CN101811656B - Mems元件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及MEMS元件及其制造方法。本发明的一方面的MEMS元件包括：第一电极，其被设置在基底上；第二电极，其被设置在所述第一电极上方并被驱动朝向所述第一电极；锚件，其被设置在所述基底上；梁，其将所述第二电极支撑在半空中，所述梁的一端被连接到所述锚件，并且所述梁包括设置在其沿宽度方向的端部处的侧壁部分，所述侧壁部分具有向下的突起部。

Description

MEMS元件及其制造方法
相关申请的交叉引用
本申请基于在2009年2月24日提交的在先的日本专利申请No.2009-041382并要求其优先权，在此通过引用并入其全部内容。
背景技术
近年来，微机电系统(MEMS)作为一种使复杂电路系统流线化(streamline)的技术而受到关注。MEMS是精密地使用例如半导体工艺技术形成可移动的三维结构的技术(例如，参考JP2006-263905)。
发明内容
本发明的一方面的MEMS元件包括：第一电极，其被设置在基底上；第二电极，其被设置在所述第一电极上方并被驱动朝向所述第一电极；锚件(anchor)，其被设置在所述基底上；梁(beam)，其将所述第二电极支撑在半空中，所述梁的一端被连接到所述锚件，并且所述梁包括设置在其沿宽度方向的端部处的侧壁部分，所述侧壁部分具有向下的突起部(protrusion)。
本发明的一方面的MEMS元件制造方法包括以下步骤：在基底上形成第一电极和虚设层；在所述第一电极和所述虚设层上形成具有向上的凸出部分(convex part)的牺牲层；在所述第一电极上方形成第二电极，并在所述虚设层上方形成具有基于所述牺牲层的所述凸出部分的侧壁部分的梁；以及去除所述牺牲层，并在所述虚设层与所述梁之间、在所述虚设层与所述侧壁部分之间以及在所述第一电极与所述第二电极之间形成腔。
附图说明
图1是示出根据本发明的第一实施例的MEMS元件的结构的平面图；
图2A、2B和2C是示出根据第一实施例的MEMS元件的结构的截面图；
图3A、3B和3C是说明根据第一实施例的MEMS元件的制造方法的截面图；
图4A和4B是说明根据第一实施例的MEMS元件的操作的截面图；
图5是示出根据本发明的第二实施例的MEMS元件的结构的平面图；
图6是示出根据第二实施例的MEMS元件的结构的截面图；
图7A、7B和7C是说明根据第二实施例的MEMS元件的制造方法的截面图；
图8是示出根据本发明的第三实施例的MEMS元件的结构的截面图；
图9A、9B和9C是示出根据实施例的MEMS元件的修改例的结构的截面图；以及
图10A和10B是示出根据实施例的MEMS元件的修改例的结构的截面图。
具体实施方式
MEMS元件可以用作例如可变电容元件或开关。用作可变电容元件的MEMS元件(下文中，称为MEMS可变电容元件)包括作为可移动结构的信号电极对。例如，作为下部信号电极(lower signal electrode)的一个电极被固定在基底上。作为上部信号电极(upper signal electrode)的另一电极被以这样的方式设置在下部信号电极上方，以使其支撑在半空中。确保在两个信号电极之间的空隙(space)(腔)。
例如，通过连接到上部信号电极的致动器，向上和向下驱动上部信号电极，由此改变上部信号电极与下部信号电极之间的距离，这改变了在两个电极之间产生的电容。
MEMS可变电容元件的驱动速度依赖于上部信号电极的物理驱动速度。共振频率表明，驱动速度与上部信号电极、以及支撑上部信号电极的构件的形状、厚度等等相关。因此，由于MEMS元件的结构的限制，不能获得充分高的驱动速度，这成为一个问题。因此，MEMS元件的应用范围被限制到其操作特性的范围。
此外，因为用于电极、电极的支撑构件和接合构件的材料的本征应力(膜应力)，特别地在支撑在半空中以确保可移动范围的电极(如上部信号电极)中会造成偏斜(deflection)或扭曲(distortion)。电极的变形导致两个电极之间的距离的不均匀性或两个电极的接触面积的减小。在该情况下，MEMS可变电容元件不具有特定的电容。此外，在用作开关的MEMS元件(下文中称为MEMS开关)中，当开关开启时接触面积减小。
下文中，将参考附图详细说明本发明的实施例。
(1)第一实施例
将参考图1到图4B说明本发明的第一实施例。
(a)结构
将参考图1到3C说明根据第一实施例的MEMS元件。在第一实施例中，将描述用作可变电容的MEMS元件。下文中，将根据第一实施例的MEMS元件称为MEMS可变电容元件。
图1是根据第一实施例的MEMS可变电容元件的平面图。图2A到2C是根据第一实施例的MEMS可变电容元件的截面图。图2A示出沿图1的线A-A’截取的截面结构。图2B示出沿图1的线B-B’截取的截面结构。图2C示出沿图1的线C-C’截取的截面结构。在图2A中，还根据需要示出了在沿线A-A’的截面的前面和后面设置的构件。
如图1和2A所示，在基底1上设置第一实施例的MEMS可变电容元件。例如，基底1为诸如玻璃的绝缘基底或者形成在硅基底上的绝缘层等等。
