CN102341341B - Mems器件 - Google Patents

Abstract

一种MEMS器件包括相对的第一和第二电极结构(22、28)，其中所述第二电极结构(28)是电动的，以便改变第一和第二电极结构的相对面之间的电极间隔。所述相对面中的至少一个具有非平坦表面，所述非平坦表面具有至少一个波峰和至少一个波谷。所述波峰的高度和波谷的深度在0.01t至0.1t之间，其中t是所述可移动电极的厚度。

Description

MEMS器件

技术领域

本发明涉及MEMS(微机电系统)器件。

背景技术

MEMS技术正在被逐渐地用于电子器件。开关和可调电容器是可以采用MEMS技术制造的电路部件的示例。

MEMS开关可以用于电路中要求高速、典型地低电流开关的多种应用。MEMS开关具有大电容开关范围的优势。

MEMS电容器也可以用在多种电路中，例如可调谐滤波器、可调谐移相器和可调谐天线。越来越感兴趣的一种应用是在射频(RF)和微波通信系统中，例如用于低成本可重构/可调谐天线。

举例来说，图1示出了一种带有电可调电介质和MEMS受控电介质间隔的MEMS电容器。所述电介质间隔受控于开关的方式，但是电介质性能的模拟电学控制可以实现所述电容器的连续可调性。

诸如Ba_1-xSr_xTiO₃或者PZT之类的可调谐电介质、铁电材料或者压电材料可以用作电介质层14。通过结合MEMS电容器和可调谐电介质，RF MEMS开关的大电容开关范围的优势被增加到可调谐电介质的连续调谐能力的优势上。此外，使用铁电质有益的高介电常数，该介电常数可以比象氮化硅那样的传统电介质的介电常数高10-200倍。这样显著地减小了器件尺寸并且增加了连续调谐范围。

所述器件包括相对的电容器极板10(e1)和12(e2)。电容器极板12由刚度为k的弹簧结构悬置。通过在极板10和12之间施加电压来控制间隙g。直流电压Vdc_switch源自直流电压源18，用于提供该MEMS开关功能。rf交流电压源16代表在工作期间流过所述MEMS器件的rf信号。所述可调谐电介质具有可调谐电介质值ε_d，而其余的电介质间隔是电介质值为ε₀的空气或者真空。所述可调谐电介质受控于电压Vdc_tune，使得施加于电极12的单个电压控制MEMS开关和电介质调谐。所述电容器C和电阻器R是可选的去耦元件。

当然，如果使用不可调(non-tunable)电介质，所述MEMS器件可以被简单地用作电容开关(低频率或者rf频率)。替代地，如果不提供电介质，所述器件可以用作电化开关(galvanic switch)。

本发明特别涉及与开关过程相关的问题。具体地，电容MEMS开关众所周知的限制是上电极从其较低位置(开关闭合，电容为高)返回到其较高位置(开关断开，电容为低)所花费的相对较长的时间。

当所述开关闭合时出现第二个问题。上电极加速然后落在电介质层上。在着陆期间，所述电极快速减速，存储在电极中的动能消失。当较高电压用于开关时，这样可以造成悬置弹簧的变形。

在某些情况下，另一个问题是相关的，即开关释放处的电压V_release通常较低，当RF功率在开关两端时会导致断开开关失效。当RF电压V_RF，rms在开关两端时，且V_RF，rms＞V_release，即使去除致动电压所述开关也不会断开。

发明内容

根据本发明，提供了一种MEMS器件，所述器件包括：

相对的第一和第二电极结构，其中所述第二电极结构是电动的，以便改变第一和第二电极结构的相对面之间的电极间隔，

其中所述相对面中的至少一个具有非平坦表面，所述非平坦表面具有至少一个波峰和至少一个波谷，

其中所述第二电极结构具有范围在1至10μm的厚度t，

以及其中所述波峰的高度和波谷的深度在0.01t至0.1t之间。

所述结构在电极结构的(至少)一个表面上造成了起伏。所述起伏用于存储弹性能，因为当所述可移动电极结构与所述固定电极结构接触时，所述起伏造成了可移动电极结构的变形。

所述起伏与可移动电极结构的厚度相比足够小，以至于可移动电极结构中的剪切应力不过大。然而，所述起伏实现了可移动电极逐渐平缓地减速。这样可以避免不期望的弹簧振动。

波峰和相邻波谷之间的距离优选地在40至300μm的范围内(更优选地在50至250μm的范围内)。这确保了弯曲应力是有限的，具体地是低于屈服应力(对于不同材料而数值不同)。

