CN102543522A - 用于制造由磁场激励的微开关的方法 - Google Patents

Abstract

本发明关于一种在平面衬底上制造由磁场激励的微开关的方法，所述方法包含：a)蚀刻步骤(42)，以在所述平面衬底的上表面中蚀刻用来形成两条带的凹的模型的空腔，所述空腔具有垂直侧面，所述垂直侧面垂直于所述衬底的所述平面延伸以形成所述带的垂直表面；b)填充步骤(50)，以通过磁性材料来填充所述空腔以形成所述带；接着c)蚀刻步骤(62)，以通过各向同性的蚀刻方法在所述衬底中蚀刻井，所述井在所述带的所述垂直表面上延伸并且低于及包围所述带中至少一条的一个远端，以展开所述带之间的空气间隙并使所述远端能在封闭的位置与开放的位置之间运动。

Description

用于制造由磁场激励的微开关的方法

技术领域

本发明关于在平面衬底上用于制造由磁场激励的微开关的方法。本发明还关于这种类型的开关。

由磁场激励的微开关还被称作磁簧开关(Reed switch)。

微开关尤其就其制造方法而言不同于宏观的开关。通过与制作微电子芯片相同的批量制作方法来制作微开关。例如，微开关可由通过光刻法及蚀刻法加工的及/或通过金属材料的外延晶体生长和沉积而形成结构的单晶硅或玻璃制成。

先前技术的微开关包含：

平面衬底，其具有上表面，

至少两条磁性材料的带，其具有在平行于所述衬底的平面上平行延伸的垂直表面，并且所述带相互界定空气间隙，所述带中的至少其中一条能在磁场的效力下在以下位置之间运动：

封闭的位置，其中两条带的垂直表面直接地相互机械接触以使电流流通，以及

开放的位置，其中两条带的垂直表面通过所述空气间隙相互分离以将一条带与另一条带电绝缘。

在这些已知的微开关中，带平行于衬底的平面运动。因此，在制作这些带期间，可几乎没有限制的通过光刻法来精确地界定平行于衬底平面的带厚度。这使得可以非常精细及可重复地调整微开关的某些重要特性，例如带的硬度。而这些优点不能体现在其中带垂直于衬底平面运动的微开关中。

背景技术

已经提出一些用于制造这些微开关的方法，例如在专利申请US2009/0237188中或在如下文献(文献A1)中公开的示例：

S.Roth，C.Marxer，G.Feusier，N.F.De Rooij，“One mask nickelmicro-fabricated reed relay”，IEE 0-7803-5273-4，2000。

但是，已知的方法很复杂且需要大量的蚀刻步骤。例如，在文献A1中描述的方法需要一个蚀刻光敏树脂的操作以挖空且去除带的垂直表面，还需要另一个蚀刻操作以去除位于带之间的晶种层(seed layer)。

此外，在现有技术的微开关中，带伸出(project)到衬底的上表面上。因此，必须添加罩子(hood)来保护这些带。目前，该操作很复杂，因为其需要罩子相对于衬底定位的高精确性。

在现有技术中，还已知以下文献中的方法：JP2008243450A、US2007/046392A1、WO98/34269A 1以及EP1108677A1。

发明内容

本发明旨在通过提出一种更简单的用于制造微开关的方法来克服至少一个上述缺点。

因此，本发明在于一种制造方法，其包含：

a)蚀刻步骤，以在所述平面衬底的上表面中蚀刻用来形成两条带的凹的模型的空腔，所述空腔具有垂直侧面，所述垂直侧面垂直于所述衬底的所述平面延伸以形成所述带的垂直表面，接着

b)填充步骤，以通过磁性材料来填充所述空腔以形成所述带，接着

c)蚀刻步骤，以通过各向同性的蚀刻方法在所述衬底中蚀刻井，所述井在所述带的所述垂直表面上延伸并且低于及包围所述带中至少一条的一个远端，以展开所述带之间的空气间隙并使所述远端能在以下位置之间运动：