构成MEMS可变电容元件的可移动结构10包括下部信号电极(或第一电极)12和上部信号电极(或第二电极)16。下部信号电极12和上部信号电极16由诸如铝(Al)、金(Au)或铂(Pt)的金属制成。
在下部信号电极12与上部信号电极16之间设置空隙(腔)。在基底1上设置下部信号电极12以使其沿Y方向延伸。下部信号电极12被固定到基底1上。下部信号电极12的表面覆盖有例如绝缘膜13。下部信号电极12被用作例如信号线。可以通过使用牺牲层等等的技术去除在下部信号电极12下方的基底1或者在基底1上的绝缘膜的一部分，由此在下部信号电极12下方留出空隙。
上部信号电极16被设置在下部信号电极12上方。通过梁21A和21B以及锚件29A和29B将上部信号电极16支撑在半空中，从而在下部信号电极12与上部信号电极16之间留出空隙。具有矩形平面形状的上部信号电极16沿X方向延伸。信号电极12和16并不局限于矩形平面形状，而是可以呈现包括诸如椭圆平面形状的曲线形的形状。然而，信号电极12和16可具有从其顶表面贯穿到底表面的孔。
锚件29A和29B被设置在例如基底1上的互连层(或导电层)或基底1上。
沿X方向延伸的梁21A、21B、25A和25B被连接到上部信号电极16的X方向的两端。例如，图1中的右侧的梁21A和25A从上部信号电极16的另一端沿两条路线引出(draw)，并且经由导电层28A而连接到锚件29A。图1中的左侧的梁21B和25B从上部信号电极16的一端沿两条路线引出，并且经由导电层28B而连接到锚件29B。
通过锚件29A和29B将梁21A、21B、25A和25B支撑在半空中，其中在梁21A、21B、25A和25B与基底1之间具有空隙(腔)。梁25A和25B被直接接合到上部信号电极16并在X-Y平面内从上部信号电极16的端部倾斜引出。下文中，为了使说明清楚，将倾斜引出的梁25A和25B称为接合部分25A和25B。梁21A和21B以及接合部分25A和25B可以由与上部信号电极16相同的材料或不同的材料(例如，绝缘材料)制成。当将绝缘材料用于梁21A和21B以及接合部分25A和25B时，根据需要在构成梁21A和21B的绝缘材料的顶表面或底面(underside)上设置互连线。
虽然在第一实施例中，梁21A和21B中的每一个都具有沿X方向延伸的平面形状且接合部分25A和25B中的每一个都具有倾斜引出的平面形状，但梁21A和21B以及接合部分25A和25B中的每一个的平面形状却不局限于这样的平面形状，只要梁21A和21B以及接合部分25A和25B可以将上部信号电极16支撑在半空中即可。此外，梁21A和21B的数目以及接合部分25A和25B的数目也不局限于上述实例。
图2B和2C示出梁21A、21B、25A和25B的截面结构。
如图2B所示，梁21A和21B中的每一个具有侧壁部分22。侧壁部分22设置在每一个梁21A和21B的沿与梁延伸方向(纵向方向)交叉的方向(宽度方向)的延伸部分的一端和另一端处。例如，侧壁部分22从每一个梁21A和21B的底面朝向基底1突出，形成向下的凸部。侧壁部分22沿每一个梁21A和21B延伸的方向延伸。侧部部分22设置在每一个量21A和21B的两端，使得每一个梁21A和21B具有例如如图2B所示的向下的凹形结构。一个侧部部分22可以仅仅设置在梁21A的沿宽度方向的一端处。
图2C示出每一个接合部分25A和25B的截面结构。如图2C所示，在每一个接合部分25A和25B的端部处未设置侧壁部分，由此形成平板结构。与图2C中示出的每一个接合部分25A和25B不同地，可以在不具有侧壁的梁下方不设置虚设层12X。在该情况下，为了提高MEMS元件的操作的稳定性和可靠性，希望如此设计每一个接合部分25A和25B的长度和宽度，以便基底1的顶表面与每一个接合部分25A和25B的底面之间的距离大致等于基底1的顶表面与每一个梁21A和21B的底面之间的距离。
如图2B和2C所示，设置有侧壁22的每一个梁21A和21B的部分具有宽度W1，并且每一个接合部分25A和25B的部分具有宽度W1’。每一个梁21A和21B都具有膜厚度t1，并且每一个接合部分21A和21B具有膜厚度t1’。侧壁部分22的膜厚度为沿与基底1的表面平行的方向的尺寸。侧壁部分22具有膜厚度t2。
梁21A和21B的宽度W1为例如不小于接合部分25A和25B的宽度W1’。例如，宽度W1比宽度W1’长出侧部部分22的膜厚度t2的两倍。例如，膜厚度t1与膜厚度t1’大致相同。此外，侧壁部分22的膜厚度t2与膜厚度t1和t1’中的每一个相同或不同。在第一实施例中，梁的宽度W1为两个侧壁部分的端部之间的沿与基底表面平行的方向的尺寸。
在图2B和2C中，在梁21A和21B以及接合部分25A和25B下方将虚设层12设置在基底1上。在每一个梁21A和21B与虚设层12X之间以及在接合部分25A和25B与虚设层12X之间留有空隙。在虚设层12X的表面上，设置例如绝缘膜13X。虚设层12X由与下部信号电极12相同的材料形成并与下部信号电极12同时形成。虚设层12X可以用作引线的一部分或者可以作为互连线。
