CN104168007A - 一种由常通向常断状态转换的固态电子开关及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由常通向常断状态转换的固态电子开关及其制备方法。该固态电子开关包括：衬底、控制桥、绝缘层、金属互联、被控桥、钝化层、一对控制电极焊盘和一对被控电极焊盘；控制桥通过一对控制电极焊盘接入控制电路，从而接收来自控制电路的控制信号，被控桥通过一对被控电极焊盘接入被控电路。本发明的固态电子开关仅在状态转换的瞬间消耗电能，而在保持接通和断开的状态时均不需要消耗电能，具有双稳态特性；可以双向导通，不含任何可动部件，因此可以工作在恶劣的环境中；具备优秀的抗静电和电磁干扰的特性；基于集成电路半导体工艺，具有极好的与集成电路半导体工艺兼容性；可用作电火工品的短路保险开关。

Description

一种由常通向常断状态转换的固态电子开关及其制备方法

技术领域

本发明涉及微机电子开关，具体涉及一种由常通向常断状态转换的固态电子开关及其制备方法。 

背景技术

基于集成电路半导体工艺的微电子开关主要包括二极管开关和三极管开关管，这些开关管通常工作在饱和区或截止区，不是双稳态的，这就意味着维持开关的闭合或断开需要持续能量供应。对于二极管开关，当加载在PN节两端的电压高出其耐压时，会出现击穿，造成开关管失去开关功能。对于三极管开关，闭合条件依赖于加载在发射极和集电极两端的电压差，因此在电路处在恶劣环境例如电路电源受外部温度、电磁或力学冲击而难以提供稳定的电压时，容易造成开关管工作可靠性降低。并且这些开关仅能实现单向导通，使用存在一定的局限性。 

随着微机电系统设计加工技术的不断进步，基于微机电系统技术设计、加工的微开关得到了快速的发展和应用。微机电开关中一般都由可动部件在控制电压或电流的激励下发生横向、纵向、法向或旋转运动，可动部件进入到不同位置上来控制开关的通断。这类开关可以在一定程度上降低外部电磁冲击对于其工作的影响，并且可以实现双向的导通，但其对力学冲击和温度冲击较为敏感。由于其含有运动件，而通过可动部件实现电气连接使开关结构不稳定，并且在进行微加工并释放的过程中容易产生结构粘连从而造成成品率较低，同时可动部件也难以满足某些在长期储存后使用的需求。此外，大多数微机电开关也不是双稳态的。此外，由于制造工艺问题，这类开关也难以与成熟的集成电路半导体工艺兼容。 

由此期望一种具有双稳态特性，可以双向导通，对外部温度，电磁和力学条件不敏感的，不含有可动部件并具有良好集成电路半导体工艺兼容性的开关。 

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于集成电路半导体工艺的固态电子开关，具有双稳态特性，可以双向导通，对外部温度，电磁和力学条件不敏感，不含有可动部件，并与集成电路半导体工艺兼容。 

本发明的一个目的在于提供一种由常通向常断状态转换的固态电子开关。 

本发明的由常通向常断状态转换的固态电子开关包括：衬底、控制桥、绝缘层、金属互 联、被控桥、钝化层、一对控制电极焊盘和一对被控电极焊盘；其中，控制桥形成在衬底上，包括一对控制电极，以及连接二者的控制桥区；绝缘层覆盖在控制桥上；绝缘层上与控制桥的一对控制电极正对的位置设置有多个通孔，形成通孔阵列；被控桥形成在绝缘层上，包括一对被控电极，以及连接二者的被控桥区；一对被控电极与一对控制电极的位置不重叠；被控桥区覆盖控制桥区发生电爆的位置；钝化层形成在被控桥上；在钝化层中，分别与一对控制电极和一对被控电极相对的地方设置有焊盘通孔，一对控制电极焊盘和一对被控电极焊盘分别通过焊盘通孔嵌入钝化层；金属互联通过绝缘层上的通孔阵列，将一对控制电极分别与一对控制电极焊盘电学互联；一对被控电极分别与一对被控电极焊盘相接触形成电学互联；一对控制电极焊盘分别连接至控制电路的两端；一对被控电极焊盘分别连接至被控电路的两端。 