非平坦表面可以包括周期性排列的至少两个波峰和两个波谷。这样定义了一个重复的起伏表面。

非平坦表面不一定是可移动电极。例如：

可移动的第二电极结构可以具有非平坦表面并且第一电极结构具有平坦表面；或者

可移动的第二电极结构可以具有平坦表面并且第一电极结构具有非平坦表面(所述第一电极结构的电介质层可以具有非平坦表面)；或者

可移动的第二电极结构和第一电极结构可以都具有非平坦表面，其中一个电极结构的波峰与另一个电极结构的波谷对齐。

非平坦表面可以具有某种形状，使得高度沿所述表面平坦轴的二阶导数具有恒定的幅度。这样提供了机械(弹性)能在非平坦表面上的均匀分布。

所述器件优选地包括MEMS电容开关，其中所述第一和第二电极结构之一包括电介质层和接触电极，并且所述第一和第二电极结构中的另一个包括接触电极。

本发明还提供了一种制造MEMS器件的方法，所述方法包括：

形成静止的第一电极结构；以及

形成相对的第二电极结构，其厚度t在1至10μm的范围内，并且支撑所述第二电极结构电动地移动以改变所述第一和第二电极结构的相对面之间的电极间隔，

其中形成所述相对面中的至少一个具有非平坦表面，所述非平坦表面具有至少一个波峰和至少一个波谷，所述波峰的高度和波谷的深度在0.01t至0.1t之间。

所述方法的一个示例包括：

在衬底上形成第一电极结构；

在所述第一电极结构上形成牺牲层，所述牺牲层的上表面具有非平坦剖面；

在所述牺牲层上形成所述第二电极结构；以及

去除所述牺牲层，从而暴露出具有非平坦表面的第二电极结构的下面。

该方法能够实现在所述牺牲层的表面上形成非平坦表面，并且与标准方法相比几乎不需要附加工艺。形成所述第一电极结构可以包括形成接触电极以及在所述接触电极上的电介质层。

可以形成所述牺牲层，具有第一非平坦第一牺牲层部分和第二均匀厚度第二牺牲层部分。这用于精确地定义所需非平坦剖面，以及只具有一个附加的构图步骤(第一部分的构图步骤)。

附图说明

现在将参考附图详细描述本发明的示例，其中：

图1示出了结合电可调电介质和MEMS开关功能的MEMS器件；

图2以示意的形式示出了传统电极结构以及根据本发明所述的电极结构的不同示例；

图3示出了用于建模所述电极形状所感兴趣的参数；

图4用于阐释本发明制造方法的一个示例；

图5示出了用于分析本发明益处的变形梁的模型；

图6示出了带有平坦电极的MEMS器件的响应；

图7示出了在断开状态下变形梁的模型；

图8示出了当通过非平坦接触表面使之变形时，在闭合状态下的变形梁的模型；以及

图9示出了带有非平坦接触表面的MEMS器件的响应。

具体实施方式

在不同的图中使用相同的参考数字来表示相同的元件。

本发明提供了一种MEMS器件，其中所述电极结构的相对面中至少一个具有非平坦表面，所述非平坦表面包括至少一个波峰和至少一个波谷。所述波峰的高度和所述波谷的深度在0.01t至0.1t之间，其中t是可移动电极薄膜的厚度。这种起伏意味着随着所述开关闭合，所述可移动电极逐渐地减速。

图2示出了各种可能的结构。图2(a)示出了衬底20、静止下电极22、电介质层24、空气间隙26以及可移动上电极28的已知结构。

根据本发明，所述两个电极结构(包括与所述电极接触的任何电介质层)中的至少一个是不平坦的，即起伏的。

图2(b)示出了起伏的上电极28，图2(c)示出了起伏的下电极22和电介质层24，图2(d)示出了起伏的上电极、下电极和电介质层(其中一个电极结构的波峰与另一个电极结构的波谷对齐，或者具有不同的间距)，使得当可移动电极与所述固定电极接触时可移动电极再次变形。图2(e)示出了在平面下电极22之上的起伏的电介质层24。

现在将参考具有两个最大值和两个最小值的起伏的非平坦下电极给出本发明的分析。然而本发明可以被实现为大于或等于1个最大值和1个最小值的任何数字，并且可以采用图2(b)至2(e)中示出的所有可能性。