例如，梁21A和21B的宽度W1比虚设层12X的宽度W0宽出侧壁部分22的膜厚度t2的两倍以上。当然，虚设层12X不必与下部信号电极12同时形成。此外，虚设层12X也不必由与下部信号电极12相同的材料制成。
虽然在第一实施例中，侧部部分没有被设置在每一个接合部分25A和25B上，但是当然也可以如梁21A和21B那样地将侧部部分设置在每一个接合部分25A和25B的端部。虽然在图1中侧壁22在每一个梁21A和21B延伸的方向上是连续的，但也可以在规定的位置处适宜地分割侧部22。
在上部信号电极16的沿X方向的两侧，设置双支撑(或桥结构)致动器30A和30B。在图1中，图1的右侧的致动器30A位于梁21A的两个分支之间，并且图1的左侧的致动器30B位于梁21B的两个分支之间。
在图1到2C中，右侧的致动器30A包括上部驱动电极33和下部驱动电极37。与右侧的致动器相同，左侧的致动器30B包括上部驱动电极和下部驱动电极。两个致动器30A和30B具有大致相同的结构，因此将围绕致动器30A的结构给出说明。
下部驱动电极37被固定到基底1上。下部驱动电极37的表面覆盖有例如绝缘膜36。将下部驱动电极37被连接到例如互连线38。下部驱动电极37具有例如矩形平面形状。
上部驱动电极33被设置在下部驱动电极37上方。上部驱动电极37具有矩形平面形状。在两个致动器30A和30B中，每一个上部驱动电极33经过绝缘层32并被连接到可移动结构10的上部信号电极16的一端和另一端。绝缘层32由诸如氮化硅的绝缘材料制成。上部信号电极16与上部驱动电极33彼此电绝缘。如果允许信号电极16电连接到驱动电极33，则可以使用导电材料代替绝缘层。可选地，可以将上部信号电极16和上部驱动电极33配置为不使用绝缘层的单一的连续层。
弹性结构(spring structure)34被连接到面对上部信号电极的上部驱动电极33的端部。弹性结构34的平面形状为例如蜿蜒形。使得构成弹性结构34的互连线的线宽小于构成例如梁21A和21B以及接合部分25A和25B的互连线的线宽。弹性结构34被连接到例如锚件35。锚件35被设置在例如基底1上的互连线(导电层)39上。弹性结构34和锚件35由例如导电材料制成。
通过设置在互连线39上的锚件35以及弹性结构34，对上部驱动电极33施加电势。经由互连线39而对下部驱动电极37施加电势。这在上部驱动电极33与下部驱动电极38之间产生电势差。在互连线39上设置例如绝缘膜75。
第一实施例的致动器30A和30B为例如静电驱动致动器。也就是，当将电势差施加在上部驱动电极33与下部驱动电极37之间时，在驱动电极33与37之间产生的静电吸引力会使上部驱动电极33沿与基底1的表面垂直的方向移动。作为上部驱动电极33的操作的结果，构成可移动结构(可变电容)10的上部信号电极12被驱动。
在构成可移动结构10的下部信号电极12与上部信号电极16之间产生MEMS可变电容元件的电容C。致动器30A和30B沿与基底1的表面垂直的方向驱动上部信号电极16，使上部信号电极16与下部信号电极12之间的距离变化，这导致可变电容元件的电容值变化。
虽然在第一实施例中将静电驱动致动器用作驱动上部信号电极的致动器，但本发明并不受此限制。例如，当然可以使用热驱动、压电驱动或磁驱动的致动器。在第一实施例的MEMS元件中，在一个可移动结构(可变电容)上设置了两个致动器。本发明并不受此限制。例如，可以通过单个致动器或通过三个或更多的致动器驱动一个可移动结构。虽然在图2A中上部驱动电极33具有相对于基底表面倾斜的结构，但本发明不受此限制。例如，上部驱动电极33可具有相对于基底表面平行的结构。
在第一实施例的可移动结构10和静电致动器30A和30B中，分别在下层中的电极12和37的顶表面上形成了绝缘膜13和36。本发明不受此限制。例如，代替在下层中的每一个信号电极12和驱动电极37的顶表面上形成绝缘膜，可以在上层中的每一个信号电极16和驱动电极33的底面上形成绝缘膜。构成MEMS可变电容元件的构件不必是单层膜。例如，可移动结构10的信号电极12和16以及致动器30A和30B的驱动电极33和37可以由金属和绝缘材料的层叠膜构成或者由金属和半导体的层叠膜构成。
第一实施例的MEMS元件的特征在于，支撑可移动结构10的梁21A和21B在其端部具有侧壁部分22，如图2B所示。
在第一实施例的MEMS可变电容元件中，当在梁21A和21B的宽度方向的端部处设置侧壁部分22时，在每一个梁21A和21B的端部的与基底表面垂直的方向上的膜厚度ta大于在每一个梁21A和21B的端部之间的膜厚度t1。结果，梁21A和21B的与基底1的表面垂直的方向上的刚度增加。这改善了梁21A和21B的弹性系数(或弹性常数)，因此，MEMS可变电容元件的共振频率增大。因此，可以使MEMS元件的机械振动更快。
此外，在第一实施例中通过在梁21A和21B端部设置侧壁部分22，梁的刚度增大，这可以抑制梁21A和21B的扭曲以及被梁21A和21B支撑在半空中的上部电极16的弯曲。由此，可以改善MEMS元件的元件特性。
因此，通过第一实施例可以改善MEMS的元件特性。
(b)制造方法
