本发明领域

本发明是针对一种微机械的继电器，更具体说，本发明是针对利用微机械的 技术制成的带有无机绝缘的一种微机继电器。

本发明的背景

电子测量和测试系列利用继电器安排模拟信号的程序。用在这些系统里的开 关器件要求具有很高的断路-电阻和很低的通路-电阻，MOS模拟开关具有缺点， 有非零的漏电流和高的通路-电阻。

先前工艺的微开关的一个例子以图表明于图1，该基本结构是一个微机械的开 关，它包含一个源接触件14，一个漏接触件16，以及一个栅接触件12。一个导电 的桥结构18附属于这漏接触件16因而当向下偏转时有能力与漏接触件16进入机 械的和电的接通。一旦与漏接触件16相接通，桥18允许电流从源接触件14流到 漏接触件16那时在源极和漏极之间加上了一个电场。

于是，如在图2中所示，栅12和源14之间的电压依靠在空间20产生的电场 控制该器件的驱动。由于在空间20与充分大的电压，该开关闭合并且因桥结构18 向下编转与漏接点16接通使源极和漏极之间电路完成。

这种类型的开关涉及Zavracky等人的美国专利4,674,180；美国4,674,180 号专利的整个内容在此编入参考。在该器件里，需要有一个特殊的阈电压使桥结构 18偏折以致它能与漏接触件16接通。一旦该桥18与漏接触件16进入接通状态， 在源极和漏极之间就建立起电流流动。

为了得到一致的性能源极必须常接地，或者在源极和栅极之间的驱动电势 相对了源极电势必是浮动的。然而，这种安排对许多应用是不能被接受的。

一种更可取的安排是器件具有四外部接头代替三个接头：一个源，一个栅， 以及一对漏接头，它们如此配置在栅极和源极之间的驱动电压激励这器件，并 且在两漏电极之间建立电的接触，但这持这两漏电极与栅和源电极间电气隔 离。这种安排的优点是，正在转换的电流不会改变用于激励开关的电场。因此， 该绝缘的接触完成一个电路与激励该开关所用的线路是独立无关的。有几个这 种类型的静电的微继电器在先前的工艺中曾有描述。

属于Kasano等人号为5,278,368的美国专利涉及一种静电的微继电器， 它带有一单晶硅悬臂横杆悬于栅极电之上，并附有一个接触条，但与该横杆的 下边是电绝缘的。当该染受激励时，这接触条在一对漏电极之间创建一个电路。 分布于该横杆上下的另外的导体能够有双稳态的作用。制备这样一种器件需要 有几层导体和绝缘体的结构和排列。

Yao和Chang传感器‘95欧洲敏感元件区，斯德哥耳摩，瑞典(1995)曾报 道有类似的器件，差异在于悬臂横杆是用硅氧化物做的，并且源极与该横杆绝 缘接触无须一个附加的绝缘层。

Gretillat等人(微机械和微技术月刊，5，156-160(1995)曾报道一种微继 电器带有一多晶硅/氮化硅/多晶硅桥作为机械元件。

Schile等人的号为6,162,657的美国专利，涉及一种微继电器基于在硅氧 化物层之间夹有一个金的悬臂由于剩余应力作用使该横杆有弯曲，从而改善在 关断-状态的绝缘。

在先前工艺中也描述了许多电磁驱动的微开关和微继电器。采用电磁的驱 动限制了这些器件小型化的程度，而且也造成比静电驱动有更高功耗的结果。

一种静电的微继电器是涉及Zavracky号为5,638,946的美国专利。如同 Zavracky所揭示的并用图说明于本申请于图3中，微机械的继电器包含衬底 30以及支撑在衬底上的一系列接触件(32，34，36)。这些接触件包括一源接触件 32，一栅接触件34，和一漏接触件36。该漏接触件36是由两个分离的接触件 组成，在图3中没有画出。

横杆38于一端40附贴到源接触件32并允许该横杆悬空跨越衬底30。整 个横杆结构38，是由三个分开部件组成(一个传导体部件44它包括一端40附 贴于源接触件32，一个绝缘元件42，和一个传导的接触件46)，横杆有充分的 长度以悬空伸跨栅接触件34和漏接触件36二者。

如上所述。该横杆结构38包括一绝缘元件42它将传导的横杆体44与该 横杆接触件连接并电气绝缘。传送的横杆体44只悬跨栅接触件34。绝缘的元 件42有充分的长度提供一个机械的桥或伸跨于传导的横杆体44和传导的接触 件46之间如此传导的接触件46悬挂于漏接触件36之上。换句话说，该绝缘 的元件42对横杆结构38提供附加的侧向长度。

