微机电系统(MEMS)可变电容器装置及相关方法
[0001] 本
申请是PCT申请号为PCT/US2013/061065、申请日为2013年9月20日、进入中国国家阶段申请号为201380060719.8、
发明名称为“
微机电系统(MEMS)可变电容器装置及相关方法”的发明
专利申请的分案申请。
[0002] 优先权
[0003] 本申请要求于2012年9月20日提交的，序列号为61/703,595的美国临时专利申请的优先权，其公开内容以参照的方式全部合并于此。
技术领域
[0004] 在此公开的主题主要涉及微机电系统(MEMS)设备及其制造方法。更具体地，在此公开的主题涉及用于微机电系统可变电容器的系统，设备和方法。
背景技术
[0005] 微机电系统(MEMS)可以被用于产生可变电容器。具体来说，例如如图1A所示，可变电容器1可以包括基底10，其上面可以
定位有一个或多个固定驱动
电极(actuation electrode)11和一个或多个固定电容电极(capacitive electrode)12。活动部件20可以悬在基底10的上方，活动部件20的任一端相对于基底10固定。活动部件20可以包括一个或多个可动驱动电极21和一个或多个可动电容电极22。在该配置中，通过控制固定驱动电极11和可动驱动电极21之间的电位差，活动部件20可以选择性地朝向或远离基底10移动。这样，固定电容电极12和可动电容电极22之间的电容可以选择性地变化。在一些方案中，可以沉积介电材料层以
覆盖驱动电极11和电容电极12。介电材料可以被平面化以提供平坦的表面。
[0006] 在一些方案中，如图1B所示，基底10和活动部件的两端可以被两个锚件或者支承结构23固定。但是，在这样的配置中，在固定驱动电极11和可动驱动电极21之间的电位差可以导致活动部件20非均衡地向基底10弯曲，这会导致与在
驱动器介质中充电和损耗有关的问题。此外，尽管期望可动电容电极22能够完全向下移动使其可以
接触固定电容电极12以使电容范围最大化，但并不期望固定驱动电极11和可动驱动电极21相互之间靠得太近，这是因为如1B所示，这些电极在相互之间移动得足够近之后，会突然“咬合(snapping down)”在一起，设备会遭受由在过于接近的用于间隔的驱动器电极之间的高
电场导致的介质损坏和静
摩擦力。
[0007] 因此，期望有用于微机电系统可变电容器的系统，设备和方法可以更一致地使其电容电极接近合拢而又保持邻近的驱动器间有足够间隔。
发明内容
[0008] 根据本公开，提供了用于微机电系统(MEMS)可调电容器的系统，设备和方法。在一个方案中，微机电系统可变电容器被设置为具有附着到基底的固定驱动电极；附着到所述基底的固定电容电极；以及定位在所述基底上方并相对于所述固定驱动电极和所述固定电容电极能移动的活动部件。所述活动部件可以包括定位在所述固定驱动电极上方的可动驱动电极和定位在所述固定电容电极上方的可动电容电极。所述可动电容电极的至少一部分可以以第一间隙与所述固定电容电极间隔开；并且所述可动驱动电极可以以大于所述第一间隙的第二间隙与所述固定驱动电极间隔开。
[0009] 在一些方案中，微机电系统可变电容器可以包括附着到基底的固定电容电极，在所述固定电容电极的对侧附着到所述基底上的第一固定驱动电极和第二固定驱动电极，以及活动部件，其包括可以相对于基底固定的第一端和相对于基底固定的与所述第一端相对的第二端，所述活动部件的中部定位在所述基底的上方并相对于所述固定电容电极、所述第一固定驱动电极和所述第二固定驱动电极能移动。所述活动部件可以包括定位在所述第一固定驱动电极上方的第一可动驱动电极，定位在所述第二固定驱动电极上方的第二可动驱动电极，以及定位在所述固定电容电极上方的可动电容电极。所述可动电容电极的至少一部分可以以第一间隙与所述固定电容电极间隔开，并且其中所述第一可动驱动电极和所述第二可动驱动电极可以分别以大于所述第一间隙的第二间隙与所述第一固定驱动电极和所述第二固定驱动电极间隔开。
