CN103177904A

CN103177904A - 一种射频mems开关及其形成方法

Info

Publication number: CN103177904A
Application number: CN2013100663880A
Authority: CN
Inventors: 刘泽文; 赵晨旭
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2013-03-01
Filing date: 2013-03-01
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2033-03-01
Also published as: CN103177904B

Abstract

本发明提出一种射频MEMS开关及其形成方法，该开关包括：衬底；形成在衬底上的隔离层；形成在隔离层之上的驱动电极和微波信号共面波导传输线，其中，微波信号共面波导传输线具有开关接触点和锚区，开关接触点的位置与金属悬梁臂的自由端相对应，锚区与金属悬梁臂的固定端相连；以及形成在微波信号共面波导传输线之上的金属悬梁臂，其中，开关接触点由铜薄膜和形成在铜薄膜上的石墨烯薄膜组成，当驱动电极未施加驱动电压时，金属悬梁臂与开关接触点断开，使开关为关闭状态，当驱动电极施加驱动电压时，金属悬梁臂与驱动电极之间产生静电力，使金属悬梁臂弯曲后与开关接触点接触，使开关为开启状态。本发明具有热失效降低，开关功率容量高的优点。

Description

一种射频MEMS开关及其形成方法

技术领域

本发明属于射频微电子机械系统（MEMS）领域，具体涉及一种射频MEMS开关及其形成方法。

背景技术

射频MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems,射频微电子机械系统）开关，是利用MEMS技术制作的一种射频开关，它通过微机械结构的运动，来控制射频信号的导通与断开。射频MEMS开关是微波、射频收发系统的核心器件之一，在卫星通讯、雷达、导弹控制等领域有着广泛的应用。与传统的PIN及FET微波开关器件相比，MEMS开关不但具有MEMS开关具有高隔离度、低损耗、低插损、高线性度等极其优异的微波性能，同时具有批量制作、尺寸小、易于与先进的微波、射频电路相集成的特点，是实现小型化、低成本、高性能的微波收发前端系统的关键技术。但传统射频MEMS开关其功率容量相对较低的问题是限制其应用的主要瓶颈。

传统的串联接触式MEMS开关通常由金属悬臂梁、下拉电极和带有金属接触点的信号线三部分组成。其工作原理为：当下拉电极未加驱动电压时,金属悬臂梁与信号线接触点断开，使射频信号隔离;当驱动电压施加在下拉电极时,金属悬臂梁与下电极之间产生静电力,金属悬臂梁在静电力的作用下发生下塌,实现金属悬臂梁与共面波导（CPW）信号线接触点之间的电接触,从而实现射频信号的导通;当下拉电极与地之间的驱动电压撤销时,金属悬臂梁由于弹性力的作用回复到初始的隔离状态。

对于接触式射频MEMS开关，其功率容量是指使射频MEMS开关不发生失效的输入功率极限。对于传统的利用金属-金属之间的直接接触来控制射频信号的导通与断开的接触式射频MEMS开关，其导通状态时的由于过高输入功率导致的微熔焊或者开关烧毁的热失效问题是制约其功率容量的主要因素，而金属-金属之间较大的接触电阻是产生局部高温导致微熔焊甚至烧毁问题的主要来源。因此，解决接触点热失效问题是提高接触式射频MEMS开关功率容量的关键。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的目的在于提出一种具有工艺简单、开关功率容量优点的射频MEMS开关及其形成方法。

根据本发明实施例的射频MEMS开关，包括：衬底；形成在所述衬底之上的隔离层；形成在所述隔离层之上的驱动电极和微波信号共面波导传输线，其中，所述微波信号共面波导传输线具有开关接触点和锚区，所述开关接触点的位置与所述金属悬梁臂的自由端相对应，所述锚区与所述金属悬梁臂的固定端相连；以及形成在所述微波信号共面波导传输线之上的金属悬梁臂，其中，所述开关接触点由铜薄膜和形成在所述铜薄膜之上的石墨烯薄膜组成，当所述驱动电极未施加驱动电压时，所述金属悬梁臂与所述开关接触点断开，使所述射频MEMS开关为关闭状态，当所述驱动电极施加驱动电压时，所述金属悬梁臂与所述驱动电极之间产生静电力，使所述金属悬梁臂弯曲后与所述开关接触点接触，使所述射频MEMS开关为开启状态。