将参考图3A到3C说明根据第一实施例的MEMS元件的制造方法。图3A到3C中的每一个都示出了例如其中设置有侧壁部分的部分的截面结构(如梁21A和21B的情况)和其中未设置侧壁部分的部分的截面结构(如信号电极16以及接合部分25A和25B的情况)。在图3A到3C中，将说明沿图1的线B-B’截取的截面和沿线C-C’截取的截面。虽然将使用沿线C-C’截取的截面来说明各种制造工艺，但将以相同的工艺形成可移动结构以及致动器的电极。
如图3A所示，通过例如化学气相沉积(CVD)技术或溅射技术在基底1上沉积导电层12Y。导电层12Y用于可移动结构的下部信号电极、致动器的下部驱动电极、以及基底上的互连线和虚设层。
然后，如图3B所示，通过例如光刻和蚀刻技术将基底上的导电层处理为特定的图形，由此形成虚设层12X和12Z。虚设层12X主要形成在其中将要形成支撑上部电极的梁的区域下方。经处理的虚设层12X具有例如宽度W0。导电层12Z不仅用于虚设层而且还用于例如可移动结构的下部电极和互连线。为了清楚地说明，将导电层12Z称为虚设层12Z。在梁的在与电极的连接附近的不需要增加刚度的部分中或者梁的不积极增加刚度的部分中，可以从将要形成那些部分的区域中去除虚设层12Z。在图3A到3C中，虚设层12X和12Z的平面形状、长度以及宽度不必相同，而是当然可以根据形成虚设层12X和12Z的位置而适宜地改变。
在处理了导电层之后，通过膜沉积技术(例如，热氧化技术或CVD技术)，在经处理的导电层12X的表面上形成绝缘膜13X。
然后，通过例如CVD技术或涂敷技术，在导电层12X和基底1上形成牺牲层90。牺牲层90可以由诸如金属、绝缘材料、半导体、无机材料或有机材料的材料制成，只要该材料可以确保相对于导电层12X、绝缘层13X以及在随后的工艺中配置的构件的特定的蚀刻选择比率即可。在形成牺牲层90之后，例如，在基底上的特定位置中在牺牲层90中埋入锚件(未示出)。
然后，通过例如溅射或CVD技术，在牺牲层90上形成导电层21X。导电层21X用于可移动结构的上部信号电极、支撑上部信号电极的梁、致动器的上部驱动电极、弹性结构等等。导电层21X具有例如膜厚度t1。
在设置有虚设层12X的区域中，在基底1的顶表面与虚设层12Y的顶表面之间存在台阶Z。因为牺牲层90沉积在虚设层12X的顶表面和侧表面上，牺牲层90具有归因于台阶Z的向上的凸出形状。
因此，导电层21根据台阶Z而朝向基底1下沉，这使得导电层21X形成在牺牲层90的凸出部分的顶表面和侧表面上。导电层21X通过例如牺牲层90而覆盖虚设层12X的侧面。例如，沿与基底1的表面垂直的方向根据台阶Z下沉的部分的厚度ta不小于通过使牺牲层90上的导电层21X的厚度t1与牺牲层90的厚度相加而获得的厚度t1’。
接下来，如图3C所示，在牺牲层90的导电层上形成抗蚀剂91A和91B。通过光刻技术构图抗蚀剂91A和91B。例如，如在其中不使刚度很高的沿线C-C’截取的截面中，如此构图抗蚀剂91B，以形成特定形状的梁和电极。相反地，例如，如在其中使导电层(梁)21A的刚度高的沿线B-B’截取的截面中，如此构图抗蚀剂91B，以使其不仅覆盖牺牲层90的凸出部分的顶表面而且覆盖位于牺牲层90的凸出部分的侧面U上的导电层22的顶表面。
使用构图的抗蚀剂91A和91B作为掩模，蚀刻在牺牲层90上的导电层，产生特定的形状。
此时，在使梁的刚度高的位置中，在牺牲层90的凸出部分的侧面U上的导电层的上部覆盖有导电层21A。因此，导电层22保留在凸出部分的侧面U上，由此产生其中导电层22被设置在导电层21A的端部处的结构。导电层22具有膜厚度t2。膜厚度t2例如小于图3B中的膜厚度t1。膜厚度t2可以等于膜厚度t1。
在诸如C-C’截面的其他位置中，例如，在牺牲层90的顶表面上，形成特定的梁、弹性结构以及电极形状的导电层25(16，33)。
然后，通过常规MEMS元件形成工艺，形成各种构成元件。在牺牲层上的导电层的特定位置中形成绝缘层，以便可移动结构的上部驱动电极可以被连接到致动器的上部驱动电极。
此后，通过例如干法蚀刻或湿法蚀刻，选择性地去除牺牲层90。然后，如图2A到2C所示，如此形成梁21和25以及上部电极16和33，以使其被支撑在半空中。然后，如图2B所示，在使梁的刚度高的位置中，在梁21A的端部形成侧壁部分22。如图2A和2C所示，在其他位置中，形成可移动结构的上部信号电极16、致动器30A和30B的上部驱动电极33以及接合部分25。在去除牺牲层90之后，或者在去除牺牲层90的同时，去除虚设层12X。
虽然在上述实例中，虚设层12X由与牺牲层90不同的材料制成，但虚设层12X也可以由与牺牲层90相同的材料制成。在该情况下，在形成了用作下部电极的导电层和在该导电层上的绝缘膜之后，形成虚设层，然后形成牺牲层。
通过上述处理，完成第一实施例的MEMS可变电容元件。通过图3A到3C示出的制造工艺，形成了具有侧壁部分22的梁21。例如，将侧壁部分22配置为具有向下的凸出部分。在其中侧部部分22被设置在每一个梁21A和21B的端部的位置中，如此形成虚设层12X，以便虚设层12X的处理尺寸(宽度)W0等于例如通过从包括侧壁部分22的每一个梁21A和21B的宽度W1减去侧壁部分22的膜厚度的两倍而获得的值。
