CN101390226B - 压电mems开关及制造方法 - Google Patents

Abstract

一种MEMS压电开关(100)，其提供结构紧凑、易于在单个单元中制造、以及没有高温导致的接触材料的形态变化与作为结果而发生的对特性的不利影响的优点。高温导致的形态变化指：当诸如射频线(125，130)和短路条(150)的金属接触暴露到退火压电层所要求的温度或者如果换而使用高温沉积处理而在压电层的高温沉积期间所遇到的温度时，在制造期间发生的变化。

Description

压电MEMS开关及制造方法 

技术领域

本发明一般涉及半导体开关。更具体地，本发明涉及压电MEMS开关。 

背景技术

在各种应用中使用简称为“MEMS”的微型机电系统变得日益普遍。MEMS是建造在半导体芯片上的微型尺寸的机械装置。自20世纪80年代以来处于研究实验室中，在20世纪90年代中期MEMS装置开始实现为商业产品。它们被用于制造压力、温度、化学和振动传感器，光反射器和开关，以及用于气囊、车辆控制、起博器(pacemaker)和比赛的加速度计。所述技术也被用于制造喷墨打印头、用于读/写头和将光束反射到合适的输出端口的全光学开关的微型致动器。 

经常和利用压电部件的装置一起使用MEMS，所述压电部件耦接到一对电极以使开关动作。通常，在制造压电MEMS开关的期间，当退火所述压电部件、或者如果使用高温沉积而沉积所述压电部件时，所述开关经历加热到高温(超过约550摄氏度，以及经常660-700摄氏度)。这些高温显著地使诸如开关接触的金属开关部件的形态(morphology)劣化，且不利地影响它们的电特性。 

已经尝试避免使MEMS开关的金属部件受到高温。例如，美国专利公开号2004-94815显示一种通过在任何高温处理之后在分离的晶片上制备开关的两个接触中的每一个而生产的大型开关。然后层叠所述晶片，以使所述接触对准并形成所述开关。所述方法的结果是得到制造成本高昂的大型开关。 

在诸如美国专利公开号2005-0151444中所示的一种更典型的设计中，在单个晶片上制造MEMS开关，且金属接触在压电退火步骤 期间受到高温。所述公开显示了使用多层压电(PZT)膜的MEMS开关。它使用PECVD SiO2作为用湿式蚀刻移除的牺牲层。 

因此，期望开发制造MEMS开关的方法，所述方法不使所述开关的金属部件受到退火温度。另外，期望维持开关的紧凑尺寸，以及避免使用多个晶片来分别制造开关的每个接触。而且，从随后结合附图的详细说明和所附权利要求以及前面技术领域和背景技术，本公开的其他期望的特征和特性将变得明显。 

附图说明

通过当结合考虑下面的图时参考详细说明和权利要求，可以获得对本发明更完全的理解，所述图是示意性的，而不是按照比例的，且意在用于说明的目的。在所有图中，相同的参考数字指类似的要素。 

图1是根据本公开的压电MEMS开关的实施例的顶视图； 

图2是图1实施例的横截面视图；以及 

图3-12示出制造图1的开关的方法的例子中的各阶段。 

具体实施方式

下面的详细描述本质上仅仅是说明性的，并不意在限制当前公开的技术或者所述技术的应用与使用。而且，无意受限于前面技术领域、背景技术、简要概括或下面的详细说明中呈现的任何明示或默示的理论。 

本公开的MEMS压电开关提供结构紧凑、易于在单个单元中制造、以及没有高温导致的电极材料的形态变化的优点。术语“高温导致的”形态变化是指：当诸如射频线和短路条的金属接触暴露到退火压电层所要求的温度或者如果换而使用高温沉积处理而在压电层的高温沉积期间所遇到的那些温度时，在制造期间发生的变化。典型地，这些温度处于约550到约700摄氏度的范围内。高温导致的形态变化包括，但不限于，接触的暴露表面变粗糙以及金属的结构变化，其不利地影响诸如导电性、电阻等电特性。可以通过使用包括牺牲层、合适的二氧化硅、多晶硅、氮氧化硅等的方法在单个基础基板上建造而制造本公开的开关。另外，有选择地使用诸如聚酰亚胺、BCB等的聚合物材料来创建结构和将开关的部件保持在一起作为整体装置。如从下面的公开将变得明显的，聚合物和牺牲层的选择应当是这样的：可以通过不显著地影响所述聚合物的技术移除所述牺牲层，在移除所述牺牲层时，所述聚合物必须保护其他部件。 