[0010] 在另一个方案中，提供了用于制造微机电系统可变电容器的方法。该方法可以包括在基底上沉积固定驱动电极，在所述基底上沉积固定电容电极，在所述固定驱动电极和所述固定电容电极上沉积牺牲层，蚀刻牺牲层以在固定电容电极上方的牺牲层的区域中形成凹槽，在所述固定驱动电极上方的牺牲层上沉积可动驱动电极，在所述固定电容电极上方的牺牲层的所述凹槽中沉积可动电容电极，在所述可动驱动电极和所述可动电容电极上沉积结构材料层；以及除去所述牺牲层使得所述可动驱动电极、所述可动电容电极和所述结构材料层限定悬在所述基底的上方的并且可相对于所述固定驱动电极和所述固定电容电极移动的活动部件。所述可动电容电极的至少一部分可以以第一间隙与所述固定电容电极间隔开，并且所述可动驱动电极可以以大于所述第一间隙的第二间隙与所述固定驱动电极间隔开。
[0011] 在另一个方案中，微机电系统(MEMS)可变电容器可以包括附着到基底的固定驱动电极，附着到所述基底的固定电容电极，以及定位在所述基底上方并相对于所述固定驱动电极和所述固定电容电极能移动的活动部件。所述活动部件可以包括定位在所述固定驱动电极上方的可动驱动电极，定位在所述固定电容电极上方的可动电容电极，以及至少一个在所述可动驱动电极处或其附近附着到所述活动部件的隔开的凸起。其中所述可动电容电极的至少一部分可以以第一间隙与所述固定电容电极间隔开。此外，所述可动驱动电极可以以大于所述第一间隙的第二间隙与所述固定驱动电极间隔开，并且所述至少一个隔开的凸起可以从所述可动驱动电极突出大致等于所述第一间隙和所述第二间隙的尺寸之间的差的距离。
[0012] 尽管上文对在此公开的本主题的一些方案进行了说明，并且其整体上或部分地被本公开的主题实现，但随着描述继续进行，当联系下文最佳描述的所附
附图时，其它方案会变得显而易见。
附图说明
[0013] 从以下应当结合仅以说明性和非限定性的示例方式给出的所附附图阅读的详细描述中，本主题的特征和优点可以更容易地理解，并且其中：
[0014] 图1A至图1D为传统的可变电容器配置的侧视图；
[0015] 图2A至图2H为根据本公开主题的不同
实施例的可变电容器配置的侧视图；
[0016] 图3A至图3H为根据本公开主题的实施例的不同可变电容器配置的侧视图；
[0017] 图4A至图4D为根据本公开主题的实施例的不同可变电容器配置的侧视图；
[0018] 图5A至图5E为根据本公开主题的实施例的位于微机电系统设备的可动驱动区域的隔开的凸起的侧视图；以及
[0019] 图5F和图5G为根据本公开主题的实施例的图示出放置于微机电系统设备的可动驱动区域的隔开的凸起的平面图。
具体实施方式
[0020] 本主题提供了用于微机电系统可变电容器的系统，设备和方法。在一方案中，本主题提供了用于微机电系统可变电容器的配置，其显示了改进的
循环寿命，允许改进的电容器接触，使得可以被期望用于稳定的双态操作的快速吸合(snap pull-in)特性成为可能，并且减小了驱动器的静
摩擦力、接触力，减少了充电、击穿、循环和/或限制。为实现这些优点，微机电系统可变电容器可以被配置为在电容器电极之间相比驱动器电极具有不同的间隙距离。在这样的配置中，电容器电极可以结合在一起而保持驱动器电极分开期望的距离。
[0021] 在一些方案中，如图1C所示，活动部件20可以在其顶面上具有附加的驱动电极21和/或电容电极22。这可以形成一种平衡了
应力和
过热的机械结构，这使得在制造和操作中具有稳定的梁形状。
电流可以连到位于顶面上的电极，这可以有助于降低
电阻损耗并使得活动部件20在高电流状态下更加耐用。在一些其它的方案中，如图1D所示，整个活动部件20可以由金属制成。根据这一特别的设置，可以通过使驱动电极11和电容电极12耦合接地的活动部件20来构建分路电容器。
[0022] 此外，图2A至图2H示出了每一个都去耦了电容器板和驱动器板之间的空气间隙的尺寸的多个可变电容器配置。例如，如图2A所示，对于一般由100表示的可变电容器，基底110可以包括定位在其上的一个或多个固定驱动电极111和至少一个固定电容电极112。活动部件120可以悬在基底110的上方，并包括一个或多个可动驱动电极121和至少一个可动电容电极122。活动部件120可以包括相对于基底110固定的第一端和与相对于基底110固定的与第一端相对的第二端。这样，可动电容电极122可以沿着大致垂直于基底110的附着有固定电容电极112的表面的方向移动。
[0023] 固定驱动电极111和固定电容电极112不以与如图1D中驱动电极11和电容电极12的布置类似的方式共面布置，而是固定电容电极112可以相对于固定驱动电极111提升至基底110的表面的上方。为了实现该偏移，在固定电容电极112定位在基底110上之前，在基底110上设置绝缘