当向下移动时，所述悬置薄膜(可移动电极28)首先在与该悬置薄膜距离最小的点处接触所述电介质层。然后，所述可移动电极在两个电极之间静电力的作用下变形。这样有三个作用：

(1)进一步减小了所述上电极与所述电介质层之间的残余空气间隙，并且因此增加了两个电极之间的电容。

(2)使在尚未接触区域中的所述悬置薄膜逐渐地减速。设计所述弹簧悬挂使得着陆时与所述薄膜的连接不首先接触。作为其结果的更为平缓的减速造成了较小的弹簧振动和变形。

(3)弹性势能存储在薄膜变形中。这种能量在所述断开动作开始时被释放，造成了减小的断开时间。

应当针对最佳刚度和电极变形中的能量存储来调谐所述起伏的横向和纵向的尺寸和形状。曲率形状确定了应力的量，所述应力的量应当处处低于应力限制。所述起伏还能够实现释放电压的增加，使得开关在被驱动至闭合位置之后能够可靠地断开，无需将驱动电压降至传统设计中的水平。这是在薄膜中存储的弹性能的结果。然而，不会不利地影响接通周期(pull-in cycle)。在断开状态下的薄膜刚度也没有被起伏改变。

薄膜厚度的典型尺寸处于几个微米的数量级(例如1μm至10μm，或者甚至3μm至5μm)。当具有这种厚度的薄膜被起伏弄变形时，就会产生剪切应力和弯曲应力。为了避免薄膜中过大的应力和塑性变形的可能，应当尽可能地避免剪切应力。已经发现，当薄膜的位移处于低于所述厚度10％的数量级时，可以实现这一点。因此，所述波峰的高度和所述波谷的深度在0.01t至0.1t之间，其中t是薄膜的厚度。这样造成了起伏高度低于500nm，更优选地低于400nm，甚至更优选地低于250nm。

图3示出了与所述起伏相关的参数。线条30代表所述薄膜的中心线。因此所述波峰-波谷高度h小于所述薄膜厚度的0.2倍。所述间距被示作p(所以0.5p是相邻波峰和波谷之间的距离)以及所述波峰/波谷的曲率半径被示作R。

矩形板沿弯曲半径r_x朝一个方向弯曲的弯曲应力等于：

${\mathrm{\σ}}_x=\frac{\mathrm{Ez}}{1-v^2}\left(\frac{1}{r_x}\right),$

其中，z是距中性面的高度，E是杨氏模量，v是泊松比。因此对于薄膜厚度t，最大弯曲应力等于：

${\mathrm{\σ}}_x=\frac{\mathrm{Et}}{2(1-v^2)}\left(\frac{1}{r_x}\right).$

对于沿弯曲半径r_x＝r_y＝R朝两个方向弯曲的平板，最大弯曲应力等于：

${\mathrm{\σ}}_x=\frac{\mathrm{Et}}{2(1-v^2)}(\frac{1}{R}+v\frac{1}{R})=\frac{\mathrm{Et}}{2R(1-v)}$

起伏间距的合适范围可以通过考虑材料的杨氏模量和屈服应力来确定。弯曲应力应当远低于屈服应力来避免塑性变形。所述弯曲半径R与起伏间距p和起伏高度h有关：

$R=\sqrt{{\left(\frac{p}{4}\right)}^2+{(R-\frac{h}{2})}^2},$

或者：

$R=\frac{p^2+4h^2}{16h}$

对于典型的薄膜材料，例如铝，E＝70GPa，v＝0.33。如果5μm厚的薄膜朝两个方向弯曲且起伏高度h＝500nm，并且x-方向和y-方向的弯曲应力局限为远低于屈服应力(120Mpa)，例如为50Mpa，那么起伏间距应当不小于：

$p=\sqrt{\frac{16\mathrm{Eth}}{2{\mathrm{\σ}}_x(1-v)}-4h^2}\≈200\mathrm{\μm}$

因此起伏间距的典型范围为几百微米，例如100-500μm，依赖于薄膜材料。更具体地，材料最重要的性质是杨氏模量和屈服应力。除了铝，其他适合的材料为金、镍和钛。

优选地，形成起伏的形状，使得机械能在所述表面上均匀分布。这一点可以通过使所述起伏的二阶导数的绝对值沿一个方向保持恒定来实现：即|d²z/dx²|＝C，其中C是常数，z是起伏的高度(并且d²z/dy²＝0)。这样给出了一种具有带有相等二阶导数抛物线的相邻部分的波纹结构。期望作为公式|d²z/dx²|+|d²z/dy²|＝C的解的高度函数z(x，y)将给出均匀分布。可能的解是调和方程的子集，例如对于x²+y₂＞r0是exp(x)sin(y)或者ln(x²+y²)。

