CN101322205A - Mems开关触点系统 - Google Patents

Abstract

一种MEMS开关，其具有：1)第一触点、和2)可相对于第一触点移动的第二触点。至少一个所述触点是导电的并具有基于铂系的材料。

Description

MEMS开关触点系统

技术领域

本发明一般涉及MEMS开关，尤其是本发明涉及用于MEMS开关的触点系统。

背景技术

很多种电开关都通过移动一个构件直接与另一个构件接触来工作。例如，继电器开关可以具有导电悬臂，该悬臂在被致动时移动来直接接触固定的导电元件。该直接接触使电子电路闭合，从而使该臂与固定的元件电接通以实现欧姆连接。因此，相互直接接触的臂的物理部分在本领域中被称为“欧姆触点”，或者如在此所说的，简单称为“触点”。

通常通过在另一表面上形成导电金属来制造触点，所述另一表面可以是绝缘体或者可以不是。例如，悬臂可用硅形成，而在悬臂末端的触点用导电金属来形成。然而，当暴露到氧气、水汽和环境污染物时，该金属可起反应形成绝缘的表面污染层，例如绝缘氮化物层、绝缘有机层、和/或绝缘氧化物层。结果，该触点导电性较差。然而，较大的开关一般不会显著受到这种现象的影响，因为它们通常以足以“破开或擦开”表面污染层(例如，绝缘氧化物层)的力致动。

相反地，具有较小致动力的开关通常不能破开表面污染层。例如，静电致动的MEMS开关通常具有以微牛顿计的典型接触力，其可以比用于较大开关例如簧片或电磁继电器的可比力小1000到10,000倍的量级。因此，绝缘的表面污染层除降低有效性之外，还会降低导电性，这减小了开关的寿命。

发明内容

根据本发明的一个实施例，MEMS开关具有1)第一触点、和2)相对于该第一触点可移动的第二触点。至少一个所述触点是导电的且具有基于铂系的材料。

所述基于铂系的材料可包括铂系元素。可选择地，所述基于铂系的材料可以是基于铂系的氧化物。在一些实施例中，至少一个触点具有基于铂系的元素和导电的钝化物(conductive passivation)两者。例如，所述基于铂系的元素可以是钌，而所述导电的钝化物可以是二氧化钌。

该装置也可以具有包含至少部分MEMS开关的封装。为了减轻在它内部的污染物(例如游离氧)的不利影响，该封装可具有污染物吸除位点(contaminant gettering site)。例如，该封装可以是具有帽盖的晶片级封装，其内部表面支撑暴露的铂系元素。在一些实施例中，该封装密封第一和第二触点。

根据本发明的另一实施例，MEMS装置具有衬底、第一触点和相对于衬底移动的具有第二触点的可移动部件。该衬底支撑该可移动部件。此外，至少一个触点具有导电的基于铂系的材料，当与另一电触点接触时其提供电连接。

附图说明

参考附图，由下面的“具体实施方式”，本领域的技术人员将更加全面地了解本发明各个实施例的优点。下面对附图简要说明。

图1示意性地示出了使用可以根据本发明的示例性实施例配置的开关的电子系统；

图2A示意性地示出了根据本发明的一个实施例配置的MEMS开关的截面图；

图2B示意性地示出了根据本发明的另一实施例配置的MEMS开关的截面图；

图3A示意性地示出了根据本发明的又一实施例配置的MEMS开关的截面图；

图3B示意性地示出了处在致动位置的图3A的MEMS开关的截面图；以及

图4示出了根据本发明的示例性实施例形成MEMS开关的工艺。

具体实施方式

在示例性实施例中，MEMS开关具有由基于铂系的材料形成的触点。例如，该触点可以由钌金属(下文中只称其为“钌”)、二氧化钌或者它们两者形成。这种类型的触点应当具有提供期望的电阻和耐久性的材料特性，而同时使不希望的可能使开关性能降低的绝缘的表面污染层最小化。下面将论述示例性实施例的细节。

图1示意性地示出了利用可以根据本发明的示例性实施例实现的开关的电子系统10。简而言之，该电子系统10具有以在图左侧的方块表示的第一组组件12、以在图右侧的方块表示的第二组组件14、和可交替连接该第一和第二组组件12和14的开关16。在示例性实施例中，开关16是一种微机电系统，在本领域中通常称为“MEMS器件”。除其它情况之外，图1中示出的系统10可以是蜂窝电话内的RF开关系统的一部分。