基座115(例如
氧化材料层)。在一些其它的方案中，这可以通过在基座115上沉积金属和对金属层
图案化来实现。在该配置中，可动电容电极122以第一间隙与固定电容电极112间隔开，并且可动驱动电极121以大于第一间隙的第二间隙与固定驱动电极111间隔开。这样，可动电容电极122可以被移动与固定电容电极112接近合拢而又在可动驱动电极121和固定驱动电极111之间保持期望的距离。
[0024] 类似地，在如图2B所示的可选配置中，例如突出部125可以被设置在活动部件120和可动电容电极122之间。这样，可动电容电极122可以相对于可动驱动电极121向固定电容电极112偏移。
[0025] 在如图2C所示的进一步可选的配置中，例如可动驱动电极121可以至少部分地嵌在活动部件120中。例如，在制造可变电容器100的过程中，固定驱动电极111和固定电容电极112可以通过沉积或别的方法附着到基底110。牺牲层可以被设置在固定驱动电极111和固定电容电极112上，并且牺牲层可以被蚀刻以在固定电容电极111上方的牺牲层的区域中形成凹槽。可动驱动电极121可以被设置在固定驱动电极111上方的牺牲层上，并且可动电容电极122可以被设置在固定电容电极112上方的牺牲层的凹槽中。活动部件120可以通过在可动驱动电极121和可动电容电极122上设置结构材料层形成。牺牲层可以被除去使得可动驱动电极121、可动电容电极122和结构材料层限定悬在基底110的上方的并且可以相对于固定驱动电极111和固定电容电极112能够移动的活动部件120。
[0026] 在如图2D所示的进一步可选的配置中，例如固定驱动电极111可以至少部分地嵌在基底110中。另外，尽管图2A至图2D中的每一个都只显示了使可动电容电极122和固定电容电极112之间的第一间隙相对于可动驱动电极121和固定驱动电极111之间的第二间隙减小的一个构造，本领域技术人员应当认识到使电容电极相对于驱动电极偏移的不同方法可以与多种方法中任何一种进行组合以进一步限定间隙大小的区别。
[0027] 在一些方案中，如图2E所示，固定电容电极112可以制造得比固定驱动电极111更厚。这样，可动电容电极122可以相对于可动驱动电极121向固定电容电极112偏移。
[0028] 在一些方案中，可动电容电极122可以被更靠近或远离固定电容电极112放置，这随电极金属的沉积深度和活动部件120上蚀刻的凹槽的深度而定。例如，图2C示出了一设置，其中凹槽的深度等于沉积的金属的深度。否则，如图2F所示，凹槽的深度可以比沉积的金属的深度更深，而且可动电容电极122可以被放置得更靠近固定电容电极112。电极112的厚度可以高于或者等于电极111的厚度。类似地，如图2G所示，有时凹槽的深度可以比沉积的金属的深度更浅，而且可动电容电极122可以显示为半嵌入活动部件120内，并且被远离固定电容电极112放置。
[0029] 可选择地，可动驱动电极121和电容电极122可以全被沉积在牺牲层顶部，导致可动电极如图2H所示嵌在活动部件120中。另外，固定驱动电极111可以通过，例如蚀刻和金属沉积的次序嵌在基底110中。如此，可以在固定驱动电极111和可动驱动电极121之间产生更大的间隙。
[0030] 除了配置相对的间隙大小，可变电容器100可以进一步包括可以有助于改进循环寿命，改进电容器接触，使得快速吸合特性成为可能，并且减小静摩擦力、接触力、减少充电、击穿、循环和/或限制的附加特征。特别是，例如如图3A和3B所示，薄介电层113可以被设置在固定驱动电极111和固定电容电极112之上以有助于减少处于“闭合”状态的元件间的接触力，以防止电容器