因此，对于球状起伏弯曲应力将均匀分布。由于工作原理保持不变，来自球状起伏的偏差也是适用的。然而，薄膜中弯曲应力的分布和最大弯曲应力将受到影响。

实际上，所述起伏应当尽可能保持浅(h小)和密集(p小)，受限于制造精度，并且维持所述应力低于屈服应力。这样造成了薄膜中更为均匀的应力分布，提高了断开时的应力释放。

波峰和相邻波谷之间的距离(0.5p)典型地在40至300μm范围内，更优选地在50至250μm范围内。

在图4中示出了一种用于形成非平坦上电极的制造方法的示例。对所述牺牲层(被去除后将成为空气间隙)进行构图为呈不同厚度。最简单的实现方式可以只由两个不同层厚组成，如图所示，并且比已知的MEMS工艺仅多消耗一个掩模。

图4(a)示出了衬底20、下电极22、电介质层24和所述牺牲层的第一构图部分25a。所述第一部分的厚度确定了所述起伏的高度，并且对其进行构图确定了所述起伏的横向尺寸。

随后在第一部分的上面施加所述牺牲层的第二部分，如图4(b)所示，以便提供最终的牺牲层剖面25b。第二部分没有被构图，因此具有均匀的厚度。高度差将被部分地保留，并且如图4(c)所示转移到上电极28。

在去除所述牺牲层之后，所述上电极具有如图4(d)所示的期望形状。

这是一种优选的方法，但是有许多替代的方法来形成起伏表面。例如：

可以使用具有不同热膨胀系数的两种不同材料制造所述上电极，以便形成一个或者多个起伏，或者

沉积所述上电极使得引入应力梯度，所述应力梯度造成起伏，或者

通过在所述电介质层中或其上溅射或者电镀来光刻地形成局部高度变化。然后应当平坦化所述牺牲层的上面(例如通过CMP或者旋涂玻璃SOG方法)。

上电极的局部厚度还确定了其弹性性能，并且可以改变来提高性能。

为了证明本发明的工作原理并且体现有益效果的水平，阐释了一个仿真示例。所述仿真示例由图5所示的简单2D结构组成。

所述结构由总长度L、厚度T、宽度(在纸面外)b的薄膜组成，所述结构通过悬置系统悬置于平坦电极22的上方。用4个欧拉梁元件50(图中的4个部分)建模所述薄膜，产生5个节点52。每个节点i具有2个自由度：纵向位移z_i和旋转θ_i。还假设电极间隙包括具有均匀厚度t_d的相对较薄的电介质(未示出)。

所述薄膜和电极22的上表面之间的初始间隙是g。

当t＝0时，在所述电极22和所述薄膜28之间施加电压V，产生静电力。该静电力向下牵引所述薄膜，直至其塌下(collapse)并且与平坦电极接触。对所述薄膜的瞬态特性进行建模，包括阻尼力、弹性力和接触力。选择下述几何尺寸的数值，并且这些数值表明了适用于MEMS器件的典型数值：

L＝200μm

T＝5μm

b＝50μm

g＝3μm

t_d＝425nm

在25μs之后，去除所述致动电压V，开关再次断开。对于这种具有平坦电极的设计，可以从图6所示的电容随时间变化的曲线中看出其瞬态特性。

所述闭合和断开时间分别等于9.8μs和112μs。

现在，考虑非平坦接触表面。假设所述电极具有如图7所示幅值为h的正弦曲线形状。选择参考水平70，使得与平坦电极情况相比不改变断开状态下的电容。

所述薄膜开始是平坦的。在闭合之后，所述薄膜如图8所示弯曲。

在改变幅值h时模拟闭合和断开的瞬间。这些情况下下的电容随时间变化的曲线如图9所示。在图9中，还示出了具有平坦电极的原始情况。

开关时间从112μs(平坦电极)降至：

104μs(h＝50nm)，或者-7％

96μs(h＝100nm)，或者-14％

84μs(h＝200nm)，或者-25％

所述下降的一部分是由悬置系统的弹簧(与所述薄膜的边缘相连)被稍微长造成的。然而，断开时间下降的主要部分是由所述薄膜中弹性能的存储造成的。此外，所述闭合瞬间和在接通和关断状态下的电容值没有受到显著影响。