虽然在第一实施例中，使用相同的材料同时形成虚设层12X以及下部电极12和37，但本发明不受此限制。可以根据需要改变材料和制造工艺。例如，考虑在邻近的虚设层12X之间或者在梁21和25与虚设层12X之间产生的寄生电容，可以使用绝缘膜或半导体，与用作下部电极的导电层分离地形成虚设层12X。在该情况下，虚设层的膜厚度可以不等于用作下部电极的导电层的膜厚度。以该方式，可以根据需要自由地选择用于构成MEMS元件的各种构件的材料及其尺寸。
如上所述，根据MEMS元件制造方法，可以在梁的端部形成侧壁部分以在结构上提高支撑电极的梁的刚性。这可以增加MEMS元件的驱动速度。此外，可以减小如上部信号电极一样的支撑在半空中的构成MEMS元件的构件的弯曲。因此，可以提供具有改善的元件特性的MEMS元件。
(c)操作
将参考图4说明MEMS可变电容元件的操作。
图4A和4B示出了MEMS可变电容元件操作时的状态。
图4A示出了在驱动致动器之前的状态(上-状态)，图4B示出了在驱动致动器之后的状态(下-状态)。
如图4A所示，在每一个致动器30A和30B的上部驱动电极33与下部驱动电极37之间的在可移动结构侧的间隔大于在弹性结构侧的间隔。在该情况下，构成可移动结构10的两个电极12和16是这样的，以便上部信号电极16被支撑在半空中，其与下部信号电极12之间的距离为d1。
然后，在上部驱动电极33与下部驱动电极37之间施加电势差。通过将不同的电势施加到与上部和下部驱动电极33和37连接的互连线来产生该电势差。例如，将地电势供给到一个驱动电极，并将不低于吸合(pull-in)电压的电势施加到另一驱动电极。吸合电压为这样的电压，在该电压下，连接到弹性结构34的驱动电极33由于静电引力而开始操作。
当将不低于吸合电压的电势施加到一个驱动电极时，在上部驱动电极33与下部驱动电极37之间产生使驱动电极33移动的静电引力。随着致动器30A和30B的驱动电极33与37之间的距离变得越小，在驱动电极33与37之间产生的静电引力就变得越强。因此，上部驱动电极33通过绝缘膜36而从弹性结构34侧开始接触下部驱动电极37。在将电势差施加到驱动电极33和37期间，在从弹性结构34侧到可移动结构10侧的方向上，驱动电极33与37之间的距离变小，并且上部驱动电极33以拉链样方式顺序地接触下部驱动电极。
如上所述，致动器30A和30B被驱动，这使得可移动结构10移动。
然后，如图4B所示，上部驱动电极33的几乎整个表面都通过绝缘膜38而与下部驱动电极37接触。这使得连接到上部驱动电极33的可移动结构10的上部信号电极16朝向基底1移动，面对下部信号电极12，结果，上部信号电极16与下部信号电极12之间的距离变小。例如，如图4B所示，当上部信号电极16开始通过绝缘膜13接触下部信号电极(信号线)12时，两个信号电极12与16之间的距离变为等于绝缘膜13的膜厚度。
当使致动器30A和30B的驱动电极33与37之间的电势差为零时，MEMS可变电容元件从图4B的状态(下-状态)返回到图4A的状态(上-状态)。
因此，如图4A和4B所示，构成可移动结构(可变电容)10的下部信号电极12与上部信号电极16之间的距离在从距离d1到约绝缘膜13的膜厚度的范围内变化。在MEMS可变电容元件已被驱动之后的状态下，上部信号电极16可以不直接接触绝缘膜13。
因此，随着信号电极12与16之间的距离变化，下部信号电极12和上部信号电极16产生的电容值也变化。因为电容与电极12和16之间的距离成反比，因此当下部信号电极12与上部信号电极16之间的距离大时，电容小。相反地，当下部信号电极12与上部信号电极16之间的距离小时，电容大。
为了简化说明，同时驱动连接到可移动结构的两个致动器30A和30B。本发明不受此限制。可以交替驱动两个致动器30A和30B。也就是，当已经驱动左侧的致动器30B时，可以准备好驱动右侧的致动器30A。相反地，当已经驱动右侧的致动器30A时，可以准备好驱动致动器30B。
在MEMS可变电容元件的操作中，例如，可以用被梁支撑的上部信号电极的共振频率f0表示MEMS可变电容元件的驱动速度。如果被梁支撑的上部信号电极的弹性系数为“k”且被梁支撑的上部信号电极的质量为“m”，则共振频率f0可以表示为：
f 0 = 1 2 π k m 式(1)
如式(1)所示，共振频率f0与弹性系数k成正比而与质量m成反比。
在第一实施例中，当将侧壁部分22设置在支撑可移动结构的梁21A和21B的沿宽度方向的端部时，梁21A和21B的沿与基底表面垂直的方向的刚度显著增加。在结构上加强了梁21A和21B的刚度，这使弹性系数的值增加。在该情况下，虽然在梁21A和21B的端部设置侧壁部分22显然会增加梁21A和21B的膜厚度，但质量m的增加要小于弹性系数(刚度)的增加，这与简单地增加整个梁的膜厚度的情况不同。
因此，使用具有侧壁部分22的梁21A和21B可以增加共振频率f0或MEMS元件的驱动速度。