封闭的位置，其中所述两条带的所述垂直表面直接地相互机械接触以使电流流通，及

开放的位置，其中所述垂直表面通过所述空气间隙相互分离以使一条带与另一条带电绝缘。

上述制造方法更简单，原因在于各向同性的蚀刻使该方法可在单独的一个操作中清除运动带的远端的侧面及下面的材料。特别地，因此不必要在带与衬底之间沉积牺牲层且然后去除该牺牲层以释放移动的带。

所述制造方法的实施例可包含一个或多个以下特征：

蚀刻步骤为用于蚀刻硅衬底的步骤；

所述方法包含在填充所述空腔之前，至少在所述垂直侧面上沉积导电材料的涂层，所述涂层的厚度严格地小于所述带的厚度的一半；

通过磁性材料来填充所述空腔的所述填充步骤是使用所述导电材料的涂层作为电极通过电解沉积来完成的；

在填充所述空腔后并在于衬底中蚀刻所述井之前，所述方法包含制作罩子的步骤，以覆盖在其中需蚀刻所述井的空间，并且在所述罩子中制作入口孔，并在蚀刻所述井的蚀刻步骤期间，通过每个所述入口孔注入各向同性的蚀刻剂以在所述罩子下实现对所述井的各向同性的蚀刻，然后如果必要则塞住所述入口孔；

在所述衬底的所述上表面上蚀刻所述空腔的蚀刻步骤是通过各向异性的蚀刻方法来完成的；

蚀刻所述空腔的所述蚀刻步骤还包含同时蚀刻用来形成电极的凹的模型的空腔，以将所述带电连接至外部电路；

填充所述空腔的所述填充步骤是通过在所述衬底的整个上表面上包括在所述空腔外侧沉积磁性材料的层来完成的，并且然后所述方法包含机械/化学抛光步骤，以对所述衬底的所述上表面进行机械/化学抛光以去除位于所述空腔外侧的磁性材料的沉积。

所述制造方法的这些实施例进一步具有以下优点：

蚀刻硅衬底使其能获得几乎完全平行的垂直表面，因而降低微开关在封闭的位置中的电阻；

用导电材料的涂层涂敷所述带的垂直表面增加了微开关在封闭的位置中的导电性；

当执行电解时使用导电涂层作为导电层简化了所述制造方法，原因在于在所述制造方法的后续操作期间没有必要去除该导电涂层；

使罩子直接位于包含电极的衬底的顶部简化了所述制造方法，原因在于再没有必要另外添加该罩子及因而需要的该罩子相对于井的精确定位；

使用各向异性的蚀刻来挖空所述空腔从而提供了完全垂直的侧面，因而降低了微开关在封闭的位置中的电阻；

同时蚀刻所述空腔以电极连接至所述带的步骤简化了所述制造方法；

对衬底的上表面进行机械/化学抛光不仅去除了位于所述空腔外的磁性材料的沉积还恢复了平整的上表面，因而有利于在后续步骤中制作所述罩子。

本发明的目的还在于一种由磁场激励的微开关，所述微开关包含：

平面衬底，其具有上表面，

至少两条具有垂直表面的磁性材料的带，所述垂直表面垂直于所述衬底的所述平面延伸并且相互界定空气间隙，所述带中的至少一条能在所述磁场的效力下在以下位置之间运动：

封闭的位置，其中所述两条带的所述垂直表面直接地相互机械接触以使电流流通，以及

开放的位置，其中所述垂直表面通过所述空气间隙相互分离以使一条带与另一条带电绝缘，

其中所述带整个收纳于在所述衬底中挖空的井中。

附图说明

本发明将从以下描述完全地通过非详尽性的示例方式参照附图被更清楚地理解，其中：

图1是微开关的俯视示意图；

图2是图1中微开关一部分的垂直剖面示意图；

图3是制造图1的微开关的方法流程图；

图4到图8是当通过图3的方法来制造微开关时，在制造过程中不同步骤的垂直剖面示意图；

图9是微开关的第二实施例的俯视示意图；

图10是微开关的第三实施例的俯视示意图。

在这些附图中，相同的参考符号用来指示相同的元件。

具体实施方式

在本文以下的描述中，将不再详细描述已被本领域普通技术人员所公知的特征及功能。

图1展示微开关2，其能被平行于X方向的磁场所激励。微开关2制作于水平延伸，即：平行于正交方向X及Y的平面衬底4中。在以下描述中，垂直的方向，即正交于方向X和Y的方向，由Z来表示。