短路并提供更稳定的电容。另外，至少一个隔开的凸起130可以在可动驱动电极121处或其附近附着到活动部件120上。至少一个隔开的凸起130可以从可动驱动电极121向固定驱动电极111突出以进一步阻止可动驱动电极121与固定驱动电极111接触。特别是，例如至少一个隔开的凸起130可以从可动驱动电极121突出大致等于第一间隙和第二间隙的尺寸之间的差的距离。具体地，其中处于“打开”状态的固定电容电极112和可动电容电极122之间的距离可被定义为具有第一尺寸a的间隙，处于“打开”状态的固定驱动电极111和可动驱动电极121之间的距离可被定义为具有大于第一尺寸a的第二尺寸b的间隙，至少一个隔开的凸起130可以从可动驱动电极121突出等于第二尺寸b减去第一尺寸a后得到的距离。在这种布置中，当活动部件120向基底110移动使得可动电容电极122接触固定电容电极112时，至少一个隔开的凸起130同样可以接触固定驱动电极111，这有助于支承基底110上方的活动部件120并最小化固定驱动电极111和可动驱动电极121之间与吸引有关的应力。此外，由于b和a之间的高度差可以形成间隙123。这种间隙123可以通过减小高
电压条件下的驱动器电场来改善设备的可靠性，并且间隙宽度可以被设计为避免自驱动电压的突然减小。
[0031] 此外，如图3C和3D所示，介电层114可以被沉积在活动部件120上。在该设置中，固定驱动电极111和固定电容电极112可以被直接沉积在基底110的顶部以减少固定电极和可动电极之间的间隙距离。另外，介电层113可以与存在的表面状况相适应地被沉积在固定电极111，112的顶部。如此，隔开的凸起130在高度上可以更短，而在活动部件120和基底110之间仍然可以形成间隙123，导致在高电场条件下改善的设备可靠性。
[0032] 尽管图3C-3F显示介电层既在活动梁又在固定电极上，但应当理解介电层可以在其中的一者或者两者的表面上。
[0033] 作为替代，如图3E所示，隔开的凸起可以被放置在介电层113、固定电容电极111和固定驱动电极112上。根据如图3F所示的另一个方案，可以在沉积固定电容电极112之前沉积一层介电材料，因此相对于固定驱动电极111，固定电容电极112可以放置在抬高的
位置上。如此，间隙距离a相对于间隙距离b进一步减小，导致当设备处于“闭合”位置时有更大的间隙距离。
[0034] 在一些方案中，如图3G和3H所示，活动部件120可以配置具有至少两种尺寸的隔开的凸起。例如，更接近电容电极112和122的隔开的凸起130可以在高度上更小(例如0.2μm)，如果间隙差异存在的话，该高度大约等于间隙差异，并且更接近支承/锚结构124的隔开的凸起131可以在高度上更高(例如0.5μm)。如图3H所显示的，较高的隔开的凸起131可以限定活动部件120的偏转，因此改善设备的
稳定性和可靠性。应当注意到本领域技术人员应当认识到隔开的凸起可以可替代地被方便地被放置在固定表面上以实现相同的目的。
[0035] 此外，至少一个隔开的凸起130可以以大致类似于形成突出的可动电容电极122的方式形成。具体来说，在基底110上定位牺牲层之后，与至少一个隔开的凸起130的每一个对应的一个或多个凹槽可以被形成在牺牲层中。可以期望对牺牲材料使用单一的蚀刻步骤来形成至少一个隔开的凸起130和用于电容电极的凹槽。但是，蚀刻速率具有图案相关性。因此，如果它们的几何形状在一些工序中差异太大，则在牺牲材料中既蚀刻用于可动电容电极122的腔又蚀刻用于至少一个隔开的凸起130的腔会产生不同的深度。为了解决这一问题，可动电容电极122可以被设置为尺寸基本与至少一个隔开的凸起130相似的电极部的阵列。特别是，如图4A和4B所示，例如可动电容电极122可以被设置为以第一间隙(即具有第一尺寸a)与固定电容电极112间隔开的一个或多个突出的电容部122a，和以大于第一间隙的距离(例如被第二尺寸b间隔)与固定电容电极112间隔开的一个或多个凹陷的电容部122b。如图4A和4B所示，突出的电容部122a和凹陷的电容部122b可以横穿活动部件120以交替布置的方式设置。这样，尽管上述各电容部相对于固定电容电极112以不同高度布置，但所有这些电容部基本上可以一起作为单独的电极大致覆盖同样的封装引脚(footprint)。尽管这一配置会降低最大电容
密度，但其还提高了可制造性。例如，图案化每一个具有与至少一个隔开的凸起130的尺寸基本等同的尺寸的突出的电容部122a使相同的图案化因素成为可能，因此进入牺牲层的深度与至少一个隔开的凸起130更加接近等同。因此，可变电容器100的制造可以更加一致。