优选地，所述开关接触点的铜薄膜通过溅射及剥离工艺形成的，并且所述石墨烯薄膜是以所述铜薄膜为催化材料通过CVD外延生长形成的。

优选地，所述铜薄膜的厚度为0.5-1微米。

优选地，所述金属悬梁臂的材料为金。

优选地，还包括形成在所述隔离层之上的隔离电阻，所述隔离电阻为非晶硅材料制成。

优选地，所述隔离电阻为硼掺杂的非晶硅。

根据本发明实施例的射频MEMS开关的形成方法，包括：提供衬底；在所述衬底之上形成隔离层；在所述隔离层之上形成驱动电极和微波信号共面波导传输线，其中，所述微波信号共面波导传输线具有开关接触点和锚区，所述开关接触点的位置与金属悬梁臂的自由端相对应，所述锚区与所述金属悬梁臂的固定端相连；以及在所述微波信号共面波导传输线之上形成金属悬梁臂，其中，所述开关接触点由铜薄膜和形成在所述铜薄膜之上的石墨烯薄膜组成，其中，所述微波信号共面波导传输线具有开关接触点，所述开关接触点的位置与所述金属悬梁臂的自由端相对应，所述开关接触点由铜薄膜和形成在所述铜薄膜之上的石墨烯薄膜组成，当所述驱动电极未施加驱动电压时，所述金属悬梁臂与所述开关接触点断开，使所述射频MEMS开关为关闭状态，当所述驱动电极施加驱动电压时，所述金属悬梁臂与所述驱动电极之间产生静电力，使所述金属悬梁臂弯曲后与所述开关接触点接触，使所述射频MEMS开关为开启状态。

优选地，所述形成开关接触点的过程中，通过溅射及剥离工艺形成所述铜薄膜，并且以所述铜薄膜为催化材料通过CVD外延生长形成所述石墨烯薄膜。

优选地，所述铜薄膜的厚度为0.5-1微米。

优选地，所述金属悬梁臂的材料为金。

优选地，还包括：在所述隔离层之上形成非晶硅材料的隔离电阻。

优选地，还包括：对所述隔离电阻进行硼掺杂。

本发明的射频MEMS开关及其形成方法，至少具有如下优点：

（1）开关接触点利用了图形化铜薄膜直接通过石墨烯CVD外延生长法直接在其表面制备石墨烯，避免了使用石墨烯转移等复杂技术，使此发明的开关的工艺简单化，解决了石墨烯接触点与开关工艺的共集成；

（2）利用石墨烯极其优异的极高的电导率和热导率，基于石墨烯的开关接触点极大改善RF MEMS接触式开关接触点的电接触，进而改善了开关热失效的问题，可以使RF MEMS开关功率容量显著提高；

（3）为了避免射频信号通过驱动电极耦合到地，此开关结构通过内置隔离电阻的方式对射频信号与驱动电极旁路进行隔离。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的射频MEMS串联接触式开关的结构示意图。

图2为图1所示的射频MEMS串联接触式开关在abcd平面的截面图。

图中标示解释如下：

1-金属悬臂梁；2-驱动电极；3-开关接触点；31-开关接触点的石墨烯薄膜；32-开关接触点的铜薄膜；4-锚点；5微波信号共面波导传输线；6-第一引线；7-第二引线；8-Pad电极；9-隔离电阻；10-衬底、11-绝缘介质、12-隔离层；13-金属桥。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

根据本发明实施例的一种射频MEMS开关，其特征在于，包括：衬底；形成在衬底之上的隔离层；形成在隔离层之上的驱动电极和微波信号共面波导传输线，其中，微波信号共面波导传输线具有开关接触点和锚区，开关接触点的位置与金属悬梁臂的自由端相对应，锚区与金属悬梁臂的固定端相连；以及形成在微波信号共面波导传输线之上的金属悬梁臂，其中，开关接触点由铜薄膜和形成在铜薄膜之上的石墨烯薄膜组成，当驱动电极未施加驱动电压时，金属悬梁臂与开关接触点断开，使射频MEMS开关为关闭状态，当驱动电极施加驱动电压时，金属悬梁臂与驱动电极之间产生静电力，使金属悬梁臂弯曲后与开关接触点接触，使射频MEMS开关为开启状态。需要说明的是，除上述结构之外，还包括引线、PAD电极等附加结构，这些附加结构可根据实际情况灵活设置。该实施例的射频MEMS开关中，利用了石墨烯高电导率和高热导率的优点，使得具有石墨烯薄膜的开关接触点的接触电阻很小，开关热失效的问题得到改善，可以使射频MEMS开关功率容量显著提高。