衬底4为坚硬的衬底。为此，其在Z方向上的厚度大于200微米且优选地大于500微米。该衬底有利地为电绝缘衬底。

例如在这里，衬底4为硅衬底，即：包含硅的质量为至少10％且通常大于50％的衬底。该衬底4为无机且非光敏性的。该衬底4具有水平面的上表面6。

微开关2具有电极8和10，穿过微开关2的电流流过该电极8和10。电极8和10没有任何自由度地固定于衬底4上。在这里，电极8和10为平行四边形，其上表面位于与衬底4的上表面6相同的平面中。这些电极的垂直表面延伸至衬底4中。每个电极的垂直表面在衬底4中通过例如平行于上表面的下表面连接至另一个电极。

带12和14平行于方向X分别从电极8和10处开始延伸。这些带12和14可在平行于方向X的磁场的效力下相对于彼此在以下位置间运动：

开放的位置(参见图1)，其中带通过填充有介电气体的空气间隙15而相互电绝缘，以及

封闭的位置，其中带直接地相互机械接触以使电流在电极8与电极10之间流通。

在这里，每个带具有平行于方向X延伸的平行四边形的形状。因此，同电极一样，每条带具有：

上表面，其位于与衬底4的上表面6相同的平面中，

垂直表面，其穿进衬底4的内部，以及

下表面，其位于衬底4的表面6以下，并且例如平行于带的上表面。

每条带12和带14分别具有近端16和近端18，其分别机械并电连接至电极8和10。在这里，近端16和近端18分别没有自由度地连接至它们各自的电极。因此，这些近端16和近端18是固定不动的。

在本实施例中，带与其机械连接的电极一起形成一个相同材料的块。

每条带12和带14还分别具有远端20和远端22。这些远端20和22彼此相对且在开放位置中通过空气间隙15相互分离。相反地，这些远端在封闭位置中直接地相互接触。

这里，在本实施例中，仅远端20是弹性的以在开放位置与封闭位置间运动。另一个远端22没有任何自由度地固定于衬底4上。

远端20平行于水平面X，Y单独地移动。为此，远端20容纳在其中填充有介电气体例如空气等的井24中。更具体而言，远端20弯曲以从开放的位置到达封闭的位置。远端20在开放位置与封闭位置间的变型是全弹性的以当没有外力时其能自动地回到开放的位置。

为了是弹性的，远端20在方向X上的长度远大于其在方向Y上的厚度。例如，远端20的长度是其厚度的5、10或50倍。在这里，远端20的厚度小于100微米且优选地小于50微米或10微米。

在本示例中，远端20在方向7上的高度通常是在20微米到50微米的量级。

在这里，固定远端22的高度等于移动远端20的高度。

如果有足够的磁性材料以集中平行于方向X的外部磁场，则固定远端22的长度和宽度没有任何特定的值。同理，带12的尺寸足够的大以使其能保持集中平行于方向X上的外部磁场。

带12和14以及电极8和10的基本部分是由软磁性材料制成的。软磁性材料是具有低频率实部大于1000的相对磁导率的材料。这样的材料通常具有强制激励以在磁场强度低于100A.m^-1时消磁。例如，这里使用的软磁性材料是铁和镍的合金。

为了增加带的电导率，带的垂直表面和下表面都由导电涂层28所覆盖。这同样适合于电极8和10的垂直表面和下表面。例如，该涂层是由铑(Ro)、钌(Ru)或铂(Pt)制成。微开关2还具有覆盖井24的罩子30(参见图2)。为了简化图1，该罩子未展示在图1中。

图2展示了沿着图1所示的横截面I-I的垂直剖面。在图2中展示了覆盖井24的罩子30。罩子30阻止杂质进入到井24的内部，并且能防止带12的运动。在图2中可注意到，井24的所有壁，特别是井24的底部都形成在衬底4中并依靠衬底4(by the substrate 4)。井24是从衬底4中挖空的一个隐蔽凹槽。