通过考虑表现本公开的实施例的例子的图，可以更易于理解本公开。 

作为预备事项，说明书和权利要求中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等如果有是被用于区分类似的要素，而不一定用于描述特定的序列或时间发生顺序。要理解的是：这样使用的术语在合适的环境下是可以互换的，使得这里描述的本发明的实施例例如能够以不同于这里示出或者否则描述的顺序操作。此外，术语“包含”、“包括”、“具有”以及其任何变化，意欲涵盖非排他的包含，使得包含要素列表的处理、方法、物品或设备不必然限于那些要素，而可以包括没有显式列出的或者这样的处理、方法、物品或设备所固有的其他要素。 

而且，说明书和权利要求中的术语“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“上”、“下”如果有是被用于描述性的目的，而不一定用于描述永久的相对位置。要理解的是：这样使用的术语在合适的环境下是可以互换的，使得这里描述的本发明的实施例例如能够以不同于这里示出或者否则描述的取向操作。 

图1和2分别描绘本公开的压电MEMS开关的顶视图和横截面视图。将开关100制作到基础基板110上。在所显示的打开的开关中，所述开关包括显示为放置在基板110上的RF线125(输入)和130(输出)的一对接触，短路条150悬在所述RF线上。在横梁(boom)810中形成短路条150，并且由所述横梁810支承所述短路条150，所述横梁810是将所述短路条机械连接到悬臂(cantilever)620的上电介质层800的一部分。在示出的实施例中，上电介质层800覆盖装置的几乎整个上表面以增加强度。其他的实施例可以使用较少的电介质，而仅覆盖选定的区域。 

如所显示的，悬臂620具有锚定(anchor)到基板110的一端625，而其结构的较大部分是悬置的且与基板110隔开。如下面所解释的，这个分离空间(space)180在初始制作阶段包含牺牲材料。 

悬臂620具有包括一对电极层200、400的分层结构，在所述电极层200、400之间夹着压电层300。由致动器引入悬臂620的弯曲动作，所述致动器由电极层200和400以及压电层300形成。悬臂620是挠性的(flexible)，且当弯曲时，其外端645能够上下移动(往复运动(reciprocate))，同时在相对端625将所述悬臂保持固定。这个往复运动向下移动所述短路条150与RF线125、130电连通。当不被致动时，悬臂620处于松驰位置，即，基于所述图的取向的水平位置。悬臂620具有这里显示为矩形的通孔630，但是其他的形状也是有用的。所述通孔延伸到悬臂620下的空间180，如下面所解释的，经由所述通孔630从所述空间180将牺牲材料移除。所述通孔630机械上也可以帮助所述悬臂620的挠曲(flexing)。 

图3-8描绘制造图2和3的开关的方法的例子的各阶段。参考图3，在基础基板110上形成牺牲层120。所述牺牲层可以是由二氧化硅、多晶硅、氮氧化硅等制得。可以通过任何常规的或者要被公开的处理形成所述层120，例如，可以包括沉积、通过光刻和蚀刻而图案化。 

在图4中，在层120上形成第一电极层200。所述电极层可以是不受高温影响或者不显著地被影响的任何合适的高电导率材料，诸如铂。可以通过合适的任何已知的技术或者要被开发的技术沉积所述层。同样，可以通过已知的或者要被开发的技术，例如光刻和HF酸蚀刻，将其图案化。注意：所述图案化和蚀刻在电极层200中产生通孔230，其最终将作为图1和2中所示通孔630延伸通过所有形成的层。如下面所解释的，所述通孔将被用于移除层120，以生成悬臂620。 

在图案化的电极层200上共形地(conformally)形成压电层300。可以在高温下沉积这个层300，以在沉积时将它退火。作为替换方案， 它可以被沉积，然后被退火。在任一情况中，至此生成的装置都将受到高温。根据这个公开，还没有生成可能被高温不利影响的金属接触。所述压电层可以是诸如PZT、BST、AlN、ZnO等的任何合适的压电材料。在所述压电层上形成第二电极400，以完成分层的压电致动器。 