如本领域的技术人员已知的，当闭合时，开关16使第一组组件12与第二组组件14电连接。因此，当在这种状态下，系统10可以在第一和第二组组件12和14之间传输电信号。相反，当开关16打开时，两组组件12和14不电连接，并因此不能通过该路径电联通。

图2A示意性地示出了根据本发明的示例性实施例配置的MEMS开关的截面图。在该实施例中，MEMS开关16形成为晶片级封装的集成电路。具体的，开关16具有衬底18，其支撑和悬置交替地打开和闭合电路的可移动结构。为此，该可移动结构包括可移动部件22，其通过挠性弹簧26可移动地连接至固定部件24。

示例性地，将固定部件24稳固地固定于衬底18，并且在一些实施例中，当需要时，其用作使可移动部件22移动的致动电极。替换地，或另外地，开关16可具有图中未示出的一个或多个其它致动电极。然而，应该注意，静电致动的开关仅是一个实施例。多种实施例适用于使用其它致动装置的开关，例如使用热致动器和电磁致动器。因此，静电致动器的讨论并不意图去限制所有实施例。

可移动部件22具有在其自由端的电触点28A，用于交替地连接在固定触点梁29上的相应触点28B。当被致动时，可移动部件22在大体平行于衬底18的方向平移以接触位于固定触点梁29上的触点28B。在使用期间，可移动部件22交替地打开和闭合其与固定触点梁29的电连接。当被闭合时，开关16建立闭合的电路，典型地其在不同元件例如以上论述的那些元件之间形成联通通路。

形成电开关16的管芯(die)可具有许多其它组件。例如，该管芯也可以具有控制诸如可移动部件22的致动等许多功能的电路(未示出)。因此，为了方便仅论述了没有电路的开关16。

应该注意，不同的实施例可以使用多种不同类型的开关。例如，开关16能够复用(multiplex)两个以上的节点，并因此可以是三位置开关或更多位置开关。本领域技术人员能够将示例性实施例的原理应用于各种不同的开关。因此，图2A和2B中的特定开关16以及图3A和3B中的开关16的讨论是示例性的，且并不意图去限制许多不同的实施例。

根据本发明的示例性实施例，两个标注的触点28A和/或28B中的一个或两个由基于铂系的材料(也称为“铂族”或“铂系金属”)形成。尤其是，如本领域技术人员已知的，铂系元素包括铂(Pt)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、锇(Os)和铱(Ir)。因此，具有基于铂系的材料的触点28A或28B至少包括基于铂系的元素。例如，二氧化钌(RuO₂)也被认为是基于铂系的材料，因为它的一部分是钌。

在一个实施例中，一个触点(例如，触点28A)由基于铂系的材料形成，而另一个触点(例如，触点28B)由另一种类型的材料形成，例如基于金的材料。然而，在优选实施例中，触点28A和28B都由基于铂系的材料形成。在一些实施例中，该材料可以简单地是导电氧化物，例如二氧化钌。然而，在其它实施例中，触点28A和28B中的一个或两个具有至少两层，也就是，基底层30和导电的钝化层32(也简单称为“钝化层32”或更通常称为“导电的钝化物”)。例如，基底层30可以是铂系元素，例如钌，而钝化层32是导电氧化物。除其他之外，导电氧化物可以是基于铂系的材料，例如二氧化钌。然而，在使用这种两层方法的其它实施例中，导电氧化物不是基于铂系的材料。此外，该两层方法可以具有附加层，例如在两层30和32之间的粘合层。

当使用基于铂系的元素来形成触点28A和/或28B时，基于铂系的元素提供了许多优点。具体的，在MEMS背景下，这些材料的薄层(例如，在埃(angstrom)的量级)提供了相对低的电阻率，同时其足够硬能经受住反复的接触。然而，在实验期间，仅由铂系元素形成的触点不期望地形成了绝缘的表面污染层。随后发现应用适当的导电氧化物既使基底层30钝化又实质上减轻绝缘的表面污染层的形成。此外，导电氧化物允许有足够的传导率。还发现，不使用两层方法，由基于铂系的材料构成的单导电氧化物也提供了令人满意的结果。因此，当如在此论述地使用时，某些材料，例如基于铂系的材料，能够用于形成触点28A和/或28B，而没有形成绝缘的表面污染层的重大风险。