当平行于方向X施加外部磁场时，该磁场由带12和14集中并引导。该磁场的场力线由图1中的箭头F来代表。这在空气间隙15中产生了易于减小该空气间隙的力。这个力使远端20弯曲直到其与远端22接触。因此，外部磁场可以使带12在其开放位置与封闭位置之间移动。当外部磁场消失时，远端20通过弹性变形的板簧(spring leaf)回到开放位置。

现将通过图3所示的方法来更详细地描述制造微开关2。

这里所描述的制造方法是一种使用微电子元件的制造方法技术的集中或批量的制造方法。因此，首先提供硅晶片(wafer)，在该晶片上将同时通过相同的操作来制造多个微开关。为了简化以下描述，以单个微开关的情况来单独地说明不同的制造步骤。在图3所示方法期间所获得的不同制造状态将展示于图4至图8中的垂直剖面中。

在步骤40处，将光敏树脂层41(参见图4)沉积在衬底4的上表面6上。接着，在衬底4中需要挖出空腔的区域通过照射树脂而界定。这些区域对应于电极和带的位置。在这里，这是一个经典的光刻法步骤。

在步骤42处，对上述所界定的区域实行各向异性的蚀刻以直接在衬底4中挖出空腔44和46(参见图4)，从而为带12和14以及电极8和10形成凹的模型。这里的术语“各向异性”的蚀刻指的是这样一种蚀刻，其在方向Z上的蚀刻速度大于在水平方向X和Y上蚀刻速度的至少10倍，且优选地大于水平方向X和Y上蚀刻速度的50倍或100倍。换言之，水平蚀刻速度相对于垂直方向上的蚀刻速度而言可忽略不计。这样提供的侧面(flank)较使用其它蚀刻方法形成的侧面而言更加垂直。特别地，被挖空的空腔44和46的侧面较使用其它蚀刻方法在光敏树脂中挖空的空腔侧面而言更加垂直。例如，这里所用的方法是等离子体蚀刻或深硅化学蚀刻。

在步骤48处，去除光敏树脂层41并且将导电涂层28沉积在整个上表面上。因此，该导电涂层不仅覆盖空腔的垂直侧面还覆盖空腔的底部以及衬底的上表面6。

在步骤50处，空腔由软磁性材料(52)(参见图5)填充。此处的填充是由使用涂层28作为导电电极的电解沉积来完成的。因此，涂层28还实现了晶种层的功能。由于涂层28在衬底4的整个表面上延展，因此材料52同样沉积在衬底4的整个上表面上以及空腔44和46中。因而获得图5所示的状态。

在步骤54处，对衬底4执行机械/化学抛光以恢复衬底4的平面上表面6。化学机械抛光(chemical mechanical planarization)还因其首字母缩写CMP而为人所知。在这里使用抛光步骤以去除位于空腔44和46外部的材料52和涂层58。在本步骤的最后，获得图6所示的状态。

在步骤56处，罩子30沉积在将挖出井24的位置。为此，额外厚度58(参见图7)的材料沉积在已经挖出井24的区域上。能用与衬底4相同的各向同性的蚀刻剂来蚀刻用来形成该额外厚度58的材料。例如此处，该材料为硅。该额外厚度58使罩子30与远端20和22的上表面隔离开。接着，又在本步骤56中，将薄层59沉积在衬底4的整个上表面上。该薄层59由耐受各向同性蚀刻剂的材料制成。最后，在用于形成罩子30的薄层59中，为各向同性的蚀刻剂形成入口孔60。为了简化图7，仅仅显示了多个入口孔中的一个入口孔60。这些入口孔布置在已被挖空的井24的上方。

在步骤62处，直接蚀刻衬底4以形成井24。在本步骤中，蚀刻是各向同性的。各向同性的蚀刻是这样一种蚀刻步骤，其中在方向X，Y上的蚀刻速度等于在方向Z上的蚀刻速度加上或减去50％，优选地为加上或减去20％或10％。