在图5中，将第二电极400和压电层300图案化。注意：所述图案化生成所述通孔230到层120的延伸。如果必要，众所周知，现在可以通过加热和跨过(across)其施加电压而将所述压电层极化。 

在图6中，沉积和图案化RF线125(没有示出)、130。这些线邻近于层叠的电极200、400和压电层300，并且与所述叠层的终端645隔开。在所显示的实施例中，将它们沉积到基板110上，尽管也可以将它们放置在基板110上的另一层或多层上。 

在图7中，用共形的聚合物涂层500覆盖图6的结构。所述聚合物涂层可以是聚酰亚胺、BCB等等。在图8中，将所述聚合物涂层500图案化，以通过诸如氧等离子体的任何合适的技术移除覆盖通孔230的聚合物。一旦如图8中那样通孔230没有了聚合物遮挡，就使用例如湿式HF酸蚀刻的蚀刻技术以移除牺牲层120。 

在图9中，施加第二聚合物涂层700。注意：所述涂层具有延伸进入通孔230和进入之前被牺牲层120占据的空间180的指状物720。所述指状物720提供对结构的一些支承。 

在图10中，将第二聚合物涂层700图案化，以形成接受诸如短路条150的接触的凹陷。然后，如所示出的，使用任何合适的金属沉积技术沉积短路条150，并且将它图案化。 

在图11中，将聚合物涂层700图案化，以移除它的一些，从而暴露悬臂620(即，从而暴露悬臂620的一部分)。在图12中，在暴露的(没有用聚合物覆盖的)悬臂表面上形成电介质。这生成将短路条150机械连接到悬臂620的横梁810。如所示出的，它还在连接到基板110的悬臂620的固定端645提供悬臂620的一些结构加强。所述电介质层可以是二氧化硅、氮化硅等等。 

移除图12的聚合物涂层700，以形成上面讨论过的图2中所示的 完整的MEMS开关。可以通过诸如干式移除处理的任何已知的或者要被开发的技术进行移除，所述干式移除处理诸如氧等离子体。 

总之，本公开是关于接触没有高温导致的形态变化、能够被形成于单个基板上、以及在要求牺牲层移除的处理中制造的MEMS装置。在所述装置的形成期间，聚合物层将挠性的悬臂和间隔开的短路条固定就位(hold in place)，直到沉积电介质材料以将所述短路条连接到所述悬臂。 

本公开包括制造压电MEMS开关的方法，其包括在基板上形成牺牲层。所述牺牲层可以是氧化硅、氮氧化硅或多晶硅。它还包括形成第一电极层。第一电极层的形成可以包括沉积金属成分以及图案化所述第一电极。所述方法包括形成退火的压电电介质材料层。退火层的形成可以包括在高温下以层来沉积压电电介质材料。另外，退火层的形成可以包括沉积压电电介质材料层并在高温下退火所述层。所述方法也可以包括通过施加热和跨过压电层的电压而将所述压电层极化。所述方法进一步包括形成第二电极层。形成第二电极可以包括沉积金属成分以及图案化所述第二电极。邻近第一电极和第二电极形成射频信号线，而不使所述线在形成所述线后的处理中受到高温。另外，所述方法包括形成第一聚合物涂层和移除牺牲层。牺牲层的移除可以包括图案化和蚀刻第一聚合物涂层，以在其中形成通孔，以及通过所述通孔湿式蚀刻移除牺牲材料。形成第二聚合物涂层，并在所述第二聚合物涂层中形成接触。图案化第二聚合物涂层。形成图案化的电介质层，以将由第一电极、第二电极和压电层的层形成的悬臂连接到所述接触。移除第二聚合物涂层。第一和第二聚合物涂层中每一个可以是聚酰亚胺或BCB中的任何一个。 

本公开还提供制造压电MEMS开关的方法，所述方法包括：在基板上形成牺牲层；形成第一电极层；以及形成退火的压电电介质材料层。退火的压电层的形成可以包括在高温下以层来沉积压电电介质材料。作为替换方案，退火的压电层的形成可以包括沉积压电电介质材料层以及在高温下退火所述层。所述方法还包括：形成第二电极层； 在形成压电材料和使压电材料受到高温之后，形成邻近所述第一电极和第二电极的射频信号线；形成第一聚合物涂层；移除牺牲层；形成第二聚合物涂层；在形成压电材料和使压电材料受到高温之后，在第二聚合物涂层中形成接触；图案化第二聚合物涂层；以及形成图案化的电介质层，以使所述形成的电介质层的一部分将在下面的悬臂连接到所述接触；以及移除图案化的第二聚合物涂层。 