控制桥的厚度不超过2μm，长度不超过400μm，材料为Al或Cu，或者为重掺杂的半导体多晶硅。被控桥的厚度不超过2μm，长度不超过400μm，材料为Al或Cu，或者为重掺杂的半导体多晶硅。为了减小电阻，控制桥的控制桥区，或者被控桥的被控桥区，形状为矩形，宽度在2μm～40μm之间，或者形状为中间窄两端宽的结构，并且为轴对称的图形，中间的最小宽度在2μm～40μm，两端的最大的宽度在40μm～400μm。 

绝缘层的厚度在0.5μm～2μm之间，用于保持控制桥和被控桥导线之间的绝缘。钝化层位于最外层，材料采用与CMOS工艺相兼容的绝缘抗氧化材料，用于保护固态电子开关，防止其被氧化。 

控制桥通过一对控制电极焊盘接入控制电路，从而接收来自控制电路的控制信号。被控桥通过一对被控电极焊盘接入被控电路。控制电路发出大幅值小脉宽电流的控制信号，控制桥发生电爆，控制桥区产生等离子体，等离子体膨胀做功将重叠在控制桥区之上的被控桥区破坏，被控桥断开，实现被控电路从常通向常断状态的转换。被控桥是无极性的，因此可以双向导通。大幅值小脉宽电流的幅值为1～10安培，脉宽通常不超过10μs。 

本发明的固态电子开关作用是当被控电路需要由常通向常断状态转换的固态电子开关保持接通状态时，控制电路不发出任何信号，此时固态电子开关不消耗任何电能。当被控电路需要固态电子开关断开时，控制电路施加一个控制信号，发生电爆，断开被控桥之后，固态电子开关将不再消耗任何电能。 

本发明的固态电子开关可以双向导通，不含任何可动部件，因此可以工作在恶劣的环境中，例如温差大和力学过载大的环境中。此外，本发明的开关仅在状态转换的瞬间消耗电能，而在保持接通和断开的状态时均不需要消耗电能，因此具有双稳态特性。同时，该开关仅能 在特定的大幅值小脉宽的电流控制信号下发生状态转换，因此具备优秀的抗静电和电磁干扰的特性。 

与加热熔断型的固态电子开关相比，本发明具有以下优点： 

1、作用时间短：加热熔断型的固态电子开关利用恒流产生的热量，将上层的金属熔断实现由开关由闭合到断开的转换，而本发明在控制桥上施加脉冲电压信号，下层桥产生等离子体，利用等离子体爆发将上层金属冲断，该过程持续时间远远小于加热熔断型的固态电子开关的转换时间； 

2、功耗低：加热熔断型的固态电子开关需要持续的较大的电流对其加热才能完成开关状态转换，因而需要较高的功耗，而本发明仅在开关转换瞬间消耗能量，且由于电压信号幅值大但脉宽小，总体功耗远小于加热熔断型的固态电子开关； 

3、工艺要求低：加热熔断型的固态电子开关对工艺要求，特别是各层厚度要求较高，实际生产中各层厚度与理论设计值存在工艺误差，会造成器件作用条件发生较大的变化，因而造成器件可靠性降低，而本发明对于各层厚度要求较低，在工艺误差范围内都可以可靠的作用，因而具有更明显的工艺优势。 