在步骤62处，通过入口孔60使各向同性的蚀刻剂与将被蚀刻的硅直接接触。这里选择不与软磁性材料52和涂层28反应的蚀刻剂。例如，蚀刻剂可为气体XeF₂。

由于蚀刻剂是各向同性的蚀刻剂，因此能去除远端20和22的垂直表面及同时去除其底部，即远端20的下表面(参见图8)。

因此，在各向同性的蚀刻步骤的最后形成了井24。

最后，在步骤66处，如果必要则再次关闭入口孔60，分割其上已批量形成不同微芯片的晶片，以将多个微开关机械地相互分开。

图9展示与微开关2相同的微开关70，除了用弹性的带72来代替微开关中的带14以外。例如，带72与带12相同，但是通过其近端机械地连接至电极10。为了使带72的远端能响应与方向X平行的磁场而移动，用更大的井74来替代井24。更具体而言，井74包围在带12的远端20以及带72的远端26，使得这两个远端能相对于衬底4在开放位置与封闭位置之间移动。

除了当沿方向X施加外部磁场时，远端20和70均移动以相互接触之外，微开关70的工作情况与微开关2的相同。

除了布置入口孔60以获得包围远端20和76的井74之外，制造微开关70的方法与参照图3所描述的方法相同。

图10展示在平面衬底82上制造的微开关80。为了简化图10，没有示出用来覆盖此开关的罩子。通常，这里所描述的开关80是已被公知的具有一个输入和两个输出的单刀双掷(single-pole，double-throw，SPDT)微开关。

微开关80具有其近端没有任何自由度地固定于电极86的弹性带84，电极86本身没有任何自由度地固定于衬底82。带84由软磁性材料构成。带84的远端88能在以下位置之间运动：

开放的位置(参见图10)，其中远端88通过空气间隙90与固定的带92电绝缘，并且通过空气间隙94与固定的带96电绝缘，

第一封闭位置PF1，其中远端88直接地与带92机械接触以使电流在电极86和电极100之间流通，以及

第二封闭位置PF2，其中远端88直接地与带96机械接触以使电流在电极86和电极102之间流通。

为了能运动，整个远端88收纳于从衬底82中挖空的井104中。

带88弯曲以向第一封闭位置PF1或第二封闭位置PF2运动。然而，当没有磁场时，此弹性的变形可使带自动回到其开放的位置。

带92和96以及电极100和102没有任何自由度地固定于衬底82。

微开关80还具有两个静电驱动电极106和108。每个电极106和108分别具有面向远端88的平板110和112。每个平板110和112分别布置在远端88的各自一侧上。更具体而言，布置平板110以向远端88施加静电力，使远端88能运动到第一封闭位置PF1。布置平板112从而以相反的方向向同样的远端88施加静电力，使远端运动到第二封闭位置PF2。

微开关80还具有磁场源116，其能在不激励电极106和108的情况下使远端88保持在任意一个封闭的位置中。为此，磁场源116产生平行于方向X的永久磁场。例如，磁场源116是永久性磁铁。该磁场源116可以包含或未包含在衬底82中。

因此，为了使远端88从第一封闭位置PF1运动到第二封闭位置PF2，对电极108施加电压。该电压足够使施加在远端88和平板112之间的静电力带动远端88向第二封闭位置运动。接着，切断对电极108的电源供应，则在磁场源116的磁场效力下，远端88仍维持在第二封闭位置中。

为了使远端88从第二封闭位置PF2运动到第一封闭位置PF1，执行同样的操作，只不过是对电极106而不是电极108提供电源。

除了以下情况外，微开关80的制造方法类似于参照图3所描述的方法：除了有用于形成电极和带的凹的模型的空腔外，还制作用于形成电极106和108的凹的模型的额外空腔。接着，使用与图3所描述的方法相同的步骤来填充这些空腔，去除软磁性材料和位于这些空腔外地涂层，并且最后制作罩子和井104。

如前述实施例，所有的电极和带都位于衬底中，即在衬底的上表面以下。

更多其它的实施例也是可能的，例如可以省略导电涂层28。可在此情况中使用另一种沉积技术，例如物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)方法。在另一实施例中，首先沉积导电涂层，然后通过蚀刻去除该导电涂层。