如上所述，图2A中的开关16被以晶片级封装。为此，开关16也具有用于保护灵敏的内部微型结构的帽盖34。在示例性实施例中，帽盖34形成用于保护开关16内部组件的密封的腔室36。

可以预期，导电钝化层32在开关16的寿命期间会在某种程度上恶化或退化，或者具有不利地影响其钝化能力的一些缺陷。例如，尽管它目的是用作良好的钝化元件，但是所讨论的导电氧化物仍可能对在制造过程中残留在腔室36中的氧具有一些渗透性。尤其是，半导体封装工艺通常在存在氧气的情况下密封腔室36。在一个这样的工艺中，玻璃粉(glass frit)晶片-晶片接合工艺可能需要在存在氧的情况下接合，以便于玻璃胶中的挥发性溶剂的有机烧除。另外，如果该玻璃包含铅，则可能需要氧来氧化所有的金属性铅以防止随后的表面污染。

如上所述的，暴露于这些污染物会导致形成绝缘的表面污染层。例如，当触点28A或28B中的至少一个由钌形成时，充分地暴露于氧会导致形成绝缘的氧化物层，例如氧化钌(RuO)层、或者四氧化钌(RuO₄)层。

因此，为进一步保护触点28A和28B，示例性实施例提供了用于吸引和捕捉密封腔室36内残留污染物(例如氧)的大部分(如果有的话)的吸除系统38。例如，除其它的吸除方式外，开关16可具有位于腔室36内非重要处的沉积的铂系金属(例如钌)的涂层。对此，图2A示出了涂覆在帽盖34的面向内部的表面上的部分上和涂覆在管芯表面的非重要的(innocuous)、非活性的(inactive)、“白色”区域上的钌。为了提供最大的效用，暴露的吸除材料优选其表面面积实质性大于触点28A和28B的表面面积。例如，触点28A和28B可具有3-12平方微米的总面积，而吸除材料的区域可以具有500-1000平方微米的面积。虽然不是最佳的，但是一些实施例不将触点28A和/或28B钝化(例如，如果触点28A和/或28B为金属，如钌，则用导电氧化物)并且仅简单地使用吸除系统38。应该注意，可形成吸除系统38来吸收氧以外的污染物。因此，氧吸除系统的讨论是示例性的。

图2B示意性地示出了本发明另一实施例的截面图。该实施例与图2A示出的开关16之间的一个主要区别在于它的封装设计。尤其是，不同于图2A示出的开关16，该实施例中的开关16被封装在包含整个开关管芯的常规空腔封装38中。为此，该封装具有形成空腔41的基底39、和密封空腔41以形成上述的封装腔室36的盖子43。作为示例，空腔封装38可以是半导体业内常用的常规陶瓷空腔封装。以类似于图2A示出的开关16的方式，该开关16在它的内部也具有吸除系统38。为此，腔室36可具有几个吸除位点，例如在盖子43的面向内部的表面上、沿基底39的侧墙、和管芯本身上。当然，吸除位点可以是位于内部腔室36内的其它位置。因此，吸除位点的具体位置的讨论是说明性的，而不是意图去限制本发明的各种实施例。

该开关16能够被封装在多种其它类型的封装中。因此图2A和2B中的两种类型的讨论仅是示例性的。

图2A中的开关16和该开关16之间的另一区别在于它的一个触点28A的结构。具体的，可移动部件22上的触点28A是以上描述的单层类型(即，无钝化层32)。例如，该单层触点28A可以由基于铂系的导电氧化物例如二氧化钌形成。

当然，如上所述的，不同实施例应用于许多不同类型的开关。例如，除了应用于具有一个固定触点28B和另一个可移动触点28A的开关以外，不同实施例还适用于具有两个或更多可移动触点的开关。图3A和3B还示出了可以实现本发明示例性实施例的开关16的另一个实例。图3A示出了处于开路(open circuit)位置(即，未被致动)的开关16，而图3B示出了处于闭合位置的同一开关16(即，在致动位置，其使电路闭合)。为了简便起见，该实施例中组件的附图标记与其它实施例中相同组件的相同。

