CN105575734B - 一种射频mems开关及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射频MEMS开关及其制造方法，该射频MEMS开关的结构特点为硅‑硅双层结构，包括衬底、介质层、驱动电极、隔离层、信号线、地线和盖帽；信号线包括信号线输入电极、柱状锚点、两个固定梁、横梁、多触点系统和信号线输出电极。两个固定梁一端固定在柱状锚点上表面，另一端与横梁的固定端连接，多触点系统位于横梁自由端的下方，驱动电极位于横梁下方，硅帽上加工凹槽和通孔，通孔的位置与信号线输入电极、信号线输出电极、地线和驱动电极相对应。本发明的射频MEMS开关，有效的降低了开关的驱动电压，提高了触点的寿命，用硅帽对横梁进行保护使其不受环境影响，提高了开关的可靠性。

Description

一种射频MEMS开关及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种射频MEMS开关及其制造方法，属于射频MEMS技术领域。

背景技术

射频微电子系统(Radio Frequency Micro-Electro-Mechanical System，简称RFMEMS)是MEMS技术的一个重要分支，也是20世纪90年代以来MEMS领域的研究热点。RF MEMS是指采用MEMS技术制造RF器件、组件或子系统，实现对RF信号的控制。RF MEMS开关利用力学运动来控制射频信号传输的通断，是RF MEMS器件和系统中最重要的一种基本元件。RFMEMS开关以其固有的近零驱动功耗、低插入损耗、线性和低交叉调制损耗等特性，在微波领域表现出巨大的应用前景。它可以被用于波段切换开关、旁路开关、可重构天线、相控阵通信系统、相控阵雷达、移相器、高达120GHz的通信卫星开关网络和无线通信系统中。现有的RF MEMS开关主要是静电驱动的电容式开关和接触式开关，其主要缺陷是：

(1)静电驱动的开关两电极板的间距与驱动电压之间的矛盾，要想得到高的隔离度，极板的间距不能太小，但此时驱动电压就较高。

(2)现有开关一般采用单触点设计，触点因多次接触打击，导致开关可靠性差，且极易损坏。

(3)RF MEMS开关通常采用器件级封装技术，不仅成本高而且器件级封装技术本身的长期可靠性差，也影响了开关的可靠性和寿命。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种射频MEMS开关及其制造方法，该射频MEMS开关解决了现有开关驱动电压高、寿命低、可靠性差的问题。

本发明的技术解决方案是：一种射频MEMS开关，包括：衬底、介质层、驱动电极、隔离层、信号线、地线和盖帽；所述信号线包括信号线输入电极、柱状锚点、两个带有转折结构的固定梁、横梁、多触点系统和信号线输出电极；其中每个固定梁至少有六个转折部分；

衬底上设置有介质层，介质层上设置有驱动电极、信号线输入电极、信号线输出电极和地线，信号线输入电极上加工有柱状锚点，两个固定梁的一端均固定在柱状锚点的上表面，两个固定梁另一端与横梁的固定端连接，两个固定梁与横梁高度相同且上表面平齐，横梁上设计有网孔，横梁自由端的下方对应有多触点系统，所述多触点系统位于信号线输出电极上；驱动电极插入横梁下方，且位于横梁下方的部分上加工有隔离层；

地线包含第一地线、第二地线和第三地线，第一地线和第二地线分别位于信号线的两侧，其中，第二地线被驱动电极隔开，通过位于驱动电极上的第三地线相连接；

盖帽为尺寸与衬底相匹配的实心体，盖帽与衬底键合连接，盖帽上与信号线相对应的位置开有凹槽，用于为横梁提供运动空间，盖帽上加工有五个通孔，分别与信号线输入电极、信号线输出电极、第一地线、第二地线和驱动电极对应。

所述衬底和盖帽的材料均为电阻率大于4000Ω·cm的硅，介质层的材料为二氧化硅，驱动电极的材料为金或铝，隔离层的材料为氮化硅，信号线输入电极、锚点、固定梁、横梁、多触点系统、信号线输出电极以及地线的材料为金。