衬底4可由其它材料，例如玻璃制成。

微开关可以具有许多对电连接至相同电极的带。

固定的带可以具有非特定的形状。特别地，由于固定的带不需要变形，因此其长度没有必要大于其厚度。

可使用其它的各向异性或各向同性的蚀刻方法。

作为一种变型，可用磁性材料部分地填充空腔，使得带的上表面位于衬底的上表面以下。

除了本文所描述的制造方法外，其它的用于制作微开关的方法也是可能的，只要这些方法能使该微开关的带整个收纳于井中并不伸出衬底的上表面外即可。

Claims (9)

1.一种在平面衬底上制造由磁场激励的微开关的方法，其特征在于所述方法包含：

a)蚀刻步骤(42)，以在所述平面衬底的上表面中蚀刻用来形成两条带的凹的模型的空腔，所述空腔具有垂直侧面，所述垂直侧面垂直于所述衬底的所述平面延伸以形成所述带的垂直表面，接着

b)填充步骤(50)，以通过磁性材料来填充所述空腔以形成所述带，接着

c)蚀刻步骤(62)，以通过各向同性的蚀刻方法在所述衬底中蚀刻井，所述井在所述带的所述垂直表面上延伸并且低于及包围所述带中至少一条的一个远端，以展开所述带之间的空气间隙并使所述远端能在以下位置之间运动：

封闭的位置，其中所述两条带的所述垂直表面直接地相互机械接触以使电流流通，及

开放的位置，其中所述垂直表面通过所述空气间隙相互分离以使一条带与另一条带电绝缘。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述蚀刻步骤(42，62)是用于蚀刻硅衬底的步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包含沉积步骤(48)，以在填充所述空腔之前，至少在所述垂直侧面上沉积导电材料的涂层，所述涂层的厚度严格地小于所述带的厚度的一半。

4.根据权利要求3所述的方法，其中通过磁性材料来填充所述空腔的所述填充步骤(50)是使用所述导电材料的涂层作为电极通过电解沉积来完成的。

5.根据权利要求1所述的方法，其中在填充所述空腔后并在于衬底中蚀刻所述井之前，所述方法包含制作罩子的步骤(50)，以覆盖在其中需蚀刻所述井的空间，并且在所述罩子中制作入口孔，并在蚀刻所述井的蚀刻步骤(62)期间，通过每个所述入口孔注入各向同性的蚀刻剂以在所述罩子下实现对所述井的各向同性的蚀刻，然后如果必要则塞住所述入口孔。

6.根据权利要求1所述的方法，其中在所述衬底的所述上表面上蚀刻所述空腔的蚀刻步骤(42)是通过各向异性的蚀刻方法来完成的。

7.根据权利要求1所述的方法，其中蚀刻所述空腔的所述蚀刻步骤(42)还包含同时蚀刻用来形成电极的凹的模型的空腔，以将所述带电连接至外部电路。

8.根据权利要求1所述的方法，其中填充所述空腔的所述填充步骤(50)是通过在所述衬底的整个上表面上包括在所述空腔外侧沉积磁性材料的层来完成的，并且然后所述方法包含机械/化学抛光步骤(54)，以对所述衬底的所述上表面进行机械/化学抛光以去除位于所述空腔外侧的磁性材料的沉积。

9.一种由磁场激励的微开关，所述微开关包含：平面衬底(4)，其具有上表面(6)，至少两条具有垂直表面的磁性材料的带(12，14；72；84，92，96)，所述垂直表面垂直于所述衬底的所述平面延伸并且相互界定空气间隙(15；90；92)，所述带中的至少一条能在所述磁场的效力下在以下位置之间运动：

封闭的位置，其中所述两条带的所述垂直表面直接地相互机械接触以使电流流通，以及

开放的位置，其中所述垂直表面通过所述空气间隙相互分离以使一条带与另一条带电绝缘，

其特征在于，所述带(12，14；72；84，92，96)整个收纳于在所述衬底中挖空的井(24；74；104)中。

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