在工作时，开关启动允许该横杆接触件46将两个分开的漏接触件36连接 并许可电流从一个分开的漏接触件流进另一个。

上面描述的微继电器是基于有一个金属的悬臂横杆。当在栅电极的源电极 之间加一电压时，横杆和栅电极之间的静电力将横杆的自由端往下推移。自由 端或横杆接触靠一段绝缘材料，通常是聚酰亚胺与横杆的其余部分机械连接而 电气绝缘。当横杆往下推移时，一对接触件冲撞于横杆接触件的下边使在该接 触件底下边的一对薄膜电极之间路径闭合。

上述的先前工艺的器件相对于前面参照的其他先前工艺的器件有某些优 点。该器件是用一单片制造的且不需要片焊接步骤。它是利用表面微机械加工 程序来制备的，一般说它比体材的微机械加工程序简单。相对于Si微机械加 工程序和传统的半导体制备程序该制备程序也是一种低温程序。这些优点使它 可能制造出廉价器件，并且还使它适于用半导体集成电路的方式集成此器件， 借助半导体制备程序而将障碍缩到最小。

可是，该器件的一个缺点是绝缘段42的材料要满足许多要求，其中某些 可能是相干的。它应该将传导的横杆接触件46与传导的横杆体44是电气绝缘 的；它应当具有充分的机械强度和刚度以防过量的弯曲或当微继电器驱动时该 绝缘段断裂；它必须与梁体和梁体解有良好的粘合当微继电器重复开启和闭合 时保证器件的机械的完整性；它应允许淀积和制作图案的方法是直截了当的并 与其他的制备程序相容；以及它应该是化学上惰性的以致微继电器能在一个封 闭环境中工作不必对从绝缘段出气使接触件污染受到影响。

用聚酰亚胺做的绝缘段42的器件其实际的具体表现曾被发现有差的机械 整体性。更具体说，当开关重复开启和闭合时，聚酰亚胺段失去与传导的横杆 体44的附着力，以致绝缘元件42与传地的横杆接触件46一道使传导的横杆 体44的端部不受控制。

还有可能当继电器在密封环境中工作时，聚酰亚胺材料会出气，特别在高 温循环期间，和污染了微继电器的有关情况。

因此，设计一种合乎需要的微继器，其中对电气绝缘材料加较少的要求， 以使微继电器具有良好的电性能和机械的整体性能在低成本条件实现。

本发明的内容

本发明一方面是一微机械的继电器。该微机械的继电器包括一个衬底；一 个源接触件支持在衬底之上；一个栅接触件支撑压衬底上；一对漏接触件支持 在衬底之上；以及一可偏转的横杆。可偏转的横杆包括一个传导的横杆体含有 第一端和第二端，此传导的横杆体的第一端附贴于源接触件。传导的横杆体大 体上平行于衬底伸展，如此传导的横杆体伸展跨过二个漏接触件。可偏转的横 杆还包括一横杆接触件悬跨过两漏接触件和一个位于传导的横杆体第二端与 横杆接触件之间的绝缘体，它将传导的横杆体的第二端与横杆接触件连合而使 之两者在电气上是绝缘的。

本发明的第二方面是制造微机械的继电器的方法。此方法在一衬底上形成 一源接触件，一栅接触件和一对漏接触件；形成一个牺牲区复盖源接触件，栅 接触件，漏接触件和衬底；在牺牲区之上形成一传导的横杆接触件，在其下有 漏接触件；在跨越横杆接触区形成一绝缘区；再于源接触件之上形成传导的横 杆体，所形成的这传导的横杆体在侧边进一步延伸跨过牺牲区和绝缘区，所形 成的传导的横杆体在侧边大伸展跨过源接触件、栅接触件、和漏接触件。