该实施例中的可移动构件22大体垂直于衬底18移动或者以弓形方式相对于衬底18移动，而不具有仅在平行于衬底18的平面中移动的构件。这种设计通常称为“悬臂设计”。因此，该实施例的固定触点28B简单地为大体平面的且位于衬底18的表面上。触点28A和28B可以由与以上论述的相同的材料构成(虽然其被示意性地示出为仅具有一层，但类似于其它实施例它们也可具有两层)。以类似的方式，该实施例具有其它类似的组件，例如可移动构件22、固定构件24和衬底18。以与其它实施例类似的方式，该实施例可被包含在常规封装中，例如图2A或2B中示出的封装中的一个，该封装可以具有或不具有吸除装置。

图4示出了根据本发明的示例性实施例形成开关的一种工艺。该开关16可以是先前图中示出的那些开关中的一个，或者是具有不同配置的一个开关。因为它制造MEMS器件，该工艺可以使用与AnalogDevices，Inc.(Norwood，Massachusetts)通常使用的类似的微加工工艺。

应该注意，为了简便起见，图4中的工艺被论述为形成单个MEMS器件。然而，本领域技术人员应该明白，该工艺能够应用于在单个基底晶片上形成多个MEMS器件的批量制造工艺。而且，该工艺的步骤是示例性的，而不必公开应当或可能用在MEMS制造工艺中的每一或一切步骤。事实上，一些步骤可以以不同的方式来实施。因此，图4的工艺的讨论并不意图去限制本发明的全部实施例。

该工艺以步骤400开始，其形成基础结构。例如，该工艺可通过在基衬底上沉积并蚀刻不同材料层来开始。可移动构件22可以在此时形成，或者也可以不在此时形成。例如，该工艺可以在随后的步骤中制造可移动构件22并暴露它的未端以便沉积触点材料。可选择地，该工艺可以在牺牲层上形成凹槽或特定区域用于在随后步骤中首先沉积触点材料，然后在更靠后的步骤中沉积形成可移动构件22的材料(在该触点材料上)。

因此，步骤402随后沉积触点材料；即，该工艺至少在步骤400的指定位置上，和在将要形成固定触点28B的位置上，沉积基于铂系的材料。在示例性实施例中，该工艺可以通过常规的方法沉积钌金属，例如，用溅射或镀(plating)机制。沉积之后，常规的湿法或干法蚀刻工艺使所沉积的材料图案化以确保钌在正确的触点位置。可选择地，如上所述，该步骤可以以常规方法沉积导电氧化物例如二氧化钌到相关位置并使之图案化。

该工艺随后继续至步骤404，其完成开关管芯上的结构和电路的制造。如以上所述的，该步骤可以采用常规的表面微加工工艺，例如镀、沉积、图案化、蚀刻和释放(release)操作。例如，该步骤可以沉积牺牲氧化物和导电层以形成可移动构件22和其它组件，然后释放可移动组件和其它悬置组件(如果存在的话)。在示例性实施例中，可移动构件22主要由金或金的合金形成。

随后在步骤406确定是否应当将触点28A和/或28B钝化(即，保护其免受封装腔室36的环境的影响，如以上所述的，所述环境可能具有残留的氧或其它污染物)。如果步骤402沉积了铂系金属，例如钌，那么应当将触点28A和/或28B钝化以使绝缘表面污染层的形成最小化。在该情况下，该工艺继续至步骤408，其首先清洗触点28A和28B(例如，移除在该点发生的任何氧化)，然后在铂系元素上形成导电氧化物。例如，该工艺可以在钌金属触点28A和/或28B上形成二氧化钌，基本上完全覆盖它的整个区域。然而，在一些实施例中，并未覆盖钌金属触点28A和/或28B的整个区域(仅覆盖了它的一部分)。

除其它方式以外，可以将钌触点28A和/或28B暴露到在提高了的温度(例如，200摄氏度或更高)的热氧化环境。可选择地，可以利用DC磁控管溅射将二氧化钌直接溅射到表面上。典型的溅射条件，例如，可以是300℃的温度、12mTorr的压力、利用在14/45sccm的氩/氧混合气。这将形成均一(uniform)的二氧化钌层，其可以按器件应用所需进行图案化。蚀刻材料可包括O₂/CF₄、O₂CL₂、或者O₂/N₂等离子体。将钌金属暴露到氧等离子体还将会导致选择性地在已有的图案化的基于钌的金属之上形成导电的二氧化钌钝化层。