优选地，开关接触点的铜薄膜通过溅射及剥离工艺形成的，并且石墨烯薄膜是以铜薄膜为催化材料通过CVD外延生长形成的。开关接触点利用了图形化铜薄膜直接通过石墨烯CVD外延生长法直接在其表面制备石墨烯，避免了使用石墨烯转移等复杂技术，使此发明的开关的工艺简单化，解决了石墨烯接触点与开关工艺的共集成。

优选地，铜薄膜的厚度为0.5-1微米。研究表明，该厚度范围组合的铜薄膜和石墨烯薄膜形成的双层结构的开关接触点具有较好性能。

优选地，金属悬梁臂的材料为金。金具有高的导电率，能够确保高频下较小的微波损耗及较快的开关速度。

优选地，还包括形成在隔离层之上的隔离电阻，隔离电阻为非晶硅材料制成。为了避免射频信号通过驱动电极耦合到地，此开关结构通过内置隔离电阻的方式对射频信号与驱动电极旁路进行隔离。

优选地，隔离电阻为硼掺杂的非晶硅。一般通过PECVD工艺沉积非晶硅，并通入乙硼烷进行N型掺杂，可以方便地调节隔离电阻的阻值。

为使本领域技术人员更好地理解本发明，发明人结合图1和图2详细介绍射频MEMS开关如下。

如图1所示，本发明的开关使用覆有二氧化硅隔离层12的高阻硅作为衬底10；微波信号共面波导传输线5由两侧地线51及中心信号线52组成，其通过电镀工艺制备于隔离层12表面；共面波导地线51的一侧分为两段，并通过上层金属桥13连接；纯金属悬臂梁1通过锚点4固定在传输线5的中心信号线52上；开关接触点3位于微波信号共面波导信号线52上，并正对着悬臂梁1的自由端；位于悬臂梁1正下方的驱动电极2通过铝引线6与内置的隔离电阻9一端连接；隔离电阻9另一端同Pad电极8通过引线7互连；氮化硅作为绝缘介质11覆盖于驱动电极2及引线6和7表面。如图2，本发明的关键在于，开关接触点3由石墨烯薄膜31及铜薄膜32上下两层薄膜构成。石墨烯薄膜31直接以铜薄膜32为催化材料制备于铜薄膜32表面，避免了使用复杂的转移技术，简化了此开关的制造工艺。微波信号共面波导传输线5、锚点4及悬臂梁1均采用金作为材料，并且悬臂梁1的厚度为2μm～6μm以减少导体损耗。悬臂梁1的面积、形状以及锚点4的高度决定着开关的驱动电压、开关响应时间、隔离度等性能参数，因此，可以根据实际使用性能指标进行单独设计。的内置隔离电阻9采用了非晶硅材料，其电阻率可以通过制备过程中通入B2H6来调节。驱动电极2、Pad电极及互连引线6和引线7均采用铝作为材料。氮化硅绝缘介质11沉积于驱动电极、引线67和隔离电阻9表面,作为驱动电极2与悬臂梁1的隔离层,同时作为隔离电阻9的钝化层。

本发明的具体工作原理为：当驱动电极2未施加驱动电压时,金属悬臂梁1与传输线5上的接触点3断开，使射频信号隔离，此时开关处于“关”态;当驱动电压施加在驱动电极2时,金属悬臂梁1与驱动电极2之间产生的静电力使金属悬臂梁1发生弯曲,其自由端与开关接触点3接触，实现了金和石墨烯的电连接,从而实现射频信号的导通，此时开关处于“开”态;当下拉电极2的驱动电压撤销时,金属悬臂梁1由于弹性力的作用回复到初始位置,金属悬臂梁1自由端与开关接触点3断开，使射频信号隔离，此时开关返回“关”态。由此，开关实现了信号的通断。本发明在开关导通情况下，即在金悬臂梁1下榻与开关接触点3接触时，实现了金与石墨烯的电接触，从而改善了开关接触点处热失效的问题。