所述每个固定梁的转折部分均为直角。

制造所述射频MEMS开关的方法，包括以下步骤：

(一)选择电阻率大于4000Ω·cm的硅作为衬底；

(二)在衬底上通过热氧化的方法生成一层二氧化硅，利用光刻和刻蚀技术在二氧化硅层上形成介质层；

(三)通过溅射技术在介质层上溅射一层金或铝，利用光刻和刻蚀技术在介质层上形成驱动电极；

(四)利用LP CVD的方法在介质层上生成一层氮化硅，利用光刻和刻蚀技术在驱动电极上形成隔离层；

(五)利用溅射的方法在介质层上生成一层金，通过光刻技术完成介质层上信号线输入电极、信号线输出电极、第一地线和第二地线的图形化设计，利用电镀的方法在所述图形化区域生成一层金，然后采用刻蚀的方法在介质层上形成信号线输入电极、信号线输出电极、第一地线和第二地线，其中第二地线包括两部分，分别位于驱动电极两侧；

(六)通过光刻技术在信号线输入电极的一端完成柱状锚点的图形化设计，在第二地线上完成第三地线的图形化设计，在信号线输出电极上完成多触点系统的图形化设计，利用电镀的方法在所述图形化区域生成一层金，然后采用刻蚀的方法在介质层上形成柱状锚点，在第二地线上形成第三地线，在信号线输出电极上形成多触点系统；

(七)通过旋涂的方法形成一层聚酰亚胺，然后通过光刻技术完成转折弯曲结构的固定梁、横梁、横梁上的网孔的图形化设计，利用电镀的方法在图形化区域生成一层金，然后采用刻蚀和聚酰亚胺释放的方法形成固定梁、横梁和横梁上的网孔；

(八)选择电阻率大于4000Ω·cm的硅制成尺寸与衬底相匹配的实心体作为盖帽；

(九)通过刻蚀、腐蚀或喷砂的方法在盖帽上与信号线对应的位置加工凹槽；

(十)通过刻蚀、腐蚀或喷砂的方法在盖帽上形成五个通孔，所述五个通孔分别与信号线输入电极、信号线输出电极、第一地线、第二地线和驱动电极相对应；

(十一)将衬底和盖帽在真空环境下进行硅-硅键合,形成键合片。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明的射频MEMS开关，由固定梁和横梁一起构成悬臂梁，固定梁为转折结构，且带有至少六个转折部分，横梁上有网孔，这种悬臂梁的设计降低了悬臂梁的弹性系数，从而降低了射频MEMS开关的驱动电压。

(2)本发明的射频MEMS开关采用多触点系统实现，较传统使用单触点的设计，明显改善了触点因多次接触打击引起的可靠性差的问题，提高了开关的寿命和可靠性。

(3)本发明的射频MEMS开关，采用硅-硅双层结构，通过硅盖帽保护开关的悬臂梁不受环境影响，提高了开关的可靠性和寿命。

(4)本发明衬底和盖帽选用电阻率大于4000Ω·cm的高阻硅，这种高阻硅属于绝缘介质基片，电导率低，从而使电磁波在介质基片上的损耗较小，固定梁和横梁的材料为金，金的弹性模量较低，有效降低了悬臂梁的弹性系数，从而有效降低了射频MEMS开关的驱动电压。

(5)本发明MEMS开关制造方法中，衬底和盖帽在真空环境下进行硅-硅键合，这种方法便于实现圆片级封装，从而实现批量封装，降低了成本，同时由于衬底和盖帽进行键合后可以给开关提供长期的真空度，保护悬臂梁运动不受外界环境的影响，从而提高了开关的可靠性和寿命。

附图说明

图1为本发明射频MEMS开关示意图，其中1A和1B分别为侧视图和剖面图；

图2为本发明制造方法中步骤(1)-(7)的工序完成后的硅衬底剖面示意图，其中2A为衬底剖面示意图，2B为形成介质层后的剖面示意图，2C为形成驱动电极后的剖面示意图，2D为形成隔离层后的剖面示意图，2E为形成信号线输入电极和信号线输出电极的剖面示意图，2F为形成柱状锚点和多触点系统的剖面示意图，2G为形成固定梁、横梁和网孔的剖面示意图；

图3为本发明制造方法中步骤(8)-(10)的工序完成后的硅帽剖面示意图，其中3A为盖帽的剖面示意图，3B为在盖帽上形成凹槽的剖面示意图，3C为带有凹槽和部分通孔的盖帽剖面示意图；

图4为利用本发明制造方法制造完成的射频MEMS开关剖面示意图；

图5为本发明中固定梁8的俯视图。

具体实施方式

本发明提出一种射频MEMS开关，包括：衬底2、介质层3、驱动电极4、隔离层5、信号线输入电极6、柱状锚点7、两个带有转折结构的固定梁8、横梁9、多触点系统11和信号线输出电极12、地线13和盖帽14。如图1为本发明的射频MEMS开关结构示意图，1A为其侧视图，1B为其沿图1A的AB-A’B’截面的剖面图。