本发明的另一目的在于提供一种由常通向常断状态转换的固态电子开关的制备方法。 

本发明的由常通向常断状态转换的固态电子开关的制备方法，包括以下步骤： 

1)提供衬底； 

2)将衬底氧化； 

3)通过溅射、化学气相沉积CVD和离子注入等工艺在衬底上覆盖一层控制桥的材料，厚度不超过2μm； 

4)通过光刻和刻蚀对控制桥的材料图形化，形成控制桥； 

5)在控制桥上覆盖一层绝缘材料，形成绝缘层，厚度在3μm～6μm之间； 

6)刻蚀绝缘层，形成多个通孔，排布成通孔陈列，并在通孔阵列中填充金属，形成金属互联； 

7)通过溅射、CVD和离子注入等工艺在绝缘层上覆盖一层被控桥的材料，厚度不超过2μm； 

8)通过光刻和刻蚀对被控桥的材料图形化，形成被控桥，被控桥的一对被控电极与控制桥的一对控制电极的位置不重叠，被控桥区覆盖控制桥区发生电爆的位置； 

9)在控制桥上覆盖一层绝缘抗氧化材料，形成钝化层，厚度在0.2μm～2μm之间； 

10)与被控桥的一对被控电极和控制桥的一对控制电极的位置向对应，刻蚀钝化层，形 成焊盘通孔； 

11)在焊盘通孔中填充焊盘金属，并对焊盘金属进行合金工艺，形成一对控制焊盘和一对被控焊盘。 

在完成上述步骤，形成由常通向常断状态转换的固态电子开关后，控制桥的一对控制电极连接外部的控制电路，被控桥的一对被控电极连接到外部的被控电路中。 

本发明的制备方法基于集成电路半导体工艺，具有极好的与集成电路半导体工艺兼容性。 

本发明的又一目的在于提供一种由常通向常断状态转换的固态电子开关用于电火工品的短路保险开关的用途。 

本发明还可以应用于敏感电火工品的短路保险。传统的电火工品发火组件主要有金属桥丝、爆炸箔、可反应桥、半导体桥和金属膜桥这几类。其中，金属桥丝焊接于两根金属电极之间，当金属电极通入电流时，桥丝发热引燃与桥丝接触的发火药。现实设计和应用中金属桥丝存在明显缺陷，一是在要求有大于100mA的较高安全电流时，则需要大于28V的较高的发火电压及大于10mJ的较高的发火能量；二是为了降低金属桥丝的发火电压、发火电流和发火能量，必须减小桥丝直径，增加发火药感度，造成了电火工品的安全电流下降，也降低了电火工品的抗静电抗电磁干扰的能力，这意味着为使电火工品低能可靠发火，需要降低电火工品安全性。爆炸箔因为具有高于1000V极高的起爆电压和安全电流，因而具有较高的安全性，但由于其发火所需电压较高，驱动电路复杂因而难以顺应传爆序列小型化、低成本化的需求，用于驱动飞片的可反应桥所需的发火电压相比爆炸箔虽有明显降低，但发火电压的绝对值大于100V，仍然远远高于其他电火工品。半导体桥和金属膜桥可以实现小型化和低成本化，其独特的桥型结构造成电流密度在桥区处突然增大，使得该类火工品换能元能以较低的电压和较低的发火能量发火，发火电压小于5V(10μf)，同时也可以具有大于200mA的安全电流阈值。但半导体桥和金属膜桥的桥区尺寸、桥区材料和桥区工艺也限制了安全电流进一步的提升，难以满足某些行业要求如国军标中对电火工品提出的1A1W5(1安培1瓦5分钟)分钟不发火的要求。因此，设计一种在非发火状态下具有大于1A的高安全电流、较高抗静电和电磁干扰能力，同时在发火状态下需发火电压小于4V(10μf)、发火能量较低发火能量小于0.08W的电火工品短路保险开关，成为了一项巨大的挑战。 

本发明的固态电子开关可以用作电火工品短路的保险开关，将本发明的被控桥与电火工品并联，将电火工品短路，以提高电火工品的安全电流。 

作为电火工品短路的保险开关，被控桥的电阻应该小于电火工品的电阻，同时被控桥也应该具有一定的承受电流的能力，综上考虑，被控桥区的形状为矩形，或者形状为中间窄两 端宽的结构，在保证一定电流承受能力的同时降低其电阻，以达到分流的目的。 

本发明的优点： 

本发明采用控制桥通过一对控制电极焊盘接入控制电路，从而接收来自控制电路的控制信号，被控桥通过一对被控电极焊盘接入被控电路，当被控电路保持接通状态时，不消耗任何电能；当被控电路需要断开时，控制电路施加一个控制信号，发生电爆，断开被控桥之后，固态电子开关将不再消耗任何电能。本发明的固态电子开关可以双向导通，不含任何可动部件，因此可以工作在恶劣的环境中，并且具有双稳态特性；基于集成电路半导体工艺，具有极好的与集成电路半导体工艺兼容性；具备优秀的抗静电和电磁干扰的特性；可用作电火工品的短路保险开关。 