然而，如果步骤406确定不需要钝化，那么步骤408可以完全跳过。在任一情况下，该工艺继续至可选的步骤410，其将吸除材料施加到封装或管芯。例如，如上所述，这种吸除材料可以控制游离氧(以及其它杂质)，在某些情况下，如果暴露到触点28A和/或28B，则游离氧能够形成原生的(native)、绝缘氧化物。如以上所述，如果在腔室36内具有铂系“吸除”金属的区域显著地大于触点28A和28B的区域，那么将会实质上减轻氧对触点28A和28B的影响。在一些实施例中，吸除金属与触点28A和/或28B上使用的金属一样。然而，其它实施例中使用不同的金属。

随后该工艺在步骤412终止，在步骤412通过在这样的环境氧水平中密封开关16，所述环境氧水平足够低以免由步骤410形成的吸除系统38饱和。本领域的普通技术人员能够基于多个因素确定那些水平。

因此，本发明的示例性实施例受益于基于铂系的材料的材料特性，同时减轻了污染问题，而该污染问题妨碍了已知的现有技术器件使用这种材料。而且，不同实施例用封装腔室36内的吸除系统38进一步防止可能的污染。除其它优点之外，这些优化将提高开关性能和增加开关寿命。

尽管以上论述公开了本发明的不同示例性实施例，但很明显，本领域技术人员能够进行实现本发明的某些优点的各种变更而不偏离本发明的真实范围。例如，在一些实施例中，仅一个触点28A或28B如上所述地形成，而另一个触点28B或28A通过常规方法形成，例如用金或金的合金。在其它实施例中，装置可以具有多个并行操作的触点。

Claims (20)

1.一种MEMS开关，包括：

第一触点；和

第二触点，其可相对于第一触点移动；

所述第一触点和第二触点中至少一个是导电的并且包括基于铂系的材料。

2.如权利要求1所述的MEMS开关，其中所述基于铂系的材料包括铂系元素。

3.如权利要求1所述的MEMS开关，其中所述基于铂系的材料是基于铂系的钝化物。

4.如权利要求1所述的MEMS开关，其中所述第一和第二触点中的至少一个包括基于铂系的元素和导电的钝化物。

5.如权利要求4所述的MEMS开关，其中所述基于铂系的元素包括钌，并且所述导电的钝化物包括二氧化钌。

6.如权利要求1所述的MEMS开关，进一步包括封装，其包含所述MEMS开关的至少一部分，该封装包括吸除位点。

7.如权利要求6所述的MEMS开关，其中该封装包括帽盖，其具有支撑暴露的铂系元素的内部表面。

8.如权利要求6所述的MEMS开关，其中该封装密封所述第一和第二触点。

9.一种MEMS装置，包括：

衬底；

第一触点；和

具有第二触点的可移动构件，其相对于所述衬底移动，所述衬底支撑该可移动构件；

所述第一触点和第二触点中的至少一个具有导电的基于铂系的材料，其在接触另一个电触点时提供电连接。

10.如权利要求9所述的MEMS装置，进一步包括用于使所述可移动构件移动到与所述第一触点接触的致动器，该致动器包括静电致动器、电磁致动器或热致动器中的一种。

11.如权利要求9所述的MEMS装置，其中所述基于铂系的材料包括铂系元素。

12.如权利要求9所述的MEMS装置，进一步包括支撑所述第一触点的第一构件，所述基于铂系的材料是与所述第一构件或所述可移动构件中一个直接接触的基于铂系的氧化物。

13.如权利要求9所述的MEMS装置，其中所述第一和第二触点中至少一个包括基于铂系的元素和导电氧化物。

14.如权利要求9所述的MEMS装置，进一步包括封装，其包含所述MEMS装置至少一部分，该封装具有氧吸除位点。

15.如权利要求14所述的MEMS装置，其中所述氧吸除位点包括基于铂系的元素。

16.一种MEMS开关，包括：

用于生成电触点的第一装置；和

用于生成电触点的第二装置，所述第二电触点装置能相对于所述第一电触点装置移动；

所述第一电触点装置和第二电触点装置中的至少一个是导电的并且包括基于铂系的材料。

17.如权利要求16所述的MEMS开关，进一步包括用于吸除开关内的氧的装置。

18.如权利要求16所述的MEMS开关，其中所述第一和第二电触点装置每个包括电触点。

19.如权利要求16所述的MEMS开关，其中所述基于铂系的材料包括基于铂系的元素。

20.如权利要求19所述的MEMS开关，其中所述基于铂系的材料进一步包括导电的钝化物。

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