其中每个固定梁8包括至少6个转折部分，如图5所示给出了本发明固定梁8的一种结构，其中转折部分为直角，一个固定梁有7个直角转折部分，将固定梁分为8段。转折结构的设计降低了横梁9的弹性系数。

衬底2上有介质层3，介质层3上分布有驱动电极4、信号线输入电极6、信号线输出电极12、地线13。信号线输入电极6上加工有柱状锚点7，两个固定梁8的一端均固定在柱状锚点7上表面，固定梁8是横梁9的固定端，且固定梁8与横梁9高度相同且上表面平齐，固定梁8和横梁9构成悬臂梁，横梁9上有网孔10，横梁9自由端的下方对应有多触点系统11，多触点系统11与信号线输出电极12相连，且位于信号线输出电极12上。信号线输入电极6、柱状锚点7、固定梁8、横梁9、多触点系统11和信号线输出电极12共同构成了信号线，地线13包含第一地线13a和第二地线13b，第一地线13a和第二地线13b分别位于信号线的两侧，其中，地线13b被驱动电极4隔开，通过位于驱动电极4上的第三地线13c相连接。信号线与地线13共同构成了共面波导线。驱动电极4插入横梁9下方，且位于横梁9下方的部分上加工有隔离层5。驱动电极4施加驱动电压时，横梁9与多触点系统11接触，所述信号线导通。

盖帽14为尺寸与衬底2相匹配的实心体，盖帽14与衬底2键合连接，盖帽14上与信号线相对应的位置开有凹槽16，用于为横梁9提供运动空间，盖帽14上加工有信号输入端通孔15a、信号输出端通孔15b、第一地线通孔15c、第二地线通孔15d和驱动电极通孔15e，其中信号输入端通孔15a的位置对应信号线输入电极6的一端，信号输出端通孔15b的位置对应信号线输出电极12的一端，第一地线通孔15c的位置对应第一地线13a的一端，第二地线通孔15d的位置对应第二地线13b的一端，驱动电极通孔15e的位置对应驱动电极4的一端。

所述的衬底2和盖帽14的材料为高阻硅，电阻率大于4000Ω·cm，属于绝缘介质基片，电导率低能够保证电磁波在介质基片上的损耗较小。介质层3的材料为二氧化硅，驱动电极4的材料为金或铝，隔离层5的材料为氮化硅，是较好的绝缘介质材料。信号线输入电极6、柱状锚点7、固定梁8、横梁9、多触点系统11、信号线输出电极12、地线13的材料为金。金的弹性模量较低，可以使横梁的弹性系数降低，另外横梁9固定端为固定梁8、横梁上有网孔10，这些都降低了横梁9弹性系数，从而使射频MEMS开关1具有较低的驱动电压。多触点系统11改善了触点因多次接触打击引起的可靠性差的问题，提高了射频MEMS开关1的寿命。盖帽14保护横梁9运动时不受环境影响，提高了射频MEMS开关1的可靠性。

本发明的射频MEMS开关1，工作方式如下：

当所述的驱动电极4未施加驱动电压时，所述横梁9的自由端与多触点系统10断开，使射频MEMS开关1处于关闭状态，驱动电极4施加驱动电压时，所述的横梁9与驱动电极4之间产生静电力，使横梁9弯曲并与多触点系统11接触，使射频MEMS开关1处于开启状态。

参照图2-图4，对射频MEMS开关1的制造方法进行说明。

(1)选择高阻硅(电阻率大于4000Ω·cm)材料作为衬底2，其剖面示意图如图2A所示；

(2)通过热氧化生成一层二氧化硅，通过光刻和刻蚀技术在衬底2的上表面形成介质层3，其剖面示意图如图2B所示；

(3)通过溅射技术在介质层3溅射一层金或铝，然后通过光刻技术完成驱动电极4的图形化设计，再利用刻蚀的方法在介质层3上形成驱动电极4，其剖面示意图如图2C所示；

(4)通过LP CVD的方法在介质层3上生成一层氮化硅，通过光刻技术在驱动电极4位于横梁9下方的部分上完成隔离层5的图形化设计，然后采用刻蚀的方法在驱动电极4上形成隔离层5，其剖面示意图如图2D所示；