[0036] 可替代地，如图4C和4D所示，固定驱动电极111和电容电极112的金属厚度可以比它们相应的凹槽更高，这产生了不平的表面状况。如此，如图4C和4D所示，依照表面状况沉积的介电层113在电极间将会有凹陷处。另外，可动驱动电极121和可动电容电极122a和122b可以从牺牲层上的单一蚀刻形成。这样电极之间的深度可以更接近相配，使得电容器间隙偏移(b-a)和隔开的凸起130之间的垂直尺寸相同。这样的设备结构是可以期望的，因为如图4D所示，闭合的电容器因此保持平坦，并且这也可以改善设备的可制造性。
[0037] 无论元件的特定配置如何，以上在此所讨论的每一配置的共有特征是可动电容电极122与固定电容电极112以第一间隙间隔开，并且可动驱动电极121与固定驱动电极111以大于第一间隙的第二间隙间隔开。可以具体选择特定的间隙尺寸以满足多个性能标准中的任何一个。例如，第一间隙(即第一尺寸a)的大小和第二间隙(即第二尺寸b)的大小之间的差可以被设计为大到足以减小在固定驱动电极111和可动驱动电极121之间产生的电场，这可以提供高的可靠性。同时，间隙大小之间的差可以被选择为小到足以避免显著地减小自驱动电压。相应地，以微米计的第一间隙和第二间隙尺寸之间的差可以被选择为大于驱动电压V驱动(例如在约10和100V之间)和在可动驱动电极121与固定驱动电极111之间产生的最大电场E最大(例如在约100和1000V/μm之间)之间的比值。此外，第一间隙和第二间隙尺寸之间的差可以被选择为使得可动驱动电极121和固定驱动电极111之间的自驱动电压在预定的
阈值之上。例如，第一间隙和第二间隙尺寸之间的差可以小于或者等于第二间隙尺寸的四分之一。在特别示例性的配置中，例如第一间隙和第二间隙尺寸之间的差可以在大约10nm和500nm之间。
[0038] 图5A图示出位于微机电系统设备的可动驱动区域(一般由500表示)的隔开的凸起530的侧视图。凸起530可以是正方形、圆形、八边形或者任何可以形成在掩模中的一般的形状。在一些方案中，凸起530可以与介电层510接触并与驱动金属540隔离。凸起530本身可以是介电的(例如氧化物材料)并沉积进牺牲层的凹陷处内。可以执行平面化工序以提供平坦的表面，然后驱动金属540可以被沉积在牺牲层的顶部。驱动金属540被图案化使其从隔开的凸起上移除。介电层510可以被沉积在驱动金属540之间和隔开的凸起530上。在一些方案中，介电层540可以与隔开的凸起530为相同类型的材料(例如氧化物材料)。
[0039] 图5B图示出处于“闭合”位置的微机电系统设备，其中隔开的凸起530平置于固定介电层550表面上。固定介电层550表面可以靠在基底520的顶部，驱动金属540和介电层550之间的间隙距离555可以减小高电压条件下的驱动器电场并改善设备可靠性。隔开的凸起530上没有驱动金属540也可以大大地减小凸起内和介电层附近的电场。
[0040] 可替代地，如图5C所示，凹槽可以被蚀刻入牺牲层，隔开的凸起530可以通过沉积介电材料(例如氧化物材料)进入凹槽内形成。附加的介电层510可以被沉积在隔开的凸起530的顶部和驱动金属之间。在一些其它的方案中，可以沉积驱动金属540和在金属间蚀刻凹槽。如图5D所示，隔开的凸起530可以通过单一沉积介电材料进入凹槽中和金属之间来形成。
[0041] 在一些方案中，凹槽可以首先被蚀刻进入牺牲层，介电材料层560可以被沉积以覆盖包括凹槽的整个表面。如图5E所示，驱动金属540可以被沉积在凹槽之间，随后在金属540之间沉积介电层510。
[0042] 图5F和5G图示性地表示当放置于微机电系统设备500的活动部件的底表面上时的在驱动电极区域中的隔开的凸起530。隔开的凸起530可以是正方形、圆形、八边形或者任何可以形成在掩模中的一般的形状。如图5F和5G所示，隔开的凸起530可以以下方式被布置：如所显示的那样均匀地间隔，非均匀地间隔或者其它布置方式，例如六边形地聚集。包围凸起530的是另一介电层510，并且驱动金属540与隔开的凸起530电绝缘。在一些方案中，隔开的凸起530的高度可以为50nm至1.0μm，直径为0.1μm至0.5μm。驱动金属的厚度范围为从0.1μm至0.5μm。凸起的边缘和周围的驱动金属的图案化的边缘之间的侧间隙应当与隔开的凸起的高度一样大或者更大。
[0043] 本主题可以在不背离其精神和必要特征的情况下以其它形式具体化。所描述的实施例在各方面都应当被认为是示例性和非限制性的。尽管本主题以特定优选实施例的方式进行描述，对本领域技术人员来说显而易见的其它实施例也在本主题的范围内。