附图说明

图1为本发明的由常通向常断状态转换的固态电子开关的一个实施例的爆炸图； 

图2为本发明的实施例一的控制桥覆盖在衬底上的示意图； 

图3为本发明的实施例一的被控桥覆盖在绝缘层上的示意图； 

图4为本发明的实施例二的控制桥覆盖在衬底上的示意图； 

图5为本发明的实施例二的被控桥覆盖在绝缘层上的示意图； 

图6为本发明的一次性双稳态由常通向常断状态转换的固态电子开关的制备方法的流程图； 

图7为本发明的控制桥连接的外部的控制电路的电路图。 

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。 

实施例一 

如图1所示，本实施例的由常通向常断状态转换的固态电子开关包括：衬底1、控制桥2、绝缘层3、被控桥4、钝化层5、金属互联7、一对控制电极焊盘62和一对被控电极焊盘64；其中，控制桥2形成在衬底1上，包括一对控制电极21，以及连接二者的控制桥区22；绝缘层3覆盖在控制桥2上；绝缘层3上与控制桥2的一对控制电极21正对的位置设置有多个通孔31，形成通孔阵列；被控桥4形成在绝缘层3上，包括一对被控电极41，以及连接二者的被控桥区42；控制桥2和被控桥4的形状均为对称图形，二者的对称轴互相垂直，相交于中心，一对被控电极41与一对控制电极21不重叠，被控桥区42覆盖控制桥区22发生电爆的位置；钝化层5形成在被控桥4上；在钝化层4中，分别与一对控制电极和一对被控电极相 对的地方设置有焊盘通孔，一对控制电极焊盘62和一对被控电极焊盘64分别通过焊盘通孔嵌入钝化层5；金属互联7通过绝缘层上的通孔阵列，将一对控制电极21分别与一对控制电极焊盘62电学互联；一对被控电极41分别与一对被控电极焊盘64相接触形成电学互联；一对控制电极焊盘62分别连接至控制电路的两端；一对被控电极焊盘64分别连接至被控电路的两端。 

如图2所示，本实施例中，控制桥的控制桥区22采用两端宽中间窄的形状，包括两个形状相同的等腰梯形，和一个矩形，两个梯形的较小的底边相对，中间连接矩形，形成轴对称的图形。梯形的较大的底边在40～400μm之间，矩形的宽度在2～40μm之间。如图3所示，被控桥的被控桥区42的形状和控制桥的形状相同。控制桥的对称轴与被控桥的对称轴互相垂直，并且正交于各自的几何中心，从而形成一对被控电极41与一对控制电极21的位置不重叠；被控桥区42与控制桥区22的位置重叠。控制桥区22或被控桥区42的形状还可以是两个相同的等腰梯形，较小的底边相对连接。 

为了使被控桥区的形状具有更小的线宽，还可以在被控桥区上覆盖一层抗反射涂层，厚度不超过1μm，材料采用氮化钛TiN。在预连通桥上覆盖抗反射涂层，在光刻形成被控桥时，降低光刻的光反射，有利于减小掩膜版中最小线宽，提高曝光质量。 

实施例二 

如图4所示，在本实施例中，控制桥区22的形状为矩形，长度不超过40μm，宽度在2～40μm之间。被控桥区42的形状与控制桥区的形状相似，如图5所示。 

以实施例二为例，本发明的一次性双稳态由常通向常断状态转换的固态电子开关的制备方法，包括以下步骤，如图6所示： 

S1.提供衬底，材料采用半导体材料硅<100>或半导体材料硅<110>； 

S2.将衬底氧化； 

S3.通过溅射、化学气相沉积CVD和离子注入等工艺在衬底上覆盖一层控制桥的材料，厚度不超过2μm，控制桥的材料采用Al； 

S4.通过光刻和刻蚀对控制桥的材料图形化，形成控制桥，长度不超过400μm，控制桥区为矩形，宽度在2μm～40μm之间； 

S5.通过PECVD工艺在控制桥上覆盖一层SiO2，形成绝缘层，厚度为1μm； 

S6.刻蚀绝缘层，形成多个通孔，排布成通孔陈列，并在通孔阵列中填充金属铝Al，形成金属互联； 

S7.通过溅射工艺在绝缘层上覆盖一层Al，厚度不超过2μm； 

S8.通过光刻和刻蚀对Al图形化，形成被控桥，长度不超过400μm，被控桥区为矩形，宽度在2μm～40μm之间，被控桥与控制桥的对称轴互相垂直，并且几何中心重合； 

S9.通过PECVD工艺在控制桥上覆盖一层SiO2，形成钝化层； 

S10.与被控桥的一对被控电极和控制桥的一对控制电极的位置向对应，刻蚀钝化层，形成焊盘通孔； 

S11.在焊盘通孔中填充焊盘金属Pad，并对焊盘金属进行合金工艺，形成稳定的易键合的一对控制焊盘和一对被控焊盘。 

如图7所示，控制电路为一种基于电容放电的电控电路，具体包括：直流电源DC、二极管D1、电容C1和晶闸管Q1；电路的两个输出端b和c分别与一对控制焊盘62连接；晶闸管Q1控制电极a连接控制信号。电路通电后，直流电源DC通过二极管D1向电容C1充电，此时固态电子开关处于闭合状态，当需要断开时，向晶闸管Q1的控制极a施加控制信号，晶闸管导通，电容C1通过晶闸管Q1向控制桥2放电，控制桥发生电爆炸，断开位于绝缘层上的被控桥，固态电子开关断开。 