附图的简要描述

本发明可能采取的形式有各种部件和部件的安排，以及各种步骤和步骤的 安排。这些图样只是为了说明优先的具体器件而不是构成对本发明的限制，其 中

图1-3说明先前工艺的微机械的开关；

图4和图5说明在一衬底上形成一传导层和由此形成诸接触件；

图6说明跨越诸接触件和衬底形成一牺牲区；

图7说明在这牺牲区中腐蚀一个阱区；

图8说明形成一传导区以待用于形成传导的横杆接触区；

图9说明形成传导的横杆接触区；

图10说明腐蚀以备为了形成传导的横杆体和关于漏接触区的一外部的连 接端子；

图11说明形成一绝缘区跨越传导的横杆接触区；

图12说明形成一传导体以用于形成传导的横杆体和关于漏接触区的外部 的连结端子；

图13说明对电气上绝缘的传导的横杆体进行腐蚀从外部连接端子到漏接 触区；

图14说明形成更多的传导区以用于形成传导横杆和关于漏接触区的外部 连接端子；

图15按照本发明的概念说明一绝缘的微机械的开关的一个具体实例；以 及

图16说明图15中标作A-A’的部分。

本发明的细节描述

如上所述，图4直至15说明按照本发明的概念为构造一个绝缘的微机械 的开关的工序。

更明确讲，如在图4说明的那样，衬底是以金属物质12优先用蒸气淀积 镀涂的。金属12可能出自这些金属：铂(Pt)、钯(Pd)、钛(Ti)、铑(Rh)、钌 (Ru)、金(Au)中的一种或其合金。如图5说明的那样，采用标准的光刻术制作 图样和干腐蚀技术将金属层12的某些部分剥开，如此形成电极或接触件121、 122和123。此外，电极122为本发明的开关形成一个栅接触件。如在图16中 说明的那样，电极123实际是一对电极1232和1233，如此在这电极对之间开 关造成一个电接触补全这个电路。

关于电极(接触件)121，122及123的形成，如图6说明的那样，它是在衬 底10和三个电极121、122和123之上用蒸气淀积可能是钛或钛-钨的金属层 14。金属层14促进铜层16与下面的衬底粘附。金属粘附层14和铜层16结合 构成牺牲层或牺牲区，它将在以后的工序中去除。

图7说明在铜衬底16中形成一个阱161。此阱是用光致抗蚀剂复盖在除阱 161面积以外的铜层来形成的。在阱161的面积中，铜层16的部分被剥开形成 该阱161。阱161将用于形成传导的横杆接触件。

在形成图7的阱之后，在铜层16之上，如在图8中说明的那样，用蒸气 -淀积-金属层18，它可能是钛或者钛-钨。此金属层促进位于下面的铜层 16与后续淀积的金属层之间粘附。而且，如在图8说明的那样，有一层20是 用蒸气-淀积在金属粘附层20之上的，这层20是在铂(Pt)、钯(Pd)、钛(Ti)、 铑(Rh)、钌(Ru)、金(Au)中这些金属中一种的合金。

图9说明由层20形成的金属接触件，属于用在代表漏电极123的一对漏 电极之间做电连接的开关。利用标准的光刻术和干腐蚀技术，由图8金属层20 的某部分被剥脱以致形成一层20，它单独相应于阱面积161。

在图10中，采用标准的光刻术和干腐蚀技术将层14、16和18剥脱以形 成阱1211相应源接触件121。阱1211将用于使传导的横杆体与源接触件121 接触。

在形成图10的阱1211和1231之后淀积一绝缘层21。在绝缘层顶部用蒸 气-淀积-金属层211，这可能是钛或钛-钨。金属层211促进绝缘层21和后 续淀积的横杆层之间的粘附。采用光刻术和干腐蚀技术层21和211部分被去 掉了，如此形成一绝缘层复盖并环绕横杆接触区或金属层20。此金属层21， 用优先的具体物质，是铝的氧化物。然而，要注意任何绝缘层可能都适合，诸 如硅氧化物或硅氮化物。

绝缘层21的形成是在图11中说明的。此外，一层金22和一金属层24， 它可能是钛或钛钨是以蒸气-淀积于器件之上，像在图12说明的那样，金层 22起种子层的作用为了用电镀法后继形成横杆。金属层24在紧接图12的工序 步骤期间保护底下的金层22，并且在先于用电镀法形成横杆前被去除。

在图13中，金层22和钛层24已被用标准的光刻术和干腐蚀技术选择性 地剥脱，以形成阱181和182。这些阱限定空间，它们最终要使横杆与其他结 构分开。图14说明悬臂横杆28的形成。这是靠先涂附一光致抗蚀剂层，再利 用标准的光刻术选择性地将其一部分剥脱来实现的。保护层24于是从未涂盖 光致抗蚀剂的器件中的一部分腐蚀离去。接着用电-镀法将一厚的金属淀积在 器件中未涂盖光致抗蚀剂的部分，而后将光致抗蚀剂剥脱。

图15说明完成绝缘的微机械的开关的结构，按照本发明的概念，其中牺 牲层铜层16和粘附金属层14和18已被剥脱，由此留下一个自由-常在的悬 臂横杆实质上由电镀的金属28，以及蒸气-淀积的金属22构成。此外，微机 械的继电器包含有绝缘层21，较可取用铝氧化物，它是形成于金属22和接触 层20之间。