根据本发明实施例的射频MEMS开关的形成方法，包括：提供衬底；在衬底之上形成隔离层；在隔离层之上形成驱动电极和微波信号共面波导传输线，其中，微波信号共面波导传输线具有开关接触点和锚区，开关接触点的位置与金属悬梁臂的自由端相对应，锚区与金属悬梁臂的固定端相连；以及在微波信号共面波导传输线之上形成金属悬梁臂，其中，开关接触点由铜薄膜和形成在铜薄膜之上的石墨烯薄膜组成，其中，微波信号共面波导传输线具有开关接触点，开关接触点的位置与金属悬梁臂的自由端相对应，开关接触点由铜薄膜和形成在铜薄膜之上的石墨烯薄膜组成，当驱动电极未施加驱动电压时，金属悬梁臂与开关接触点断开，使射频MEMS开关为关闭状态，当驱动电极施加驱动电压时，金属悬梁臂与驱动电极之间产生静电力，使金属悬梁臂弯曲后与开关接触点接触，使射频MEMS开关为开启状态。需要说明的是，除上述结构之外，还包括在合适的时候形成引线、PAD电极等附加结构，这些附加结构的形成工艺可根据实际情况灵活设置。该实施例的射频MEMS开关的形成方法中，利用了石墨烯高电导率和高热导率的优点，使得最终得到的具有石墨烯薄膜的开关接触点的接触电阻很小，开关热失效的问题得到改善，可以使射频MEMS开关功率容量显著提高。

优选地，形成开关接触点的过程中，通过溅射及剥离工艺形成铜薄膜，并且以铜薄膜为催化材料通过CVD外延生长形成石墨烯薄膜。开关接触点利用了图形化铜薄膜直接通过石墨烯CVD外延生长法直接在其表面制备石墨烯，避免了使用石墨烯转移等复杂技术，使此发明的开关的工艺简单化，解决了石墨烯接触点与开关工艺的共集成。

优选地，还包括：在隔离层之上形成非晶硅材料的隔离电阻。为了避免射频信号通过驱动电极耦合到地，此开关结构通过内置隔离电阻的方式对射频信号与驱动电极旁路进行隔离。

优选地，还包括：对隔离电阻进行硼掺杂。一般通过PECVD工艺沉积非晶硅，并通入乙硼烷进行N型掺杂，可以方便地调节隔离电阻的阻值。

为使本领域技术人员更好地理解本发明，发明人提出的基于石墨烯的串联接触式射频MEMS开关的一种具体制作工艺流程如下，其得到的射频MEMS开关如图1所示。

S1．衬底准备：提供高阻硅衬底10，通过热氧化工艺在高阻硅衬底10表面形成

的二氧化硅作为隔离层12。

S2．共面波导传输线的制备：利用溅射工艺在衬底10的隔离层12表面制备厚度分别为

的Ti/Au薄膜作为粘附层和电镀种子层，利用光刻制备电镀模具，并电镀2μm～6μm厚的金作为共面波导传输线5，之后湿法刻蚀种子层及粘附层。

3．开关接触点的铜薄膜的制备：光刻、溅射及剥离工艺在共面波导传输线5上形成

厚图形化的铜薄膜32。

S4．开关接触点的石墨烯层的制备：采用石墨烯化学气相沉积CVD外延生长法，以乙醇为碳源作为气体，氢气/氩气作为载气，利用图形化的铜薄膜层32作为催化剂，直接在铜薄膜层32上制备图形化石墨烯31。此为本发明开关制造的关键工艺，在于此工艺避免了使用石墨烯转移等复杂技术，使此发明的开关的工艺简单化，解决了石墨烯接触点与开关工艺的共集成。

S5．隔离电阻的制备：利用PECVD工艺淀积

非晶硅作为隔离电阻9，然后光刻作为隔离电阻。非晶硅作为隔离电阻的优点是工艺简单,只需要在PECVD的过程中通入B₂H₆即可调节电阻，而不需要进行离子注入，适用于对电阻的阻值精度要求不高的场合。

S6．驱动电极、Pad电极及引线的制备：利用光刻、溅射铝及剥离工艺同时完成驱动电极2、Pad电极8以及第一引线6和第二引线7的制备。通过铝引线6和7实现驱动电极2、隔离电阻9及Pad电极的互联；

S7．绝缘介质的制备：利用PECVD淀积氮化硅，既作为驱动电极2与悬臂梁1的隔离层，同时也作为隔离电阻9的钝化层。之后利用RIE工艺刻蚀Pad区的氮化硅，形成Pad的接触孔；

