近于RF电极502；枢轴点508、510；电极514、516，所述电极514、516可用以将MEMS悬臂中心部分520自RF电极502拉开；及两个悬臂端部518、522，所述两个悬臂端部518、522分别枢转于枢轴点508、510。 [0064] 如第5A图中所示，悬臂结构包括端部518、522和中心部分520。中心部分520自接近于RF电极502的位置（图示于第5B图中）移动至远离RF电极502间隔的位置（图示于第5C图中）。当中心部分520接近于RF电极502间隔时，端部电极518、522的一部分被拉至接近于电极504、506。然而，当中心部分520远离RF电极502间隔时，端部电极518、522的相对端接近于电极514、516。归因于在电极的上的绝缘层的存在，悬臂部分仅接近于电极而非与电极接触。 [0065] 在操作中，MEMS装置500如下操作。中心部分520可与RF电极502间隔，同时端部518、522可与电极504、506、514及516间隔，如第5A图中所示。 [0066] 此后，将电偏压施加于电极504、506中的一者或两者，且中心部分520被拉至接近于RF电极502，如第5B图中所示。在所述移动中，端部518、522枢转于枢轴点508、510以使得端部518、522的一部分经置放至接近于电极504、506。在此时，电极514、516可位于接地或浮动电位。 [0067] 此后，为了将中心部分520自接近于RF电极502移开，可将中心部分520拉离，如第5C图中所示。为了拉离中心部分520，可将至电极504、506的偏压移除以使得电极504、506为浮动、接地电位，乃至与施加偏压以将中心部分520拉至接近于RF电极502的电位相反的电位。可将偏压施加于电极514、516以使得端部518、522围绕枢轴点508、510枢转，拉离中心部分520和将中心部分520移动至远离RF电极502的位置。在此移动中，端部518、 522的相对端经定位接近于电极514、516。 [0068] 应了解，虽然本文揭示的电极已被称为“上拉”电极，所述电极不一定需要实体地位于悬臂结构之上。更确切些，“上拉”电极可仅为经操作以将悬臂电极自一位置拉至另一位置的拉离电极。因此，在本文的所有描述中，术语“上拉”不仅涵盖实体位于悬臂结构之上的电极，而更广泛地涵盖经操作以拉离悬臂结构的电极。也应了解，虽然本文论述的实施例已称为利用氮化钛作为用于悬臂结构的材料，但是也可预期利用钛铝合金或氮化铝钛（TixAlyNz，其中x、y及z指示合金中各元素的比例）代替氮化钛。也可预期将氮化钛及钛铝合金同时利用于多层结构中，诸如用于氮化钛、铝及氮化钛的三层堆栈中。 [0070] 藉由形成具有华夫饼型微结构的悬臂，可设计MEMS装置用于独立调谐悬臂刚性。如此设计的悬臂可更加可靠。另外，施加电压至上拉式电极可有助于当将悬臂牵拉接近于较低RF线时克服静摩擦。 |
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