图16说明在图15中标作A-A’的部分。如在图16中说明的那样，衬底10 已形成在其上为漏电极对1232和1233。漏电极对1232和1233之上是接触层 2001。接触层2001和微机械的开关的传导和横杆体3101之间是一绝缘层2101 和一金属的粘附层3001。

注意当微继电器启动了，用电镀的金28和金层22代表的传导的横杆体， 向下弯曲将横杆接触件20和漏电极123之间的距离桥接相连。在这过程期间， 存在些小或无弯曲的绝缘层21。这是因为绝缘层是在上面，且大体上与横杆接 触件20平行。

与之对比，在图3的先前工艺中，在驱动期间绝缘段42存在着重要的弯 曲，因为绝缘区从横杆体44侧边延伸，而且绝缘区是与横杆体44和横杆接触 件46大体上共平面的。因此，在本发明中，绝缘层可比在图3所示设计的先 前工艺有较小的应力。

参照图15，要注意本发明的这个具体实例中的绝缘层21大体上被横杆体 28和横杆接触件20包围。与之对比，图3的先前工艺中，只有绝缘层42的底 表面附贴于横杆44和横杆接触件46。因此，在本发明中绝缘段与横杆体和横 杆接触件固有地比图3的先前工艺有更好的粘附。

由于绝缘层的应力较小和附贴面积较大，本发明提供改善的机械整体性， 如此当开关重复打开和闭合时，绝缘层较不易被破裂或与横杆失去粘附。同样 的理由，加在绝缘材料的条件，有高的机械强度和刚度和与横杆材料的良好粘 附，对于这些条件本发明比之先前工艺设计严格程要低一些。这造就可能考虑 更广泛的各种材料，特别是无机材料诸如铝氧化物，用作绝缘层。利用无机材 料减低诸接触件受污染的危险。

如上所解说的，接触汇流条层或多长层是在接触尖端建立之后立即依图形 淀积的。其次淀积的一电气绝缘层，例如，铝氧化物，随后为金属的粘附层。 绝缘体和粘附层于是照图样包围接触汇流条并且它与电镀的横杆是绝缘的。这 个结构造成可以形成绝缘区又对微继电器工序流程其余部分作最小的增加和 改动。此外，这个结构构造成可能在形成绝缘区时对悬臂横杆带来最小变化， 有助于悬臂横杆的便利设计。

概括来说，微机械的继电器包括一衬底；支在衬底上的一源接触件；支在 衬底上的一栅接触件；支在衬底上的一对漏接触件；以及一可偏转的横杆。可 偏转的横杆包括一传导的横杆体，它有第一和第二端。传导的横杆体的第一端 是附贴于源接触件。传导的横杆大体上平行于衬底延伸，如此传导的横杆体的 第二端延伸越过栅接触件和漏接触件二者。可偏转的横杆更包括一横杆接触件 悬伸于漏接触件和一个绝缘体，这绝缘体位于传导的横杆体的第二端和横杆接 触件，以连结传导横杆体的第二端并使传导横杆与横杆接触件在电气上绝缘。

由栅电极和传导的横杆体之间建立的电场该横杆可偏转。这横杆是可偏转 到和第一个位置，在响应建立于栅电极和传导横杆体之间第一强度的电场时当 横杆接触件与漏接触件处在电气相通情况就是第一位置状态。在这个位置，继 电器是“导通的”，且电流能流动于一对漏接触件之间以响应加在这两漏接触 件上的电压。这可偏转横杆可偏转到第二个位置，这第二个位置处在当横杆接 触件与漏接触件是电气绝缘时来响应建立在栅电极和传导横杆之间第二强度 的电场时的情况。在这个位置，继电器是“关断的”，并且没有电流能流过两 漏接触件间。

如前面注意的那样，衬底可由氧化硅或玻璃构成；可偏转的横杆体可由镍 (Ni)、金(Au)、钛(Ti)、铬(Cr)、铬合金(Chrome)、铁(Fe)构成；绝 缘体可由聚酰亚胺、PMMA，氮化硅、硅氧化物或铝氧化物构成；而源电极(接 触件)、栅电极(接触件)和漏电极(接触件)可由铂(Pt)、钯(Pd)、钛(Ti)、钨 (W)、铑(Rh)、钌(Bu)或金(au)构成。

虽然本发明的各种实例和具体物件已作说明和描述，以这工艺的那些技巧 要认识到本发明的精神和范围不限于在这里的具体描述和图样，但延伸到各种 修改和变化全部如陈述于下列的要求。

优先机信息

本申请主张的优先权依据临时申请序号为60/421,162，2002年10月25日登 记，该申请整体引用于此作为参考。