上述分析基于粗略模型。然而，所述建模证明了即使电极中非常小的弯曲(在200μm的长度上0.1μm的数量级)也会导致断开时间的显著减小。

在图中，仅示意地示出所述器件的结构。具体实现方法对于MEMS器件领域的普通技术人员而言是常规的。例如，在上电极中应当有足够多的孔洞来让空气流入和流出，或者在电介质中的空气通路。

上述示例示出了电容开关，但是本发明还可以应用于电化开关或者其他进行机械接触和释放的MEMS器件。

上述尺寸意味着所述非平坦梁变形，使得完全闭合时在所述接触区域中可移动电极结构与静止电极结构之间有实质上恒定的接触。因此，所述非平坦表面不意味着减小最终接触区域，这是一种减小电极结构之间粘接的已知方法。在一个接触面是平坦的而另一个接触面是起伏的情况下，当开关处在闭合位置时，所述起伏表面变形为实质上平坦的剖面。

如上所述，本发明应用于电容开关、电化开关(无电介质)或者采用可调谐电介质的可调谐电容开关。

本领域普通技术人员应当理解各种修改。

Claims (14)

1.一种MEMS器件，包括：

相对的第一和第二电极结构(22、28)，其中所述第二电极结构(28)是电动的，以便改变第一和第二电极结构的相对面之间的电极间隔，

其中所述相对面中的至少一个具有非平坦表面(30)，所述非平坦表面具有周期性排列的至少两个波峰和至少两个波谷，当改变所述电极间隔使得所述第二电极结构与所述第一电极结构接触时，所述非平坦表面与另一个相对面接触，

其中所述第二电极结构(28)具有范围在1至10μm的厚度t，

以及其中所述波峰距中心线的高度和所述波谷距中心线的深度在0.01t至0.1t之间。

2.根据权利要求1所述的器件，其中波峰和相邻波谷之间的距离在40至300μm的范围内。

3.根据权利要求2所述的器件，其中波峰和相邻波谷之间的距离在50至250μm的范围内。

4.根据前述权利要求中任一项所述的器件，其中可移动的第二电极结构(28)具有非平坦表面，并且所述第一电极结构(22)具有平坦表面。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的器件，其中可移动的第二电极结构(28)具有平坦表面，并且所述第一电极结构(22)具有非平坦表面。

6.根据权利要求5所述的器件，其中所述第一电极结构(22)包括具有非平坦表面的电介质层(24)。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的器件，其中可移动的第二电极结构(28)和所述第一电极结构(22)具有非平坦表面，其中一个电极结构的波峰与另一个电极结构的波谷对齐。

8.根据权利要求1所述的器件，其中所述非平坦表面的形状使得高度沿所述表面平坦轴的二阶导数具有恒定的幅度。

9.根据权利要求1所述的器件，包括MEMS电容开关，其中所述第一和第二电极结构之一包括电介质层(24)和接触电极(22)，并且所述第一和第二电极结构中的另一个包括接触电极(28)。

10.一种制造MEMS器件的方法，包括：

形成静止的第一电极结构(22)；以及

形成相对的第二电极结构(28)，其厚度t在1至10μm的范围内，并且支撑所述第二电极结构电动地移动以改变所述第一和第二电极结构相对面之间的电极间隔，

其中将所述相对面中的至少一个形成为具有非平坦表面，所述非平坦表面具有周期性排列的至少两个波峰和至少两个波谷，所述波峰距中心线的高度和所述波谷距中心线的深度在0.01t至0.1t之间，其中当改变所述电极间隔使所述第二电极结构与所述第一电极结构接触时，所述非平坦表面与另一个相对面接触。

11.根据权利要求10所述的方法，包括：

在衬底(20)上形成第一电极结构；

在所述第一电极结构上形成牺牲层(24)，所述牺牲层的上表面具有非平坦剖面；

在所述牺牲层上形成所述第二电极结构(28)；以及

去除所述牺牲层，从而暴露出具有非平坦表面的第二电极结构(28)的下表面。

12.根据权利要求11所述的方法，其中形成所述第一电极结构(22)包括形成接触电极(22)和在所述接触电极上的电介质层(24)。

13.根据权利要求11所述的方法，其中形成所述牺牲层包括形成第一非平坦第一牺牲层部分(25a)和形成第二均匀厚度第二牺牲层部分(25b)。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其中形成波峰和相邻波谷之间的距离在40至300μm范围内。

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