上述方法可选地包括施加热和跨过压电层的电压以极化所述层。而且，牺牲层的移除可以包括：图案化和蚀刻第一聚合物涂层，以经由第一聚合物涂层中的通孔提供到牺牲层的通道(access)；以及通过所述通孔湿式蚀刻移除牺牲层材料。所述牺牲层可以是氧化硅、氮氧化硅或多晶硅。第一和第二聚合物涂层中每一个可以是聚酰亚胺或BCB中的任何一个。 

本公开还提供一种压电MEMS开关，所述压电MEMS开关包括第一金属接触和第二金属接触，所述第二金属接触处于横梁的第一端部且与第一接触间隔开。悬臂与所述横梁机械连通。所述悬臂在通过移除牺牲材料而生成的空间之上延伸。所述悬臂具有通孔，通过所述通孔将牺牲材料从所述空间移除。所述悬臂具有层状结构的致动器，包括设置在一对电极层之间的压电层。当被致动时所述悬臂挠曲，以使第二接触往复运动成与第一接触电连通。第一和第二金属接触可以没有由于暴露到诸如退火悬臂的压电层或者压电层的高温沉积所要求的温度所导致的由暴露所导致的形态变化。 

尽管在前面的详细描述中呈现了MEMS装置的至少一个示例的实施例及其制造方法，但是应当理解存在大量的变更例。还应当理解这里描述的示例的实施例或数个实施例不意欲以任何方式限制这里下面要求保护的本发明的范围、应用性或配置。相反，前面的详细描述将向本领域技术人员提供实现所述实施例或数个实施例及其变更例的便利的路线图。这些变更例处于所附权利要求和这些权利要求的要素的法定等同物的范围之内。因此，应当理解，可以对要素的功能和配置进行各种变化，而不脱离所附权利要求中所提出的本发明的范围。 

Claims (9)

1.一种制造压电MEMS开关的方法，包括：

在基板上形成牺牲层；

在所述牺牲层之上形成第一电极层，并在所述第一电极层中形成通孔；

在所述第一电极层之上形成退火的压电电介质层；

在所述退火的压电电介质层之上形成第二电极层，并将所述第二电极层和所述退火的压电电介质层图案化以形成所述通孔到所述牺牲层的延伸；

形成邻近所述第一电极层和所述第二电极层的射频信号线，而不在形成所述射频信号线后的工艺中使所述射频信号线受到高温；

在所述第二电极层和所述射频信号线之上形成第一聚合物涂层；

移除所述牺牲层；

在所述第一聚合物涂层之上形成第二聚合物涂层；

在所述第二聚合物涂层中形成接触；

图案化所述第二聚合物涂层；

形成图案化的电介质层，以将悬臂连接到所述接触，所述悬臂包括所述第一电极层、所述第二电极层和所述退火的压电电介质层；以及

移除所述第二聚合物涂层，

其中，所述牺牲层的移除包括：图案化和蚀刻所述第一聚合物涂层以移除覆盖所述通孔的聚合物，以及经由所述通孔移除所述牺牲层；

其中，所述第二聚合物涂层的形成包括在从其移除所述牺牲层的空间中提供聚合物的结构支承。

2.如权利要求1的方法，其中形成第一电极层包括沉积金属成分以及图案化所沉积的金属成分。

3.如权利要求1的方法，其中形成退火的压电电介质层包括在高温以层来沉积压电电介质材料。

4.如权利要求1的方法，其中形成退火的压电电介质层包括沉积压电电介质材料层以及在高温退火所述压电电介质材料层。

5.如权利要求1的方法，其中形成第二电极层包括沉积金属成分以及图案化所述第二电极层。

6.如权利要求1的方法，进一步包括：施加热和跨过所述退火的压电电介质层的电压以使所述退火的压电电介质层极化。

7.如权利要求1的方法，其中所述牺牲层包括二氧化硅、多晶硅和氮氧化硅中的任何一个。

8.如权利要求1的方法，其中所述第一聚合物涂层包括聚酰亚胺和BCB中的任何一个。

9.如权利要求1的方法，其中所述第二聚合物涂层包括聚酰亚胺和BCB中的任何一个。

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