综上，该实施方式具有双稳态特性，可以双向导通，对外部温度，电磁和力学条件不敏感的，不含有可动部件并具有良好集成电路半导体工艺兼容性。并且，该开关可以应用于电火工品的短路保护。 

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。 

Claims (9)

1.一种由常通向常断状态转换的固态电子开关，其特征在于，所述固态电子开关包括：衬底(1)、控制桥(2)、绝缘层(3)、金属互联(7)、被控桥(4)、钝化层(5)、一对控制电极(21)焊盘(62)和一对被控电极(41)焊盘(64)；其中，控制桥(2)形成在衬底(1)上，包括一对控制电极(21)，以及连接二者的控制桥区(22)；绝缘层(3)覆盖在控制桥(2)上；绝缘层(3)上与控制桥(2)的一对控制电极(21)正对的位置设置有多个通孔，形成通孔阵列；被控桥(4)形成在绝缘层(3)上，包括一对被控电极(41)，以及连接二者的被控桥区(42)；一对被控电极(41)与一对控制电极(21)的位置不重叠；被控桥区(42)覆盖控制桥区(22)发生电爆的位置；钝化层(5)形成在被控桥(4)上；在钝化层(5)中，分别与一对控制电极(21)和一对被控电极(41)相对的地方设置有焊盘通孔，一对控制电极(21)焊盘(62)和一对被控电极(41)焊盘(64)分别通过焊盘通孔嵌入钝化层(5)；金属互联(7)通过绝缘层(3)上的通孔阵列，将一对控制电极(21)分别与一对控制电极(21)焊盘(62)电学互联；一对被控电极(41)分别与一对被控电极(41)焊盘(64)相接触形成电学互联；一对控制电极(21)焊盘(62)分别连接至控制电路的两端；一对被控电极(41)焊盘(64)分别连接至被控电路的两端。

2.如权利要求1所述的固态电子开关，其特征在于，所述控制桥(2)的厚度不超过2μm，长度不超过400μm。

3.如权利要求1所述的固态电子开关，其特征在于，所述被控桥(4)的厚度不超过2μm，长度不超过400μm。

4.如权利要求1所述的固态电子开关，其特征在于，所述控制桥(2)的控制桥区(22)，或者被控桥(4)的被控桥区(42)，形状为矩形，宽度在2μm～40μm之间。

5.如权利要求1所述的固态电子开关，其特征在于，所述控制桥(2)的控制桥区(22)，或者被控桥(4)的被控桥区(42)，形状为中间窄两端宽的结构，并且为轴对称的图形，中间的最小宽度在2μm～40μm，两端的最大的宽度在40μm～400μm。

6.如权利要求1所述的固态电子开关，其特征在于，所述钝化层(5)的材料采用与CMOS工艺相兼容的绝缘抗氧化材料。

7.如权利要求1所述的固态电子开关，其特征在于，所述绝缘层(3)的厚度在0.5μm～2μm之间。

8.一种权利要求1所述的由常通向常断状态转换的固态电子开关的制备方法，其特征在于，所述制备方法，包括以下步骤：

1)提供衬底；

2)将衬底氧化；

3)在衬底上覆盖一层控制桥的材料；

4)通过光刻和刻蚀对控制桥的材料图形化，形成控制桥；

5)在控制桥上覆盖一层绝缘材料，形成绝缘层；

6)刻蚀绝缘层，形成多个通孔，排布成通孔陈列，并在通孔阵列中填充金属，形成金属互联；

7)在绝缘层上覆盖一层被控桥的材料；

8)通过光刻和刻蚀对被控桥的材料图形化，形成被控桥，被控桥的一对被控电极与控制桥的一对控制电极的位置不重叠，被控桥区覆盖控制桥区发生电爆的位置；

9)在控制桥上覆盖一层绝缘抗氧化材料，形成钝化层；

10)与被控桥的一对被控电极和控制桥的一对控制电极的位置向对应，刻蚀钝化层，形成焊盘通孔；

11)在焊盘通孔中填充焊盘金属，并对焊盘金属进行合金工艺，形成一对控制焊盘和一对被控焊盘。

9.一种权利要求1所述的由常通向常断状态转换的固态电子开关用于电火工品的短路保险开关的用途。