此外，梁21A和21B的增大的刚度可以防止例如上部信号电极16的弯曲。这可以减小由于信号电极16的弯曲而导致的在下部信号电极12与上部信号电极16之间的距离的增加。因此，可以防止由电极的弯曲造成的MEMS可变电容元件的电容的减小。因为可以防止电极16弯曲，所以可以抑制成对的信号电极12与16之间的距离的不均匀性。也就是，可以抑制MEMS可变电容元件的电容从基于设计尺寸的值的偏离。
如上所述，根据第一实施例的MEMS元件，可以改善MEMS元件的元件特性。
(2)第二实施例
下文中，将参考图5到7C说明本发明的第二实施例。在第二实施例中，与第一实施例中所述的相同的结构元件用相同的参考标号表示，并根据需要给出对其的详细说明。
图5示出了根据第二实施例的MEMS元件的平面结构。图6示出了沿图5的线A-A’截取的截面结构。第二实施例的MEMS元件为MEMS可变电容元件，这与第一实施例相同。
如图5和6所示，在可移动结构10A的下部信号电极12A中形成缝隙(slit)。形成缝隙14使得例如在下部信号电极12A下方的基底1的表面的一部分暴露。
在下部信号电极12A上方，设置上部信号电极16A。通过接合部分25A和25B、梁21A和21B以及锚件29A和29B，将上部信号电极16A支撑在半空中。在第二实施例中，每一个梁21A和21B可以在其沿宽度方向的底面端部处具有或不具有侧壁部分22。
上部信号电极16A具有在下部信号电极12A中的缝隙14上方的凹入部分17。凹入部分17的凹陷(底部)沿下部信号电极(信号线)延伸的方向(或Y方向)延伸。例如，突起部(第一突起部)18和19可以被设置在上部信号电极16A的端部或底面。在已驱动了MEMS可变电容元件之后的状态下，凹入部分17的侧面和突起部18的侧面面对下部信号电极12A的侧面。也就是，即使对于下部信号电极12A的侧面和上部信号电极16A的侧面，也可以确保电容。
将参考图7A至7C说明形成具有凹入部分17的上部信号电极16A的方法。在图7A到7C中，为了简化图示表示，没有示出致动器，而是仅仅示出了构成可移动结构10A的上部和下部信号电极12A和16A的截面结构。图7A到7C示出了沿X方向截取的截面。
如图7A所示，通过例如CVD技术或溅射技术在基底1上沉积导电层。然后，将抗蚀剂92施加到导电层12A。通过光刻技术构图抗蚀剂92，以便以特定的形状形成电极、互连线、以及虚设层。使用构图的抗蚀剂92作为掩模，蚀刻导电层12A，由此形成可移动结构的下部信号电极12A。在信号电极12A中，通过构图和蚀刻形成缝隙14。缝隙14具有沿X方向的尺寸(宽度)Wa。
在去除抗蚀剂之后，通过如图7B示出的与图4B相同的工艺，在信号电极12A的表面上形成绝缘膜13。然后，依次形成牺牲层90和导电层16X。此时，因为缝隙14的形状，牺牲层90和导电层16X朝向基底1下沉，这导致缝隙14被牺牲层90和导电层16X填充。结果，在导电层16X中，形成凹入部分17。当形成牺牲层90和导电层16X以制造均匀的膜并且牺牲层90具有膜厚度ta而导电层16X具有膜厚度tb时，使缝隙14的宽度Wa不小于膜厚度ta与膜厚度tb之和的两倍，以防止掩埋在缝隙14中的导电层16的侧面彼此接触。
然后，如图7C所示，将抗蚀剂93施加到导电层16A，并通过例如光刻技术将用于形成可移动结构的上部信号电极的图形转移到抗蚀剂93。将抗蚀剂93构图为覆盖凹入部分17。在将要形成上部信号电极的端部的位置中，将抗蚀剂93构图为覆盖例如导电层18，所述导电层18覆盖了牺牲层的向上凹入部分的侧面。
然后，使用构图的抗蚀剂93作为掩模，蚀刻导电层16A，形成可移动结构的上部信号电极16A。与此同时，形成梁和致动器的上部驱动电极。
结果，上部信号电极16A具有位于其中的凹入部分17。此外，上部信号电极16A在其端部具有突起部18。
此后，去除抗蚀剂93和牺牲层90，将上部信号电极16A支撑在半空中。
通过上述工艺，完成了第二实施例的MEMS可变电容元件。如上所述，以与形成在下部信号电极12A中的缝隙14自对准的方式形成上部信号电极16A的凹入部分17。
虽然在图5和6的实例中，缝隙14的沿Y方向的尺寸大于上部信号电极16A的沿Y方向的尺寸，但是缝隙14的沿Y方向的尺寸当然可以小于上部信号电极16A的沿Y方向的尺寸。虽然在该实例中，在下部信号电极12A中形成缝隙14的一个单元(unit)，但是也可以在下部信号电极12A中形成缝隙14的多个单元。
在第二实施例中，当上部信号电极16A具有位于其中的凹入部分17时，上部信号电极16A在形成有凹入部分17的部分处的表观(apparent)膜厚度变大，这使上部信号电极16A的刚度更高。如上所述，使上部信号电极16A的刚度更高减小了被支撑在半空中的电极的翘曲(warp)，这抑制了上部信号电极的弯曲。因此，抑制了由电极的弯曲导致的在上部电极与下部电极之间的距离的增加以及距离的不均匀性，这改善了MEMS元件的特性。
因此，根据第二实施例的MEMS元件，可以改善元件特性。
(3)第三实施例
下文中，将参考图8说明本发明的第三实施例。在第三实施例中，与第一和第二实施例中所述的相同的结构元件用相同的参考标号表示，并根据需要给出对其的详细说明。
根据第三实施例的MEMS元件的平面结构与图1的几乎相同。因此，将参考图1说明第三实施例的MEMS元件的平面结构。支撑上部信号电极16的梁21A和21B的结构与图2B的几乎相同，因此将略去对该结构的说明。