S8．牺牲层的制备：悬涂光刻胶作为牺牲层。牺牲层的厚度为金悬臂梁1与共面波导传输线5的间距，可以根据开关所需性能指标相应设计。

S9．金属悬臂梁、锚点及金属桥的制备：利用光刻、刻蚀工艺对牺牲层刻蚀以获得锚点4通孔；溅射金种子层，并光刻形成金属悬臂梁1及金属桥13的电镀模具；电镀2μm～6μm厚的金并刻蚀掉种子层形成金属悬臂梁1及金属桥13结构。采用金电镀工艺以使金属悬臂梁1结构具有较小的残余应力。

S10．牺牲层释放，完成开关制备：为了避免阳等离子体干法刻蚀对石墨烯层的破坏，采用湿法的方式释放牺牲层，之后采用临界点干燥法处理器件，避免湿法释放造成的悬臂梁1与接触点3的粘附问题。

综上所述，本发明的射频MEMS开关及其形成方法，至少具有如下优点：

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种射频MEMS开关，其特征在于，包括：

衬底；

形成在所述衬底之上的隔离层；

形成在所述隔离层之上的驱动电极和微波信号共面波导传输线，其中，所述微波信号共面波导传输线具有开关接触点和锚区，所述开关接触点的位置与所述金属悬梁臂的自由端相对应，所述锚区与所述金属悬梁臂的固定端相连；以及

形成在所述微波信号共面波导传输线之上的金属悬梁臂，

其中，所述开关接触点由铜薄膜和形成在所述铜薄膜之上的石墨烯薄膜组成，

当所述驱动电极未施加驱动电压时，所述金属悬梁臂与所述开关接触点断开，使所述射频MEMS开关为关闭状态，当所述驱动电极施加驱动电压时，所述金属悬梁臂与所述驱动电极之间产生静电力，使所述金属悬梁臂弯曲后与所述开关接触点接触，使所述射频MEMS开关为开启状态。

2.如权利要求1所述的射频MEMS开关，其特征在于，所述开关接触点的铜薄膜通过溅射及剥离工艺形成的，并且所述石墨烯薄膜是以所述铜薄膜为催化材料通过CVD外延生长形成的。

3.如权利要求1所述的射频MEMS开关，其特征在于，所述铜薄膜的厚度为0.5-1微米。

4.如权利要求1所述的射频MEMS开关，其特征在于，所述金属悬梁臂的材料为金。

5.如权利要求1所述的射频MEMS开关，其特征在于，还包括形成在所述隔离层之上的隔离电阻，所述隔离电阻为非晶硅材料制成。

6.如权利要求5所述的射频MEMS开关，其特征在于，所述隔离电阻为硼掺杂的非晶硅。

7.一种射频MEMS开关的形成方法，其特征在于，包括：

提供衬底；

在所述衬底之上形成隔离层；

在所述隔离层之上形成驱动电极和微波信号共面波导传输线，其中，所述微波信号共面波导传输线具有开关接触点和锚区，所述开关接触点的位置与金属悬梁臂的自由端相对应，所述锚区与所述金属悬梁臂的固定端相连；以及

在所述微波信号共面波导传输线之上形成金属悬梁臂，

其中，所述微波信号共面波导传输线具有开关接触点，所述开关接触点的位置与所述金属悬梁臂的自由端相对应，所述开关接触点由铜薄膜和形成在所述铜薄膜之上的石墨烯薄膜组成，

8.如权利要求7所述的射频MEMS开关的形成方法，其特征在于，所述形成开关接触点的过程中，通过溅射及剥离工艺形成所述铜薄膜，并且以所述铜薄膜为催化材料通过CVD外延生长形成所述石墨烯薄膜。

9.如权利要求7所述的射频MEMS开关的形成方法，其特征在于，所述铜薄膜的厚度为0.5-1微米。

10.如权利要求7所述的射频MEMS开关的形成方法，其特征在于，所述金属悬梁臂的材料为金。

11.如权利要求7所述的射频MEMS开关的形成方法，其特征在于，还包括：在所述隔离层之上形成非晶硅材料的隔离电阻。

12.如权利要求11所述的射频MEMS开关的形成方法，其特征在于，还包括：对所述隔离电阻进行硼掺杂。