(5)用溅射的方法在介质层3上生成一层金，通过光刻技术完成介质层3上信号线输入电极6、信号线输出电极12和第一地线13a、第二地线13b的图形化设计，利用电镀的方法在介质层3上的图形化区域生成一层金，然后采用刻蚀的方法在介质层3上形成信号线输入电极6、信号线输出电极12和第一地线13a、第二地线13b，其中第二地线13b包括两部分，分别位于驱动电极4两侧；在介质层上形成信号线输入电极6和信号线输出电极12的剖面示意图如图2E所示；

(6)通过光刻技术在信号线输入电极6的一端完成柱状锚点7的图形化设计，在第二地线13b上完成第三地线13c的图形化设计，在信号线输出电极12上完成多触点系统11的图形化设计，利用电镀的方法在介质层3上的图形化区域生成一层金，然后采用刻蚀的方法在介质层3上形成柱状锚点7，在第二地线13b上形成第三地线13c、信号线输出电极12上形成多触点系统11；在介质层上形成柱状锚点7和多触点系统11的剖面示意图如图2F所示；

(7)通过旋涂的方法形成一层聚酰亚胺，然后通过光刻技术完成带有转折弯曲机构的固定梁8、横梁9、网孔10的图形化设计，在利用电镀的方法在图形化区域生成一层金，然后采用刻蚀和聚酰亚胺释放的方法形成固定梁8、横梁9和网孔10，剖面示意图如图2G所示；

(8)选择高阻硅(电阻率大于4000Ω·cm)制成尺寸与衬底相匹配的实心体作为盖帽14，如图3A所示；

(9)通过刻蚀、腐蚀或喷砂的方法在盖帽14上形成凹槽16，如图3B所示；

(10)通过刻蚀、腐蚀或喷砂的方法在盖帽14上形成五个通孔15，五个通孔15分别与信号线输入电极6、信号线输出电极12、第一地线13a、第二地线13b以及驱动电极4上的金属焊点对应，图3C给出了带有凹槽和部分通孔的盖帽剖面示意图；

(11)将衬底2和盖帽14在真空环境下进行键合,形成键合片，，完成射频MEMS开关1的制作，射频MEMS开关剖面示意图如图4所示。

根据射频MEMS开关具体应用要求不同，其各组成部件的厚度或高度也不相同。以一个频率范围小于10GHz的射频MEMS开关为例，其制作时：衬底2选择高阻硅，在衬底2的表面形成0.6um-1um厚的二氧化硅介质层3，0.2um-0.3um厚的金或铝的驱动电极4，在驱动电极4上形成0.3um-0.5um厚的氮化硅隔离层5，1um-1.5um厚的金信号线输入电极6、信号线输出电极12和第一地线13a、第二地线13b，3um高的金柱状锚点7，0.5um-1um厚的金第三地线13c和多触点系统11，5um厚的金固定梁8、横梁9和网孔10。盖帽14选择高阻硅，在盖帽14上形成深度为10um-12um的凹槽16和通孔15。

上面详细叙述了微机械加工的一种射频MEMS开关的特征结构及制造方法，本领域内的技术人员可以在此基础上进行局部调整和修改，不难重复出本发明的结果，但这并不会超出本发明权利要求的保护范围。

本说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种射频MEMS开关，其特征在于包括：衬底(2)、介质层(3)、驱动电极(4)、隔离层(5)、信号线、地线(13)和盖帽(14)；所述信号线包括信号线输入电极(6)、柱状锚点(7)、两个带有转折结构的固定梁(8)、横梁(9)、多触点系统(11)和信号线输出电极(12)；其中每个固定梁(8)至少有六个转折部分；

衬底(2)上设置有介质层(3)，介质层(3)上设置有驱动电极(4)、信号线输入电极(6)、信号线输出电极(12)和地线(13)，信号线输入电极(6)上加工有柱状锚点(7)，两个固定梁(8)的一端均固定在柱状锚点(7)的上表面，两个固定梁(8)另一端与横梁(9)的固定端连接，两个固定梁(8)与横梁(9)高度相同且上表面平齐，横梁(9)上设计有网孔(10)，横梁(9)自由端的下方对应有多触点系统(11)，所述多触点系统(11)位于信号线输出电极(12)上；驱动电极(4)插入横梁(9)下方，且位于横梁(9)下方的部分上加工有隔离层(5)；