在第一和第二实施例中，已经说明了MEMS可变电容元件。可以将实施例的MEMS元件的结构应用于除了可变电容元件之外的结构。在第三实施例中，将使用用作开关的MEMS元件(下文中，称为MEMS开关)作为实例说明该结构。
图8示出了第三实施例的MEMS元件的截面结构。图8的截面结构对应于沿图1的线A-A’截取的截面。
在第三实施例的MEMS开关中，支撑上部信号电极16的每一个梁21A和21B具有在其沿宽度方向的端部处的侧壁部分22(如图2B所示)，这增加了梁21A和21B的刚度。
如图8所示，在用于MEMS开关的可移动结构10B中，在下部信号电极12上不设置绝缘膜，构成下部信号电极12的导电层的表面暴露。
如图8所示，当上部信号电极16被支撑在半空中(或处于上-状态)时，MEMS开关关断。
然后，与在图4A和4B中说明的MEMS可变电容元件的操作相同地，当上部信号电极16被致动器30A和30B向下(朝向基底)驱动(或处于下-状态)时，上部信号电极16的底面与下部信号电极12的顶表面开始接触。在该情况下，因为在下部信号电极12的顶表面和上部信号电极16的底面上不存在绝缘膜，所以上部信号电极16与下部信号电极12电导通。以该方式，当上部信号电极16直接接触下部信号电极12时，MEMS开关开启。
除了在形成牺牲层的工艺之前加入了通过例如光刻技术或蚀刻技术去除位于下部信号电极12的表面上的绝缘膜的工艺之外，制造第三实施例的MEMS开关的方法与在第一实施例中描述的制造方法基本上相同。可选地，可以增加用另一构件覆盖下部信号电极12的表面的工艺，以防止形成绝缘膜。虽然在图8中，已经去除了在下部信号电极12的表面上的所有绝缘膜，但是仅仅必须去除绝缘膜的在下部信号电极12的表面上的部分以允许下部信号电极12与上部信号电极16电导通。
即使是第三实施例的MEMS，也可以改善构成MEMS元件的构件的刚度。因此，可以提高MEMS元件的驱动速度，并可以防止由梁的弯曲而导致的元件特性的劣化。
因此，即使在第三实施例的MEMS元件中，也可以像第一和第二实施例一样地改善MEMS元件的特性。
在第三实施例中，上部信号电极16的结构当然可以具有与第二实施例一样的凹入部分或突起部。虽然在第一实施例到第三实施例中使用MEMS可变电容元件和MEMS开关作为实例给出了说明，但本发明不受此限制。例如，使用加速度传感器、压力传感器、RF(射频)滤波器、陀螺仪以及镜装置时当然也可以产生与第一到第三实施例相同的优点。
(4)修改例
下文中，将参考图9A到图10B说明根据本发明的实施例的MEMS元件的修改例。与第一到第三实施例中所述的相同的结构元件用相同的参考标号表示，并根据需要给出对其的详细说明。
在根据实施例的MEMS元件的一个修改例中，如图9A所示，可以在侧壁部分22的侧面上设置与基底1的表面平行地突起的部分(第二突起部)。突起部23沿与虚设层12X相反的方向水平突起。
如图9B所示，通过将抗蚀剂91构图为使抗蚀剂91覆盖从牺牲层90的侧面上的侧壁部分22水平突起的部分23，形成该结构。将突起部23设置为与基底1的表面平行地(或水平地)突起使得侧壁部分22的刚度增加。因此，可以防止侧壁部分22由于侧壁部分22的膜厚度的减小而朝向虚设层12X弯曲，并由此防止了与虚设层12X接触。
如图9C所示，在梁21A的沿宽度方向的一端和另一端之间，可以在梁21A的底面上设置突起部(第三突起部)24。通过上述MEMS元件制造方法在虚设层12X中形成缝隙来形成突起部24。将缝隙的沿宽度方向的尺寸设计为大于牺牲层90的膜厚度的两倍而不大于梁的膜厚度的两倍。在梁21A的底面上设置突起部24能够进一步改善梁21A的刚度。与在第一实施例中一样，可以提高MEMS元件的驱动速度。
图10A和10B示出了根据第二实施例的MEMS元件的修改例。
如图10A所示，代替在可移动结构10C的下部信号电极12中形成缝隙，可以在下部信号电极12B中形成沟槽以防止在凹入部分17A下方的基底1的表面暴露。在该结构中，通过如图7A所示的工艺那样地蚀刻，使用于形成下部信号电极12B的导电层的顶表面朝向基底后退(retreat)。此时，在用于形成下部信号电极12B的导电层中形成沟槽15，以不使基底1的顶表面暴露。然后，在图7B和7C示出的工艺中，当在其中具有沟槽15的导电层上沉积牺牲层和导电层时，根据下部信号电极的被去除的膜的厚度，沟槽使凹部在上部信号电极16A中产生。结果，如图10A所示，在上部信号电极16A中形成凹入部分17。
此外，如图10B所示，在上部信号电极16B的底面上可以设置突起部(第四突起部)19。
与凹入部分17一样地，依赖于在下部信号电极12A中形成的缝隙(沟槽)的形状，形成突起部19。通过使图7A中所示的缝隙14的宽度Wa大于牺牲层的膜厚度ta的两倍而不大于导电层16X的膜厚度tb的两倍，来形成突起部19。除非下部信号电极12A是分段的，否则突起部19可具有沿Y方向延伸的形状或沿X方向延伸的形状。
如图6A所示，当在下部信号电极12中形成缝隙时，下部信号电极12的顶表面面对上部信号电极16的底面的面积减小。相反地，在图10A和10B所示的MEMS元件中，下部信号电极12的顶表面面对上部信号电极16的底面的面积不减小，这防止了在两个电极之间产生的电容的减小。
即使在图10A和10B所示的上部信号电极16A和16B的结构中，也可以增加上部信号电极的刚度，并可以抑制上部信号电极的弯曲。
可以将图9A到10B所示的结构应用于第二实施例的MEMS开关。
如上所述，即使是根据实施例的修改例的MEMS元件也可以产生与第一到第三实施例相同的效果。
(5)其他
虽然在本发明的实施例中，使用了由可移动上部电极和固定的下部电极构成的MEMS，但本发明不局限于此。例如，即使使用由都可以移动的上部电极和下部电极构成的MEMS，也可以产生与实施例相同的效果。
虽然在实施例中，使用具有成对的两个电极的MEMS元件作为实例给出了说明，但本发明不局限于此。例如，即使是具有位于固定的上部电极与固定的下部电极之间的被支撑在半空中的可移动中间电极的MEMS元件也可以产生与在实施例中描述的MEMS元件相同的效果。在该情况下，中间电极具有突起部。
应该理解，本发明不受上述具体实施例的限制，并且可以利用不背离本发明的精神和范围而修改的构成要素来实施本发明。可以通过适宜地组合在上述实施例中公开的构成要素来配置各种发明。例如，可以从实施例中示出的所有构成要素中删除一些构成要素。此外，可以以适宜的组合使用在不同实施例中的构成要素。

Claims (20)

1.一种MEMS元件，包括：
第一电极，其被设置在基底上；
第二电极，其被设置在所述第一电极上方并被驱动朝向所述第一电极；
锚件，其被设置在所述基底上；
梁，其将所述第二电极支撑在半空中，所述梁的一端被连接到所述锚件，并且所述梁包括设置在沿其宽度方向的端部处的侧壁部分，所述侧壁部分具有向下的突起部。
2.根据权利要求1的元件，其中通过接合部分使所述梁的另一端连接到所述第二电极，以及
所述接合部分的宽度小于所述梁的宽度。
3.根据权利要求1的元件，其中所述第二电极在其端部具有沿与所述基底的表面垂直的方向突起的第一突起部。
4.根据权利要求1的元件，其中所述第二电极在所述第二电极的一端与另一端之间具有朝向所述第一电极下沉的第一凹入部分。
5.根据权利要求4的元件，其中所述第一电极在面对所述第一凹入部分的位置中具有第一缝隙或第一沟槽。
6.根据权利要求5的元件，其中所述第一缝隙或沟槽的宽度大于所述第一电极的沿与所述基底垂直的方向的膜厚度的两倍。
7.根据权利要求1的元件，其中所述侧壁部分的侧面具有沿与所述基底的表面平行的方向突起的第二突起部。
8.根据权利要求1的元件，其中在所述梁下方的所述基底具有虚设层，所述虚设层的宽度小于所述梁的宽度。
9.根据权利要求8的元件，其中所述梁的底面具有沿与所述基底的表面垂直的方向突起的第三突起部。
10.根据权利要求9的元件，其中所述虚设层在面对所述第三突起部的位置中具有第二缝隙。
11.根据权利要求1的元件，其中所述第二电极在其底面具有朝向所述基底突起的第四突起部。
12.根据权利要求11的元件，其中所述第一电极在面对所述第四突起部的位置中具有第三缝隙或第三沟槽。
13.根据权利要求12的元件，其中所述第三缝隙或沟槽的宽度小于所述第一电极的沿与所述基底垂直的方向的厚度的两倍。
14.根据权利要求1的元件，其中所述侧壁部分的沿与所述基底的表面平行的方向的厚度不大于所述梁的沿与所述基底的表面垂直的方向的厚度。
15.一种MEMS元件制造方法，包括以下步骤：
在基底上形成第一电极和虚设层；
在所述第一电极和所述虚设层上形成具有向上的凸出部分的牺牲层；
在所述第一电极上方形成第二电极，并在所述虚设层上方形成具有基于所述牺牲层的所述凸出部分的侧壁部分的梁；以及
去除所述牺牲层，并在所述虚设层与所述梁之间、在所述虚设层与所述侧壁部分之间以及在所述第一电极与所述第二电极之间形成腔。
16.根据权利要求15的方法，其中所述侧壁部分的沿与所述基底的表面平行的方向的厚度不大于所述第二电极的沿与所述基底的表面垂直的方向的厚度。
17.根据权利要求15的方法，还包括：
当形成所述第二电极时，基于在所述第一电极与牺牲层之间的台阶而在所述第二电极的端部形成沿与所述基底的表面垂直的方向突起的第一突起部。
18.根据权利要求15的方法，还包括：
当形成所述梁和所述侧壁部分时，不仅用掩模覆盖所述梁和所述侧壁部分，而且还用所述掩模覆盖沿与所述基底的表面平行的方向从所述侧壁部分的所述端部突起的部分；以及
通过使用所述掩模处理所述梁和所述侧壁部分，并与此同时，在所述侧壁部分的所述端部形成沿与所述基底的表面平行的方向突起的第二突起部。
19.根据权利要求15的方法，还包括：
在形成所述牺牲层之前，在所述第一电极中形成缝隙或沟槽；以及
在形成所述牺牲层之后，在所述牺牲层上形成用于形成所述第二电极的构件，所述第二电极具有朝向所述第一电极突起的部分，该部分与所述缝隙或沟槽自对准。
20.根据权利要求19的方法，其中所述缝隙或沟槽的尺寸大于所述第二电极的沿与所述基底垂直的方向的厚度的两倍。
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