每个固定梁(8)有7个直角转折部分，将固定梁分为8段，其中第一个固定梁第1段一端固定在柱状锚点(7)的上表面，另一端向左直角转折形成第2段，第2段末端向上直角转折形成第3段，第3段末端向左直角转折形成第4段，第4段末端向上直角转折形成第5段，第5段末端向右直角转折形成第6段，第6段末端向上直角转折形成第7段，第7段末端向右直角转折形成第8段，第8段末端与横梁(9)的固定端连接；第二个固定梁与第一个固定梁结构对称；

地线(13)包含第一地线(13a)、第二地线(13b)和第三地线(13c)，第一地线(13a)和第二地线(13b)分别位于信号线的两侧，其中，第二地线(13b)被驱动电极(4)隔开，通过位于驱动电极(4)上的第三地线(13c)相连接；

盖帽(14)为尺寸与衬底(2)相匹配的实心体，盖帽(14)与衬底(2)键合连接，盖帽(14)上与信号线相对应的位置开有凹槽(16)，用于为横梁(9)提供运动空间，盖帽(14)上加工有五个通孔(15)，分别与信号线输入电极(6)、信号线输出电极(12)、第一地线(13a)、第二地线(13b)和驱动电极(4)对应。

2.如权利要求1所述的射频MEMS开关，其特征在于：所述衬底(2)和盖帽(14)的材料均为电阻率大于4000Ω·cm的硅，介质层(3)的材料为二氧化硅，驱动电极(4)的材料为金或铝，隔离层(5)的材料为氮化硅，信号线输入电极(6)、锚点(7)、固定梁(8)、横梁(9)、多触点系统(11)、信号线输出电极(12)以及地线(13)的材料为金。

3.如权利要求1所述的射频MEMS开关，其特征在于：所述每个固定梁(8)的转折部分均为直角。

4.制造如权利要求2所述射频MEMS开关的方法，其特征在于包括以下步骤：

(一)选择电阻率大于4000Ω·cm的硅作为衬底(2)；

(二)在衬底(2)上通过热氧化的方法生成一层二氧化硅，利用光刻和刻蚀技术在二氧化硅层上形成介质层(3)；

(三)通过溅射技术在介质层(3)上溅射一层金或铝，利用光刻和刻蚀技术在介质层(3)上形成驱动电极(4)；

(四)利用LP CVD的方法在介质层(3)上生成一层氮化硅，利用光刻和刻蚀技术在驱动电极(4)上形成隔离层(5)；

(五)利用溅射的方法在介质层(3)上生成一层金，通过光刻技术完成介质层(3)上信号线输入电极(6)、信号线输出电极(12)、第一地线(13a)和第二地线(13b)的图形化设计，利用电镀的方法在所述图形化区域生成一层金，然后采用刻蚀的方法在介质层(3)上形成信号线输入电极(6)、信号线输出电极(12)、第一地线(13a)和第二地线(13b)，其中第二地线(13b)包括两部分，分别位于驱动电极(4)两侧；

(六)通过光刻技术在信号线输入电极(6)的一端完成柱状锚点(7)的图形化设计，在第二地线(13b)上完成第三地线(13c)的图形化设计，在信号线输出电极(12)上完成多触点系统(11)的图形化设计，利用电镀的方法在所述图形化区域生成一层金，然后采用刻蚀的方法在介质层(3)上形成柱状锚点(7)，在第二地线(13b)上形成第三地线(13c)，在信号线输出电极(12)上形成多触点系统(11)；

(七)通过旋涂的方法形成一层聚酰亚胺，然后通过光刻技术完成转折弯曲结构的固定梁(8)、横梁(9)、横梁(9)上的网孔(10)的图形化设计，利用电镀的方法在图形化区域生成一层金，然后采用刻蚀和聚酰亚胺释放的方法形成固定梁(8)、横梁(9)和横梁(9)上的网孔(10)；

(八)选择电阻率大于4000Ω·cm的硅制成尺寸与衬底相匹配的实心体作为盖帽(14)；

(九)通过刻蚀、腐蚀或喷砂的方法在盖帽(14)上与信号线对应的位置加工凹槽(16)；

(十)通过刻蚀、腐蚀或喷砂的方法在盖帽(14)上形成五个通孔(15)，所述五个通孔(15)分别与信号线输入电极(6)、信号线输出电极(12)、第一地线(13a)、第二地线(13b)和驱动电极(4)相对应；

(十一)将衬底(2)和盖帽(14)在真空环境下进行硅-硅键合,形成键合片。